Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Niewidzialność Technika kamuflażu Maria Gazda, Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej PG, Katedra.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Niewidzialność Technika kamuflażu Maria Gazda, Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej PG, Katedra."— Zapis prezentacji:

1 Niewidzialność Technika kamuflażu Maria Gazda, Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej PG, Katedra Fizyki Ciała Stałego,

2 Technika kamuflażu Technika kamuflażu rozwija się nieustannie. dawniej teraz

3 Natura mistrzem kamuflażu

4 2 warstwy wyspecjalizowanych komórek leżących poniżej przezroczystej zewnętrznej skóry Mistrzowie kamuflażu w naturze Kameleon

5 Mistrzowie kamuflażu w naturze Flądra tropikalna jest w stanie w czasie 2-8 sekund dostosować swój wygląd do podłoża. V. S. Ramachandran et al.. Nature 379 (1996), 818.

6 Jak osiągnąć niewidzialność? Czapka niewidka: w mitologii greckiej Hades i Perseusz używali czapki niewidki (szyszak i hełm); Amulety i inne przedmioty: koralik - Karolcia, M. Krüger, pierścień - Władca pierścieni, Hobbit J.R.R. Tolkiena Peleryna niewidka: mitologia nordycka, Harry Potter; Niewidzialność na życzenie: Chińskie smoki, na życzenie stawały się tak małe, że człowiek ich nie widział;

7 Czy niewidzialność to tylko fikcja literacka?

8 Niewidzialność: fikcja literacka?

9 Plan Ukrywanie obiektów przed wykryciem przez radar (technologia stealth); Techniki anty-kamuflażu; Kamuflaż optyczny Za pomocą nowoczesnych urządzeń optoelektronicznych; Za pomocą tzw. metamateriałów;

10 Jak ukryć samolot lub statek przed radarem?

11 Historia Wbrew pozorom, prace nad poszukiwaniem sposobów ukrycia okrętów podwodnych przed radarem nie są nowe. Początki sięgają II wojny światowej. Zastosowano wówczas materiały absorbujące promieniowanie. gruby (7.5 cm) wielowarstwowy materiał złożony z warstw oporowych przedzielonych plastikiem o małej stałej dielektrycznej; warstwę gumy z cząstkami magnetycznymi (kompozyt), absorbującą promieniowanie 3 GHz;

12 Jak obliczyć widzialność: przekrój czynny. Moc promieniowania rozproszonego przez obiekt na jednostkę kąta bryłowego (steradian) w kierunku radaru podzielona przez gęstość mocy promieniowania padającego na obiekt. Wielkość ta (Radar Cross Section, RCS) ma wymiar powierzchni.

13 Typowy RCS - Skuteczna powierzchnia odbicia (m 2 ) Ciężarówka200 Liniowiec Jumbo jet100 Duży bombowiec40 Duży samolot myśliwski5-6 Dorosły mężczyzna1 Konwencjonalne pociski0.5 Ptaki0.01 Insekty Źródło: Skolnick, Introduction to Radar Systems B –52100 B-1A10 B-1B1 F-117A0,1 B-20,01 Przykłady

14 Jak działa radar? Howstuffworks.com Antena wysyła silny impuls fal radiowych; Impuls natrafia na samolot i odbija się; Odbity sygnał jest rejestrowany przez tę samą antenę;

15 Jak oszukać radar? Tak odbić promieniowanie, że nie trafi ono do detektora: Kształt; Struktura powierzchni; Pochłonąć promieniowanie padające i zamienić je na ciepło: Materiały absorbujące promieniowanie;

16 Kształt Piotr Ufimtsev w 1966 roku opublikował Method of Edge Waves in the Physical Theory of Diffraction Obliczył przekroje czynne różnych obiektów 2D; Echo 1 – program komputerowy do obliczania optymalnych kątów dla samolotów F-117A Samolot powinien składać się z wielu płaskich powierzchni.

17 Kształt Łatwo to zrozumieć patrząc na bieg promienia światła po przejściu np. przez taki żyrandol jak na rysunku obok.

18 Kształt Gdy kształt samolotu jest zaokrąglony, wówczas zawsze część promieniowa nia odbitego dotrze do detektora.

19 Kształt: gdy jest wiele, różnie nachylonych płaskich powierzchni: jest jeszcze lepiej

20 Kształt: wiele, różnie nachylonych płaskich powierzchni

21 Kształt: bardziej aerodynamiczne powierzchnie W latach 1980-tych rozpoczęto komputerowe projektowanie kształtu samolotu. Pozwoliło to na bardziej aerodynamiczne kształty.

22 Kształt: bardziej aerodynamiczne powierzchnie

23 Struktura powierzchni samolotu RADAR beam Wielokrotne odbicia w różnych kierunkach

24 Struktura powierzchni samolotu Inny sposób: padające promieniowanie się odbija, ale tak, że fala padająca i odbita wygaszają się.

25 Struktura powierzchni samolotu Również efekty dyfrakcyjne mogą być wykorzystane w tzw. powierzchniach selektywnych (frequency-selective surfaces), zbudowanych w postaci równomiernie rozłożonych struktur pełniących funkcję anten.

26 Materiały absorbujące promieniowanie Kompozyty: drobiny materiału magnetycznego lub elektrycznego w matrycy dielektrycznej

27 Jak materiał absorbuje promieniowanie: Materiały magnetyczne: Promieniowanie elektromagnetyczne oddziałuje z materiałem magnetycznym: powoduje przemagnesowanie, ruch domen magnetycznych itd. Powoduje to straty energii promieniowania padającego i zamianę jej na ciepło.

28 Jak materiał absorbuje promieniowanie Materiały przewodzące Zmienne pole elektryczne indukuje prąd w materiale.Materiał ma opór, pojemność, indukcyjność, z przepływem prądu wiążą się straty energii, tzn. energia fali elektromagnetycznej zamienia się w ten sposób na ciepło.

29 Materiały absorbujące promieniowanie Obecność fazy magnetycznej (przewodzącej) powoduje oddziaływanie promieniowania z materiałem i straty energii. Obecność fazy niemetalicznej powoduje, że promieniowanie wnika do wnętrza materiału.

30 Technologia anty-antyradarowa Radar pracujący przy długościach fali większych niż rozmiar samolotu. Bi- i multistatyczne radary Radary szerokopasmowe (trudniej zrobić materiał RAM)

31 Bi- i multistatyczne radary Radary najczęściej pracują impulsowo: emitują silny impuls promieniowania i następnie mierzą impuls odbity od przeszkody. W rezultacie, łatwo je wykryć. Obecne tendencje są takie, aby radar emitował promieniowanie ciągłe, odpowiednio modulowane, a detekcja odbywała się za pomocą innych anten.

32 Bi- i multistatyczne radary NOTABENE: Pierwsze radary emitowały falę ciągłą i były bistatyczne. Dużym problemem było tło i rozmaite zakłócenia z ziemi. Dlatego rozwinięto techniki impulsowe. Obecnie, wskutek rozwoju cyfrowych technik obróbki sygnału stał się możliwy rozwój technik nieimpulsowych. Pierwszy praktycznie stosowany radar ciągły (tylko Dopplerowski) to radar policyjny.

33 Bi- i multistatyczne radary Więcej niż jedna antena odbiorcza.

34 Takie radary mają większą czułość, większy zasięg, a wyniki są bardziej jednoznaczne. Zasięg praktycznie zależy jedynie od ilości anten odbiorczych. Bi- i multistatyczne radary

35 Radar TV Przeprowadzono eksperymenty z zastosowaniem fal UHV do detekcji obiektów wojskowych. Pierwsze eksperymenty dały nie najlepszy rezultat (zasięg 10 km).

36 Technologia anty- antyradarowa: inne metody Detekcja gazów wydechowych Wykorzystanie subtelnych efektów polegających na tym, że końcówki skrzydeł generują turbulencje, które zmieniają współczynnik załamania światła, co odbija sygnał radaru.

37 Kamuflaż termiczny

38 Rozkład energii światła słonecznego 5% UV (mniej niż 400 nm) 45% zakres widzialny 50% podczerwień

39 Kamuflaż termiczny Każdy człowiek, każdy obiekt, urządzenie, pojazd itd. emituje promieniowanie cieplne o intensywności i zakresie długości fali zależnym od temperatury powierzchni ciała i jej zdolności emisyjnej.

40 Kamuflaż termiczny Obiekty o temperaturze około 500 o C emitują promieniowanie o 1 – 2 m; o C: 3 – 5 m o C: 8 – 12m

41 Kamuflaż termiczny Czułość detektorów termicznych jest obecnie taka, że mogą one zmierzyć różnicę temperatur między obiektem a otoczeniem 0.1 o C i mniej. Ukrycie np. czołgu na tle otoczenia, które ma np. 20 o C jest ekstremalnie trudne. W dodatku temperatura otoczenia się zmienia.

42 Materiały Warstwy (np. farby) zmniejszające współczynnik odbicia promieniowania IR zawierają zazwyczaj drobiny metalu, które musza być tak przygotowane aby nie odbijały zbyt silnie promieniowania widzialnego. Może to być też materiał warstwowy (tkanina, folia metalowa, tkanina).

43 Statek pokryty warstwą ochronną (lewy) i bez warstwy. Porównanie Czołg pokryty warstwą ochronną (lewy) i bez warstwy.

44 Niewidzialność optyczna

45 Kamuflaż optyczny za pomocą urządzeń optoelektronicznych Optoelektroniczne układy, sensory i ekrany zbudowane tak, aby niektóre obiekty wydawały się wręcz przezroczyste. Jest to kamuflaż, który dostosowuje się do warunków otoczenia.

46 Kamuflaż optyczny za pomocą urządzeń optoelektronicznych Układ składa się z elastycznych wyświetlaczy tworzących płaszczyznę osłaniającą wszystkie powierzchnie ukrywanego obiektu. Każdy ekran jest wyposażony w sensory, które rejestrują obraz przed sobą. Obraz ten jest przekazywany do wyświetlacza z drugiej strony obiektu i tam wyświetlany (każdy ekran wyświetla to, co jest ZA NIM). tokyo.ac.jp/projects/MEDIA/xv/VRIC2003.pdf

47 Kamuflaż optyczny za pomocą urządzeń optoelektronicznych

48 Materiał peleryny niewidki jest pokryty tysiącami kuleczek, które odbijają światło idealnie do tyłu. Taki materiał jest idealnie nieprzezroczysty - pełni funkcję ekranu.

49 Kamuflaż optyczny za pomocą urządzeń optoelektronicznych Nie jest to, niestety, prawdziwy i idealny kamuflaż Jest właściwie jednokierunkowy; Wymaga wyposażenia technicznego; Nie likwiduje cienia.

50 Its optics but not as you know it, Jim Prawdziwa niewidzialność?

51 Prawdziwą niewidzialność można osiągnąć tylko, jeśli światło będzie uginać się wokół obiektu. Metamateriały

52 Jak ugiąć światło? Światło rozchodzi się prostoliniowo. Aby ugiąć promień światła, potrzebny jest materiał o odpowiednim współczynniku załamania światła.

53 Jak ugiąć światło? Aby światło rozchodzące się w powietrzu, napotykając materiał ugięło się wokół niego, musi on mieć ujemny współczynnik załamania. Nature 445(2007), 346. A.D. Boardman, N. King, Univ. Of Salford, UK, "Frontiers of Physics"

54 Zwyczajne załamanie światła

55 Czy takie załamanie jest możliwe?

56 Ujemny współczynnik załamania światła Współczynnik załamania światła materiału jest ujemny gdy jego przenikalność elektryczna i magnetyczna są jednocześnie ujemne.

57 Dielektryki Czy istnieje materiał o ujemnym n?

58 Dielektryki Plazma, gaz elektronowy Czy istnieje materiał o ujemnym n?

59 Dielektryki Plazma, gaz elektronowy Czy istnieje materiał o ujemnym n?

60 Nie istnieje! Trzeba go zbudować. Jest to tak zwany METAMATERIAŁ n> 0 n urojone : silna absorpcja n < 0 n urojone : silna absorpcja Czy istnieje materiał o ujemnym n?

61 Jak zrobić metamateriał? Potrzebny jest materiał z ujemnym i w tym samym (najlepiej optycznym) zakresie częstotliwości.

62 Zjawiska rezonansowe EyEy I Rezonans elektryczny (ujemne ε) Rezonans w układzie cienkich drutów prowadzi do ujemnego

63 Zjawiska rezonansowe J.B.Pendry et al., 1999 Rezonans magnetyczny w przeciętym pierścieniu prowadzi do ujemnego

64 Zjawiska rezonansowe Potrzebny jest materiał z ujemnym i w tym samym zakresie częstotliwości. EyEy HxHx I I Rezonans magnetyczny (ujemne μ) Rezonans elektryczny (ujemne ε) A.D. Boardman, N. King, Univ. Of Salford, UK, "Frontiers of Physics"

65 Smith et al: Phys. Rev. Lett. 84, 4184 (2000) Pierwszy materiał o ujemnym współczynniku załamania otrzymano w 2000 roku (w zakresie mikrofal: = 6 cm) Pierwsze wyniki

66 D. Schurig et al.. Science 314 (2006) 577 ( = 3,5 cm, Duke University)

67 Wyniki doświadczalne ( ) Pierwsze wyniki ( ) – mikrofale (5 GHz -20 GHz) Później ( ) – podczerwień GHz, THz, Obecnie – promieniowanie widzialne

68 Od mikrofal do światła widzialnego W ciągu 6 lat długość fali zmniejszyła się od 6 cm do 750 m.

69 Najnowsze wyniki Praktycznie jednocześnie: 11 i 13 sierpnia 2008 w Nature i Science opublikowano dwa doniesienia o trójwymiarowych materiałach o ujemnym współczynniku załamania w zakresie widzialnym.

70 Metamateriał zbudowany z nanodrutów srebrnych umieszczonych w matrycy Al 2 O 3. J. Yao et al., Science 321, 930 (2008), University of California, Berkeley.

71 J Valentine et al. Nature 455, (11 Aug 2008), a, 21-warstwowa struktura o parametrach of p = 860 nm, a = 565 nm i b = 265 nm. b, Struktura składa się z naprzemiennie ułożonych warstw Ag (30 nm) i MgF 2 (50 nm)

72 Metamateriały akustyczne José Sánchez-Dehesa i współpracownicy z Polytechnic University of Valencia w Hiszpanii obliczyli, że można zrobić akustyczny metamateriał. Materiał taki powinien składać się z cylindrycznych prętów lub z kulek wypełnionych powietrzem. Sfera ciszy Physics World, Jan 17, 2008

73

74 Literatura Paul Saville, DRDC Atlantic / Dockyard Laboratory Pacific Davin E. Leinenbach Krzysztof Kulpa, Uniwersytet Warszawski Continuous wave radars-monostatic, multistatic and networks Wiedza i życie Atak z powietrza 3/99, (9/89) H.D. Griffiths, University College London, Bistatic and multistatic radar

75 Dziwne zjawiska w materiałach o ujemnym n

76 zwykłymetamateriał przezroczysty Obraz pozorny Obraz rzeczywisty Dziwne zjawiska

77 metamateriał powietrze Źródło punkto we obraz Zastosowania Idealne, płaskie soczewki

78 Idealne, płaskie soczewki = -1 i = -1 V. G. Veselago, Sov. Phys. Usp. 10, 509 (1968). J. B. Pendry, Phys. Rev. Lett. 85, 3966 (2000). Zastosowania

79 Dziwne zjawiska w materiałach o ujemnym n


Pobierz ppt "Niewidzialność Technika kamuflażu Maria Gazda, Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej PG, Katedra."

Podobne prezentacje


Reklamy Google