Часть 5. Тепломаскировка (Защита от тепловизора)
Защита от тепловизора
Защита от тепловизора (тепловая маскировка) — одна из самых сложных задач современной физики и военной инженерии.
Чтобы объект стал невидим для тепловизора, необходимо решить две задачи:
1. Сровнять температуру поверхности с температурой окружающего фона;
2. Сравнять коэффициент эмиссии с коэффициентом фона, либо сопоставить тепловой силуэт с природными объектами (деревьями, камнями, грунтом).
Главный фундаментальный барьер тепловой маскировки — Первый закон термодинамики. Живой человек (генерирующий около 100 Вт тепла) или работающий двигатель не могут перестать выделять тепло. Защита должна либо накапливать это тепло внутри – эффект термоса, либо перенаправлять его в невидимую для наблюдателя сторону - экранировать.
Слиться с фоном сложно, потому что фон динамичен. Солнце греет траву/камни неравномерно, поэтому даже идеальный экран (накидка) может быть виден как "холодное пятно" на фоне нагретой солнцем земли утром и как "горячее пятно" вечером.
Антитепловизионная защита может делиться на три категории:
Адаптивная защита (Активный камуфляж)
Самый технологически сложный и продвинутый класс защиты. В отличие от пассивных методов, адаптивная система непрерывно подстраивает температуру и ИК-портрет поверхности объекта под текущий изменяющийся фон в режиме реального времени.
- Термоэлектрические модули (Элементы Пельтье). Поверхность объекта покрывается матрицей из тысяч мелких жестких или гибких пластин. При подаче электрического тока одна сторона элемента Пельтье мгновенно охлаждается, а другая нагревается.
- Внешние ИК-камеры сканируют температуру окружающей среды (деревьев, снега, песка, зданий) и передают данные в процессор. Процессор за доли секунды изменит температуру каждой отдельной пластины на поверхности объекта. Танк или БМП могут не просто «раствориться» на фоне леса, но и спроецировать на свою поверхность тепловую форму совсем другого объекта (например, легкового автомобиля или камня).
- Абсолютная универсальность, работа при любой погоде, мгновенное реагирование на движение техники и смену фона.
- Экстремально высокая стоимость, высокое энергопотребление, сложность конструкции и уязвимость к механическим повреждениям в боевых условиях.
Комплексы активного камуфляжа для бронетехники (например, BAE Systems ADAPTIV), перспективные системы маскировки авиации и спецподразделений.
ADAPTIV — это технология активного камуфляжа, разработанная шведской компанией BAE Systems (подразделением BAE Systems Hägglunds). Её главная задача — сделать военную технику менее заметной для приборов ночного видения и других систем наблюдения, работающих в инфракрасном (ИК) диапазоне.
1. ADAPTIV покрывает борта техники (танка, БМП, бронетранспортёра) массивом шестиугольных панелей, которые работают как «пиксели». Каждая панель оснащена элементом Пельтье, который позволяет быстро менять её температуру — нагревать или охлаждать.
2. Инфракрасные камеры на технике непрерывно сканируют окружение и передают данные в бортовой компьютер. Он управляет панелями так, чтобы их температура соответствовала температуре окружающего фона (например, леса, камня или травы). Таким образом, техника буквально «сливается» с окружением.
У системы есть и дополнительные функции:
- Мимезис (mimicry) — возможность имитировать не только фон, но и другие объекты из встроенной «библиотеки» (грузовик, легковой автомобиль, большой камень). Это может ввести противника в заблуждение.
- Сигнализация — система может выводить на панели текстовые сообщения или узнаваемые узоры для своих сил, снижая риск дружественного огня.
Панели сделаны из лёгкого металла, что не только обеспечивает камуфляж, но и добавляет защиты. Их можно быстро заменить при повреждении. Размер панелей можно менять в зависимости от дистанции, с которой техника будет наблюдаться: для крупных объектов (кораблей, зданий) используются более крупные элементы, создающие менее детальное, но более эффективное с большого расстояния изображение.
- Высокая стоимость технологии.
- Необходимость постоянного энергоснабжения техники.
- Сложность и уязвимость электронной «начинки» системы.
Термосдерживающая защита (Сбор и удержание тепла)
Этот подход основан на временной изоляции теплового потока внутри объекта или специальной оболочки. Тепловая энергия, выделяемая телом человека или механизмом, не рассеивается наружу, а «запирается» и накапливается во внутреннем объёме (принцип термоса) или поглощается специализированными материалами.
- Теплоизолирующие слои. Использование материалов с минимальной теплопроводностью (вспененные полимеры, пенополиуретан, синтепон, нанопористые аэрогели, оксипан).
- Материалы с фазовым переходом (PCM — Phase Change Materials). Составы на основе парафинов или солевых гидратов. При нагревании они поглощают огромные объёмы тепла, меняя своё агрегатное состояние (например, из твёрдого в жидкое), при этом их собственная температура не растёт, пока происходит фазовый переход.
Главный недостаток - Нестабильность и «Тепловой пробой»
Тепловой пробой - это физическое явление, при котором в материале (диэлектрике, полупроводнике или проводнике) нарушается тепловое равновесие. Количество выделяемого тепла начинает превышать количество тепла, которое материал способен рассеять в окружающую среду. В результате температура в какой-то точке начинает лавинообразно расти, что приводит к тепловой демаскировке.
Термосдерживающая система всегда ограничена во времени из-за закона сохранения энергии:
- Накопление. Пока емкость изолирующего слоя или PCM-материала не заполнена, внешняя поверхность остаётся холодной или температуры окружающей среды, то есть невидимой для тепловизора.
- Насыщение. Как только теплоизолятор полностью прогревается (или фазовый материал полностью плавится), наступает тепловой пробой (thermal breakthrough).
- Пробой. Температура внешней поверхности оболочки резко возрастает до температуры источника тепла. На экране тепловизора объект мгновенно «загорается», причём часто контрастнее, чем был бы без защиты, так как накопленное тепло начинает массированно выходить наружу.
Теплоизолирующие слои (костюмы) по конструкции бывают:
Изделие, как правило, имеет многослойную структуру, которая длительное время удерживает тепло внутри, не давая ему прорваться наружу (тепловой пробой). Тепло никуда не отводится, а накапливается внутри.
- Простая конструкция — практически любая швея сможет изготовить;
- Относительно низкая себестоимость (зависит от конструктива и применяемых материалов);
- Может одновременно выполнять функции спальника, одеяла, коврика.
- Ограниченный срок эффективной работы;
- Довольно быстро прогревается насквозь и перестаёт маскировать,
- Критичный перегрев бойца и снижение его боеспособности;
- Как правило, оставляет открытыми руки, обувь и лицо — это сильно демаскирует,
- Склонен набирать влагу и запахи. Трудно сушится;
- Зачастую не обладает эффективной визуальной маскировкой в видимом диапазоне.
Конструкция представляет из себя систему слоёв, между которыми проложены каналы для естественной вентиляции. Излишки тепла не накапливаются, а отводятся наружу по всей поверхности изделия. Внешняя поверхность сохраняет температуру окружающей среды и не выделяется на местности как тепловая аномалия.
- Длительный период эффективной маскировки;
- Некоторые изделия сохраняют маскирующие свойства долго;
- Отсутствует критичный перегрев бойца, т. к. изделие вентилируется;
- Обладает эффективной визуальной маскировкой в видимом диапазоне;
- Большой транспортировочный объём (в чехле);
- Не может выполнять функции спальника, одеяла или коврика,
- Критично зависит от строгого соблюдения требований по эксплуатации.
Термокамуфляж "Мимик" от тепловизора. НПО Халитов
Маскировочный костюм от тепловизора ДРЕВОЧ
Экранирующая защита
Экранирующая защита не пытается поглотить или «запереть» тепло внутри (как термосдерживающая) и не использует энергию для активного охлаждения (как адаптивная). Экранирующий метод создает физическую преграду, которая отражает, перенаправляет или блокирует инфракрасное излучение, предотвращая его попадание в объектив тепловизора.
Экранирующая защита: Отражающие барьеры, Непрозрачные ИК-преграды, Аэрозольные и дымовые экраны, Структурные экраны и навесы.
Разновидности экранов, принцип работы и материалы
1. Отражающие барьеры. Использование фольгированных и металлизированных плёнок (алюминий, латунь, всевозможные метализированные напыления). Металлы обладают крайне низким коэффициентом эмиссии в LWIR и MWIR диапазонах, действуя как «зеркало» для ИК-лучей.
Тонкие полимерные плёнки с вакуумным напылением алюминия (например, спасательные изофолии) или ткани с встроенными металлическо-углеродными нитями. Отражают до 95% инфракрасного излучения тела назад к источнику.
Внутренние отражающие слои в маскировочных пончо, вкладыши в спальные мешки, экраны для перекрытия блиндажных окон.
К экранирующей экипировке типа пончо или костюмов необходима дополнительная экипировка в виде костюма лешего, сокол и др. Для адаптации под тепловой спектр окружающей среды.
Если экран наклонен в сторону холодного неба (температура -40 до -60 в ИК-диапазоне), он выглядит для тепловизора как идеально холодное пятно. Если экран случайно наклонится в сторону солнца, горячего грунта или горящего здания, он отразит это тепло прямо в объектив тепловизора и мгновенно выдаст позицию.
Плащ для защиты от тепловизоров HiderX
Мультиспектральный комплекс «КНШ»
Маскировочный комплект «Стелс»
2. Непрозрачные ИК-преграды. Использование свойств материалов, непрозрачных для тепловых волн. Например, обычное оконное стекло полностью блокирует длинноволновый диапазон LWIR (8-14 нм).
Тепло, заблокированное экраном, никуда не исчезает. Вокруг изолированного объекта накапливается горячий воздух. Если не организовать правильную вентиляцию, горячий воздух начинает вырываться из-под краёв экрана в виде мощного конвекционного потока (теплового шлейфа), который отлично виден на фоне холодного окружающего воздуха.
3. Аэрозольные и дымовые экраны. Распыление взвесей, содержащих микрочастицы металлов, графита или специального угля, физически рассеивающих и отражающих ИК-волны.
При подрыве ИК-дымовой гранаты или выстреле систем ТУЧА/SBD в воздухе мгновенно создаётся облако из микроскопических чешуек латуни, графита или алюминиевой пудры. Частицы рассеивают и отражают тепловое излучение. Облако становится полностью непроницаемым как для тепловизоров, так и для головок самонаведения (ГСН) противотанковых ракет (Javelin, Stugna, Spike).
4. Структурные экраны и навесы. Организация над объектом жестких или мягких тентов с зазором. Воздух обладает крайне низкой теплопроводностью. Если экранирующий слой находится на расстоянии от теплового источника, передача тепла через теплопроводность сходит на нет, и экран нагревается только за счёт медленного излучения или конвекции.
Если экран механически прижать к источнику тепла (например, накинуть фольгу прямо на коллектор двигателя или на плечи человека без воздушного зазора), происходит быстрый теплоперенос за счёт теплопроводности. Экран прогревается и сам превращается в активный ИК-излучатель.
В отличие от термосдерживающей, экранирующая защита стабильна во времени (не подвержена пробою), если организован правильный отвод тепла (вентиляция). Однако у неё есть специфические недостатки.
- Проблема ИК-блика (паразитное отражение). Зеркальный металлизированный экран может отразить в тепловизор горячее солнце или тепло соседней техники, выдав объект;
- Экипировка, накидки, тента с металлизированным напылением блокируют радиодиапазон, следовательно, не работают радиостанции и детекторы дронов.
- Аномально холодный объект. Отражающие барьеры, накидки, экраны выглядят в тепловизор как холодный объект и на хоне температуры окружающей среды объект может выглядеть как аномально холодный;
- Формирование теплового шлейфа. Задержанное экраном тепло выходит через вентиляционные отдушины в виде конвекционной струи горячего воздуха, которая может обнаруживаться тепловизором на фоне холодной окружающей среды.