Автор:

Беляков Борис Антонович

14 лет

МБОУ «Лицей 33», ГБУДО ИОЦРДОД

Иваново, Ивановская область, Россия

Руководитель: Ремезов Николай Алексеевич, ГБУДО ИОЦРДОД

Историко-исследовательская работа по теме:

«Можно ли создать полностью невидимый самолет?»

Идея создания полностью невидимого самолета занимала умы конструкторов и военных с тех самых пор, как самолеты были поставлены на вооружение и начали использоваться в военных целях. С невидимкой невозможно бороться, а полностью невидимый самолет гарантирует абсолютное превосходство в воздухе. В современных реалиях технологии снижения заметности воздушных судов (Stealth) становится недостаточно. Разработаны радары, способные распознать самолет в инфракрасном диапазоне. Полет самолета можно отследить с помощью орбитальной группировки военных спутников. Поэтому разработка полностью невидимого самолета остается актуальной и в настоящее время.

Цель работы: На основе анализа существующих разработок ответить на вопрос о возможности создания полностью невидимого самолета.

План:

1. Введение
2. История развития незаметности авиации

2.1. Маскировка самолетов с помощью камуфляжа

2.2. Уловки против локаторов и радиопоглощающая краска

2.3. Технология Stealth

2.4. Плазменный щит

3. Современные разработки невидимых объектов в оптическом диапазоне

3.1. Современная раскраска самолетов

3.2. Ткань-невидимка

3.3. Метаматериалы

4. Концепции самолета-невидимки. Их преимущества и недостатки
5. Вывод

1. Введение

Невидимый самолет – незаметная и потому очень страшная ударная сила. Он легко преодолевает вражеские системы ПВО, его не видно перехватчикам противника. «Невидимка» может безнаказанно уничтожать технику врага, снимать укрепления и сбивать самолеты. Ему ничто не может помешать выполнить боевую задачу, так как его не видно ни на радаре, ни в инфракрасном спектре, ни со спутника, ни в оптическом диапазоне.

2. История развития незаметности авиации

2.1. Маскировка самолетов с помощью камуфляжа

С появлением боевых самолетов и ПВО стало необходимо как-то маскировать самолеты в небе и на земле для защиты от противника. На самолеты стали наносить маскирующие камуфляжи. Сверху красили под цвет местности (зимой покрывали поверх белилами), а снизу – голубой краской.

В 1935 году в СССР, в Военно-воздушной академии имени Жуковского под руководством профессора Сергея Григорьевича Козлова проводились опыты по созданию невидимого самолета. С одного из самолетов АИР-4 сняли всю фанерную и полотняную обшивку, заменив ее целлоном (прозрачным пластиком), которым остекляли кабины. Аэроплан назвали АИР-4ПС (ПС - прозрачный самолет) (Рис. 1).

Рисунок 1

Эксперименты показали, что заметность самолета в небе действительно снижается, но не настолько, чтобы всерьез говорить о невидимости, поскольку было невозможно сделать невидимыми бензобак, двигатель, приборы, органы управления и пилотов. Также целлон начал со временем трескаться под действием летных нагрузок, грозя разрушением конструкции, и проект закрыли [1].

2.2. Уловки против локаторов и радиопоглощающая краска

Во время Второй Мировой войны стали появляться первые радиолокаторы. Самолетам стало нужно прятаться еще и от них. Придумывали различные уловки, например, выбрасывали из самолета много обрывков фольги, и казалось, что летит не один самолет, а весь воздушный флот.

Такая важная во время Второй Мировой войны необходимость наносить на самолеты маскирующий камуфляж утратила свою актуальность после появления реактивных самолетов и более совершенных радаров. Стали разрабатывать различные покрытия, поглощающие и рассеивающие луч локатора. Впервые это удалось в Германии, где создали радиопоглощающую краску. Этой трофейной краской красили после войны некоторые наши самолеты. Также в Германии создали самолет-крыло без рулей направления и килей – Horten Ho IX (также Gotha Go 229) (Рис. 2). Его разрабатывали в годы Второй Мировой войны как самолет, невидимый для радаров. Действительно, заметность сильно снижалась. Этот самолет выглядит как летающий ромб с крыльями. Именно ромб считается самой незаметной для радара фигурой [2].

Рисунок 2

2.3. Технология Stealth

Наступление эры реактивных самолетов кардинально изменило технологии снижения заметности воздушных судов. Главной целью конструкторов стало спрятать самолеты от радаров и ракет. Технологию Stealth впервые применили в США при создании F-117 Nighthawk. Первый полёт совершил 18 июня 1981 года (Рис. 3). Фюзеляж этого самолета был из треугольников и трапеций, находящихся под разными углами друг от друга. Низ был плоским. Самолет использовался в качестве ночного бомбардировщика, но был очень неустойчив из-за своей экзотической конструкции [3].

Рисунок 3

После F-117 в США создали F-22 Raptor (Рис. 4). Этот самолет получился гораздо более удачным. Это истребитель, сделанный по технологии Stealth с использованием композитных и радиопоглощающих материалов. Он может переходить на сверхзвук без форсажа и развивать так скорость до 1960 км/ч (М=1,82). В самолете установлена передовая электроника и радар типа АФАР (Активная Фазированная Антенная Решетка), способный облучать цели так, что они об этом не узнают. Однако, в связи с огромной стоимостью самолета, он не получил широкого распространения [3].

Рисунок 4

Из экономических соображений в США делают упор на палубный истребитель-бомбардировщик Stealth F-35 Lightning II. Он дешевле Раптора и способен уничтожать наземные цели, а также взлетать с короткой полосы и вертикально садиться. Но он не способен переходить на крейсерский сверхзвук и более заметен для радаров [3].

В России в ответ на Raptor создали самолеты Т-50 ПАК ФА (Перспективный Авиационный Комплекс Фронтовой Авиации) (Рис. 5). Они также сделаны по технологии Stealth, в конструкции самолета используются композитные материалы, стоит радар, аналогичный американскому, а также установлены системы радиоэлектронной борьбы (РЭБ). У нашего самолета есть радары инфракрасного обнаружения, от которых технология Stealth не способна спрятать летательный аппарат. Наш самолет обладает вектором тяги, как и Raptor, но в отличии от последнего, вектор тяги ПАК ФА отклоняется не только в вертикальной плоскости, но еще и в горизонтальной [4].

Рисунок 5

2.4. Плазменный щит

Научно-производственное объединение машиностроения (НПО Маш) рассекретило уникальную плазменную пушку (рис.6), делавшую невидимой для вражеских радиолокаторов и зенитных комплексов стратегическую сверхзвуковую крылатую ракету 3М25 «Метеорит». В момент облучения вражескими РЛС «Метеорит» создавал вокруг себя непробиваемое для радиолокационного излучения облако ионизированного газа. Уникальные пушки переданы в российские вузы как учебные пособия для будущих инженеров и конструкторов при проектировании гиперзвуковых летательных аппаратов. Комплекс с крылатой ракетой «Метеорит» готовился к сдаче на вооружение. Был изготовлен полный боекомплект для установки на ракетном подводном крейсере стратегического назначения проекта 667АМ. Однако соглашение СССР и США по ограничению стратегических вооружений (ОСВ-2) остановило работу над внедрением проекта. Эта система способна сделать невидимым любой объект, но при этом он не сможет сам излучать радиоволны и держать связь с командным пунктом [6].

Рисунок 6

3. Современные разработки невидимых объектов в оптическом диапазоне

3.1. Современная раскраска самолетов

В настоящее время незаметность объектов в воздухе остается актуальной. На самолеты наносят камуфляжи, которые помогают «спрятаться» от глаз противника в ближнем бою.

Существует множество современных авиационных камуфляжей. Самый распространенный камуфляж – «пиксельный», который создает иллюзию размытости, а также геометрический, какой наносят на современные Су-35 (Рис. 7) и Т-50 (Рис. 5).

Рисунок 7

Интересен тот факт, что самолеты Су-27, с которых голубая краска облупилась до грунтовки, менее заметны в небе, чем качественно окрашенный самолет.

3.2. Ткань-невидимка

Канадская компания Hyperstealth Biotechnology разрабатывает технологию Quantum stealth [5]. Это ткань, которую свет обходит вокруг. Отсутствует даже тень от объектов. Ткань, по словам разработчиков, легка и довольно дешева. Ее пока не выставляют напоказ публике, но отправили в сеть несколько фотографий и видеозаписей (рис.8).

Рисунок 8

В Японии разработали ткань, на которую закрепили множество микрокамер и микроэкранов [5]. Камеры снимают окружающую обстановку с одной стороны, а экраны воспроизводят ее с противоположной. Так эта ткань делает невидимым укрываемый объект (рис.9). Однако ее производство очень сложное и дорогостоящее.

Рисунок 9

3.3. Метаматериалы

Возможна невидимость с помощью метаматериалов, имеющих отрицательный показатель преломления света. Именно такую технологию разрабатывают в России. Метаматериал – это композиционный материал с отрицательным показателем преломления, то есть двояковыпуклая линза из метаматериала будет рассеивать свет, а двояковогнутая – фокусировать. Каждый метаматериал невидим для одного вида излучения, следовательно, обшивка невидимого самолета должна быть многослойной [7].

На данный момент изготовлено устройство, которое работает как миниатюрная шапка-невидимка в оптическом диапазоне – правда, пока только на одной длине волны и лишь для «плоского света», да и сама «шапка» остается полупрозрачной.

Шапка-невидимка должна заставить свет как бы «обтекать» спрятанный предмет, а такое управление световыми волнами возможно только при очень необычных электрических и магнитных свойствах среды. Ни у одного из встречающихся в природе веществ таких свойств нет, и поэтому их приходится изготавливать искусственно. Такие среды – а точнее, сложные периодические конструкции, названные метаматериалами – начали создавать только в конце 1990-х годов. Бурный прогресс в этой области привел к тому, что ученым удалось создать плащ-невидимку, но только для микроволнового излучения, длина волны которого во много раз больше, чем у видимого света. Уменьшение длины волны света, для которого «работает» устройство, оказалось непростым делом. В принципе, уже созданы метаматериалы, работающие в ближнем инфракрасном диапазоне, но они, к сожалению, слишком сильно поглощают свет и поэтому совсем не годятся для шапки-невидимки. Избежать этого можно с помощью сложной «настройки» магнитных свойств метаматериала, но в оптическом диапазоне это сделать очень трудно [8].

Владимир Шалаев и его коллеги из Университета Пердью в США предложили для начала создать некую «упрощенную версию» шапки-невидимки, магнитные свойства которой вообще не требовалось настраивать. Эта упрощенная шапка-невидимка двумерна, и прозрачна она должна быть не для настоящего света, а для потока поверхностных плазмонов, и причем только одной определенной длины волны. Плазмоны – это электромагнитные колебания плюс колебания электронов на поверхности металла, связанные друг с другом в единое целое и бегущие вдоль поверхности металла. Поток плазмонов еще иногда называют двумерным светом – это не совсем свет, но он похож на него; а при необходимости его можно порождать светом и превращать в свет той же частоты.

Не прошло и полугода, как эта идея была реализована в эксперименте. В трехстраничном кратком сообщении Игоря Смолянинова (https://arxiv.org/abs/0709.2862) и его коллег из Мэрилендского университета (Колледж-Парк, США), сообщается о создании и успешном испытании устройства размером в несколько микрон, внутри которого удалось спрятать от «посторонних глаз» (а точнее, от «плазмонных лучей») маленькое колечко (Рис. 10).

Рисунок 10

Эта «шапка-невидимка» представляет собой структуру из тонких концентрических колец полиметилметакрилата (это вещество, из которого делают оргстекло), нанесенных на золотую подложку. Эта структура простирается от радиуса r₁ до радиуса r₂, а объект, который требуется спрятать (в данном случае, маленькое широкое колечко), находится внутри радиуса r₁.

На нижнем фото рис.10 показано, как та же система выглядит при освещении плазмонными лучами, порожденными зеленым светом с длиной волны 532 нм. Направление их движения показано стрелкой – из нижнего левого угла в правый верхний. Фотография же сделана при взгляде на эту плоскость сверху через обычный оптический микроскоп, и видны на ней не плазмонные лучи, а обычное оптическое свечение из тех мест, где они рассеиваются на препятствиях.

Сама концентрическая структура (то есть шапка-невидимка) на этом фото заметна хорошо, но то, что в ней спрятано, почти не видно. Это значит, что плазмонные лучи рассеиваются на шапке, но не рассеиваются на объекте внутри нее. Более детальное исследование показало, что плазмонные лучи действительно расходятся, обтекая спрятанный внутри объект, а потом снова соединяются и идут вперед как ни в чем не бывало. Если бы мы могли видеть в плазмонных лучах, то, взглянув на эту картину из правого верхнего угла плоскости, на месте шапки увидели бы лишь едва заметное прозрачное пятно.

Повторим, что достигнутый результат пока очень далек от идеальной шапки-невидимки. Во-первых, относительная невидимость достигается только при освещении светом с определенной длиной волны. Достаточно изменить частоту световой волны – и невидимость пропадает. Для сравнения на врезке (рис. 10, нижнее фото) показана та же самая картина, но не оптимизированная для длины волны 532 нм – на ней внутренний объект хорошо просматривается, а значит, плазмонные лучи в этом случае попадают внутрь шапки и освещают спрятанный предмет.

Во-вторых, речь в этой работе идет все же не о настоящем свете, а о потоке плазмонов, управлять которыми проще, чем светом. Именно с точки зрения плазмонов изготовленная концентрическая структура обладает столь необычными свойствами, что заставляет их как бы обтекать ее по бокам, не попадая внутрь. Обычный свет на этой «нарезке из оргстекла» просто рассеивался бы в разные стороны.

Наконец, даже в плазмонных лучах эта шапка все еще не полностью прозрачна, а рассеивает на себе часть лучей. Впрочем, Владимир Шалаев и его коллеги в своей предварительной публикации объяснили, как можно справиться с этой проблемой.

Тем не менее, даже такая не совсем настоящая шапка-невидимка – очень важный шаг на пути к оттачиванию оптических технологий, основанных на метаматериалах. Этот эксперимент доказывает, что и в оптическом диапазоне можно приготовить такую структуру, которая будет заставлять лучи, пусть и плазмонные, огибать предмет. Он подтверждает правдоподобность теоретических выкладок, а значит, внушает оптимизм в дальнейшем прогрессе в этой области [8].

Математики доказали, что любой объект можно сделать полностью невидимым для постороннего наблюдателя на всех длинах волн.

 Это открытие – один из тех случаев, когда прикладные исследования вступают в тесный контакт с современной чистой математикой, в данном случае с теорией дифференциальных уравнений в частных производных. Эта связь стала еще более глубокой после появления статьи с говорящим за себя заголовком «Полная невидимость активных устройств на всех частотах». В ней возможность существования абсолютного «плаща-невидимки» сводится к вопросу о неединственности решения задачи Кальдерона для уравнений Максвелла [9].

Суть этого математического утверждения очень простая. Когда мы рассматриваем объект (освещая его, например, фонариком), мы, на языке математики, решаем обратную задачу: зная то, как мы освещаем тело, и видя то, какой свет попадает к нам в глаза, мы восстанавливаем форму, цвет и прочие «визуальные» свойства объекта. Свет – это электромагнитные волны, и поэтому в более строгой формулировке задача выглядит так: мы направляем в исследуемую область электромагнитные волны, измеряем на ее границе все электрические и магнитные поля и на основании этих данных пытаемся восстановить распределение коэффициента преломления (точнее, распределения электрической и магнитной проницаемостей) внутри этой области. Это и есть задача Кальдерона.

Единственность решения задачи Кальдерона означала бы, что если мы на границе «видим» распределение полей от пустого пространства, то ничего, кроме пустого пространства, внутри быть не может, то есть никакой объект нельзя абсолютно спрятать от наблюдения. Наоборот, если «абсолютный плащ-невидимка» возможен (хотя бы в принципе), то это значит, что две различные ситуации – пустое пространство и тело, «покрытое плащом», – приводят к идентичным наблюдательным данным на границе, что возможно только при неединственности решения задачи Кальдерона.

Предыдущие теоретические работы, посвященные возможности полной маскировки объекта трактовали задачу в очень упрощенном виде, в пределе геометрической оптики (когда свет вместо электромагнитных волн моделируется пучком бесконечно тонких лучей света). Это оставляло наблюдателю «лазейку» – возможность обнаружить присутствие тела через волновые свойства света, например, с помощью дифракции.

Статья А. Гринлифа с соавторами «Полная невидимость активных устройств на всех частотах» ( math.AP/0611185) закрывает эту возможность. В ней доказывается, что задача Кальдерона допускает более чем одно решение и что для любого тела можно подобрать маскирующую оболочку, которая будет «обводить» лучи света вокруг тела. В результате электромагнитное поле снаружи будет просто идентично ситуации, как если бы вообще не было никакого тела. С какой бы стороны мы ни освещали область, какой бы диапазон длин волн ни использовали и как бы близко мы ни подходили к границе оболочки – мы ничего не увидим.

Проведенный авторами анализ уравнений показал, что «спрятать» можно не только пассивный, но и активный объект, поглощающий и излучающий электромагнитные волны. Иными словами, появляется возможность сделать, при необходимости, невидимым даже работающие электротехнические устройства, например, портативную радиостанцию. Правда, оболочка при этом должна обладать еще более экзотическими свойствами, чем при маскировке пассивных объектов.

Необходимо, впрочем, подчеркнуть, что математическое доказательство невидимости вовсе не означает возможность ее практической реализации. Да, современные технологии позволяют изготавливать метаматериалы с требуемыми характеристиками в микроволновом и инфракрасном диапазоне. Однако, например, от просвечивания рентгеновскими лучами тело все равно не спрятать: никакие известные сейчас материалы не способны искривить путь рентгеновских лучей нужным образом. Тем не менее для современной ситуации даже приблизительная невидимость в радио- и оптическом диапазоне может кардинальным образом изменить многие отрасли человеческой деятельности. И первыми в этом списке наверняка станут военные технологии [9].

4. Концепции самолета-невидимки. Их преимущества и недостатки

Полностью невидимый самолет – это самолет, который нельзя обнаружить ни глазом, ни с помощью радара или тепловизора. Он должен быть невидим для любого света с любой длиной волны.

Невидимые для радаров самолеты давно существуют – они сделаны по технологии Stealth. Скрывать предметы от инфракрасного света с помощью метаматериалов технологи уже умеют. Проведенный анализ показал, что сделать самолет, невидимый для глаза можно несколькими способами:

1. Самолет должен быть экраном, на котором показывается изображение, снятое со специальных камер, расположенных на штырях с каждой стороны самолета. Каждая камера передает изображение на свой участок обшивки-экрана. Стеклянную кабину должен закрывать экранный колпак, а пилот будет получать изображение на экран внутри кабины. В случае отказа камер экранный колпак должен отстреливаться пиропатронами. Полной невидимости эта схема не даст, так как будут видны камеры, на экране изображение будет двумерным, спереди можно будет заметить воздухозаборники, а сзади – сопла двигателей. Также, нельзя спрятать камеры, снимающие окружающую обстановку, но заметность самолета значительно снизится. Обшивка-экран будет отражать лучи радара как зеркало, поэтому на него нужно поставить плазменную пушку, и радар потеряет самолет.

2. Обшивать самолет тканью Quantum Stealth – свет будет обходить самолет со всех сторон и его совсем не будет видно. Фонарь кабины тоже должен закрываться невидимым колпаком, отстреливающимся в аварийной ситуации, а пилот будет получать изображение на экран внутри кабины. Полной невидимости добиться все-же невозможно, так как невидимыми нельзя сделать воздухозаборники и сопла двигателей.

3. Обшивать самолет метаматериалами, чтобы свет обходил его со всех сторон. Это также уменьшит вероятность заметить самолет в инфракрасном спектре, но невозможно сделать невидимым поток раскаленных газов из сопла двигателя. Кабину также нужно закрывать колпаком из метаматериалов, чтобы ее нельзя было заметить. У самолета будут видны только сопла двигателей и воздухозаборники.

Самым предпочтительным является третий пункт, так как самолет становится менее заметным в инфракрасном спектре и полностью невидимым для глаза. Однако, такой самолет и самолет, обшитый тканью Quantum Stealth невозможно сделать видимым. Его никто не увидит в воздухе, следовательно, с ним может столкнуться любой другой летательный аппарат. Чтобы этого избежать, для каждого невидимки, летящего в определенном квадрате, должен быть проложен маршрут и должны быть запретны зоны, в которых может находиться другой(-ие) летательный аппарат.

Удобнее в эксплуатировании самолет-экран. На земле экраны выключены, самолет видно. При входе в запретную для невидимки зону экран выключается. Плазменная пушка делает невидимым самолет для любой ракеты или радара, создавая вокруг облако ионизированного газа. Над противником экран включен, самолет с земли, со спутника или радаром заметить трудно. 

Преимущества самолета-невидимки

Невидимый самолет способен незаметно попасть на территорию противника, провести разведку либо нанести удар, либо перехватить самолеты противника.

С невидимкой невозможно вести бой, потому что неизвестно, где противник находится, куда стрелять и откуда ожидать удара. Пилоту самолета, попавшего на прицел невидимки, остается одно – катапультироваться.

Недостатки невидимого самолета

Невидимки не могут лететь строем, так как пилотам не видно своих.

Два невидимых противника могут столкнуться в воздухе, так как просто не заметят друг друга.

Пилоту невидимки нужно постоянно следить за обстановкой, чтобы избежать столкновения с другим летательным аппаратом.

Невидимки дороже в производстве, чем обычные самолеты, так как покрываются не краской, а специальным невидимым камуфляжем либо экраном.

5. Вывод

Самолет-невидимка не противоречит законам оптики. Создать такую технику возможно. У него большие преимущества перед простыми самолетами, потому что он совершенно незаметен в небе, но есть и недостатки – его не видят не только враги, но и союзники, он может столкнуться с любым другим летательным аппаратом, следовательно, полеты на таком самолете могут осуществляться только с применением дополнительных специально разработанных мер безопасности.

Источники информации:

1. Журнал "Легендарные самолеты". Выпуск 23 «АИР-1» - Изд. "DeAGOSTINI", 2011.
2. Дэвид Дональд. Боевые самолёты Люфтваффе - М.: АСТ, Астрель, 2002. - 253 с.
3. Сытин Л.Е. Все об авиации - М.: Астрель; СПб.: Полигон, 2011. - 656 с.
4. Авдеев Ю. «СУ»дарь расправляет крылья // Красная звезда - 2010. - 24 марта.
5. Киеня Н. Технологии невидимости: 5 изобретений, которые позволят нам скрыться / Н. Киеня - URL: http://theoryandpractice.ru/posts/9284-invisible. Дата обращения: 01.09.2016.
6. Литовкин Д. Россия рассекретила «плащ-невидимку» из плазмы для крылатых ракет / Д. Литовкин, А. Рамм // Известия. - 2016г. - 19 декабря.
7. Митио Каку. Физика невозможного / Митио Каку; Пер. с англ. - 5-е изд. - М: Альпина Нон-фикшн, 2014 - 456 с.
8. Иванов И. Шапка-невидимка в оптическом диапазоне: первые экспериментальные результаты /И. Иванов – URL: http://elementy.ru/novosti_nauki/430594. Дата обращения: 30.08.2016.
9. Иванов И. Возможность существования плаща-невидимки сведена к математической теореме / И. Иванов – URL: http://elementy.ru/novosti_nauki/430385. Дата обращения: 30.08.2016.