Οι Κινέζοι ερευνητές έχουν αναπτύξει μια νέα τεχνολογία καμουφλάζ που θα μπορούσε να καταστήσει τους δορυφόρους σχεδόν αόρατους σε συστήματα ανίχνευσης υπέρυθρων με βάση το έδαφος, ενώ ταυτόχρονα διατηρώντας τους δροσερά στο σκληρό περιβάλλον του χώρου.
Η εξαιρετικά λεπτή επίστρωση πολλαπλών στρώσεων, πάχους μόλις 4,25 μικρομέτρων, χειρίζεται την υπέρυθρη ακτινοβολία σε πολλαπλές ζώνες μήκους κύματος για να κρύψει το διαστημικό σκάφος από την παρακολούθηση με βάση τη γη ενώ παράλληλα εμποδίζει την επικίνδυνη υπερθέρμανση. Δημοσιεύθηκε στο φως: Η επιστήμη και οι εφαρμογές, η ανακάλυψη ασχολείται με την αυξανόμενη ανησυχία καθώς ο αριθμός των λειτουργικών διαστημοπλοίων υπερβαίνει τα 9.850 παγκοσμίως, ενώ η διαστημική οικονομία φτάνει τα 400 δισεκατομμύρια δολάρια ετησίως.
Η τεχνολογία αντιπροσωπεύει μια σημαντική πρόοδο στις δυνατότητες stealth του χώρου, συνδυάζοντας καμουφλάζ με βασική θερμική διαχείριση σε ένα ενιαίο σύστημα.
Η πρόκληση ανίχνευσης
Τα αντικείμενα διαστήματος αντιμετωπίζουν σταθερές απειλές από συστήματα παρατήρησης εδάφους που χρησιμοποιούν ανίχνευση ορατού φωτός, υπέρυθρης ακτινοβολίας και μικροκυμάτων. Μεταξύ αυτών, η υπέρυθρη ακτινοβολία θέτει τη μεγαλύτερη πρόκληση επειδή λειτουργεί μέρα και νύχτα με υψηλή ακρίβεια, σε αντίθεση με την ορατή ανίχνευση που αποτυγχάνει σε φωτεινό φως της ημέρας ή συστήματα μικροκυμάτων που περιορίζονται σε αντικείμενα χαμηλής τροχιάς.
“Οι υπέρυθρες εγκαταστάσεις αντισταθμίζουν αποτελεσματικά τους περιορισμούς των ορατών εγκαταστάσεων παρατήρησης όσον αφορά το χρόνο παρατήρησης και τις εγκαταστάσεις παρατήρησης μικροκυμάτων όσον αφορά την απόσταση και την ανάλυση παρατήρησης”, εξηγούν οι ερευνητές. Αυτά τα συστήματα μπορούν να ανιχνεύσουν τόσο την αντανακλαστική ηλιακή ακτινοβολία όσο και τις θερμικές εκπομπές από το διαστημικό σκάφος, καθιστώντας ιδιαίτερα δύσκολη τη μυστικότητα.
Η ομάδα αναγνώρισε τις πιο απειλητικές ζώνες ανίχνευσης μέσω της προσεκτικής ανάλυσης της ατμοσφαιρικής μετάδοσης και της ακτινοβολίας του ουρανού. Τα μικρομέτρια H-BAND (1,5-1,8) και τα k-band (2-2,4 μικρομέτρια) αποτελούν μεγάλες απειλές, επειδή η ακτινοβολία του ουρανού του υποβάθρου είναι ελάχιστη σε αυτές τις περιοχές, καθιστώντας τα σήματα διαστημικού σκάφους να ξεχωρίζουν καθαρά.
Στρατηγική καμουφλάζ πολλαπλών ζωνών
Το νέο σύστημα καμουφλάζ λειτουργεί ταυτόχρονα σε πέντε διαφορετικές υπέρυθρες ζώνες – ένα κατόρθωμα που απαιτεί ακριβή μηχανική των οπτικών ιδιοτήτων κάθε στρώματος. Η επικάλυψη αποτελείται από έξι εξαιρετικά λεπτά στρώματα: σουλφίδιο ψευδαργύρου, αντιμονίου γερμανίου, διοξείδιο του Hafnium, γερμανικό, περισσότερο διοξείδιο Hafnium και νικέλιο.
Σε εξωτερικές δοκιμές χρησιμοποιώντας ένα δορυφορικό μοντέλο, η επικάλυψη κατέδειξε αξιοσημείωτη αποτελεσματικότητα. Τα τμήματα που καλύπτονται με το υλικό καμουφλάζ έδειξαν ακτινοβολίες θερμοκρασίες μόλις 30,5 ° C και 21,0 ° C σε κάμερες μεσαίου κύματος και μεγάλου κύματος υπερύθρων, που ταιριάζουν στενά τις θερμοκρασίες υποβάθρου του ουρανού 30,6 ° C και 20,6 ° C. Εν τω μεταξύ, τα εκτεθειμένα δορυφορικά τμήματα έφτασαν στους 42,2 ° C και 45,5 ° C – σαφώς ορατά κατά του ψυχρότερου ουρανού.
Στις ζώνες Η και Κ, όπου αντανακλάται η ηλιακή ακτινοβολία δημιουργεί την πρωταρχική απειλή, η επικάλυψη μειωμένη ένταση σήματος κατά 36,9% και 24,2% αντίστοιχα σε σύγκριση με τα γυμνά μεταλλικά συστατικά.
Βασικές μετρήσεις απόδοσης:
- Η υψηλή απορροφητικότητα (0,839/0,633) σε ζώνες H/K ελαχιστοποιεί τα αντικατοπτρισμένα ηλιακά σήματα
- Η χαμηλή εκπομπή (0,132/0,142) σε ζώνες ανίχνευσης καταστέλλει τη θερμική ακτινοβολία
- Η υψηλή εκπομπή (0,798) στη ζώνη διάχυσης θερμότητας επιτρέπει την ψύξη
- Μείωση της θερμοκρασίας 39,8 ° C σε σύγκριση με την αναφορά μη επικαλυμμένου μετάλλου
- Συνολικό πάχος μόνο 4,25 μικρομέτρων για ελάχιστη προσθήκη βάρους
Η καινοτομία ψύξης
Αυτό που κάνει αυτή την τεχνολογία ιδιαίτερα εξελιγμένη είναι η λύση της στην πρόκληση διάχυσης θερμότητας που έχει μαστίζει τους μηχανικούς διαστημικών για δεκαετίες. Στο κενό του χώρου, το διαστημικό σκάφος δεν μπορεί να βασιστεί στην κυκλοφορία του αέρα ή στην αγωγιμότητα για να ρίξει υπερβολική θερμότητα – η θερμική ακτινοβολία γίνεται ο μόνος διαθέσιμος μηχανισμός ψύξης.
Οι ερευνητές έκαναν μια κρίσιμη ανακάλυψη για τις βέλτιστες ζώνες διάχυσης θερμότητας. Ενώ τα προηγούμενα συστήματα χρησιμοποίησαν τη ζώνη μικροσκοπίου 5-8 για ψύξη ακτινοβολίας, η ομάδα διαπίστωσε ότι η ζώνη-υπέρυθρη ακτινοβολία πολύ μήκους (13-25 μικρομέτρων) παρέχει ανώτερη ισχύ ψύξης για θερμοκρασίες λειτουργίας διαστημικού σκάφους.
Αυτή η διορατικότητα ξεπερνά αυτό που αποκαλύπτει η τυπική κάλυψη: η ομάδα διεξήγαγε λεπτομερείς προσομοιώσεις που συγκρίνουν την πυκνότητα της ακτινοβολίας μεταξύ των θερμοκρασιών, διαπιστώνοντας ότι η ζώνη των μικρομέτρων 13-25 παρουσιάζει μεγαλύτερη πυκνότητα ακτινοβολίας όταν οι θερμοκρασίες παραμένουν κάτω από 120 ° C-ακριβώς το εύρος όπου το διαστημόπλοιο πρέπει να λειτουργεί με ασφάλεια.
Για να επικυρώσει το σύστημα ψύξης, οι ερευνητές δημιούργησαν ένα περιβάλλον που μοιάζει με το διάστημα χρησιμοποιώντας ένα θάλαμο κενού που διατηρείται σε πίεση 0,15 Pascals, όπου η μεταφορά θερμότητας μεταφοράς γίνεται αμελητέο. Το υγρό άζωτο προσομοίωσε τη θερμοκρασία υποβάθρου 3-kelvin του χώρου, ενώ οι ηλεκτρικές πλάκες θέρμανσης μιμούνται θερμικά φορτία από λειτουργίες διαστημικού σκάφους.
Πραγματικές εφαρμογές χώρου
Η ομάδα εξέτασε την ιδέα τους μέσω τροχιακών προσομοιώσεων ενός κυβικού δορυφόρου 2 μέτρων σε υψόμετρο 3.000 χιλιομέτρων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η επικάλυψη θα μπορούσε να διατηρήσει δορυφορικές θερμοκρασίες μεταξύ 4 ° C και 32 ° C σε πολλαπλές τροχιακές περιόδους -καλά μέσα στο ασφαλές εύρος λειτουργίας για τα όργανα διαστημικών σκαφών, τα οποία συνήθως απαιτούν θερμοκρασίες μεταξύ -20 ° C και 70 ° C.
Κατά τη διάρκεια της έκθεσης του δορυφόρου σε ηλιακή ακτινοβολία, η απορροφημένη ενέργεια σε συνδυασμό με την εσωτερική παραγωγή θερμότητας θα προκαλούσε κανονικά επικίνδυνες αιχμές θερμοκρασίας. Ωστόσο, το σύστημα ψύξης ακτινοβολίας της επικάλυψης αποτελεσματικά ισορροπημένη κύκλους θέρμανσης και ψύξης καθώς ο δορυφόρος κινήθηκε μέσα και έξω από τη σκιά της Γης.
Η αποτελεσματικότητα της καμουφλάζ μεταφράζεται σε σημαντικές μειώσεις σήματος: 7,52 ντεσιμπέλ και 3,95 ντεσιμπέλ στις ζώνες Η και Κ αντίστοιχα, με πρόσθετες μειώσεις 6,08 ντεσιμπέλ και 7,65 ντεσιμπέλ σε ζώνες μεσαίου κύματος και μεγάλου κύματος σε κορυφαίες τροχιακές θερμοκρασίες.
Μηχανική στη νανοκλίμακα
Η αποτελεσματικότητα της επικάλυψης προέρχεται από την προσεκτική μηχανική του τρόπου με τον οποίο αλληλεπιδρούν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα με κάθε στρώμα. Στις ζώνες Η και Κ, η δομή δημιουργεί καταστροφική παρεμβολή στη διεπαφή αέρα, με αποτέλεσμα υψηλή απορρόφηση. Για τις συνθήκες μεσαίου κύματος και μεγάλου κύματος, οι ενισχυμένες συνθήκες αντανάκλασης καταστέλλουν τις θερμικές εκπομπές. Στη ζώνη ψύξης, τα πολλαπλά στρώματα λειτουργούν ως απώλεια διηλεκτρικά υλικά, επιτρέποντας την αποτελεσματική ακτινοβολία θερμότητας.
Κάθε υλικό επιλέχθηκε για συγκεκριμένες οπτικές ιδιότητες: Το αντιμονία κρυσταλλικού γερμανικού αντιμονίου παρέχει εγγενή απώλεια σε ζώνες Η και Κ λόγω ελεύθερων φορέων, ενώ τα εναλλασσόμενα διηλεκτρικά στρώματα δημιουργούν εξαιρετικά ανακλαστικές πλατφόρμες σε ζώνες ανίχνευσης.
Η επικάλυψη αποδείχθηκε ισχυρή και πρακτική, απαιτώντας μόνο τυπικές τεχνικές κατασκευής ημιαγωγών, συμπεριλαμβανομένης της εξάτμισης μαγνητρόνης και της εξάτμισης της δέσμης ηλεκτρονίων σε πλακίδια πυριτίου 4 ιντσών.
Επιπτώσεις για την ασφάλεια του χώρου
Καθώς ο χώρος γίνεται όλο και πιο γεμάτος και στρατιωτικοποιημένος, η ικανότητα να κρύβει περιουσιακά στοιχεία υψηλής αξίας, ενώ διατηρείται η επιχειρησιακή ακεραιότητά τους καθίσταται κρίσιμη. Η τεχνολογία θα μπορούσε να προστατεύσει τους κρίσιμους δορυφόρους από εχθρική επιτήρηση ή συστήματα στόχευσης.
“Αυτό το έργο διεξάγει σημαντικές προοπτικές για την αύξηση των δυνατοτήτων μας στην εξερεύνηση και την εκμετάλλευση του διαστήματος, ανοίγοντας έτσι το δρόμο για την ανθρωπότητα να προχωρήσει σε εκτεταμένες σφαίρες του κατοικήσιμου χώρου”, καταλήγουν οι ερευνητές.
Ο σχεδιασμός διπλής χρήσης αντιμετωπίζει δύο θεμελιώδεις προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι διαχειριστές διαστημικών οχημάτων: αποφεύγοντας την ανίχνευση, εμποδίζοντας τα άκρα της θερμοκρασίας που καταστρέφουν τον εξοπλισμό. Με τα διαστημικά συντρίμμια και τα αντι-δορυφορικά όπλα που παρουσιάζουν αυξανόμενες απειλές, αυτές οι δυνατότητες μυστικότητας μπορεί να γίνουν απαραίτητες για τις μελλοντικές αποστολές διαστημικών.
Θα μπορούσε αυτή η τεχνολογία να προκαλέσει μια νέα κούρσα εξοπλισμών στο διάστημα; Καθώς περισσότερα έθνη αναπτύσσουν εξελιγμένες δυνατότητες δορυφορικής παρακολούθησης, η ικανότητα να κρύβεται το διαστημικό σκάφος από την ανίχνευση εδάφους μπορεί να αποδειχθεί τόσο πολύτιμη όσο οι ίδιοι οι δορυφόροι.
Συγγενεύων
Ανακαλύψτε περισσότερα από το SCICHI
Εγγραφείτε για να λάβετε τις τελευταίες δημοσιεύσεις που αποστέλλονται στο email σας.