Кустарная адаптация серьезной военной физики под бытовые нужды на редкость гротескно проявляется в гик-субкультуре инженеров-механиков, пытающихся сымитировать стелс-технологии «в гараже» с целью «спрятать» автомобиль от полицейских радаров. В книге «Большое космическое путешествие» (с. 65-66 в русском переводе) Нил Деграсс Тайсон объясняет суть доплеровского эффекта именно на таком примере, который оценят особо одиозные автолюбители. Полицейский радар есть микроволновая пушка плюс радиодетектор и работает в электромагнитном спектре. Сотрудники ДПС считывают отраженный сигнал радара, и на этот сигнал можно активно влиять, искусственно занижая значение скорости, либо рассеивая или экранируя волну.
Концепцию радара одним из первых сформулировал в 1900 году Никола Тесла, предположивший, что в условиях плохой видимости корабли можно обнаруживать по отражающимся от них электромагнитным волнам. Сам факт отражения электромагнитных волн от различных предметов открыл в 1886 году Генрих Герц, поэтому в 1930-е годы у Германии, США и СССР уже имелись серьезные наработки, позволившие соединить радиоизлучатель/детектор с электронно-лучевым дисплеем и между 1935 и 1939 годом разработать приборы для обнаружения крупных целей в темноте. Военная направленность таких изысканий была очевидна, поэтому они оказались засекречены, и в Великобританию сведения о радаре дошли как о неких «лучах смерти», при помощи которых можно сбивать самолеты (думаю, Герберт Уэллс идею оценил). Тем не менее, в 1938-1939 годах радиолокационное оборудование производилось серийно, уже к 1943 году радар активно использовался всеми воюющими сторонами в ПВО и на флоте, и начали возникать первые импровизированные средства, на основе которых позже сформировалась стратегия радиоэлектронной борьбы.
Основные приемы этой борьбы таковы:
Маскирующее увеличение площади цели – подобно отстрелу тепловых ловушек. Так, в годы Второй мировой войны британские летчики пытались обмануть радар, сбрасывая с самолета мелко нарезанную оловянную фольгу.
Попытки сократить эффективную площадь рассеяния радара; наиболее известное применение этого метода, технология «Стелс», также доказывает его ограниченность.
При этом, наряду с геометрической оптимизацией формы корпуса, стелс-технология связана с применением радиопоглощающих материалов, которые, как показано далее в статье, вполне можно изготавливать и применять кустарно. Такие материалы рассчитаны на частичное поглощение (микроволнового) излучения либо по принципу относительно черного тела, либо по принципу свинцового экрана.
Противодействовать радару можно и при помощи мощного встречного излучения, например, лазера.
Наконец, радар обладает фиксированной частотой передачи импульсов, поэтому, развив достаточно высокую скорость, радар можно просто «проскочить».
Радиопоглощающие покрытия
Авиационные средства борьбы с радарами плохо применимы при маскировке автомобилей. Скорость и маневренность самолета значительно выше, толщина авиационной обшивки и/или брони позволяет делать ее не только толстой, но и многослойной (композитной), включать в нее несколько классов материалов, дающих совокупный противорадарный эффект. Ниже рассмотрим детали работы радара и состав таких композитных материалов.
Функция радара тесно связана со свойствами и характеристиками электромагнитных волн и с тем, как волны отражаются от объектов. Таким образом, основная функция радара – улавливать отраженную волну, по свойствам которой прибор определяет позицию, траекторию и скорость цели. Радар простейшей конструкции состоит из передатчика с антенной, распространяющей волны во все стороны от передатчика, а также включает приемник, к которому подключена принимающая антенна, улавливающая волны, отраженные от цели. Радиоволны распространяются со скоростью света.
Что касается параметров материала, влияющих на характеристики отраженного сигнала, кратко рассмотрим состав противорадарного самолетного покрытия и состав типичных покрытий автомобиля.
Радиопоглощающие материалы, используемые сегодня в гражданской и военной авиации, обычно представляют собой полимерный матрикс, в котором в высокой концентрации содержится порошкообразное железо. Такие материалы дорогостоящие и при этом тяжелые. На микроуровне такие материалы, как правило, состоят из плотно прилегающих друг к другу гранул, и их эффективность зависит именно от такого показателя плотности. Следовательно, максимально функциональный материал такого рода должен приближаться по плотности к литой стали, но включать минимальное количество смол для электрической изоляции между гранулами. При этом эффективность ослабления сигнала возрастает быстрее, чем вес, поэтому можно достичь желаемого эффекта, нанося сравнительно тонкое покрытие на те части самолета, которые наиболее активно отражают радиоволны. Важнейшую роль при этом играет однородность материала и как можно более сферическая форма частиц. Покрытие на фюзеляж и стекла изготавливается из прозрачных смол, неорганического стекла, а также содержит проводящую пленку, в состав которой входит золото или индиево-титановый оксид.
Если экстраполировать такие же свойства на фронтальные поверхности автомобиля, логично, что для ухода от радара также требуется оптимизировать обтекаемость корпуса и одновременно снижать отражающую способность самых блестящих фрагментов: а именно, ветрового стекла, фар и таблички с номером. Также важно знать, из какого материала изготовлен бампер, и каков состав краски на передке. Как правило, для таких покрытий используются полипропиленовые смеси с различными долями присадок; в качестве таких наполнителей используются угольный порошок, тальк и металлическая стружка. Все эти примеси влияют на отраженный сигнал радара.
Антирадарный тюнинг автомобиля
Наиболее примитивный способ радиопоглощения – окрасить корпус в черный цвет, лучше – в матовый черный. Радиоволны, как и любое электромагнитное излучение, подчиняются феномену «относительно черного тела». Матовая черная поверхность частично поглощает их, поэтому отраженные от нее вторичные волны получаются слабее исходных. Этот эффект пытались использовать еще в годы второй мировой войны, окрашивая в черный цвет нижнюю часть самолетного корпуса. Но, как оказалось, тонкий слой черной краски задачи не решает. Требуется более плотное черное покрытие, сравнимое по толщине с длиной волны. Полицейский радар работает в микроволновом режиме. Для эффективного рассеяния микроволн нужен слой черной краски толщиной хотя бы несколько сантиметров, что малореально даже для самолета, а тем более – для автомобиля. Гораздо лучше краски сработает резиновая или углеродистая пенная прослойка, например, от компании Cuming:
Такие покрытия изготавливаются для обкладки металлоконструкций, на которых требуется погасить нежелательное отражение волн. Такие поглотители относятся к широкому классу изоляторов, ослабляющих радиоволны по принципу омических потерь. Радиопоглощение обеспечивается в широком диапазоне частот, но легко регулируется путем подбора толщины покрытия.
Аналогичный эффект дает кожаный чехол на передке, показанный на заглавной картинке к этой статье. Такой аксессуар защищает радиатор от попадания мелкой гальки, пыли и мошек, но фактически состоит из того самого умеренно толстого матового диэлектрического материала, который эффективно снижает показания радара. Это наиболее дешевый легальный способ пассивного подавления радара.
Тем не менее, у машины всегда есть обширная поверхность, которую нельзя или запрещено покрывать темными чехлами. В частности, это номерной знак, фары и ветровое стекло. При этом в США аппаратура ДПС позволяет замерять скорость не только при помощи радара, но и при помощи лазера. Поэтому существуют и иные, прозрачные, радиопоглощающие покрытия, а также глушилки, устанавливаемые в салоне у ветрового стекла.
В США аппаратура ДПС для борьбы с лихачами оснащена не только радаром, но и лазерным дальномером. Лазерный дальномер работает по тому же принципу, что и радар, но испускает не сплошную мощную волну, а серии ультрафиолетовых (невидимых) вспышек. Лазерный луч достаточно узкий, поэтому в любой момент времени его можно направить только на одну машину, движущуюся по шоссе. Соответственно, для корректной работы лазерного датчика этот луч и должен оставаться узким и прицельным, и даже минимальное рассеяние фактически ослепляет его. Поэтому задача лихача – знать частоту полицейского лазера, и на той же частоте перекрыть луч значительно более мощным ультрафиолетовым импульсом. Подобные устройства целесообразно устанавливать не только за ветровым стеклом, но и рядом с номерным знаком, который по причине хорошей отражательной способности также часто выбирается в качестве мишени для лазера. Аналогично лазерной глушилке работает и прибор для скремблирования лазерного луча. Он действует неизбирательно, гася импульсы встречным электромагнитным «белым шумом».
Как правило, такие устройства нельзя держать включенными постоянно (они сами по себе – серьезные источники помех), поэтому их подключают к детектору лазера или радара, установленному в салоне. Внешне глушилки лазера выглядят как малозаметные светодиоды, устанавливаемые на передке машины. Они вполне легально производятся и продаются на Amazon, как, например, модель ZR4 для Ford Escort.
Для антирадарной защиты фар и ветрового стекла применяются специальные полупрозрачные краски, среди которых наиболее известна Veil (англ. «вуаль»). Veil – это прозрачная сероватая жидкость, наносимая на те части автомобиля, куда чаще всего нацеливается лазер: номерной знак, фары, поворотники и разнообразные блестящие детали с металлической облицовкой. По-видимому, Veil не обеспечивает полной невидимости автомобиля, но серьезно сужает тот диапазон, в котором лазер обнаруживает машину. Поэтому в сочетании с детектором лазера Veil помогает водителю выиграть время, чтобы сбросить скорость. Опять же, краска есть в свободной продаже, а компания «Corvette» покрывает Veil широкие фары своих автомобилей, подавая это как фичу: дело в том, что Veil гасит любое электромагнитное излучение, в том числе, солнечный ультрафиолет – тем самым продлевая срок службы фар.
Свинец и прочие альтернативы
По тому же принципу, что и Veil-подобные краски, действует старый добрый свинец. Гамма-излучение и рентгеновское излучение, также относящиеся к электромагнитному спектру, отлично блокируются свинцом. Тончайшие свинцовые покрытия не менее эффективны при поглощении звуковых волн и обычной вибрации. Те же свойства в целом присущи и практически нерастворимому оксиду свинца PbO, образующему прочную прозрачную пленку (кстати, почти не загрязняющуюся). Сам свинец отличается исключительной плавкостью и ковкостью, поэтому из него удобно делать микроскопические гранулы или пластинки. Все перечисленные достоинства свинца также присущи висмуту, расположенному в таблице Менделеева на клетку правее свинца, с той оговоркой, что висмут – значительно более редкий и дорогой материал, чем свинец.
Существуют и военные разработки такого рода – сложные сплавы, не только поглощающие радиоволны в более широком спектре, чем Veil, но и более устойчивые к перепадам температур, чем свинец. Комплексный поиск и испытание таких веществ начались примерно в 2000-е годы. По агрегатному состоянию подобные вещества больше похожи на Veil; тонкие прозрачные затвердевающие гели. В 2004 году было показано, что гексаферриты бария, замещенные марганцем, активно поглощают микроволны и рентгеновское излучение на частоте 17,4 ГГц, при этом толщина наносимого слоя составляла всего 1,12 мм. Такие вещества являются производными в основном от двух классов гексаферритов: «А» (BaCo0,5δTi0,5δMn0,1Fe(11,87-δ)O19) и «B» (Ba(MnTi)δFe(12-2δ)O19). Исходными материалами для их получения являются карбонат бария BaCO3, оксид марганца MnO2, оксид титана TiO2, карбонат кобальта CoCO3 и оксид железа Fe2O3. Для получения гексаферритов смесь вышеупомянутых веществ подвергается сухому перетиранию и дальнейшему спеканию при температуре 1150 °C на протяжении 8 часов.
Аналогичным образом действуют иные вещества, поглощающие электромагнитное излучение на других частотах. Например, применяется кремнийуглеродный матрикс SiC (перемолотый и прокаленный в азотной атмосфере) с добавлением порошкообразных частиц алюминия, хрома, марганца, титана, цинка и других металлов. В 2012-2013 годах особенно многообещающие результаты по поглощению были показаны на частотах от 10,3 до 11,47 ГГц при применении частиц хрома и марганца.
Наконец, если добавлять в такие покрытия не только металлические присадки, но и углеродные нанотрубки, то в материале наряду с радиопоглощающими свойствами развиваются диэлектрические. Компьютерное моделирование и генетические алгоритмы позволяют проектировать и перспективные соединения, которые могли бы давать выраженный радиопоглощающий эффект в глубоком рентгеновском диапазоне.
Таким образом, откровенно опасные и порой безответственные попытки обмануть ДПС и уйти от штрафа являются краешком не только радиотехники, но и продвинутого материаловедения. Надеюсь, хотя бы поэтому они заслужили свой пост на Хабре, который вы сейчас дочитали.
