Rejestrowanie niektórych zjawisk fizycznych jest bardzo trudne ze względu na ich specyfikę – warunki, w których zachodzą, w tym np. panującą temperaturę, ciśnienie, poziom wilgotności czy pojawiające się wibracje. Do tej kategorii można też zaliczyć wszystkie procesy, które zachodzą bardzo wolno – choćby zmiany struktur geologicznych, albo niezwykle szybko. O ile w tym pierwszym przypadku możemy obserwować jedynie efekty wcześniejszych zdarzeń, o tyle istnieją techniki umożliwiające rejestrację tzw. zjawisk szybkozmiennych w postaci kamer ultraszybkich. Dzięki uzyskiwaniu bardzo wysokich prędkości zapisu promieniowania widzialnego sprawdzają się one w przypadku wielu analiz i badań prowadzących zarówno w dziedzinach cywilnych, jak i związanych z przemysłem wojskowym. Przyjrzyjmy się bliżej działaniu kamer ultraszybkich i sprawdźmy, w jaki sposób mogą być stosowane w aplikacjach związanych z obronnością.
Jak działają kamery ultraszybkie?
Sama natura fotografii wiąże się z zapisem obrazu w bardzo krótkim horyzoncie czasowym. Choć pierwsze aparaty fotograficzne potrzebowały sporo czasu na uzyskanie obrazu na kliszy, to wraz z szybkimi odkryciami z dziedziny chemii i pojawieniem się doskonalszych metod utrwalania promieniowania widzialnego niezbędny czas ekspozycji znacznie się skrócił, sięgając tysięcznych części sekundy. Podobną drogę przeszły kamery filmowe, mimo tego, że długo ilość rejestrowanych w ciągu sekundy klatek nie była zbyt imponująca, to w krótkim czasie odkryto, że używanie technik filmowych pozwala na oglądanie obrazów, których nie sposób zobaczyć „gołym okiem”. Przy rozwoju technik obrazowania i wprowadzeniu na szeroką skalę fotografii cyfrowej oraz matryc o wysokiej rozdzielczości uzyskanie odpowiednio wysokiego tempa rejestracji obrazu poprawiło się tak bardzo, że w warunkach eksperymentalnych udaje się zarejestrować pięć bilionów klatek na sekundę, co pozwala na zarejestrowanie zjawiska trwającego 0,2 bilionowych części sekundy.
Choć używane powszechnie kamery ultraszybkie nie zbliżają się do takich rezultatów, to tempo ich działania bez problemu pozwala na nagrywanie bardzo szybko poruszających się przedmiotów. Przy użyciu odpowiedniego oprogramowania nagrywane filmy mogą być znacznie spowalniane i służyć do dokładnej analizy różnych zjawisk fizycznych. Kamery ultraszybkie wykorzystują różne rozwiązania techniczne. Jednym ze sposobów na rejestrację obrazów z bardzo wysoką prędkością jest umieszczanie w kamerze ruchomego lustra, pełniącego funkcję elementu rzutującego obraz na element CCD, jednak różnicą między klasyczną lustrzanką lub kamerą a kamerą ultraszybką jest to, że lustro obraca się, przesyłając obraz na ułożone wzdłuż łuku kolejne sensory. Dzięki takiemu rozwiązaniu i dużej ilości matryc CCD można znacznie podnieść tempo rejestracji, eliminując najpoważniejszą przeszkodę w postaci opóźnień w działaniu układów elektronicznych. Tego typu rozwiązania pozwalają na rejestrowanie obrazów z prędkościami kilkudziesięciu milionów klatek na sekundę.
Zastosowania kamer ultraszybkich – od medycyny po wojskowość
Kamery ultraszybkie są wykorzystywane w wielu branżach oraz obszarach badań. Korzysta się z nich powszechnie przy badaniu procesów spalania, dynamiki gazów i płynów, zjawisk występujących podczas cięcia i spawania, a także przy obserwowaniu odkształceń materiałów zachodzących przy dużych prędkościach, choćby podczas testów zderzeniowych. Często kamery ultraszybkie wykorzystuje w badaniach medycznych, a także obserwacjach biologicznych. Dziedziną, w której kamery ultraszybkie są niezbędne, będą badania nad silnikami, konstrukcjami lotniczymi i projektowanymi na potrzeby przemysłu kosmicznego oraz badania militarne.
Obszarami, w których bardzo często korzysta się z kamer ultraszybkich, są badania balistyczne, związane z wytrzymałością materiałów oraz dotyczące analizowania fal uderzeniowych podczas eksplozji materiałów wybuchowych. Chodzi tu głównie o rozchodzenie się powstających wówczas gazów generujących niezwykle duże ciśnienie, a także powstających odłamków i ich zachowania przy wpływie różnych czynników. Badania balistyczne obejmują zachowanie się pocisków wystrzeliwanych z broni palnej, a także zachowanie samej broni podczas oddawania strzału. Kamery mogą rejestrować np. współdziałanie poszczególnych elementów ruchomych czy rozchodzenie się gazów.
Badania prowadzone za pomocą kamer ultraszybkich pozwalają na opracowywanie nowych typów broni i uzbrojenia, a także ich modyfikację. Wiąże się to z rozwojem amunicji, wszelkiego rodzaju broni palnej, a także rozwojem technologii rakietowych oraz opracowywaniem innowacyjnych materiałów chroniących przed pociskami lub wybuchami. Uzyskiwane rezultaty mają też wpływ na opracowywanie ulepszonych materiałów wybuchowych. Kamery ultraszybkie wykorzystuje się do sprawdzania prototypów w warunkach bojowych – np. sposobu, w jaki reaguje opancerzenie pojazdów lub inne ich elementy na ostrzał bądź wybuchy. Analizy nagrywanych materiałów wykonywanych w warunkach poligonowych są następnie wykorzystywane do opracowywania statystycznego uzyskanych danych oraz obliczeń będących podstawą prac rozwojowych.