DE3614016A1 - Radartransparente folie mit steuerbarer infrarotreflexion fuer tarnzwecke - Google Patents
Radartransparente folie mit steuerbarer infrarotreflexion fuer tarnzweckeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die es erlaubt, die
Wärmeabstrahlung von Oberflächen zu regulieren und dadurch
das Wärmebild eines Objektes zu beeinflussen. Die Vorrichtung
eignet sich zur Tarnung gegen Wärmebildgeräte, indem die Kon
turen des Hintergrundes am Ort des Objektes erzeugt werden
oder indem die Konturen eines Objektes so erzeugt werden,
dass ein vermeintliches Objekt entsteht, das in Wirklichkeit
nicht vorhanden ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, dass die
Vorrichtung ohne Verwendung metallischer Flächen realisiert
werden kann und deshalb durchlässig ist für Radio- und Mikro
wellen. Bevorzugte Anwendungen ergeben sich dadurch für die
Tarnung von Radarkuppeln (Radome) und für die multispektrale
Tarnung.
Die Tarnung von Objekten gegen Aufklärung durch Wärmebild
geräte enthält eine besondere Problematik. Anders als im
Sichtbaren ist im thermischen Infrarot-Bereich die Erkennbar
keit eines Objektes nicht nur von dessen Oberflächeneigen
schaften (wie Farbe, Reflexionsgrad, Rauhigkeit) abhängig,
sondern wird zusätzlich durch die Temperatur der Oberfläche
und die Temperaturen der Umgebung, des Hintergrundes und des
Himmels bestimmt.
Zur Tarnung werden niedrigemittierende Anstriche eingesetzt.
Diese Maßnahme verringert, proportional zur Höhe des Emis
sionsgrades e der Oberfläche, die von diesem Objekt aus
gehende Wärmestrahlung; besonders bei stärker erwärmten Ob
jekten kann auf diese Weise eine Minderung der Entdeckbar
keit erreicht werden.
Neben den Anstrichen sind andere Infrarot-Tarnmittel mit ähn
licher Wirkung bekannt: beispielsweise niedrigemittierende
Textilien, kaschierte Metallfolien, Infrarot-Tarnnetze mit
metallischen Elementen (Schichten, Folien, Fäden), galvani
sche niedrigemittierende Beschichtungen und ähnliches.
Da sich aber die thermischen Verhältnisse der Umgebung, be
dingt durch Sonnenstand, Wetterverhältnisse, Jahreszeiten
und andere Einflüsse ständig ändern, ist es nicht möglich,
ein Objekt im Infraroten mit einem Anstrich oder einem Tarn
netz vollkommen wirksam zu tarnen, solange das Tarnmittel
fest eingestellte Oberflächeneigenschaften besitzt.
Um eine effektive Infrarot-Tarnung zu erreichen, sind also
Tarnmittel erwünscht, deren Wärmestrahlung steuerbar ist und
somit zu jeder Zeit an das Wärmebild des Hintergrundes ange
passt werden kann.
Eine Vorrichtung dieser Art ist in der DE-OS 32 17 977 be
schrieben. Nach dieser Erfindung wird die dem Beobachter zu
gewandte Seite des Objektes mit einer geometrischen Struktur
von heizbaren Flächen versehen, welche die Erzeugung einer
beliebigen Temperaturverteilung ermöglicht.
Zur Aufrechterhaltung eines Temperaturprofils ist die stän
dige Zufuhr von Energie zur Heizung der Oberflächenelemente
in der Grössenordnung von 100 W/m2 erforderlich. Diese
Energie wird bei grösseren Flächen oder bei beweglichen Ob
jekten oft nicht zur Verfügung stehen. In vielen Fällen, bei
denen das Objekt bereits wärmer als die Umgebung ist, wird
sich durch das Heizen der Temperaturkontrast noch verstärken.
Man könnte entsprechend an die Anwendung von Kühlelementen
(z. B. Peltierelemente oder Verdunstungsflächen) denken, diese
Lösung würde sich jedoch in der technischen Ausführung sehr
aufwendig gestalten, einen noch höheren Energiebedarf be
sitzen und darüber hinaus Probleme aufgrund von Kondensations
und Vereisungseffekten aufwerfen.
Die Wärmeabstrahlung eines Körpers wird nicht nur von seiner
Temperatur, sondern auch vom Emissionsgrad ε seiner Ober
fläche bestimmt. Ein niedriger ε-Wert verleiht erwärmten
Körpern eine niedrige, scheinbare Temperatur, wodurch unter
bestimmten Umständen eine Minderung der Entdeckbarkeit ent
stehen kann. Der Einsatz niedrigemittierender (nicht variab
ler) Oberflächenschichten für die Infrarot-Tarnung ist be
kannt und z. B. in der DE-PS 30 43 381 beschrieben. Wie ein
gangs dargestellt, ist nach diesem Stand der Technik eine
universelle, wirksame Wärmebildtarnung ebenfalls nicht ge
geben.
Gemeinsames Merkmal dieser infrarotaktiven Tarnmittel ist,
dass die niedrigemittierende Wirkung durch Einlagerung von
metallischen Schichten oder Partikeln erreicht wird. Niedrige
Infrarot-Emissionsgrade unter etwa 70% treten an homogenen
Materialien nur auf, wenn diese metallischen Charakter und
eine gewisse metallische Leitfähigkeit besitzen.
Herkömmliche metallhaltige IR-Tarnanstriche und IR-Tarnmittel
besitzen einige typische Nachteile, welche ihre Verwendungs
möglichkeiten und Wirksamkeit stark einschränken.
Die Metallkomponente bewirkt, dass die Schichten für elektro
magnetische Strahlung allgemein undurchlässig sind und eine
starke Reflexionswirkung zeigen. Im sichtoptischen Bereich
wird die unerwünschte Reflexion üblicherweise mit Hilfe von
Farbpigmenten unterdrückt, dies ist jedoch im Mikrowellen-
und Radiowellenbereich nicht möglich, so dass diese IR-Tarn
mittel gegenüber Radaraufklärung keine tarnende Wirkung
zeigen oder die Entdeckbarkeit eher noch erhöht wird, wenn
das Objekt selbst radarneutral ist. Aus dem gleichen Grund
können herkömmliche niedrigemittierende Schichten nicht zur
Tarnung von Kommunikationsanlagen, wie Sende- und Empfangs
antennen, Radarkuppeln und anderen derartigen Anlagen ver
wendet werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung zu schaffen, mit der das Wärmebild eines Objek
tes gezielt beeinflussbar und insbesondere an das Wärmebild
seines Hintergrundes angleichbar ist, wobei diese Beeinflus
sung nicht wesentlich mit einer Temperatursteuerung des Ob
jektes oder der Vorrichtung verbunden ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch Steuerung des
Wärmeemissionsgrades gelöst. Dazu wird der zu tarnende Körper
mit einer flächenhaften Anordnung von Zellen überzogen. Jede
Zelle besteht aus zwei übereinanderliegenden, infrarottrans
parenten Folien, welche auf der Innenseite je eine Inter
ferenzschicht tragen. Durch Abstandsveränderung der Folien
wird unter Ausnutzung von Interferenzbeziehungen ein Schalt
vorgang zwischen zwei Zuständen mit unterschiedlichem IR-
Reflexionsgrad erreicht. Die erfindungsgemässe ε-Steuerung
bietet gegenüber der bekannten Temperatursteuerung entschei
dende Vorteile, wie geringer Energiebedarf, selbständiges
Halten eines optischen Zustandes, einfache, leichte Ausfüh
rungsform.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher
beschrieben.
Es zeigt
Fig. 1 die Wirkungsweise des vorgeschlagenen Tarnsystems
mit pneumatischer Steuerung in zwei Zuständen,
Fig. 2 die Darstellung einer Kuppel und die Möglichkeit
der Simulation nicht vorhandener Strukturen auf der
Kuppel.
In Fig. 1 bestehen die Interferenzschichten 2 aus einem im
Wärmestrahlungsbereich 8-12 µm (3. atmosphärisches Fenster)
und 3-5 µm (2. atmosphärisches Fenster) durchlässigen Mate
rial. Die Trägerfolien 4, beispielsweise aus Polyethylen, be
sitzen geringere Brechungsindizes als die Schichten 2. Die
Schichtdicke wird auf maximale Reflexion (d = λ/(4×n)) an
der Einzelschicht abgestimmt, wobei n den Brechungsindex der
Schicht und λ die Wellenlänge der Abstrahlung bedeutet.
Im Ausgangszustand sollen sich beide Flächen leicht vonein
ander lösen, so dass ein Luftspalt 6 von einigen Mikrometern
oder mehr entsteht. In diesem Zustand besitzt die Anordnung
einen hohen Reflexionsgrad (Zustand A). Werden nun die beiden
Folien zusammengebracht, z. B. durch Erzeugen eines leichten
Unterdrucks im Zwischenraum 6, so entsteht aus den beiden
reflektierenden λ/4-Schichten eine λ/2-Schicht mit hoher
Durchlässigkeit (Zustand B).
Der Emissionsgrad im Zustand B wird bei der Verwendung von
IR-transparenten Folien 4 durch den Emissionsgrad des da
hinterliegenden Objektes 8 bestimmt, ist also in der Regel
(keine metallisch blanke Oberflächen!) hoch.
Als mögliches Schichtmaterial kommt eine grössere Anzahl von
Substanzen in Betracht. Die Auswahl richtet sich nach dem
geforderten Transmissionsbereich im infraroten und im sicht
optischen Spektrum, sowie nach praktischen, technischen Ge
sichtspunkten, wie Herstellbarkeit, Haltbarkeit und Kosten.
Breitbandige Tarnwirkung und gute Stabilität bietet die
Gruppe der Halbleiter, wie Silizium, Germanium, Graphit,
sowie Metallsulfide, Metallselenide und Metalltelluride,
die auch als Rohstoff für kompakte IR-Fenster herangezogen
Bereich gewünscht, sind oxidische Materialien wie beispiels
weise SiO₂, Al₂O₃, SnO₂, In₂O₃, TiO₂, CeO₂,
MgO, Fluoride wie MgF₂, PbF₂, BaF₂ und andere Verbin
dungen mit ähnlichen Eigenschaften einsetzbar.
Statt flexibler Folien können ein oder zwei plattenartige
Träger eingesetzt werden; stets muss jedoch mindestens das
dem Wärmebildgerät zugewandte Element IR-transparent sein,
um die gewünschte Wirkung zu erzeugen. Wahlweise kann die
Folie oder Platte mit einer Schutzschicht überzogen sein,
sie muss aber ebenfalls in jedem Fall im IR-Frequenzbereich
der Anwendung transparent sein.
Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit - insbesondere bei
der Ausführung mittels flexibler Folien 4 - wird zweckmässi
gerweise ein die Zellen umgebender stabiler Rahmen 10 aus
Kunststoff oder anderen Materialien verwendet. Der Rahmen 10
muss so dicht mit den Folien oder Platten abschliessen, dass
ein Unterdruck aufgebaut werden kann. Werden plattenartige,
selbsttragende Elemente eingesetzt, können die Zellen einfach
durch Aufkleben oder Aufschweissen von Folien in Form luft
dichter Blasen hergestellt werden. An einer Stelle in jeder
Zelle muss die Zuführung einer Unterdruckleitung vorgesehen
sein 12.
Anstelle der pneumatischen Steuerung können auch andere
Bewegungsmechanismen mit elektromagnetischem, elektro
statischem, elektrostriktivem, elektromotorischem oder an
derem Antrieb eingesetzt werden. Besonders interessant an
der pneumatischen Steuerung ist jedoch, dass sie völlig aus
Kunststoff und nichtleitenden Komponenten aufgebaut werden
kann und damit die Durchlässigkeit gegenüber anderen Spek
tralbereichen - Radiowellen, Mikrowellen, Licht - erhalten
bleibt.
Weitere Merkmale und Vorzüge der Erfindung sollen anhand
typischer Anwendungen beschrieben werden, für die bisher
keine Lösungen existieren.
Die erfindungsgemässe Tarnfolie kann sehr vorteilhaft zur
Verkleidung von Radarkuppeln (Radome) eingesetzt werden. Die
heutige Bauweise von Radomen hat sich im Hinblick auf die
Detektierbarkeit im IR-Bereich als ausgesprochen ungünstig
erwiesen. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit und Wärme
kapazität der Radomaussenhaut (Kunststoff-Schaummaterial oder
-Folien) ist die Oberflächentemperatur starken witterungs
bedingten Schwankungen unterworfen, was diesen Objekten eine
ungewöhnlich gut ausgeprägte Wärmebildsignatur verleiht.
Gegenmaßnahmen mit herkömmlichen Tarnmitteln ohne Beein
trächtigung der Radartransmission sind nicht bekannt.
Die Fig. 2 zeigt symbolisiert diesen Anwendungsfall. In
Fig. 2a ist eine typische Signatur eines Radoms bei Sonnen
einstrahlung gezeigt. Die obere Hälfte der Kugel ist stark
erwärmt und hebt sich charakteristisch gegen den viel dunk
leren Hintergrund ab. Bei Nacht sind die Hell-Dunkel-Ver
hältnisse wegen der niedrigen Himmelstemperatur gerade umge
kehrt, aber ebenso gut erkennbar. Mit Hilfe der erfindungs
gemässen, an der Aussenfläche des Radoms angebrachten Vor
richtung wird eine wirkungsvolle Konturenzerlegung hervor
gerufen, indem typische Strukturen der Umgebung wie z. B.
rechteckige Flächen bei landwirtschaftlichen Feldern (Fig.
2b, ohne Hintergrund) oder Siedlungen, Gebäudestrukturen
(Fig. 2c) oder sonstige Landschaftformationen (Horizont
linien, Hügelketten, Waldflächen, Flußläufe) simuliert
werden.
Eine ähnliche Situation liegt vor bei der Tarnung von ande
ren Anlagen und Komponenten der Übertragungstechnik, also
Rundfunksendern, Fernmeldestationen, Satellitenempfangs
antennen, Funkleitsystemen, Peil- und Aufklärungssystemen und
anderen Anlagen. Alle diese im Verteidigungsfall unentbehr
lichen Anlagen, die bisher als leicht erkennbar und verwund
bar gelten, können mit Hilfe der Erfindung wirksam gegen
Wärmebildaufklärung getarnt werden ohne jede Beeinträchtigung
ihrer Funktion.
Weitere Anwendungen liegen bei der IR-Tarnung von Gebäuden,
Strassen, Brücken etc.; ebenfalls strategisch sehr wichtige
Objekte, die bisher gegenüber der Wärmebildbeobachtung nicht
oder nur auf Kosten erhöhter Radarerkennbarkeit zu schützen
sind. Vorteilhaft hierbei ist auch, dass die erfindungs
gemässe Tarnvorrichtung nicht ständig - wie ein Anstrich -
vorhanden sein muss.
Eine Anwendung, bei der die Durchlässigkeit im Mikrowellen
bereich ebenfalls als entscheidende Voraussetzung eingeht,
sind radarabsorbierende Materialien und Strukturen. Diese
heute bekannten Tarnmittel gegen Radaraufklärung sind aus
nahmslos gute IR-Emitter und deshalb im Wärmebild leicht
detektierbar, andererseits aber mit niedrigemittierenden
Anstrichen auf Metallbasis nicht zu behandeln, da dann die
Radarabsorberwirkung verlorengeht.
Die obenerwähnten Varianten zur Konturenzerlegung und Sig
natursimulation können natürlich auch hier vorteilhaft ein
gesetzt werden.
Bei der denkbaren Anwendung der erfindungsgemässen Tarnvor
richtung auf Fahrzeuge, Schiffe, Flugzeuge, Stahlbrücken,
Stahlmasten und anderen Einrichtungen kommt ein besonderer
Aspekt hinzu. Diese Objekte weisen aufgrund ihrer vorwiegend
aus Metall bestehenden Struktur eine deutliche und charak
teristische Radarsignatur auf. Dieses Problem kann grund
sätzlich durch Anwendung von Radarabsorbern und multispek
traler Tarnvorrichtung, wie oben beschrieben, gelöst werden.
Sind jedoch Radarabsorber aus irgendwelchen Gründen (Gewicht,
Kosten, Verfügbarkeit) nicht erwünscht oder nicht möglich,
dann kann mit Hilfe der erfindungsgemässen Tarnvorrichtung
ein kombinierter IR-Radareffekt dadurch erzielt werden, dass
die Zellen der Tarnvorrichtung objektseitig ganzflächig oder
teilweise metallisiert werden. Bestimmte charakteristische
Radarsignaturen des Objektes können auf diese Weise aufge
hoben oder verfälscht werden.
Eine zusätzliche Tarnwirkung im sichtbaren oder nahen Infra
rot ist durch Anwendung eingefärbter Kunststoff-Folien mög
lich. Werden Folien oder Platten mit guter optischer Transpa
renz eingesetzt, dann kann die visuelle Tarnwirkung durch
hinterlegte und damit leicht veränderbare Farbanstriche er
reicht werden oder sie ist durch den vorhandenen Tarnanstrich
des Objektes bereits gegeben.
Nachfolgend werden einige weitere vorteilhafte Aspekte der
Erfindung erwähnt:
Bei Verwendung von Interferenzschichten mit hohem Brechungs
index wird die erzielte Wirkung weitgehend unabhängig vom
Beobachtungswinkel. Die mit der einfachen Anordnung von Fig.
1 entstehenden Interferenzeffekte sind so breitbandig, dass
bei entsprechender Schichtdickenabstimmung der gesamte Fre
quenzbereich des Detektors im 3-5-µm- oder 8-12-µm-Band
erfasst wird. Es können auf diese Weise Schalthübe im Emis
sionsgrad von 60% erzeugt werden (Zustand A: ε = 20%; Zu
stand B: ε = 80%). Es ist auch ein Simultaneffekt in beiden
IR-Fenstern möglich, dann muss der Brechungsindex der Inter
ferenzschichten jedoch auf einen bestimmten, berechenbaren
Wert festgelegt werden, oder es müssen mehrlagige Interfe
renzfilme eingesetzt werden.
Die Methode ist nicht auf die Schaltung von zwei Extrem
zuständen beschränkt. Es können auch Zwischenwerte des Emis
sionsgrades eingestellt werden, wenn eine Zellfläche in wei
tere Einheiten unterteilt wird, deren Dimension nicht mehr
vom beobachtenden Wärmebildgerät aufgelöst wird. Dann ent
spricht die Anzahl der Unterelemente, die sich in einem Zu
stand befinden, einer bestimmten ε-Abstufung.
Aus der Optik der Interferenzschichten ist bekannt oder kann
sofort abgeleitet werden, dass die hier vorgeschlagene Lö
sung über Abstandsveränderung verschiedene Extremwerte der
Interferenz einzustellen, durch eine Vielzahl von Schicht
anordnungen verwirklicht werden kann. Diese grundsätzlich
vorhandenen Kenntnisse können nutzbringend zur technischen
Ausgestaltung der Erfindung herangezogen werden. Stellver
tretend für die vielen möglichen Varianten, sollen hier
einige Beispiele genannt werden:
- - Statt der symmetrischen Anordnung von λ/4-Schichten (Fig. 1) kann auch nur eine λ/4-Schicht zum Einsatz kommen. Hat die korrespondierende Oberfläche (zu der der Abstand variiert wird) einen höheren Brechungsindex als die Interferenzschicht selbst, kann der Phasensprung an der Grenzfläche Interferenzschicht/Luftspalt verändert werden.
- Aus einem Reflexionsmaximum im Zustand mit Luftspalt wird ebenfalls ein Reflexionsminimum im Zustand ohne Luftspalt.
- - Dieses Prinzip kann auch verwendet werden für eine Antireflex-Schicht auf Metall (Zustand: Minimum der Reflexion). Wird die Schicht vom Metall getrennt, ergänzen sich die Reflexionsanteile an der Schicht und an der Metalloberfläche zu sehr hohen Werten. Wegen des Imaginäranteils des Brechungsindex des Metalls ergibt sich in diesem Fall für die Inter ferenzschichtdicke keine reine λ/4-Beziehung.
- - Eine weitere Variante besteht darin, dass die Inter ferenzschichten nicht aus homogenem Material bestehen, sondern aus zwei halbdurchlässigen Metallfilmen, welche durch eine Abstandsschicht ( g/4, λ/2) getrennt sind.
Die beiden letztgenannten Versionen würden wegen der Metall
flächen den Vorteil der multispektralen Anwendung nicht oder
nicht in vollem Maße vermitteln.
Claims (11)
1. Vorrichtung zur Tarnung von Objekten gegen eine Aufklä
rung, dadurch gekennzeichnet,
dass das Objekt mit einer flächenhaften Anordnung von
Zellen überzogen ist und der Emissionsgrad der Zellen
unabhängig voneinander steuerbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Zellen aus mindestens zwei Folien (4) bestehen, von
denen mindestens eine infrarottransparent ist und minde
stens eine auf der Innenseite eine Infrarot-Interferenz
schicht (2) trägt, und dass der Luftspalt zwischen den
Folien mit einem Mechanismus aufbaubar und abbaubar ist.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn
zeichnet, dass, unter Ausnutzung von Interferenzbeziehun
gen, der IR-Reflexionsgrad und Emissionsgrad des Folien
systems zwischen zwei Zuständen schaltbar ist.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Folien (4) nach den Ansprüchen 1 bis 3
durch plattenartige Elemente ersetzt sind.
5. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeich
net, dass das Zusammenpressen und Lösen der Elemente pneu
matisch, beispielsweise durch einen geringen Unterdruck
und Überdruck, steuerbar ist.
6. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeich
net, dass die Bewegung der Elemente mittels eines elektro
magnetischen, elektrostatischen, elektrostriktiven oder
elektromotorischen Antriebs steuerbar ist.
7. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeich
net, dass die Form und Anordnung der Zellen in beliebiger
geometrischer Form gestaltet ist.
8. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeich
net, dass die Ausdehnung der Zellen kleiner gewählt ist
als die laterale Auflösung der Wärmebildkamera des Beob
achters und dadurch Grauwertabstufungen und weiche Kontu
ren hervorrufbar sind.
9. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 5 und 7 und 8, dadurch
gekennzeichnet, dass sie zur Wärmebildtarnung von Radomen
und anderen Antennenanlagen und Übertragungsstationen
einsetzbar ist.
10. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeich
net, dass sie zur Wärmebildtarnung von Gebäuden, Brücken,
Strassen, Flugplätzen und ähnlichen Einrichtungen ein
setzbar ist.
11. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 8 und 10, dadurch ge
kennzeichnet, dass die Zellen objektseitig ganz oder
fleckenweise metallisiert sind und zur multispektralen
Tarnung von vorwiegend metallischen Objekten einsetzbar
sind.
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Legal Events
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: DORNIER GMBH, 7990 FRIEDRICHSHAFEN, DE |
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8130 | Withdrawal |