DE102008035917A1

DE102008035917A1 - Blitzschutz von Radomen und Sende-/Empfangsvorrichtungen

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Publication number: DE102008035917A1
Application number: DE102008035917A
Authority: DE
Inventors: Christian Dr. Karch; Jürgen Dr. Steinwandel; Wilhelm Dr. Wulbrand
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2008-08-01
Filing date: 2008-08-01
Publication date: 2010-02-04
Anticipated expiration: 2028-08-02
Also published as: DE102008035917B4; WO2010012765A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Blitzschutz, insbesondere von Radomen und Sende-/Empfangsvorrichtungen (z.B. Antennen, Radaranlassend eine Sende-/Empfangsvorrichtung (12) umgebende, für elektromagnetische Strahlung durchlässige Schutzhülle (14), insbesondere Radomwand, wobei die Schutzhülle (14) mit einer Beschichtung (16) versehen ist, welche die dielektrische Festigkeit der Schutzhülle (14) erhöht. Die dielektrische Festigkeit der Beschichtung (16) beträgt mindestens 350 kV/mm. Um die Blitzschutzwirkung weiter zu steigern, können auf der Schutzhülle (14) Ableiterelemente (18) angeordnet sein, die zum Ableiten von Blitzströmen jeweils einseitig mit einer metallischen Struktur (20) verbunden sind.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Blitzschutz, insbesondere von Radomen und Sende-/Empfangsvorrichtungen. Die Erfindung betrifft ferner ein Flugzeug mit einer erfindungsgemäßen Anordnung, die Verwendung einer Anordnung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Radome schützen bekanntlich Sende-/Empfangsvorrichtungen, wie beispielsweise Antennen, Radaranlagen oder andere elektromagnetisch empfindliche Systeme, vor äußeren Einflüssen (z. B. Witterungseinflüssen) und weisen eine die Sende-/Empfangsvorrichtung umgebende Schutzhülle auf, die aus dielektrischem Material besteht, um für elektromagnetische Strahlung durchlässig zu sein. Zudem gewähren Radome einen gewissen Sichtschutz, so dass äußere Beobachter nicht ohne weiteres auf die technische Einrichtung im Inneren schließen können.
Radome finden sich zum Beispiel bei Großanlagen, die auf der Erde fest installiert sind, und auf Schiffen. Auch die Bugverkleidung von Flugzeugen, die in der Bugnase ein Radar oder elektromagnetisch empfindliche Systeme aufweisen, wird Radom genannt (siehe 1).
Radome und die hinter den Radomen positionierten Sende-/Empfangsvorrichtungen müssen bekanntlich gegen Blitzeinschläge geschützt werden, was insbesondere bei Flugzeugen und anderen Luftfahrzeugen sichergestellt werden muss, um den Schaden, der durch einen Blitzschlag verursacht werden könnte, so gering wie möglich zu halten, da ansonsten das Radom zerstört und das Flugzeug flugunfähig werden könnte.
Bekannte Blitzschutzmaßnahmen, wie sie beispielsweise einleitend in EP 1 263 648 A genannt sind und ausführlich in F. A. Fisher et. al. „Lightning Protection of Aircraft", Pittsfield 1990, Seite 136 bis 143 beschrieben sind, bestehen darin, massive metallische Ableiter (so genannte „solid diverters”) oder alternativ segmentierte Streifen (so genannte „segmented strips” bzw. „button strips”) auf der Radomoberfläche anzubringen. Letztere bestehen aus einem dielektrischen Träger, auf dem in geringem Abstand knopfförmige metallische Elemente (so genannte „buttons”) platziert sind (siehe 2). Der dielektrische Träger kann dabei eine elektrisch geringfügig leitfähige Substruktur aufweisen, die eine elektrostatische Aufladung der isolierten metallischen Buttons verhindert. Die Buttons unterscheiden sich je nach Ausführung durch ihre Form und Größe.
Die beschriebenen Ableiter und Streifen werden so auf der Radomoberfläche angeordnet, dass sie die Entstehung von Fangentladungen an ihren freien Enden begünstigen, während sie die Entstehung von Entladungen an metallischen Teilen der Sende-/Empfangsvorrichtung bedingt durch ihre Schirmwirkung behindern. Auf diese Weise wird der elektrische Durchschlag eines Blitzkanals auf die Sende-/Empfangsvorrichtung oder andere metallische Teile hinter dem Radom verhindert. Der Blitzstrom wird stattdessen über die Ableiter bzw. Streifen bedingt durch deren elektrische Anbindung an eine massive metallische Struktur, die in der Lage ist einen Blitzstrom unbeschadet zu überstehen, abgeleitet.
Die geometrische Anordnung der Ableiter und Streifen, insbesondere deren Länge sowie deren gegenseitiger Abstand, wird durch die Radom- und Antennengeometrie sowie gleichzeitig die dielektrische Festigkeit der Radomwand bestimmt.
Nach gegenwärtigem Stand der Technik erfolgt die Auslegung der Radomwand nach mechanischen und radaroptischen Gesichtspunkten unter Beachtung sonstiger Randbedingungen, wie z. B. der Gewichtsbelastung. Das Design des Blitzschutzes, die Wahl der Ableiter- bzw. Streifenlänge, ihres Abstandes und die genaue Positionierung erfolgt in einem zweiten Schritt auf der Basis vorliegender Erfahrungen und mit Hilfe von Hochspannungstests im Labor.
Von Nachteil ist, dass die voranstehend beschriebenen bekannten Blitzschutzvorkehrungen im Strahlungsfeld der Sende-/Empfangsvorrichtung liegen. Je nach Ausrichtung der Sende-/Empfangsvorrichtung bzw. der Hauptstrahlungskeule wird die Abstrahlcharakteristik der Sende-/Empfangsvorrichtung mehr oder weniger nachteilig durch die Blitzschutzvorkehrung beeinflusst. Um diesen Effekt zu verringern, besteht deswegen das Bestreben, die Belegsdichte und die Länge der Ableiter bzw. Streifen so klein wie möglich zu gestalten, ohne die Blitzschutzwirkung zu beeinträchtigen.
Somit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine verbesserte Anordnung zum Blitzschutz, insbesondere von Radomen und Sende-/Empfangsvorrichtungen, zu schaffen, so dass die Sende- und Empfangseigenschaften der geschützten Sende-/Empfangsvorrichtung so wenig wie möglich gestört werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Im Zusammenhang mit dieser Erfindung werden die folgenden Begrifflichkeiten mit entsprechender Bedeutung verwendet.
Unter der dielektrischen Festigkeit (engl. „dielectric strength”) oder Durchschlagfestigkeit eines Isolators ist diejenige Feldstärke zu verstehen, welche in dem Material höchstens herrschen darf, ohne dass es zu einem Spannungsdurchschlag oder einer Funkenentladung durch das Material kommt. Die Durchschlagfestigkeit hat demzufolge die Dimension einer elektrischen Feldstärke oder einer Spannung pro Dicke des Isolators. Die Durchschlagfestigkeit ist keine Materialkonstante im eigentlichen Sinne, da sie von einer Vielzahl von Einflussgrößen, wie Elektrodenanordnung, Dauer der Beanspruchung, lokalen, mikroskopischen Materialinhomogenitäten und zeitlichem Spannungsverlauf abhängt. Zum Zwecke der Vergleichbarkeit entsprechender Werte gibt es deswegen genormte Prüfverfahren.
„Streamer” und „Leader”, Begriffe die der Gasentladungsphysik entnommen sind, sind in Anlehnung an Rakov und Uman in „Lightning – Physics and Effects", Cambridge University Press, Cambridge 2003, wie folgt zu verstehen: Eine Korona-Entladung ist auf die unmittelbare Umgebung einer Elektrode begrenzt; sie besteht aus vielen individuellen Streamern, die nicht in der Lage sind sich selbstständig auszubreiten und den Bereich der Elektrodennähe zu verlassen. Entladungs- oder Plasmakanäle, die in der Lage sind selbstständig zu wachsen, werden hingegen als Leader bezeichnet. Während Leader eine elektrische Leitfähigkeit von ca. 10⁴ S/m aufweisen, haben Streamer eine deutlich geringere Leitfähigkeit.
Mit Leitblitz (engl. „lightning leader”) ist folgendes zu verstehen: Aus dem negativen Ladungszentrum einer Gewitterwolke schiebt sich ein mit Wolkenladung gefüllter, zylinderförmiger Schlauch mit einem Durchmesser von einigen 10 Metern und einem dünnen, hochionisierten Plasmakern mit einem Durchmesser von etwa 1 cm ruckweise zur Erde vor. Dieser so genannte Leitblitz hat eine Vorwachsgeschwindigkeit in der Größenordnung von einem Tausendstel der Lichtgeschwindigkeit, also 300 km/s. Der Leitblitz wächst ruckweise in Abschnitten von einigen 10 m vor, wobei die Pause zwischen den Ruckstufen einige 10 Mikrosekunden beträgt. Wenn sich der Leitblitz der Erde bis auf einige 10 bis einige 100 m genähert hat, erhöht sich beispielsweise an den dem Leitblitzkopf nahe gelegenen Spitzen von Bäumen oder Giebeln von Gebäuden die elektrische Feldstärke so stark, dass schließlich die elektrische Festigkeit der Luft überschritten wird und von dort aus nun ebenfalls eine dem Leitblitz ähnliche, einige 10 bis einige 100 m lange so genannte Fangentladung (Leader) ausbricht, die dem Leitblitz entgegen wächst und schließlich mit dem Leitblitzkopf zusammentrifft.
Die erfindungsgemäße Anordnung zum Blitzschutz umfasst eine eine Sende-/Empfangsvorrichtung umgebende, für elektromagnetische Strahlung durchlässige Schutzhülle, wobei die Schutzhülle mit einer Beschichtung versehen ist, welche die dielektrische Festigkeit der Schutzhülle erheblich erhöht.
Die Schutzhülle ist typischerweise eine Radomwand, die bekanntlich die zu schützende Sende-/Empfangsvorrichtung umgibt und aus einem dielektrischen Material besteht.
Zusätzlich können auf der erfindungsgemäß beschichteten Schutzhülle Ableiterelemente angeordnet sein, die zum Ableiten von Blitzströmen jeweils einseitig mit einer metallischen Struktur verbunden sind. Die Ableiterelemente dienen zum Einfangen eines Leitblitzes, und der resultierende Strom wird an eine metallische Struktur weitergeleitet, die in der Lage ist, diesen Strom unbeschadet zu überstehen.
Der wesentliche Kern der Erfindung besteht darin, die Schutzhülle mit einem speziellen Material zu beschichten, das eine hohe dielektrische Festigkeit bei geringen elektrischen Verlusten aufweist. Dies führt dazu, dass die dielektrische Festigkeit der beschichteten Schützhülle im Vergleich zu einer unbeschichteten Schutzhülle deutlich höher ist, so dass ein Blitzdurchschlag durch die beschichtete Schutzhülle verhindert wird. In manchen Anwendungsfällen (z. B. bei kleinen Radomen) kann dann sogar ganz auf zusätzliche Vorkehrungen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind (z. B. Ableiter und Streifen), verzichtet werden, so dass die Sende- und Empfangseigenschaften der zu schützenden Sende-/Empfangsvorrichtung nicht beeinflusst werden. Für andere Anwendungen (z. B. bei Großradaranlagen) oder aus Sicherheitsgründen (z. B. bei Passagierflugzeuge) kann bzw. wird man in der Regel nicht ganz auf zusätzliche Ableiterelemente verzichten, um einen sicheren Blitzschutz zu gewährleisten; jedoch bewirkt die erfindungsgemäße Beschichtung, dass durch die Erhöhung der dielektrischen Festigkeit der Schutzhülle die Vorraussetzungen geschaffen sind, die Belegungsdichte der Schutzhülle mit Ableiterelementen zu verringern, wodurch die störende Beeinflussung der Sende- und Empfangseigenschaften der betreffenden Sende-/Empfangsvorrichtung deutlich verringert ist. Mit anderen Worten, die Anzahl der Ableiterelemente ist im Vergleich zu einer Schutzhülle ohne Beschichtung verringert, wodurch die Sende- und Empfangseigenschaften der Sende-/Empfangsvorrichtung einer geringeren Störung als bei herkömmlichen Anordnungen ausgesetzt sind.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die dielektrische Festigkeit der Beschichtung mindestens 350 kV/mm. Besonders vorteilhaft sind Beschichtungen mit einer dielektrischen Festigkeit von mindestens 400 kV/mm. Besonders bevorzugt werden Beschichtungen mit einer dielektrischen Festigkeit von mindestens 1000 kV/mm verwendet.
Konventionelle Radomstrukturen haben, abhängig von der jeweiligen Bauweise, eine dielektrische Festigkeit, die zwischen 10 bis 40 kV/mm liegt. Mit der erfindungsgemäßen Beschichtung lässt sich die dielektrische Festigkeit je nach Schichtdicke um mehr als 100 kV/mm steigern, so dass sich resultierende dielektrische Festigkeiten von deutlich oberhalb 100 kV/mm ergeben. Anders ausgedrückt beträgt die dielektrische Festigkeit der erfindungsgemäß beschichteten Schutzhülle mindestens 100 kV/mm.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht die auf die Schutzhülle aufgebrachte Beschichtung aus Diamant oder diamantähnlichen Kohlenstoffverbindungen, wobei für letztere die vorwiegende sp3-Hybridisierung der Kohlenstoff-Atomorbitale wesentlich ist. Schichten aus derartigen Materialien haben einen Realteil der Dielektrizitätskonstante, der nicht zu groß ist, und gleichzeitig einen hinreichend kleinen elektrischen Verlustfaktor, wodurch sie für die gewünschte Anwendung entsprechend geeignet sind. Die dielektrische Festigkeit für Diamant liegt bei ca. 1000 kV/mm und ist somit um einen Faktor 25 bis 100 größer als die herkömmlicher Radomwände (10 bis 40 kV/mm). Folglich können selbst dünne Diamantbeschichtungen die Durchschlagfestigkeit der Schutzhülle signifikant vergrößern.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel besteht die Beschichtung aus kubischem Bornitrid (BN cub). Bornitrid hat eine diamantähnliche Struktur und seine dielektrischen Eigenschaften sind vergleichbar mit denen von diamantähnlichem Kohlenstoff. Auch Bornitrid weist eine hohe dielektrische Festigkeit auf (ca. 400 kV/mm). Der Realteil der Dielektrizitätskonstante bewegt sich in einem für diese Anwendung angemessenen Rahmen und der Verlustfaktor ist hinreichend klein, um als Beschichtungsmaterial für die Schutzhülle eingesetzt werden zu können, ohne die Transmissionsverluste zu erhöhen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel besteht die Beschichtung aus Siliziumoxid (SiO₂), das eine dielektrische Festigkeit von ca. 1000 kV/mm hat.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird als Material für die Beschichtung Siliziumnitrid (Si₃N₄) verwendet, dessen dielektrische Festigkeit ungefähr 1000 kV/mm beträgt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel bestehen die gegebenenfalls zusätzlich auf der beschichteten Schutzhülle angeordneten Ableiterelemente aus streifenförmigen metallischen Elementen, die im Stand der Technik als „solid diverters” bezeichnet werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Ableiterelemente in Form von segmentierten Streifen mit knopfförmigen metallischen Elementen ausgebildet, die auch als „segmented strips” oder „button strips” bekannt sind (siehe 2).
Die erfindungsgemäße Anordnung zum Blitzschutz findet insbesondere bei Luftfahrzeugen, wie beispielsweise Flugzeugen und Hubschraubern, Anwendung.
Bei einem Flugzeug, das die erfindungsgemäße Anordnung aufweist, ist die Schutzhülle typischerweise ein Radom, das an der Bugnase des Flugzeuges angeordnet ist. Die zu schützende Sende-/Empfangsvorrichtung ist in der Regel eine Radaranlage oder ein anderes elektromagnetisch empfindliches System. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Anordnung auch an anderen Stellen angebracht werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung zum Blitzschutz, insbesondere für Radome und Sende-/Empfangsvorrichtungen, angegeben, wobei eine für elektromagnetische Strahlung transparente Schutzhülle bereitgestellt wird, die eine Sende-/Empfangsvorrichtung umgeben soll, und auf die Schutzhülle eine Beschichtung aufgetragen wird, wodurch die dielektrische Festigkeit der Schutzhülle erhöht wird.
Je nach Anwendungsfall werden auf der beschichteten Schutzhülle zusätzlich Ableiterelemente angeordnet, die zum Ableiten von Blitzströmen jeweils einseitig mit einer metallischen Struktur verbunden werden.
Bevorzugt wird eine Beschichtung aus Diamant, diamantähnlichen Kohlenstoffverbindungen, kubischem Bornitrit, Siliziumoxid oder Siliziumnitrid mit einer an sich bekannten Gasphasenbescheidung aufgetragen, insbesondere mittels „Chemical Vapour Deposition” CVD-Verfahren oder einem Plasma unterstützen CVD-Verfahren. Diese Verfahren eignen sich sowohl zur Herstellung von Element- als auch Verbindungsbeschichtungen.
Es sei angemerkt, dass sich die beschriebenen Ausführungsbeispiele sowie die Anmerkungen und Erläuterungen gleichermaßen auf die Anordnung, das Verfahren und ein Flugzeug beziehen. Einzelnen Merkmale können selbstverständlich auch untereinander kombiniert werden.
BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Beispielhafte Ausführungsformen werden im Folgenden mit Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben, die jedoch nicht als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
1 zeigt in schematischer Darstellung eine Vorderansicht eines Flugzeuges, das am Flugzeugbug ein Radom aufweist;
2a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Ableiterelement, das in Form eines segmentierten Streifen mit knopfförmigen metallischen Elementen ausgebildet ist, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist; und
2b zeigt eine Querschnittsansicht des in 2a dargestellten Ableiterelements; und
3 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung der physikalischen Vorgänge beim Blitzeinschlag in Radome bzw. Antennen.
In der folgenden Figurenbeschreibung werden für die gleichen oder ähnlichen Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
1 zeigt in schematischer Darstellung die Vorderansicht eines Flugzeuges 30. Am Bug des Flugzeuges 30 befindet sich üblicherweise ein Radom, das dahinter liegende Antennen, Radarsysteme oder andere elektromagnetisch empfindliche Systeme schützt. Da das Radom normalerweise von außen nicht zu sehen ist, ist es in 1 lediglich schematisch durch eine kreisförmige Line 14 angedeutet.
Zum Blitzschutz des Radoms und der dahinter liegenden, in 1 nicht zu sehenden Sende-/Empfangsvorrichtungen, werden, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, auf der Oberfläche der Radomwand 14 Ableiterelemente angeordnet. Diese Ableiterelemente sind in 1 lediglich schematisch dargestellt und mit Bezugszeichen 18 bezeichnet. Die elektrisch leitenden Ableiterelemente 18 sind streifenförmig, voneinander beabstandet angeordnet und erstrecken sich in Richtung der Radomspitze 32. Das in Richtung Radomspitze 32 weisende Ende eines jeweiligen Ableiterelements 18 ist frei, wohingegen das andere Ende mit dem metallischen Flugzeugrumpf kurzgeschlossen ist. Wenn das Radom von einem Blitz getroffen wird, wird der resultierende Strom über die Ableiterelemente 18 an den Flugzeugrumpf weitergeleitet, wo hohe Stromdichten sicher abgeführt werden können.
Die streifenförmigen metallischen Ableiterelemente 18 („solid diverters”) haben im Wesentlichen einen rechteckigen Querschnitt mit einer typischen Querschnittsfläche von 0,5 cm².
Alternativ können als Ableiterelemente 18 segmentierte Streifen mit knopfförmigen metallischen Elementen („segmented strips” bzw. „button strips”) verwendet werden, wie sie in 2a und 2b schematisch dargestellt sind. 2a zeigt eine Draufsicht und 2b zeigt eine Querschnittsansicht. Bekanntlich bestehen sie aus einem dielektrischen Träger 40, gegebenenfalls einem Widerstandsstreifen 42, und in geringem Abstand zueinander auf dem Träger 40 angeordneten knopfförmigen, elektrisch leitenden Elementen 44, den so genannten „Buttons”. Der dielektrische Träger 40 kann dabei eine elektrisch geringfügig leitfähige Substruktur 42 aufweisen, die eine elektrostatische Aufladung der isolierten metallischen Buttons 44 verhindert.
Die geometrische Konfiguration der Ableiterelemente 18, insbesondere die Wahl der Länge und des Abstandes untereinander, sowie die genaue Positionierung hängt von der Geometrie der Schutzhülle und der Sende-/Empfangsvorrichtung sowie von der dielektrischen Festigkeit der Schutzhülle ab und wird nach mechanischen und radaroptischen Gesichtspunkten ausgelegt.
Grundsätzlich ist die Beeinflussung der Antennendiagramme durch die segmentierten Streifen („segmented strips” bzw. „button strips”) geringer als durch die massiven Ableiter („solid diverters”). Sie weisen jedoch den signifikanten Nachteil auf, ihre schützende Wirkung gegenüber Blitzen unter ungünstigen Witterungsbedingungen (Wasserbelag und Eisbildung auf der Radomoberfläche bzw. den Streifen) mehr oder weniger zu verlieren. Deswegen werden sie bei sicherheitskritischen Anwendungen in der Regel nicht eingesetzt. Außerdem bedürfen sie eines größeren Wartungsaufwandes, da sie keiner mehrfachen Blitzbelastung standhalten.
3 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung der physikalischen Vorgänge beim Blitzeinschlag in Radome bzw. Antennen. In 3 ist mit Bezugsziffer 10 verallgemeinert eine Anordnung zum Blitzschutzschutz bezeichnet, die an einem beliebigen Objekt, beispielsweise einem Flugzeug oder einer am Boden installierten Radaranlage angeordnet sein kann. Zum Schutz einer Sende-/Empfangsvorrichtung 12, die hier beispielhaft als Antenne dargestellt ist, ist diese auf bekannte Weise kuppelartig von einer dielektrischen Schutzhülle bzw. Radomwand 14 umgeben. Auf der Oberfläche der Radomwand 14 können, wie voranstehend beschrieben, Ableiterelemente 18 angeordnet sein. Aus Gründen der zeichnerischen Darstellung ist in 3 lediglich ein Ableiterelement 18 dargestellt, dessen eine Ende frei ist, wohingegen das andere Ende mit einer metallischen Struktur 20, z. B. einem Flansch des Flugzeugrumpfes oder bei einer bodengebundenen Antenne mit dem Grund, kurzgeschlossen ist.
In vereinfachter Form kann man sich die Vorgänge beim Blitzeinschlag in die Antenne 12 bzw. die Ableiterelemente 18 wie folgt darstellen:
Ein Leitblitz 22 nähert sich dem Objekt, beispielsweise einem Flugzeug. Das elektrische Feld, das dieser Leitblitz 22 in der Nähe der Radomwand 14 hervorruft, kann auf dem Ableiterelement 18 und/oder der Antenne 12 so genannte Streamer 24 hervorrufen. Einer dieser Streamer 24 kann sich zu einer Fangentladung (Leader) entwickeln, sich mit dem Leitblitz 22 verbinden und einen Blitzeinschlag auf Antenne 12 bzw. Ableiterelemente 18 bewirken.
Der bevorzugte Pfad für den Blitzdurchschlag ist jener mit der niedrigsten Durchschlagspannung. Für den Pfad zum Ableiterelement 18 ergibt sich die Durchschlagspannung V_a aus der für den Durchbruch in Luft zwischen der Spitze des Leitblitzes 22 und dem freien Ende des Ableiterelements 18, sofern es sich um einen metallische Streifen („solid diverter”) handelt. Bei einem segmentierten Streifen („segmeted strip” bzw. „button strip”) kommt noch ein zusätzlicher Anteil hinzu, auf den hier jedoch nicht näher eingegangen wird.
Für den Pfad auf die Antenne 12 ergibt sich die Durchschlagspannung aus drei Anteilen: der Durchschlagspannung V_b1 zwischen der Spitze des Leitblitzes 22 und der äußerer Radomwand 14, der Durchbruchspannung V_b2 durch die Radomwand 14 und der Durchschlagspannung V_b3 von der inneren Radomwand 14 zur Antenne 12.
Erfindungsgemäß ist die Radomwand 14 mit einer Beschichtung 16 versehen, die in 3 vereinfacht durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. Die Beschichtung 16 weist eine hohe dielektrische Festigkeit (≥ 350 kV/mm) bei geringen elektrischen Verlusten auf. Durch eine derartige Beschichtung 16 wird die Durchschlagspannung V_b2 durch die beschichtete Radomwand 14 substantiell erhöht, was dazu führt, dass in manchen Anwendungsfällen (z. B. bei kleinen Radaranlagen) ganz auf zusätzliche Ableiterelemente verzichtet werden kann und somit die Transmissionseigenschaften der Antenne 12 durch diese nicht beeinträchtigt werden.
Für den Fall, dass auf zusätzliche Ableiterelemente nicht verzichten werden kann, wie beispielsweise bei Großanlagen oder aus Sicherheitsgründen, bewirkt die erfindungsgemäße Beschichtung 16, dass die Anzahl bzw. Größe der Ableiterelemente 18 im Vergleich zu einer herkömmlichen, unbeschichteten Radomwand deutlich reduziert ist. Das hat wiederum zur Folge, dass die Sende- und Empfangseigenschaften der geschützten Vorrichtung 12 weniger beeinträchtigt werden, d. h. die Strahlungscharakteristik der Antenne 12 wird weniger gestört.
Als erfindungsgemäße Beschichtung 16 eignen sich Diamant oder diamantähnliche Kohlenstoffverbindungen, d. h. Schichten mit einer im Wesentlichen sp3-Hybridisierung der Kohlenstoff-Atomorbitale. Eine mit diamantähnlichem Kohlenstoff hinsichtlich der hier erforderlichen Eigenschaften vergleichbaren Substanzen ist kubisches Bornitrid. Daneben eignen sich auch Siliziumoxid und Siliziumnitrid. Die dielektrischen Festigkeiten der genannten Materialien haben folgende Werte:

MATERIAL DIELEKTRISCHE FESTIGKEIT [kV/mm]

Diamant ~1000

Kubisches Bornitrid ~400

Siliziumdioxid ~1000

Siliziumnitrid ~1000
Da typische Durchschlagsfestigkeiten von herkömmlichen Radomaufbauten sich im Bereich von 10 bis 40 kV/mm bewegen, vergrößert sich die Durchschlagsfestigkeit einer bereits mit einer dünnen Beschichtung 16 versehenen Radomwand 14 signifikant.
Gleichzeitig eignet sich die genannte Schicht wegen ihrer mechanischen Härte, der Rissfestigkeit und der hohen thermischen Leitfähigkeit zum Schutz der Radomwand 14 gegenüber Umwelteinflüssen (z. B. Regenerosion, Beschädigung durch elektrostatische Entladung, thermischer Schock).
Im Hinblick auf die Beschichtungstechnik für die hier relevanten Substanzen ist dahingehend zu differenzieren, dass im Falle diamantähnlicher Kohlenstoffe eine Elementbeschichtung, im Falle des kubischen Bornitrid eine Verbindungsbeschichtung vorliegt. Elementbeschichtungen sind verfahrenstechnisch grundsätzlich einfacher zu realisieren als Verbindungsbeschichtungen.
Diamantähnliche Kohlenstoffschichten lassen sich über Gasphasenabscheidung, wie beispielsweise Chemical Vapor Deposition (CVD) oder Plasma unterstütztes CVD realisieren. Entsprechende Verfahren sind bekannt. Als Precursor kann im einfachsten Fall Methan eingesetzt werden. Andere Precursoren (in der Regel Kohlenwasserstoffe) sind ebenfalls möglich (Acetylen, Propan/Propen-Mischungen).
Kubisches Bornitrid ist beschichtungstechnisch ebenfalls darstellbar über CVD/Plasma unterstütztes CVD unter Verwendung der Precursoren Borwasserstoff (B₂H₆) und Stickstoff oder Stickstoff tragender reaktiver Verbindungen (z. B. Ammoniak direkt oder entsprechende Stickstoff/Wasserstoffmischungen in Plasma unterstützten Prozessen). Für Beschichtungen aus Siliziumdioxid und Siliziumnitrid gilt Entsprechendes.
Die obige Beschreibung der 3 bezieht sich auf den so genannten ungetriggerten Blitzeinschlag in ein Flugzeug. Das elektrische Feld, das die Streamer auf den Ableiterstreifen oder der Antenne hervorruft, wird von den elektrischen Ladungen im Leitblitz erzeugt, der sich dem Flugzeug nähert.
Weitaus häufiger tritt der Fall der so genannten getriggerten Blitzeinschläge in Flugzeuge auf, bei dem das Flugzeug selbst den Einschlag auslöst. Die physikalischen Vorgänge unterscheiden sich nur insoweit, als in diesem Fall das elektrische Feld, das die Streamer hervorruft, nicht von den Ladungen im Leitblitz, sondern von den Ladungen in der Gewitterwolke erzeugt wird. Die Zeitskalen, auf denen sich die elektrischen Felder verändern, die Blitzableiter und Antenne sehen, ändern sich zwar ebenfalls, jedoch ergeben sich daraus keine Konsequenzen in Bezug auf die geführte Diskussion der auftretenden physikalischen Vorgänge und der Wirkung der erfindungsgemäßen Beschichtung.
Abschließend wird angemerkt, dass Ausdrücke wie „aufweisend” oder „ähnliche” nicht ausschließen sollen, dass weitere Elemente oder Schritte vorgesehen sein können. Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließen. Außerdem können in Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Merkmale beliebig miteinander kombiniert werden.

10: Anordnung zum Blitzschutz
12: Sende-/Empfangsvorrichtung (Antenne)
14: Schutzhülle (Radomwand)
16: Beschichtung
18: Ableiterelement
20: metallische Struktur (Masse, Flansch)
22: Leitblitz
24: Streamer
30: Flugzeug
32: Radomspitze
40: dielektrisches Substrat
42: resistives Material
44: knopfförmige metallische Elemente (Buttons)
V_a: Durchschlagspannung zwischen Leitblitz und Ableiterelement
^Vb1: Durchschlagspannung zwischen Leitblitz und äußerer Radomwand
V_b2: Durchschlagspannung durch die Radomwand
V_b3: Durchschlagspannung zwischen innerer Radomwand und Antenne

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1263648 A [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- F. A. Fisher et. al. „Lightning Protection of Aircraft”, Pittsfield 1990, Seite 136 bis 143 [0005]
- Rakov und Uman in „Lightning – Physics and Effects”, Cambridge University Press, Cambridge 2003 [0014]

Claims

Anordnung zum Blitzschutz, insbesondere von Radomen und Sende-/Empfangsvorrichtungen, umfassend: eine eine Sende-/Empfangsvorrichtung (12) umgebende, für elektromagnetische Strahlung durchlässige Schutzhülle (14), insbesondere Radomwand, wobei die Schutzhülle (14) mit einer Beschichtung (16) versehen ist, welche die dielektrische Festigkeit der Schutzhülle (14) erhöht.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei auf der Schutzhülle (14) Ableiterelemente (18) angeordnet sind, die zum Ableiten von Blitzströmen jeweils einseitig mit einer metallischen Struktur (20) verbunden sind.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die dielektrische Festigkeit der Beschichtung (16) mindestens 350 kV/mm beträgt.
Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Beschichtung (16) aus Diamant oder diamantähnlichen Kohlenstoffverbindungen besteht.
Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Beschichtung (16) aus kubischem Bornitrid besteht.
Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Beschichtung (16) aus Siliziumdioxid besteht.
Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Beschichtung (16) aus Siliziumnitrid besteht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Ableiterelemente (18) in Form von streifenförmigen metallischen Elementen ausgebildet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Ableiterelemente (18) als segmentierte Streifen mit knopfförmigen metallischen Elementen ausgebildet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die Anzahl der Ableiterelemente (18) im Vergleich zu einer Schutzhülle (14) ohne Beschichtung (16) verringert ist, wodurch die Sende- und Empfangseigenschaften der Sende-/Empfangsvorrichtung (12) einer geringeren Störung ausgesetzt sind.
Flugzeug mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Flugzeug nach Anspruch 11, wobei die Schutzhülle (14) ein Radom ist, das am Bug des Flugzeuges (30) angeordnet ist.
Flugzeug nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Sende-/Empfangsvorrichtung (12) eine Radaranlage ist.
Verwendung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in einem Luftfahrzeug.
Verfahren zur Herstellung einer Anordnung zum Blitzschutz, insbesondere von Radomen und Sende-/Empfangsvorrichtungen (12), umfassend die Schritte: Bereitstellen einer eine Sende-/Empfangsvorrichtung (12) umgebenden, für elektromagnetische Strahlung durchlässige Schutzhülle (14), insbesondere Radomwand, und Aufbringen einer Beschichtung (16) auf der Schutzhülle (14), wobei durch die Beschichtung (16) die dielektrische Festigkeit der Schutzhülle (14) erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei auf der beschichteten Schutzhülle (14) Ableiterelemente (18) angeordnet werden, die zum Ableiten von Blitzströmen jeweils einseitig mit einer metallischen Struktur (20) verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei als Beschichtung (16) ein Material verwendet wird, welches eine dielektrische Festigkeit von mindestens 350 kV/mm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 15, 16 oder 17, wobei die Beschichtung (16) mittels CVD-Verfahren oder Plasma unterstütztem CVD-Verfahren auf die Schutzhülle (14) aufgetragen wird.