DE102009040661A1

DE102009040661A1 - Laserschutzmodul

Info

Publication number: DE102009040661A1
Application number: DE102009040661A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Gowin; Eric Ten Have
Original assignee: Rheinmetall Waffe Munition GmbH
Current assignee: Rheinmetall Waffe Munition GmbH
Priority date: 2009-09-09
Filing date: 2009-09-09
Publication date: 2011-03-10
Also published as: EP2475494A1; EP2475494B1; WO2011029514A1; EP2475494B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laserschutzmodul (3) zum Schutz eines Objektes (1) vor der Bestrahlung mit Laserlicht (15), insbesondere mit Laserlicht (15) eines Hochenergielasers. Um zu erreichen, dass das Laserschutzmodul (3) unabhängig von der verwendeten Wellenlänge des jeweiligen Lasers bis zu sehr hohen Laserleistungen einsetzbar ist, schlägt die Erfindung vor, dass das Laserschutzmodul (3) aus einem mit dem zu schützenden Objekt (1) verbindbaren Hohlkörper (5) besteht, dessen Hohlraum mit einem bei der Bestrahlung mit Laserlicht dampf- oder rauchbildenden Material (11) gefüllt ist. Bei ausreichend hoher Energie des Laserlichts (15) bewirkt dieses dann ein Verdampfen des im Hohlraum befindlichen Materials (11), wobei der Dampf (Nebel) das Laserlicht (15) streut, sodass das zu schützende Objekt (1) durch das Laserlicht (15) nicht beschädigt wird bzw. eine Beschädigung des Objektes (1) verzögert wird, um geeignete Gegenmaßnahmen zu ergreifen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laserschutzmodul zum Schutz eines Objektes vor der Bestrahlung mit Laserlicht, insbesondere vor der Bestrahlung von Laserlicht eines Hochenergielasers.
Vor allem für die Flugabwehr im Nahbereich werden seit einer Reihe von Jahren Laserwaffen-Systeme entwickelt, bei denen das Laserlicht eines Hochenergielasers während eines vorgegebenen Zeitraumes auf ein anfliegendes Flugziel gerichtet wird, um entweder dessen Strukturteile oder das Material seiner Sensoren oder anderer Suchkopfteile zu zerstören.
Der Schutz gegen Laserstrahlen gestaltet sich in der Praxis recht schwierig, weil die Strahlen in der Regel von dem Ziel weggelenkt werden müssen und die Verwendung einer spiegelnden Oberfläche des zu schützenden Zieles häufig nicht möglich ist.
Aus der DE 10 2006 036 500 B3 ist es bereits bekannt, zum Schutz vor Laserstrahlen bei einer Laserbearbeitungsanlage eine Schutzkabine zu verwenden, welche aus mehreren Wandelementen besteht. Jedes dieser Wandelemente umfasst einen Hohlkörper, der mit einem lichtstreuenden Material, beispielsweise Quarzsand oder einem Granulat aus einer porösen Keramik, gefüllt ist, sodass in den Hohlkörper gelangendes Laserlicht gestreut wird und Personen außerhalb der Schutzkabine nicht gefährdet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laserschutzmodul zu offenbaren, welches an der Außenfläche eines zu schützenden Objektes anordbar und, unabhängig von der verwendeten Wellenlänge des Lasers, bis zu sehr hohen Laserleistungen einsetzbar ist.
Diese Laserschutzmodule können auch zu Laserschutzzwecken bei der Lasermaterialverarbeitung in industriellen Anwendungen oder wissenschaftlichen Laborumgebungen etc. verwendet werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.
Die Erfindung beruht im Wesentlichen auf dem Gedanken, dass das Laserschutzmodul aus einem mit dem zu schützenden Objekt verbindbaren Hohlkörper besteht, dessen Hohlraum mit einem bei der Bestrahlung mit Laserlicht dampf- oder rauchbildenden Material gefüllt ist. Bei ausreichend hoher Energie des Laserlichtes bewirkt dieses dann ein Verdampfen des im Hohlraum befindlichen Materials, wobei der Dampf (Nebel) das Laserlicht streut, sodass das zu schützende Objekt durch das Laserlicht nicht beschädigt wird. Alternativ sollte jedoch zumindest eine Beschädigung des Objektes verzögert werden, um geeignete Gegenmaßnahmen ergreifen zu können.
Der Schutz mittels eines derartigen Laserschutzmoduls ist weitgehend unabhängig von der verwendeten Wellenlänge des Laserlichtes und funktioniert bis zu sehr hohen Laserleistungen. Die Laserschutzmodule sind kostengünstig in der Herstellung und wieder verwendbar. Die zu schützenden Objekte, wie gepanzerte Fahrzeuge oder Flugkörper, Gebäude etc., können einfach mit den erfindungsgemäßen Laserschutzmodulen nachgerüstet werden.
Bei dem in dem Hohlraum des Hohlkörpers befindlichen Material kann es sich beispielsweise um Wasser handeln. Es können aber auch andere Flüssigkeiten oder Gele sowie feste Materialien verwendet werden. Zu beachten wäre, dass diese beim Verdampfen etc. keine schädlichen oder giftige Gase, Feinstaub oder Aerosole etc. erzeugen.
Vorzugsweise ist das Laserschutzmodul derart aufgebaut, dass es mit weiteren, entsprechend aufgebauten Laserschutzmodulen verbindbar ist, sodass der gesamte Oberflächenbereich des zu schützenden Objektes mit einer entsprechenden Schutzeinrichtung versehen werden kann. Sie können dazu Befestigungsmöglichkeiten besitzen (Steckverbindungen wie mittels Nasen, Nute; Schraubverbindungen etc.), durch die die Module miteinander schnell verbindbar aber auch voneinander schnell trennbar sind.
Das Laserschutzmodul kann durch mehrere Zwischenwände unterteilt sein, sodass abgeschlossene Teilräume gebildet werden und bei einer Beschädigung des Lasermoduls nicht der Schutz des gesamten Moduls verloren geht.
Der Hohlkörper des Laserschutzmoduls kann außerdem mit mindestens einem Ventil zum Druckausgleich versehen sein, sodass das Modul bei einer Laserbestrahlung nicht durch den entstehenden Dampf-/Gasdruck beschädigt wird. Zusätzlich kann ein Sensor, z. B. Drucksensor, Füllstandsensor etc, eingebunden werden, über den eine Warnmeldung ausgelöst werden kann.
Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Laserschutzmodul derart aufgebaut, dass sich die durch die Laserstrahlung entstandene Öffnung in der Vorderwand des Laserschutzmoduls (die auch eine gegebenenfalls das dampf- oder rauchbildende Material umgebenden Hülle umfasst) selbsttätig wieder verschließt, sobald keine Beaufschlagung des Laserschutzmoduls durch Laserstrahlung mehr besteht. Selbstverschließende Treibstofftanks werden bereits im militärischen als auch im Motorsportbereich verwendet. Der selbstschließende Mechanismus beruht hierbei auf der Verwendung von Gummifolien, deren Material bei der Berührung mit Flüssigkeit aufschwillt, sodass kleine Löcher von selbst verschlossen werden (siehe http://en.wikipedia.org/wiki/Self-sealing_fuel_tank oder http://www.army-technology.com/contractors/protection/tss/). Die Zusammensetzung der Gummimischung ist dabei auf die verwendetet Flüssigkeit abzustimmen. Von zusätzlichem Vorteil bei den Laserschutzmodulen ist, dass der angreifende Laser die Gummimaterialien erhitzt, sodass die flüssigkeitsinduzierte Schwellung durch eine thermische Schmelzung des Materials unterstützt wird.
Um einen zusätzlichen Schutz vor einer Zerstörung der Rückwand des Laserschutzmoduls zu gewährleisten, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Innenseite der dem zu schützenden Objekt zugewandten Wand des Hohlkörpers eine stark streuende oder reflektierende Oberfläche besitzt.
Als Außenhülle wird ein leichtes Material bevorzugt, wie beispielsweise Aluminium. Dieses Material lässt sich einfach bearbeiten, besitzt eine hohe Reflexion im Wellenlängenbereich des nahen Infrarot und belastet das zu schützende Objekt nicht mit einem zu hohen zusätzlichen Gewicht.
Da in der Regel nicht nur Schutzmaßnahmen gegen Laserstrahlungen für ein zu schützendes Objekt vorgesehen sind, hat es sich als bevorzugt gezeigt, wenn die Module auch an bereits vorhandene Minenschutz und/oder Schutzmaßnahmen vor dem Beschuss anbringbar sind.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden, anhand einer Figur erläuterten Ausführungsbeispiel.
In der Figur ist mit 1 ein gegen die Bestrahlung von Laserlicht zu schützendes Objekt (beispielsweise ein Teilbereich der Außenwand eines gepanzerten Fahrzeuges) angedeutet. Mit der äußeren Oberfläche 2 des zu schützenden Objektes 1 ist ein erfindungsgemäßes Laserschutzmodul 3 beispielsweise mittels eines Klebers 4 verbunden.
Das Laserschutzmodul 3 besteht aus einem Hohlkörper 5 mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt. Der Hohlkörper 5 ist durch zwei Zwischenwände 6, 7 unterteilt, sodass sich drei abgeschlossene Teilräume 8–10 ergeben.
In jedem der drei Teilräume 8–10 befindet sich eine dampfbildende Flüssigkeit 11 (hier Wasser), die jeweils von einer inneren Hülle 12 umgeben ist, welche die Eigenschaft besitzt, dass sie nach seiner lokalen Zerstörung durch das Laserlicht sich selbsttätig im Anschluss an die Bestrahlung wieder schließt.
Die Innenseite der dem zu schützenden Objekt 1 zugewandten Rückwand 13 des Hohlkörpers 5 ist außerdem mit einer stark streuenden Oberfläche 14 versehen.
Trifft nun ein fokussierter Laserstrahl 15 auf die dem zu schützenden Objekt 1 abgewandte Vorderwand 16 des Laserschutzmoduls 3, so wird zunächst ein Teil der Energie des Laserstrahles 15 von der Vorderwand 16 absorbiert und deren Temperatur erhöht sich. Dabei wird durch die im Hohlkörper 5 enthaltene Flüssigkeit 11 die Vorderwand 16 gekühlt, was zu einer Verlängerung der Zeit führt, während der sich der Laserstrahl 15 durch die Vorderwand 16 hindurch brennt.
Nach Durchdringen der Vorderwand 16 (einschließlich der inneren Hülle 12) erhitzt der Laserstrahl 15 die in dem Hohlkörper 5 befindliche Flüssigkeit 11, die mindestens teilweise verdampft. Dabei kann Flüssigkeit 11 aus dem Teilraum 9 durch die von dem Laserstrahl 15 zerstörten Wandbereiche der Vorderwand 16 und der inneren Hülle 12 nach außen austreten, solange die innere Hülle 12 sich nicht wieder selbsttätig geschlossen hat.
Der sich innerhalb des Hohlraumes ausbreitende Dampf streut das Laserlicht sehr stark, sodass der Laserstrahl 15 nicht mehr fokussiert auf die Rückwand 13 des Hohlkörpers 5 fällt und die Leistungsdichte des Laserstrahles 15 so gering ist, dass der Laserstrahl 15 keinen Schaden mehr anrichten kann. Dabei wird die Streuung des Laserlichtes durch die stark streuende Oberfläche 14 der Rückwand 13 des Hohlkörpers 5 unterstützt.
Um zu vermeiden, dass das Laserschutzmodul 3 bei der Laserbestrahlung der Flüssigkeit 11 durch den entstehenden Dampfdruck beschädigt werden kann, sind in den die Teilräume 8–10 außenseitig begrenzenden Seitenwänden Druckventile 17 angeordnet (dieses ist aus Übersichtlichkeitsgründen nur für den Teilraum 10 angedeutet).
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann beispielsweise statt einer Flüssigkeit als dampfbildendes Material ein Gel verwendet werden, welches den Vorteil besitzt, dass es nach der Zerstörung der Wand des Hohlkörpers nur in sehr geringer Menge nach außen entweicht. Auch die Verwendung von verdampfbaren festen Stoffen ist denkbar.
Ferner kann das Laserschutzmodul sich seitlich über einen relativ großen Wandbereich erstrecken, ohne dass Teilräume vorhanden sein müssen, sofern stegartige Abstandsteile zwischen der Vorder- und Rückwand einen im Wesentlichen parallelen Verlauf der Vorder- und Rückwand des Laserschutzmoduls sicherstellen.
Zudem kann für eine Warnmeldung im zu schützenden Objekt ein Warngeber 20 installiert werden. Dieser steht in funktionaler Verbindung (elektrische Leitung, Funk etc.) mit einem in der Flüssigkeit oder Gelt etc. ein- bzw. angebundenen Sensor 21. Der Sensor 21 kann dabei ein Drucksensor, Füllstandssensor oder dergleichen sein.
Bezugszeichenliste

1: Objekt
2: äußere Oberfläche
3: Laserschutzmodul
4: Kleber
5: Hohlkörper
6, 7: Zwischenwände
8–10: Teilräume
11: Flüssigkeit, Material
12: innere Hülle
13: Rückwand
14: Oberfläche
15: Laserstrahl, Laserlicht
16: Vorderwand
17: Druckventil
20: Sensor
21: Warngeber

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102006036500 B3 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://en.wikipedia.org/wiki/Self-sealing_fuel_tank [0014]
http://www.army-technology.com/contractors/protection/tss/ [0014]

Claims

Laserschutzmodul zum Schutz eines Objektes (1) vor der Bestrahlung mit Laserlicht (15), insbesondere mit Laserlicht (15) eines Hochenergielasers, mit den Merkmalen: a) das Laserschutzmodul (3) besteht aus einem, mit dem zu schützenden Objekt (1) verbindbaren Hohlkörper (5); b) der Hohlraum des Hohlkörpers (5) ist mit einem bei der Bestrahlung mit Laserlicht (15) dampf- oder rauchbildenden Material (11) gefüllt.
Laserschutzmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem in dem Hohlraum des Hohlkörpers (5) befindlichen Material (11) um ein flüssiges, gelförmiges oder festes Material handelt.
Laserschutzmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem in dem Hohlraum des Hohlkörpers (5) befindlichen Material (11) um Wasser handelt.
Laserschutzmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, das das Laserschutzmodul (3) mit weiteren, entsprechend aufgebauten Laserschutzmodulen verbindbar ist.
Laserschutzmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserschutzmodul (3) durch mehrere seitliche Zwischenwände (6, 7) unterteilt ist, die seitlich benachbarte abgeschlossene Teilräume (8–10) bilden.
Laserschutzmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den Wänden des Hohlkörpers (5) zwecks Druckausgleiches des bei der Verdampfung des Materials (11) entstehenden Gasdruckes Druckventile (17) angeordnet sind.
Laserschutzmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die bei der bestimmungsgemäßen Verwendung des Laserschutzmoduls (3) den Laserstrahlen (15) zugewandten Vorderwand (16) des Hohlkörpers (5) oder eine sich an die Vorderwand innenseitig anschließende innere Hülle (12) aus einem Material besteht, das sich nach seiner lokalen Zerstörung durch das Laserlicht (15) selbsttätig im Anschluss an die Bestrahlung wieder schließt.
Laserschutzmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite der dem zu schützenden Objekt (1) zugewandten Rückwand (13) des Hohlkörpers (5) eine stark streuende oder reflektierende Oberfläche (14) besitzt.
Laserschutzmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (5) einen im Wesentlichen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweist.
Laserschutzmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im zu schützenden Objekt ein Warngeber (21) eingebunden ist.
Laserschutzmodul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Warngeber (21) mit einem Sensor (20) funktional verbunden ist, der seinerseits mit dem Material (11) im Hohlkörper (5) eine Messeinheit bildet.
Laserschutzmodul nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensor (20) um eine Drucksensor, einen Füllstandsensor etc. handeln kann.