-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Beschreibung betrifft ein Beschichtungsmaterial für eine Oberfläche eines Fluggeräts und ein Fluggerät mit mindestens einer Oberfläche und einer darauf angeordneten Beschichtung.
-
Technischer Hintergrund
-
Low Observable (LO)-Komponenten an Militärflugzeugen und Remote Carriern sind bei Sturmwetterbedingungen dem Risiko von Blitzeinschlägen ausgesetzt, z. B. an den Vorderkanten von Tragflächen, an Triebwerkseinlässen sowie an Leitwerken. Eine besondere Herausforderung bei der Gestaltung derartiger Systeme besteht darin, radarabsorbierende Materialien und Strukturen typischerweise mit mehr oder weniger wenig leitfähigen Oberflächenschichten auf der Oberseite auszustatten, wobei stärker leitfähige Schichten unterhalb der Oberfläche angeordnet sind. Im Falle eines Blitzeinschlags kann dies dazu führen, dass der Blitz die wenig-leitenden Oberflächenschichten durchdringt und der Blitzstrom über die leitfähigen Schichten unter der Oberfläche abgeleitet wird. Die hohen Blitzströme, die dann durch die Struktur fließen, führen zu einer starken Hitzeentwicklung innerhalb der Struktur, was zu großflächigen thermischen und mechanischen Schäden an den LO-Komponenten sowie an der tragenden Flugzeugstruktur führt.
-
Ein herkömmliches Verfahren zum Schutz einer Struktur vor Schäden durch Blitzeinschlag besteht darin, die Leitfähigkeit der Oberfläche zu erhöhen, um den Blitzstrom direkt an der Oberfläche abzuleiten, z. B. durch das Aufbringen von expandierten Metallfolien auf der Oberfläche der Flugzeugstruktur. Bei LO-Materialien und -Strukturen ist dies nicht möglich, da metallische Strukturen die Funktion des Radarabsorbers erheblich beeinträchtigen würden.
-
Radartransparente Blitzschutzsysteme sind von Radomen und Antennen bekannt, beispielsweise segmentierte Ableitstreifen, welche bei ausreichender elektrischer Feldstärke einen Plasmakanal zur Ableitung des Blitzstroms bilden. Allerdings können derartige Ableitstreifen je nach Einbau die Radarsignatur des übergeordneten Systems beeinträchtigen. Darüber hinaus wird die Effizienz der Ableitstreifen durch einen Wasserfilm oder angesammeltes Eis stark verringert.
-
Weiterhin ist bekannt, ein mit passiviertem, oftmals kugelförmigen Aluminiumpulver beschichtetes Band zu verwenden, welches nur bei ausreichend hohen elektrischen Feldstärken, die unmittelbar vor einem Blitzeinschlag auftreten, einen leitfähigen Pfad bildet. In Blitzschlagversuchen hat sich jedoch gezeigt, dass ein derartiges Band den elektrisch leitenden Pfad nicht ausreichend bereitstellt, wenn es gleichmäßig auf einen Radarabsorber aufgetragen wird, was dann zu mitunter großflächigen Schäden an dem Radarabsorber führen kann. Wie aus früheren Studien bekannt ist, lösen derartige Aluminiumpartikel den notwendigen Überschlag nicht ausreichend aus, um den leitfähigen Pfad für den Blitzstrom zu erzeugen, der zur Ableitung der auferlegten Blitzenergie erforderlich ist.
-
Beschreibung
-
Aufgabe ist es, ein alternatives Beschichtungsmaterial für eine Oberfläche eines Fluggeräts vorzuschlagen, bei dem eine effektive Radarabsorption mit einem effektiven Blitzschutz kombiniert wird.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung.
-
Es wird ein Beschichtungsmaterial für eine Oberfläche eines Fluggeräts vorgeschlagen, aufweisend ein dielektrisches Matrixmaterial auf Polymer- oder Kautschukbasis, und erste Flakes aus einem metallischen oder weichmagnetischen, elektrisch leitfähigen Material, die in das Matrixmaterial eingebettet sind, wobei die in dem Beschichtungsmaterial enthaltenen Flakes geometrisch flächig sind und ein Verhältnis von Dicke zu mittlerem Durchmesser von 1:3 oder weniger aufweisen, und wobei die in dem Beschichtungsmaterial enthaltenen Flakes in dem Matrixmaterial separiert sind und/oder eine elektrische nichtleitende Beschichtung aufweisen.
-
Ein erstes Flake ist als ein flaches, flockenartig geformtes Teilchen mit gleichmäßig oder ungleichmäßig geformtem Rand zu verstehen. Es besteht aus einem ersten Material, das nach bestimmten Kriterien auswählbar ist, die weiter nachfolgend beschrieben werden. Die ersten Flakes können durchaus unterschiedliche Größen und Formen aufweisen, die in derselben Größenordnung liegen bzw. sich bevorzugt ähneln. Der Begriff „erste“ ist dahingehend zu verstehen, dass eine erste Sorte Flakes vorgesehen ist, die bestimmte Eigenschaften aufweist. Es ist denkbar, optional auch zweite Flakes einzusetzen, die andere oder zusätzliche elektromagnetische und/oder mechanische Eigenschaften aufweisen könnten. Dies wird ebenso weiter nachfolgend beschrieben.
-
Die ersten Flakes sind in ein geeignetes Matrixmaterial eingemischt und auf die Oberfläche eines LO-Materials oder einer Struktur aufgebracht. In einigen Ausführungsformen ist das Beschichtungsmaterial in einem Ausgangszustand flüssig oder pastös, um es auf die betreffende LO-Komponente aufzutragen. In einigen Ausführungsformen können die gewünschten Eigenschaften des Beschichtungsmaterials auch direkt in der LO-Komponente realisiert werden, indem die Flakes auf geeignete Weise direkt in eine nach außen gewandte Schicht eines Verbundwerkstoffs und dort in dessen Matrixmaterial integriert werden. Eine darüber liegende, das erfindungsgemäße Beschichtungsmaterial überdeckende Schicht z.B. eine Regenerosionsschicht ist weiterhin nicht ausgeschlossen.
-
Die flockenartigen Metallteilchen sind deutlich besser für die Absorption von Radarwellen geeignet und weisen ein höheres Infrarot-Reflexionsvermögen auf als die davor beschriebenen, voneinander getrennten kugelförmigen Teilchen. Elektromagnetische Wellen, die sich z. B. in Form von elektromagnetischen Oberflächenwellen über die betreffende Oberfläche ausbreiten, oder reflektierte Radarwellen, die auf die betreffende Oberfläche auftreffen, werden aufgrund der in der Oberflächenschicht angeordneten Flakes zumindest teilweise absorbiert. Insbesondere die Amplitude von Oberflächenwellen wird aufgrund hoher Ummagnetisierungsverluste in den ersten Flakes signifikant abgeschwächt. Diese Verluste werden durch den Imaginärteil der komplexen magnetischen Permeabilität µ̂ repräsentiert, die durch den Zusammenhang
definiert wird. Ziel ist, das Material der ersten Flakes derart zu wählen, dass der Imaginärteil
der die Größe der magnetischen Verluste angibt, als Materialeigenschaft möglichst hoch ist. Grundsätzlich kommen Elemente in Frage oder Verbindungen, bei denen in der Elektronenkonfiguration des Grundzustandes ungepaarte Elektronen vorhanden sind. Unter den Elementen bzw. Metallen in Reinform sind das Eisen, Nickel und Cobalt.
-
Aufgrund der im Vergleich zu metallischen Kügelchen großen Oberfläche der ersten Flakes wird weiterhin die Infrarotabstrahlung der Fluggeräts durch das erfindungsgemäße Beschichtungsmaterial verringert. Die im Innern des Fluggeräts aufgrund von Wärme entstehende Infrarotstrahlung wird teilweise an den Flakes zurückreflektiert und somit effektiv zurückgehalten. Das Material der ersten Flakes ist bevorzugt derart gewählt, dass eine möglichst gute Reflexion im Infrarotbereich erreicht wird. Es ist beispielsweise bekannt, dass Aluminium, Gold oder Nickel eine sehr gute Reflexion im Infrarotbereich realisieren können. Durch eine besonders flache Form, insbesondere eine flache, zu der Struktur des Fluggeräts weisende Seite der ersten Flakes wird dieser Effekt weiter unterstützt.
-
Aufgrund der Länge der ein erstes Flake umlaufenden Kante, die deutlich größer ist als eine Umfangslinie eines vergleichbar großen Metallkügelchens, können weiterhin plättchenförmige Teilchen auch bei deutlich geringerer elektrischer Feldstärke Überschläge zwischen benachbarten und elektrisch voneinander isolierten Flakes auslösen, im direkten Vergleich mit elektrisch-leitenden kugelförmigen Strukturen. Durch einen Blitzeinschlag entsteht folglich sehr zuverlässig zwischen benachbarten ersten Flakes ein elektrisch leitfähiger Pfad, durch den der Blitzstrom geleitet wird. Ein Teil der ersten Flakes könnte mit einem geeigneten Anschlusspunkt verbunden sein, über den der Blitzstrom in eine leitende Struktur des Fluggeräts geleitet wird.
-
Das erfindungsgemäße Beschichtungsmaterial erlaubt demnach eine besonders effektive Kombination von Radarabsorption, reduzierter Infrarotemission und verbessertem Blitzschutz durch leitfähige, metallische und/oder weichmagnetische erste Flakes.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform liegt die Dicke der in dem Beschichtungsmaterial enthaltenen Flakes in einem Bereich von 0,1 µm bis 5 µm. Ab einer Dicke von etwa 0,1 µm lassen sich signifikante magnetische Verluste realisieren, um die gewünschte Radarabsorption zu erreichen.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform liegt ein mittlerer Durchmesser der in dem Beschichtungsmaterial enthaltenen Flakes in einem Bereich von 1 µm bis 25 µm. Bei dem vorangehend erwähnten, bekannten Beschichtungsmaterial für den Blitzschutz werden metallische kugelförmige Strukturen mit einem Durchmesser von etwa 2 bis 8 µm verwendet. Der mittlere Durchmesser der Flakes übersteigt diesen. Aufgrund einer möglicherweise nicht kreisrunden Form der Flakes könnte allerdings deren Umfangslänge signifikant die Länge einer Umfangslinie der metallischen Kügelchen deutlich überschreiten. Dadurch könnte insbesondere ein besserer Spitzeneffekt an den Kanten der ersten Flakes resultieren, was zu einem verbesserten Überschlagverhalten des elektrischen Feldes zur Erreichung des Blitzschutzes führt.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die in dem Beschichtungsmaterial enthaltenen Flakes im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Fluggeräts ausgerichtet. Dadurch wird insbesondere eine größtmögliche Reflexionsfläche zu der Struktur des Fluggeräts bereitgestellt, was die Infrarotemission weiter reduziert. Durch eine parallele Ausrichtung der Flakes zu der Oberfläche wird weiterhin eine bessere Dämpfung der Oberflächenwellen erreicht.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform liegt ein Volumengehalt der in dem Beschichtungsmaterial enthaltenen Flakes in einem Bereich von 5% bis 40% und bevorzugt von 15% bis 35%. In Untersuchungen hat sich herausgestellt, dass ein derartiger Volumengehalt ausreichend ist, um die gewünschten Eigenschaften zu realisieren. Die Größe, der Volumengehalt und das Material der Flakes, die die ersten Flakes und optional zweite Flakes (siehe nachfolgend) enthalten, sind derart aufeinander anzupassen, dass das Beschichtungsmaterial möglichst gut radarabsorbierend ist und einen ausreichenden Blitzschutz sowie eine Reduktion der Infrarotemission ermöglicht.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die ersten Flakes eine elektrisch isolierende dünne Beschichtung auf, wie z.B. Siliziumdioxid und/oder Aluminiumoxid oder Ferrite-basierte Materialien umfasst. Durch die elektrisch isolierende Beschichtung kann eine durchgängige Kontaktierung der einzelnen ersten Flakes verhindert werden, die dielektrische Eigenschaften der ersten Flakes verändert werden, um die Reflektion der elektromagnetischen Wellen zu reduzieren und die Absorption der elektromagnetischen Wellen zu erhöhen.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Material der ersten Flakes Eisen, Nickel, Zink, Cobalt, Kupfer, Magnesium, Cadmium, Barium, Strontium, Silizium, Germanium, Sauerstoff aufweisen. Das Material der ersten Flakes kann auch eine Legierung oder eine intermetallische Verbindung dieser Elemente aufweisen. Die ersten Flakes könnten beispielsweise aus Reineisen hergestellt und elektrisch isolierend beschichtet sein. Durch die Beschichtung und die Einbettung in das Matrixmaterial kann eine Korrosion der ersten Flakes verhindert werden, wobei gleichzeitig hohe magnetische Verluste realisierbar sind. Es ist weiterhin denkbar, dass die ersten Flakes nicht nur ein einzelnes Material zur Erzielung der gewünschten Wirkung aufweisen, sondern ein erstes Material zur Erreichung der magnetischen Verluste und ein an das erste Material angrenzendes oder umhüllendes zweites Material zur Erreichung der Reflexion der Infrarotstrahlung zur Reduktion des Infrarotemissionsgrads. Es ist beispielsweise denkbar, dass die ersten Flakes auf Eisen als erstes Material basieren und mit einem anderen Übergangsmetall als zweites Material beschichtet sind.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Beschichtungsmaterial ferner zweite Flakes aus einem metallischen Material auf, das sich von dem Material der ersten Flakes unterscheidet und einen Infrarotemissionsgrad von höchstens 0,2 aufweist, wobei die zweiten Flakes zusammen mit den ersten Flakes in das Matrixmaterial eingebettet sind. Das Beschichtungsmaterial könnte folglich eine Mischung aus zwei unterschiedlichen Sorten Flakes aufweisen, die gemeinsam zu einem verbesserten Blitzschutz und einer reduzierten Infrarotemission führen. Der Infrarotemissionsgrad kann allgemein Werte zwischen 0 und 1 annehmen. Durch die Wahl des Materials der zweiten Flakes derart, dass ein Infrarotemissionsgrad von 0,2 oder niedriger erreicht wird, kann eine besonders gute Reduktion der Infrarotemission erreicht werden. Es ist vorstellbar, dass die zweiten Flakes Elemente wie z.B. Aluminium, Chrom, oder Beschichtungen unteranderen mit Zink, Kupfer, Silber, Aluminium und Halbleiterverbindungen aufweisen. Die Verwendung von zweiten Flakes kann in Erwägung gezogen werden, wenn dadurch der Infrarotemissionsgrad des Beschichtungsmaterials mit ersten Flakes durch Beimischung von zweiten Flakes gesenkt werden kann.
-
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fluggerät, aufweisend mindestens eine Komponente mit einer Oberfläche, wobei die Oberfläche der mindestens einen Komponente ein Beschichtungsmaterial nach der vorherigen Beschreibung aufweist. Es ist denkbar, lediglich Teile des Fluggeräts mit dem erfindungsgemäßen Beschichtungsmaterial zu versehen. Weiterhin ist denkbar, dass unterschiedliche Bereiche des Fluggeräts mit unterschiedlichen Ausführungen des Beschichtungsmaterials ausgestattet werden. Beispielsweise könnte sich in einigen Bereichen das Material der ersten Flakes von dem in anderen Bereichen unterscheiden. Zudem könnten unterschiedliche Volumengehalte Anwendung finden. Dies kann selbstverständlich von der Art und dem vorgesehenen Einsatzzweck des Fluggeräts abhängen.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Oberfläche mehrere Abschnitte auf, wobei das Beschichtungsmaterial in zumindest einem der Abschnitte ein abweichendes Muster und/oder einen anderen Volumenanteil aufweist als in einem anderen Abschnitt. Durch die Verwendung eines bestimmten Musters von in das Matrixmaterial eingebundenen Flakes können lokal gezielt die Radarabsorptions- oder Infrarotemissionseigenschaften angepasst werden. Hierbei könnte beispielsweise in besonders stark der Infrarotemission ausgesetzten Bereichen ein Schwerpunkt auf die Reduktion der Infrarotemissionen gerichtet werden.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein Teil der ersten Flakes mit mindestens einem elektrischen Anschlusspunkt an die Erdung verbunden. Der elektrische Anschlusspunkt könnte mit einer elektrischen-leitenden Struktur im Innern des Fluggeräts verbunden sein, sodass der Blitzstrom aus der Oberfläche des Fluggeräts in die leitfähige Struktur abgeleitet und die Oberfläche vor einer Beschädigung geschützt wird. Es ist denkbar, eine Vielzahl von elektrischen Anschlusspunkten an der Oberfläche zu verteilen, sodass ein einschlagender Blitz zum Ableiten in einen nächstgelegenen elektrischen Anschlusspunkt einen möglichst kurzen Pfad zurücklegen muss.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist weiterhin die mindestens eine Komponente (2) eine Low-Observable (LO)-Komponente.
-
Kurze Beschreibung der Figuren
-
Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf Ausführungsbeispiele eingegangen. Die Darstellungen sind schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf gleiche oder ähnliche Elemente. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Komponente mit einer Oberfläche und einem an der Oberfläche befindliches Beschichtungsmaterial gemäß einem Ausführungsbeispiel.
- 2 eine schematische Darstellung des Querschnitts aus 1 mit einem auf das Beschichtungsmaterial einschlagenden Blitz.
- 3 eine Detaildarstellung des Beschichtungsmaterials.
- 4 ein Fluggerät, das auf mindestens einer Komponente ein Beschichtungsmaterial aufweist.
-
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
-
1 zeigt eine Komponente 2 eines Fluggeräts in einer schematischen Teilschnittdarstellung. Die Komponente 2 könnte aus einem Faserverbundwerkstoff, beispielsweise einem kohlefaserverstärktem Kunststoff, aufgebaut sein.
-
Eine Oberfläche 4 weist ein Beschichtungsmaterial 6 auf, dass ein dielektrisches Matrixmaterial 8 auf Polymer- oder Kautschukbasis umfasst, in das erste Flakes 10 aus einem metallischen und/oder weichmagnetischen, elektrisch leitfähigen Material eingebettet sind. Die ersten Flakes 10 sind flach und weisen ein Verhältnis von Dicke zu mittlerem Durchmesser von 1:3 oder weniger auf. Optional könnten zusätzlich zweite Flakes 11, die hier gestrichelt dargestellt sind, eingebunden werden. Diese könnten aus einem metallischen Material oder einer Legierung bestehen, das sich von dem Material der ersten Flakes 10 unterscheidet.
-
Die Flakes 10 und ggf. 11 sind statistisch in dem Matrixmaterial 8 verteilt und könnten ein Volumengehalt in dem Beschichtungsmaterial 6 bilden, das in einem Bereich von 5 % bis 40 % und bevorzugt von 20 % bis 35 % liegt. Dies bedeutet, dass die Flakes 10 und ggf. 11 in dem Gesamtvolumen des Beschichtungsmaterials 6 einen Anteil von bevorzugt 25 % bis 35 % aufweisen.
-
Der mittlere Durchmesser der Flakes 10 und ggf. 11 liegt in einem Bereich von 1 µm bis 25 µm. Ihre Dicke fängt beispielhaft bei 0,1 µm. Bevorzugt sind die Flakes 10 und ggf. 11 parallel zu der Oberfläche 4 ausgerichtet. Wärmestrahlung, die aus dem Innern des Fluggeräts 2 nach außen abgegeben wird, wird durch die ersten Flakes 10 und/oder die zweiten Flakes 11, falls vorgesehen, nach innen reflektiert. Die Infrarotemission des Fluggeräts 2 wird dadurch signifikant reduziert.
-
Durch den metallischen oder weichmagnetischen Werkstoff kann zudem eine verbesserte Radarabsorption im Vergleich zu der Verwendung von metallischen Kügelchen erreicht werden, da die Oberfläche der einzelnen ersten Flakes 10 deutlich größer ist als die Oberfläche von üblicherweise verwendeten Metallkügelchen, die einen Durchmesser ab 1 µm aufweisen könnten. Das Material der ersten Flakes 10 ist dabei bevorzugt so ausgewählt, dass möglichst hohe magnetische Verluste insbesondere für Oberflächenwellen bereitgestellt werden und gleichzeitig ein hohes Reflexionsvermögen für Infrarotwellen erreicht wird.
-
Die Flakes 10 und ggf. 11 weisen unregelmäßig geformte Kanten 12 auf und sind in dem Matrixmaterial 8 voneinander beabstandet. Sie bilden folglich keine zusammenhängende, elektrisch leitende Lage oder Schicht, sondern sind in einem elektrisch neutralen Zustand voneinander isoliert. Hierzu können insbesondere die ersten Flakes 10 auch eine Beschichtung 14 aufweisen. Bei auf Eisen basierenden ersten Flakes 10 könnte damit auch ein Korrosionsschutz erreicht werden.
-
Wie in 2 angedeutet, erstrecken sich die ersten Flakes 10 zu einem oder mehreren Anschlusspunkten 16, die elektrisch mit einer Struktur 18 des Fluggeräts verbunden sind. Trifft ein Blitz 20 auf die Oberfläche 4 auf, entsteht aufgrund der örtlich hohen elektrischen Feldstärke ein Überschlag 22 zwischen benachbarten ersten Flakes 10, sodass ein leitfähiger Pfad entsteht, durch den der Blitzstrom bis zum nächsten Anschlusspunkt 16 an die Struktur 18 transportiert werden kann.
-
3 zeigt die Oberfläche 4, die in mehrere Abschnitte 24 und 26 unterteilt ist. Um den Überschlag zwischen den ersten Flakes 10 bei geringer Feldstärke weiter zu verbessern, kann ein Muster aus mit ersten Flakes 10 angereicherten Abschnitten 24 und Abschnitten 26 ohne erste Flakes 10 auf der Oberfläche 4 eingerichtet werden. Diese Muster stimmen bevorzugt mit den Anforderungen an eine Tarnung des Fluggeräts überein. Das Muster kann entweder durch Auftragen des erste Flakes 10 enthaltenen Beschichtungsmaterials oder durch Auftragen von ersten Flakes nur auf die Abschnitte 24 gebildet werden. Die Muster können geradlinig oder gekrümmt, regelmäßig oder unregelmäßig sein oder je nach Bedarf zu einem Netzwerk verbunden werden.
-
4 zeigt schließlich exemplarisch ein Fluggerät 28, das mehrere Komponenten 30 umfasst, die mit einem erfindungsgemäßen Beschichtungsmaterial 6 versehen sein können.
-
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ oder „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 2
- Komponente
- 4
- Oberfläche
- 6
- Beschichtungsmaterial
- 8
- Matrixmaterial
- 10
- erste Flakes
- 11
- zweite Flakes
- 12
- Kante
- 14
- Beschichtung
- 16
- Anschlusspunkt
- 18
- Struktur
- 20
- Blitz
- 22
- Überschlag
- 24
- Abschnitt (mit ersten Flakes)
- 26
- Abschnitt (ohne erste Flakes)