DE19710692C2 - Multispektrales Tarnelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein multispektrales Tarnelement, insbesondere für die Tar­ nung von Schiffen, nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.

Schiffe stellen aufgrund ihrer Größe und Struktur leicht auffaßbare Punktziele vor einem nahezu uniformen Hintergrund dar. Sie sind hauptsächlich bedroht durch Seezielflugkörper, welche in zunehmendem Maße mit kombinierten Mikrowel­ len- und Infrarotsensoren und raffinierten Suchalgorithmen ausgestattet wer­ den.

Zur Abwehr werden hauptsächlich Täuschkörper und aktive Bekämpfung einge­ setzt, während echte Tarnmaßnahmen im Sinne einer Signaturreduzierung bis­ lang kaum zur Verfügung stehen. Zwar kann die Radarsignatur eines Schiffes dank moderner Rechenmethoden komplett bestimmt und die Wirkung möglicher Gegenmaßnahmen zuverlässig simuliert werden, jedoch ist die technische Um­ setzung sehr aufwendig und erfordert bei konsequenter Durchführung eine völ­ lig veränderte Formgebung, was nur im Rahmen von Neukonstruktionen durch­ geführt werden kann.

Im Infraroten ist kein vergleichbarer Kenntnisgrad vorhanden. Das hängt damit zusammen, daß die IR-Signatur eines Objekts keine feste Größe darstellt, wie dies bei Radarrückstreuung der Fall ist, sondern in komplexer Weise von den Umgebungsbedingungen beeinflußt wird.

Der von einem Körper ausgehende Wärmestrahlung läßt sich nach folgender Formel beschreiben:

S = ε σ T⁴
mit
ε: Wärme-Emissionsgrad
σ: Stefan-Boltzmann-Konstante
T: Oberflächentemperatur

Da die Temperatur mit der 4. Potenz eingeht, entsteht zwischen dem Objekt und seinem Hintergrund, im vorliegenden Fall zwischen dem Schiff und der Wasser­ fläche bzw. dem Horizont, ein starker Kontrast, der von hochempfind­ lichen IR-Suchköpfen aus größerer Entfernung zu erkennen ist. Hauptsäch­ liche Strahlungsquellen sind insbesondere Schornsteine, Fenster, Antennen, aber auch die großflächige Bordwand.

Durch konstruktive Maßnahmen kann die Oberflächentemperatur T abgesenkt und damit die Signatur reduziert werden. Beispielsweise kann durch eine Ver­ kleidung des Schornsteins oder durch eine gute thermische Isolierung des Ma­ schinenraums ein beträchtlicher Tarneffekt erzielt werden. Diese konstruktiven Grundmaßnahmen sind sehr wichtig, und doch sind dieser Methode im allgemei­ nen enge Grenzen gesetzt. Eine weitgehende Wärmedämmung der Schiffshülle verbietet sich, abgesehen von den Kosten schon deshalb, weil dann die Ober­ flächentemperatur noch stärker durch Sonneneinstrahlung, Wind, Vereisung, etc. beeinflußt werden würde und sich damit eher ein negativer Einfluß auf die Gesamtsignatur ergäbe.

Eine effektivere Maßnahme zur IR-Tarnung besteht darin, die Abstrahlung durch Veränderung des Emissionsgrads ε zu beeinflussen. Dies kann durch Aufbrin­ gen eines schwach emittierenden Anstrichs oder einer schwach emittierenden Folie erreicht werden. Diese Maßnahme ist jedoch mit einem schwerwiegenden Problem verknüpft: Bei Absenkung des Emissionsgrads steigt grundsätzlich in gleichem Maße der IR-Reflexionsgrad ρ an nach der Formel

ρ = 1 - ε.

Aufgrund dieses Zusammenhangs kann bei Verwendung niedrigemissiver Flä­ chen die Signatur des Schiffes ungünstig und unberechenbar beeinflußt wer­ den. Dabei sind besonders die folgenden Effekte zu nennen:

• - Bei klarem Himmel und nach oben geneigten niedrigemissiven Flächen ent­ stehen starke cold spots (bezogen auf die horizontale Beobachtungsrich­ tung). Seezielflugkörper der nächsten Generation werden in der Lage sein, den Horizont sehr sensibel und mit hoher Auflösung abzutasten. Somit wird ab einer bestimmten Entfernung bei Anwesenheit von starken cold spots ein signifikantes Zielprofil im Suchkopf erzeugt, das dem Flugkörper eine be­ sonders hohe, kaum mehr störbare Treffsicherheit vermittelt.
• - Bei sonnigem Wetter kann im SWIR (SWIR = short wave infrared, 3-5 µm) ein zusätzlicher Störeffekt in Form von Sonnenreflexen auftreten, welcher durch den Einsatz niedrigemissiver Flächen verstärkt wird. Ein Flugkörper heuti­ ger oder künftiger Bauart wird auch diese hot spots als echtes Ziel identifizie­ ren können.

Aus der DE 44 18 147 A1 ist eine IR-Tarnschutzbekleidung bekannt, deren Wir­ kungsweise auf der Absorption und diffusen Stimmung von Infrarotstrahlung an Metallfrittern beruht, die fein verteilt auf der Oberfläche eines textilen Trägerma­ terials angeordnet sind.

Die DE 46 43 692 C2 offenbart eine Tarnvorrichtung, aufgebaut aus einem Schichtsystem, wobei die Hochfrequenzleitfähigkeit mindestens einer Schicht verändert werden kann. Diese Schicht, die aus Richtung der einfallenden Strah­ lung gesehen vor einer IR-Strahlung absorbierenden Schicht angeordnet ist, kann z. B. zwischen den Zuständen IR-transparent und IR-absorbierend geschat­ tet werden. Diesen beiden Zuständen der steuerbaren Schicht entsprechen die Wärmeemissionsgrade der Tarnvorrichtung ε ≈ 0 bzw. ε ≈ 1.

In der DE 42 43 200 C1 sowie der DE 42 43 199 A1 wird die Steuerbarkeit der IR- Abstrahlung eines Objekts zur Freund-Feind-Kennung ausgenutzt.

In der DE 44 06 227 C1 sowie der DE 32 17 977 A1 werden Vorrichtungen zur IR- Strahlungstarnung beschrieben, wobei auf der Objektvorderseite eine Vielzahl von Strahlern angeordnet sind, und auf der Objektrückseite eine Vielzahl von Sensoren vorhanden sind, die die Hintergrundstrahlung des Objekts erfassen. Die Sensorinformation wird zur Ansteuerung der Strahlungsintensität der Strah­ ler genutzt, und zwar derart, daß die IR-Abstrahlung des Objekts an die gemesse­ ne Hintergrundstrahlung angeglichen wird.

In der DE 400 528 ist eine Tarnvorrichtung für Schiffe für den sichtoptischen Wel­ lenlängenbereich beschrieben, bei der eine Reflektorschicht vorhanden ist, de­ ren Oberfläche rechtwinklige V-förmige Rillen aufweist. Werden die Rillen im we­ sentlichen horizontal auf dem zu tarnenden Objekt angeordnet, so wird dem Be­ obachter ein Bild des Horizonts eingespiegelt, da jeder auf die Reflektorschicht auftreffende waagrechte Lichtstrahl waagrecht zurückgeworfen wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Tarnelemet zu schaffen, mit dem neben einer effektiven Tarnung im Radar- und sichtoptischen Wellenlängenbereich eine wirksame Verminderung der IR-Signatur des zu tarnenden Objekts erreicht wird, wobei gleichzeitig die Gefahr der Einspiegelung von hot spots und cold spots ver­ mieden wird.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Ansprüche.

Grundlage für die Wirkung des erfindungsgemäßen Tarnelements ist die atmo­ sphärische Besonderheit, daß die Intensität der Himmelstrahlung beträchtlich vom Beobachtungswinkel abhängt. Die kältesten Temperaturen treten, unab­ hängig vom Wetterzustand, am Zenith auf, während in Richtung Horizont prak­ tisch die Temperatur der Luft gemessen wird. Dies trifft insbesondere zu für Be­ dingungen, wie sie über der Meeresoberfläche bestehen. Ein Beispiel für diesen Effekt ist in der Fig. 1 dargestellt. Die zeigt die Intensität der Himmelstrahlung auf Meeresniveau als Funktion des Winkels über dem Horizont (Oetjen et al; J. Opt. Soc. Am. 50, 1313f, (1960)) für die Winkel 0°, 1,8°, 3,6°, 7,2°, 14,5°, 30° und 90°.

Die Bedrohung durch Seezielflugkörper erfolgt stets aus der Horizontalen. Das typische Wärmebild einer Szene auf offener See aus der Perspektive eines See­ zielflugkörpers ist gekennzeichnet durch

• - sehr niedrige Strahlungstemperaturen am Zenith und einem Übergang zu höheren Temperaturen in Richtung Horizont,
• - das Schiff weist aufgrund seiner internen Wärmeentwicklung oder durch Sonneneinstrahlung gegenüber dem Wasser in der Regel eine etwas höhe­ re Temperatur auf,
• - das Schiff unterbricht die Horizontlinie.

Der grundlegende Gedanke der Erfindung liegt darin, den hinter dem Schiff lie­ genden Horizontbereich durch einen anderen, im Vordergrund oder seitlich lie­ genden Horizontbereich zu ersetzen. Dies wird erreicht durch Einspiegelung des Horizonts mittels eines IR-Reflektors an Bord des zu schützenden Schiffs. Auf offener See sind die scheinbaren Temperaturen des Horizonts praktisch unab­ hängig von der Betrachtungsrichtung, da sie im wesentlichen durch die Lufttem­ peratur und Streueffekte bestimmt werden. Somit kann eine perfekte Anpassung des Schiffs an dessen Hintergrund erreicht werden.

Es ist darauf hinzuweisen, daß das erfindungsgemäße Tarnelement nicht nur für Schiffe geeignet ist, sondern allgemein zur Objekttarnung, also auch auf dem Land, angewandt werden kann. Voraussetzung ist lediglich, daß die Bedrohung, z. B. durch Flugkörper oder IR-Sichtgeräte, hauptsächlich aus der Horizontalen erfolgt.

Die Erfindung wird anhand von drei Figur näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Intensität der Himmelstrahlung auf Meeresniveau als Funktion des Winkels über dem Horizont, wie oben erläutert,

Fig. 2 eine Ausführung des erfindungsgemäßen Tarnelements,

Fig. 3 eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Tarnelements.

Fig. 2 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Tarnelements in Form einer niedrigemittierenden Mikrostruktur, mit der die Einspiegelung des Horizonts ge­ mäß der Erfindung vorteilhaft erreicht werden kann. Sie umfaßt eine Reflektor­ schicht 3 aus einem IR-reflektierenden Material, insbesondere einem Metall wie z. B. Al, die auf einer Basisschicht 1, z. B. einer Strukturfolie aus Kunststoff, ange­ ordnet ist. Die Reflektorschicht 3 ist dabei - aus Richtung der einfallenden, zu re­ flektierenden IR-Strahlung betrachtet - vor der Basisschicht 1 anzuordnen. Die Basisschicht 1 kann unmittelbar auf der Oberfläche des zu tarnenden Objekts an­ geordnet sein.

Die Reflektorschicht 3 weist auf der Seite, die in Richtung auf die einfallende, zu reflektierende IR-Strahlung auszurichten ist, eine Rillenstruktur auf. Die Rillen verlaufen parallel zueinander, wobei benachbarte Rillen vorteilhaft unmittelbar aneinander angrenzen, so daß sich insgesamt eine waschbrettartige Struktur er­ gibt. Der Querschnitt der Rillen ist V-förmig, wobei der Winkel zwischen den bei­ den Schenkeln gerade 90° beträgt. Für die Tiefe der Rillen (gemessen entlang der Winkelhalbierenden) gilt, daß sie größer als die Wellenlängen der zu reflek­ tierenden IR-Wellenlängen, also mindestens 12 µm und kleiner als die Wellen­ länge von Radarstrahlen, d. h. kleiner als 1 mm, sein muß, damit das Radarrück­ streusignal nicht beeinflußt wird. In einer bevorzugten Ausführung wird die Tiefe der Rillen im Bereich von etwa 20 µm bis 100 µm gewählt.

Die gesamte in Fig. 2 dargestellte IR-Reflektorstruktur kann unmittelbar auf die Objektoberfläche 11, also z. B. auf ein Schiff und seine verschiedenen Aufbauten, aufgebracht, z. B. geklebt werden. Zur Erreichung der erfindungsgemäßen Ein­ spiegelung des Horizonts muß der Reflektor derart ausgerichtet werden, daß die Rillen im wesentlichen horizontal verlaufen.

Die beschriebene IR-Reflektorstruktur kann als zweidimensionaler Retro-Reflek­ tor bezeichnet werden, im Gegensatz zu den bekannten dreidimensional wirken­ den Retro-Reflektoren, wie sie beispielsweise an Fahrzeugrückstrahlern (Kat­ zenaugen) eingesetzt werden. Wenn die Rillen im wesentlichen horizontal ver­ laufen, bleibt der Winkel zwischen einem einfallenden Strahl 20 und der Hori­ zontalen bei der Reflexion an der Reflektorschicht 3 erhalten. So wird insbeson­ dere ein horizontal einfallender Strahl stets in horizontale Richtung reflektiert. Bezüglich des Azimutwinkels besteht jedoch keine Retro-Wirkung, hier folgt der Strahlengang dem normalen spekularen Reflexionsgesetz.

Auf diese Weise nimmt jedes Flächenelement des Schiffs eine scheinbare Tem­ peratur an, die der eines seitlichen Horizontbereichs entspricht. Welcher Bereich im einzelnen gesehen wird, hängt vom Winkel zwischen den Flächennormalen und der Flugbahn ab. Da die Schiffstruktur viele verschiedene azimutale Winkel umfaßt, wird in jedem Fall eine Mittelung über einen größeren Horizontalbereich stattfinden.

Die Rillen können zweckmäßigerweise mit einem IR-transparenten Material 9, z. B. Polyethylen (PE) oder anderen Polyolefinen, gefüllt werden, um die An­ sammlung von Schmutz in den Rillen zu vermeiden.

Auf die IR-Reflektorstruktur wird zusätzlich eine IR-transparente Farbfolie 7, z. B. für die Schifftarnung in fehgrau, zur optischen Tarnung aufgebracht. Dabei kön­ nen die Rillen als Hohlräume erhalten bleiben oder mit einem IR-transparenten Material (z. B. Polyethylen oder anderen Polyolefinen) ausgefüllt sein.

Das Grundmaterial für die Farbfolie 7 ist bevorzugt aus Polyolefin, insbesondere ein linear vernetztes Polyethylen niedriger Dichte (LLDPE). Polyolefine weisen eine hohe IR-Transparenz und damit eine geringe Absorption der IR-Strahlung auf. Um die optische Kontur des zu tarnenden Objekts zu verzerren, kann das Grundmaterial mit unterschiedlichen Farbpigmenten eingefärbt werden. Die Farbpigmente besitzen dabei eine geringe Infrarotemission und sind stabil gegen ultraviolette Strahlung. Vorteilhaft werden solche Pigmente verwendet, die in den für die Infrarotaufklärung und Beobachtung relevanten atmosphärischen Fenstern im Wellenlängenbereich von λ = 3-5 µm und λ = 8-12 µm keine stoffspezifischen Absorptionsbanden aufweisen.

Da die bevorzugte Tiefe der Rillen bei etwa 20 µm bis 100 µm liegt, kann das ge­ samte System in Form einer gut handhabbaren, leichten Verbundfolie realisiert werden. Die Herstellung einer solchen Tarnfolie läßt sich ohne größeren Ferti­ gungsaufwand erreichen. Beispielsweise kann zunächst das Rillenprofil auf der Basisschicht durch Heißprägen erzeugt werden. Anschließend wird die Reflek­ torschicht durch Metallisierung der Trägerfolie aufgebracht und mit der Farbfolie, ggf. nach Einbringen der Füllung für die Rillen, laminiert.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Tarnelements. An­ ders als bei der Ausführung nach Fig. 2 ist hier zwischen der Farbfolie 7 und der Reflektorschicht 3 eine zusätzliche, IR-transparente Strukturfolie 5, insbesonde­ re aus Polyethylen, angeordnet, deren eine Oberfläche derart ausgebildet ist, daß die Rillen ausgefüllt sind. Zur Herstellung wird die Rillenstruktur zunächst in der IR-transparenten Strukturfolie 5 erzeugt. Danach erfolgt die Metallisierung zur Aufbringung der Reflektorschicht 3 und die Laminierung mit der Farbfolie 7. Der Verbund wird anschließend unter Anwendung eines Klebeverfahrens, z. B. Schmelzkleben, auf das zu tarnende Objekt aufgeklebt. Anstatt einer Strukturfo­ lie, wie in der Ausführung nach Fig. 2, bildet somit der Klebefilm die Basis­ schicht 1.

Zusammenfassend ergeben sich für die Erfindung die folgenden Vorteile:

• - weitgehende Unterdrückung der eigenen Temperaturstrahlung im gesam­ ten IR-Bereich (SW und LW = long wave infrared, 8-12 µm).
• - keine Gefahr von cold spot- oder hot spot-Reflexionen.
• - völlige Unabhängigkeit von den Schiffsbewegungen
• - perfekte Simulation der Hintergrundtemperatur
• - keine Unterbrechung der Horizontlinie am Ort des Schiffes
• - Simulation des Wellenganges
• - keine Beeinflussung des Radarrückstreusignals, da die Abmessungen der IR-Reflektorstruktur wesentlich kleiner gewählt werden können als die Wellenlänge von Radarstrahlen.
• - beliebige Farbgebung des Schiffes.

Bezugszeichenliste

1

Basisschicht

3

Reflektorschicht

5

IR-transparente Strukturfolie

7

Farbfolie fehgrau

9

IR-transparente Füllung

11

Objektoberfläche

20

einfallende IR-Strahlung

30

ausfallender IR-Strahlung

40

Meeresoberfläche

Claims (8)

1. Multispektrales Tarnelement, insbesondere für Schiffe, gegen die Aufklä­ rung im sichtoptischen, infraroten und Radarwellenlängenbereich, ge­ kennzeichnet durch

• 1. eine Basisschicht (1),
• 2. eine auf der Basisschicht (1) angeordnete Reflektorschicht (3) aus ei­ nem IR-reflektierenden Material, deren Oberfläche rechtwinklige, V-förmige Rillen aufweist, wobei die Rillen abstandslos und im wesent­ lichen horizontal anzuordnen sind, und die Reflektorschicht (3), aus Richtung der einfallenden Strahlung betrachtet, vor der Basisschicht (1) anzuordnen ist,
• 3. wobei die Tiefe der V-förmigen Rillen der Reflektorschicht (3) größer als die Wellenlänge von IR-Strahlung und kleiner als die Wellenlänge von Radarstrahlung ist, und
• 4. das Element in Richtung auf die einfallende Strahlung von einer IR- transparenten Farbfolie (7) mit ebenen Oberflächen abgeschlossen wird.

2. Multispektrales Tarnelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Tiefe der Rillen im Bereich zwischen 12 µm und 1 mm, bevorzugt zwischen 20 µm bis 100 µm liegt.

3. Multispektrales Tarnelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Basisschicht (1) aus einem Kunststoff­ material besteht.

4. Multispektrales Tarnelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Basisschicht (1) aus einem Kleberma­ terial besteht.

5. Multispektrales Tarnelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen mit einem IR-transparenten Material (9), z. B. Polyethylen, ausgefüllt sind.

6. Multispektrales Tarnelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die IR-transparente Farbfolie (7) auf der Reflektorschicht (3) derart angeordnet ist, daß die Rillen als Hohlräume er­ halten bleiben.

7. Multispektrales Tarnelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die IR-transparente Farbfolie (7) mit ei­ nem geringen Abstand von der Reflektorschicht (3) angeordnet ist, und daß dazwischen eine IR-transparente Schicht (5), z. B. aus Polyethylen, angeordnet ist, welche die Rillen ausfüllt.

8. Multispektrales Tarnelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial der Farbfolie (7) aus Polyethylen besteht, in welches IR-transparente Farbpigmente einge­ bracht sind.