DE19955608C2

DE19955608C2 - Infrarot-Tarnvorrichtung

Info

Publication number: DE19955608C2
Application number: DE19955608A
Authority: DE
Inventors: Andreas Leupolz; Werner Scherber; Walter Rothmund
Original assignee: Dornier GmbH
Current assignee: OGUS NETZE- U. WIRKWAREN GMBH & CO. KG, 41063 MöNC
Priority date: 1999-11-19
Filing date: 1999-11-19
Publication date: 2003-01-30
Anticipated expiration: 2019-11-20
Also published as: CA2326189A1; US6613420B1; DE19955608A1; EP1102027A3; EP1102027A2

Description

Die Erfindung betrifft eine Tarnvorrichtung zur Infrarot(IR)-Tarnung für Landziele. Sie eignet sich insbesondere zur Tarnung militärischer Objekte, vor allem Landfahr zeuge, gegen Wärmebildgeräte und Infrarotsuchköpfe.

Bei der thermischen Tarnung wird eine Anpassung der vom zu tarnenden Objekt emittierten Wärmestrahlung auf das Niveau des jeweiligen thermischen Hinter grundes angestrebt. Dabei wird zum Beispiel versucht, die Temperatur der beobachtbaren Oberflächen durch konstruktive Maßnahmen (Wärmedämmung, Isolation, Hinterlüftung) zu beeinflussen. Verbesserungen sind hierdurch im Bereich der aktiven Signatur, d. h. für interne Wärmequellen (Motor, Getriebe, Energie aggregate) möglich. Keine befriedigende Lösung wird durch diese Maßnahmen in bezug auf die solare Erwärmung (passive Signatur) erzielt, da das Erwärmungs verhalten militärischer Objekte in der Regel stark von dem eines natürlichen Hinter grundes abweicht. Lösungsvorschläge, diese Abweichungen durch aktive Nach heizung bzw. Kühlung zu kompensieren, wie z. B. in DE 32 17 977 A1 beschrieben, sind vor allem wegen des hohen Energieverbrauchs wenig praktikabel.

Andere bekannte Lösungsansätze verfolgen das Ziel, die Signaturminderung nicht durch die Beeinflussung der tatsächlichen Oberflächentemperatur zu erzielen, sondern durch die Veränderung des Emissionsverhaltens der Oberfläche. Es ist bekannt, daß die Wärmeabstrahlung eines Körpers nicht nur von seiner Temperatur, sondern auch vom Emissionsgrad ε seiner Oberfläche bestimmt wird. Der Einsatz niedrig emittierender Oberflächenschichten zur Infrarottarnung ist bekannt und z. B. in der DE 30 43 381 A1 und der EP 0 123 660 A1 beschrieben. Ein Problem bei dieser Art der Tarnung mit niedrig emittierenden Tarnmitteln besteht darin, daß der IR- Reflexionsgrad ρ bei Reduzierung des Wärmeemissionsgrads ε prinzipiell nach der Formel ρ = 1 - ε ansteigt, und somit eine erhöhte Reflexion von Umgebungsstrah lung auftritt. Diese überlagert die Eigenemission, so daß die Wärmeabstrahlung und somit die beobachtbare Strahlungstemperatur bei der Reduktion des Emissionsgrads zunehmend auch von den Temperaturen der eingespiegelten Umgebungsflächen (Bodentemperatur, Himmelstemperatur) abhängt. Als kritisch haben sich besonders Reflexionen aus zenithnahen Himmelsbereichen erwiesen, da sich deren Strahlungs temperaturen je nach Bewölkungszustand extrem unterscheiden und die Signatur stark beeinflussen können. Ein bekannter Effekt bei niedrig emittierenden Tarnmitteln ist die Beobachtung von "Cold Spots", d. h. Flächenbereiche mit einer gegenüber dem Hintergrund zu niedrigen Strahlungstemperatur aufgrund der Reflexion kalter Himmelsanteile.

Um diesen Umstand zu berücksichtigen, wird in der EP 0 250 742 A1 eine Vorrich tung beschrieben, mit der das Emissionsvermögen gesteuert werden kann. Damit kann die Wärmeabstrahlung eines Objektes durch Steuerung der Wärmereflexions- und Emissionsanteile mit sehr geringem Energieaufwand in weiten Grenzen nach Wunsch eingestellt werden. Dadurch ist eine Kontrastminderung der thermischen Abstrahlung gegenüber dem Hintergrund in hohem Maße möglich.

Nachteilig ist jedoch der hohe Aufwand zur Realisierung entsprechender Systeme und die Notwendigkeit für zusätzliche Meß- und Regeleinrichtungen.

Beim Einsatz von niedrig emittierenden Infrarot-Tarnmitteln müssen die geometri schen Besonderheiten des zu tarnenden Objekts berücksichtigt werden. Hierbei sind im wesentlichen zu unterscheiden:

- zum Boden geneigte Flächenbereiche
- horizontale oder zum Himmel geneigte Flächenbereiche
- senkrechte bzw. gering (bis ca. 25° zur Vertikalen) zum Himmel geneigte Flä chenbereiche.

Grundsätzlich erfordern diese Flächenbereiche unterschiedliche Ausführungsformen der Tarnmittel. Für den Fall mit überwiegend zum Boden geneigten Flächen können die bekannten niedrig emittierenden Tarnmittel mit fest eingestelltem und möglichst geringem Emissionsgrad verwendet werden, da unabhängig vom Beobachtungs standpunkt die vor dem Objekt befindlichen Bodentemperaturen reflektiert werden. Die Strahlungstemperatur des Bodens ist im Allgemeinen mit dem restlichen thermi schen Hintergrund identisch. Durch Übertragung dieser Temperatur auf das zu tarnende Objekt kann deshalb eine hohe Kontrastminderung mit entsprechendem Tarngewinn erzielt werden. Eingesetzt werden können in diesem Fall die bekannten LE-(= Low Emission) Tarnmittel, wie zum Beispiel niedrig emittierende Lacke (LEP = Low Emission Paint) oder niedrig emittierende Kunststoffolien (LEF = Low Emission Foil).

Für Flächen mit überwiegend horizontaler Ausrichtung sind die bekannten niedrig emittierende Tarnmittel nicht ohne weiteres einsetzbar. Das Problem besteht darin, daß diese Flächen, wenn sie beobachtbar sind, immer überwiegend zenithnahe Himmelstemperaturen reflektieren. Da diese Himmelstemperaturen sehr niedrig sind, dabei jedoch je nach Bewölkungszustand stark variieren können, resultiert eine extreme Abhängigkeit der reflektierten Wärmeabstrahlung vom Bewölkungszustand. In vielen Fällen werden deshalb horizontale Flächen, die mit niedrig emittierenden Tarnmitteln versehen sind, "Cold Spots" aufweisen, wenn durch Reflexion des kalten Himmels die Eigenemission überkompensiert wird. Niedrig emittierendes Verhalten ist nur in dem Maße erwünscht, wie infolge einer zunehmenden solaren Erwärmung der Oberfläche eine Reduzierung der thermischen Abstrahlung notwendig wird.

Ähnliche Probleme bestehen bei Flächen, die nach oben ausgerichtet sind (Winkel zur Horizontalen kleiner ca. 65°). Auch sie können die Himmelsstrahlung reflektieren.

Die Situation bei der Tarnung von im wesentlich senkrechten Flächen (dies schließt gering zum Himmel geneigte Flächen - bis ca. 25° zur Vertikalen - mit ein) ist eine Mischung der bereits beschriebenen Verhältnissen bei horizontalen bzw. nach oben ausgerichteten Flächen einerseits und bei zum Boden geneigten Flächen anderer seits. Je nach Beobachtungswinkel stammt die am Tarnmittel reflektierte Wärmestrahlung überwiegend von bodennahen Bereichen oder aus der Himmels strahlung. Problematisch ist dabei, dass bereits geringe Änderungen des Beobachtungswinkels (oder äquivalent: geringe Änderung der Flächenneigung, z. B. bei bewegten getarnten Objekten) eine starke Änderung im Verhältnis dieser Anteile bewirken.

Die DE-PS 4 00 528 beschreibt eine Tarnvorrichtung für Schiffe mit einer dem Beobachter zugewandten Oberflächenstruktur, die ausschließlich aus zwei Gruppen von Teilflächen besteht, wobei die Teilflächen der ersten Gruppe nach unten ausgerichtet sind und mit der Vertikalen einer Winkel von 45° bilden, und die Teilflächen der zweiten Gruppe nach oben ausgerichtet sind und mit den Vertikalen einen Winkel von 45° bilden. Der Winkel zwischen benachbarten Teilflächen beträgt exakt 90°.

Aufgrund dieser Winkelkonstellation bleibt der Winkel zwischen einem einfallenden Strahl und der Horizontalen bei der Reflexion erhalten. So wird insbesondere ein horizontal einfallender Strahl stets in horizontaler Richtung reflektiert. Bezüglich des Azimuth-Winkels besteht eine solche Retro-Wirkung nicht, hier folgt der Strahlengang dem normalen spekularen Reflektionsgesetz. Dadurch wird einem Beobachter, der unter horizontaler Richtung beobachtet, Horizontalstrahlung eingespiegelt, so dass das zu tarnende Objekt seiner Umgebung angepasst ist.

Da in dieser Literaturstelle die Tarnung im sichtbaren optischen Spektrum behandelt wird, handelt es sich bei den Teilflächen der Oberflächenstruktur um einfache optische Spiegel.

In der DE 197 10 692 A1 wird dasselbe physikalische Prinzip für die Tarnung im Infraroten angewandt. Die Teilflächen der Oberflächenstruktur sind von einem Material mit niedrigem Infrarot-Emissionsgrad gebildet.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Tarnvorrichtung für im wesentlichen senkrecht ausgerichtete Objektoberflächen zu schaffen, mit dem ohne aufwendige Mess- und Regeleinrichtungen eine effektive Tarnung erreicht werden kann. Dabei sollten die auf die Himmelsstrahlung bzw. auf die Bodenstrahlung entfallenden Anteile der reflektierten Strahlung über einen möglichst großen Neigungswinkelbe reich konstant bleiben.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sowie ein Tarnverfahren unter Einsatz des erfindungsgemäßen Tarnmittels sind Gegenstand weiterer Ansprüche.

Der grundlegende Gedanke der Erfindung besteht darin, eine Zerlegung der Ober fläche in zum Boden geneigte und zum Himmel geneigte Teilflächen vorzusehen, wobei ein möglichst großer Anteil der an der Tarnvorrichtung reflektierten Strahlung vom Boden und ein möglichst geringer Anteil von der Himmelsstrahlung stammt oder nur wärmere horizontnahe Himmelsbereiche reflektiert werden. Dies kann erfin dungsgemäß durch eine Oberflächenstruktur erreicht werden, die ausschließlich aus zwei Gruppen von Teilflächen besteht, wobei die Teilflächen der ersten Gruppe nach unten ausgerichtet sind und mit der Vertikalen einen Winkel α zwischen 5° und 45° bilden und die Teilflächen der zweiten Gruppe nach oben ausgerichtet sind, und mit der Vertikalen einen Winkel β zwischen 50° und 85° bilden, wobei α + β < 90° ist. Dabei können die Teilflächen innerhalb derselben Gruppe unterschiedliche Winkel α bzw. β aufweisen.

Die Gesamtfläche aller nach oben ausgerichteten Teilflächen ist geringer als die Gesamtfläche aller nach unten ausgerichteter Teilflächen.

Die Strukturgrößen der Oberflächenstruktur liegen insbesondere zwischen 12 µm und 1 cm, bevorzugt zwischen 100 µm und 1 mm.

Die Strukturgrößen werden in einer besonders vorteilhaften Ausführung so gewählt, dass sie größer sind als die Wellenlänge von Infrarot-Strahlung und kleiner als die Wellenlänge von Radarstrahlung. Ein hierfür geeigneter Größenbereich ist der zwischen 20 µm und 1 mm. Dadurch ist sichergestellt, dass durch die erfindungs gemäße Struktur der Radarrückstrahlquerschnitt durch Mehrfachreflexe nicht negativ beeinflusst wird.

Zur Erhaltung der visuellen Tarnwirkung kann als äußerer Abschluss der Tarnvor richtung in Richtung des Beobachters eine IR-transparente Deckschicht (z. B. eine pigmentierte und mattierte Polyethylenfolie) vorgesehen werden.

Darüber hinaus lassen sich zusätzliche Tarneffekte nach dem Prinzip des Flecken tarnanstrichs erreichen, in dem auch im Infraroten eine Konturzerreißung eingeführt wird. Dies kann sehr effektiv durch unterschiedliche Dicken der obenliegenden farbgebenden Deckschicht erzeugt werden, so dass bei allen Temperaturzuständen des Systems der Infrarotsignatur eine fleckenartige Musterung überlagert wird.

Gemäß der Erfindung werden die nach unten ausgerichteten Teilflächen, die die Bodenanteile reflektieren, von einem Material mit möglichst geringem Infrarot-Emissionsgrad, d. h. maximaler Infrarot-Reflektivität gebildet. Typische Werte hierfür sind ε ≦ 0,5.

Die nach oben ausgerichteten Teilflächen, die die Himmelsstrahlung reflektieren, können von einem Material mit hohem Infrarot-Emissionsgrad (insbesondere ε ≧ 0,8, z. B. ε ≈ 0,9) gebildet werden, so dass die Reflexion von Himmelsstrahlung unter drückt werden kann.

Die erfindungsgemäße Tarnvorrichtung benötigt keinerlei zusätzliche Steuerungs elektronik wie z. B. Sensoren, Aktoren, Ansteuerungselektronik und Verkabelung. Auch die genaue, ortsaufgelöste Bestimmung der Oberflächentemperatur, die bei einer eingangs erwähnten Tarnvorrichtung gemäß dem Stand der Technik zur Einstellung des Emissionsgrades für jedes aktiv steuerbare IR-Tarnelement erforder lich ist, entfällt.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind:

- Es wird eine hohe IR-Tarnwirksamkeit für unterschiedlichste Objekte erreicht;
- Die erfindungsgemäße Tarnvorrichtung ist in Form kostengünstiger, robuster Elemente realisierbar;
- Eine zusätzliche visuelle Tarnung in beliebiger Farbgebung ist möglich.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine konkrete Ausführung der erfindungsgemäßen Tarnvorrichtung;

Fig. 2 die auf die Himmelsstrahlung bzw. auf die Bodenstrahlung entfallenden Anteile der an der Tarnvorrichtung nach Fig. 1 reflektierten Strahlung in Abhängigkeit von der Beobachtungsrichtung;

Fig. 3 die scheinbare Objekttemperatur in Abhängigkeit von der Beobachtungs richtung bei Einsatz einer erfindungsgemäßen Tarnvorrichtung (Kurve b) im Vergleich zu einer bekannten Tarnvorrichtung (Kurve a).

Fig. 1 zeigt eine Ausführung der erfindungsgemäßen Oberflächenstruktur. Sie besteht aus einer regelmäßigen Folge von Erhebungen mit dreieckigem Querschnitt, deren Hypothenusen (Länge L) im wesentlichen vertikal ausgerichtet ist. Es handelt sich um eine Rillenstruktur mit horizontal ausgerichteten asymmetrischen Rillen. Die Geometrie der Struktur ist durch die Winkel α und β und durch die Strukturgröße L eindeutig festgelegt. Der Winkel ϕ ist der Blickwinkel eines Beobachters zur Horizontalen. Geeignete Wertebereiche für die Winkel α, β sind:
α: [5, 45]; bevorzugt [15, 25]
β: [50, 85]; bevorzugt [55, 70].

Unter Berücksichtigung der Reflexionsverhältnisse der beiden beobachtbaren Teilflächen bei verschiedenen Winkeln ϕ können die Anteile ermittelt werden, die sich bei unterschiedlichen Winkeln α und β der Struktur ergeben. Fig. 2 zeigt die prozentualen Anteile der vom Boden bzw. Himmel bei verschiedenen Beobachtungswinkeln ϕ reflektierten Strahlung dieser Struktur für eine besonders günstige Geometrie mit α = 15° und β = 65°. Wie man sieht, sind über einen großen Winkelbereich die reflek tierten Anteile, die vom Himmel bzw. vom Boden stammen, annähernd konstant, wobei der Bodenanteil wunschgemäß sehr hoch ist.

Für maximale Wirksamkeit ist die größere, nach unten gerichtete Teilfläche, die die Bodenanteile reflektiert, mit einer Schicht mit möglichst geringem Emissionsgrad, d. h. maximaler IR-Reflektivität, auszustatten. Die nach oben ausgerichteten Teilflächen, die die Himmelsstrahlung reflektieren, können von einem Material mit hohem Infrarot- Emissionsgrad gebildet werden, so dass jegliche Reflexion aus dem Himmel unter drückt werden kann.

Fig. 3 zeigt die Strahlungstemperaturen von zwei Flächen mit gleichem Emissions grad, die bei verschiedenen Beobachtungswinkeln ϕ gemessen wurden, wobei die mit a gekennzeichnete Kurve die Messwerte einer unstrukturierten Fläche und die mit b gekennzeichnete Kurve die Messwerte einer erfindungsgemäßen Struktur wieder gibt. Man erkennt, daß die Strahlungstemperaturen der unstrukturierten Probe ab einem bestimmten Winkel durch Reflexion einer kalten Himmelsfläche stark absinkt, während die strukturierte Probe in der gleichen Strahlungsumgebung wunschgemäß praktisch keine derartige Winkelabhängigkeit zeigt.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen (Mikro-)Strukturierung kann je nach Strukturgröße durch verschiedene gängige Verfahren wie Prägen, Fräsen, Gravieren oder photolithographische Verfahren erfolgen. Ein entsprechend strukturiertes Werkzeug kann dann z. B. zur Übertragung der Struktur auf eine - bevorzugt selbst klebende - Kunststoffolie, z. B. durch Heißprägen in einem Kalander, verwendet werden. Eine hohe IR-Reflexion wird durch Metallisieren und einer anschließenden IR-transparenten farbgebenden Deckschicht erzeugt. Eine andere Möglichkeit besteht in einer Lackierung der Struktur mit niedrig emittierendem Tarnlack.

Bei sehr kleinen Strukturgrößen (L ca. 100 µm) ist es auch möglich, eingefärbte Kunststoffolien aus IR-transparenten Materialien (z. B. Polyolefine wie PE, PP) durch Heißprägen mit der Struktur zu versehen und den IR-Reflektor durch rückseitige Metallisierung aufzubringen. Die Strukturierung bewirkt in diesem Fall zusätzlich die notwendige Mattierung zur Reduzierung des visuellen Glanzes der Kunststoffolie.

Ein Gesamtsystem zur Tarnung eines Objekts unter Einsatz der erfindungsgemäßen Tarnvorrichtung weist somit folgenden Aufbau auf:

- Die nach unten gerichteten Flächenbereiche des zu tarnenden Objekts werden mit einem Material versehen, das einen niedrigen Infrarot-Emissionsgrad auf weist. Typische Werte hierfür sind ε ≦ 0,5.
- Die nach oben ausgerichteten Flächenbereiche des zu tarnenden Objekts werden mit einem Material versehen, das einen hohen Infrarot-Emissionsgrad aufweist (insbesondere ε ≧ 0,8).
- Auf senkrechten Flächenbereichen des zu tarnenden Objekts bewirkt eine (Mikro-)Strukturierung die Aufteilung der Fläche in nach oben gerichtete Teil flächen und in nach unten gerichtete Teilflächen.

Claims

1. Infrarot-Tarnvorrichtung, die eine dem Beobachter zugewandte Oberflächenstruktur aufweist, die ausschließlich aus zwei Gruppen von Teilflächen besteht, wobei die Teilflächen der ersten Gruppe nach unten ausgerichtet sind und von einem Material mit niedrigem Infrarot-Emissionsgrad gebildet werden, und die Teilflächen der zweiten Gruppe nach oben ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilflächen der ersten Gruppe mit der Vertikalen einen Winkel α zwischen 5° und 45° bilden und die Teilflächen der zweiten Gruppe mit der Vertikalen einen Winkel β zwischen 50° und 85° bilden, wobei α + β < 90° ist.

2. Infrarot-Tarnvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturgrößen der Oberflächenstruktur zwischen 12 µm und 1 cm, bevorzugt zwischen 100 µm und 1 mm liegen.

3. Infrarot-Tarnvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtfläche der nach oben ausgerichteten Teilflächen geringer ist als die Gesamtfläche der nach unten ausgerichteten Teilflächen.

4. Infrarot-Tarnvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur eine Rillenstruktur mit horizontal ausgerichteten, asymmetrischen Rillen aufweist.

5. Infrarot-Tarnvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nach oben ausgerichteten Teilflächen von einem Material mit hohem Infrarot-Emissionsgrad gebildet werden.

6. Infrarot-Tarnvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als äußerer Abschluss der Infrarot-Tarnvorrichtung eine Infrarot-transparente, pigmentierte und mattierte Deckschicht aus Kunststoff, z. B. Polyethylen aufgebracht ist.

7. Infrarot-Tarnvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht fleckenartige Bereiche unterschiedlicher Dicken aufweist.

8. Verfahren zur Infrarot-Tarnung eines Objekts, dadurch gekennzeichnet, dass die im wesentlichen senkrecht ausgerichteten Flächen des zu tarnenden Objekts mittels der Tarnvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche versehen werden.

9. Verfahren zur Infrarot-Tarnung eines Objekts nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
die nach unten ausgerichteten Flächen des zu tarnenden Objekts mit einer Beschichtung aus einem Material mit niedrigem Infrarot-Emissionsgrad ver sehen werden;
die nach oben ausgerichteten Flächen des zu tarnenden Objekts mit einer Tarnvorrichtung aus einem Material mit hohem Infrarot-Emissionsgrad ver sehen sind.