DE2912751A1

DE2912751A1 - Die transmission von optischer strahlung schwaechendes aerosol

Info

Publication number: DE2912751A1
Application number: DE19792912751
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: LINDSTRAND HANS OLOV
Current assignee: LINDSTRAND HANS OLOV
Priority date: 1978-03-31
Filing date: 1979-03-30
Publication date: 1979-10-04
Also published as: IT1188823B; FR2421363A1; JPS54160570A; GB2019875B; AU4562079A; FR2421363B1; US4406815A; GB2019875A; NO148029C; NO148029B; CA1137741A; NO791017L; IT7948560A0; SE418495B; NL7902481A; SE7803663L

Description

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER

CW--IN&

H. KINKELDEY

DH-INa

W. STOCKMAIR K. SCHUMANN

P. H. JAKOB

DCPL-ING

G. BEZOLD

OR. RERNAT- OPC-OSWt

8 MÜNCHEN 22

MAXlMiLlANSTRASSS 43

P 13 716

Die Transmission von optischer Strahlung schwächendes Aerosol

Die Erfindung betrifft ein die Transmission von optischer Strahlung schwächendes Aerosol, das auch ein geringes Reflexionsvermögen für elektromagnetische Strahlung aufweist, insbesondere für die Absorption von Strahlung, speziell innerhalb des infraroten Spektralbereiches (IR-Bereiches).

Der Hintergrund der vorliegenden Erfindung ist der, daß beispielweise für Aufklärungs-, Ziel- und Feuerleit-Vorrichtungen, zielsuchende und Laser-gelenkte (semiaktive) Lenkwaffen (Missiles), Warne inrichtungen und Entfernungsmeßeinrichtungen in zunehmendem Maße optische Verfahren angewendet werden. Der spektrale Arbeitsbereich für die meisten Systeme hat sich auch in Richtung auf den langwelligen IR-Bereich (7 bis 14 pm) verschoben und zwar

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TELEFON (OSO* QOαββΟ TELEX O5-2SSBO TELEQRAMMEMONAPAT TELEKOPIERER

hauptsächlich aus den folgenden Gründen:

Die Wärmestrahlung von Objekten mit Raumtemperatur (etwa 300 K) erreicht ihr Maximum bei der Wellenlänge von 10 um. In dem langwelligen IR-Bereich ist es somit möglich, Objekte zu lokalisieren und zu beobachten, die eine Temperatur aufweisen, die von derjenigen der Umgebung geringfügig verschieden ist. Während der letzten Jahre wurde, abgesehen von den erwarteten Entwicklungen in Bezug auf die Laser-, Bildverstärkungs-und Halbleitertechnologie auch ein Durchbruch erzielt in Bezug auf die Detektor-Technologie. Es ist heute möglich, Anordnungen von elektro-op tischen Detektoren für langwellige Strahlung herzustellen, mit deren Hilfe die Empfindlichkeit, der Bereich, die Infoxr-ationskapazität und die Verhinderung von Störungen der e£ktro-optischen Systeme beträchtlich verbessert werden können.

Als Folge dieser Verbesserungen an elektro-optischen Vorrichtungen hat die elektro-optische Bedrohung, insbesondere im Hinblick auf militärische Objektej beträchtlich zugenommen. Es müssen daher umfassende Pläne in Bezug auf Gegenmaßnahmen gegen derartige Vorrichtungen in Vergleich zu den e!kktro-optischen Vorrichtungen der vorhergehenden Generation gemacht werden, insbesondere im Hinblick auf die Tatsache, daß der "natürliche Schutz'wie z.B. Dunst, Nebel oder Dunkelheit, den Bereich der neuen Vorrichtungen nur noch in einem geringen Ausmaße oder überhaupt nicht beeinflussen. Die bereits exixtierenden konventionellen künstlichen Vorrichtungen zur Schwächung der Transmission von

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elektromagnetischer Strahlung, wie z.B. konventioneller Rauch (Nebel) oder Dunst, setzen die Wirksamkeit nicht oder nur in geringem Ausmaße herab.

Es müssen daher Maßnahmen ergriffen werden beim Bau von beispielsweise Schiffen, Fahrzeugen oder Festungsanlagen, um beispielsweise die freiliegenden Oberflächen zu kühlen und abzuschirmen, aber selbst solche Maßnahmen - in Kombination mit Tarnmethoden - setzen die Bedrohung durch elektro-optische Vorrichtungen gegenüber dem bisherigen Niveau, insbesondere im Hinblick auf die Hochgeschwindigkeitsaktionen, wenn beispielsweise Lenkwaffen (Missiles) verwendet werden, kaum herab.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich nun auf ein Aerosol, das innerhalb eines sehr kurzen Zeitraumes verteilt (ausgebreitet) werden kann und dadurch die erforderliche Vorwarnzeit herabsetzt. Beispiele für Anwendungsgebiete sind folgende: Der Angriff durch IR-oder Laser-gelenkte Lenkwaffen (Missiles) gegen Schiffe, Festungsanlagen, Brücken und Panzer. Mit der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, den Bereich und den Zeitraum in Bezug auf die Schwächung der Transmission von elektromagnetischer Strahlung zu kontrollieren. Die vorliegende Erfindung besitzt daher ein sehr hohes Maß an Flexibilität. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß sie nicht nur zusätzlich zu konventionellem Rauch (Nebel), sondern in vielen Fällen auch als Ersatz dafür angewendet werden kann, da das Aerosol den gesamten optischen Wellenlängenbereich

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(0,2 bis 14 Aim) abdeckt, so daß das Aerosol gegenüber allen Typen der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen wirksam ist. Die schwächende Oberfläche «ist um etwa 50 % größer im sichtbaren Bereich als innerhalb des IR-Bereiches.

Die gewünschten Eigenschaften werden dadurch erzielt, daß man das die Transmission schwächende Aerosol so anordnet wie weiter unten näher beschrieben.

Gegenstand der Erfindung ist ein die Transmission vonoptiiÖH: bzw elektromagnetischer Strahlung schwächendes Aerosol, das auch ein niedriges Reflexionsvermögen für elektromagnetische Strahlung aufweist, insbesondere für die Absorption von elektromagnetischer Strahlung, speziell innerhalb des IR-Bereiches, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es Aktivkohle enthält, dessen Teilchen zu etwa 80 X einen Durchmesser besitzen, der zwischen 1 und 9 um, insbesondere zwischen 1 und 8 um, liegt, wobei der Durchmesser von etwa 80 % der Teilchen innerhalb dieses genannten Bereiches liegt und der Durchmesser von jeweils etwa 10 % der Teilchen oberhalb und unterhalb dieser Grenzwerte liegt, wobei die Aktivkohle gute mechanische Eigenschaften, insbesondere eine hohe mechanische Festigkeit besitzt.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert, welche die Größenverteilung der Aerosol-Teliehen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Form eines

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Diagramms zeigt. Dieses Diagramm zeigt die kumulative zahlenmäßige Größenverteilung der Teilchen.

Das erfindungsgemäße, die optische Transmission schwächende Aerosol enthält Aktivkohle, deren Wirkung zum Teil auf der Tatsache, daß der komplexe Brechungsindex geeignete Werte für amorphe Kohle hat, die ihr ein niedriges Reflexionsvermögen und ein verhältnismäßig hohes Absorptionsvermögen in dem relevanten Wellenlängenbereich verleihen, und zum Teil auf der Tatsache beruht, daß die Aktivkohleteilchen geeignete Oberflächeneigenschaften und eine geeignete morphologische Struktur aufweisen.

Die Aktivkohleteilchen besitzen aufgrund des Aktivierungsverfahrens eine beachtliche "Mikroporosität", worunter eine Porosität mit Poren zu verstehen ist, deren Größe unterhalb der optischen Wellenlänge (d.h. ungefähr ^. 0,1 tun) liegt. Die Porosität hat eine geringere Dichte der Teilchen zur Folge, so daß die Teilchen ungeachtet ihrer Größe für eine beträchtliche Zeitspanne suspendiert werden können. Außerdem weisen die Aktivkohleteilchen auch eine sehr unregelmäßige Konfiguration auf, wobei sie "große" Schwankungen in Bezug auf ihre Form und Oberf 1 ächenunre ge !mäßigkeiten aufweisen, die innerhalb des Bereiches zwischen 1 und einigen wenigen um liegen. Diese Eigenschaften tragen ebenso wie die Anzahl der Teilchen pro Volumeneinheit, die durchschnittliche Teilchengröße und der verhältnismäßig große imaginäre Anteil des komplexen Brechungsindex dazu bei, dem Kohlepulver die gewünschten Eigenschaften zu ver-

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leihen, wenn es erforderlich ist, auf wirksame Weise und innerhalb einer kurzen Zeit ein Aerosol mit einer optischen Breitband-Transmissions-Schwächung zur Verfügung zu haben. Die zugrundeliegende Motivierung ist kurz folgende:

Der Extinktionskoeffizient, der ein Maß für das Strahlungsschwächungsvermögen eiynes Aerosols (pro Längeneinheit entlang eines Strahlungsbündels) ist, ist im Prinzip das Produkt von zwei Faktoren - der spezifischen Extinktionsfläche (der charakteristischen Schwächungsfläche pro Masseneinheit der Aerosolsubstanz) und der Aerosolkonzentration (Masse der Aerosolsubstanz pro Volumeinheit des Aerosols).

Die spezifische Extinktionsfläche ist eine Funktion der Wellenlänge und sie ist gegeben durch die Eigenschaften der Aerosolsubstanz. Zur Erzielung einer optischen Breitband- Schwächung ist es vorteilhafter, leichte^ absorbierende Teilchen (d.h. Teilchen mit einer geringen Dichte und hohen imaginären Anteilen des komplexen Brechungsindex) in Verbindung mit einer geeigneten Größenverteilung der Tauchen zu verwenden. Letzteres bedeutet im Prinzip, daß der Hauptanteil der Teilchen eine Größe haben sollte, die innerhalb des optischen Wellenlängenbereiches (0,3 bis 14 um) liegt, bei einem Durchschnittswert der etwa in der Mitte des Bereiches liegt.

Die unregelmäßigen Oberflächen der Teilchen tragen ganz wesentlich zu einer Erhöhung ihrer wirksamen Absorption

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bei (abgesehen von dem Faktor, der von dem komplexen Brechungsindex stammt), was abhängt zum Teil von der Tatsache, daß die Strahlung, im Prinzip als Folge der wiederholten Reflexion, in willkürlicher Weise auf dem Oberflächenbereich der Teilchen sich verteilt, zum Teil von der Tatsache, daß die unregelmäßig absorbierende Oberfläche der Teilchen im Durchschnitt wesentlich

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größer ist (bis zu 1200 m /g) als beispielsweise die absorbierende Oberfläche eines kugelförmigen Teilchens mit dem gleichen Volumen. Diese Tatsache ist auf zweierlei Weise vorteilhaft, da nicht nur die spezifische Extinktionsfläche zunimmt, sondern auch die Größe und spektrale Schwankung weniger abhängig ist von der Teilchengrößenverteilung. Außerdem führt die Mikroporosität der Teilchen auch zu einer Abnahme der effektiven Dichte, was bedeutet, daß die spezifische Extinktionsoberflächengröße zunimmt.

Die unregelmäßige Gestalt der Teilchen führt ebenfalls zu weiteren interessanten Effekten. Während des Dispergierverfahrens können sich die Teilchen bis zu einem gewissen Grade miteinander verbinden. Die auf diese Weise gebildeten "neuen" Teilchen weisen in der Regel eine sehr unregelmäßige und "dünne" Konfiguration auf, die in einem großen Ausmaße dem ansonsten ungünstigen Einfluß S-Is Folge der Zunahme der mittleren Größe der Teilchen entgegenwirkt.

Die Konzentration des Aerosols hängt im Prinzip von dem Dispergierverfahren ab und sie sollte so gesteuert x^erden,

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daß in der Aerosolwolke die gewünschten Eigenschaften erzielt werden im Hinblick auf die Schwächungsfläche, die Initiierungszeit bis zur Entwicklung der Schwächungsfläche und die Zeitspanne, während der die Aeocsolwolke aufrechterhalten wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung haben die Kohleteilchen eine Größenverteilung gemäß dera beiliegenden Diagramm, die in einem großen Ausmaße zu der spezifischen Transmiss ions Schwächungswirkung des Rauches (Nebels) beiträgt. Die Durchmesser von etwa 80 7_O der Teilchen liegen hauptsächlich zwischen 1 und 9 um und die Durchmesser von jeweils etwa 10 % der Teilchen liegen oberhalb und unterhalb dieser Grenzwerte.

Die Teilchengrößenverteilung darf nicht zu inhomogen sein, zum Teil wegen der Tatsache, daß das Dispergierverfahren bewirken kann, daß sich die Teilchen in verschiedenen Bereichen der Aexeolwolke abscheiden, ein Effekt, der in der Regel nicht erwünscht ist. Die Kohleteilchen können unter Anwendung einer Reihe von einfachen und zuverlässigen Verfahren hergestellt und dispergiert werden, wodurch die Substanz noch attraktiver wird.

Ein bevorzugtes Dispergierverfahren ist die mechanische Dispergierung einer vorhanden Aeroso!substanz. Die Dispersion kann mittels einer Explosivladung erzfeit werden. Ladungen aus einer Aerosolsubstanz und einer explosiven Substanz können stationär sein oder sie können in Form

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von Projektilen abgeschossen (gestartet) werden· Da das Aerosol aus Primärladungen erzeugt wird, denen jeweils eine begrenzte Haltbarkeit verliehen werden kann, kann die Wirkung in Bezug auf den Zeitpunkt und den Ort gut vorherbestimmt werden«

Zu diesem Zwecke ist es extrem zweckmäßig, Aktivkohle mit einer hohen mechanischen Festigkeit zu verwenden. Dadurch ist es möglich, Beschränkungen in Bezug auf die Handhabung der Ladungen, während der sich die Teilchengrößenverteilung der Kohleteilchen sonst ändern könnte, zu vermeiden. Die mechanischen Eigenschaften sind ebenfalls von Bedeutung, wenn die Kohlepulverladungen abgeschossen (gestartet) werden.

Beim Test von verschiedenen Formen für den Überzug der Ladung hat sich die.kugelförmige Gestalt als am besten geeignet erwiesen, aber auch andere Gestalten, wie z.B. zylindrische Gestalten, liefern gute Ergebnisse. Bei Verwendung solcher Überzüge erwies sich eine PET-Detonationsschmelze als vorteilhafter als explosive Einrichtung als explosive Paste. Während der Testsmit Papierkugeln mit verschiedener Größe wurden optimale Ergebnisse erzielt bei Verwendung eines Durchmessers von 12 cm, wenn die Kugel 300 g Kohlepulver enthielt. Dies fällt im Prinzip mit den Näherungswerten zusammen, die erhalten werden bei Verwendung eines theoretischen Modells zum Optimieren der Menge und Konzentration an Rauch (Nebel).

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Bezüglich der Menge an explosivem Material, die in der Ladung erforderlich ist, wurde ein Kompromiss zwischen, der erforderlichen schnellen Dispersion der Aerosolwolke und der Haltbarkeit als homogenes Transmissionsschwächungsrnedium gefunden. Die Tests haben auch gezeigt, daß die gewünschte Schwächungsfläche innerhalb einer Sekunde erreicht werden kann und daß sie im Bereich einer Minute liegen kann, je nach Windstärke.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann eine Nebelgranate (Rauchgranate) mit einer dünnwandigen Kartu^ha mit einer Vorder-und Rückwand und der explosiven Ladung im Zentrum der Granate verwendet werden. Das mechanische Dispergieren kann auch unter Anwendung von Ejektorverfahren bewirkt v/erden. Das Kohlepulver kann stationär verteilt werden unter Verwendung einer Druckluftvorrichtung des gleichen Typs wie er für das Trocken lackiere η verwendet wird. Das Dispergieren der gärennten Körnchen kann auch durch Einführung eines elektrostatischen Feldes verbessert werden.

Andere Verfahren zur Herstellung und zum Dispergieren des Aerosols umfassen die Anwendung von chemischen Reaktionen. Bestimmte Substanzen können so verwendet werden, daß beträchtliche Mengen an Kohlerauch (Kohlenebel) entstehen durch beschränkte Verbrennung. Zu diesem Zweck kann beispielsweise ein Raketenmotor verwendet werden. Es sei jedoch betont, daß dieser Rauch (Nebel) im Prinzip haupt-

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sächlich aus kugelförmigen Teilchen mit einer wesentlich kleineren Oberfläche als die Aktivkohleteilchen besteht
und deshalb ihre Schwächungswirkung auf XR-Strahlung geringer ist. In bestimmten Fällen kann, das Tarnaerosol
bei einer hohen Temperatur verwendet werden, wodurch ein Zielverfehlungseffekt innerhalb des IR-Bereiches erzielt werden kann.

Schließlich sei betont, daß die vorliegende Erfindung
ein Aerosol betrifft, das die Transmission von optischer Strahlung von einem Objekt zu einem Detektor schwächt
und das auch aufgrund des ihm eigenen niedrigen Reflexionsvermögens die Lenkung eines halbaktiv gelenkten Lenkwaffensystems (Missiles) auf ein Ziel erschwert.

Die Erfindung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen näher erläutert, es ist jedoch für den Fachmann selbstverständlich» da.ß sie darauf
keineswegs beschränkt ist, sondern daß diese in vielfacher Hinsicht abgeändert und modifiziert werden können, ohne
daß dadurch.der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird.

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Claims

Patentansprüche

1» Die Transmission von optischer Strahlung schwächendes Aerosol, das auch ein niedriges Reflexionsvermögen für elektromagnetische Strahlung aufvzeist, insbesondere für die Absorption von Strahlung, speziell innerhalb des IR-Bereiches, dadurch gekennzeichnet, daß es Aktivkohle enthält.
2. Aerosol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

80 % der Aktivkohleteilchen einen Durchmesser aufweisen, der hauptsächlich gleichmäßig verteilt ist zwischen 1 und 9 xrni, wobei der Durchmesser von jeweils etwa 10 X der Teilchen oberhalb und unterhalb dieser Grenzwerte liegt.
3. Aerosol nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivkohle eine hohe mechanische Festigkeit besitzt,

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