-
Beschreibung
-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung
zum Entdecken eines rotorbetriebenen Luftfahrzeugs, insbesondere eines Hubschraubers.
-
Hubschrauber als Waffensystem und Beobachtungsträger sind eine zunehmende
Gefahr im Verteidigungsfall, weil sie schwer zu entdecken, zu erkennen und zu orten
sind. Aktive Maßnahmen wie z.B. Radar bieten nur begrenzte Möglichkeiten und verraten
zudem die eigene Stellung. Besonders schwierig ist die Entdeckung vom Luftfahrzeug
aus. Der Radarquerschnitt ist optimiert gering. Das Radarwarngerät gehört zur Grundausstattung.
Auch der passiven Entdeckung sind enge Grenzen gesetzt. Die optische Entdeckbarkeit
ist gering infolge Tarnanstrichs. Die akustische Entdeckbarkeit reicht nicht weit.
Infrarot-Emissionen werden optimal gering gehalten und zudem durch IR-Tarnanst=ich
reduziert.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Einrichtung zu schaffen, die frühzeitige Warnung und Ortung der Bedrohung auf
passive Weise gestattet.
-
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß man das von der elektrostatischen
Entladung des Luftfahrzeug-Rotors ausgehende Signal ermittelt.
-
Die Erfindung geht davon aus, daß Luftfahrzeuge mit Rotor ein beträchtliches
elektrostatisches Potential entwickeln,
das sich vornehmlich an
den Enden der Rotorblätter entlädt.
-
Die Leistungsaufnahme durch Ladung bzw. die Leistungsabgabe richtet
sich u.a. nach Rotorkreisfläche, Blattfläche, Blattzahl, Blattwerkstoff, Blattgeschwindigkeit
und insbesondere Flughöhe. Sie kann bei Großsystemen einiges über 100 W betragen.
Die Kapazität des fliegenden Systems steht in direkter Abhängigkeit von der Flughöhe.
Sie kann zwischen einigen 100 pF bis einige nF bei Großsystemen liegen. Das elektrische
Potential beträgt typischerweise einige Zehn kV bis 1 Mio V, falls widrige Umstände
wie Schnee, Trockenschnee hinzukommen.
-
Falls keine besonderen Maßnahmen zur gezielten Entladung getroffen
werden, findet diese an den äußeren Blatthinterkanten als Dunkelstromentladung statt.
Zur Rauschunterdrückung, um die Signalqualität bordseitiger HF-Einrichtungen zu
verbessern, sind auch besonders gestaltete, passive Entlader bekannt. Wie auch immer
die Anordnung im einzelnen getroffen sei, wird durch die Entladung eine elektromagnetische
Strahlung erzeugt, die durch ihr Frequenzspektrum und durch Modulation charakteristisch
ist. Zum einen ist sie nämlich moduliert mit dem Produkt aus Blattzahl und Kreisfrequenz
des Rotors. Zum anderen ist sie mit einer Frequenz moduliert, die von der Art der
als Sendeantenne betrachteten Entladeanordnung bestimmt ist. Bei Dunkelstromentladung
tritt ein starkes Rauschen auf, pulsierend, bei Betrachtung der Hubschrauberrotoren
als Antennenmodulator. Bei bestimmten unten erläuterten Entladertypen handelt es
sich um echte HF-Generatoren mit Flächen- oder Quasi-Hohlraumresonatoren. Unter
Umständen kann das Gerät wegen der hohen Geschwindigkeit der vorbeistreichenden
Luft als Löschfunkensender betrachtet werden. Jedes dieser Chrakteristika ist dazu
geeignet, die von einer Antenne aufgefangene Strahlung als von einem Helikopter
kommend zu identifizieren.
-
Besonders charakteristisch ist die Strahlung eines neuartigen Entladertyps,
der bei Hubschraubern östlicher Herkunft festgestellt wurde und der aus einer axial
und mittig am Außenende der Rotorblätter angebrachten metallischen Entladespitze
innerhalb eines Kunststoffgehäuses besteht. Die Spitze besitzt eine Länge von 30-50
mm und ist in der Mitte des Kunststoffgehäuses befestigt und leitend mit dem Rotorblattende
verbunden. Das den Spitzenentlader umgebende Kunststoffgehäuse ist ein Isolator
und besitzt in axialer Verlängerung der Nadel nach kurzem Abstand eine etwa 5 mm
große Bohrung für den Austritt der Ladung als Ionenstrom. Durch diese Anordnung
wird erreicht, daß die Ladung nicht wie sonst üblich im Bereich der Funkfrequenzen
als breitbandiger Rausch-und Störgenerator arbeitend (z.B. 100 MHz) abgegeben wird,
sondern gezielt in einem darüber liegenden Frequenzbereich. Dieser Entladertyp kann
als quasi Hohlraum- oder Flächenresonator betrachtet und berechnet werden. Der an
der Gehäusebohrung für den Ladungsaustritt vorbeistreichende Luftstrom besitzt eine
Geschwindigkeit von 0,8 Mach im Flugbetrieb. Die Abstrahlung dieser Entlader wird
je nach Ausführung im oberen MHz- bzw. unteren GHz-Bereich zwischen den Resonatorflächen
senkrecht zur Fußfläche als gerichtete Strahlung verlaufen. Eine Peilantenne empfängt
diese Strahlung jeweils dann maximal, wenn die Strahlungsrichtung zu ihr hinweist.
-
Die über die Zeit empfangene Strahlung ist daher gemäß dem Produkt
aus Kreisfrequenz des Rotors und der Blattzahl des Rotors moduliert. Eine überlagerte
weitere Modulation entspricht den Bedingungen eines Löschfunkensenders nach Markoni
und bestimmt sich aus Ladungsmenge, Durchbruchsfeldstärke der Entlade-Spitzenanordnung
sowie der Luftstromgeschwindigkeit und der Luftelektrizität im Umfeld-der Atmosphäre.
-
Aus dieser Betrachtung ergibt sich, daß die Strahlungsfrequenz sowie
deren Modulation stark abhängig ist von der Ausbildung der Entlader und dem Hubschraubertyp.
Die Erfindung sieht deshalb vor, daß man typische Signaleigenschaften zur Feststellung
des Typs des strahlenden Luftfahrzeugs ermittelt. Zweckmäßigerweise wird das HF-Spektrum
des Signals analysiert, soweit es für die Entladungsanordnung charakteristisch ist.
Dies geschieht zweckmäßigerweise durch einen Frequenz-Sweep des Empfängers über
die vorgegebene Bandbreite. Damit ermittelt man charakteristische Signaturen der
Strahlung. Ferner ist es zweckmäßig, die Modulation des Signals zu analysieren,
um dadurch die von Rotorblattzahl und Kreisfrequenz abhängigen Charakteristika sowie
ggf. weitere Charakteristika zu ermitteln. Die ermittelten Signaleigenschaften können
sodann mit bekannten, typischen Signaleigenschaften zur Identifizierung des strahlenden
Luftfahrzeugs verglichen werden. Dies geschieht zweckmäßigerweise dadurch, daß die
typischen Signale bzw.
-
Signaleigenschaften bekannter Luftfahrzeuge in einem Auswertgerät
gespeichert und automatisch mit dem empfangenen Signal bzw. bestimmten Eigenschaften
dieses Signals verglichen werden. In vielen Fällen mag es genügen, lediglich die
Abstrahlsignaturen der eigenen Fahrzeuge zu speichern, um dadurch eine Freund-Feind-Unterscheidung
zu ermöglichen.
-
Erfindungsgemäß kann die Anmessung des Signals zum Orten des strahlenden
Luftfahrzeugs verwendet werden. Dies schließt die Möglichkeit ein, das Signal zum
zielsuchenden Lenken eines Flugkörpers zu verwenden, der mit einer entsprechenden
Antenne ausgestattet ist.
-
Die Antenne einer Empfangsstation ist zweckmäßigerweise gerichtet
oder ausrichtbar. Die Richtung maximaler Strahlung kann durch Schwenken einer oder
mehrerer solcher Antennen festgestellt werden. Die Antenne kann zu diesem Zweck
drehbar sein. Sie kann auch für Suchzwecke ständig gedreht oder geschwenkt werden.
Es können auch mehrere Festantennen mit einer Einrichtung zur Feststellung der Richtung
des strahlenden Luftfahrzeugs durch Phasenvergleich vorgesehen sein. Ferner kann
vorgesehen sein, daß eine Einrichtung zur Bestimmung der Entfernung des Luftfahrzeugs
aus den Peilkoordinaten seitlich versetzter Antennen vorhanden ist.
-
Als Antennen können insbesondere Adcock-Peiler, Hornantennen oder
Schlitzantennen verwendet werden.
-
Die Empfangsstation bzw. Empfangs stationen können bodenfest, insbesondere
in erhöhter Anordnung an Masten oder dergleichen, an bodengebundenen Fahrzeugen
oder vorzugsweise an Luftfahrzeugen (einschl. Fesselrotoren, Ballons oder Hubschraubern)
vorgesehen werden. In einer zweckmäßigen Anordnung ist die Antenne frontal zur Querachse
angeordnet. In einer anderen Ausführungsform kann die Antenne (bzw. die Antennen)
an den Längsseiten angeordnet sein, wobei die Längsachsen eines Luftfahrzeugs beidseitig
abgedeckt sind. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zumindest die
Antenne (bzw. Antennen), zweckmäßigerweise auch die zugehörigen Einrichtungen,
kompakt
in einem aerodynamisch günstig ausgebildeten Behälter eingebaut, der als Einheit
mit dem Luftfahrzeug verbindbar (insbesondere achsgerecht unterhängbar) ist.
-
Selbstverständlich ist bei der Richtungserkennung des strahlenden
Objekts vom Luftfahrzeug aus die eigene Azimutrichtung des Luftfahrzeugs zu berücksichtigen.
-
Die erfindungsgemäße Einrichtung ist zweckmäßigerweise so ausgebildet,
daß unterschiedliche Signalquellen gesondert ausgewertet und angezeigt werden können.
Dabei werden die unterschiedlichen Anzeigen zweckmäßigerweise nach dem Bedrohungsgrad,
insbesondere gemäß der Empfangsintensität der Signale, geordnet und in Prioritäten
unterteilt.
-
Die Erfindung wird im folgenden näher unter Bezugnahme auf die Zeichnung
erläutert. Darin zeigen: Fig. 1 einen Helikopter im Flug mit überdimensioniert dargestellten
Entladern, Fig. 2 die Entladeranordnung in größerem Maßstab, Fig. 3 die Resonatoranordnung
am Ende eines Rotorblatts, Fig. 4 im Szenario einen Helikopter und eine Antennenanordnung,
Fig. 5 eine weitere Möglichkeit der Ausbildung einer Peilantenne, Fig. 6 und 7 die
schematische Darstellung einer Antennenanordnung an einem Flugzeug und
Fig.
8 ein Ersatzschaltbild.
-
Gemäß Fig. 1 sind die Blätter 1 des Helikopters 2 an den Enden mit
überdimensional eingezeichneten Entladern 3 ausgerüstet, die der Ableitung statischer
Ladungen außerhalb der Störfrequenzen als Flächen- oder Hohlraumresonator dienen
und eine bei 4 angedeutete, ausgeprägte Richtcharakteristik aufweisen.
-
Abbildung 2 zeigt den Aufbau eines bestimmten Entladers 3, der in
das Ende des Blatts 1 eingelassen ist. Die aus Metall bestehende Entladerspitze
5 ist leitend mit dem Metall des Rotorblatts verbunden und von einem Kunststoffgehäuse
6 umgeben, das - in Richtung der Spitze 5 - eine Öffnung 7 aufweist, an der der
Luftstrom im Sinne des Pfeils 8 mit hoher Geschwindigkeit von etwa Mach 0,8 vorbeistreicht.
-
In Anbetracht der hohen Luftgeschwindigkeit kann das Gerät als Löschfunkensender
aufgefaßt und berechnet werden, wobei das Kunststoffgehäuse die Ionisations- oder
Resonatorkammer einschließt, die Entladerspitze 5 die Antenne bildet und die am
Metall des Rotorblatts anliegenden Flächen als Resonatorflächen dienen.
-
Fig. 3 veranschaulicht noch einmal die Anordnung des Geräts am Ende
des Rotorblatts und die Gestalt der davon ausgehenden Strahlung, die nur in der
Azimut-Richtung stark eingegrenzt ist und daher von einer Empfangsantenne als pulsierende
Strahlung empfangen wird.
-
In Fig. 4 erkennt man im Szenario einen Helikopter 2 und an erhöhter
Stelle Peilantennen 10 (alternativ Adcock-Peiler 11) mit Verstärker 12, Auswertlogik
und -Anzeige 13.
-
Fig. 5 zeigt eine weitere Möglichkeit der Ausbildung einer Peilantenne.
Es handelt sich hierbei um eine Luneberg-Linse mit der Eigenschaft, einfallende
Strahlung auf einen Punkt, der der Einfallsrichtung gegenüber liegt, zu fokussieren.
Die am Umfang der Linse 14 angeordneten Dioden 15 wirken über die Verstärker- und
Auswerteinheit 16 auf das Anzeigegerät 17.
-
Fig. 6 veranschaulicht die Möglichkeit der Luftüberwachung.
-
Eine oder mehrere Antennenanordnungen beliebiger Art, die zur Auflösung
von Strahlungseinfallsrichtungen geeignet sind, werden in einem sogenannten Pod
18 installiert, der unter das Flugzeug 19 gehängt ist. Das Ergebnis wird dann bei
20 im Flugzeug angezeigt. Statt dessen können auch im Flugzeug bereits vorhandene
oder speziell zu installierende Antennen benutzt werden. Z.B. eignet sich eine Ergänzungsantenne
zum Instrument Landing System, das auf einer ähnlichen Frequenz arbeitet. - Alternativ
oder zusätzlich zum Antennenpaar 19 sind in Fig. 6 ein Hornempfänger 20 und eine
Dipol-Peilantenne 21 dargestellt.
-
Fig. 8 zeigt ein vereinfachtes Ersatzschaltbild für die Ladung und
Entladung des Luftfahrzeugs, wobei die dem Luftfahrzeug zugehörigen Komponenten
innerhalb des gestrichelt gezeichneten Rahmens liegen. Der Ladegenerator GL symbolisiert
die Aufladung des Luftfahrzeugs, derzufolge ein Ladestrom iL fließt. Über den Oberflächenwiderstand
R bildet 0 das Luftfahrzeug mit Erde eine Kapazität, die sich zusammensetzt aus
der Kapazität CO des Luftfahrzeugs in großer öhe und der höhenabhängigen Kapazität
C, die auch eine
Funktion der Dielektrizitätskonstanten des überflogenen
Mediums ist. über den Entladerwiderstand RE fließt der Entladestrom iE einerseits
in Gestalt des Strom iH zum Erdboden über den Luftwiderstand RH und andererseits
in Gestalt des Stroms i Re über den Rekombinationswiderstand RRe zurück zum Luftfahrzeug,
deren Bnpedanz sich aus CES1 RES und LES zusammensetzt.