DE3421196C2

DE3421196C2 -

Info

Publication number: DE3421196C2
Application number: DE3421196A
Authority: DE
Inventors: Siegfried 7777 Salem De Roth; Horst 7758 Meersburg De Schneider; Hans Wolfgang Dr.-Phys. Schroeder; Hans-Juergen 7997 Immenstaad De Semrau
Original assignee: Dornier System GmbH
Current assignee: Dornier GmbH
Priority date: 1984-06-07
Filing date: 1984-06-07
Publication date: 1989-02-02
Also published as: DE3421196A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Radomwerkstoff nach dem Ober begriff des Anspruchs 1.

Antennenabdeckungen (Radome) dienen zum Schutz von Antennen an Fluggeräten gegen Umwelteinflüsse. Radome müssen eine hohe Transparenz und geringe Verluste für Radarwellen im gesamten Betriebsfrequenzbereich besitzen, der hier insbe sondere Frequenzen oberhalb von 10 GHz umfaßt. Sie müssen außerdem die lagebedingten aerodynamischen Kräfte aufnehmen können und eine hinreichend hohe Regen-Erosionsbeständigkeit sowie eine hinreichend hohe Beständigkeit gegenüber durch die aerodynamische Erwärmung auftretenden Temperaturen auf weisen. Vorteilhaft sind Radomwerkstoffe mit einem hohen Elastizitätsmodul bei einer geringen Dielektrizitätskonstan ten.

Die radaroptischen Forderungen lassen sich umso schwerer erfüllen, je breitbandiger die Radome auszulegen sind. Dies gilt bereits in dem derzeit genutzten Frequenzbereich bis 18 GHz und würde in noch viel stärkerem Maße bei einer Ausdehnung des genutzten Bereiches auf beispielsweise 40 GHz oder 95 GHz zutreffen.

Die Schwierigkeiten rühren im wesentlichen daher, daß die Wände breitbandiger Radome mit steigender Betriebsfrequenz immer dünner werden müssen, um die vorgegebene Dämpfung nicht zu überschreiten. So darf ein monolithisches Radom aus einem typischen glasfaserverstärkten Duroplasten nicht dicker als ca. 0,5 mm sein, wenn im Frequenzbereich von 1-18 GHz eine Einwegdämpfung von -0,6 dB nicht über schritten werden soll. Derart dünne Radome werden in der Regel aus Steifigkeitsgründen nicht akzeptabel sein.

Aus IEE.Proc.vol. 128,Pt,F, Nr. 7, Dezember 1981, Seiten 451-464 ist ein Radomwerkstoff bekannt, der Verstärkungsfasern aus E-, D-, S-Glas oder aus Quartz aufweist bzw. aus Keramik besteht. Die Fasern sind handelsübliche Werk stoffe mit vollem Querschnitt.

Aus der EP 1 55 599 ist ein Radomwerkstoff, insbesondere für ein Fluggerät, bekannt, der eine Matrix aus Kunst stoff, Glas oder Keramik und eine Verstärkung in Form von Fasern oder Gewebe enthält. Dieser Werkstoff bildet den Oberbegriff des Anspruchs 1.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, den bekann ten Radomwerkstoff dahingehend zu verbessern, daß bei gleicher Radartransmission eine höhere Stabilität bei gleichbleibendem oder geringerem Gewicht erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Radomwerkstoff gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmalen gelöst.

Erfindungsgemäß werden Hohlfasern zur Verstärkung der Kunststoffe anstelle der derzeit verwendeten Vollfasern oder neben den Vollfasern eingesetzt. Dadurch verringert sich die Dielektrizitätskonstante, so daß die Wände bei gleicher Transmission dicker gehalten werden können als bei Vollfaserverstärkung.

Außer für radaroptisch dünnwandige Radome (Radome O-ter Ordnung) sowie für Sandwichradome lassen sich die erfin dungsgemäßen Werkstoffe mit Vorteil auch für monolithische Radome höherer Ordnung einsetzen, Diese Radome sind zwar für diskrete Frequenzen ausgelegt, in vielen Fällen wird jedoch auch gefordert, daß das Radarsystem in einem ge wissen Frequenzbereich in der Umgebung der Auslegungsfre quenz arbeitet. Die dann in der Regel gleichzeitig be stehende Forderung nach möglichst geringen Transmissionsver lusten in diesem Bereich läßt sich mit den erfindungsgemäßen Werkstoffen leichter erfüllen als mit den entsprechenden vollfaserverstärkten Materialien.

Neben den Hohlfasern können auch Vollfasern, Kurzfasern oder Füllstoffe verwendet werden, die dann bevorzugt in den Hohlräumen neben den meist dickeren Hohlfasern ange ordnet sind.

Die Erfindung wird anhand zweier Figuren näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt Transmissionskurven von erfindungsgemäßen Werkstoffen im Vergleich mit bekannten Stoffen.

Fig. 2 zeigt eine Transmissionskurve eines erfindungs gemäßen Werkstoffes.

Fig. 1 zeigt gestrichelt die berechnete Transmission zweier bekannter Werkstoffe 1 und 2 und vollgezeichnet die zweier erfindungsgemäßer Werkstoffe 3 und 4 in Abhängigkeit von der Wanddicke bei einer Frequenz von 40 GHz und senkrechtem Strahlungseinfall.

Werkstoff 1 (Stand der Technik):

Ein Epoxidharz hat eine Dielektrizitätskonstante (ε _H) von 2,78. Wird dieses Harz mit 50 Volumenprozent E-Glas Voll fasern mit einer angenommenen Dielektrizitätskonstanten von ε _F = 6,13 verstärkt, so ergibt sich nach der Mischungsregel

ln ε = c _H ln ε _H + ψ _F ln ε _F

mit

ψ _H als dem Volumenanteil des Harzes und
ψ _F als dem Volumenanteil der Fasern

eine Dielektrizitätskonstante ε des Verbundes von 4,13.

Werkstoff 2 (Stand der Technik):

Verwendet man bei dem Harz des Werkstoffes 1 50 Volumen prozent Quarzglasvollfasern mit einer angenommenen Dielek trizitätskonstanten von ε _F = 3,78, so führt dies zu einer Dielektrizitätskonstanten des Verbundes von 3,2.

Werkstoff 3 Erfindung):

Verwendet man anstelle von 50 Volumenprozent Vollfasern nun mehr 50 Volumenprozent Hohlfasern mit einem Durchmesser zu Wandstärke Verhältnis von 15 : 1, so reduziert sich der Volu menanteil des Fasermaterials auf 12,5%, während 37,5 Volu menprozent aus Luft bestehen. Die Dielektrizitätskonstante des Verbundes beträgt dann bei Hohlfasern aus E-Glas 2,09.

Werkstoff 4 (Erfindung):

Verwendet man statt der Hohlfasern aus E-Glas des Werk stoffes 3 solche aus Quarzglas, so sinkt die Dielektrizi tätskonstante auf 1,97.

Aus Fig. 1 ist erkennbar, daß die Dielektrizitätskonstante des Fasermaterials die Dielektrizitätskonstante des Verbun des nur wenig beeinflußt. Der Fig. 1 ist zu entnehmen, daß die Wandstärke bei dem mit Vollfasern verstärkten Material maximal 0,4 mm betragen darf, wenn die Transmission im ge samten Frequenzbereich bis 40 GHz mehr als 86% betragen soll. Bei den hohlfaserverstärkten Materialien ist diese Bedingung demgegenüber bis zu einer Dicke von ca. 3,4 mm erfüllt.

Der Elastizitätsmodul des Werkstoffes verringert sich in diesem Beispiel bei dem hohlfaserverstärkten Material auf ca. 25% des Wertes vom vollfaserverstärkten Material. Da die Biegesteifigkeit des plattenförmigen Materials nur linear mit dem Elastizitätsmodul, hingegen mit der dritten Potenz der Dicke ansteigt, läßt sich die Steifigkeit durch Dickenerhöhungen bedeutend steigern. So ist Biegesteifig keit einer 3,4 mm dicken Platte aus hohlfaserverstärktem Kunststoff ca. 150 mal so groß wie die einer 0,4 mm dicken Platte aus vollfaserverstärktem Kunststoff. Dabei wurde von gleichen Faservolumengehalten der Werkstoffe sowie von einem Wandstärke zu Durchmesser Verhältnis der Hohlfasern von 1 : 15 ausgegangen. Der Beitrag der Matrix zum Elastizitätsmodul wurde vernachlässigt.

Fig. 2 zeigt die Transmissionswerte in Abhängigkeit von der Dicke einer Hohlfaserverstärkung von Perfluoralkoxy, einem Werkstoff mit geringer Dielektrizitätskonstante (ε = 2,04) und geringem Verlustwinkel (tan δ <0,001). Eine Verstärkung mit 30 Volumenprozent E-Glashohlfasern führt bei einem Außendurchmesser zu Wanddickenverhältnis von 15 : 1 zu einer Dielektrizitätskonstanten des Verbundes von 1,79. In Fig. 2 ist die Transmissionskurve bei senkrechtem Strahlungseinfall für eine Frequenz von 40 GHz dargestellt. Es ist erkennbar, daß die Transmission des Werkstoffes auch in den Minima der Transmissionskurve stets größer ist als 90%. Damit bestehen von der Transmission her keine Einschränkungen hinsichtlich der Wanddicke. Die Wanddicke kann damit nach anderen Krite rien, wie Steifigkeit und Gewicht, ausgewählt werden.

Claims

1. Radomwerkstoff, insbesondere für ein Fluggerät, der eine Matrix aus Kunststoff, Glas oder Keramik und eine Verstärkung in Form von Fasern oder Geweben enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung ganz oder teilweise aus Hohlfasern besteht.

2. Radomwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er Füllstoffe enthält.

3. Radomwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Hohlfasern aus Glas, aus Keramik oder aus Aramid bestehen.

4. Radomwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung aus Hohl fasern und endlosen Vollfasern aus Glas, aus Keramik oder aus Aramid besteht.

5. Radomwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß die Verstärkung aus Hohl fasern und Kurzfasern aus Glas, aus Keramik oder aus Aramid besteht.

6. Radomwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix aus einem duro plastischen Kunststoff besteht.

7. Radomwerkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix aus Polyester, Epoxid, Polyimid, Silicon, Phenolharz, Diallylphthalat, Polybenzimidazol oder Polybutadien besteht.

8. Radomwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß die Matrix aus einem thermo plastischen Kunststoff besteht.

9. Radomwerkstoff nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix aus Polyethylen, Polybuten, Polytstra fluorethylen, PFA-Fluorkohlenstoff, FEP-Fluorkohlen stoff, Polyphenylensulfid, Polyamid, Polyethersulfon, Polyether-Etherketon, Polyamidimid oder Polyetherimid besteht.

10. Radomwerkstoff nach einem der Ansprüche 2 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß als Füllstoffe Hohlkugeln aus Glas, Keramik oder Kunststoff vorgesehen sind.

11. Radomwerkstoff nach einem der Ansprüche 2, 4, 5 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllstoffe, die Vollfasern oder die Kurzfasern bevorzugt in den Hohl räumen zwischen den Hohlfasern angeordnet sind.