DE4336840C1 - Abdeckung für Radarantennen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abdeckung für Radarantennen von Flugzeugen und Flugkörpern, die in Form eines Radoms in die Außenkontur des Flugkörpers integriert ist.

Die Verringerung der Radarsichtbarkeit von militärischen Fluggeräten, insbesondere von Flugzeugen, gewinnt in zunehmendem Maße an Bedeutung. Bei Kampfflugzeugen liefert neben dem Einlauf und dem Cockpit vor allem die Radaranlage einen großen Beitrag zur Radarrückstrahlung bei Beleuchtung des Flugzeugs mit einem gegnerischen Radar. Bei gewissen Aspektwinkeln und Frequenzen kann die Rückstrahlung der Radarantenne diejenige des restlichen Flugzeugs um ein Vielfaches überstrahlen.

Die US-PS 45 70 166 beschreibt eine Abdeckung für Radarantennen von Flugzeugen und Flugkörpern, die in Form eines Radoms in die Außenkontur des Fluggerätes integriert ist. Das Dämpfungsverhalten der Abdeckung ist dabei zeitlich nicht veränderlich; die Dämpfung ist lediglich vom Einfallwinkel der elektromagnetischen Strahlung abhängig.

Aus der DE 39 20 110 C2 ist eine Abdeckung für die Radarantennen von Flugzeugen und Flugkörpern bekannt, die in Form eines Radoms in die Außenkontur des Fluggerätes integriert ist. Die Abdeckung weist eine fotosensitive Schicht auf, die bei Beleuchtung durch eine zu diesem Zweck vorgesehene Lichtquelle reversibel vom elektromagnetisch transparenten Zustand in einen reflektierenden Zustand übergeht, wobei die Änderung der Leitfähigkeit der fotosensitiven Schicht durch die Beleuchtung ausgenutzt wird.

Die DE 40 07 986 C1 beschreibt eine weitere Abdeckungsstruktur für Flugzeuge und Flugkörper, die einen oder mehrere Hohlräume aufweist, welche wahlweise mit Radarwellen reflektierenden oder Radarwellen absorbierenden Materialien füllbar sind. Die Struktur dient der wahlweisen Veränderung des Radarbildes des Fluggerätes, wobei in diesem Fall die Änderung des abdeckenden Materials mit geänderte Leitfähigkeitswerte, Dielektrizitätskonstanten und andere physikalische Größen, die auf das Absorptionsverhalten und die Transparenz Einfluß nehmen, ausgenützt wird.

Die DE 41 40 944 A1 beschreibt eine Absorberstruktur mit variabler Absorptionscharakteristik, die aus einer mit eingelagerten ferroelektrischen Dipolmolekülen versehenen Trägerschicht sowie beidseitig der Trägerschicht angeordneten Steuerelektroden besteht, von denen zumindest die strahlungseinfallseitige Steuerelektrode strahlungstransparent ausgebildet ist. Durch Anlegen einer Steuerspannung an die Steuerelektroden werden die Dipolmoleküle nach Maßgabe des zwischen den Steuerelektroden wirksamen elektrischen Feldes ausgerichtet, wodurch sich das Absorptionsprofil des Absorbers innerhalb bestimmter Grenzen verändern läßt.

Aus der älteren, nicht vorveröffentlichten EP 0 568 511 A1 ist es schließlich bekannt, eine Antennen dadurch abzudecken und damit ihren Einfluß auf den Gesamtradarrückstrahlungsquerschnitt zu beeinflussen, daß eine verschiebbare Metallschicht vor der Antenne angeordnet wird, die bei Bedarf geöffnet werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abdeckung für Radarantennen von Flugkörpern zu schaffen, die eine veränderbare Radartransparenz aufweist, so daß die Rückstrahlung der Antenne und des Radarspants bei ausgeschalteter Radaranlage auf einen kleinstmöglichen Wert in kurzer Zeit eingestellt werden kann.

Ausgehend von einer Abdeckung der eingangs näher genannten Art erfolgt die Lösung dieser Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen; vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die erfindungsgemäße mechanische Verstellung der einzelnen Hohlkörper zueinander bietet den Vorteil, daß bei ausgeschalteter Radaranlage des Kampfflugzeuges der Kegelabstand gemäß einer vorgegebenen Kurve in Abhängigkeit von der Anstrahlfrequenz eines das Flugzeug beleuchtenden gegnerischen Radars schnell, einfach und wirksam verstellt werden kann, wobei die Anstrahlfrequenz durch eine mitgeführte Radarwarnanlage automatisch ermittelt werden kann. Solange von dieser Radarwarnanlage kein Meßwert abgegeben wird, wird die wahrscheinlichste Bedrohungsfrequenz zur Abstandsregelung der konzentrischen Hohlkörper verwendet. Die mechanisch wirkende Verstellvorrichtung ist unempfindlich gegen elektrische oder elektronische Störeinflüsse; durch die rasche Verstellung des Abstandes zwischen den einzelnen konzentrischen Hohlkörpern und ggf. die Füllung der Zwischenräume zwischen den Hohlkörpern mit einem dielektrischen Fluid erhält man eine hohe Abschwächung der Antennenrückstrahlung bei allen Anstrahlfrequenzen durch ein gegnerisches Radar in der Größenordnung von 20 dB.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der vorteilhafte Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung der Beziehungen zwischen Strahlengangamplituden und relativem Phasenwinkel eines Zweiplatten-Radoms,

Fig. 2 die vektorielle Addition der transmittierten Einzelstrahlen bei drei Plattendicken und variablem Plattenabstand,

Fig. 3 die Abhängigkeit der Transparenz eines Zweiplatten- Radoms von der Plattendicke und vom Plattenabstand,

Fig. 4 die Abhängigkeit der Abschwächung der Antennenrückstrahlung durch das erfindungsgemäße Radom vom Plattenabstand und von der Radarfrequenz,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Abdeckung

Fig. 6 eine graphische Darstellung für die Abstandsbestimmung und

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer breitbandigen einstellbaren Abdeckung.

Fällt ein Radarstrahl auf eine aus mehreren dielektrischen Schichten aufgebaute Abdeckung, die ein Radom darstellt, so kommt es zu den in Fig. 1 gezeigten Mehrfachspiegelungen an den Trennebenen zwischen den einzelnen Schichten der Abdeckung, d. h. des Radoms. Neben dem direkt transmittierten Hauptstrahl treten aus der Radomrückseite Teilstrahlen aus, die sich aus der zweifachen, vierfachen, sechsfachen usw. Spiegelung an den Trennebenen ergeben. Die Amplitude des resultierenden transmittierten Strahls und damit die Transparenz des Radoms ergibt sich aus der Aufsummierung der einzelnen Teilstrahlen nach Betrag und Phase. Bei einer überschlägigen Transparenzbestimmung kann sich diese Addition auf den direkt transmittierten und alle zweifach gespiegelten Strahlen beschränken. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Strahlengang, den Amplituden und relativen Phasenwinkeln eines Zweiplatten-Radoms ist die Dielektrizitätskonstante ε zu 4 angenommen (wobei dreifache und höhere Spiegelungen nicht dargestellt sind).

Die Amplituden der einzelnen Teilstrahlen werden durch die Stärke des Impedanzsprungs der Radarwelle an den Trennebenen bestimmt. Bei nichtferritischen Radomen wird der Impedanzsprung durch das Verhältnis der Dielektrizitätskonstanten vor und hinter der betrachteten Trennebene bestimmt. Konkret gilt bei senkrechtem Einfall

Mit zunehmenden Verhältnis der Dielektrizitätskonstanten ε erhöht sich die Amplitude des reflektierten Strahlen während diejenige des transmittierten Strahls immer kleiner wird.

Bei einem Radom, das aus zwei parallelen, dielektrischen Platten besteht, treten neben dem direkt transmittierten Strahl sechs zweifach gespiegelte Strahlen aus der Radomrückseite aus. Beträgt die Plattendicke aλ und der Plattenabstand bλ, wobei sich λ auf die Wellenlänge in dem jeweiligen Dielektrikum bezieht, dann treten zusätzlich zum Hauptstrahl 0 zwei Strahlen 1, 2 mit der Phasenverzögerung 4πa ein Strahl 3 mit der Phasenverzögerung 4πb, zwei Strahlen 4, 5 mit der Phase 4πa + 4πb + π und ein Strahl 6 mit der Phasenverzögerung 8πa + 8πb auf (jeweils relativ zum Hauptstrahl 0).

Die Aufsummierung aller Teilstrahlen läßt sich sehr anschaulich gemäß Fig. 2 in der komplexen Zahlenebene darstellen. Bei einer Variation des Plattenabstandes bλ von 0 bis λ/2 beschreibt der Endpunkt der Resultierenden R einen Kreis. Das Verhältnis von R_max zu R_min wird primär durch den Kreisradius und sekundär durch die Lage des Kreismittelpunktes bestimmt. Der Kreisradius hängt einmal von der Plattendicke und zum anderen von der Dielektrizitätskonstante ε des Radoms ab (Fig. 2a, b und c). Will man die Radomtransparenz durch Veränderung des Plattenabstandes in einem möglichst großen Bereich variieren, so erfordert dies eine relativ große Dielektrizitätskonstante ε. Ein Radom aus GFK (Glasfaserkunststoff) mit ε = 4 und variablem Plattenabstand besitzt einen Transparenzbereich von etwa 9% bis etwa 100%. Die Transparenz eines aus zwei Keramikplatten bestehenden Radoms mit einer Dielektrizitätskonstanten ε = 9 läßt sich durch die richtige Wahl von a und b bis auf Null verringern.

Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit der Transparenz eines Zweiplatten-Radoms von der Plattendicke aλ und dem Plattenabstand bλ in graphischer Darstellung. Mit zunehmender Plattendicke nimmt der Bereich, in dem die Transparenz durch Änderung des Plattenabstandes variiert werden kann, zu. Bei einer Plattendicke von λ/4 wird die größte Bandbreite erreicht: sie beträgt hier 0,3 dB bis -10,2 dB. Der erste Wert entspricht dabei einem Plattenabstand von 0 bzw. λ/2; die geringste Transparenz wird bei einem Abstand von λ/4 erzielt.

Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit der Abschwächung der Antennenrückstrahlung der Abdeckung von der Frequenz der einfallenden, d. h. beleuchtenden Radarstrahlung, für mehrere Plattenabstände bei einer Dielektrizitätskonstante ε=4. Bei abgeschalteter Radaranlage des Kampfflugzeuges wird der Plattenabstand in Abhängigkeit von der Anstrahlfrequenz so variiert, daß die Radomtransparenz immer einen Minimalwert einnimmt. Bei der Auslegungsfrequenz f_Design, die im allgemeinen mit der Nutzfrequenz zusammenfällt, beträgt die Abschwächung der Antennenrückstrahlung durch die erfindungsgemäße Abdeckung mehr als 20 dB. Im Frequenzbereich 0,6 f_Design < f < 1,4 f_Design ist die Abschwächung durchweg größer als 10 dB.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung in Form eines Querschnitts durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abdeckung. Diese Abdeckung ist dabei in das Bugradom eines Kampfflugzeugs integriert und besteht aus zwei konzentrischen, dielektrischen Hohlkörpern in Form von Kegeln, wobei die Wandstärke eines jeden Kegels eine Viertel- Radarwellenlänge, bezogen auf das Dielektrikum, beträgt. Der äußere Kegel 1 ist über Schnelltrennelemente mit der Flugzeugstruktur fest verbunden und der innere Kegel 2 wird über eine axial zu den beiden Kegeln angeordneten Führungsstift 3, und über eine Verstellvorrichtung koaxial zum äußeren Kegel 1 geführt und verschoben. Die Verstellvorrichtung besteht aus mehreren, beispielsweise 3, Kulissen 4, die gleichmäßig entlang des Umfangs des inneren Kegels 2 verteilt sind und die mit einer entsprechenden Anzahl von Hydraulikzylindern 5 verbunden sind, welche sich auf der Flugzeugstruktur abstützen. Eine Betätigung der Hydraulikzylinder 5 bewirkt eine konzentrische Verschiebung des inneren Kegels 2 relativ zum feststehenden äußeren Kegel 1, so daß der Abstand zwischen den beiden Kegelwänden veränderbar ist.

Bei Betrieb der fluggeräteigenen Radaranlage 6 wird der Abstand der beiden Kegel 1, 2 auf λ_Design/2 eingestellt. Bei ausgeschalteter Radaranlage 6 wird der Abstand der beiden Kegel 1, 2 gemäß der in Abb. 6 dargestellten Kurve in Abhängigkeit von der Anstrahlfrequenz eines gegnerischen Radars verändert. Letztere wird mit Hilfe einer fluggeräteigenen Radarwarnanlage automatisch ermittelt. Solange kein Meßwert von dieser Radarwarnanlage abgegeben wird, wird die wahrscheinlichste Bedrohungsfrequenz zur Ermittlung des Abstandes zwischen den Kegeln 1, 2 verwendet.

Die Abdeckung kann auch an Stelle von Kegeln andere, nicht kegelige, schlanke Hohlkörper verwenden, wobei die Ansteuerung der Hydraulikzylinder in diesem Fall ebenfalls so zu wählen ist, daß die über das gesamte Radom gemittelte Radartransparenz ein Minimum wird.

Will man die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Abdeckung oberhalb und unterhalb des Radarnutzbandes gemäß Fig. 4 erhöhen, so ist es vorteilhaft, die effektive Dicke der beiden kegelförmigen Hohlkörper ebenfalls frequenzabhängig zu verändern, wie es in Fig. 7 als schematischer Querschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel der Abdeckung dargestellt ist. Hierbei ist jeder Kegel als Sandwich mit variabler Kerndicke ausgebildet, d. h., daß die Abdeckung in diesem Fall aus einem an die Flugzeugstruktur angeschlossenen äußeren Kegel 8 und drei weiteren koaxial dazu verschiebbar angeordneten Kegeln 9, 10, 11 besteht, deren Abstände relativ zueinander jeweils über drei Stellzylinderpaare 12 verändert werden kann. Die Hohlräume zwischen den Kegeln 8 und 9 sowie den Kegeln 10 und 11 sind jeweils durch elastische, flexible, nicht dargestellte Dichtungen verschlossen, wobei die Hohlräume über jeweils eine Leitung 13 mit einem Vorratsbehälter 14 verbunden sind, in dem ein dielektrisches Fluid, beispielsweise eine dielektrische Flüssigkeit, angeordnet ist. Dabei ist die Querschnittsfläche der Leitungen 13 so zu bemessen, daß bei einer Verstellung des Abstandes der einzelnen Kegel zueinander die Druckbelastung der Kegelwände nicht zu groß wird und eine rasche Zufuhr bzw. rasche Abfuhr des im Hohlraum zwischen zwei Kegeln befindlichen dielektrischen Fluids gewährleistet ist.

Werden nun die einzelnen Stellzylinder 12 frequenzabhängig so angesteuert, daß die effektive Dicke der jeweils durch zwei Kegel gebildeten Radomsandwiche sowie deren Abstand λ/4 beträgt, dann liegt die Abschwächung der Antennenrückstrahlung bei Beleuchtung durch ein gegnerisches Radar bei allen üblichen Anstrahlfrequenzen bei 20 dB.

Claims (4)

1. Abdeckung für Radarantennen von Flugzeugen und Flugkörpern, die in Form eines Radoms in die Außenkontur des Fluggerätes integriert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung aus ,mehreren konzentrisch zueinander angeordneten dielektrischen Hohlkörpern besteht, daß der äußerste Hohlkörper fest mit der Außenwand des Fluggerätes verbunden ist und daß der Abstand zwischen dem äußersten Hohlkörper und mindestens einem der inneren Hohlkörper über eine Steuervorrichtung veränderbar ist.

2. Abdeckung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus zwei Hohlkörpern in Form von Kegeln besteht, von denen der innere Kegel entlang eines Führungsstiftes gleiten kann, der in Axialrichtung der beiden konzentrischen Kegel an deren Spitze angeordnet ist und daß die Verstellvorrichtung für den inneren Kegel aus mehreren, gleichmäßig entlang des Kegelumfangs verteilten Kulissen und diesen zugeordneten Hydraulikzylindern besteht, die sich auf der Innenwand des Flugkörpers abstützen.

3. Abdeckung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus vier Hohlkörpern in Form von Kegeln besteht, wobei jeder Kegel entlang eines Führungsstiftes gleiten kann, der in Axialrichtung der konzentrischen Kegel an deren Spitze angeordnet ist und daß die drei inneren Kegel über jeweils mehrere Kulissen und Stellzylinder verschiebbar relativ zueinander und zum feststehenden äußeren Kegel sind.

4. Abdeckung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den konzentrischen Kegeln bestehenden Hohlräume durch flexible Dichtungen abgeschlossen sind und daß jeder Hohlraum über eine Leitung mit einem Vorratsbehälter für ein dielektrisches Fluid verbunden ist.