DE4402855C2 - Einrichtung zur Abwehr eines angreifenden Luftziel-Flugkörpers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der Zeitschrift PM, Heft 7/1988 (Seiten 48 bis 57, insbesondere zweiter Ab­ satz der rechten Spalte von Seite 50) ist es bekannt, den im Infrarotbereich des elektromagnetischen Strahlungsspektrums arbeitenden Suchkopf eines angreifen­ den Flugkörpers durch das Ausbringen sehr heller und heißer Leuchtkörper (sogenannter Flares) vom bedrohten Luftfahrzeug aus zu blenden bzw. abzulenken. Moderne Zielverfolgungs-Sensoren sind allerdings mit Mitteln zur Unterscheidung zwischen Flares und tatsächlich anzugreifenden Flugzielen ausgestattet, z. B. im Wege einer Zielumriß-Bildverarbeitung. Suchköpfe, deren Sensorsignale eine der­ artige Signalverarbeitung erfahren, lassen sich deshalb durch punktuelle Wärme­ quellen kaum noch ablenken. Das gilt entsprechend für den Einsatz von Aufhell- Strahlquellen zur Irritation von UV-Suchköpfen (vgl. DE-PS 41 07 533).

Bei hinreichend verfügbarer Strahlenergie ist es grundsätzlich möglich, ein Zielob­ jekt mittels eines darauf fokussierten Hochenergie-Laserstrahles thermisch und damit letztlich auch mechanisch zu beschädigen oder gar zu zerstören, jedenfalls in seiner Funktionsfähigkeit entscheidend zu beeinträchtigen. Das wird in der JP 5- 223 499 (A), offengelegt am 31. August 1993, dadurch zum Ausdruck gebracht, daß mit Hilfe einer Radareinrichtung anstelle der üblichen Flugabwehr-Kanone im Nahbereich der Strahl eines Infrarot-Laseroszillators auf den anfliegenden Flug­ körper gerichtet wird, um die in dessen Suchkopf eingebaute Infrarot-Kamera zu zerstören. Da es dabei nur um die Umsetzung thermischer Energie im Zielobjekt geht, ist die Wellenlänge des Infrarot-Laserstrahles nicht von Belang, insbesondere kommt es dafür nicht auf die Arbeitsfrequenz des Suchkopf-Sensors an. Allerdings ist für eine solche thermische Abwehrwirkung eine besondere Nachführregelung erforderlich, die ein Auswandern des Fokus aus dem ursprünglichen Einwirkungs­ bereich ins Zielobjekt aufgrund Verringerung der Reflexionseigenschaften verhin­ dert, um die thermische Zerstörungsenergie hinreichend lange auf einem Punkt des abzuwehrenden Flugkörpers zu halten, und jedenfalls bis zu mittleren Annähe­ rungsentfernungen des Zielobjekts sind zusätzlich Maßnahmen zu treffen, die ge­ eignet sind, die abträglichen Einwirkungen atmosphärischer Turbulenzen auf die Strahlgeometrie zu kompensieren, um die Strahlenergie tatsächlich auf der Oberflä­ che des abzuwehrenden Zielobjektes fokussieren zu können. In diesem Zusammen­ hang ist es aus der DE 36 23 808 A1 bekannt, einen Hochenergie-Laserstrahl über einen Nachführregler und eine adaptive Optik zum Optimieren des Strahlquer­ schnittes auch dann auf einen einmal erfaßten Zielpunkt zu halten, wenn sich das Ziel bewegt oder wenn dessen für die Nachführregelung ausgenutzte Reflexion aufgrund des Einsetzens der gewünschten thermischen Zerstörung des Materials im Zielpunkt nachläßt. Solche Hochenergie-Abwehrlaser zur thermischen Material­ zerstörung am abzuwehrenden Flugkörper arbeiten unabhängig von der Arbeitsfre­ quenz seines Infrarot-Suchkopfes, aber sie sind aufgrund des hohen Energiebedar­ fes für die Laserquelle nur für stationäre oder jedenfalls landgebundene Laser (im Einsatz gegen Flugzeuge oder große Flugkörper) geeignet. Es wäre aus energeti­ schen Gründen nicht realistisch, mit solchen Hochenergie-Lasersystemen zu Ab­ wehr von Luftziel-Flugkörpern fliegende Einrichtungen wie insbesondere etwa Transportflugzeuge ausstatten zu wollen, welche etwa kurzfristig zu humanitären Zwecken oder zur Versorgung von Krisenreaktionskräften eingesetzt werden und deshalb beispielsweise militärisch unaufgeklärtes Gelände überfliegen müssen, aus dem heraus sie durch Partisanen oder Rebellen überaus gefährdet sind, welche mit modernen, kleinkalibrigen Abwehr-Flugkörpern eingangs erwähnter Art ausgestat­ tet sind.

In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt vorliegender Erfindung die technische Problematik zugrunde, eine wirksame Abwehreinrichtung zu schaffen, mit der po­ tentiell gefährdete Luftfahrzeuge insbesondere im Hinblick auf den Betriebsener­ giebedarf unproblematisch nachrüstbar sind, um sich der Bedrohung durch such­ kopfgesteuerte Luftziel-Flugkörper zu erwehren.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die gattungsgemäße Ab­ wehr-Einrichtung nach dem Kennzeichnungsteil des Hauptanspruches ausgelegt ist.

Dieser Lösung zufolge wird das zu schützende Luftfahrzeug mit einer vergleichs­ weise kleinbauenden und insbesondere mit vergleichsweise niedriger elektrischer Energie betreibbaren Laserquelle ausgestattet, was dennoch eine wirksame Abwehr ermöglicht, weil diese Laserquelle einen Laserstrahl in einem Frequenzband abgibt, welches (im Hinblick auf die sogenannten atmosphärischen Infrarot- Strahlungsfenster) typisch für die übliche Detektionsfrequenz von Infrarot- Suchköpfen ist. Die Laserenergie ist deshalb nicht für eine thermisch-mechanische Zerstörungswirkung im abzuwehrenden Objekt auszulegen, sondern der Abwehr- Laserstrahl wirkt lediglich signalmäßig durch die Optik des Flugkörper-Suchkopfes hindurch auf seinen Sensor und stört dadurch die Sensorsignal-Auswertung für die Nachführsteuerung des abzuwehrenden Flugkörpers. Dieser bloße Störeffekt, der eine niederenergetische Laserquelle einsetzen läßt, ist dann besonders wirksam, wenn der Abwehr-Laserstrahl mit einer Frequenz getaktet ist, die der üblichen Re­ tikel-Frequenz in IR-Suchköpfen entspricht, weil dann in der Suchkopf- Signalverarbeitung der Signalanteil vom Abwehrstrahl nicht ausgeblendet werden kann, sondern zuverlässig zur elektrischen Übersteuerung der Sensoren bzw. der ihnen nachgeschalteten Signalverstärker führt.

Um angesichts der kleinbauenden, niederenergetischen Laserquelle mit einem stark gebündelten, also schmalen Abwehr-Laserstrahl arbeiten zu können, ist es zweck­ mäßig, über ein rundum suchendes Abwehrsystem mit breiterem Gesichtsfeld die aktuell gegebene Bedrohungsrichtung grob zu erfassen. Ein solches Suchsystem für die Raketenabwehr ist als handelsüblicher Sensor verfügbar, weshalb es in der nachstehenden Zeichnungsbeschreibung als Warnsenor bezeichnet wird. Mittels dieses Sensors kann dann der Laserstrahl in grob vororientiert werden, um danach von der Nachführoptik eines ebenfalls passiven Zielverfolgungssystemes mit we­ sentlich schmalerer Charakteristik auf den sich aufheizenden Dom des angreifenden Lenkflugkörpers ausgeschaltet zu werden. Wegen des kleinen Durchmessers des typischerweise tragbaren, mit Infrarot-Suchkopf ausgestatteten Flugkörpers ist die Gefahr gering, daß der Abwehr-Laserstrahl den Angreifer wieder verliert, da schon auf mittlere Annäherungs-Distanz der Durchmesser des Lenkflugkörpers deutlich kleiner ist, als der Strahlquerschnitt des Zielverfolgungssystemes.

Jedenfalls bei weiterer Annäherung an das zu schützende Luftfahrzeug wird die Suchkopf-Funktion des IR-Detektors im abzuwehrenden Flugkörper aus der ge­ pulsten Abwehr-Laserquelle nicht nur gestört sondern infolge dichterer Annähe­ rung auch durch Übersteuerung geblendet, jedenfalls dessen Zielverfolgungs- Regelschleifer außer Betrieb gesetzt. Hierfür sind, da die Funktion im Frequenz­ band des abzuwehrenden Suchkopfes selbst erfolgt, im Vergleich zur zerstörenden Abwehr mittels Hochenergie-Laserstrahlen nur sehr geringe Energiedichten im Abwehrstrahl erforderlich, wenn nur dessen Frequenz im üblichen Nutzband eines Suchkopf-Detektors liegt.

Die erfindungsgemäß ausgelegte Abwehr-Einrichtung kann autark funktionstüchtig in einen schlanken Container eingebaut sein, welcher als Außenlast unter dem ge­ rade zu schützenden Luftfahrzeug angehängt wird und beim nächsten Einsatz des zu schützenden Flugzeugs, jedenfalls bei Erschöpfung der Energieversorgung, un­ problematisch komplett gegen ein funktionstüchtiges neues Exemplar austauschbar ist.

Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen. Hier folgt die Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche stark abstrahiert skizzierten bevorzugten Reali­ sierungs- und Einsatzbeispiels zur erfindungsgemäßen Lösung. In der Zeichnung zeigt;

Fig. 1 ein typisches Einsatz-Szenario für die erfindungsgemäße Flugkörper- Abwehreinrichtung,

Fig. 2 in Prinzipdarstellung ein an das zu schützende Luftfahrzeug adaptierbares System mit der Abwehieinrichtung für das Szenario nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Funktions-Blockschaltbild für das System nach Fig. 2,

Fig. 4 in Prinzipdarstellung den Aufbau einer Laserquelle für die Einrichtung nach Fig. 3 und

Fig. 5 ein Realisierungsbeispiel für eine breitban­ dige Niederleistungs-Laserquelle zum Blenden von Infrarot-Suchköpfen mit unterschiedlichen Detektor-Nutzbändern.

Ein Luftfahrzeug 11, etwa ein vergleichsweise langsames und vor allem wenig wendiges Linien- oder Transport­ flugzeug, wie es mit Hilfs- oder Betriebsgütern für hu­ manitäre Aktionen oder für Krisenreaktionskräfte Ein­ satz findet, wird beispielsweise beim Start oder bei der Landung von einem tragbaren, kleinkalibrigen Lenk­ flugkörper 12 aus einem Hinterhalt heraus angegriffen. Der hinter einem Dom in die Spitze des Lenkflugkörpers 12 eingebaute optronische Suchkopf 13 arbeitet typisch im nahen oder ferneren Infrarotbereich des elektroma­ gnetischen Strahlungsspektrums und hat deshalb auf ein Triebwerk des Luftfahrzeuges 11 aufgeschaltet. Gewöhn­ lich weicht (wie dargestellt) die aktuelle Flugrichtung des Angreifers, bis auf die letzte Phase der Annähe­ rung, noch von der tatsächlichen Zielrichtung ab. Der also etwa längs einer Schleppkurve oder längs einer vorverlegten Schleppkurve angreifende Lenkflugkörper 12 würde etwaigen Ausweichmanövern des Luftfahrzeuges 11 (außer vielleicht in der allerletzten Angriffsphase) ohne weiteres folgen können, zumal insbesondere während des Starts und der Landung nur höchst beschränkte Aus­ weichmanöver möglich sind. Die Wirkung von aus dem Luftfahrzeug 11 abgeworfenen Heißlichtquellen (Flares) auf den Suchkopf 13 des Angreifers versagt insbesondere bei schon zu dichter Annäherung und auch dann, wenn im verfolgenden (oder frontal angreifenden) Lenkflugkörper 11 auch eine Szenenauswertung erfolgt, um den einmal aufgefaßten eigentlichen Zielumriß (also das gefährdete Luftfahrzeug 11) als Schatten vor dem Hintergrund nicht wieder aus dem Angriffskontakt zu verlieren. Deshalb hat das Luftfahrzeug 11 gewöhnlich keine Überle­ benschance gegen den angreifenden Lenkflugkörper 12.

Wenn dagegen das potentiell gefährdete Luftfahrzeug 11 mit einer Abwehreinrichtung 14 gemäß vorliegender Er­ findung ausgestattet ist, dann wird der Suchkopf 13, dessen Gesichtsfeld 15 das Luftfahrzeug 11 und damit seine Abwehreinrichtung 14 erfaßt hat, von einem Ab­ wehr-Laserstrahl 16 ins Visier genommen. Das hat zur Folge, daß der Infrarot-Detektor im Suchkopf 13 des An­ greifers zunächst mit der störenden Taktfrequenz des ge­ pulsten Abwehrstrahles 16 beaufschlagt, bei dichterer Annäherung schließlich übersteuert und in noch größerer Energiekonzentration sogar thermisch zerstört, also der Suchkopf 13 gewissermaßen geblendet und jedenfalls au­ ßer Funktion gesetzt wird. Dadurch ist die Zielauf­ schaltung des angreifenden Lenkflugkörpers 12 gestört, so daß dieser mit großer Wahrscheinlichkeit sein Ziel verfehlt, weil er abweichend von der momentanen Ziel­ richtung seine aktuelle Flugrichtung beibehält oder aber weil er abstürzt, da die Ruderansteuerung in einen Endanschlag driftet. Jedenfalls kann nach Ausfall der Lenkschleife im angreifenden Flugkörper 12 die gegebene Abweichung zwischen Flugrichtung und Zielrichtung nicht mehr ausgeregelt werden.

Um in ungesichertem Gebiet einzusetzende Luftfahrzeuge 11 rasch und technisch unproblematisch gegen die Bedro­ hung durch Lenkflugkörper 12 schützen zu können, ist die erfindungsgemäße Abwehr-Einrichtung 14 zweckmäßigerweise als autark funktionstüchtiges System in einen strömungsgünstig geformten schlanken Container 17 integriert, der wie eine Außenbord-Last unter dem Rumpf oder unter einem Flügel des Luftfahrzeuges 11 eingeklinkt werden kann. Dieser Container 17 ist hinter einem strahlentransparenten Dom 18 (Fig. 2) mit einer Nachführoptik 19 (bei der es sich wie skizziert um ein Kippspiegelsystem handeln kann) ausgestattet, die gleichzeitig in den Strahlengängen sowohl eines Ziel­ verfolgungssystems 20 wie auch einer Laserquelle 21 liegt. Beim Zielverfolgungssystem 20 kann es sich um eine Korrelationsschaltung handeln, wie sie etwa in der DE-OS 34 02 190 beschrieben ist. Es genügt aber durch­ aus schon eine einfache Track-Infrarotkamera, die vom Warnsensor 10 in Richtung 22 auf den sich annähernden Flugkörper 12 orientiert wird, der sich durch besonders heiße Regionen - etwa an den Flügelspitzen und vor al­ lem vor dem Dom seines Suchkopfs 13 - seiner Umgebung gegenüber signifikant abhebt.

Da das Zielverfolgungssystem 20 zum möglichst genauen Einhalten der Abwehr-Richtung 22 mit einer schmalen Charakteristik arbeitet, ist die Abwehreinrichtung 14 also zweckmäßigerweise zusätzlich mit einem Warnsensor 10 ausgestattet, bei dem es sich um ein handelsübliches Raketenwarnsystem zum Absuchen des Halbraumes unter dem Luftfahrzeug 11 handeln kann. Wenn dieses Warnsystem im Infrarotspektrum arbeitet, wird von ihm eventuell schon die intensivere Infrarotstrahlung erfaßt, die beim Start des angreifenden Flugkörpers 12 entsteht. Jeden­ falls weist der mit breitem Gesichtsfeld rundum su­ chende Warnsensor 10 bei Zielauffassung das Zielverfol­ gungssystem 20 grob auf die Bedrohungsrichtung 22 ein. Aufeinanderfolgende Wärmebilder des dann erfaßten Flug­ körpers 12 können noch daraufhin ausgewertet werden, ob es sich um ein in Bewegung befindliches Echtziel han­ delt, und insbesondere um eine Bedrohung des Luftfahr­ zeuges 11, während die Optik 19 für die Zielverfolgung und für den Abwehrstrahl 16 stets der aktuellen Rich­ tung 22 zum Flugkörper 12 nachgerichtet bleibt.

In dieser Nachführoptik 19 wird also auch der aus der Laserquelle 21 ausgekoppelte Laserstrahl 23 einge­ speist, der dann als Abwehrstrahl 16 direkt auf den an­ greifenden Flugkörper 12 und damit auf dessen Suchkopf 13 trifft und diesen stört, bei hinreichender Annähe­ rung dann blendet und schließlich vielleicht sogar zer­ stört.

Außer dem Zielverfolgungssystem 20 (mit der Nachführop­ tik 19) und der Laser-Quelle 21 sind in dem Container 17 deren batteriegespeisten Stromversorgungen 24, die Track-Elektronik 25 und eine Feuerleitung 26 zum Akti­ vieren der Quelle 21 nach Aufschalten des Zielverfol­ gungssystemes 20 enthalten, sowie gegebenenfalls eine ECM-Einrichtung 27 zum funktechnischen Stören gegneri­ scher Fernsteuerungen bei radargeführtem Flugkörper 12.

Um in gleicher Weise frontal und rückwärtig verfolgend angreifende Flugkörper 12 blenden zu können, kann ein Luftfahrzeug 11 mit zwei solchen Containern 17 in ge­ gensinniger Orientierung parallel zu seinem Rumpf aus­ gestattet werden, von denen der eine stirnseitige Dom in Flugrichtung und der andere Dom der Flugrichtung entgegen orientiert ist; oder ein Container 17 ist mit einem gemäß Fig. 2 halbkugelförmig nach unten vorra­ genden Dom 18 ausgestattet, der praktisch den gesamten Halbraum unter dem zu schützenden Luftfahrzeug 11 durch das Zielverfolgungssystem 20 erfassen läßt.

Der Einsatz einer etwa in der Zeitschrift OLE (Januar 1993, Seiten 18/19) näher beschriebenen Feststoff-La­ serquelle 21 mit Halbleiter-Pumpdioden 28 (Fig. 4) liefert genügend Energie zum thermischen Zerstören des Detektors in einem gegnerischen Suchkopf 13. In der Prinzipdarstellung eines Aufbaues für eine solche La­ ser-Quelle 21 sind die Kühlplatten fortgelassen, die den Laserstab 29 zur Verlustwärme-Abfuhr einfassen und erforderlichenfalls Kühlmittel-Kanäle enthalten. Vor­ zugsweise handelt es sich um einen Neodym-YAG-Stab 29 vor dem Resonator-Spiegel 30, der von zwei einander ge­ genüberliegenden Längsseiten her mittels eines Arrays von Halbleiter-Dioden 28 gepumpt wird. Durch den halb­ transparenten Auskoppelspiegel 31 hindurch wird ein Laserstrahl 23 derart gut fokussiert ausgegeben, daß im Impulsbetrieb schon auf einige 100 m Distanz zum an­ fliegenden Flugkörper 12 bereits ausreichende Blendlei­ stung verfügbar ist.

Zweckmäßig ist eine Frequenzverschiebung in das typi­ sche Arbeitsband des Infrarot-Suchkopfes 13, um schon auf größere Distanz die Stör- und Blendwirkung zu erhö­ hen. Dazu kann ein nichtlinearer Kristall oder ein op­ tischer parametrischer Verstärker zwischen der Laser­ quelle 21 und der Nachführoptik 19 des Zielverfolgungs­ systems 20 Einsatz finden. Die Taktfrequenz der gepul­ sten Laserquelle 21 entspricht der üblichen Retikel- Frequenz in einem Infrarot-Suchkopf 13, oder sie ist über einen typischen Frequenzbereich durchstimmbar. Da­ durch wird schon die Signalverarbeitung hinter dem thermischen Detektor im Suchkopf 13 gestört, noch ehe bei größerer Annäherung die Energiedichte im Abwehr­ strahl 16 zur Übersteuerung und schließlich zur thermi­ schen Zerstörung des Detektors im angreifenden Suchkopf führt.

Ein Beispiel für eine breitbandigere Laserquelle 21 ge­ ringerer, aber für den Blendeffekt durch Übersteuerung ausreichender Leistung zeigt Fig. 5. Um alle Arbeits­ bänder typischer Infrarot-Suchköpfe 13 abzudecken, sind die Laserstrahlen 23′, 23′′ und 23′′′ eines frequenz­ verdoppelten CO-2-Resonators 32′ und eines Ho:YAG-Reso­ nators 32′′ für Detektorbeeinflussung in den typischen Nutzbändern sowie eines frequenzverdreifachten Nd:YAG- Resonators 32′′′ gegen Ultraviolettstrahlung aus­ wertende Suchköpfe 13 wie skizziert über strahlaufwei­ tende Teleskope 33 und Strahlteiler 34 sowie den ge­ meinsamen Kippspiegel der Nachführoptik 19 zum ausge­ sandten Abwehrstrahl 16 kombiniert. Zur Optimierung der Strahlleistung über dem Querschnitt für eine Fokussie­ rung des Abwehrstrahles 16 im abzuwehrenden Flugkörper 12 kann vor dem Kippspiegel der Nachführoptik 19 zu­ sätzlich eine adaptive Optik oben erwähnter Art Einsatz finden.

Claims (7)

1. Einrichtung (14) zur Abwehr eines ein Luftfahrzeug (11) angreifenden Luft­ ziel-Flugkörpers (12) mit IR-Suchkopf (13) dadurch gekennzeichnet, daß das Luftfahrzeug (11) mit einer Laserquelle (21) ausgestattet ist, deren Laserstrahl (23) über die Nachführoptik (19) eines Zielverfolgungssystemes (20) auf den angreifenden Luftziel-Flugkörper (12) ausrichtbar ist, wobei der Laserstrahl (23) in einem Frequenzband arbeitet, das im Bereich der Detekti­ onsfrequenz von IR-Suchköpfen (13) liegt und mit einer Frequenz getaktet ist, die der üblichen Retikel-Frequenz von IR-Suchköpfen (13) entspricht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich ein Raketenwarnsystem (Sensor 10) aufweist, das die Hemi­ sphäre unter dem Luftfahrzeug (11) mit breitem Gesichtsfeld nach einem po­ tentiellen Angreifer absucht und das Zielverfolgungssystem (20) mit ihrem da­ gegen schmalen Gesichtsfeld sowie den gebündelten Abwehrstrahl (16) auf die aktuell erkannte Bedrohungsrichtung (22) ausrichtet und in Funktion setzt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachführoptik (19) von einer Infrarot-Track-Kamera als dem Zielver­ folgungssystem (20) gesteuert den anfliegenden Flugkörper (12) anvisiert.

4. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachführoptik (19) in einem halbkugelförmig vertikal orientierten Dom (18) arbeitet.

5. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Puls-Takt des Laserstrahles (23) variabel ist.

6. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserquelle (21) einen pulsbetriebenen Resonatorstab (29) mit an­ schließender Frequenzvervielfachung und mehrere unterschiedliche Gasresona­ toren (32) parallel betrieben aufweist, um einen resultierenden Laserstrahl (23) zu liefern, in welchem Schwingungskomponenten in den typischen Arbeitsbän­ dern von Infrarot-Detektoren im nahen und/oder fernen IR-Spektrum sowie ggf. auch im UV-Spektralband einander überlagert sind.

7. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einschließlich ihrer Stromversorgung (24) als autarkes System in einem schlanken, leicht austauschbar als Außenlast unter dem zu schützenden Luft­ fahrzeug (11) adaptierbaren Container (17) angeordnet ist.