EP1102028A2 - Infra-red camouflage system - Google Patents
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- EP1102028A2 EP1102028A2 EP00118573A EP00118573A EP1102028A2 EP 1102028 A2 EP1102028 A2 EP 1102028A2 EP 00118573 A EP00118573 A EP 00118573A EP 00118573 A EP00118573 A EP 00118573A EP 1102028 A2 EP1102028 A2 EP 1102028A2
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- infrared
- camouflage
- emissivity
- infrared camouflage
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- F41H3/00—Camouflage, i.e. means or methods for concealment or disguise
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Definitions
- the invention relates to a camouflage system for infrared (IR) camouflage for land targets.
- IR infrared
- she is particularly suitable for camouflaging military objects, especially land vehicles, against thermal imaging devices and infrared search heads.
- thermal camouflage With thermal camouflage, the aim is to adapt the thermal radiation emitted by the object to be camouflaged to the level of the respective thermal background.
- attempts are made to influence the temperature of the observable surfaces by means of constructive measures (thermal insulation, insulation, ventilation). This enables improvements in the area of the active signature, ie for internal heat sources (engine, transmission, energy units). These measures do not provide a satisfactory solution with regard to solar heating (passive signature), since the heating behavior of military objects generally differs greatly from that of a natural background.
- Proposed solutions to compensate for these deviations by active post-heating or cooling, as described, for example, in DE 32 17 977 A1 are not very practical, particularly because of the high energy consumption.
- EP 0 250 742 A1 describes a device with which the emissivity can be controlled.
- the heat radiation of an object can thus be set as desired within wide limits by controlling the heat reflection and emission components with very little energy expenditure. This greatly reduces the contrast between the thermal radiation and the background.
- these surface areas require different embodiments the camouflage.
- the known low-emitting camouflage means with a fixed and if possible low emissivity can be used because it is independent of the observation point the floor temperatures in front of the object are reflected.
- the radiation temperature of the soil is generally the same as the rest of the thermal Background identical. By transferring this temperature to that Camouflaging object can therefore have a high contrast reduction with the corresponding Camouflage gain can be achieved.
- the solution according to the invention provides that on the surface of the camouflage device a material or a layer system is used, the heat emission ⁇ (T) a strong temperature dependency with a negative gradient (d ⁇ / dT), hereinafter referred to as 'thermorefractive' material.
- the total amount of heat Q emanating from a body is composed of the intrinsic radiation (product of ⁇ and the fourth power of the surface temperature T o ) and the reflected ambient radiation (product of 1- ⁇ and the fourth power of the temperature of the reflected surrounding zone T u , typically the sky here) Q (T) ⁇ ⁇ (T O ). T O 4th + (1 - ⁇ (T O )). T U 4th
- the temperatures refer to the absolute temperature scale.
- the lower threshold temperature the transition area is advantageously the mean ambient temperature equated.
- MNM transition non-metal-to-metal phase transition
- IR-transparent non-metallic or semiconducting state
- thermorefractive material is arranged in front of a highly emissive background - there is normal, highly emissive behavior.
- metallic state IR reflective
- a material suitable for the invention that shows the described MNM transition is, for example, vanadium oxide (VO 2 ).
- thermorefractive material is in use a composite medium, a composite consisting of an IR-transparent Matrix, preferably made of polyolefin (e.g. polyethylene) and an embedded one second component.
- the second component consists of an alternative organic or polymeric material with the best possible IR transparency, but a different temperature curve for the refractive indices. Therefore can preferably liquid, waxy or partially crystalline hydrocarbons are used, but also other substances with low IR absorption in Wavelength range from 8 to 12 ⁇ m.
- the material pairing of matrix and storage is to be coordinated so that the refractive indices of both substances at ambient temperature are approximately the same, but increasing with increasing temperature differ from each other.
- Such a system shows the desired negative Temperature effect: At low temperatures, the material is homogeneously IR-transparent and it is - when the thermorefractive material is in front of a highly emissive Background is arranged - normal, high emissive behavior before, higher Temperature is increasingly scattering, leading to increased remission and thus leading to a reduction in emissivity.
- the inclusions should be significantly larger than that for thermal imaging camouflage relevant infrared wavelength of about 10 microns.
- a a suitable size for the deposits is in particular the area larger than 20 ⁇ m.
- VO 2 vanadium oxide
- the material is semiconducting and therefore IR-transparent.
- a highly emissive substrate such as anodized aluminum or a plastic film
- the overall structure has high emissivity.
- the phase change takes place and the VO 2 layer shows metallic behavior with high IR reflectivity.
- the phase change takes place at a temperature in the range of approx. 68 ° C.
- a targeted adjustment of the position of the transition temperature and the width ⁇ T of the transition area is necessary.
- One possibility for this is the doping of VO 2 with eg tungsten (GV Jorgenson, JC Lee, Solar Energy Mat. 14 (1986) 205-214). 1 shows the temperature-dependent change in the conductivity of a VO 2 layer in comparison with a tungsten-doped VO 2 layer. As you can see, the transition temperature is shifted to lower temperatures. A shift up to ambient temperatures is possible. It has been shown that the transition region can also be broadened by varying the production parameters of the layer. In this way, the emissivity of a layer can be adjusted over a wide range depending on the temperature.
- Fig. 2 shows an embodiment of the camouflage device according to the invention. It includes a support plate made of anodized aluminum, which has a high emissivity has ( ⁇ 1).
- the carrier plate is at a distance from the object to be camouflaged assembled and ventilated or otherwise thermal to the object isolated. This decouples the camouflage device from its own temperature of the vehicle, i.e. their own temperature is largely independent from possible heat sources of the object to be camouflaged.
- the carrier plate is coated with the thermorefractive layer according to the invention.
- Direct coating of the sheet is also the manufacture of the thermorefractive Layer on a self-adhesive, temperature-resistant plastic film, e.g.
- the invention cannot only be used for camouflaging essentially horizontal or upward-facing surfaces.
- the solution according to the invention can advantageously also be used for camouflaging essentially vertical surfaces (this includes surfaces slightly inclined towards the sky - up to approximately 25 ° to the vertical). It should be taken into account that the situation with predominantly vertical surface areas is a mixture of the relationships with horizontal or upward-facing surfaces on the one hand and with surfaces inclined to the ground on the other. Depending on the observation angle, the reflected heat radiation comes mainly from areas near the ground or from the sky.
- the vertical surface can be broken down into partial surfaces oriented towards the ground and towards the sky, advantageously the largest possible proportion of the radiation reflected on the camouflage device originating from the ground and the smallest possible proportion derived from the sky radiation.
- the reflection components should remain constant over the largest possible inclination angle range.
- the partial areas within the same group can have different angles ⁇ and ⁇ .
- the upward facing areas are coated with a thermorefractive material as described above, while the downward facing areas are coated with a material with low infrared emissivity. Typical values for this are ⁇ 0.5.
- the larger, downward facing area is the Soil portions reflected, with a layer with the lowest possible emissivity, i.e. maximum IR reflectivity.
- the smaller, upward facing area reflects the sky and therefore becomes - as in the case shown above horizontal surfaces - equipped with thermorefractive properties, so that sets a lower infrared emissivity on hot surfaces, which leads to a desired reduction in the radiation level of the overall arrangement contributes.
- the structure sizes of the surface structure are in particular between 12 ⁇ m and 1cm, preferably between 100 ⁇ m and 1mm.
- the structure sizes are selected so that that they are larger than the wavelength of infrared radiation and smaller than that Wavelength of radar radiation.
- a suitable size range for this is between 20 ⁇ m and 1 mm. This ensures that the radar reflection cross section is not negatively influenced by multiple reflexes.
- an IR-transparent cover layer eg a pigmented and matted polyethylene film
- additional camouflage effects can be achieved according to the principle of spot camouflage, in which a contour outline is also introduced in the infrared. This can be produced very effectively by different thicknesses of the color-providing cover layer on top, so that a spot-like pattern of the infrared signature is superimposed at all temperature states of the system.
- the (micro) structuring according to the invention can be produced depending on the structure size through various common processes such as embossing, milling, engraving or photolithographic processes take place.
- An appropriately structured tool can then e.g. for transferring the structure to a - preferably self-adhesive plastic film, e.g. by hot stamping in a calender.
- a high IR reflection is achieved by metallizing and then IR transparent colored top layer.
- Another option is one Painting the structure with low-emitting camouflage paint.
- Plastic films made of IR-transparent materials e.g. polyolefins such as PE, PP
- Hot stamping to provide the structure and the IR reflector through the back To apply metallization.
- the structuring also causes Matting necessary to reduce the visual gloss of the plastic film.
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Tarnsystem zur Infrarot(IR)-Tarnung für Landziele. Sie eignet sich insbesondere zur Tarnung militärischer Objekte, vor allem Landfahrzeuge, gegen Wärmebildgeräte und Infrarotsuchköpfe.The invention relates to a camouflage system for infrared (IR) camouflage for land targets. she is particularly suitable for camouflaging military objects, especially land vehicles, against thermal imaging devices and infrared search heads.
Bei der thermischen Tarnung wird eine Anpassung der vom zu tarnenden Objekt emittierten Wärmestrahlung auf das Niveau des jeweiligen thermischen Hintergrundes angestrebt. Dabei wird zum Beispiel versucht, die Temperatur der beobachtbaren Oberflächen durch konstruktive Maßnahmen (Wärmedämmung, Isolation, Hinterlüftung) zu beeinflussen. Verbesserungen sind hierdurch im Bereich der aktiven Signatur, d.h. für interne Wärmequellen (Motor, Getriebe, Energie-aggregate) möglich. Keine befriedigende Lösung wird durch diese Maßnahmen in bezug auf die solare Erwärmung (passive Signatur) erzielt, da das Erwärmungs-verhalten militärischer Objekte in der Regel stark von dem eines natürlichen Hintergrundes abweicht. Lösungsvorschläge, diese Abweichungen durch aktive Nachheizung bzw. Kühlung zu kompensieren, wie z.B. in DE 32 17 977 A1 beschrieben, sind vor allem wegen des hohen Energieverbrauchs wenig praktikabel.With thermal camouflage, the aim is to adapt the thermal radiation emitted by the object to be camouflaged to the level of the respective thermal background. Here, for example, attempts are made to influence the temperature of the observable surfaces by means of constructive measures (thermal insulation, insulation, ventilation). This enables improvements in the area of the active signature, ie for internal heat sources (engine, transmission, energy units). These measures do not provide a satisfactory solution with regard to solar heating (passive signature), since the heating behavior of military objects generally differs greatly from that of a natural background. Proposed solutions to compensate for these deviations by active post-heating or cooling, as described, for example, in DE 32 17 977 A1 , are not very practical, particularly because of the high energy consumption.
Andere bekannte Lösungsansätze verfolgen das Ziel, die Signaturminderung nicht
durch die Beeinflussung der tatsächlichen Oberflächentemperatur zu erzielen,
sondern durch die Veränderung des Emissionsverhaltens der Oberfläche. Es ist
bekannt, daß die Wärmeabstrahlung eines Körpers nicht nur von seiner Temperatur,
sondern auch vom Emissionsgrad ε seiner Oberfläche bestimmt wird. Der Einsatz
niedrig emittierender Oberflächenschichten zur Infrarottarnung ist bekannt und z.B. in
der DE 30 43 381 A1 und der EP 0 123 660 A1 beschrieben. Ein Problem bei dieser
Art der Tarnung mit niedrig emittierenden Tarnmitteln besteht darin, daß der IR-Reflexionsgrad
ρ bei Reduzierung des Wärmeemissionsgrads ε prinzipiell nach der
Formel ρ = 1 - ε ansteigt, und somit eine erhöhte Reflexion von Umgebungsstrahlung
auftritt. Diese überlagert die Eigenemission, so daß die Wärmeabstrahlung und somit
die beobachtbare Strahlungstemperatur bei der Reduktion des Emissionsgrads
zunehmend auch von den Temperaturen der eingespiegelten Umgebungsflächen
(Bodentemperatur, Himmelstemperatur) abhängt. Als kritisch haben sich besonders
Reflexionen aus zenithnahen Himmelsbereichen erwiesen, da sich die
Strahlungstemperaturen je nach Bewölkungszustand extrem unterscheiden und die
Signatur stark beeinflussen können. Ein bekannter Effekt bei niedrig emittierenden
Tarnmitteln ist die Beobachtung von "Cold Spots", d.h. Flächenbereiche mit einer
gegenüber dem Hintergrund zu niedrigen Strahlungstemperatur aufgrund der
Reflexion kalter Himmelsanteile.Other known solutions pursue the goal of achieving the signature reduction not by influencing the actual surface temperature, but by changing the emission behavior of the surface. It is known that the heat radiation of a body is determined not only by its temperature, but also by the emissivity ε of its surface. The use of low-emitting surface layers for infrared camouflage is known and is described, for example, in DE 30 43 381 A1 and
Um diesen Umstand zu berücksichtigen, wird in der EP 0 250 742 A1 eine Vorrichtung
beschrieben, mit der das Emissionsvermögen gesteuert werden kann. Damit
kann die Wärmeabstrahlung eines Objektes durch Steuerung der Wärmereflexions-und
Emissionsanteile mit sehr geringem Energieaufwand in weiten Grenzen nach
Wunsch eingestellt werden. Dadurch ist eine Kontrastminderung der thermischen
Abstrahlung gegenüber dem Hintergrund in hohem Maße möglich.To take this into account,
Nachteilig ist jedoch der hohe Aufwand zur Realisierung entsprechender Systeme und die Notwendigkeit für zusätzliche Meß- und Regeleinrichtungen.However, the high outlay for implementing corresponding systems is disadvantageous and the need for additional measuring and control devices.
Beim Einsatz von niedrig emittierenden Infrarot-Tarnmitteln müssen die geometrischen Besonderheiten des zu tarnenden Objekts berücksichtigt werden. Hierbei sind im wesentlichen zu unterscheiden:
- zum Boden geneigte Flächenbereiche
- horizontale oder zum Himmel geneigte Flächenbereiche
- senkrechte bzw. gering (bis ca. 25°) zum Himmel geneigte Flächenbereiche.
- Surface areas inclined to the floor
- horizontal areas or areas inclined towards the sky
- Surface areas that are perpendicular or slightly inclined (up to approx. 25 °) to the sky.
Grundsätzlich erfordern diese Flächenbereiche unterschiedliche Ausführungsformen der Tarnmittel. Für den Fall mit überwiegend zum Boden geneigten Flächen können die bekannten niedrig emittierenden Tarnmittel mit fest eingestelltem und möglichst geringem Emissionsgrad verwendet werden, da unabhängig vom Beobachtungs-standpunkt die vor dem Objekt befindlichen Bodentemperaturen reflektiert werden. Die Strahlungstemperatur des Bodens ist im allgemeinen mit dem restlichen thermischen Hintergrund identisch. Durch Übertragung dieser Temperatur auf das zu tarnende Objekt kann deshalb eine hohe Kontrastminderung mit entsprechendem Tarngewinn erzielt werden. Eingesetzt werden können in diesem Fall die bekannten LE-(=Low Emission) Tarnmittel, wie zum Beispiel niedrig emittierende Lacke (LEP=Low Emission Paint) oder niedrig emittierende Kunststoffolien (LEF=Low Emission Foil).Basically, these surface areas require different embodiments the camouflage. For the case with mostly sloping surfaces the known low-emitting camouflage means with a fixed and if possible low emissivity can be used because it is independent of the observation point the floor temperatures in front of the object are reflected. The radiation temperature of the soil is generally the same as the rest of the thermal Background identical. By transferring this temperature to that Camouflaging object can therefore have a high contrast reduction with the corresponding Camouflage gain can be achieved. In this case, the known ones can be used LE - (= Low Emission) camouflage agents, such as low-emitting paints (LEP = Low Emission Paint) or low-emitting plastic films (LEF = Low Emission Foil).
Für Flächen mit überwiegend horizontaler Ausrichtung sind die bekannten niedrig emittierende Tarnmittel nicht ohne weiteres einsetzbar. Das Problem besteht darin, daß diese Flächen, wenn sie beobachtbar sind, immer überwiegend zenithnahe Himmelstemperaturen reflektieren. Da diese Himmelstemperaturen sehr niedrig sind, dabei jedoch je nach Bewölkungszustand stark variieren können, resultiert eine extreme Abhängigkeit der reflektierten Wärmeabstrahlung vom Bewölkungszustand. In vielen Fällen werden deshalb horizontale Flächen, die mit niedrig emittierenden Tarnmitteln versehen sind, ,,Cold Spots" aufweisen, wenn durch Reflexion des kalten Himmels die Eigenemission überkompensiert wird. Niedrig emittierendes Verhalten ist nur in dem Maße erwünscht, wie infolge einer zunehmenden solaren Erwärmung der Oberfläche eine Reduzierung der thermischen Abstrahlung notwendig wird. Ähnliche Probleme bestehen bei Flächen, die nach oben ausgerichtet sind (Winkel zur Horizontalen kleiner ca. 65°). Auch sie können die Himmelsstrahlung reflektieren.The known ones are low for surfaces with a predominantly horizontal orientation emitting camouflage agents cannot be used easily. The problem is that these surfaces, if they are observable, are always predominantly near the zenith Reflect sky temperatures. Since these sky temperatures are very low, however, this can vary greatly depending on the state of cloudiness extreme dependence of the reflected heat radiation on the cloud cover. In many cases, therefore, horizontal surfaces are those with low emissivity Camouflage means are provided, "Cold Spots" if by reflection of the cold Heavens own emissions are overcompensated. Low emission behavior is only desired to the extent that due to increasing solar warming a reduction in the thermal radiation of the surface becomes necessary. Similar problems exist for surfaces that are oriented upwards (angle to the horizontal less than approx. 65 °). They can also reflect the sky radiation.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Tarnsystem für im wesentlichen horizontal oder nach oben ausgerichtete Objektoberflächen zu schaffen, mit der ohne aufwendige Mess- und Regeleinrichtungen eine effektive Tarnung erreicht werden kann.It is therefore an object of the invention to provide a camouflage system for essentially horizontal or to create upward-facing object surfaces with which without elaborate Measurement and control devices can be effectively camouflaged.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sowie ein Tarnverfahren unter Einsatz des erfindungsgemäßen Tarnmittels sind Gegenstand weiterer Ansprüche. This object is achieved with the subject matter of patent claim 1. Beneficial Designs and a camouflage process using the invention Camouflage agents are the subject of further claims.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, dass an der Oberfläche der Tarnvorrichtung ein Material oder ein Schichtsystem eingesetzt wird, dessen Wärmeemissionsgrad ε(T) eine starke Temperaturabhängigkeit mit einem negativen Gradienten (dε /dT) aufweist, im Folgenden als ,thermorefraktives' Material bezeichnet.The solution according to the invention provides that on the surface of the camouflage device a material or a layer system is used, the heat emission ε (T) a strong temperature dependency with a negative gradient (dε / dT), hereinafter referred to as 'thermorefractive' material.
Bekanntlich setzt sich die gesamte von einem Körper ausgehende Wärmemenge Q
zusammen aus der Eigenstrahlung (Produkt aus ε und der vierten Potenz der
Oberflächentemperatur To) und der reflektierten Umgebungstrahlung (Produkt aus
1-ε und der vierten Potenz der Temperatur der eingespiegelten Umgebungszone Tu,
hier typischerweise der Himmel)
Wird der Körper von einem Wärmebildgerät beobachtet, dann bestimmt dieses Gesetz die Helligkeit und die Kontrastfunktion des einzelnen Bildpunktes und damit die IR-Signatur des Objektes.If the body is observed by a thermal imaging device, then this determines Law the brightness and the contrast function of the individual pixel and thus the IR signature of the object.
Bei normalen Oberflächen mit ε → 1 überwiegt die mit der Temperatur stark zunehmende
Eigenstrahlung. Gemäß der Erfindung wird ein negativer Temperaturkoeffizient
des Emissionsgrades eingeführt und damit die Temperaturgang Q(T) so
weit wie möglich kompensiert. Wäre nur die Eigenstrahlung vorhanden, müsste die
Bedingung für ε(T) lauten:
Wichtig ist, dass der Emissionsgrad des Gesamtsystems innerhalb eines Temperaturintervalls, typischerweise etwa 20 bis 40° C, deutlich absinkt, z.B. von Werten ε ≥ 0,7 auf Werte ε≤ 0,5, z.B. von ε= 0,90 auf ε= 0,5. Die untere Schwelltemperatur des Übergangsbereiches wird vorteilhafterweise der mittleren Umgebungstemperatur gleichgesetzt.It is important that the emissivity of the entire system within a temperature interval, typically about 20 to 40 ° C, drops significantly, e.g. of values ε ≥ 0.7 to values ε≤ 0.5, e.g. from ε = 0.90 to ε = 0.5. The lower threshold temperature the transition area is advantageously the mean ambient temperature equated.
Zur praktischen Darstellung eines negativen Temperaturkoeffizienten sind verschiedene Mechanismen denkbar. Eine mögliche Ausführungsform besteht darin, ein Material mit einem Nichtmetall-Metall-Phasenübergang (MNM-Übergang) einzusetzen. Bei Umgebungstemperaturen befindet sich das Material im nichtmetallischen oder halbleitenden Zustand (IR-transparent) und es liegt - wenn das thermorefraktive Material vor einem hochemittierenden Hintergrund angeordnet ist - normales, hochemittierendes Verhalten vor. Bei zunehmender solarer Erwärmung findet ein Übergang in den metallischen Zustand statt (IR-reflektiv), welcher mit einer Absenkung des Emissionsgrades verbunden ist. Ein für die Erfindung geeignetes Material, dass den beschriebenen MNM-Übergang zeigt, ist zum Beispiel Vanadiumoxid (VO2).Various mechanisms are conceivable for the practical representation of a negative temperature coefficient. One possible embodiment is to use a material with a non-metal-to-metal phase transition (MNM transition). At ambient temperatures, the material is in the non-metallic or semiconducting state (IR-transparent) and - if the thermorefractive material is arranged in front of a highly emissive background - there is normal, highly emissive behavior. With increasing solar heating there is a transition to the metallic state (IR reflective), which is associated with a reduction in the emissivity. A material suitable for the invention that shows the described MNM transition is, for example, vanadium oxide (VO 2 ).
Eine weitere Ausführungsform für ein thermorefraktives Material besteht im Einsatz eines zusammengesetzten Mediums, eines Composites, bestehend aus einer IR-transparenten Matrix, bevorzugt aus Polyolefin (z.B. Polyethylen) und einer eingelagerten zweiten Komponente. Die zweite Komponente besteht aus einem alternativen organischen oder polymeren Material mit ebenfalls möglichst guter IR-Transparenz, aber einem unterschiedlichem Temperaturverlauf der Brechungsindices. Dafür können bevorzugt flüssige, wachsartige oder teilkristalline Kohlenwasserstoffe eingesetzt werden, aber auch andere Substanzen mit geringer IR-Absorption im Wellenlängenbereich von 8 bis 12 µm. Die Materialpaarung von Matrix und Einlagerung ist so abzustimmen, dass die Brechungsindices beider Stoffe bei Umgebungstemperatur annähernd gleich sind, mit steigender Temperatur aber zunehmend voneinander abweichen. Ein derartiges System zeigt den gewünschten negativen Temperatureffekt: Bei niedrigen Temperaturen ist das Material homogen IR-transparent und es liegt - wenn das thermorefraktive Material vor einem hochemittierenden Hintergrund angeordnet ist - normales, hochemittierendes Verhalten vor, bei höherer Temperatur tritt zunehmend Streuung auf, welche zu einer erhöhten Remission und damit zu einer Absenkung des Emissionsgrades führt. Um den Streueffekt wirksam zu gestalten, sollten die Einlagerungen deutlich größer als die für die Wärmebild-tarnung relevante Infrarotwellenlänge von etwa 10 µm ausgeführt werden. Eine geeignete Größe für die Einlagerungen ist insbesondere der Bereich größer 20 µm.Another embodiment for a thermorefractive material is in use a composite medium, a composite consisting of an IR-transparent Matrix, preferably made of polyolefin (e.g. polyethylene) and an embedded one second component. The second component consists of an alternative organic or polymeric material with the best possible IR transparency, but a different temperature curve for the refractive indices. Therefore can preferably liquid, waxy or partially crystalline hydrocarbons are used, but also other substances with low IR absorption in Wavelength range from 8 to 12 µm. The material pairing of matrix and storage is to be coordinated so that the refractive indices of both substances at ambient temperature are approximately the same, but increasing with increasing temperature differ from each other. Such a system shows the desired negative Temperature effect: At low temperatures, the material is homogeneously IR-transparent and it is - when the thermorefractive material is in front of a highly emissive Background is arranged - normal, high emissive behavior before, higher Temperature is increasingly scattering, leading to increased remission and thus leading to a reduction in emissivity. To make the scattering effect effective to design, the inclusions should be significantly larger than that for thermal imaging camouflage relevant infrared wavelength of about 10 microns. A a suitable size for the deposits is in particular the area larger than 20 μm.
Infolge der temperaturabhängigen Selbststeuerung der erfindungsgemäßen Tarnvorrichtung wird keinerlei zusätzliche Steuerungselektronik wie z.B. Sensoren, Aktoren, Ansteuerungselektronik und Verkabelung benötigt. Vielmehr stellen sich die für eine effektive Tarnung notwendigen Emissionsgrade und somit die Strahlungstemperaturen selbständig ein. Auch die genaue, ortsaufgelöste Bestimmung der Oberflächentemperatur, die bei einer eingangs erwähnten Tarnvorrichtung gemäß dem Stand der Technik zur Einstellung des Emissionsgrades für jedes aktiv steuerbare IR-Tarnelement erforderlich ist, entfällt.As a result of the temperature-dependent self-control of the camouflage device according to the invention no additional control electronics such as Sensors, actuators, Control electronics and cabling required. Rather, they pose for one effective camouflage necessary emissivities and thus the radiation temperatures independently. The exact, spatially resolved determination of the surface temperature, the in a camouflage device mentioned at the beginning according to State of the art for setting the emissivity for each actively controllable camouflage IR element is required is not applicable.
Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Vorteile sind:
- Es wird eine hohe IR-Tarnwirksamkeit für unterschiedlichste Objekte erreicht;
- Die erfindungsgemäße Tarnvorrichtung ist in Form kostengünstiger, robuster Elemente realisierbar;
- Eine zusätzliche visuelle Tarnung in beliebiger Farbgebung ist möglich.
- A high IR camouflage effectiveness is achieved for different objects;
- The camouflage device according to the invention can be implemented in the form of inexpensive, robust elements;
- Additional visual camouflage in any color is possible.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- ein Diagramm des temperaturabhängigen spezifischen Widerstands einer wolframdotierten VO2-Schicht im Vergleich zu einer undotierten VO2-Schicht;
- Fig. 2
- eine konkrete Ausführung der erfindungsgemäßen Tarnvorrichtung;
- Fig. 3
- eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Tarnvorrichtung;
- Fig. 4
- die auf die Himmelsstrahlung bzw. auf die Bodenstrahlung entfallenden Anteile der an der Tarnvorrichtung nach Fig. 3 reflektierten Strahlung in Abhängigkeit von der Beobachtungsrichtung;
- Fig. 5
- die scheinbare Objekttemperatur in Abhängigkeit von der Beobachtungsrichtung bei Einsatz einer erfindungsgemäßen Tarnvorrichtung (Kurve b) im Vergleich zu einer bekannten Tarnvorrichtung (Kurve a).
- Fig. 1
- a diagram of the temperature-dependent specific resistance of a tungsten-doped VO 2 layer compared to an undoped VO 2 layer;
- Fig. 2
- a concrete embodiment of the camouflage device according to the invention;
- Fig. 3
- a further embodiment of the camouflage device according to the invention;
- Fig. 4
- the proportions of the radiation reflected on the sky radiation or on the ground radiation reflected on the camouflage device according to FIG. 3 as a function of the direction of observation;
- Fig. 5
- the apparent object temperature as a function of the direction of observation when using a camouflage device according to the invention (curve b) compared to a known camouflage device (curve a).
Eine erfindungsgemäße Ausführung der Erfindung wird im Folgenden anhand des
Vanadiumoxids (VO2), das den beschriebenen MNM-Übergang zeigt, näher erläutert.
Unterhalb einer bestimmten Übergangstemperatur ist das Material halbleitend und
somit IR-transparent. Auf einem hochemittierenden Substrat, wie anodisiertem
Aluminium oder einer Kunststofffolie, liegt somit hohes Emissionsvermögen der
Gesamtstruktur vor. Bei Erwärmung oberhalb einer spezifischen Sprungtemperatur
findet der Phasenwechsel statt und die VO2-Schicht zeigt metallisches Verhalten mit
hoher IR-Reflektivität. Der Phasenwechsel findet bei einer Temperatur im Bereich
von ca. 68°C statt.
Um diesen Effekt zur IR-Tarnung nutzen zu können, ist eine gezielte Einstellung der
Lage der Übergangstemperatur sowie der Breite ΔT des Übergangsbereichs nötig.
Dies kann durch eine Anpassung der temperaturabhängigen elektrischen Leitfähigkeit
des Vanadiumdioxids und damit verbunden der IR-Reflektivität erreicht werden.
Eine Möglichkeit hierfür ist die Dotierung von VO2 mit z.B. Wolfram (G.V. Jorgenson,
J.C. Lee, Solar Energy Mat. 14(1986)205-214). Fig. 1 zeigt die temperaturabhängige
Änderung der Leitfähigkeit einer VO2-Schicht im Vergleich mit einer wolframdotierten
VO2-Schicht. Wie man sieht, wird die Übergangstemperatur zu niedrigeren Temperaturen
verschoben. Eine Verschiebung bis zu Umgebungstemperaturen ist möglich.
Es hat sich gezeigt, daß auch eine Verbreiterung des Übergangsbereiches durch
Variation der Herstellungsparameter der Schicht möglich ist. Auf diese Weise lässt
sich der Emissionsgrad einer Schicht in Abhängigkeit von der Temperatur in weiten
Bereichen einstellen.An embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the vanadium oxide (VO 2 ), which shows the MNM transition described. Below a certain transition temperature, the material is semiconducting and therefore IR-transparent. On a highly emissive substrate, such as anodized aluminum or a plastic film, the overall structure has high emissivity. When heated above a specific transition temperature, the phase change takes place and the VO 2 layer shows metallic behavior with high IR reflectivity. The phase change takes place at a temperature in the range of approx. 68 ° C.
In order to be able to use this effect for IR camouflage, a targeted adjustment of the position of the transition temperature and the width ΔT of the transition area is necessary. This can be achieved by adapting the temperature-dependent electrical conductivity of the vanadium dioxide and the associated IR reflectivity. One possibility for this is the doping of VO 2 with eg tungsten (GV Jorgenson, JC Lee, Solar Energy Mat. 14 (1986) 205-214). 1 shows the temperature-dependent change in the conductivity of a VO 2 layer in comparison with a tungsten-doped VO 2 layer. As you can see, the transition temperature is shifted to lower temperatures. A shift up to ambient temperatures is possible. It has been shown that the transition region can also be broadened by varying the production parameters of the layer. In this way, the emissivity of a layer can be adjusted over a wide range depending on the temperature.
Eine erfindungsgemäße Lösung zur Herstellung einer selbstadaptierenden Tarnung für horizontale oder nach oben ausgerichtete Flächen, z.B. eines Fahrzeugs, sieht somit ein Tarnelement mit thermorefraktiver Beschichtung vor, wobei das Emissionsvermögen der Schicht so eingestellt ist, daß unter Berücksichtigung des Einsatzzwecks des Fahrzeugs und gegebenenfalls der Jahreszeit, bei Umgebungstemperaturen hochemittierendes Verhalten vorliegt und bei zunehmender Temperatur die Emission abnimmt.A solution according to the invention for producing a self-adapting camouflage for horizontal or upward-facing surfaces, e.g. of a vehicle thus a camouflage element with a thermorefractive coating, the emissivity the layer is set so that taking into account the intended use of the vehicle and, if applicable, the season, at ambient temperatures highly emissive behavior and with increasing temperature the Emission decreases.
Fig. 2 zeigt eine Ausführung der erfindungsgemäßen Tarnvorrichtung. Sie umfasst ein Trägerblech aus anodisiertem Aluminium, das einen hohen Emissionsgrad aufweist (ε≈1) aufweist. Das Trägerblech wird mit Abstand zu dem tarnenden Objekt montiert und hinterlüftet oder auf sonstige Weise gegenüber dem Objekt thermisch isoliert. Dadurch wird eine Abkopplung der Tarnvorrichtung von der Eigentemperatur des Fahrzeugs bewirkt, d.h. ihre Eigentemperatur stellt sich weitgehend unabhängig von eventuellen Wärmequellen des zu tarnenden Objekts ein. Das Trägerblech wird mit der erfindungsgemäßen thermorefraktiven Schicht beschichtet. Alternativ zur direkten Beschichtung des Blechs ist auch die Herstellung der thermorefraktiven Schicht auf einer selbstklebenden, temperaturbeständigen Kunststoffolie, z.B. aus Polyimid, möglich, die dann auf die Trägerschicht geklebt werden kann. Zur Erhaltung der visuellen Tarnwirkung kann die thermorefraktive Schicht mit einer IR-transparenten Deckschicht (z.B. einer pigmentierten und mattierten Polyethylenfolien) versehen werden. Sie bildet den äußern Abschluss des Systems in Richtung auf den Beobachter.Fig. 2 shows an embodiment of the camouflage device according to the invention. it includes a support plate made of anodized aluminum, which has a high emissivity has (ε≈1). The carrier plate is at a distance from the object to be camouflaged assembled and ventilated or otherwise thermal to the object isolated. This decouples the camouflage device from its own temperature of the vehicle, i.e. their own temperature is largely independent from possible heat sources of the object to be camouflaged. The carrier plate is coated with the thermorefractive layer according to the invention. As an alternative to Direct coating of the sheet is also the manufacture of the thermorefractive Layer on a self-adhesive, temperature-resistant plastic film, e.g. out Polyimide, possible, which can then be glued to the carrier layer. To preserve The thermal camouflage effect can be visually disguised with an IR-transparent Top layer (e.g. a pigmented and matted polyethylene film) be provided. It forms the external conclusion of the system towards the Observer.
Der IR-Tarnmechanismus dieser Vorrichtung besteht im Zusammenspiel von drei Effekten:
- Bei geringer Oberflächentemperatur (Nacht, starke Bewölkung mit geringer Sonneneinstrahlung) ist kein Tarnbedarf vorhanden und der Emissionsgrad der Anordnung ist hoch. Die scheinbare Oberflächentemperatur ist der umgebenden Lufttemperatur und damit der des Hintergrunds gut angepasst.
- Bei solarer Erwärmung nimmt die Vorrichtung mit steigender Temperatur geringere Emissionsgrade an und kompensiert damit die thermische Abstrahlung.
- Da bei Sonnenschein typischerweise geringe Bewölkung und damit niedrige Himmelstemperaturen vorherrschen, kann das temperaturabhängige Emissionsverhalten der thermorefraktiven Schicht relativ gut voreingestellt werden und somit die Temperaturkompensation sehr effektiv stattfinden.
- With a low surface temperature (night, heavy cloud cover with little sunshine) there is no need for camouflage and the emissivity of the arrangement is high. The apparent surface temperature is well adapted to the surrounding air temperature and therefore that of the background.
- With solar heating, the device assumes lower emissivities with increasing temperature and thus compensates for the thermal radiation.
- Since there is typically little cloudiness and therefore low sky temperatures when the sun shines, the temperature-dependent emission behavior of the thermorefractive layer can be preset relatively well and the temperature compensation can therefore take place very effectively.
Die Erfindung kann jedoch nicht nur zur Tarnung von im wesentlichen horizontaler
oder nach oben ausgerichteter Flächen eingesetzt werden. Wie im folgenden näher
erläutert werden wird, kann die erfindungsgemäße Lösung vorteilhaft auch bei der
Tarnung von im wesentlichen senkrechten Flächen (dies schließt gering zum Himmel
geneigte Flächen - bis ca. 25° zur Vertikalen - mit ein) verwendet werden. Dabei ist
zu berücksichtigen, dass die Situation bei überwiegend senkrechten Flächenbereichen
eine Mischung der Verhältnisse bei horizontalen bzw. nach oben ausgerichteten
Flächen einerseits und bei zum Boden geneigten Flächen andererseits ist.
Je nach Beobachtungswinkel stammt die reflektierte Wärmestrahlung überwiegend
von bodennahen Bereichen oder aus der Himmelsstrahlung. Problematisch ist dabei,
dass bereits geringe Änderungen des Beobachtungswinkels (oder äquivalent:
geringe Änderung der Flächenneigung, z.B. bei bewegten getarnten Objekten) eine
starke Änderung im Verhältnis dieser Anteile bewirken.
Durch geeignete Oberflächenstrukturen kann eine Zerlegung der senkrechten Fläche
in zum Boden ausgerichtete und zum Himmel ausgerichtet Teilflächen erfolgt, wobei
vorteilhafterweise ein möglichst großer Anteil der an der Tarnvorrichtung reflektierten
Strahlung vom Boden und ein möglichst geringer Anteil von der Himmelsstrahlung
stammt. Dabei sollten die Reflexionsanteile über einen möglichst großen Neigungs-winkelbereich
konstant bleiben. Dies kann durch eine Oberflächenstruktur erreicht
werden, die ausschließlich aus zwei Gruppen von Teilflächen besteht, wobei die
Teilflächen der ersten Gruppe nach unten ausgerichtet sind und mit der Vertikalen
einen Winkel α zwischen 5° und 45° bilden und die Teilflächen der zweiten Gruppe
nach oben ausgerichtet sind, und mit der Vertikalen einen Winkel β zwischen 40° und
85° bilden, wobei α+β < 90° ist. Dabei können die Teilflächen innerhalb derselben
Gruppe unterschiedliche Winkel α bzw. β aufweisen.
Die nach oben ausgerichteten Teilflächen werden mit einem thermorefraktiven
Material, wie oben beschrieben, beschichtet, während die nach unten ausgerichteten
Teilflächen mit einem Material mit niedrigem Infrarot-Emissionsgrad beschichtet
werden. Typische Werte hierfür sind ε≤ 0,5. However, the invention cannot only be used for camouflaging essentially horizontal or upward-facing surfaces. As will be explained in more detail below, the solution according to the invention can advantageously also be used for camouflaging essentially vertical surfaces (this includes surfaces slightly inclined towards the sky - up to approximately 25 ° to the vertical). It should be taken into account that the situation with predominantly vertical surface areas is a mixture of the relationships with horizontal or upward-facing surfaces on the one hand and with surfaces inclined to the ground on the other. Depending on the observation angle, the reflected heat radiation comes mainly from areas near the ground or from the sky. The problem here is that even small changes in the observation angle (or equivalent: slight change in the inclination of the surface, for example in the case of moving camouflaged objects) cause a strong change in the ratio of these parts.
By means of suitable surface structures, the vertical surface can be broken down into partial surfaces oriented towards the ground and towards the sky, advantageously the largest possible proportion of the radiation reflected on the camouflage device originating from the ground and the smallest possible proportion derived from the sky radiation. The reflection components should remain constant over the largest possible inclination angle range. This can be achieved by means of a surface structure which consists exclusively of two groups of partial areas, the partial areas of the first group being oriented downward and forming an angle α with the vertical between 5 ° and 45 ° and the partial areas of the second group being oriented upward and form an angle β between 40 ° and 85 ° with the vertical, where α + β <90 °. The partial areas within the same group can have different angles α and β.
The upward facing areas are coated with a thermorefractive material as described above, while the downward facing areas are coated with a material with low infrared emissivity. Typical values for this are ε≤ 0.5.
Eine geometrische Struktur, die diese Eigenschaften aufweist, ist in Fig. 3 gezeigt.
Sie besteht aus einer regelmäßigen Folge von Erhebungen mit dreieckigem Querschnitt,
deren Hypothenusen (Länge L) im wesentlichen vertikal ausgerichtet ist. Es
handelt sich um eine Rillenstruktur mit horizontal ausgerichteten asymmetrischen
Rillen. Die Geometrie der Struktur ist durch die Winkel α und β und durch die
Strukturgröße L eindeutig festgelegt. Der Winkel ϕ ist der Blickwinkel eines
Beobachters zur Horizontalen. Geeignete Wertebereiche für die Winkel α,β sind:
Unter Berücksichtigung der Reflexionsverhältnisse der beiden beobachtbaren Teilflächen bei verschiedenen Winkeln ϕ können die Anteile ermittelt werden, die sich bei unterschiedlichen Winkeln α und β der Struktur ergeben. Fig. 4 zeigt die prozentualen Anteile der vom Boden bzw. Himmel bei verschiedenen Beobachtungswinkeln ϕ reflektierten Strahlung dieser Struktur für eine besonders günstige Geometrie mit α=15° und β=65°. Wie man sieht, sind über einen großen Winkelbereich die reflektierten Anteile, die vom Himmel bzw. vom Boden stammen, annähernd konstant, wobei der Bodenanteil wunschgemäß sehr hoch ist.Taking into account the reflection ratios of the two observable Partial areas at different angles ϕ can be determined the proportions that at different angles α and β of the structure. Fig. 4 shows the percentages Proportion of the from the ground or sky at different observation angles ϕ reflected radiation of this structure for a particularly favorable geometry α = 15 ° and β = 65 °. As you can see, over a large angular range are the reflected ones Parts coming from the sky or from the ground are almost constant, the proportion of soil as desired is very high.
Für maximale Wirksamkeit ist die größere, nach unter gerichtete Teilfläche, die die Bodenanteile reflektiert, mit einer Schicht mit möglichst geringem Emissionsgrad, d.h. maximaler IR-Reflektivität, auszustatten. Die kleinere, nach oben gerichtete Teilfläche reflektiert den Himmel und wird deshalb - wie im weiter oben dargestellten Fall horizontaler Flächen - mit thermorefraktiven Eigenschaften ausgestattet, so dass sich bei heißen Flächen ein niedrigerer Infrarot-Emissionsgrad einstellt, das zu einer gewünschten Absenkung des Strahlungsniveaus der Gesamtanordnung beiträgt.For maximum effectiveness, the larger, downward facing area is the Soil portions reflected, with a layer with the lowest possible emissivity, i.e. maximum IR reflectivity. The smaller, upward facing area reflects the sky and therefore becomes - as in the case shown above horizontal surfaces - equipped with thermorefractive properties, so that sets a lower infrared emissivity on hot surfaces, which leads to a desired reduction in the radiation level of the overall arrangement contributes.
Fig. 5 zeigt die Strahlungstemperaturen von zwei Flächen mit gleichem Emissionsvermögen, die bei verschiedenen Beobachtungswinkeln ϕ gemessen wurden, wobei die mit a gekennzeichnete Kurve die Messwerte einer unstrukturierten Fläche und die mit b gekennzeichnete Kurve die Messwerte einer erfindungsgemäßen Struktur wiedergibt. Man erkennt, daß die Strahlungstemperaturen der unstrukturierten Probe ab einem bestimmten Winkel durch Reflexion einer kalten Himmelsfläche stark absinkt, während die strukturierte Probe in der gleichen Strahlungsumgebung wunschgemäß praktisch keine derartige Winkelabhängigkeit zeigt.5 shows the radiation temperatures of two surfaces with the same emissivity, which were measured at different observation angles ϕ, where the curve marked with a the measured values of an unstructured surface and the curve marked b the measured values of a structure according to the invention reproduces. It can be seen that the radiation temperatures of the unstructured sample strong from a certain angle due to reflection of a cold sky surface drops while the structured sample is in the same radiation environment practically shows no such angle dependency as desired.
Die Strukturgrößen der Oberflächenstruktur liegen insbesondere zwischen 12µm und 1cm, bevorzugt zwischen 100µm und 1 mm.The structure sizes of the surface structure are in particular between 12 μm and 1cm, preferably between 100µm and 1mm.
Die Strukturgrößen werden in einer besonders vorteilhaften Ausführung so gewählt, dass sie größer sind als die Wellenlänge von Infrarot-Strahlung und kleiner als die Wellenlänge von Radarstrahlung. Ein hierfür geeigneter Größenbereich ist der zwischen 20µm und 1 mm. Dadurch ist sichergestellt, dass der Radarrückstrahlquer-schnitt durch Mehrfachreflexe nicht negativ beeinflusst wird.In a particularly advantageous embodiment, the structure sizes are selected so that that they are larger than the wavelength of infrared radiation and smaller than that Wavelength of radar radiation. A suitable size range for this is between 20 µm and 1 mm. This ensures that the radar reflection cross section is not negatively influenced by multiple reflexes.
Zur Erhaltung der visuellen Tarnwirkung kann als äußerer Abschluss der Tarnvorrichtung
eine IR-transparente Deckschicht (z.B. eine pigmentierte und mattierte
Polyethylenfolie) vorgesehen werden.
Darüber hinaus lassen sich zusätzliche Tarneffekte nach dem Prinzip des Flecken-tarnanstrichs
erreichen, in dem auch im Infraroten eine Konturzerreißung eingeführt
wird. Dies kann sehr effektiv durch unterschiedliche Dicken der obenliegenden
farbgebenden Deckschicht erzeugt werden, so dass bei allen Temperaturzuständen
des Systems eine fleckenartige Musterung der Infrarotsignatur überlagert wird.To maintain the visual camouflage effect, an IR-transparent cover layer (eg a pigmented and matted polyethylene film) can be provided as the outer end of the camouflage device.
In addition, additional camouflage effects can be achieved according to the principle of spot camouflage, in which a contour outline is also introduced in the infrared. This can be produced very effectively by different thicknesses of the color-providing cover layer on top, so that a spot-like pattern of the infrared signature is superimposed at all temperature states of the system.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen (Mikro-)Strukturierung kann je nach Strukturgröße durch verschiedene gängige Verfahren wie Prägen, Fräsen, Gravieren oder photolithographische Verfahren erfolgen. Ein entsprechend strukturiertes Werkzeug kann dann z.B. zur Übertragung der Struktur auf eine - bevorzugt selbstklebende-Kunststoffolie, z.B. durch Heißprägen in einem Kalander, verwendet werden. Eine hohe IR-Reflexion wird durch Metallisieren und einer anschließenden IR-transparenten farbgebenden Deckschicht erzeugt. Eine andere Möglichkeit besteht in einer Lackierung der Struktur mit niedrig emittierendem Tarnlack. The (micro) structuring according to the invention can be produced depending on the structure size through various common processes such as embossing, milling, engraving or photolithographic processes take place. An appropriately structured tool can then e.g. for transferring the structure to a - preferably self-adhesive plastic film, e.g. by hot stamping in a calender. A high IR reflection is achieved by metallizing and then IR transparent colored top layer. Another option is one Painting the structure with low-emitting camouflage paint.
Bei sehr kleinen Strukturgrößen (L ca. 100µm) ist es auch möglich, eingefärbte Kunststoffolien aus IR-transparenten Materialien (z.B. Polyolefine wie PE,PP) durch Heißprägen mit der Struktur zu versehen und den IR-Reflektor durch rückseitige Metallisierung aufzubringen. Die Strukturierung bewirkt in diesem Fall zusätzlich die notwendige Mattierung zur Reduzierung des visuellen Glanzes der Kunststoffolie.With very small structure sizes (L approx. 100µm) it is also possible to use colored ones Plastic films made of IR-transparent materials (e.g. polyolefins such as PE, PP) Hot stamping to provide the structure and the IR reflector through the back To apply metallization. In this case, the structuring also causes Matting necessary to reduce the visual gloss of the plastic film.
Ein Gesamtsystem zur Tarnung eines Objekts unter Einsatz der erfindungsgemäßen Tarnvorrichtung weist somit folgenden Aufbau auf:
- Die nach unten gerichteten Flächenbereiche des zu tarnenden Objekts werden mit einem Material versehen, das einen niedrigen Infrarot-Emissionsgrad aufweist. Typische Werte hierfür sind ε≤ 0,5.
- Die nach oben oder horizontal ausgerichteten Flächenbereiche des zu tarnenden Objekts werden mit einem Material versehen, das bei Temperaturerhöhung einen Phasenübergang von einem metallischen Zustand in einen halbleitenden Zustand durchläuft und somit seinen Infrarot-Emissionsgrad ohne äußeren Regelmechanismus an die veränderten Umweltbedingungen anpasst.
- Auf senkrechten Flächenbereichen des zu tarnenden Objekts bewirkt (Mikro-) Strukturierung die Aufteilung der Fläche in nach oben gerichtete Anteile und nach unten gerichtet Anteile.
- The downward-facing surface areas of the object to be camouflaged are provided with a material that has a low infrared emissivity. Typical values for this are ε≤ 0.5.
- The surface areas of the object to be camouflaged, which are oriented upwards or horizontally, are provided with a material which, when the temperature rises, undergoes a phase transition from a metallic state to a semiconducting state and thus adjusts its infrared emissivity to the changed environmental conditions without an external control mechanism.
- On vertical surface areas of the object to be camouflaged, (micro-) structuring causes the surface to be divided into parts pointing upwards and parts pointing downwards.
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