[0001] Die Erfindung betrifft eine Tarnvorrichtung zur Infrarot(IR)-Tarnung für Landziele.
Sie eignet sich insbesondere zur Tarnung militärischer Objekte, vor allem Landfahr-zeuge,
gegen Wärmebildgeräte und Infrarotsuchköpfe.
[0002] Bei der thermischen Tarnung wird eine Anpassung der vom zu tarnenden Objekt emittierten
Wärmestrahlung auf das Niveau des jeweiligen thermischen Hinter-grundes 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 Hinter-grundes
abweicht. Lösungsvorschläge, diese Abweichungen durch aktive Nach-heizung bzw. Kühlung
zu kompensieren, wie z.B. in
DE 32 17 977 A1 beschrieben, sind vor allem wegen des hohen Energieverbrauchs wenig praktikabel.
[0003] 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 p 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 deren Strahlungs-temperaturen 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.
[0004] 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.
[0005] Nachteilig ist jedoch der hohe Aufwand zur Realisierung entsprechender Systeme und
die Notwendigkeit für zusätzliche Meß- und Regeleinrichtungen.
[0006] 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° zur Vertikalen) zum Himmel geneigte Flächenbereiche.
[0007] 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).
[0008] 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.
[0009] Die Situation bei der Tarnung von im wesentlich senkrechten Flächen (dies schließt
gering zum Himmel geneigte Flächen - bis ca. 25° zur Vertikalen - mit ein) ist eine
Mischung der bereits beschriebenen Verhältnissen bei horizontalen bzw. nach oben ausgerichteten
Flächen einerseits und bei zum Boden geneigten Flächen andererseits. Je nach Beobachtungswinkel
stammt die am Tarnmittel reflektierte Wärmestrahlung überwiegend von bodennahen Bereichen
oder aus der Himmels-strahlung. Problematisch ist dabei, dass bereits geringe Änderungen
des Beobach-tungswinkels (oder äquivalent: geringe Änderung der Flächenneigung, z.B.
bei bewegten getarnten Objekten) eine starke Änderung im Verhältnis dieser Anteile
bewirken.
[0010] Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Tarnvorrichtung für im wesentlichen senkrecht
ausgerichtete Objektoberflächen zu schaffen, mit dem ohne aufwendige Mess- und Regeleinrichtungen
eine effektive Tarnung erreicht werden kann. Dabei sollten die auf die Himmelsstrahlung
bzw. auf die Bodenstrahlung entfallenden Anteile der reflektierten Strahlung über
einen möglichst großen Neigungswinkelbereich konstant bleiben.
[0011] Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausführungen sowie ein Tarnverfahren unter Einsatz des erfindungsgemäßen Tarnmittels
sind Gegenstand weiterer Ansprüche.
[0012] Der grundlegende Gedanke der Erfindung besteht darin, eine Zerlegung der Oberfläche
in zum Boden geneigte und zum Himmel geneigte Teilflächen vorzusehen, wobei ein möglichst
großer Anteil der an der Tarnvorrichtung reflektierten Strahlung vom Boden und ein
möglichst geringer Anteil von der Himmelsstrahlung stammt oder nur wärmere horizontnahe
Himmelsbereiche reflektiert werden. Dies kann erfin-dungsgemäß 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 a zwischen 5° und 45° bilden und die Teilflächen der zweiten Gruppe nach
oben ausgerichtet sind, und mit der Vertikalen einen Winkel β zwischen 50° und 85°
bilden, wobei α+β < 90° ist. Dabei können die Teilflächen innerhalb derselben Gruppe
unterschiedliche Winkel α bzw. β aufweisen.
[0013] Die Gesamtfläche aller nach oben ausgerichteten Teilflächen ist vorteilhaft geringer
als die Gesamtfläche aller nach unten ausgerichteter Teilflächen.
[0014] Die Strukturgrößen der Oberflächenstruktur liegen insbesondere zwischen 12 µm und
1 cm, bevorzugt zwischen 100 µm und 1 mm.
[0015] 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 1mm. Dadurch ist sichergestellt, dass durch die erfindungs-gemäße Struktur
der Radarrückstrahlquerschnitt durch Mehrfachreflexe nicht negativ beeinflusst wird.
[0016] Zur Erhaltung der visuellen Tarnwirkung kann als äußerer Abschluss der Tarnvorrichtung
in Richtung des Beobachters 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 der Infrarotsignatur
eine fleckenartige Musterung überlagert wird.
[0017] Vorteilhaft werden die nach unten ausgerichteten Teilflächen, die die Bodenanteile
reflektieren, von einem Material mit möglichst geringem Infrarot-Emissionsgrad, d.h.
maximaler Infrarot-Reflektivität gebildet. Typische Werte hierfür sind ε ≤ 0,5.
[0018] Die nach oben ausgerichteten Teilflächen, die die Himmelsstrahlung reflektieren,
können von einem Material mit hohem Infrarot-Emissionsgrad (insbesondere ε ≥ 0,8,
z.B. ε ≈ 0,9) gebildet werden, so dass die Reflexion von Himmelsstrahlung unterdrückt
werden kann.
[0019] Die erfindungsgemäße Tarnvorrichtung benötigt keinerlei zusätzliche Steuerungselektronik
wie z.B. Sensoren, Aktoren, Ansteuerungselektronik und Verkabelung. 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.
[0020] Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung 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.
[0021] Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- eine konkrete Ausführung der erfindungsgemäßen Tarnvorrichtung;
- Fig. 2
- die auf die Himmelsstrahlung bzw. auf die Bodenstrahlung entfallenden Anteile der
an der Tarnvorrichtung nach Fig. 1 reflektierten Strahlung in Abhängigkeit von der
Beobachtungsrichtung;
- Fig. 3
- die scheinbare Objekttemperatur in Abhängigkeit von der Beobachtungsrichtung bei Einsatz
einer erfindungsgemäßen Tarnvorrichtung (Kurve b) im Vergleich zu einer bekannten
Tarnvorrichtung (Kurve a).
[0022] Fig. 1 zeigt eine Ausführung der erfindungsgemäßen Oberflächenstruktur. 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 a 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:
α: [5, 45]; bevorzugt [15,25]
β: [50,85]; bevorzugt [55,70].
[0023] 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. 2 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.
[0024] Für maximale Wirksamkeit ist die größere, nach unten gerichtete Teilfläche, die die
Bodenanteile reflektiert, mit einer Schicht mit möglichst geringem Emissionsgrad,
d.h. maximaler IR-Reflektivität, auszustatten. Die nach oben ausgerichteten Teilflächen,
die die Himmelsstrahlung reflektieren, können von einem Material mit hohem Infrarot-Emissionsgrad
gebildet werden, so dass jegliche Reflexion aus dem Himmel unterdrückt werden kann.
[0025] Fig. 3 zeigt die Strahlungstemperaturen von zwei Flächen mit gleichem Emissionsgrad,
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.
[0026] 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.
[0027] Bei sehr kleinen Strukturgrößen (L ca. 100 µm) 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.
[0028] 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 ausgerichteten Flächenbereiche des zu tarnenden Objekts werden mit einem
Material versehen, das einen hohen Infrarot-Emissionsgrad aufweist (insbesondere ε
≥ 0,8).
- Auf senkrechten Flächenbereichen des zu tarnenden Objekts bewirkt eine (Mikro-)Strukturierung
die Aufteilung der Fläche in nach oben gerichtete Teilflächen und in nach unten gerichtete
Teilflächen.
1. Infrarot-Tarnvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass sie eine dem Beobachter zugewandte Oberflächenstruktur aufweist, 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 50° und 85° bilden, wobei α+β < 90° ist.
2. Infrarot-Tarnvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturgrößen der Oberflächenstruktur zwischen 12 µm und 1cm, bevorzugt
zwischen 100 µm und 1mm liegen.
3. Infrarot-Tarnvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtfläche der nach oben ausgerichteten Teilflächen geringer ist als
die Gesamtfläche der nach unten ausgerichteten Teilflächen.
4. Infrarot-Tarnvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur eine Rillenstruktur mit horizontal ausgerichteten,
asymmetrischen Rillen aufweist.
5. Infrarot-Tarnvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nach oben ausgerichteten Teilflächen von einem Material mit hohem Infrarot-Emissionsgrad
gebildet werden.
6. Infrarot-Tarnvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nach unten ausgerichteten Teilflächen von einem Material mit niedrigem
Infrarot-Emissionsgrad gebildet werden.
7. Infrarot-Tarnvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als äußerer Abschluss der Infrarot-Tarnvorrichtung eine Infrarot-transparente,
pigmentierte und mattierte Deckschicht aus Kunststoff, z.B. Polyethylen aufgebracht
ist.
8. Infrarot-Tarnvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht fleckenartige Bereiche unterschiedlicher Dicken aufweist.
9. Verfahren zur Infrarot-Tarnung eines Objekts, dadurch gekennzeichnet, dass die im wesentlichen senkrecht ausgerichteten Flächen des zu tarnenden Objekts
mittels der Tarnvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche versehen werden.
10. Verfahren zur Infrarot-Tarnung eines Objekts nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die nach unten ausgerichteten Flächen des zu tarnenden Objekts mit einer Beschichtung
aus einem Material mit niedrigem Infrarot-Emissionsgrad versehen werden;
- die nach oben ausgerichteten Flächen des zu tarnenden Objekts mit einer Tarnvorrichtung
aus einem Material mit hohem Infrarot-Emissionsgrad versehen sind.