Multispektrale Tarnfolie

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Kunststoff-Folie mit niedrigem Emissionsgrad im 2. und 3. atmosphärischen Fenster und hoher Transparenz in anderen Spektralbereichen, beispielsweise gegenüber Mikrowellen. Die Tarnfolie eignet sich aufgrund ihrer speziellen Merkmale
- als einfache, auswechselbare, niedrigemittierende Beschichtung,
- zur Wärmebildtarnung von ortsfesten Anlagen, insbe­sondere Radomen,
- als universelle Komponente in multispektralen Tarn­systemen.
> z.B. Kann ein Mehrschichtensystem zur Anwendung kommen, bei dem zwei dünne Filme (4) mit hohem Brechungsindex im Abstand d durch eine Schicht (12) mit niedrigem Brechungsindex gehemmt sind. Der besondere Vorteil dieser Ausbildungsform liegt darin, daß als Schicht (12) eine transparente Kunststoffolie verwendet werden kann, die z.B. identisch mit der Trägerfolie (2) ist, so daß die Anordnung eine hohe Flexibilität erhält. Zwischen der Trägerfolie (2) und dem zu tarnenden Objekt (6) befindet sich der Luftzwischenraum (10).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Kunststoff-Folie mit niedrigem Emissionsgrad im 2. und 3. atmosphärischen Fenster und hoher Transparenz in anderen Spektralbereichen, beispielsweise gegenüber Mikrowellen. Die Tarnfolie eignet sich aufgrund ihrer speziellen Merkmale
- als einfache, auswechselbare,niedrigemittierende Beschichtung,
- zur Wärmebildtarnung von ortsfesten Anlagen, insbe­sondere Radomen,
- als universelle Komponente in multispektralen Tarn­systemen.

[0002] Die Tarnung von Objekten gegen Aufklärung durch Wärmebild­geräte enthält eine besondere Problematik. Anders als im Sichtbaren ist im thermischen Infrarot-Bereich die Erkenn­ barkeit eines Objektes nicht nur von dessen Oberflächeneigen­schaften (wie Farbe, Reflexionsgrad, Rauhigkeit) abhängig, sondern wird zusätzlich durch die Temperatur der Oberfläche und die Temperaturen der Umgebung,des Hintergrundes und des Himmels bestimmt.

[0003] Zur Tarnung werden niedrigemittierende Anstriche eingesetzt. Diese Maßnahme verringert proportional zur Höhe des Emis­sionsgrades ε der Oberfläche, die von diesem Objekt aus­gehende Wärmestrahlung; besonders bei stärker erwärmten Ob­jekten kann auf diese Weise eine Minderung der Entdeckbarkeit erreicht werden.

[0004] Neben den Anstrichen sind andere Infrarot-Tarnmittel mit ähn­licher Wirkung bekannt: beispielsweise niedrigemittierende Textilien, kaschierte Metallfolien, Infrarot-Tarnnetze mit metallischen Elementen (Schichten, Folien, Fäden), galvani­sche,niedrigemittierende Beschichtungen und Ähnliches.

[0005] Gemeinsames Merkmal dieser infrarotaktiven Tarnmittel ist, dass die niedrigemittierende Wirkung durch Einlagerung von metallischen Schichten oder Partikeln erreicht wird. Nied­rige Infrarot-Emissionsgrade unter etwa 70 % treten an homo­genen Materialien nur auf, wenn diese metallischen Charakter und eine gewisse metallische Leitfähigkeit besitzen.

[0006] Herkömmliche metallhaltige IR-Tarnanstriche und IR-Tarnmittel besitzen einige typische Nachteile, welche ihre Verwendungs­möglichkeiten und Wirksamkeit stark einschränken:
Die Metallkomponente bewirkt, dass die Schichten für elektro­magnetische Strahlung allgemein undurchlässig sind und starke Reflexionswirkung zeigen. Im sichtoptischen Bereich wird die unerwünschte Reflexion üblicherweise mit Hilfe von Farbpig­menten unterdrückt, dies ist jedoch im Mikrowellen- und Radiowellenbereich nicht möglich, so dass diese IR-Tarnmittel gegenüber Radaraufklärung keine tarnende Wirkung zeigen oder die Entdeckbarkeit eher noch erhöht wird, wenn das Objekt selbst radarneutral ist.

[0007] Aus dem gleichen Grund können herkömmliche niedrigemittie­rende Schichten nicht zur Tarnung von Kommunikationsanlagen wie Sende- und Empfangsantennen, Radarkuppeln und anderen entsprechenden Einrichtungen verwendet werden.

[0008] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein multispektral wirksames Tarnmittel zu schaffen.

[0009] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss mit Hilfe einer beschich­teten Kunststoff-Folie gelöst, wobei die Beschichtung aus nichtmetallischem, infrarottransparentem Material besteht und die Schichtdicke im Verhältnis zum Brechnungsindex so einge­ stellt wird, dass aufgrund von Interferenzeffekten die Wärme­abstrahlung im 2. und/oder 3. atmosphärischen Fenster redu­ziert wird. Die Anordnung besitzt eine hohe Durchlässigkeit für Strahlung im Mikrowellen- und Radiowellenbereich und je nach Ausführungsform auch in anderen Spektralbereichen (sichtbares Licht, nahes Infrarot), so dass die multispek­trale Tarnwirkung gewährleistet bzw. nicht behindert wird.

[0010] Durch Aneinanderreihung von mehreren Foliensegmenten mit unterschiedlicher Abstrahlung (Emissionsgraden) und geeigne­ter geometrischer Form können auf einfache Weise weitere Tarneffekte durch Konturenzerlegung oder Erzeugung beliebiger Infrarotsignaturen erzielt werden.

[0011] Die Erfindung wird anhand von Figuren nachfolgend näher be­schrieben.

[0012] Es zeigen:

Figur 1 Schnitte durch den Aufbau der Folien in drei Ausführungsformen,

Figur 2 den Spektralverlauf des Reflexionsgrades der drei Ausführungen in Figur 1,

Figur 3 den Einsatz eines Mehrschichtensystems als Folienaufbau,

Figur 4 die Darstellung einer Kuppel und die Möglichkeit der Simulation nichtvorhandener Strukturen auf der Kuppel,

Figur 5 einen Schnitt durch den Aufbau einer Radar­absorbereinrichtung.

[0013] Die Figur 1 zeigt den einfachen Aufbau der Tarnfolie in drei verschiedenen Einstellungen. Auf einer vorzugsweise infrarot­transparenten Trägerfolie 2 (beispielsweise aus Polyethylen) befindet sich eine infrarottransparente, dielektrische Inter­ferenzschicht 4. Die Folie deckt das zu tarnende Objekt 6 gegen einen Beobachter ab. Eine Schutzschicht 8 kann wahl­weise eingesetzt werden, sie muss in jedem Fall im IR-Fre­quenzbereich der Anwendung transparent sein. Der Bereich 10 stellt den Luftraum zwischen Folie und Objekt dar.
Die Schichtdicke d der Interferenzschicht bestimmt bei vorge­gebenem Schichtmaterial die Höhe der Wärmeabstrahlung, den Emissionsgrad, der Gesamtanordnung Folie und Objekt. Soll eine besonders niedrige Abstrahlung, also eine kalte Ober­fläche simuliert werden, so ist die Dicke etwa auf dem Wert d = λ/(4 · n) (Figur 1a) einzustellen, wobei n Brechungs­index der Schicht und λ Wellenlänge der Abstrahlung bedeu­tet. In der Regel wird λ auf das Zentrum der atmosphärischen Fenster (etwa 4 µm und 10 µm) bezogen.
Damit ist eine niedrige IR-Durchlässigkeit und eine niedrige Wärmeabstrahlung von zu tarnendem Objekt und Tarnfolie er­ zielt.
Der entgegengesetzte Extremfall (hohe Emission, hohe Ober­flächentemperatur) wird durch die Anordnung gemäss Figur 1c und ein mittlerer Zustand gemäss Figur 1b eingestellt.
In Figur 1b berechnet sich die Dicke d zu d = 3 ·λ /(8 · n) und in Figur 1c erhält d den Wert d = λ /(2 · n).
Alle weiteren Zwischenzustände sind auf diese Weise ohne Weiteres realisierbar.

[0014] Figur 2 zeigt zur Verdeutlichung den Spektralverlauf des Reflexionsgrades der drei in Figur 1 skizzierten Anordnungen. Erkennbar ist, wie die Reflexionsmaxima im Verhältnis zu den atmosphärischen Fenstern verschoben werden und dadurch die beschriebene Wirkung entsteht.

[0015] Die Figuren 1 und 2 beschreiben die Situation für Interfe­renzen an einer Schicht. Reflexmindernde und reflexerhöhende Wirkungen können durch Einsatz von Systemen mit zwei und mehr interferierenden Schichten noch weiter gesteigert werden. Die Praxis der Infrarot-Tarnung zeigt jedoch, dass in den meisten Fällen nicht die Extremwerte, sondern mittlere Emissionsgrade von ε = 30 - 70% vorteilhaft sind, die mit der Einschicht-­Interferenz erzeugt werden können.

[0016] Als mögliches Schichtmaterial kommt eine grössere Anzahl von Substanzen in Betracht. Die Auswahl richtet sich nach dem geforderten Transmissionsbereich im infraroten und im sicht­optischen Spektrum, sowie nach praktischen und technischen Gesichtspunkten wie Herstellbarkeit, Haltbarkeit und Kosten. Breitbandige Tarnwirkung und gute Stabilität bietet die Gruppe der Halbleiter wie Silizium, Germanium, Graphit, sowie Metallsulfide, Metallselenide und Metalltelluride, die auch als Rohstoff für kompakte IR-Fenster herangezogen werden. Wird zusätzlich die Transparenz im sichtoptischen Bereich gewünscht, sind oxidische Materialien wie beispielsweise SiO₂, Al₂O₃, SnO₂, In₂O₃, TiO₂, CeO₂, MgO, Fluoride wie MgF₂, PbF₂, BaF₂ und andere Verbindungen mit ähnlichen Eigenschaften einsetzbar.

[0017] Ein weiteres wichtiges Kriterium für die Stoffauswahl ist der Brechungsindex der Schicht und seine Dispersion, das heisst sein Spektralverlauf. Hohe Brechungsindizes sind generell vorteilhaft, da mit steigendem n die erforderliche Schicht­dicke abnimmt und die Tarnwirkung auch bei zunehmend schrägen Blickwinkeln noch vorhanden ist. Die Dispersion muss berück­sichtigt werden, wenn eine simultane Wirkung in beiden atmosphärischen Fenstern optimiert werden soll. Wird z.B. eine Schicht auf maximale Reflexion (geringe Emission) bei λ₃ = 10 µm eingestellt (d = λ₃/(4 · n₃); n₃ = mitt­lerer Brechungsindex im 3. atmosphärischen Fenster)), so hat diese Schicht auch ein Reflexionsmaximum im 2. atmosphäri­schen Fenster, dessen genaue Lage vom Brechungsindex n₂ (bei 3 - 5 µm) abhängt:

Ist der Brechungsindex nicht frequenzabhängig (n₂ = n₃), so liegt das Maximum bei λ₂ = 5 µm. Eine leichte Erhöhung des Abstandes der beiden Maxima (λ₂ - λ₃), der in der Regel erwünscht sein wird, erfordert, daß n₂ etwas grösser als n₂ ist.

[0018] Figur 3 zeigt statt einer kompakten Inferferenzschicht den Einsatz eines Mehrschichtensystems, bei dem zwei dünnere Filme 4 mit hohem Brechungsindex im Abstand d durch die Schicht 12 mit niedrigem Brechungsindex getrennt sind. Der besondere Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass als Schicht 12 eine transparente Kunststoff-Folie verwendet werden kann, die z.B. identisch mit der Trägerfolie 2 ist. Die Schichten 4 können in diesem Fall sehr viel dünner als die obigen λ/4-Schichten ausgeführt werden, so dass die An­ordnung eine höhere Flexibilität erhält, was sich für viele Anwendungen sehr vorteilhaft auswirkt. Die optische Wirkung dieser Anordnung entspricht jedoch der Einschicht-Interfe­renz. Zwischen Trägerfolie 2 und zu tarnendem Objekt 6 be­findet sich der Luftzwischenraum 10.

[0019] Weitere Merkmale und Vorzüge der Erfindung sollen anhand typischer Anwendungen beschrieben werden.

[0020] Die erfindungsgemässe Tarnfolie kann sehr vorteilhaft zur Verkleidung von Radarkuppeln (Radome) eingesetzt werden. Die heutige Bauweise von Radomen hat sich im Hinblick auf die Detektierbarkeit im IR-Bereich als ausgesprochen un­günstig erwiesen. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität der Radomaussenhaut (Kunststoff-Schaum­material oder -Folien) ist die Oberflächentemperatur starken witterungsbedingten Schwankungen unterworfen, was diesen Ob­jekten eine ungewöhnlich gut ausgeprägte Wärmebildsignatur verleiht. Gegenmaßnahmen mit herkömmlichen Tarnmitteln ohne Beeinträchtigung der Radartransmission sind nicht bekannt.

[0021] Die Figur 4 zeigt symbolisiert diesen Anwendungsfall. In Figur 4a ist eine typische Signatur eines Radoms bei Sonneneinstrahlung gezeigt. Die obere Hälfte der Kugel ist stark erwärmt und hebt sich charakteristisch gegen den viel dunkleren Hintergrund ab. Bei Nacht sind die Hell-Dunkel-Ver­hältnisse wegen der niedrigen Himmelstemperatur gerade umge­kehrt, aber ebenso gut erkennbar. Mit Hilfe der erfindungs­gemässen, an der Aussenfläche des Radoms angebrachten Folie, wird eine wirkungsvolle Konturenzerlegung hervorgerufen, in­dem typische Strukturen der Umgebung wie z.B. rechteckige Flächen bei landwirtschaftlichen Feldern (Figur 4b, ohne Hintergrund) oder Siedlungen, Gebäudestrukturen (Figur 4c) oder sonstige Landschaftsformationen (Horizontlinien, Hügel­ketten, Waldflächen, Flußläufe) simuliert werden.

[0022] Eine ähnliche Situation liegt vor bei der Tarnung von anderen Anlagen und Komponenten der Übertragungstechnik, also Rund­funksendern, Fernmeldestationen, Satellitenempfangsantennen, Funkleitsystemen oder Peil- und Aufklärungssystemen). Alle diese im Verteidigungsfall unentbehrlichen Anlagen, die bis­her als leicht erkennbar und verwundbar gelten, können mit Hilfe der Erfindung wirksam gegen Wärmebildaufklärung getarnt werden, ohne jede Beeinträchtigung ihrer Funktion.

[0023] Weitere Anwendungen liegen bei der IR-Tarnung von Gebäuden, Strassen, Brücken und ähnlichen Einrichtungen; ebenfalls strategisch sehr wichtige Objekte, die bisher gegenüber der Wärmebildbeobachtung nicht oder nur auf Kosten erhöhter Radarerkennbarkeit zu schützen sind. Vorteilhaft hierbei ist auch, dass die erfindungsgemässe Tarnfolie nicht ständig - wie ein Anstrich - vorhanden sein muss, da sie im Bedarfs­fall sehr schnell ausgebreitet und wieder entfernt werden kann. Für manche Objekte, wie beispielsweise Strassen und Flugplatzanlagen, stellt dies die einzig denkbare Lösung dar.

[0024] Eine Anwendung, bei der die Durchlässigkeit im Mikrowellen­bereich ebenfalls als entscheidende Voraussetzung eingeht, sind radarabsorbierende Materialien und Strukturen. Diese heute bekannten Tarnmittel gegen Radaraufklärung sind aus­nahmslos gute IR-Emitter und deshalb im Wärmebild leicht detektierbar, andererseits aber mit niedrigemittierenden Anstrichen auf Metallbasis nicht zu behandeln, da dann die Radarabsorberwirkung verlorengeht.

[0025] Die Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch diese Anordnung. Die IR-aktive Tarnfolie mit Kunststoffträger 2 und Interfe­renzschicht 4 ist direkt mit dem Radarabsorbermaterial 14 verbunden. Die oben erwähnten Varianten zur Konturenzerlegung und Signatursimulation können natürlich auch hier vorteilhaft eingesetzt werden.
Eine zusätzliche Tarnwirkung im Sichtbaren oder nahen Infra­rot ist durch Verwendung eingefärbter Kunststoff-Folien mög­lich. Werden Folien mit guter optischer Transparenz einge­setzt, dann kann die visuelle Tarnwirkung durch hinterlegte und damit leicht veränderbare Farbanstriche erreicht werden, oder sie ist durch den vorhandenen Tarnanstrich des Objekts bereits gegeben.

[0026] Bei der denkbaren Anwendung der erfindungsgemässen Tarnfolie auf Fahrzeuge, Schiffe, Flugzeuge, Stahlbrücken, Stahlmaste und Ähnlichem, kommt ein besonderer Aspekt dazu. Diese Objekte weisen aufgrund ihrer vorwiegend aus Metall be­stehenden Struktur eine deutliche und charakteristische Radarsignatur auf. Dieses Problem kann grundsätzlich durch Anwendung von Radarabsorbern und multispektraler Tarnfolie, wie oben beschrieben, gelöst werden. Sind jedoch Radarabsor­ber aus irgendwelchen Gründen (Gewicht, Kosten, Verfügbar­keit) nicht erwünscht oder nicht möglich, dann kann mit Hilfe der erfindungsgemässsen Tarnfolie ein kombinierter IR-Radar-­Tarneffekt dadurch erzielt werden, dass die Folie objekt­seitig ganzflächig oder teilweise metallisiert wird. Bestimmte charakteristische Radarsignaturen des Objektes können auf diese Weise aufgehoben oder verfälscht werden.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur multispektralen Tarnung von Objekten gegen eine Aufklärung, dadurch gekennzeich­net, dass eine Kunststoff-Folie (2) mit nichtmetal­lischer, eine erniedrigte Wärmemission vermittelnder Be­schichtung (4) eingesetzt ist und diese beschichtete Folie eine hohe Durchlässigkeit in anderen, dem thermischen In­frarot benachbarten Spektralbereichen aufweist, in denen ebenfalls ein Tarneffekt erzielt werden soll.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die niedrigemittierende Wirkung im Temperaturstrahlungs­bereich durch einen Interferenzeffekt in der Schicht (4) oder in einer Mehrschichtstruktur zustande kommt und die Schichtdicke(n) im Verhältnis zum Brechungsindex der interferierenden Schicht(en) so eingestellt wird(werden), dass das Reflexionsmaximum niedrigster Ordnung je nach Anwendung im Zentrum des 3. oder 2. atmosphärischen Fensters liegt.

3. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeich­net, dass das Reflexionsmaximum niedrigster Ordnung des Interferenzschichtsystems ins 3. atmosphärische Fenster gelegt wird und ein Simultaneffekt im 2. atmosphärischen Fenster durch das Reflexionsmaximum der nächsthöheren Ordnung entsteht.

4. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeich­net, dass geringere Reflexionswerte der Folie, gleich­bedeutend mit höherer Emission der Gesamtanordnung, ein­gestellt werden, in dem die Reflexionsmaxima mehr oder weniger vom Zentrum der atmosphärischen Fenster entfernt werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zu tarnende Objekt (6) mit mehreren aneinandergereih­ten Foliensegmenten gemäss Anspruch 2 bis 4 mit unter­schiedlichem Emissionsgrad überzogen oder abgedeckt wird, so dass eine IR-Konturenzerreißung und Anpassung an den Hintergrund erreicht wird und diese Segmente in beliebiger geometrischer Form gestaltet sind.

6. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeich­net, dass sie zur Wärmebildtarnung von Radomen und anderen Antennenanlagen und Übertragungsstationen eingesetzt wird.

7. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeich­net, dass sie zur Wärmebildtarnung von Gebäuden, Brücken, Strassen, Flugplätzen und anderen Einrichtungen eingesetzt wird.

8. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeich­net, dass die Folie (2) objektseitig ganz oder flecken­weise metallisiert wird und zur multispektralen Tarnung von vorwiegend metallischen Objekten wie Fahrzeugen, Schiffen, Flugzeugen, Brücken, Masten und anderen ent­sprechenden Gegenständen eingesetzt wird.

Zeichnung