Infrarotstrahler
Die Erfindung betrifft einen von äusseren Energiequellen unabhängigen Infrarotstrahler für den ultraroten Spektralbereich, der vorzugsweise in Verbindung mit sich selbsttätig bewegenden Körpern verwendbar ist und dabei die Aufgabe hat, den ihn tragenden Körper für ein in diesem Spektralbereich arbeitendes Infrarot-Ortungsgerät sichtbar zu machen.
Derartige Infrarot-Ortungsgeräte, die bekanntlich nach dem ersten Erfassen des Strahlers die jeweiligen Ortskoordinaten des den Strahler tragenden Körpers fortlaufend selbsttätig ermitteln und oft einen das visuelle Beobachten der Umgebung des Körpers ermöglichenden Infrarotbildwandler aufweisen, arbeiten in relativ schmalen Spektralbereichen, z.B. in den Bereichen von ca. 1,8 bis 2,5 F oder 3 bis 5 es - die sogenannten atmosphärischen Fenster -, während Infrarotbildwandler im Spektralbereich von etwa 0,7 bis 1,2 F arbeiten.
Zur Erzeugung der für diese Zwecke erforderlichen ultraroten Strahlungsenergie sind bisher im wesentlichen sogenannte pyrotechnische Flammenstrahler benutzt worden, bei denen als eigentliche Strahlungsquelle die heissen Verbrennungsgase eines pyrotechnischen Brennsatzes, z.B. auf Magnesium-Basis, dienen. Der pyrotechnische Brennsatz ist hierbei in einem rohrförmigen Behälter untergebracht und brennt von einer Stirnseite her ab. Da die sehr heisse Flamme eine wesentlich grössere Oberfläche als die Austrittsöffnung des Rohres hat, gelingt es, bei relativ kleinen räumlichen Abmessunen des Brennsatzes eine hohe pro Einheit des Raumwinkels abgestrahlte Gesamtleistung, gemessen in W/sterad, zu erreichen, die während einer begrenzten Zeitdauer, nämlich der Brennzeit des pyrotechnischen Brennsatzes, zur Verfügung steht.
Diese auch als Leuchtsätze bezeichneten pyrotechnischen Flammenstrahler entsprechen bezüglich der spektralen Verteilung der abgestrahlten Gesamtenergie in erster Näherung einem schwarzen Strahler, dessen Temperatur der Temperatur der Flamme entspricht.
Entsprechend der hohen Flammentemperatur von etwa 20000 C liegt das Strahlungsmaximum etwa bei der Wellenlänge von 15. Wie Versuche gezeigt haben, ist es bei Flammenstrahlern nicht möglich, gewünschte Gebiete innerhalb des abgestrahlten ultraroten Spektralbereiches, z.B. durch Beimengungen, in ihrer Intensität gegenüber entsprechenden Spektralbereichen eines reinen Temperaturstrahlers merklich anzuheben. Auch ist es unmöglich, Emissionen in unerwünschten Spektralbereichen durch Vorschalten von optischen Filtern zu unterdrücken. Einmal sind keine Filter bekannt, die der thermischen Belastung der Flamme eines Flammenstrahlers standhalten.
Zum anderen müsste ein derartiges Filter infolge der grossen Oberfläche der Flamme in grösserem Abstand von dem Strahler angebracht werden, was sich zumindest bei Flugkörpern aus aerodynamischen Gründen nicht verwirklichen lässt.
Mit pyrotechnischen Flammenstrahlern lässt sich also die aus dem Anwendungszweck resultierende Forderung nicht verwirklichen, in einem bestimmten ultraroten Spektralbereich, in dem beispielsweise das Ortungsgerät arbeitet, sehr hohe Leistung abzustrahlen, im übrigen Spektralbereich dagegen, also insbesondere im sichtbaren Spektralbereich und dem von Infrarotbildwandlern, so wenig Strahlungsleistung wie möglich zu erzeugen, damit nicht ein Beobachter, vor allem bei Nacht, von einem derartigen Infrarotstrahler geblendet oder aber ein anderes Objekt auf dem Bildschirm eines Infrarotbildwandlers von dem Infrarotstrahler überstrahlt wird.
Es sind aber auch schon reine Temperaturstrahler als Infrarotstrahlen vorgeschlagen worden, z.B. in Form eines Kegel- oder zylindermantelförmigen Metallkörpers grosser Wärmekapazität, der, auf dem Prinzip des schwarzen Strahlers aufbauend, von einem pyrotechnischen Glühsatz aufgeheizt wird und seine thermische Energie auf einen Hohlraum überträgt und durch dessen Öffnung die entstehende Strahlung emittiert.
Mit einem derartigen Strahler lässt sich zwar grundsätzlich das Intensitätsmaximum der emittierten Strahlung durch Wahl der entsprechenden Temperatur in gewünschte Spektralbereiche legen. Die Anwendung dieses Prinzips hat aber den Nachteil, dass mit einer Absenkung der Strahlertemperatur die pro Oberflächeneinheit des Strahlers abgegebene Gesamtleistung so stark abnimmt, dass der Gewinn an anteiliger Strahlung im gewünschten Spektralbereich, der durch die Verschiebung des Intensitätsmaximums in den gewünschten Spektralbereich erzielbar ist, mehr als kompensiert wird. Bei einer Absenkung der Strahlertemperatur von beispielsweise 20000 C auf 10000 C verschiebt sich zwar das Intensitätsmaximum von 1,4 4 nach 2,2 2 jedoch sinkt die Leistung in W/cm2 und bei 2,2 F um etwa den Faktor 10.
Bei der Anwendung von derartigen Strahlern in den hier gewünschten Spektralbereichen erfolgt nur eine teilweise Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Gesamtstrahlungsenergie. Um ausreichend Strahlungsenergie im gewünschten Wellenbereich zur Verfügung zu haben, bleibt also nur die Möglichkeit, die strahlende Fläche zu vergrössern. Dieser Vergrösserung sind aber Grenzen gesetzt. Das spezifische Leistungsgewicht - in Gramm aufgewandtes Gewicht pro W/sterad abgestrahlter Leistung im gewünschten Spektralbereich - wird also hier sehr ungünstig und verhindert in den meisten Fällen die Anwendung in Verbindung mit Flugkörpern oder Geschossen.
Darüber hinaus muss bei dem hier in Frage stehenden Anwendungszweck, also insbesondere beim Einsatz von Infrarotstrahlern in Verbindung mit Flugkörpern nach verhältnismässig kurzer Anheizzeit die maximaleStrahlungsleistung im gewünschten Spektralbereich zur Verfügung stehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, hier Abhilfe durch einen Infrarotstrahler zu schaffen, dessen Strahlungsmaximum in dem gewünschten Ultrarotspektralbereich, vorzugsweise von etwa 1,5 bis 2,7 F liegt. Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem Infrarotstrahler der vorgenannten Art die Strahlungsintensität als Funktion der Zeit in gewissen Grenzen einstellbar zu gestalten.
Ausgehend von der bekannten Tatsache, die Temperatur eines Infrarotstrahlers so zu wählen, dass entsprechend dem Wien'schen Verschiebungsgesetz das Maximum der spektralen Verteilung der emittierten Strahlung in das gewünschte Spektralgebiet gelegt ist betrifft die Erfindung einen Infrarotstrahler, bei dem die Strahlung von einer Metallplatte mit einer Dicke kleiner als 1 mm emittiert wird, die mit ihrer gesamten der strahlenden Fläche abgewandten Fläche in direktem Wärmekontakt mit einer Wärmeenergie abgebenden Energiequelle verbunden ist.
Im Falle der Ortung mit Hilfe eines mit Bleisulfidzellen als Detektoren arbeitenden Infrarot-Ortungsgerätes beträgt diese Temperatur beispielsweise zirka 1 1000C und liegt die maximale Strahlungsleistung im Spektralbereich von etwa 1,8 bis 2,5 Il.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Metallplatte eine sehr dünne Blechscheibe und die Energiequelle ein an sich bekannter, in einem napfförmigen Behälter angeordneter pyrotechnischer Glühsatz, der seine Wärmeenergie ohne merkliche Gasentwicklung abzugeben in der Lage ist.
Hierbei kann die als nicht schwarzer Strahler dienende dünne Blechscheibe als Deckel für einen den Glühsatz beinhaltenden napfförmigen Behälter- djenen, dessen Wände eine wärmedämmende Schicht aufweisen, während der für die Auslösung des Infrarotstrahlers erforderliche Zünder mit einer Schmalseite des Glühsatzes in Wirkverbindung gebracht ist.
Auf diese verblüffend einfache Weise kann ein grossflächiger Infrarotstrahler erhalten werden, dessen spektrales Intensitätsmaximum innerhalb des gewünschten Ultrarotbereiches fällt. Die Wärmekapazität kann relativ klein gemacht werden, so dass die den eigentlichen Strahler darstellende Blechscheibe in der Lage ist, die gewünschte Strahlung unmittelbar nach dem Zünden des Glühsatzes zu emittieren. Bei Verwendung eines beim Glühen nicht oder nur wenig gasenden pyrotechnischen Glühsatzes ist darüber hinaus die Möglichkeit gegeben, den Infrarotstrahler in bisher nicht gekannter flacher und kompakter Bauweise auszuführen, wobei es keine Schwierigkeiten bereitet, auch komplizierte als kreisförmige Umrissformen zu verwenden.
Darüber hinaus bietet der Infrarotstrahler nach der Erfindung die Möglichkeit, optische Filter anzuwenden.
Diese Filter können nunmehr unmittelbar vor der Strahlen emittierenden Seite der Blechscheibe angebracht werden, da, anders als bei Flammenstrahlern, eine Beaufschlagung mit heissen Gasen nicht stattfindet und die strahlende Fläche nicht grösser als die Fläche der Blechscheibe ist. Zwischen Blechscheibe und Filter ist lediglich ein kleiner, Wärmedehnungen der Blechscheibe aufnehmender Zwischenraum erforderlich.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass insbesondere bei Verwendung der Infrarotstrahler in Verbindung mit Flugkörpern das Filter eine Abkühlung der strahlenden Fläche durch die bei der Bewegung des Flugkörpers erzeugten Luftwirbel verhindert.
Sowohl bei der Ausführungsform eines Infrarotstrahlers mit als auch ohne Filter kann, um die Strahlungsleistung zu erhöhen, die strahlende Fläche der Blechscheibe gegebenenfalls mit einer Oxydschicht oder Siliziumcar bidschicht versehen sein. Die abgewandte Fläche kann Wärmebrücken aufweisen, beispielsweise in Form von in den Glühsatz hineinragenden Stiften, um den Wärme übergang zwischen Glühsatz und Blechscheibe und damit den zeitlichen Verlauf der Strahlungsintensität bzw. die Ausnutzung der Energie des Glühsatzes im günstigen Sinne zu beeinflussen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann die räumliche Strahlungsverteilung der strahlenden Blechscheibe durch optische Bauteile, wie beispielsweise Linsen, beeinflusst werden.
Schliesslich kann der Glühsatz zum Zwecke der Beeinflussung des zeitlichen Verlaufs der Strahlungsintensität in mehrere Kammern aufgeteilt angeordnet sein, die zeitlich nacheinander entzündbar sind.
Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung, auf der drei Ausführungsbeispiele eines Infrarotstrahlers gemäss der Erfindung mehr oder minder schematisch dargestellt sind, näher erläutert.
Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 einen Infrarotstrahler nach der Erfindung in Parallelprojektion,
Fig. 2 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform eines Infrarotstrahlers nach der Erfindung,
Fig. 3 eine Einzelheit des Infrarotstrahlers nach Fig. 2 in anderer Ausführungsform,
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 5 die spektrale Energieverteilung der von einem Infrarotstrahler gemäss Fig. 1 emittierten Strahlung und
Fig. 6 die Energieabstrahlung aufgetragen über die Zeit, eines Infrarotstrahlers gemäss Fig. 1 und Fig. 4.
In einem napfförmigen, vorzugsweise aus dünnem Stahlblech von beispielsweise 0,5 mm Stärke gefertigten Behälter 1 ist eine etwa doppelt so starke Wärmedämmschicht 2 von gleicher Konfiguration, beispielsweise aus Asbest, eingebracht. Der Behälter 1 ist mit einem an sich bekannten, hier nicht näher erläuterten pyrotechnischen Glühsatz 3 gefüllt, der während seiner wärmeerzeugenden Reaktion wenig, d.h. lediglich in vernachlässigbarem Umfang, Gas entwickelt. Ähnliche Glühsätze sind als Anheizmittel, z.B. für in Dosen konservierte Lebensmittel, allgemein bekannt.
Die offene Seite des Behälters ist mit einer den eigentlichen sogenannten nicht schwarzen Strahler bildenden dünnen Blechscheibe 4, beispielsweise aus Stahl, Wolfram oder Molybdän, derart druckdicht verschlossen, dass die dem Glühsatz 3 zugewandte Seite 4a der Scheibe mit diesem in direktem Wärmekontakt verbunden ist.
An einer Schmalseite des Behälters ist eine Öffnung für einen Zünder 5 vorgesehen, der den Glühsatz von der Schmalseite her zur Entzündung bringt. Obwohl nur ein Zünder dargestellt ist, können selbstverständlich auch mehrere, beispielsweise gegenüberliegende Zünder, vorgesehen sein. Selbstverständlich kann der Zünder 5 auch an anderer Stelle des Behälters angeordnet sein.
Die nach aussen weisende Fläche der etwa 0,5 mm starken Blechscheibe 4 kann blank oder aber auch je nach dem gewünschten Verwendungszweck mit einer in Fig. 3 angedeuteten Oxyd- oder Siliziumcarbidschicht 6 überzogen sein. Wie dieser Figur ferner zu entnehmen ist, kann die Blechscheibe 4 eine Anzahl von Fortsätzen 7 aufweisen, die gegebenenfalls in hier nicht dargestellter Weise in den Glühsatz 3 hineinragen und von diesem eng umschlossen sind. Auf diese Weise lässt sich ein besserer und schnellerer Wärmeübergang vom Glühsatz 3 auf die Blechscheibe 4 erzielen.
Bei Verwendung nicht ganz gasfreier Glühsätze kann es zweckmässig sein, den Mantel des Gehäuses mit in Fig. 2 dargestellten Öffnungen 8 zu versehen, durch die das beim Abbrennen des Glühsatzes sich entwickelnde Gas entweichen kann. Allerdings ist hier Vorsorge zu treffen, dass vor Inbetriebnahme des Infrarotstrahlers diese Öffnungen feuchtigkeitsdicht verschlossen sind, was beispielsweise mit Hilfe hier nicht dargestellter Platzmembranen geschieht. Auch kann es zweckmässig sein, den Behälter 1 mit einem eventuelle Volumenänderungen des Glühsatzes aufnehmenden Ausdehnungsraum auszustatten.
Der in Fig. 2 dargestellte Infrarotstrahler weicht insofern von der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ab, als hier Befestigungsmittel 10 dargestellt sind, um ein Spektralfilter 11 vor der den eigentlichen Strahler bildenden Blechscheibe 4 anzuordnen. Zwischen Blechscheibe 4 und Spektralfilter 11 ist ein Zwischenraum 12 vorhanden, um unter anderem das Spektralfilter nicht durch Form änderungen der Blechscheibe zu beschädigen. Das Filter weist annähernd die gleiche Fläche wie die Blech scheibe 4 auf, während sein Abstand von der emittierenden Fläche kleiner als 1.5 cm ist.
Mit Hilfe des Filters, das auch mit Interferenzfiltern kombiniert sein kann, lassen sich unerwünschte Spektralanteile der emittierten Strahlung unterdrücken, so dass auch Glühsätze höherer Temperatur verwendet werden können.
Beim Zünden des Glühsatzes durch Auslösung des Zünders 5 erglüht der pyrotechnische Glühsatz 3 sehr rasch. Er gibt seine Wärme unmittelbar an die Blechscheibe 4 ab, die hierdurch während der Glühdauer des Glühsatzes auf etwa 11000C erhitzt wird und dabei eine Wellenstrahlung im Ultrarotspektralbereich um etwa 2,2 2, emittiert, deren Energieverteilung über der Wellenlänge X in Fig. 5 dargestellt ist.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Infrarotstrahler aus einem in Form eines Kreisringes aufweisenden Behälter 20, der ebenfalls mit einer Wärmedämmschicht 21 gleicher Konfiguration versehen ist. Im Gegensatz zu den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der pyrotechnische Glühsatz in einzelne Segmente 23a, 23b, 23c, 23d, 23e und 23f unterteilt, die in von dünnen Zwischenwänden 24 gebildeten Kammern des Behälters untergebracht sind.
An einer Schmalseite des Behälters ist eine Öffnung für einen Zünder 25 vorgesehen, der lediglich ein Segment, beispielsweise das Segment 23a, von der Schmalseite her zur Entzündung bringt. Um die Zündrichtung für die Entzündung anderer Segmente des Glühsatzes sicherzustellen, ist die Zwischenwand zwischen den Segmenten 23a und 23f mit einer zusätzlichen Wärmedämmschicht 26 versehen. Auf diese Weise wird das fortschreitende Zünden der Segmente des pyrotechnischen Glühsatzes in Richtung der Pfeile 27 erzwungen. Der Zündverzug zwischen den einzelnen Segmenten ist durch Bemessung des Wärmeleitvermögens einer Zündstelle in den jeweiligen Zwischenwänden 24 definierbar. Selbstverständlich ist eine Reaktionsrichtung in Pfeilrichtung auch ohne die Zwischenwände 24, also nur mit Hilfe der Dämmschicht 26 erzielbar.
Der Einbau von Zwischenwänden 24 ist von der Reaktionsgeschwindigkeit des jeweils verwendeten Glühsatzes abhängig.
Es kann aber auch jedes Segment mit einem seiner Auslösung dienenden Zünder versehen sein, deren Auslösung durch hier nicht dargestellte elektronische Mittel steuerbar ist.
Der pyrotechnische Glühsatz ist selbstverständlich auch bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine als nicht-schwarzer Strahler wirkende dünne Blechscheibe 40 abgeschlossen, die gleichzeitig als Deckel für den Behälter 20 dient.
Das eben beschriebene Ausführungsbeispiel ist besonders geeignet, um die beim Einsatz in Verbindung mit Flugkörpern auftretende Forderung an das in Fig. 6 als schraffiertes Dreieck angedeutete zeitabhängige Leistungsverhalten eines Strahlers zu erfüllen. Bei den in Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispielen ist, um die in Fig. 6 als schraffiertes Dreieck dargestellte Solleistung zu gewährleisten, der strichpunktierte dargestellte Leistungsverlauf 29 erforderlich. Wie ersichtlich, bleibt durch die nach einer e-Funktion abklingende Leistung ein erheblicher Energieanteil der erzeugten Strahlung für Ortungszwecke unausgenutzt.
Dagegen entsteht infolge der nacheinander zündenden Segmente des pyrotechnischen Glühsatzes beim Ausfüh mngsbeispiel nach Fig. 4 eine zeitliche Überlagerung der durch das Aufglühen der einzelnen Segmente verursachten Strahlung. Wird gleichzeitig die Zeitkonstante der Segmente kleiner als bei der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 3 gewählt, so entsteht die in Fig. 6 dargestellte, mit 30 bezeichnete Strahlungsleistung als Funktion der Zeit durch die Einzelstrahlleistungen 30a, 30b, 30c, 30d, 30e und 30f der Segmente. Diese Kurve nähert sich dem schraffierten Dreieck infolge der zeitlichen Überlagemngen wesentlich besser an, als die strichpunktierte Linie 29 der Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 bis 3.
Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich, zeichnen sich die beschriebenen Infrarotstrahler durch einen überra schend geringen baulichen Aufwand aus. Das Maximum ihrer abgegebenen Strahlungsenergie liegt, wie Fig. 5 zeigt, innerhalb des gewünschten Spektralbereiches. Unerwünschte spektrale Anteile können gegebenenfalls durch die genannten Filter völlig unterdrückt werden.
Ein derartiger Infrarotstrahler weist ein sehr günstiges spezifisches Leistungsgewicht auf und ist daher insbesondere zum Einsatz in Verbindung mit Flugkörpern geeignet, wobei durch die Möglichkeit der Kombination mit Filtern und hier nicht dargestellten optischen Bauteilen, vorzugsweise Linsen, jede in bezug auf die zur Verfügung stehenden Infrarot-Ortungsgeräte gewünschte spektrale und räumliche Leistungsverteilung der zu emittierenden Strahlung erreicht wird, was mit den bisher üblichen Infrarotstrahlern nicht möglich war.