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.
Infrared heater
The invention relates to an infrared emitter for the ultra-red spectral range that is independent of external energy sources, which can preferably be used in connection with automatically moving bodies and has the task of making the body carrying it visible to an infrared locating device operating in this spectral range.
Such infrared locating devices, which are known to continuously and automatically determine the respective spatial coordinates of the body carrying the radiator after the first detection of the radiator and often have an infrared image converter that enables visual observation of the surroundings of the body, work in relatively narrow spectral ranges, e.g. in the ranges of about 1.8 to 2.5 F or 3 to 5 es - the so-called atmospheric windows - while infrared imagers work in the spectral range of about 0.7 to 1.2 F.
So-called pyrotechnic flame emitters have hitherto essentially been used to generate the ultra-red radiation energy required for this purpose, in which the actual radiation source is the hot combustion gases of a pyrotechnic fuel, e.g. magnesium-based. The pyrotechnic fuel is housed in a tubular container and burns from one end. Since the very hot flame has a much larger surface area than the outlet opening of the tube, it is possible to achieve a high total power radiated per unit of solid angle, measured in W / sterad, with relatively small spatial dimensions of the burning charge, which over a limited period of time namely the burning time of the pyrotechnic fuel charge, is available.
With regard to the spectral distribution of the total energy emitted, these pyrotechnic flame emitters, also known as flares, correspond to a first approximation to a black body whose temperature corresponds to the temperature of the flame.
Corresponding to the high flame temperature of around 20,000 C, the radiation maximum is around the wavelength of 15. As tests have shown, it is not possible with flame emitters to select desired areas within the emitted ultrared spectral range, e.g. by admixtures, to increase noticeably in their intensity compared to the corresponding spectral ranges of a pure temperature radiator. It is also impossible to suppress emissions in undesired spectral ranges by adding optical filters. On the one hand, there are no known filters that can withstand the thermal load on the flame of a flame emitter.
On the other hand, due to the large surface area of the flame, such a filter would have to be attached at a greater distance from the radiator, which at least in the case of missiles cannot be implemented for aerodynamic reasons.
With pyrotechnic flame emitters, the requirement resulting from the purpose of application cannot be met to emit very high power in a certain ultra-red spectral range in which, for example, the locating device works, but so little in the rest of the spectral range, i.e. in particular in the visible spectral range and that of infrared image converters To generate radiation power as possible so that an observer, especially at night, is not blinded by such an infrared radiator or another object on the screen of an infrared image converter is outshone by the infrared radiator.
However, pure temperature radiators have also been proposed as infrared rays, e.g. in the form of a cone or cylinder jacket-shaped metal body with a large heat capacity, which, based on the principle of the black body, is heated by a pyrotechnic glow charge and transfers its thermal energy to a cavity and emits the resulting radiation through its opening.
With such a radiator, the intensity maximum of the emitted radiation can in principle be placed in the desired spectral ranges by selecting the appropriate temperature. However, the use of this principle has the disadvantage that with a lowering of the radiator temperature, the total power emitted per unit surface area of the radiator decreases so much that the gain in proportional radiation in the desired spectral range, which can be achieved by shifting the intensity maximum into the desired spectral range, is greater than is compensated. If the heater temperature is lowered from, for example, 20,000 C to 10,000 C, the maximum intensity shifts from 1.4 4 to 2.2 2, but the power in W / cm2 and at 2.2 F by a factor of about 10.
When using such radiators in the spectral ranges desired here, only a partial utilization of the available total radiation energy takes place. In order to have sufficient radiation energy available in the desired wave range, the only option left is to enlarge the radiating surface. However, there are limits to this enlargement. The specific power-to-weight ratio - in grams expended weight per watt / sterad of radiated power in the desired spectral range - is therefore very unfavorable here and in most cases prevents its use in connection with missiles or projectiles.
In addition, for the application in question here, in particular when using infrared radiators in connection with missiles, the maximum radiation output in the desired spectral range must be available after a relatively short heating time.
The object of the invention is to provide a remedy here by means of an infrared radiator whose radiation maximum is in the desired ultrared spectral range, preferably from about 1.5 to 2.7 F. In addition, the invention is based on the object of making the radiation intensity adjustable within certain limits as a function of time in an infrared radiator of the aforementioned type.
Based on the known fact of choosing the temperature of an infrared radiator so that, according to Wien's law of displacement, the maximum of the spectral distribution of the emitted radiation is placed in the desired spectral range, the invention relates to an infrared radiator in which the radiation from a metal plate with a Thickness less than 1 mm is emitted, which is connected with its entire surface facing away from the radiating surface in direct thermal contact with an energy source emitting thermal energy.
In the case of locating with the aid of an infrared locating device working with lead sulfide cells as detectors, this temperature is, for example, approximately 11000C and the maximum radiation power is in the spectral range of approximately 1.8 to 2.5 Il.
According to a preferred embodiment of the invention, the metal plate is a very thin sheet metal disc and the energy source is a pyrotechnic glow charge, known per se, arranged in a cup-shaped container, which is able to give off its heat energy without noticeable gas development.
The thin sheet metal disc serving as a non-black radiator can be used as a cover for a cup-shaped container containing the glow charge, the walls of which have a heat-insulating layer, while the igniter required to trigger the infrared heater is brought into operative connection with a narrow side of the glow charge.
In this amazingly simple way, a large-area infrared radiator can be obtained, the spectral intensity maximum of which falls within the desired ultra-red range. The heat capacity can be made relatively small, so that the sheet metal disk representing the actual radiator is able to emit the desired radiation immediately after the ignition of the glow charge. When using a pyrotechnic glow charge which does not or only slightly gaseous during the glow, there is also the possibility of designing the infrared heater in a previously unknown flat and compact design, whereby it is not difficult to use even complicated circular shapes.
In addition, the infrared heater according to the invention offers the possibility of using optical filters.
These filters can now be attached directly in front of the radiation-emitting side of the sheet metal disc because, unlike with flame emitters, there is no exposure to hot gases and the radiating area is not larger than the area of the sheet metal disc. All that is required between the sheet metal disk and the filter is a small space that absorbs thermal expansion of the sheet metal disk.
Another advantage can be seen in the fact that, particularly when using the infrared radiator in connection with missiles, the filter prevents the radiating surface from cooling down due to the air eddies generated when the missile moves.
In the case of the embodiment of an infrared radiator with or without a filter, in order to increase the radiation output, the radiating surface of the sheet metal disk can optionally be provided with an oxide layer or silicon carbide layer. The facing surface can have thermal bridges, for example in the form of pins protruding into the glow charge, in order to influence the heat transfer between the glow charge and sheet metal disk and thus the time course of the radiation intensity or the utilization of the energy of the glow charge in a favorable sense.
According to a further development of the invention, the spatial radiation distribution of the radiating sheet metal disk can be influenced by optical components such as lenses.
Finally, for the purpose of influencing the time course of the radiation intensity, the glow charge can be arranged divided into several chambers which can be ignited one after the other.
The invention is explained in more detail in the following description in conjunction with the drawing, on which three exemplary embodiments of an infrared radiator according to the invention are shown more or less schematically.
Show in detail:
1 shows an infrared radiator according to the invention in parallel projection,
2 shows a section through another embodiment of an infrared radiator according to the invention,
3 shows a detail of the infrared radiator according to FIG. 2 in a different embodiment,
4 shows a plan view of a further embodiment of the invention,
5 shows the spectral energy distribution of the radiation emitted by an infrared radiator according to FIG. 1 and
6 shows the energy radiation plotted against time, of an infrared radiator according to FIGS. 1 and 4.
In a cup-shaped container 1, preferably made of thin sheet steel of, for example, 0.5 mm thick, a thermal insulation layer 2 of the same configuration, for example made of asbestos, is approximately twice as thick. The container 1 is filled with a pyrotechnic glow charge 3, which is known per se and is not explained in more detail here, which during its heat-generating reaction does not produce much, i. only to a negligible extent, gas evolved. Similar glow charges are used as heating means, e.g. for canned foods, commonly known.
The open side of the container is closed in a pressure-tight manner with a thin sheet metal disc 4, for example made of steel, tungsten or molybdenum, which forms the actual so-called non-black radiator, so that the side 4a of the disc facing the glow charge 3 is connected to it in direct thermal contact.
On one narrow side of the container there is an opening for an igniter 5 which ignites the glow charge from the narrow side. Although only one detonator is shown, several detonators, for example opposite detonators, can of course also be provided. Of course, the igniter 5 can also be arranged elsewhere on the container.
The outwardly facing surface of the approximately 0.5 mm thick sheet metal disk 4 can be bare or, depending on the desired purpose, coated with an oxide or silicon carbide layer 6 indicated in FIG. As can also be seen from this figure, the sheet metal disk 4 can have a number of extensions 7 which, if necessary, protrude into the glow charge 3 in a manner not shown here and are closely enclosed by it. In this way, a better and faster heat transfer from the glow charge 3 to the sheet metal disk 4 can be achieved.
When using incandescent charges that are not entirely gas-free, it may be useful to provide the casing of the housing with openings 8, shown in FIG. 2, through which the gas that develops when the incandescent charge burns can escape. However, precaution must be taken here that these openings are closed in a moisture-tight manner before the infrared heater is put into operation, which is done, for example, with the aid of space membranes, not shown here. It can also be expedient to equip the container 1 with an expansion space that accommodates any changes in the volume of the glow charge.
The infrared radiator shown in FIG. 2 differs from the embodiment shown in FIG. 1 in that fastening means 10 are shown here in order to arrange a spectral filter 11 in front of the sheet metal disc 4 forming the actual radiator. Between the sheet metal disk 4 and the spectral filter 11 there is an intermediate space 12 in order, among other things, not to damage the spectral filter by changing the shape of the sheet metal disk. The filter has approximately the same area as the sheet metal disk 4, while its distance from the emitting surface is less than 1.5 cm.
With the help of the filter, which can also be combined with interference filters, undesired spectral components of the emitted radiation can be suppressed, so that higher-temperature annealing units can also be used.
When the glow charge is ignited by triggering the igniter 5, the pyrotechnic glow charge 3 glows very quickly. It gives off its heat directly to the sheet metal disk 4, which is thereby heated to about 11000 ° C. during the annealing period of the annealing unit and emits a wave radiation in the ultra-red spectral range around 2.2 2, the energy distribution of which is shown over the wavelength X in FIG .
In the embodiment shown in FIG. 4, the infrared radiator consists of a container 20 in the form of a circular ring, which is also provided with a thermal insulation layer 21 of the same configuration. In contrast to the exemplary embodiments already described, the pyrotechnic glow charge is divided into individual segments 23a, 23b, 23c, 23d, 23e and 23f, which are accommodated in chambers of the container formed by thin intermediate walls 24.
An opening for an igniter 25 is provided on a narrow side of the container, which only ignites one segment, for example segment 23a, from the narrow side. In order to ensure the ignition direction for the ignition of other segments of the glow charge, the partition between the segments 23a and 23f is provided with an additional thermal insulation layer 26. In this way, the progressive ignition of the segments of the pyrotechnic glow charge in the direction of the arrows 27 is forced. The ignition delay between the individual segments can be defined by measuring the thermal conductivity of an ignition point in the respective intermediate walls 24. A reaction direction in the direction of the arrow can of course also be achieved without the partition walls 24, that is to say only with the aid of the insulating layer 26.
The installation of partitions 24 is dependent on the reaction speed of the annealing charge used in each case.
However, each segment can also be provided with an igniter which is used to trigger it, the triggering of which can be controlled by electronic means (not shown here).
The pyrotechnic glow charge is of course closed off in the exemplary embodiment shown in FIG. 4 by a thin sheet metal disk 40 which acts as a non-black radiator and which simultaneously serves as a cover for the container 20.
The exemplary embodiment just described is particularly suitable for meeting the requirement that occurs when used in conjunction with missiles for the time-dependent performance behavior of a radiator, indicated as a hatched triangle in FIG. 6. In the exemplary embodiments shown in FIGS. 1 to 3, in order to ensure the target output shown as a hatched triangle in FIG. 6, the power curve 29 shown in dash-dotted lines is required. As can be seen, due to the power decaying after an exponential function, a considerable amount of energy in the generated radiation remains unused for locating purposes.
In contrast, as a result of the successively igniting segments of the pyrotechnic glow charge in the exemplary embodiment according to FIG. 4, a temporal superposition of the radiation caused by the glowing of the individual segments occurs. If, at the same time, the time constant of the segments is selected to be smaller than in the embodiment according to FIGS. 1 to 3, the radiation power shown in FIG. 6 and labeled 30 results as a function of time through the individual radiation powers 30a, 30b, 30c, 30d, 30e and 30f of the segments. This curve approximates the hatched triangle significantly better than the dash-dotted line 29 of the exemplary embodiments according to FIGS. 1 to 3 due to the amount of overlap over time.
As can be seen from the above, the infrared radiators described are characterized by a surprisingly low structural effort. As FIG. 5 shows, the maximum of their emitted radiation energy lies within the desired spectral range. Unwanted spectral components can optionally be completely suppressed by the filters mentioned.
Such an infrared radiator has a very favorable specific power-to-weight ratio and is therefore particularly suitable for use in connection with missiles, whereby due to the possibility of combination with filters and optical components not shown here, preferably lenses, each with regard to the available infrared Locating devices desired spectral and spatial power distribution of the radiation to be emitted is achieved, which was not possible with the infrared emitters that were customary up to now.