Im Abschnitt Signatur wurde der Begriff Signatur erklärt und seine Bedeutung für Marineschiffe vor Augen geführt.
Hier werden wir darauf eingehen, was man alles tun kann, um die Infrarotsignatur zu verbessern.
Wesentlicher Grundsatz der Signaturoptimierung ist, dass man eine ausgewogene Gesamtsignatur schaffen muss, dass aber auch die Teilsignaturen bezogen auf das ganze Schiff ausgewogen sein müssen: Es nützt nichts, wenn man einen Problembereich (zum Beispiel die Abgaskühlung) beliebig optimiert und die anderen vernachlässigt!
Ein stark vereinfachtes Beispiel: Wenn ein Schiff, das zwei wesentliche Schwachstellen in der IR-Signatur hat, mit vorgegebenem Aufwand verbessert werden soll, dann ist es günstiger, beide Schwachstellen nur wenig zu verbessern als eine vollständig zu optimieren und die andere gar nicht.
1. Silhouette
Im Kapitel über physikalische Größen haben wir gelernt, dass die von einem Körper abgegebene Strahlstärke neben seiner Temperatur, die für seine Strahldichte verantwortlich ist, von seiner projezierten Fläche abhängt.
Einfacher gesagt: Von zwei Körpern mit gleicher Temperatur und gleichem Emissionsgrad gibt der größere von beiden mehr Strahlung ab.
Übertragen auf die Signatur und die Entdeckbarkeit eines Schiffes bedeutet das nichts anderes, als dass das Schiff möglichst klein sein sollte - genauer gesagt seine Silhouette sollte klein sein.
Wenn man etwas weiter denkt, und sich überlegt, was man von einem Schiff in welcher Situation tatsächlich sieht, wird klar, dass besonderes Augenmerk auf die Höhe der Silhouette gelegt werden muss:
Sehr viele Seezielflugkörper fliegen sehr tief (seaskimming missiles, ca. 10m), um sich selbst vor Entdeckung zu schützen. Aus deren Perspektive ist der Horizont sehr nahe, deshalb verschwindet ein niedrigeres Schiff im Vergleich zu einem höheren bei gleicher Silhouettenfläche schneller hinter dem Horizont und hat so eine größere Chance, nicht entdeckt zu werden.
2. Hot Spots vermeiden
Noch immer arbeitet der größte Teil der im Dienst befindlichen IR-Suchköpfe mit Detektoren im MIR.
Wie aus dem Kapitel über Festkörperstrahlung hervorgeht, detektieren diese Sensoren besonders heiße Stellen der Szenerie am besten.
Für die Signaturoptimierung ergibt sich daraus die Notwendigkeit, solche Stellen zu vermeiden!
2.1. Rangfolge der Problemzonen einer Signatur im MIR
Das folgende Bild vergleicht die Beiträge zur Strahlstärke im Bereich 3-5µm der verschiedenen Hot Spots am Beispiel eines Schiffes (Fregatte), das an Steuerbord einige Zeit der Sonne ausgesetzt war; der Beobachter ist 500m entfernt:
(aus: [6])
Man sieht als äußere Linie die Gesamtstrahlstärke, die sich aus den farbigen Bereichen zusammensetzt, die jeweils die Beiträge der heißen Metallteile des Schornsteins, der Abgaswolke und des von der Sonne aufgeheizten Schiffsrumpfes markieren.
Der Einbruch der Strahlstärke im Bugaspekt ist zum einen darauf zurückzuführen, dass die Silhouette kleiner ist als bei Sicht auf die Breitseite (deshalb auch der kleinere Einbruch im Heckaspekt), und zum anderen darauf, dass die Turmaufbauten den Schornstein in dieser Ansicht verdecken.
Eine andere Darstellung der Problemzonen ist sozusagen die Reihenfolge, in der die Spitzen des Eisberges "Signatur" in folgendem Bild auftauchen:
Bitte betrachten Sie die Zahlenwerte als Beispiele! Wir haben in den vorangegangenen Kapiteln gesehen, in wie starkem Maße die Signatur von Umgebungsparametern und Ähnlichem abhängt; hier kommt nun auch noch der Sensor als Einflussgröße dazu!
Auf der y-Achse sehen Sie eine berechnete Aufschaltreichweite für einen bestimmten Suchkopf.
Dort sind die Reichweiten markiert, wenn der Suchkopf zuerst auf den dort jeweils genannten Hot Spot aufschaltet.
Für den Schiffsrumpf wurde die Aufschaltreichweite in Abhängigkeit der Strahlungstemperaturdifferenz (x-Achse) zum Hintergrund aufgetragen, so dass man sehen kann, ab welchem Wert der Rumpf zum dominanten Teil der IR-Signatur wird.
Das schnelle Abflachen dieser Kurve ab ca. 16 km (in diesem Beispiel!) hängt mit dem Verschwinden des Schiffes hinter dem Horizont zusammen: Die sichtbare Zielfläche wird immer kleiner. Der aufgeheizte Schornstein ist über die Asymptote dieser Kurve hinaus sichtbar, weil er sich bei dem hier berechneten Schiff oberhalb des Rumpfes befindet und entsprechend länger zu sehen ist.
(Klicken Sie auf die Grafik, um die zugehörige Excel-Datei zu laden!)
(aus: [6])
Erwartungsgemäß sehen wir auch hier, dass heiße Metallteile das größte Problem darstellen, das sich mit Abgaskühlung aber unter die Signatur eines Schiffsrumpfes drücken lässt, der nur wenige Grad über der Hintergrundtemperatur liegt.
Wir lernen außerdem, dass es für die Temperaturdifferenz zwischen dem großflächigen Schiffsrumpf und dem Hintergrund eine Art Schwelltemperatur gibt, ab der die Aufschaltreichweite dramatisch ansteigt.
Für Detektoren im FIR ist die Gewichtung der Anteile etwas anders, aber auch dort sind Hot Spots natürlich diejenigen Teile des Bildes, die am frühesten detektiert werden, denn wenn wir uns nochmals die Planckschen Kurven vor Augen führen, sehen wir, dass die Kurven für niedrige Temperaturen zwar ihr Strahlungsmaximum im FIR haben, dieses Maximum aber immer noch niedriger ist als der Kurvenverlauf der höheren Temperaturen.
2.2. Heisse Festkörper
Man sieht aus obigen Bildern, dass die heißen Metallteile, die ja im Gegensatz zu den Gasen breitbandig strahlen, dominieren. Die Abgaswolke ist der zweitgrößte Hot Spot.
Wir sollten jedoch noch einen Schritt weiter denken, wenn wir die Signatur reduzieren wollen: Warum gibt es heiße Metallteile? Wodurch wird das Metall heiß? - Durch das Abgas, das über die Aufbauten strömt bzw. unmittelbare Berührung mit Schornsteinteilen hat!
Wir können also "ZWEI FLIEGEN MIT EINER KLAPPE SCHLAGEN" und die beiden größten Hot Spots gleichzeitig entfernen, wenn wir das Abgas kühlen!
Dies wird im folgenden Abschnitt behandelt.
Merken wir uns zunächst, dass es immens wichtig ist, die Aufheizung von Festkörpern zu vermeiden!
2.3. Abgas
Im folgenden werden einige Möglichkeiten aufgezeigt, wie man die durch Abgas verursachten Hot Spots vermeiden kann.
In Abschnitt 1. Silhouette haben wir außerdem gesehen, dass Hot Spots, wenn sie schon nicht zu vermeiden sind, doch wenigstens möglichst niedrig anzuordnen sind.
Im Falle der Abgase lässt sich dies zum Beispiel durch eine Anordnung der Abgasaustritte an den Seiten oder am Heck realisieren. Der Austritt am Heck hat dabei noch den Vorzug, dass es weniger Schwierigkeiten bereitet, eine Aufheizung der umgebenden Bordwand durch das Abgas zu vermeiden (siehe 2.2 Heisse Festkörper!).
Unabhängig davon, ob nun ein konventioneller Schornstein Verwendung findet, oder ob eine andere Anordnung möglich ist, sollte eine der folgenden Möglichkeiten zur Kühlung der Abgase genutzt werden:
2.3.1. Eductor / Diffusor
Hierbei handelt es sich um eine von der Firma Davis entwickelte Abgasführung, bei der dem heißen Abgas kalte Luft beigemischt wird, während es durch den Schornstein steigt. Dies geschieht ausschliesslich durch Konvektion, es sind also keine zusätzlichen aktiven Aggregate erforderlich, wenngleich man durch deren Einsatz den Kühleffekt noch geringfügig steigern kann.
Die Abgastemperatur lässt sich mit einer solchen Anlage auf etwa 220°C halbieren!
Die folgenden Bilder vermitteln einen Eindruck vom Aufbau eines Eductor / Diffusors:
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Hier sehen wir von unten durch den Eductor / Diffusor, quasi aus dem Raum, aus dem die Kühlluft angesogen wird, entlang des Wegs, den das Abgas nimmt. Man erkennt auch weiter oben an den Seiten noch Schlitze für die Zufuhr der "KALTEN" Außenluft.
(aus: [10])
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Nebenstehende Skizze macht in der Gesamtansicht deutlich, wie das Abgaskühlsystem in den Schornstein integriert werden kann.
(aus: [8]) |
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2.3.2. DRES Ball
Der DRES-Ball ist nach dem kanadischen "Defense Research Establishment Suffield - DRES" benannt, und stellt eine Verbesserung des Eductor /Diffusor Systems dar:
Ab einem Aspektwinkel mit mehr als 70° Elevation werden beim Eductor / Diffusor heiße Metallteile in der Abgasleitung sichtbar. Wir haben oben gesehen, welche Konsequenzen das hat.
Relevant ist dieses Problem zum einen für Flugkörper, deren Anflugprofil kurz vor dem Erreichen des Ziels einen "POP UP" vorsieht, um das Schiff von oben zu treffen (sogenannte High Diver). Zum anderen für Wärmebildgeräte, die sich an Bord von Luftfahrzeugen befinden und für Aufklärungszwecke verwendet werden können.
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Die nebenstehende Skizze eines DRES-Ball zeigt, dass zur Lösung des Problems ein "BALL" (in der Skizze als "CENTRE BODY" bezeichnet) in den Abgasstrom gebaut wird, der den Einblick von oben auf die heißen Teile verhindert.
(Die linke Hälfte ist ein Schnitt, die rechte Hälfte zeigt die Außenansicht.)
Aus diesem Ball strömt Kühlluft, die durch die Halterungen des Balls zugeführt wird, direkt in das Zentrum des Abgasstroms und bewirkt dort eine besonders effiziente Kühlung.
Im Gegensatz zur Abbildung des Eductor / Diffusors ist hier eine Variante mit aktiver Kühlluftzufuhr mittels Ventilator (Forced Air) gezeigt.
(aus: [9])
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Man erreicht mit dem DRES-Ball noch bessere Kühlwerte als mit dem Eductor / Diffusor (bis zu 160°C), und man verhindert außerdem, dass in der Ansicht von oben der Hot Spot der Abgasleitungen zu sehen ist!
Nachteil des DRES-Ball gegenüber dem Eductor / Diffusor: Er ist etwas schwerer.
2.3.3. Wasserkühlung (MECMAR)
Das Prinzip der beiden oben beschriebenen Abgaskühlsysteme basiert auf der Zuführung von Luft. Die Kühlleistung lässt sich erheblich steigern, wenn man die im Abgas vorhandene Wärmeenergie in ein Kühlmittel höherer Wärmekapazität führt. Auf Schiffen bietet sich dazu Wasser an! Das hat außerdem den Vorteil, dass ein weiterer Anteil Energie in den Verdampfungsprozess abgeführt werden kann.
Die norwegische Firma MECMAR stellt Systeme her, die Seewasser fein zerstäubt in die Abgasleitung blasen.
Das folgende Bild zeigt die Anordnung für eine Dieselmaschine, das selbe Prinzip lässt sich jedoch auch bei Gasturbinen anwenden:
(Quelle: Fa. MECMAR)
Diese Methode der Abgaskühlung bietet weitere Vorteile, die sogar der ursprüngliche Grund für diese Entwicklung waren:
- Geräuschminderung
- Geruchsreduzierung
Man erreicht zusätzlich eine erhebliche Reduzierung der Abgasleitungsdurchmesser, weil durch die geringere Temperatur ein niedrigerer Druck vorherrscht, und weil die aufwändige Wärmedämmung entfallen kann.
Dies wiederum zieht eine ganze Kette von Vorteilen nach sich:
- Abgasaustritt am Heck möglich, dadurch
- keine Schwierigkeiten mit Aufheizen von Aufbauten oder Bordwand durch das Abgas
- Abgasaustritt nur aus Heckaspekt, nicht mehr rundum sichtbar (zusätzlich wäre noch eine Schirmung mittels eines Wasserfächers denkbar)
- Wegfall des Schornsteins, dadurch
- kleinere und niedrigere Silhouette sowie
- Stellplatz für einen Sensor oder Effektor
Da Seewasser insbesondere bei Abgastemperatur mit herkömmlichen Materialien zu Korrosionsproblemen führen würde, wird die gesamte Anlage aus Titan gefertigt. Das wiederum bewirkt eine
- erhebliche Lebensdauerverlängerung der Abgasanlage und dadurch eine Reduzierung der Materialerhaltungskosten
Man erreicht mit einem solchen System eine Kühlung des Abgases auf 60°C, was für die Verbesserung der IR-Signatur fast schon überoptimiert ist! Dadurch gewinnt man aber Spielraum und kann das Ausmaß der Kühlung regelbar machen. Die Folgen:
- Nebelbildung kann vermieden werden
- Es lassen sich schnell veränderbare Signaturen realisieren, die als Täuschmaßnahme genutzt werden können.
2.3.4. Gegenüberstellung der Systeme
Oben genannte Abgaskühlprinzipien lassen sich sowohl für Diesel- als auch für Gasturbinenantriebe relisieren. Ebenso ist jede Technologie für die aus IR-Sicht günstige horizontale Abgasführung zum Heck geeignet.
In nachfolgendem Bild ist der Nutzen der verschiedenen Typen in Form einer modellhaften Aufschaltreichweite eines IR-Suchkopfes dargestellt:
(aus: [6])
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Das nebenstehende Bild zeigt modellhaft (!) gerechnete Aufschaltreichweiten eines Zielsuchkopfes, der im MIR arbeitet, für eine Fregatte, die mit zwei Gasturbinen 30 Knoten fährt, bei Ausrüstung mit verschiedenen Abgaskühlsystemen.
Bitte betrachten Sie die Zahlenwerte als Beispiele! Wir haben in den vorangegangenen Kapiteln gesehen, in wie starkem Maße die Signatur von Umgebungsparametern und Ähnlichem abhängt; hier kommt nun auch noch der Sensor als Einflussgröße dazu!
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Die gezeigten Polardiagramme für die verschiedenen, mit Luft betriebenen Abgaskühlsysteme entsprechen im Prinzip der Abbildung in Abschnitt 2.1., lediglich der Einbruch im Bugaspekt ist weniger stark ausgeprägt. Dies liegt daran, dass hier angenommen wurde, dass keine heißen Metallteile sichtbar sind, um die Kühlwirkung der Systeme besser zeigen zu können.
Die dargestellten Abgaskühlsysteme Cheesegrater (engl. Käseraspel, wegen seines Aussehens) und Eductor-BLISS sind veraltet und wurden deshalb hier nicht mehr behandelt.
Die Aufschaltreichweite bei einer Abgaskühlung mit Wasser läge noch einmal deutlich unter der hier für den DRES-Ball gezeigten!
Neben dem reinen Signaturnutzen einer Abgaskühlanlage gibt es beim Bau eines Schiffes natürlich noch eine Reihe von Randbedingungen zu beachten, die bei der Auswahl eines Abgaskühlsystems berücksichtigt werden müssen.
Folgende Kriterien müssen deshalb im Einzelfall abgewogen werden:
- Kühlleistung
- Nebeneffekte wie
- Abgasreinigung
- Nebelbildung
- Einfluss auf andere Signaturen
- Akustik (durch Ventilatoren (negativ) oder Druckminderung im Abgas (positiv))
- Radar (Baugröße des Schornsteins ↔ interne Abgasführung)
- Optik (Nebelbildung, Baugröße)
- Kosten
- Gewicht
- Platzbedarf
- Erzeugter Abgasgegendruck
2.4. Sonneneinstrahlung
Die Sonne hat auf zweierlei Weise Einfluss auf die Infrarotsignatur: Zum einen heizt sie das Schiff auf und zum anderen wird Solarstrahlung am Schiff reflektiert.
2.4.1. Sonnenreflexe
Je nach geometrischer Anordnung von Schiff bzw einer daran befindlichen Fläche, Sensor und Sonne kann es zu Reflexionen der Solarstrahlung kommen, die die eigentliche Signatur des Schiffes um ein wesentliches überstrahlen.
Man hört häufig das Argument, Sonnenreflexe seien für die IR-Signatur kein Thema, weil
- Solarstrahlung nur im NIR, nicht aber im MIR auftrete.
- der spektrale Reflexionsgrad nur ca. 5% betrage.
- die Reflexionsbedingungen nur in einem vernachlässigbaren Winkelbereich erfüllt seien.
Alle diese Argumente sind falsch!
- Die Solarstrahlung hat zwar ihr Maximum im sichtbaren Bereich, wenn wir uns aber die Kurvenverläufe der spektralen Strahldichte in Abhängigkeit der Temperatur ansehen, stellen wir fest, dass die Kurvenschar sich nirgendwo schneidet, d.h., dass ein Körper, der sein Strahlungsmaximum im Visuellen hat, auch im MIR eine größere Strahldichte aufweist als ein Körper, der dort sein Strahldichtemaximum hat.
- Im MIR und FIR beträgt der spektrale Reflexionsgrad einer Standard-Schiffsfarbe in der Tat etwa 5%. Zum einen steigt aber der Reflexionsgrad einer normalen Farbe im NIR an, und zum anderen ist auch 5% der auftreffenden Solarstrahlung immer noch ein Vielfaches von 95% der Eigenstrahlung des Schiffes! 5% Reflexionsgrad bedeutet nämlich nicht ein Zwanzigstel der Eigenstrahlung!
- Solarreflexionen treten nicht nur unter der strengen theoretischen Reflexionsbedingung Einfallswinkel = Ausfallswinkel auf sodern als sogenannte diffuse Reflexion auch über einen großen kegelförmigen Winkelbereich (ca. 60° Öffnungswinkel!) um diesen theoretischen Strahlengang herum.
2.4.2. Aufheizung
Im Abschnitt 2.2 haben wir bereits gesehen, welch verheerende Folgen die Aufheizung von Festkörpern hat. Auch die Solarstrahlung wirkt in dieser Weise auf die IR-Signatur.
Die durch Sonnenaufheizung erreichte Temperatur ist zwar nicht vergleichbar mit den Abgastemperaturen, dadurch, dass sehr große Flächen aufgeheizt werden, ist die Strahlstärke, die auf diese Weise erzeugt wird, aber ebenfalls erheblich.
Abhilfemaßnahmen sind auf einem Kampfschiff in der Regel schon installiert und müssen nur noch modifiziert werden, um sie zur Kühlung der Schiffsoberfläche bei Sonnenbestrahlung einsetzen zu können: Die ABC-Sprühanlage.
Die notwendige Modifikation bezieht sich darauf, dass Sonneneinstrahlung meist nur von einer Seite erfolgt, so dass sich nur bestimmte Teile des Schiffes erwärmen, und auch nur die dürfen gekühlt werden. Die ABC-Sprühanlage muss also in mehreren Sektionen getrennt einschaltbar sein.
Eine optimale Kühlung ereicht man natürlich nur dann, wenn auch die Bordwand berücksichtigt wird, was bei der ABC-Sprühanlage nicht der Fall ist.
Zusätzlich braucht die Besatzung noch ein System, das ihr die Notwendigkeit, die Sprühanlage in bestimmten Bereichen einzusetzen, meldet. Dies könnte zum Beispiel ein Onboard Signature Manager sein, wie ihn die Firma Davis anbietet: Das Gerät basiert auf der IR-Signatursimulationssoftware SHIPIR/NTCS, die im Kapitel Simulation vorgestellt wird, ergänzt um einige Temperatursensoren. Damit hat die Besatzung ständig ein Bild ihrer eigenen IR-Signatur.
2.5. Sonstige Hot Spots
2.5.1. Scheibenheizung
Die Heizung der Brückenfenster ist ein auf allen IR-Bildern deutlich sichtbarer Hot Spot. Unter Signaturoptimierungsgesichtspunkten sollte ein anderes Verfahren eingesetzt werden, um die Scheiben frei zu halten!
Zumindest muss den Besatzungen klar sein, wie sich die Benutzung der Scheibenheizung auf ihre IR-Signatur auswirkt, und sie sollten sie nur dann einschalten, wenn es wirklich erforderlich ist!
2.5.2. Maschinenraumdämmung
In der Grafik oben, die die Aufschaltreichweite auf die einzelnen Hot Spots zeigt, ist mit der hellblauen Linie auch der nicht ausreichend wärmegedämmte Maschinenraum aufgeführt.
Durch die große Wärmeentwicklung im Maschinenraum müssen Vorkehrungen getroffen werden, um diese Wärme nicht auf Außenwände zu übertragen.
Technisch ist die Wärmedämmung kein Problem, man muss lediglich, wenn man ein Schiff signaturoptimiert bauen will, auch hier entsprechenden Aufwand treiben.
2.5.3. Bug- und Hecksee
Eine im Zusammenhang mit Signaturoptierung unangenehme Eigenschaft des Wassers ist, dass sein Reflektionsgrad vom Aspektwinkel abhängt. Das bedeutet, dass man je nach Blickwinkel entweder die Eigenstrahlung des Wassers sieht, wenn man senkrecht auf die Wasseroberfläche schaut, eine Reflexion der Umweltstrahlung, wenn man ganz flach auf das Wasser sieht, oder eine Mischung aus beidem bei einem dazwischen liegenden Winkel.
Aus diesem Grund ist Wasserbewegung im IR-Bild sehr gut zu erkennen (indirekte IR-Signatur).
Bug- und Hecksee müssen also so klein wie möglich gehalten werden. Aus Gründen der Widerstandsreduzierung ist dies ohnehin wünschenswert, so dass der dafür zu betreibende Aufwand nicht nur der IR-Signatur zu gute kommt.
2.5.4. Bordhubschrauber
Auch ein soeben gelandeter Bordhubschrauber, der noch an Deck steht, stellt einen vermeidbaren Hot Spot dar! Diese Tatsache macht deutlich, dass nicht nur konstruktive sondern auch taktisch-operative Maßnahmen (Hubschrauber in den Hangar stellen) die Infrarotsignatur verbessern können!
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