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Die
Erfindung betrifft ein Kardanlager zur beweglichen Lagerung eines
Bauelements, insbesondere eines optischen Bauelements, gegenüber einer Struktur.
Die Erfindung betrifft weiter einen Suchkopf für einen Lenkflugkörper, mit
einem Kardanlager der genannten Art, in welchem eine Objekterfassungseinheit
gelagert ist.
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Ein
Kardanlager dient zur Lagerung eines Bauelements gegenüber einer
Struktur, so dass Bauelement und Struktur zumindest teilweise rotatorisch voneinander
entkoppelt sind. Mit anderen Worten kann das in einem Kardanlager
gelagerte Bauelement gegenüber
der Struktur um zwei oder um drei Raumachsen rotieren. Für ein Kardanlager
sind verschiedenste mechanische Konstruktionen vorstellbar. Dabei
ist eine bekannte mechanische Konstruktion diejenige, in welcher
drei senkrecht zueinander stehende Raumachsen mechanisch durch in
Zapfen drehbar gelagerte Ringe nachgebildet sind. Ein derartiges
Kardanlager wird beispielsweise zur Lagerung eines nautischen Instrumentes
wie z. B. einem Kompass oder einem Kreisel verwendet, wobei das nautische
Instrument gegenüber
den Bewegungen des Schiffes bei Seegang stabil in einer vorbestimmten
Lage zu halten ist. Ein derartiger mechanischer Aufbau eignet sich
aber wegen der zu bewegenden Massen und dem Platzbedarf von Antriebsmitteln
nur sehr begrenzt, wenn das Instrument aktiv bewegt werden soll.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Kardanlager anzugeben, das die aktive
Bewegung eines Bauelements, insbesondere eines optischen Bauelements,
mit einer hohen Dynamik ermöglicht.
Das Kardanlager soll weiter für
das Bauelement einen großen Schielwinkel
(Schwenkwinkel des Bauelements gegenüber der Zentralachse des Kardanlagers)
und im Falle eines optischen Bauelements eine große optische
Eintrittsapertur ermöglichen.
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Weiter
ist es Aufgabe der Erfindung, einen Suchkopf für einen Lenkflugkörper mit
einem Kardanlager anzugeben, wobei das Kardanlager für die Objekterfassungseinheit
einen großen
Schielwinkel und eine große
optische Eintrittsapertur ermöglicht. Die
Bewegung der Objekterfassungseinheit gegenüber dem Lenkflugkörper soll
mit einer hohen Dynamik möglich
sein.
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Die
erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Kardanlager mit
einem strukturfesten ersten und einem strukturfesten zweiten Führungsmittel,
mit einem im ersten Führungsmittel schwenkbar
geführten
kreisbogenförmigen
ersten Halterahmen, mit einem im zweiten Führungsmittel schwenkbar geführten kreisbogenförmigen zweiten Halterahmen,
mit einem zwischen den Enden des ersten Halterahmens drehbar gelagerten
ersten Ringrahmen und mit einem zwischen den Enden des zweiten Halterahmens
drehbar gelagerten zweiten Ringrahmen, wobei der zweite Ringrahmen
in dem ersten Ringrahmen drehbar gelagert ist und wobei das Bauelement
von dem zweiten Ringrahmen gehalten ist.
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Die
Erfindung geht dabei von der Überlegung aus,
dass sich durch die Führung
der Halterahmen in einem Führungsmittel
die mechanische Stabilität
des Kardanlagers erhöht.
Eine große
mechanische Stabilität
des Kardanlagers ermöglicht
dann eine hohe Dynamik bei der Bewegung des gelagerten Bauelements.
Die kreisbogenförmigen
Halterahmen, zwischen deren Enden dann ein jeweiliger Ringrahmen drehbar
befestigt ist, können
dabei ganz oder nur teilweise in dem jeweiligen Führungsmittel
geführt
sein.
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Dadurch,
dass die gegeneinander drehbar gelagerten Ringrahmen jeweils zwischen
den Enden der zugehörigen
ringbogenförmigen
Halterahmen angeordnet sind, kann das Bauelement innerhalb des gesamten
von den Führungsrahmen
gebildeten Raumes rotiert werden. Auf diese Weise lässt sich ein
großer
Schielwinkel für
das Bauelement erzielen. Weiter ragt – unabhängig von der Stellung des Bauelements – aufgrund
der Anordnung der Ringrahmen kein Teil der Halterahmen in das Gesichtsfeld
des Bauelements hinein. Das Gesichtsfeld des Bauelements wird nur
begrenzt durch die Führungsmittel, wenn
das Bauelement auf oder unter die Ebene dieser geschwenkt wird.
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Der
zweite Ringrahmen ist in dem ersten Ringrahmen drehbar gelagert,
da abhängig
von der Stellung des ersten und des zweiten Halterahmens der Abstand
der Lagerpunkte des ersten Ringrahmens und des zweiten Ringrahmens
voneinander variiert.
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Der
mögliche
Schiel- oder Schwenkwinkel des Bauelements gegenüber der Zentralachse des Kardanlagers
lässt sich
weiter erhöhen,
wenn der Winkel zwischen dem ersten und dem zweiten Führungsmittel
von 90° ausgehend
verringert wird. Auf diese Weise sind partiell Schielwinkel von
mehr als 90° möglich. Allerdings
lässt mit
abnehmendem Winkel der Führungsmittel
zueinander die mechanische Stabilität des Kardanlagers nach. Zudem
bedarf es höherer
Drehmomente zur Schwenkung des Bauelements, da die Lagerpunkte der
Ringrahmen zueinander rücken.
Vorteilhafterweise beträgt
der Winkel zwischen dem ersten und dem zweiten Halterahmen zwischen
40 und 90°.
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Das
Material und die Masse des Kardanlagers lässt sich verringern, wenn die
Führungsmittel als
im wesentlichen kreisbogenförmige
Profilkörper ausgebildet
sind, die die Halterahmen zumindest teilweise außen umgreifen. Durch diese
Maßnahme lässt sich
weiter der mögliche
Schielwinkel erhöhen, da
die Abmessungen der strukturfesten Teile des Kardanlagers verringert
sind. Die Profilkörper
sind beispielsweise U-förmig,
wobei im Hohlraum die Halterahmen geführt sind. Soll die mechanische
Stabilität
des Kardanlagers erhöht
werden, so können
zwischen den Profilkörpern
auch Querverstrebungen eingebracht werden.
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Von
Vorteil für
die Dynamik des Kardanlagers ist es, wenn die Antriebsmittel zum
Schwenken der Halterahmen strukturfest angeordnet sind. Da geeignete
Antriebsmittel, wie zum Beispiel Elektromotoren, eine nicht unerhebliche
Masse besitzen, verringert sich bei deren strukturfester Anordnung
die Masse der schwenkbaren Teile des Kardanlagers erheblich.
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Vorteilhafterweise
sind die Antriebsmittel elektrische Stellmotoren, die zur Schwenkung
des zugeordneten Halterahmens jeweils ein Zahnrad antreiben, welches
in einem auf den jeweiligen Halterahmen angeordneten Zahnkranz eingreift.
Elektrische Stellmotoren sind relativ kostengünstig und technisch ausgereift.
Die mechanische Kopplung der Halterahmen mit den Stellmotoren mittels
Zahnkranz und Zahnrad erlaubt eine präzise Verschwenkung des Bauelements. Über die
Position des Zahnrades ist ein exakter Winkelabgriff bei der Verschwenkung des
Bauelements möglich.
Selbstverständlich
sind aber auch andere mechanische Kopplungen zwischen Stellmotor
und Halterahmen vorstellbar.
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Die
Abmessungen der strukturfesten Teile des Kardanlagers lassen sich
weiter verringern, wenn als Antriebsmittel Linearmotoren verwendet werden,
die jeweils über
einen Anker und einen Induktor den zugeordneten Halterahmen vorantreiben. Bei
einem Linearmotor wird über
Wicklungen in einem Induktor ein Wanderfeld erzeugt, welches in
einem metallischen Anker Wirbelströme erzeugt, die zu einer Relativbewegung
zwischen Induktor und Anker führen. Üblich sind
dabei zwei Induktoren, die oberhalb und unterhalb des Ankers angeordnet
sind. Wird ein magnetischer Anker verwendet, so genügt ein Induktor.
Bezüglich
des Kardanlagers können entweder
die Halterahmen als Anker und die Führungsmittel als Induktoren
oder die Halterahmen als Induktoren und die Führungsmittel als Anker ausgebildet
sein. Es ist aber von Vorteil, die elektrischen Teile des Linearmotors
in den strukturfesten Führungsmitteln
anzuordnen, und insofern diese als Induktoren auszubilden. Die Halterahmen
können dann
als metallische, insbesondere als magnetische Anker ausgebildet
sein.
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Vorteilhafterweise
sind die Halterahmen in den Führungsmitteln
jeweils über
Segmentkugellager geführt.
Dies erlaubt eine stabile und sichere Führung der Halterahmen in den
Führungsmitteln. Sind
die Segmentkugellager dabei seitlich zwischen Halterahmen und Führungsmittel
angeordnet, so kann der Lagerpunkt zwischen Ringrahmen und Halterahmen
bei einem U-förmigen
Führungsmittel
auch entlang des Führungsmittels
verschwenkt werden.
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Die
zweitgenannte Aufgabe bezüglich
eines Suchkopfes für
einen Lenkflugkörper
wird erfindungsgemäß durch
einen Suchkopf mit einem Kardanlager gelöst, welches ein strukturfestes
erstes und eine strukturfestes zweites Führungsmittel, einen im ersten
Führungsmittel
schwenkbar geführten
kreisbogenförmigen
ersten Halterahmen, einen im zweiten Führungsmittel schwenkbar geführten kreisbogenförmigen zweiten
Halterahmen, einen zwischen den Enden des ersten Halterahmens drehbar
gelagerten ersten Ringrahmen und einen zwischen den Enden des zweiten
Halterahmens drehbar gelagerten zweiten Ringrahmen aufweist, wobei
der zweite Ringrahmen in dem ersten Ringrahmen drehbar gelagert
ist und wobei das Bauelement von dem zweiten Ringrahmen gehalten
ist, und in welchem eine optische Objekterfassungseinheit zur Abbildung
einer Objektszene auf einem Detektor gelagert ist.
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Eine
Objekterfassungseinheit ist dabei eine Einheit, die auf entfernte
Objekte in einem Gesichtsfeld anspricht und entsprechende Signale
liefert. Vorzugsweise handelt es sich dabei um einen optischen Sucher,
der das erfasste Gesichtfeld in der Ebene eines Detektors abbildet.
Der Detektor erfasst zum Beispiel Ziele, die infrarote Strahlung
emittieren. Aus den Detektorsignalen werden Informationen über die Lage
des Ziels im Gesichtsfeld des Suchers gewonnen. Üblicherweise wird dann der
Sucher auf das Ziel ausgerichtet, so dass das Ziel im wesentlichen
auf der optischen Achse des Suchers liegt, und dann dem Ziel nachgeführt. Aus
den Sucher- und Nachführsignalen
sind Lenksignale für
den Flugkörper
ableitbar.
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Die
Objekterfassungseinheit kann aber auch ein Radarsucher sein, der
innerhalb eines Raumwinkels nach Objekten sucht.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 in
einer perspektivischen Darstellung ein Kardanlager mit einer gelagerten
Objekterfassungseinheit und zugehörigem Kühlaggregat, wobei die Antriebsmittel
elektrische Stellmotoren sind,
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2 in
einer perspektivischen Darstellung das Kardanlager gemäß 1 aus
einer anderen Blickrichtung und mit einer anderen Auslenkung der Objekterfassungseinheit,
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3 in
einer perspektivischen Darstellung ein Kardanlager mit einer gelagerten
Objekterfassungseinheit, wobei die Antriebsmittel für die Halterahmen
als Linearmotoren ausgebildet sind, und
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4 in
einer schematischen Darstellung einen Suchkopf in einem Lenkflugkörper mit
einem Kardanlager, in welchem eine Objekterfassungseinheit gelagert
ist.
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In
den Figuren werden dabei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen
bezeichnet.
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1 zeigt
perspektivisch ein Kardanlager 1, in welchem als Bauelement 3 eine
optische Objekterfassungseinheit gelagert ist. Das Bauelement 3 ist
durch das Kardanlager 1 gegenüber einer Struktur 5 beweglich
gelagert. Das Kardanlager 1 kann über die Struktur 5 beispielsweise
in einem Suchkopf eines Lenkflugkörpers befestigt werden. Sie
kann aber ebenso gut über
die Struktur 5 in einer stationären Einheit montiert werden,
und beispielsweise als stationärer
Rundumsucher eingesetzt werden, der einen großen Raumwinkel ständig nach
Objekten absucht.
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Mit
der Struktur 5 fest verbunden weist das Kardanlager 1 ein
erstes Führungsmittel 6 und
ein zweiten Führungsmittel 7 auf.
Die Führungsmittel 6 und 7 sind
im wesentlichen halbkreisförmig
ausgebildet und in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet. Zur
Führung
der Halterahmen 9 und 10 sind die Führungsmittel 6 und 7 aus
schalenförmigen
Einzelteilen gefertigt, die gegeneinander verschraubt werden. Zur
Erhöhung
der mechanischen Stabilität sind
zwischen den Führungsmitteln 6 und 7 Querverstrebungen 8 angeordnet.
Dabei bilden alle Querverstrebungen 8 zusammen einen umlaufenden
Ring, in dessen Innenraum das Bauelement 3 verschwenkt wird.
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Der
erste Halterahmen 9 und der zweite Halterahmen 10 sind
im wesentlichen kreisbogenförmig ausgebildet
und schwenkbar an der Innenseite des ersten Führungsmittels 6 bzw.
des zweiten Führungsmittels 7 gelagert.
Hierzu weisen die Führungsmittel
jeweils ein im wesentlichen U-förmiges
Profil auf. Zwischen den Enden des ersten Halterahmens 9 ist
ein erster Ringrahmen 13 gelagert, in welchem konzentrisch
ein kleinerer zweiter Ringrahmen 14 beweglich geführt wird,
der zwischen den Enden des zweiten Halterahmens 10 ebenfalls
drehbar gelagert ist. Die Drehachse des zweiten Ringrahmens 14 gegenüber dem
ersten Ringrahmen 13 steht dabei senkrecht auf der Drehachse,
um welche die beiden Ringrahmen 13 und 14 gegenüber den
Halterahmen 9 und 10 drehbar sind.
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An
dem zweiten Ringrahmen 14 ist das Bauelement 3 befestigt.
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Zum
Schwenken und Drehen des Bauelements 3 sind als Antriebsmittel 18 und 19 elektrische Stellmotoren
vorhanden. Das erste Antriebsmittel 19 ist in 1 nicht
erkennbar. Zum Schwenken und Drehen des Bauelements 3 treiben
die Antriebsmittel 19 und 18 über ein erstes Zahnrad 20 bzw.
ein zweites Zahnrad 21 die Halterahmen 9 und 10 in
den Führungsmitteln 6 bzw. 7 voran.
Dabei greifen die Zahnräder 20 und 21 in
entsprechende Zahnkränze 23 bzw. 24 ein,
die auf den Halterahmen 9 bzw. 10 angeordnet sind.
Dreht sich beispielsweise das erste Zahnrad 20 in Blickrichtung
im Uhrzeigersinn, so taucht der sichtbare Teil des ersten Halterahmens 9 nach
unten. Das Bauelement 3 wird um die von den beiden Lagern
des zweiten Ringrahmens 14 an den Enden des zweiten Halterahmens 10 gebildeten
Achse nach oben gedreht. Da sich dabei der Abstand zwischen dem
ersten Kugellager 16 und dem zweiten Kugellager 17 verändert, dreht
sich der zweite Ringrahmen 14 gegenüber dem ersten Ringrahmen 13.
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Die
beiden Halterahmen 9 und 10 sind in den Führungsmitteln 6 bzw. 7 über Segmentkugellager 27 bzw.
28 geführt
und gelagert.
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Das
als optische Objetkerfassungseinheit aufgebaute Bauelement 3 weist
einen Hohlspiegel 31 auf, der empfangene IR-Strahlung auf
einen Reflektionsspiegel 33 wirft, der auf einen nicht
sichtbaren Detektor 35 fokussiert. Der Detektor 35 und
ein Teil der Optik sitzen dabei in einem Gehäuse, in welchem auch ein Kühlaggregat 37 zur
Kühlung
des Detektors 35 angeordnet ist. Zur Kühlung wird dem Kühlaggregat 37 über eine
Kühlgasspirale 38 Kühlgas zugeführt.
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Über die
flexible Datenleitung 40 werden die Informationen des Detektors 35 an
eine Auswerteelektronik, beispielsweise zur Steuerung des Zielflugs eines
Lenkflugkörpers,
zugeleitet.
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2 zeigt
in einer perspektivischen Darstellung aus einem anderen Blickwinkel
das Kardanlager 1 gemäß 1.
Zur Veranschaulichung der Funktionsweise des Kardanlagers 1 befindet
sich dabei das Bauelement 3 in einer anderen Schwenklage. Gegenüber 1 ist
deutlich das als elektrischer Stellmotor ausbildete Antriebsmittel 19 zu
erkennen.
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Der
zweite Halterahmen 10 ist gegenüber 1 deutlich
verschwenkt. Insbesondere ist das eine Ende des zweiten Halterahmens 10 vollständig in
dem ersten Führungsmittel 6 verschwunden.
Man erkennt, dass der feststehende Teil des zweiten Segmentkugellagers 28 über das
Ende des zweiten Führungsmittels
hinausgeführt
ist. Dies erlaubt eine Erhöhung
der Stabilität
des Kardanlagers 1, ohne dass es zu einer nennenswerten
Einschränkung
hinsichtlich des möglichen
Schielwinkels oder der Apertur kommt.
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Hinsichtlich
des Bauelements 3 ist gegenüber 1 nun deutlich
der Reflektionsspiegel 33 zu erkennen, der die von dem
Hohlspiegel 31 eingefangene Szene auf den Detektor 35 fokussiert.
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In 3 ist
perspektivisch ein Kardanlager 2 dargestellt, bei welchem
die Antriebsmittel zum Vorantreiben der Halterahmen 9 und 10 als
Linearmotoren ausgebildet sind. Das gelagerte Bauelement 3 ist wiederum
eine optische Erfassungseinheit, die einen Hohlspiegel 31 und
einen Reflektionsspiegel 33 umfasst. Die optische Erfassungseinheit
ist dabei schematisch dargestellt. Im Innenraum des Kardanlagers 2 ist
ein Teil des Kühlaggregats 37 zur
Kühlung
des nicht näher
dargestellten Detektors 35 zu erkennen.
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Im
Inneren der Führungsmittel 6 und 7 ist
jeweils ein Induktor angeordnet, über welchen ein Wanderfeld
erzeugt wird, welches dann die als Anker ausgebildeten Halterahmen 9 und 10 vorantreibt.
Zu diesem Zweck sind in die Halterahmen 9 und 10 jeweils
magnetische Teile 45 eingelassen. Auf diese Weise schließen sich
die Magnetfeldlinien ohne Zuhilfenahme eines zweiten Induktors Die
Halterahmen 9 und 10 sind über die Segmentkugellager 27 bzw. 28,
in den Führungsmitteln 6 bzw.
7 geführt
und gehalten.
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Im
Unterschied zu dem Kardanlager 1 gemäß 1 und 2 sind
in dem hier dargestellten Kardanlager das erste Führungsmittel 6 und
das zweite Führungsmittel 7 in
einem Winkel von 45° zueinander
angeordnet. Da die beiden Führungsmittel 6 und 7 kreisbogenförmig ausgebildet
und über Kreuz
angeordnet sind, erlaubt diese Anordnung in gewissen Raumbereichen
einen größeren Schielwinkel
als bei einer Anordnung mit einem Winkel zwischen den Führungsmitteln 6 und 7 von
90°.
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4 zeigt
schematisch und teilweise perspektivisch einen Lenkflugkörper 50,
von welchem der Zwischenteil 52 mit Stabilisierungsflügeln 54 und
der Suchkopf 56 dargestellt sind. Der Antriebsteil des Lenkflugkörpers 50 ist
nicht eingezeichnet. Der Suchkopf 56 weist eine Steuerelektronik 60 sowie
einen Dom 58 auf, welcher für die von dem Detektor zu empfangende
Strahlung transparent ist. Innerhalb des Doms 58 ist ein
Kardanlager 1 gemäß 1 und 2 angeordnet,
in welchem als Bauelement 3 eine optische Objekterfassungseinheit
gelagert ist.
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Das
Kardanlager 1 ist fest mit dem Lenkflugkörper 50 verbunden.
Unabhängig
von einer Roll- oder Nickbewegung des Lenkflugkörpers 50 kann über das
Kardanlager 1 das als optische Erfassungseinheit ausgebildete
Bauelement 3 mit hoher Dynamik verschwenkt werden und beispielsweise
eine vorgegebene, kontinuierliche Suchbewegung durchführen. Eine
solche Suchbewegung dient beispielsweise dazu, das zu überfliegende
oder überflogene Gelände nach
etwaigen Zielen zu detektieren. Das Kardanlager 1 ermöglicht dabei
eine Verschwenkung des Suchkopfes mit einem großen Schielwinkel, so dass beispielsweise
bei einem Bergüberflug
des Lenkflugkörpers 50 noch
Ziele unmittelbar hinter dem Berg detektiert werden können.