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ALLGEMEINES TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Zielsuchkopf für eine Rakete,
der wenigstens zwei Detektionskanäle für Lichtstrahlen in zwei voneinander verschiedenen
Strahlungsbändern
umfasst.
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Die
Erfindung betrifft ebenfalls eine Rakete, die einen solchen Kopf
umfasst.
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STAND DER TECHNIK
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1 stellt
schematisch ein herkömmliches Beispiel
für den
Einsatz einer Rakete 1 für den Erdkampf dar, die einen
Zielsuchkopf 10 mit zwei Betriebsarten umfasst. Der Kopf 10 umfasst
beispielsweise einen SAL-Kanal („Semi Active Laser” oder halbaktiver
Laser) und einen Infrarotkanal, die als solche dem Fachmann bekannt
sind. Der SAL-Kanal kann herkömmlich
mit Wellenlängen
arbeiten, die zwischen 1,06 μm
und 1,54 μm
liegen (man spricht dabei vom nahen Infrarot oder dem Band 1) und
der Infrarotkanal (IR) kann seinerseits im Band 2 (3 μm–5 μm) oder dem
Band 3 (8 μm–12 μm) arbeiten.
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Wie
in 1 dargestellt, wird die Rakete 1 zum
Zeitpunkt t0 von einer Abschussvorrichtung 2 abgefeuert.
Die Rakete 1 startet mit einer Trägheitsnavigation in Richtung
eines Ziels 3 auf einer Bahn T. Das Ziel 3 ist
für die
Rakete 1 zum Abschusszeitpunkt der Rakete 1 nicht
sichtbar.
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Wenn
zum Zeitpunkt t1 die Rakete 1 nahe beim
Ziel 3 angelangt ist (dieser Abstand entspricht der mittleren
Reichweite des SAL-Kanals), kennzeichnet eine externe Beleuchtungsvorrichtung 4 das Ziel 3 durch
Anstrahlen.
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Der
SAL-Kanal des Kopfs 10 detektiert dann das so angeleuchtete
Ziel 3 und er führt
die Abstandsmessung für
das Ziel 3 aus. Die Abstandsmessung wird in der Endphase
eingesetzt, um die Rakete 1 auf das Ziel 3 zu
lenken (man spricht dabei von der SAL-Betriebsart).
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Wenn
das Ziel 3 vom Abschuss an sichtbar ist, ist die SAL-Betriebsart
auch möglich
zur Detektion und zur Bestimmung der Abstandsmessung des Ziels für die Lenkung
der Rakete 1 zum Ziel 3, ohne eine vorangehende
Phase mit Trägheitsnavigation.
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Für die Detektion
und die Abstandsmessung des Ziels, zur Lenkung der Rakete 1 auf
das Ziel 3 in der Endphase, ist auch eine Infrarot-Betriebsart
möglich, bei
der, vom Abschuss bis zum Einschlag am Ziel 3, nur der
IR-Kanal eingesetzt wird.
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In 2 ist
ein Beispiel eines Zielsuchkopfs 10 schematisch dargestellt,
der bekannt ist und der sich vorn in einer Rakete 1 befindet.
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Er
umfasst insbesondere einen Eintrittsdom 101, der im Allgemeinen
halbkugelförmig
und für
den SAL-Kanal im nahen IR-Band (Band 1) und für den IR-Kanal im Band 3 (oder dem Band 2) durchlässig ist.
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Der
Kopf 10 umfasst ebenfalls eine in zwei Achsen Y (Neigungswinkel)
und Z (Schwenkwinkel) orientierbare Plattform 102. Die
Orientierung der Plattform 102 hat zur Folge, dass die
Visierlinie V stabilisiert wird und dass sie orientiert wird, typischerweise
in einem Winkelbereich von einigen zehn Grad bezüglich jeder Achse.
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Der
Kopf 10 umfasst ebenfalls ein katadiotprisches optisches
Modul 103. Ein katadioptrisches Modul ist ein optisches
System, das sowohl mit Linsen wie auch mit Spiegeln arbeitet. So
umfasst das Modul 103 herkömmlicherweise insbesondere
einen Primärspiegel 104,
der einen Lichtfluss F auf einen Sekundärspiegel 105 reflektiert
(der zu einer zentralen Verdeckung des Primärspiegels 104 führt), um den
Fluss F durch das durchbrochene Zentrum des Primärspiegels 104 zu leiten.
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Der
Einsatz des Primärspiegels 104 ist
notwendig, insbesondere im Fall mit zwei Betriebsarten SAL (Band
1) und IR (Band 3), da der Umfang der verwendeten Wellenlängen (1 μm–12 μm) die Achromatisierung
mit einer Lösung
vom dioptrischen Typ (also ohne Spiegel) schwierig macht.
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Das
Modul 103 umfasst außerdem
dem Sekundärspiegel 105 nachgeordnet,
hinter dem Primärspiegel 104,
eine doppelbrechende Platte 106, wie dies in 2 dargestellt
ist. Der Fluss F wird zum einen Teil von der Platte 106 durchgelassen,
um einen Fluss F1 zu bilden und um (gegebenenfalls nach einer Bündelung
durch eine Linse 109) einen IR-Sensor 107 zu erreichen.
Der Dom 101, das Modul 103 und der Sensor 107 bilden
somit den IR-Kanal.
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Der
Fluss F wird zum anderen Teil von der Platte 106 reflektiert,
um einen Fluss F2 zu bilden und um einen SAL-Sensor 108 zu
erreichen. Der Dom 101, das Modul 103 und der
Sensor 108 bilden den SAL-Kanal.
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Der
herkömmliche
Kopf 10 hat Nachteile.
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Als
erstes ist der Dom 101 für beide Kanäle gemeinsam und seine Durchlässigkeit
ist nicht für
jeden der Kanäle
optimal, und zwar aufgrund der beschränkten Auswahl an breitbandig
durchlässigen Materialien
(für einen
gleichzeitigen Betrieb im Band 1 (für den SAL-Kanal) und dem Band
2 oder sogar Band 3 (für
den IR-Kanal)) und damit verbundenen Verarbeitungen, die komplex
sind.
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Da
die Auswahl des Materials für
den Dom eingeschränkt
ist, kann dies aufgrund der geringen Härte des Materials (der Dom 101 muss
der Regenerosion standhalten können)
Einschränkungen
für die
Geschwindigkeit der Rakete bewirken.
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Außerdem hat
der Primärspiegel 104,
der eine zentrale Verdeckung aufweist, einen größeren tatsächlichen Durchmesser als die
wirksame Pupille des Systems. Dieser große Durchmesser führt zu einer
Vergrößerung der
Abmessung des Doms 101 und damit seiner Herstellungskomplexität und seiner Kosten.
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Es
ist schwierig mit einem katadioptrischen Modul am Eingang des Kopfs
große
optische Sichtfelder zu erreichen.
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Schließlich zwingt
die Verwendung der Platte 106 zum einen zu einer seitlichen
Verlagerung, senkrecht zur Visierlinie V, eines der beiden Kanäle (in 2 der
SAL-Kanal), zum Anderen zu einer Verlängerung der Plattform 102 in
Richtung der Visierlinie V für
den anderen Kanal (der SAL-Kanal in 2), was den
Platzbedarf der Plattform 102 erhöht, wohingegen es wünschenswert
ist, dass der Kopf, aufgrund von Anforderungen der Abmessungen und
der Aerodynamik der Rakete, einen minimalen Platzbedarf hat.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der Erfindung
wird vorgeschlagen, wenigstens einen dieser Nachteile zu beseitigen.
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Hierfür wird gemäß der Erfindung
ein Zielsuchkopf für
eine Rakete vorgeschlagen, der wenigstens zwei Detektionskanäle für Lichtstrahlen
in zwei voneinander getrennten Strahlungsbändern umfasst, dadurch gekennzeichnet,
dass jeder Detektionskanal, für
jedes Band, Folgendes umfasst:
- – ein Eintrittsfenster,
das für
das gegebene Strahlungsband durchlässig ist,
- – einen
Sensor, zur Detektion der Strahlen im gegebenen Band, und
- – ein
dioptrisches Modul, das zwischen dem Fenster und dem Sensor angeordnet
ist,
wobei jedes Fenster, jeder Sensor und jedes Modul jeweils
getrennt vom Fenster, Sensor und Modul der anderen Kanäle ist.
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Die
Erfindung wird vorteilhafterweise durch die folgenden Eigenschaften
vervollständigt,
die einzeln oder in beliebigen, technisch möglichen Kombinationen angewendet
werden können:
- – der
Kopf umfasst einen getrennten IR-Kanal und SAL-Kanal, wobei das
für das
SAL-Band durchlässige
Fenster, der SAL-Sensor und das SAL-Modul jeweils getrennt vom für das IR-Band durchlässigen Fenster,
dem IR-Sensor und dem IR-Modul
sind;
- – das
IR-Modul und der IR-Sensor sind auf einer Plattform montiert, die
gegenüber
dem für
das IR-Band durchlässigen
Eintrittsfenster im Neigungswinkel und Schwenkwinkel orientierbar
ist;
- – das
SAL-Modul und der SAL-Sensor sind in Bezug auf das für das SAL-Band
durchlässige
Eintrittsfenster feststehend;
- – wenigstens
ein Fenster hat die Form eines halbkugelförmigen Doms; und
- – wenigstens
ein Fenster hat die Form einer ebenen Platte.
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Die
Erfindung betrifft ebenfalls eine Rakete, die einen solchen Kopf
umfasst.
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Die
Erfindung hat zahlreiche Vorteile.
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Jeder
Kanal, beispielsweise IR oder SAL, hat sein eigenes Eintrittsfenster,
was es gestattet, für
jedes Eintrittsfenster das angepasste Material und die angepasste
Verarbeitung zu wählen,
ohne die Einschränkung
der breitbandigen Durchlässigkeit
bei dem bekannten Dom der Ausführungsform
in 2. Hierdurch ergibt sich eine gute Durchlässigkeit
für jeden
der Kanäle.
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Da
die beiden Kanäle
getrennt sind, wird die Wahl des Materials für jedes Eintrittsfenster größer (insbesondere
für das
Band 3), was es gestattet, seine Härte zu optimieren. Es gibt
daher die Möglichkeit höhere Geschwindigkeiten
der Raketen zu erzielen.
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Durch
die Möglichkeit
der Verwendung eines dioptrischen optischen Moduls im IR-Kanal (und
nicht katadioptrisch, wie im Stand der Technik), ohne Verdeckung,
was zu einer minimalen Größe der wirksamen
IR-Pupille führt,
ist die Abmessung des IR-Fensters minimal. Die Größe des IR-Fensters
und damit seiner Herstellungskosten, insbesondere im Fall halbkugelförmiger Dome,
sind somit verringert.
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Das
Fehlen eines katadioptrischen Moduls gestattet es ebenfalls, für jeden
der Kanäle
ein größeres optisches
Sichtfeld zu haben (in der Größenordnung
von 10°,
verglichen mit Sichtfeldern von etwa 5° beim Stand der Technik).
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Es
gibt keine doppelbrechende Platte mehr und somit auch keine seitliche
Verlagerung eines optischen Kanals und auch keine Verlängerung
eines anderen optischen Kanals, wie im Stand der Technik, und somit
wird der Platzbedarf des Kopfs weiter verringert.
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Außerdem kann
in der Ausführungsform,
die Fenster in der Form ebener Platten umfasst, jedes Fenster, ausgehend
von einer Kante, relativ zum Luftstrom geneigt sein, wodurch es
vor allem keinen Staupunkt wie bei einem Dom gibt, was, im Vergleich zu
einem Dom bei identischem Material, intrinsisch die Haltbarkeit
gegenüber
der Regenerosion begünstigt.
Die ebenen Fenster sind außerdem
preislich günstiger
als ihre Entsprechung in Domform. Schließlich benötigt die Plattform in diesem
Fall keine präzise
Positionierung ihrer Orientierungsachsen relativ zum Fenster.
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BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Weitere
Eigenschaften, Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden
Beschreibung ersichtlich, die rein veranschaulichend und nicht einschränkend zu
verstehen ist und die mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung zu lesen ist,
in der:
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die
bereits besprochene 1 schematisch ein herkömmliches
Beispiel für
den Einsatz einer Rakete für
den Erdkampf darstellt, die einen Zielsuchkopf mit zwei Betriebsarten
umfasst;
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2,
die ebenfalls bereits besprochen wurde, schematisch ein Beispiel
eines Zielsuchkopfs darstellt, der bekannt ist und der vorn in einer
Rakete angeordnet ist;
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3 schematisch
eine erste mögliche
Ausführungsform
eines Zielsuchkopfs gemäß der Erfindung
darstellt, und
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4 schematisch
eine zweite mögliche Ausführungsform
eines Zielsuchkopfs gemäß der Erfindung
darstellt.
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In
allen Figuren haben ähnliche
Elemente identische numerische Bezugszeichen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die 3 und 4 zeigen
jeweils eine mögliche
Ausführungsform
eines Zielsuchkopfs 10 für eine Rakete 1.
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Der
Kopf 10 umfasst wenigstens zwei Detektionskanäle für Lichtstrahlen
in zwei voneinander getrennten Strahlungsbändern, und zwar beispielsweise
einen SAL-Kanal, im Band 1, und einen IR-Kanal, im Band 2 oder Band
3. Die Erfindung ist auch auf andere Detektionsbänder anwendbar und der Kopf kann
beispielsweise einen sichtbaren Kanal umfassen.
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Die 3 und 4 zeigen
insbesondere, dass jeder Detektionskanal, für jedes Band, ein für das gegebene
Strahlungsband durchlässiges
Eintrittsfenster, einen Sensor zur Detektion der Strahlen im gegebenen
Band und ein dioptrisches Modul, das zwischen dem Fenster und dem
Sensor angeordnet ist, umfasst. Ein dioptrisches Modul ist, im Gegensatz zu
einen katadioptrischen Modul, ein Modul, das nur Durchlasslinsen
verwendet und keinen reflektierenden Spiegel umfasst. Für jeden
Kanal gilt, dass jedes Fenster, jeder Sensor und jedes Modul jeweils
getrennt vom Fenster, Sensor und Modul der anderen Kanäle ist.
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Mit
anderen Worten umfasst in den 3 und 4 der
Kopf 10 einen IR-Kanal
und einen SAL-Kanal, und zwar, für
den IR-Kanal, ein Eintrittsfenster 1051, das für das IR-Band
durchlässig
ist (Band 2 oder Band 3), einen Sensor 107 zur Detektion
der Strahlen im IR-Band und um, ausgehend von einem Lichtfluss F1
und durch bekannte und nicht dargestellte Verarbeitungsmittel, ein
IR-Bild zu bilden, und ein dioptrisches Modul 2031, das
zwischen dem Fenster 1051 und dem IR-Sensor 107 angeordnet
ist, zur Ausbildung des Bildes auf dem Sensor 107.
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Das
Modul 2031 umfasst beispielsweise zwei Sammellinsen 110 und 111,
es ist jedoch offensichtlich, dass die Zahl und die Gestaltung der
Linsen in Abhängigkeit
vom gewünschten
Platzbedarf und der Art des Sensors 107 variieren kann.
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Außerdem umfasst
der Kopf 10 für
den SAL-Kanal ein Eintrittsfenster 1052, das für das SAL-Band
durchlässig
ist, einen Sensor 108 zur Detektion, ausgehend von einem
Lichtfluss F2, der Strahlen im SAL-Band und ein dioptrisches Modul 2032,
das zwischen dem Fenster 1052 und dem SAL-Sensor 108 angeordnet
ist, zur Ausbildung des Bildes auf dem Sensor 108.
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Das
Modul 2032 umfasst beispielsweise eine Sammellinse 112,
um ein großes
Sichtfeld zu erreichen, wie im Folgenden ausgeführt wird, es ist jedoch offensichtlich,
dass die Zahl und die Gestaltung der Linsen in Abhängigkeit
vom gewünschten
Platzbedarf und der Art des Sensors 108 variieren kann.
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Der
SAL-Sensor 108 kann vom Retina-Typ (Detektormatrix), vom
PSD-Typ (Position Sensing Device) oder vom Vierquadranten-(oder
sogar n-Quadranten)Typ sein. Der IR-Sensor 107 kann vom
Matrixtyp, vom Typ Band 2 gekühlt
oder Band 3 nicht gekühlt
oder gekühlt
sein.
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Das
Fenster 1052, der Sensor 108 und das Modul 2032 sind
jeweils vom Fenster 1051, dem Sensor 107 und dem
Modul 2031 getrennt.
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Jedes
Fenster 1051 oder 1052 kann nur für sein Band
durchlässig
sein, was es gestattet, die Auswahl des Materials für jedes
Fenster zu erweitern. So können
folgende Materialien vorgesehen werden:
- – für den IR-Kanal
im Band 2 (Fenster 1051): Saphir. MgF2, ZnS, ZnSe, Germanium
- – für den IR-Kanal
im Band 3 (Fenster 1051): ZnS, ZnSe, Germanium
- – für den SAL-Kanal
(Fenster 1052): beispielsweise Glas vom Typ BK7.
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Für den IR-Kanal
sind das Modul 2031 (das gegebenenfalls die Linsen 110 und 111 umfasst)
und der Sensor 107 auf einer Plattform 102 montiert,
die bezüglich
der Achse Y (Neigungswinkel) und der Achse Z (Schwenkwinkel) orientierbar
ist. Die Plattform 102 ist somit gegenüber dem Fenster 1051 orientierbar.
Die Orientierung der Plattform 102 bewirkt eine Stabilisierung
der Visierlinie V1 des IR-Kanals und deren Orientierung, typischerweise
in einem Winkelausschlag von mehreren zehn Grad in jeder Achse Y
oder Z.
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In 3 hat
jedes Fenster 1051 und 1052 die Form eines halbkugelförmigen Doms.
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In
diesem Fall muss das Zentrum O, der Schnittpunkt der Achsen Y und
Z und das Rotationszentrum der Plattform 102 um diese Achsen,
sich im geometrischen Mittelpunkt des halbkugelförmigen IR-Doms befinden, und
dies mit einer guten Genauigkeit (in der Größenordnung von einigen zehn
Mikrometer), um bei einer Winkelauslenkung der Plattform 102 die
Qualität
der auf dem Sensor 107 gebildeten Bilder zu bewahren, da
der Dom 1051 eine geringe jedoch nicht verschwindende optische
Wirkung hat.
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Dagegen
ist der SAL-Kanal feststehend, das heißt, dass das SAL-Modul 2032 und
der SAL-Sensor 108 relativ zum Fenster 1052 feststehend
und immobil sind. Obwohl der SAL-Kanal nicht stabilisiert ist, bleibt,
unter Berücksichtigung
der sehr kurzen Dauern der Laserimpulse der externen Beleuchtungsvorrichtung 4 (10
bis 20 ns) und der Rotationsgeschwindigkeiten der Rakete 1 auf
ihrer Bahn, die verursachte Unschärfe vernachlässigbar.
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Dadurch,
dass das Modul 2032 die Sammellinse 112 umfasst,
hat der SAL-Kanal
ein sehr großes Sichtfeld
(typischerweise mehrere zehn Grad), um in derselben Größenordnung
zu sein wie die Winkelausschläge
des IR-Kanals, die weiter oben beschrieben wurden und die durch
die Plattform 102 ermöglicht
werden.
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Die
Visierlinie V2 des SAL-Kanals kann gegenüber einer Längsachse X der Rakete 1 um
einige Grad geneigt werden, um ein Sichtfeld nach unten zu begünstigen,
wenn sich die Rakete 1 auf ihrer Bahn T befindet, und um
eine bessere Detektion des terrestrischen Ziels 3 zu erreichen.
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Das
Fenster des SAL-Kanals kann die Form eines halbkugelförmigen Doms
haben (Fall in 3) oder es kann die Form einer
ebenen Platte haben (Fall in 4).
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Im
Fall eines halbkugelförmigen
Doms für den
SAL-Kanal gibt es keine starke Einschränkung für die Positionierung des Moduls 2032 relativ
zum Dom 1052 (wie dies der Fall ist für den IR-Kanal in 3),
denn der Kanal ist nicht orientierbar.
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Wie
dies in 4 gezeigt ist, kann das Fenster
des IR-Kanals die Form einer ebenen Platte haben. In diesem Fall
muss das Rotationszentrum O der Plattform 102 relativ zum
Fenster 1051 nicht präzise
positioniert werden, da letzteres keine optische Wirkung hat.
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Der
Kopf kann jede Kombination von Fenstern umfassen, das heißt ein Fenster
in Form eines Doms für
einen der beiden Kanäle
und ein Fenster in Form einer ebenen Platte für den anderen Kanal. Dagegen
kann im Fall der 4 jedes Fenster, ausgehend von
einer Kante 1053, gegenüber
dem Luftstrom geneigt werden, wodurch es vor allem keinen Staupunkt
wie bei einem Dom gibt, was, im Vergleich zu einem Dom bei identischem
Material, intrinsisch die Haltbarkeit gegenüber der Regenerosion begünstigt.
Die ebenen Fenster sind außerdem
preislich günstiger
als ihre Entsprechung in Domform.