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Verfahren und Vorrichtung zur Unterwasserschallortung von unterseeischen
Zielkörpern Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ortung
von unterseeischen Zielkörpern, bei welchem ein Unterwasserschallortungsgerät mit
hoher Schleppgeschwindigkeit zur Feststellung unterseeischer Zielkörper von einem
Schleppfahrzeug aus geschleppt wird.
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Die Feststellung bzw. Ortung getauchter, unterseeischer Zielkörper
erfolgten lange Zeit nahezu ausschließlich unter Verwendung von Unterwasserhorchgeräten
bzw. Unterwasserschallortungsgeräten, die auf oberseeischen Fahrzeugen angeordnet
waren. Neuerdings wurden Verfahren bekannt, die eine Erspähung und genaue Ortung
getauchter unterseeischer Zielkörper vom Flugzeug aus ermöglichen. Eines dieser
Verfahren zur Feststellung bzw. Ortung getauchter unterseeischer Zielkörper vom
Flugzeug aus erfordert die Verwendung tauchfähiger Horchgeräte, welche als Horchbojen
bekannt sind. Diese Horchbojen stellen verlorene Horchgeräte dar, welche von dem
Flugzeug nach einem bestimmten Plan ausgelegt werden. Sobald die Bojen die Wasseroberfläche
erreichen, wird ein akustischer Wandler automatisch auf die voreingestellte Tauchtiefe
abgesenkt. Die durch akustische Erregung des Wandlers erzeugten elektrischen Signale
werden durch einen Radiosender in den Bojen zu einem geeigneten flugzeugseitigen
Radioempfänger übertragen, wodurch innerhalb des Suchfeldes von den getauchten Zielkörpern
herrührende Schraubengeräusche in dem überfliegenden Flugzeug nachgewiesen werden
können. Durch geeignete Verteilung einer Vielzahl solcher Horchbojen sowie durch
Abschätzung von Intensität und Form des von verschiedenen Horchbojen aufgenommenen
Unterwasserschalls kann eine näherungsweise Ortung des getauchten Zielkörpers erfolgen.
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Neuerdings sind auch Verfahren unter Verwendung von Schallortungsbojen
bekanntgeworden, wonach von dem Flugzeug ein Schallortungsgerät ins Wasser abgesenkt
wird, welches Schallsignale mit einer Richtcharakteristik unter Wasser aussendet.
Die von getauchten Zielkörpern reflektierten Echosignale werden von einem Empfänger
aufgenommen und mittels eines Radiosenders zu einem flugzeugseitigen Empfänger übertragen.
In diesem Fall können die Empfangssignale so ausgewertet werden, daß sie die Richtung
und die näherungsweise Entfernung des Reflexionen bewirkenden Zielkörpers bezüglich
der Schallortungsboje erkennen lassen.
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Offensichtlich kann weder mit dem Hochbojennoch mit dem Schallortungsbojenverfahren
eine schnelle Absuchung eines großflächigen Unterwassergebietes vom Flugzeug aus
erfolgen, da die Sender tragenden Bojen in festen Positionen abgeworfen bzw. abgesenkt
werden und da dieselben andererseits nur eine begrenzte Unterwasserreichweite haben.
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Es wurde auch bereits versucht, den Anwendungsbereich des Schallortungssuchverfahrens
durch Schleppen eines Schallortungs-Sender-Empfängers von einem Flugzeug aus zu
erweitern, mit welchem das Schallortungsgerät mechanisch verbunden ist. Die Anwendung
eines Schallortungsschleppgerätes wird jedoch durch die beim Schleppen entstehenden
Störgeräusche in hohem Maße begrenzt. Der überdekkungseffekt der von der Wassergeschwindigkeit
des Schallortungsträgers herrührenden Wassergeräusche engt die Reichweite der Schallortungsnachweissignale
sehr stark ein. Dies führte zu der Entwicklung einer Schallortungstauchkugel in
Verbindung mit einem schwebenden Hubschrauber, damit man eine ververschwindende
Relativgeschwindigkeit zwischen der Schallortungskugel und dem Wasser erhält. Diese
Entwicklung schaltete Schwierigkeiten durch Eigenstörgeräusche aus, die erzielbare
Reichweite war jedoch viel kleiner, als sie theoretisch mit einem bei einer durchschnittlichen
Geschwindigkeit zwischen 25 und 60 Knoten geschleppten Schallortungsgerät erreicht
werden konnte. Nach den jüngsten Erkenntnissen können Schallortungsschleppgeräte
infolge der Eigenstörgeräusche nur bei Schleppgeschwindigkeiten von 10 bis 20 Knoten
arbeiten.
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In der Unterwasserortungstechnik könnten mit Verwendung eines von
einem schnell bewegten Schleppfahrzeug, beispielsweise einem Flugzeug, geschleppten
Schallortungsgerätes wesentliche Fortschritte
erzielt werden: Zusätzlich
zu den eigengeräuschbedingten Schwierigkeiten wird der Gebrauch von durch Flugzeuge
geschleppten Schallortungsschleppgeräten aber weiterhin dadurch erschwert, daß die
Mindestgeschwindigkeit bekannter Flugzeuge größer als. die Höchstgeschwindigkeit
von Schallortungsschleppgeräten ist. Bei Geschwindigkeiten von etwa 60 Knoten zeigen
die Schallortungsgerätekapseln nämlich: große Instabilitäten infolge von Stampfbewegungen.
-Ziel der Erfindung ist die Unterwasserschallortung mittels eines Schallortungsschleppgerätes
für ein schnelles Schleppfahrzeug, welches keine Nachteile infolge von Eigenstörgeräuschen
zeigt und mittlere Suchgeschwindigkeiten von etwa 60 Knoten zuläßt.
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Dieses Ziel wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch
.erreicht, daß erfindungsgemäß das Schleppen des Schällübertragers des Unterwasserschallortungsgerätes
periodisch abwechselnd mit verminderter, unterhalb der Geschwindigkeit des Schleppfahrzeuges
liegender Geschwindigkeit durch Abstandsvergrößerung gegenüber dem Schleppfahrzeug
sowie erhöhter, oberhalb der Geschwindigkeit des Schleppfahrzeuges . liegender Geschwindigkeit
durch Abstandsverminderung gegenüber dem Schleppfahrzeug erfolgt und daß der Schallortungs-Sender
- Empfänger des - Unterwasserschallortungsgerätes jeweils nur bei seiner verminderten
Schleppgeschwindigkeit in Tätigkeit gesetzt wird.
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Das Unterwasserschällortungsgerät kann durch ein überwasser-, Unterwasser-
oder Luftschleppfahrzeug durch das Wasser "geschleppt werden. Die folgende Beschreibung
der Erfindung berücksichtigt jedoch insbesondere solche bevorzugten Anwendungen,
bei welchen das Schallortungsgerät von einem Flugzeug geschleppt ist.
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Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung werden
an Hand der folgenden Einzelbeschreibung hervorgehoben, welche in Verbindung mit
den Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel derselben erläutert. Es stellt
dar F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Unterwasserschalhneßgerätes für
hohe Schleppgeschwindigkeiten, F i g. 2 eine schaubildliche, schematische Ansicht
einer getauchten Schleppkapsel für das Gerät gemäß Fig.1, F i g. 3 eine schaubildliche,
schematische Ansicht einer Schallortungsmeßkapsel für das Gerät nach F i g. 1, F
i g. 4 eine schematische Darstellung der Strahlungscharakteristik des Schallortungsgerätes
nach F i g. 3 während zweier aufeinanderfolgender Sendeperioden.
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Die Vorrichtung zur Unterwasserschallortung umfaßt eine geschleppte
Horchsonde mit einem Schallortungs-Sender-Empfänger, welche in Unterwassertauchstellung
geschleppt wird, sowie eine Schleppsonde, welche als Schleppeinheit für die Horchsonde
dient und eine einschaltbare Antriebsvorrichtung enthält, mit der eine Schleppleine
der Horchsonde verbunden ist. Die Antriebsvorrichtung ermöglicht ein periodisches
Einziehen und Auslaufenlassen der Schleppleine, so daß man durch geeignete Wahl
der Geschwindigkeit der Schleppleine die resultierende Relativgeschwindigkeit der
Horchsonde gegenüber dem Wasser während der beim Aussenden und Empfangen von Ortungssignalen
erfolgenden Auslaufperioden im Vergleich zur Relativgeschwindigkeit der Schleppeinheit
wesentlich, und zwar auf einen verschwindenden Wert herabsetzen kann. Die Schleppeinheit
mit der schaltbaren Antriebsvorrichtung kann als überwasser- oder Luftfahrzeug,
wie ein Schiff oder Flugzeug, oder in anderer Weise auch als Unterwassereinheit
in Form einer von dem Schleppfahrzeug gezogenen Kapsel ausgebildet sein, während
des Auslaufens der Schleppleine wird die Schallortungssonde auf eine Geschwindigkeit
verlangsamt, welche eine hohe Schallortungsempfindlichkeit ohne Eigenstörgeräusche
zuläßt, während jeder Einzugsperiode wird die Sonde dagegen auf eine Geschwindigkeit
beschleunigt, die wesentlich oberhalb- der Ge= schwindigkeit der Schleppeinheit
liegt, so daß sich eine mittlere Suchgeschwindigkeit entsprechend der Geschwindigkeit
des Schleppfahrzeuges ergibt, welche jedoch weit oberhalb der in dem Fall zulässigen
Durchschnittsgeschwindigkeit ist, in welchem sich die Geschwindigkeit der Horchsonde
nicht periodisch gegenüber der Geschwindigkeit der Schleppeinheit ändert.
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Die zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind im einzelnen an
Hand der Zeichnungen zu verstehen, welche eine besonders vorteilhafte Ausführungsform
derselben mit einer unmittelbar mittels einer Unterwasserschleppeinheit geschleppten
Schallortungssonde zeigen, wobei die Schleppeinheit ihrerseits von einem Schleppflugzeug
geschleppt ist. Das Unterwasserschallortungsmeßgerät für hohe Schleppgeschwindigkeiten
nach dieser bevorzugten Ausfüh= rungsform der Erfindung wird in einer ausgewählten
Tauchtiefe von einem Hubschrauber oder einem anderen geeigneten Schleppfahrzeug
10 mit einer Arbeitsgeschwindigkeit von etwa 60 Knoten geschleppt.
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Das Gerät umfaßt eine Schleppeinheit in Form eines Unterwasserfahrzeuges
wie beispielsweise einer Kapsel 11 mit stromlinienförmiger Gestalt, welche
in einer ausgewählten Tauchtiefe arbeitet und zu diesem Zweck eine aufwärts geneigte,
starre Schleppflosse 12 aufweist, welche genügend lang ist, um aus der vorgesehenen
Tauchtiefe der Kapsel zwischen etwa 1,5 und 4,5 m Wassertiefe bis über die Wasseroberfläche
herauszuragen. Die Schleppflosse 12 ist mittels einer geeigneten Reißkupplung 13
über ein koaxiales Schleppkabel 14 mit dem Hubschrauber 10 verbunden. Die Konstruktion
der Schleppkapsel 11 besitzt eine ausreichende Stabilität für Schleppgeschwindigkeiten
im Wasser innerhalb des optimalen Geschwindigkeitsbereiches des Schleppfahrzeuges,
beispielsweise zwischen 50 und 75 Knoten bei Verwendung von Hubschraubern. Hierzu
sind Stabilisierungsflossen 15 vorgesehen, welche sich etwa mitschiffs von den Flanken
der Kapsel 11 in entgegengesetzten Richtungen erstrecken und Querruder 16 tragen.
Daneben ist eine abgeschirmte Schwanzruderanordnung 17 mit Seitenrudern 18 und Höhenrudern
19 vorgesehen, wodurch man eine Stabilisierung der Schleppkapsel um die Stampf-
und Gierachsen erreicht und die gewünschte Lage und Tauchtiefe einhält.
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Die Schleppkapsel 11 muß Batterien, Steuereinrichtungen und Sendeeinrichtungen
zur Informationsübertragung zu dem Hubschrauber 10 enthalten. Vorzugsweise sieht
man eine künstliche kreiselartige Stabilisierungseinrichtung vor, welche auf Richtungsänderungen
innerhalb der Bewegungsbahn anspricht und fortlaufend die Tauchtiefe sowie die Stabilisierung
der
Stampf- und Gierbewegungen der Schleppkapsel regelt. Zu diesem Zweck ist innerhalb
der in den Zeichnungen dargestellten Schleppkapsel 11 ein Autopilot
20 angeordnet. Innerhalb der Schleppkapsel 11 ist weiterhin eine mit einer
Antriebseinrichtung verbundene, geeignete Trommel 21 für eine Schleppleine 22 vorgesehen,
welche über eine Führungsrolle 23 läuft und sich nach hinten durch das Heckende
der Schleppkapsel zu einer Schallortungshorchsonde 24 erstreckt. Ein geeigneter,
von einer schematisch angedeuteten Wasserturbine 26 angetriebener, ebenfalls in
der Schleppkapsel angeordneter Elektrogenerator 25 liefert in einer Batterie 27
gespeicherte elektrische Energie für das Schallortungsgerät.
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In dem Fall, in welchem ein Flugzeug oder Überwasserschiff unmittelbar
mittels der Schleppleine 22 die Sonde 24 ohne Verwendung einer Schleppkapsel 11
durch das Wasser schleppt, ist selbstverständlich die Trommel 21 mit der zugehörigen
Antriebsvorrichtung innerhalb des Schleppfahrzeuges untergebracht, so daß die erheblichen,
mit einer wirkungsvollen Stabilisierung einer Unterwasserschleppeinheit, welche
sich mit hohen Geschwindigkeiten bewegt, verbundenen Probleme in Wegfall kommen.
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Die Schallortungssonde 24 ist im einzelnen in F i g. 3 dargestellt.
Dieselbe ist ebenfalls als stromlinienförmige Kapsel mit Seitenrudern 28 und Höhenrudern
29 am Heckende zur Steuerung ihrer Tiefe und Ausrichtung ausgestattet. Die Meßkapsel
24 ententhält ebenfalls einen Autopiloten 30 zur Feststellung von Richtungsänderungen
innerhalb der Bewegungsbahn und zur Steuerung der Seitenruder 28 und der Höhenruder
29. Innerhalb der Meßkapsel 24 sind Schallübertrager 31 angeordnet, die von elektrischen
Signalimpulsen erregt werden, die beispielsweise in einem Schall-Sender-Empfänger
32 der Schleppkapsel 11 erzeugt und mittels elektrischer Leitungsverbindungen über
die Schleppleine 22 zu den Wandlern 31 übertragen werden. Zusätzlich ist am Heckende
der Meßkapsel 24 eine schnell öffnende Bremsvorrichtung 33 vorgesehen, welche während
jeder Auslaufperiode der Schleppleine 22 die Geschwindigkeit der Meßkapsel schnell
abbremst.
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Die Trommel 21 der Schleppkapsel 11 wird zum Heranziehen der
Meßkapse124 mittels einer geeigneten Antriebsvorrichtung, die beispielsweise von
der Wasserturbine 26 gespeist wird, angetrieben. Eine Steuerung erfolgt dabei von
dem Hubschrauber 10 oder sonstigen Schleppfahrzeug aus oder mittels eines an sich
bekannten automatisch arbeitenden periodischen Zeitschalters, wobei die Trommel
21 abwechselnd zum Auslaufenlassen der Schleppleine 22 freigegeben bzw. zum Einzug
der Meßkapsel 24 mit einer vorgesehenen Geschwindigkeit und einer bestimmten Wiederholungsperiode
angetrieben wird. Mit einer 60 m langen Schleppleine und einer Geschwindigkeit von
60 Knoten des Schleppfahrzeuges kann man die Meßkapsel beispielsweise so auslaufen
lassen, daß sich eine Wasserrelativgeschwindigkeit zwischen 5 und 10 Knoten ergibt,
wobei der Schallortungs-Sender-Empfänger 32 zum Senden und Empfangen von Schallsignalen
jeweils für eine Dauer von etwa 2 Sekunden erregt wird. Die von den Wandlern 31
aufgenommenen Echosignale werden dann durch die Schleppleine 22 zu dem Sender 32
und von dort durch das Koaxialzugkabel 14 zu dem Hubschrauber 10 weitergegeben.
Zum Einziehen der Meßkapsel 24 wird die mit der Trommel 21 verbundene Antriebsvorrichtung
von der Wasserturbine 26 in Gang gesetzt, so daß die Schleppleine 22 mit einer vorgegebenen
Geschwindigkeit von beispielsweise 17 m/sec eingezogen wird. Unter Annahme einer
Wiederholungsperiode von 5,5 Sekunden Dauer, innerhalb deren sich die Schleppkapsel
11 mit einer Geschwindigkeit von 60 Knoten über etwa 167,5 m fortbewegt, wird die
Meßkapsel während der Einzugsperiode von 3,5 Sekunden Dauer mit einer Geschwindigkeit
von etwa 94 Knoten durch das Wasser bewegt, wobei während dieses Periodenabschnittes
keine Schallsignale ausgesandt oder empfangen werden.
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Man kann jedoch durch eine schematisch in F i g. 4 angedeutete Anordnung
eine vollständige überdeckung des Suchgebietes erhalten, wenn die Wandler jeweils
seitlich unter einem Öffnungswinkel von 15° in der Horizontalen und von 30° in der
Vertikalen sowie unter einem Hauptstrahlwinkel von jeweils 45° zu beiden Seiten
der Bewegungsrichtung Strahlenbündel abstrahlen. Wenn man bei dieser Anordnung eine
effektive Strahlreichweite von etwa 1465 m annimmt, kann mittels eines erfindungsgemäßen
Schallortungsmeßgerätes ein Feld in einer Breite von etwa 2075 m vollständig abgetastet
werden, wobei lediglich ein jeweils etwa 300 m breiter Streifen zu beiden Seiten
der Kapsel 24 nicht vollständig erfaßt wird, welcher aber durch andere Schallortungsgeräte
überdeckt werden kann.
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F i g. 1 zeigt schematisch das beschriebene Unterwasserschallmeßgerät
für hohe Schleppgeschwindigkeiten im Betrieb, wobei die Schleppkapsel mit einer
Sollgeschwindigkeit von etwa 60 Knoten in einer Wassertiefe zwischen etwa 1,5 und
4,5 m durch das Wasser geschleppt wird. Die Meßkapsel 24 läuft periodisch gegenüber
der Schleppkapsel 11 nach. Beispielsweise durch Verwendung einer an sich
bekannten Bremseinrichtung zur unmittelbaren Abbremsung der Meßkapsel24 und durch
Benutzung einer auch an sich bekannten Einrichtung zur Einstellung der Auslaufgeschwindigkeit
der Schleppleine 22 von der Winde 21 kann die Meßkapsel 24 jeweils für die Dauer
einer Auslaufperiode von beispielsweise 2 Sekunden, während der sich die Schleppkapsel
11 mit der Geschwindigkeit von 60 Knoten weiterbewegt, schnell auf eine Wasserrelativgeschwindigkeit
von etwa 10 Knoten abgebremst werden. Während dieser 2-Sekunden-Periode bewirkt
der Schallortungs-Sender-Empfänger 32 der Schleppkapsel 11 eine Erregung der Wandler
31 der Meßkapsel 24, so daß ein Ortungssignal mit einer Richtcharakteristik ähnlich
der Darstellung in F i g. 4 ausgesandt und gegebenenfalls Echosignale empfangen
werden. Während der folgenden 3,5 Sekunden wird die Winde 21 im Sinn eines schnellen
Einziehens der Schleppleine 22 angetrieben, wobei die Meßkapse124 in nächste Nähe
der Schleppkapsel 11 gebracht wird.
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Die Ausrichtung und Tauchtiefe der beiden Schleppkapseln werden selbstverständlich
fortlaufend durch die Autopiloten 20, 30 bzw. andere geeignete Bewegungsnachweis-
und -steuergeräte innerhalb der beiden Kapseln 11, 24 geregelt. Mittels eines geeigneten
Autopiloten in der Meßkapsel 24 kann dieselbe während der Dauer der Schallortungssignalperioden
in einer Vielzahl ausgewählter Tauchtiefen gehalten werden. Wenn die vorgesehene
Tauchtiefe der Meßkapsel 24 wesentlich größer ist als die Tauchtiefe der
Schleppkapsel
11 ist jedoch eine geeignete Bemessung der für die verschiedenen Periodenabschnitte
vorgesehenen Zeitdauern erforderlich, insbesondere muß man eine geeignete Dauer
für die Auslaufperiode vorsehen, damit die an der SchIeppleine 22 auslaufende Meßkapsel
24 die vorgesehene Tiefe erreicht.
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Allerdings sind die üblichen Verfahren der automatischen Regelung
der Steuerglieder, welche lediglich auf die Tiefe des Schleppkörpers unter der Wasseroberfläche,
beispielsweise durch Messung der Tauchtiefe mittels des Wasserdrucks ansprechen,
bei den hohen verwendeten Schleppgeschwindigkeiten nicht zureichend. Bei solch hohen
Schleppgeschwindigkeiten würden die Reaktionskräfte des Schleppkörpers auf Änderungen
des Anstellwinkels infolge einer Verstellung des Steuersystems sofort große Kraftwirkungen
auslösen, welche eine vertikale oder seitliche Beschleunigung des Schleppkörpers
bewirken, so daß eine mit dem Tiefenmeßgerät festgestellte Lageänderung zur Unterdrückung
dieser Bewegung zu spät kommt. Dies würde zu fortgesetzten Schwingungen zunehmender
Stärke führen, bis entweder das Schleppkabel abspringt oder der Schleppkörper aus
dem Wasser herausspringt. Um eine geeignete, verwertbare Information zu erhalten,
welche eine Bemessung der Steuerbewegung mittels des automatischen Steuergerätes
für die Steuerglieder ermöglicht und eine Ausgleichskraft geeigneter Größe zur Kompensation
der Abweichungskraft liefert sowie eine zweckmäßige Einstellung des geschleppten
Körpers bei hohen Geschwindigkeiten sicherstellt, muß man die Änderungsgeschwindigkeit
der Winkelgeschwindigkeit bzw. die Winkeländerung der Bahngeschwindigkeit des geschleppten
Körpers gegenüber der Schlepprichtung oder einer anderen Bezugsrichtung feststellen.
Vorzugsweise erfolgt dies durch eine Messung der Winkeländerung der Bahngeschwindigkeit
mittels Kreiselgeräten oder anderen Beschleunigungsmessern.
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Die Schleppkapsel 11 weist infolge einer geeigneten Konstruktion
am Heck einen nach hinten offenen Hohlraum auf, welcher nach Größe und Gestalt zur
Aufnahme der Meßkapse124 bemessen ist, um die Meßkapsel 24 mittels der Winde 21
erforderlichenfalls in die Schleppkapsel 11 einziehen zu können. Es ist jedoch darauf
hinzuweisen, daß man auch eine andere Konstruktion wählen kann, bei welcher nur
ein Teil der Meßkapsel 24 von dem Heckende der Schleppkapsel aufgenommen werden
kann oder die Meßkapsel 24 nur an dem Heck der Schleppkapsel 11
gehalten
wird.