DE19748262A1 - Flugkörper zum im wesentlichen ortsfesten Aufenthalt in Höhen bis in die Stratosphäre - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen neuartigen Flugkörper, der zur Verwirklichung eines neuen Konzepts zur Telekommunikation und zur Erfassung und Übermittlung von physikalischen und chemischen Meßwerten sowie von Bildinformation geeignet ist.

Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Flugkörper zum im wesentlichen ortsfesten Aufenthalt bis in die Stratosphäre, der, mit mindestens einer Empfangs- und Sendestation ausgestattet, als mobile Informationsübertragungsstation und mit weiterhin einer Versorgungsstation als Informationsübertragungssystem ausgestaltet sein kann. Diese sind geeignet, Informationen, beispielsweise Nachrichten und Fernsehsendungen bei niedriger Sendeleistung und mit großer Reichweite zu übertragen.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine mobile Datenerfassungs- und -übertragungsstation, die mit geeigneten Sensoren zur Erfassung von physikalischen oder chemischen Meßwerten sowie von Bildinformation bestückt ist, wie beispielsweise eine mobile Wetterdatenstation und ein Wetterinformationssystem, durch die Wetterdaten zentral erfaßt und übertragen werden können.

Bei den bekannten Techniken zur Rundfunk- und/oder Fernsehübertragung werden einerseits mit geeigneten Antennen bestückte, ca. 50 bis einige hundert Meter hohe Sendemasten verwendet, die die zu übertragenden Rundfunk- und/oder Fernsehprogramme senden. Mit derartigen Sendern sind durch die begrenzte Antennenhöhe und durch entstehende Interferenzen nur begrenzte Reichweiten möglich. Andererseits treten in bergigen Gegenden Probleme auf, daß Tallagen unzureichend erreicht werden, wodurch die Verwendung von Umsetzern erforderlich wird.

Desweiteren werden zur Rundfunk- und Fernsehübertragung geostationäre Satelliten eingesetzt, die die Erde in einem Abstand von ca. 35 700 km umkreisen. Diese haben zwar nicht das Problem der begrenzten Reichweite, dafür sind für die Übertragung hohe Sendeleistungen erforderlich. Bei Satelliten ist die aufbringbare Sendeleistung durch das begrenzte zulässige Startgewicht bei einer vorgegebenen möglichst langen Lebensdauer des Satelliten begrenzt. Folglich entstehen Probleme, wenn eine erforderliche Mindest-Sendeleistung erzielt werden soll. Entsprechend sind besonders empfindliche Empfangsvorrichtungen erforderlich.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß die bekannten Satelliten über eine sehr zuverlässige, haltbare und sichere Elektronik verfügen müssen, so daß sie während ihrer gesamten Lebensdauer, die typischerweise 10 bis 15 Jahre beträgt, ohne Ausfall und Wartung betrieben werden können. Entsprechend ist es notwendig, eine gewisse Systemredundanz einzuführen, so daß bei Ausfall einer Komponente eine weitere Komponente bereitsteht, die die Funktion der ausgefallenen Komponente übernehmen kann. Entsprechend sind die heutzutage verwendeten Satelliten sehr teuer.

Typische verwendete Satelliten weisen zur Energieversorgung Solarzellen auf, die die nötige Energie liefern und überschüssige Energie an Speichervorrichtungen liefern, so daß auch beispielsweise bei Dunkelheit ausreichend viel Energie zur Verfügung steht.

Weitere Probleme stellen die aufwendige und kostenintensive Beförderung von Satelliten in ihre Arbeitsposition dar, die ihren spontanen Einsatz erschweren. Beispielsweise können Satelliten nicht zu beliebigen Zeitpunkten gestartet werden, sondern es muß das geeignete Zeitfenster für ihren Start verwendet werden. Ist das geeignete Zeitfenster verpaßt worden, so muß man meistens mehrere Monate warten, bis der Satellit wieder gestartet werden kann.

Aus diesen Gründen und weil Satelliten üblicherweise nicht wieder auf der Erde landen, ist eine Wartung oder Reparatur mit anschließender Wiederverwertung bei vertretbaren Mitteln nicht möglich.

Da die bekannten Satelliten so teuer und aufwendig sind, werden sie nicht auf Vorrat gefertigt sondern meistens für einen speziellen Anwendungszweck hergestellt. Lediglich einzelne Module, die in allen Satelliten verwendet werden, lassen sich in Massenfertigung und auf Vorrat herstellen. Entsprechend haben Satelliten eine Vorlaufzeit von 1 bis 2 Jahren, bevor sie nach Auftrag verfügbar sind. Des weiteren steigen, da Satelliten nicht in Massenproduktion herstellbar sind, dadurch die Kosten weiter an.

Satelliten können - bei entsprechend kürzerer Umlaufzeit - auch in niedrigeren Abständen von der Erdoberfläche betrieben werden. In diesem Fall benötigt man ein Netzwerk von Satelliten, so daß eine bestimmte Empfangseinrichtung immer in Reichweite eines beliebigen Satelliten liegt. Diese Empfangseinrichtung folgt dann typischerweise der Satellitenbewegung.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen kostengünstigen und einfach handhabbaren Flugkörper zu entwickeln, von dem aus Information bei gleichen Empfangsbedingungen mit geringerer Sendeleistung als bei herkömmlichen Satelliten übertragen werden kann und der kurzfristig, d. h. innerhalb von 1 bis 2 Tagen in seine Arbeitsposition gebracht werden kann.

Die Aufgabe wird durch den Flugkörper nach Anspruch 1 gelöst. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird darüber hinaus eine mobile Informationsübertragungsstation nach Anspruch 16, eine mobile Datenerfassungs- und -übertragungsstation nach Anspruch 17, ein Informationsübertragungssystem nach Anspruch 18 und ein Datenerfassungs- und -übertragungssystem nach Anspruch 19 bereitgestellt.

Die bevorzugten Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die vorliegende Erfindung betrifft somit einen Flugkörper zum im wesentlichen ortsfesten Aufenthalt bis in die Stratosphäre, mit Einrichtungen, die geeignet sind, den Flugkörper unter Ausnutzung des Auftriebs und/oder von aerodynamischen Effekten auf einer vorgegebenen Höhe zu halten, Einrichtungen, die geeignet sind, den Flugkörper auf einer vorgegebenen Längen- und Breitenposition zu halten, und Mitteln, um den Flugkörper von einer Versorgungsstation aus drahtlos mit Energie zu versorgen.

Dabei soll der Flugkörper im wesentlichen ortsfest positioniert sein. "Im wesentlichen" ortsfest heißt dabei, "ortsfest, bis auf für die jeweilige Anwendung unerhebliche Schwankungen oder Abweichungen". Der Flugkörper umfaßt daher Einrichtungen, die geeignet sind, den Flugkörper unter Ausnutzung des Auftriebs und/oder von aerodynamischen Effekten auf einer vorgegebenen Höhe zu halten, sowie Einrichtungen, die geeignet sind, den Flugkörper auf einer vorgegebenen Längen- und Breitenposition zu halten. Darüber hinaus soll der Flugkörper nur während seines Betriebszustands ortsfest positioniert sein.

Das heißt, zunächst wird der Flugkörper von der Versorgungsstation aus, die sich üblicherweise auf der Erde befindet, zu seiner vorbestimmten Position gebracht. Dazu ist er vorzugsweise mit einer zusätzlichen Energievorratseinrichtung, beispielsweise einem Brennstofftank ausgestattet, die die dazu notwendige Energie liefert. Sobald er die vorbestimmte Höhe erreicht hat, was beispielsweise mit Hilfe eines Höhenmessers oder durch ein satellitenunterstütztes Ortungssystem bestimmt werden kann, werden vorzugsweise mindestens ein Auftriebskörper oder aerodynamische Flügel, beispielsweise Segelflächen, entfaltet, die jeweils vorgesehen sind, um den Flugkörper auf einer vorbestimmten Höhe zu halten.

Diese Maßnahme ist notwendig, um den angetriebenen Flugkörper in einer bestimmten Höhe über einem bestimmten Punkt der Erdoberfläche gegen einwirkende Kräfte zu halten.

Die Versorgungsstation, von der aus der Flugkörper gestartet wird, kann sich dabei je nach Anwendungsfall auch auf dem Meer oder in der Luft befinden.

Der Flugkörper bezieht nun die Energie, die er braucht, um die vorbestimmte Position zu halten, direkt von der Versorgungsstation über drahtlose Energieübertragungstechniken, bevorzugt unter Ausnutzung elektromagnetischer Wellen. Als Beispiel dient eine an der Versorgungsstation angebrachte Laserlichtquelle. In diesem Fall weist der Flugkörper eine photoelektrische Umwandlungseinrichtung, beispielsweise ein Solarpanel auf. Alternativ können an die Versorgungsstation eine HF-Sendeeinrichtung, beispielsweise ein Parabolspiegel, und Einrichtungen zum Einkoppeln von HF-Leistung aus der Sendeeinrichtung angebracht sein, und der Flugkörper enthält eine HF-Empfangseinrichtung zum Empfangen der übertragenen Leistung.

Wenn eine Laserlichtquelle verwendet wird, so muß diese entsprechend ausgewählt werden, daß sie ausreichende Leistung an den Flugkörper überträgt und die von ihr emittierte Laserstrahlung in den zwischen Flugkörper und Versorgungsstation liegenden Luftschichten wenig absorbiert wird. Die photoelektrische Umwandlungseinrichtung ist vorzugsweise auf den Empfang der übertragenen Laserstrahlung optimiert.

Der erfindungsgemäße Flugkörper umfaßt ferner Einrichtungen, um den Flugkörper auf einer vorgegebenen Längen- und Breitenposition zu halten. Diese umfassen vorzugsweise eine Vorrichtung zum Bestimmen der aktuellen Längen- und Breitenposition sowie eine Vorrichtung zum Korrigieren der aktuellen Längen- und Breitenposition. Dabei umfaßt die Vorrichtung zum Bestimmen der aktuellen Längen- und Breitenposition vorzugsweise ein satellitenunterstütztes Ortungssystem, beispielsweise ein GPS-System. Ferner kann der erfindungsgemäße Flugkörper eine Vorrichtung zur Feinbestimmung der aktuellen Längen- und Breitenposition umfassen, die vorzugsweise derart gestaltet ist, daß sie bestimmt, ob der Flugkörper in seiner aktuellen Position die maximal übertragbare Energie erhält und, falls dies nicht der Fall ist, bestimmt, an welcher Stelle der Flugkörper die maximal übertragbare Energie erhalten würde, so daß die korrekte Position leicht ermittelt werden kann. Unter Verwendung einer Vorrichtung zum Korrigieren der aktuellen Längen- und Breitenposition, die beispielsweise einen in der Raumfahrt üblichen Rückstoßantrieb, z. B. Ionenstrahlantrieb, oder aber auch, bei niedrigeren Höhen, einen aerodynamischen Antrieb, z. B. einen Propellerantrieb umfaßt, kann der Flugkörper dann die vorgegebene Position einnehmen.

Der erfindungsgemäße Flugkörper kann auch als Ring ausgebildet sein und eine Drehbewegung um die zentrale Ringachse ausführen. Dadurch wird seine Lage weiter stabilisiert.

Der erfindungsgemäße Flugkörper kann durch eine, beispielsweise an der Versorgungsstation angebrachte Fernsteuerung gesteuert werden, so daß er seine Arbeitsposition einnimmt oder verläßt. Dabei kann er mit Hilfe einer Hilfsvorrichtung, beispielsweise einem Trägerflugzeug, in die gewünschte Position gebracht werden. Der Abstieg kann dann mit Hilfe eines Fallschirms erfolgen.

Zusätzlich oder auch alternativ kann der Flugkörper aber auch noch einen Mechanismus zur autonomen Selbststeuerung umfassen. Dieser steuert dann selbsttätig den Flugkörper, bis er die Arbeitsposition erreicht hat und sich stabilisiert hat, und bewirkt autonom die sichere Landung des Flugkörpers an einem vorgegebenem Ort.

Die Kombination einer Fernsteuerung mit einem Mechanismus zur autonomen Selbststeuerung hat dabei den Vorteil, daß selbst bei einer externen Störung oder Beschädigung der Flugkörper, wenn er beispielsweise keinen Kontakt mit der Fernsteuerung mehr hat, sicher an einen vorgegebenen Ort zurückkehren kann.

Eine erfindungsgemäße mobile Informationsübertragungsstation umfaßt einen Flugkörper wie vorstehend beschrieben und darüber hinaus mindestens eine Sende- und mindestens eine Empfangseinrichtung.

Eine derartige mobile Informationsübertragungsstation hat den Vorteil, daß sie im Vergleich zu den derzeit verwendeten Satelliten preisgünstig ist und daß sie Information mit geringen Sendeleistungen übertragen kann. Dadurch muß der auf dem Flugkörper angebrachte Sender über die Sendeantenne keine hohen Leistungen (< 1 kW) abstrahlen, und auch die von den einzelnen Empfängern, beispielsweise am Boden oder in einem Satellit, verwendeten Empfangseinrichtungen müssen nicht hochempfindlich sein. Dadurch können die allgemein verwendeten Informationsübertragungssysteme weiter verbilligt werden. Desweiteren ist solch eine Informationsübertragungsstation recht mobil. Je nach Bedarf, beispielsweise bei für weite Bevölkerungskreise hochinteressanten Ereignissen (Olympische Spiele usw.) können derartige Informationsübertragungsstationen lokal schnell und ohne großen Aufwand installiert werden und nach Ende der Veranstaltung wieder abgebaut werden. Der Abbau kann beispielsweise erfolgen, indem der Flugkörper analog der Landung eines Segelflugzeugs zur Erde zurückkehrt.

Befehle oder Zusatzinformationen an die Informationsübertragungsstation können dabei wie bei den üblichen Satellitensystemen übermittelt werden.

Da die erfindungsgemäßen Flugkörper leicht handhabbar sind, ist es zusätzlich möglich, sie kurzfristig auf die Erde zurückzuholen, um sie zu warten, reparieren oder um Verbesserungen vorzunehmen. Entsprechend müssen die zur Herstellung des Flugkörpers, der Informationsübertragungsstation oder der Datenerfassungs- und -übertragungsstation verwendeten Komponenten nicht den strengen Anforderungen der Weltraumelektronik genügen, sondern die Anforderungen an die Industrieelektronik sind ausreichend. Dadurch werden die Herstellungskosten für die entsprechenden Teile verringert, und sie sind auch in Massenproduktion bei kürzeren Vorlaufzeiten herstellbar.

Der erfindungsgemäße Flugkörper kann darüber hinaus auch Sensoren zur Erfassung von physikalischen oder chemischen Meßwerten sowie von Bildinformation sowie mindestens eine Einrichtung zum Senden der erfaßten Daten umfassen. Beispiele sind Sensoren zur Erfassung von Wetterdaten, Sensoren zur chemischen Untersuchung der Umgebungsluft, bildgebende Sensoren oder Vorrichtungen zur spektroskopischen Untersuchung der Atmosphäre. Beispielsweise kann ein Flugkörper, der in einer Höhe von ca. 100 bis 300 m positioniert ist, mit einer Kamera zur Aufnahme von Bildern bestückt sein, die dann die aufgenommenen Bilder an einen Empfänger sendet.

Insbesondere kann der erfindungsgemäße Flugkörper bei geeigneter Positionierung innerhalb der Stratosphäre zur Untersuchung der Ozonschicht herangezogen werden.

Der erfindungsgemäße Flugkörper ist dafür ausgelegt daß er in einer Höhe bis in die Stratosphäre, vorzugsweise in einer Höhe von 25 bis 50 km ortsfest positioniert wird. In einer derartig hohen Höhe existiert eine stabile Luftschichtung, so daß die in den unteren Luftschichten üblichen Turbulenzen weitgehend vermieden sind. Er ist aber auch in anderen Höhen positionierbar. Beispielsweise kann er je nach Verwendungszweck auch in einer Höhe von ca. 100 bis 300 m positioniert werden.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die begleitende Figur konkreter beschrieben.

In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 einen Flugkörper mit zwei Auftriebskörpern 3, Bezugszeichen 2 bezeichnet eine Versorgungsstation mit einer Sendestation 5, die die zu übertragenden Daten an die auf dem Flugkörper angebrachte Sende- und Empfangsvorrichtung sendet und die für die Energieversorgung des Flugkörpers notwendige Energie liefert. Natürlich können aber die Sende- und Empfangsstation zur Datenübertragung und die Sende- und Empfangsstation zur Energieversorgung voneinander räumlich innerhalb der Versorgungsstation getrennt sein. Außerdem kann auch an anderer Stelle noch eine zusätzliche Sendestation zum Übertragen von Informationen an die Sende- und Empfangsstation, die auf dem Flugkörper angebracht ist, vorgesehen sein. Der Flugkörper befindet sich in einer Höhe von ca. 25 km vom Erdboden entfernt.

Die von der auf dem Flugkörper angebrachten Empfangsvorrichtung 6 empfangenen Signale werden vor der Aussendung gegebenenfalls in einer Verarbeitungseinrichtung 7 verarbeitet und/oder gespeichert und über eine Sendeeinrichtung 4 wieder abgestrahlt. Dabei ist die Form der zu verwendenden Sendeeinrichtung entsprechend der zu erzielenden Abstrahlungscharakteristik, die insbesondere von der Größe und Form des Versorgungsgebiets abhängt, ausgelegt. Beispielsweise ist ein λ/4-Dipol mit einer entsprechenden Rundstrahlcharakteristik, die eine Aussendung der Signale in Richtung Erde, nicht aber in Richtung Weltraum ermöglicht, bevorzugt.

Die von dem Energiesender 5 ausgestrahlte elektromagnetische Strahlung wird von der auf dem Flugkörper 1 angebrachten Empfangseinrichtung zu elektrischer Energie umgewandelt, die die nötige Versorgungsenergie darstellt und/oder die an Bord befindliche Versorgungsenergie ergänzt.

Alternativ kann sich gemäß der vorliegenden Erfindung der Flugkörper auch autonom unter Verwendung von Solarzellen mit Energie versorgen und nur in Sonderfällen, wenn der flugkörperinterne Energiespeicher fast aufgebraucht ist, von der Versorgungsstation zusätzliche Energie zur Ergänzung seiner Energiereserven beziehen.

In diesem Fall kann die Feinpositionierung des Flugkörpers unter Verwendung eines von einer Versorgungsstation oder einer Senderstation ausgesandten Informationsstrahls erfolgen.

Claims (19)

1. Flugkörper zum im wesentlichen ortsfesten Aufenthalt bis in die Stratosphäre, mit

• - Einrichtungen, die geeignet sind, den Flugkörper unter Ausnutzung des Auftriebs und/oder von aerodynamischen Effekten auf einer vorgegebenen Höhe zu halten;
• - Einrichtungen, die geeignet sind, den Flugkörper auf einer vorgegebenen Längen- und Breitenposition zu halten; und
• - Mitteln, um den Flugkörper von einer Versorgungsstation aus drahtlos mit Energie zu versorgen.

2. Flugkörper nach Anspruch 1, bei dem die drahtlose Energieversorgung mittels elektromagnetischer Wellen erfolgt.

3. Flugkörper nach Anspruch 2, bei dem die Mittel zur drahtlosen Energieversorgung eine an der Versorgungsstation angebrachte Laserlichtquelle und eine an dem Flugkörper angebrachte photoelektrische Umwandlungsvorrichtung umfassen.

4. Flugkörper nach Anspruch 2, bei dem die Mittel zur drahtlosen Energieversorgung eine an der Versorgungsstation angebrachte Hochfrequenz-Sendeeinrichtung, Einrichtungen zum Einkoppeln von Hochfrequenz-Leistung aus der Hochfrequenz- Sendeeinrichtung sowie eine an dem Flugkörper angebrachte Hochfrequenz- Empfangseinrichtung umfassen.

5. Flugkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Energievorratseinrichtung, die die Energie liefert, damit der Flugkörper von der Versorgungsstation auf die vorgegebene Höhe aufsteigt.

6. Flugkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Einrichtungen, die geeignet sind, den Flugkörper auf einer vorgegebenen Höhe zu halten, einen oder mehrere Auftriebskörper umfassen.

7. Flugkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Auftriebskörper sich erst entfaltet, sobald die vorgegebene Höhe erreicht ist.

8. Flugkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Einrichtungen, die geeignet sind, den Flugkörper auf einer vorgegebenen Höhe zu halten, einen oder mehrere aerodynamische Flügel umfassen.

9. Flugkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Einrichtungen, die geeignet sind, den Flugkörper auf einer vorgegebenen Längen- und Breitenposition zu halten, eine Vorrichtung zum Bestimmen der aktuellen Längen- und Breitenposition sowie eine Vorrichtung zum Korrigieren der aktuellen Längen- und Breitenposition umfassen.

10. Flugkörper nach Anspruch 9, bei dem die Vorrichtung zum Bestimmen der aktuellen Längen- und Breitenposition ein GPS-System umfaßt.

11. Flugkörper nach Anspruch 9 oder 10, ferner mit einer Vorrichtung zur Feinbestimmung der aktuellen Längen- und Breitenposition, die eine Einrichtung umfaßt, die geeignet ist zu bestimmen, ob der Flugkörper den Ort der maximal übertragbaren Energie einnimmt.

12. Flugkörper nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die Vorrichtung zum Korrigieren der aktuellen Längen- und Breitenposition einen Rückstoßantrieb und/oder einen aerodynamischen Antrieb umfaßt.

13. Flugkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der als Ring ausgebildet ist und Mittel zum Ausführen einer Drehbewegung um die zentrale Ringachse umfaßt.

14. Flugkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einem Mechanismus, der geeignet ist, einen autonomen Start- und/oder Landevorgang des Flugkörpers einzuleiten und/oder zu bewirken.

15. Flugkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einem oder mehreren Sensoren zur Erfassung von physikalischen und/oder chemischen Meßwerten sowie von Bildinformation.

16. Mobile Informationsübertragungsstation mit einem Flugkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 14, der mindestens eine Sende- und mindestens eine Empfangseinrichtung enthält.

17. Mobile Datenerfassungs- und -übertragungsstation mit einem Flugkörper nach Anspruch 15 und mindestens einer Einrichtung zum Senden der erfaßten Daten.

18. Informationsübertragungssystem mit einer mobilen Informationsübertragungsstation nach Anspruch 16 und einer Versorgungsstation.

19. Datenerfassungs- und -übertragungssystem mit einer mobilen Datenerfassungs- und -übertragungsstation nach Anspruch 17 und einer Versorgungsstation.