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Faltbarer, rotationssymmetrischer Strahlungsreflektor
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Die Erfindung betrifft einen faltbaren, rotationssymmetrischen Strahlungsreflektor,
der von einer Anzahl schwenkbar um die Symmetrieachse herum angeordneter Reflektor
segmente gebildet wird.
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Derartige Strahlungsreflektoren werden vorwiegend in der Satellitentechnik
zur Nachrichtenübertragung als Antennenreflektoren verwendt. Während des Transports
in den Weltraum mit Hilfe der dafür vorgesehenen Raketen oder Raumfähren befinden
sich diese Reflektoren aus Gründen mangelnden Raumangebotes im zusammengefalteten
Zustand. Im Prinzip sollen die Reflektoren, die zumeist parabolisch gekrümmt sind,
einen möglichst großen Durchmesser aufweisen und die gewählte Flächenform möglichst
genau beibehalten. Diese Forderung steht in einem gewissen Gegensatz zu der Notwendigkeit,
mit einem begrenzten Transportraum auszukommen, was wiederum die Aufteilung in eine
Anzahl von Reflektorsegmenten sowie die Faltbarkeit zur Folge hat. Denn damit ist
bereits automatisch eine Begrenzung des Reflektordurchmessers verbunden, andererseits
ergibt sich die Schwierigkeit, eine vorgegebene Fläche aus mehreren Segmenten mit
hoher Genauigkeit reproduzierbar herzustellen. Von der Größe des Antennendurchmessers
sowie- der Genauigkeit, mit der die ideale Reflektorfläche eingehalten werden kann,
hängt aber entscheidend die Qualität der Nachrichtenübertragung, insbesondere die
Richtwirkung, ab.
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Es sind bereits unterschiedliche Konzepte für faltbare Antennenreflektoren
vorgeschlagen worden. Dabei werden entweder starre, segmentierte Reflektorflächen
oder mittels entfaltbarer Gerüste oder Rippenkonstruktionen aufgespannte Reflektornetze
verwendet, wobei sich erstere durch eine größere Flächengenauigkeit auszeichnen.
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Im Brennpunkt der im allgemeinen parabolisch gekrümmten Reflektorflächen
befinden sich im Falle der Anwendung zur Nachrichtenübermittlung Subreflektoren
oder Speisesysteme. Derartige Reflektoren können aber auch zur sotaren Energiegewinnung,
etwa. in der Satellitentechnik, verwendet werden, wobei im Brennpunkt dann Strahlungsempfänger
mit aufheizbaren Medien oder auch Solarzellen angeordnet sein können.
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Ein Strahlungsreflektor der eingangs genannten Art ist beispielsweise
aus Zeitschrift für Flugwissenschaften und Weltraumforschung, 4 (1980), Heft 5,
Seiten 257, 258 bekannt. Dort ist ein faltbarer, parabolischer Antennenreflektor
mit über drei Stützen im Brennpunkt gehaltertem Subreflektor beschrieben und abgebildet.
Der Reflektor besteht aus einem starren Zentralteil, durch dessen Mitte die Symmetrieachse
verläuft, sowie um diese herum schwenkbar am Zentralteil angeordnete starre Reflektorsegmente.
Die Gesamtheit der Reflektorsegmente ist in Hauptpanels und Zwischenpanels unterteilt.
Die Hauptpanels sind mit Scharnieren am Zentralteil befestigt und verjüngen sich
gegen den Antennenrand hin. Zwischen benachbarten Hauptpanels sind jeweils zwei
untereinander und mit den Hauptpanels durch Scharniere verbundene Zwischenpanels
angebracht. Beim Zusammenfalten des Reflektors werden die Hauptpanels zur
Symmetrieachse
hin hochgeschwenkt, während die Zwischenpanels um die sie verbindenden Scharniere
herum nach innen einknicken und schließlich eine in etwa radiale Position einnehmen.
Die Zwischenpanels vollführen demnach eine Schwenkbewegung zur Symmetrieachse hin
und drehen gleichzeitig um etwa durch die Ränder der Hauptpanels gebildete Drehachsen.
Dabei drehen die beiden jeweils zusammengehörigen Zwischenpanels gegensinnig. Die
Entfaltung des Reflektors erfolgt mit Hilfe von Torsionsfedern, die in den Scharnieren
angebracht sind. Diese stellen zwar die benötigte Entfaltenergie zur Verfügung,
sind jedoch offenbar nicht in der Lage, den Entfaltvorgang in ausreichender Weise
zu beherrschen. Es ist nämlich zusätzlich vorgesehen, die Entfaltgeschwindigkeit
beispielsweise durch getriebeuntersetzte Motoren zu steuern, wobei an jedem Hauptpanel
ein aus einem Motor und einem geeigneten Übertragungsgestänge bestehender Steuermechanismus
angreift.
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Die geschilderte konstruktive Lösung ist zwar durchaus praktikabel
und bietet bereits eine relativ günstige räumliche Anordnung des Reflektors im gefalteten
Zustand. Jedoch ist die räumliche Form des gefalteten Reflektors streng vorgegeben,
und zwar dadurch, daß sämtliche Panels untereinander verbunden sind. Im übrigen
erscheint der Entfaltmechanismus aufwendig. Es besteht somit ein Bedürfnis nach
Neuentwicklungen auf dem Gebiet der entfaltbaren Antennenreflektoren, die die zu
stellenden Anforderungen mit einfacheren Mitteln auf zuverlässigere Weise erfüllen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Strahlungsreflektor
der eingangs genannten Art bereitzustellen, der bei-möglichst geringem Raumbedarf
im gefalteten Zustand einwandfrei und zuverlässig entfaltbar sein
soll,
wobei dies mit möglichst geringem konstruktivem Aufwand erreichbar sein soll.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Reflektor
segmente aus dem entfalteten Reflektorzustand sämtlich auf die gleiche Weise durch
gleichsinnige Drehung um ihnen jeweils zugeordnete, zur Symmetrieachse parallele
Drehachsen sowie gleichzeitiges, zur jeweiligen Drehachse hin gerichtetes Hoch schwenken
in den gefalteten Reflektorzustand bringbar sind, wobei die Überführung aus dem
gefalteten in den entfalteten Reflektorzustand durch direkte Umkehrung dieser gleichzeitig
ablaufenden Dreh-und Schwenkbewegungen erreichbar ist.
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Jedem einzelnen der die gewünschte Reflektoroberfläche bildenden Reflektor
segmente ist somit eine eigene Drehachse zugeordnet, wobei alle diese Drehachsen
parallel zur Symmetrieachse des Reflektors orientiert sind. Im Gegensatz zum bekannten
Antennenreflektor, bei dem die Reflektorsegmente (Panels) einmal lediglich hochgeschwenkt
und zum anderen zusätzlich in, zwei entgegensetzten Drehrichtungen unter gleichzeitigem
Hochschwenken der Drechachsen gedreht werden, werden gemäß der Erfindung sämtliche
Reflektorsegmente auf die gleiche Weise bewegt. Die Bewegung ist dabei eine zusammengesetzte
Dreh- und Schwenkbewegung, wobei die jeweiligen Drehachsen jedoch nicht bewegt werden.
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Im Unterschied zu den Zwischenpanels des bekannten Antennenreflektors
drehen sämtliche Reflektorsegmente nunmehr gleichsinnig. Die durch den geschilderten
Faltvorgang entstehende, dem gefalteten Zustand entsprechende Anordnung ist durch
die gegebene Vorschrift prinzipiell bereits vollständig definiert. Durch das Drehen
und gleichzeitige Hochschwenken entsteht schließlich eine Anordnung, die an die
der Schaufeln eines Turbinenrades erinnert. Sowohl diese als auch die Reflektorsegmente
im gefalteten Zustand sind, im Querschnitt gesehen, auf einem Kreis angeordnet und
gegenüber der radialen Richtung geneigt, gleichmäßig
ineinandergeschachtelt.
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Die Anordnung ist im vorliegenden Falle dadurch variierbar, daß die
Dreh- und Schwenkbewegung früher oder später abgebrochen werden kann, oder daß insbesondere
während des Endstadiums des Faltvorganges nur noch entweder geschwenkt oder gedreht
wird bzw. eine dieser Bewegungsformen stark überwiegt. Dadurch wird es möglich,
den Umfang der gefalteten Reflektoranordung bis zu einem gewissen Grade zu variieren
und die Segmente mehr oder weniger zur Symmetrieachse hin zu neigen.
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Ein besonderer Vorteil besteht jedoch darin, daß der Reflektordurchmesser
in weiten Grenzen variierbar ist, und zwar im wesentlichen durch Änderung der Anzahl
der Reflektorsegmente. So kann beispielsweise durch Verdoppelung der Segmentzahl
bei gleichzeitiger Halbierung des Segmentwinkels und Verdoppelung der radialen Länge
des Segments der Reflektordurchmesser verdoppelt werden. Die Segmentanzahl ist nach
oben lediglich dadurch begrenzt, daß die jedem Segment zugeordneten Dreh- und Schwenkantriebe
einen gewissen Raum beanspruchen. Bei gleichzeitiger Durchführung der Dreh- und
Schwenkbewegungen ist es im übrigen möglich, die Reflektorsegmente im gefalteten
Reflektorzustand nahezu beliebig eng ineinanderzuschachteln, ohne daß sie sich gegenseitig
stören.
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Die einzelnen Reflektorsegmente sind, da sie jeweils gleichsinnige
Drehbewegungen ausführen sollen, -nicht untereinander verbunden,so daß die bei dem
bekannten Antennenreflektor vorgesehenen Scharniere und Torsionsfedern wegfallen.
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Damit ist bereits eine Fehlerquelle ausgeschaltet. Es genügt nunmehr,
jedem einzelnen Reflektorsegment einen
gesonderten, gegebenenfalls
kombinierten Dreh- und Schwenkmechanismus zuzuordnen. Bei ausreichend bemessener
Formsteifigkeit der Segmente ist dann auch gesichert, daß diese mit Abschluß des
Entfaltvorganges in die vorbestimmte Position gelangen, wo sie schließlich durch
an ihren Kanten angebrachte Einrastmechanismen verriegelt werden können, wie dies
entsprechend bei dem bekannten Antennenreflektor ebenfalls vorgesehen ist, und zwar
mittels an den Scharnieren angebrachter Einrastmechanismen. Die Forderung ausreichender
Formsteifigkeit der Reflektorsegmente ist in der Praxis ohne weiteres zu erfüllen,
beispielsweise durch geeignete Materialauswahl (faserverstärkte Kunststoffe) sowie
gegebenenfalls durch Anbringung von Verstärkungsrippen auf der der reflektierenden
Seite abgewandten Rückseite der Segmente. Diese Rippen können auch direkt am Rand
der Reflektorsegmente angebracht werden, wodurch die Einleitung des Faltvorganges
nicht behindert wird, da sich die Randbereiche benachbarter Segmente infolge der
vorgeschriebenen gleichsinnigen Drehung sofort voneinander entfernen. Dies steht
im Gegensatz zu den bei dem bekannten Antennenreflektor gegebenen Möglichkeiten.
Dort können nämlich die aneinanderstoßenden Zwischensegmente in ihren entsprechenden
Randbereichen nicht oder nur sehr begrenzt mit in Längsrichtung sich erstreckenden
Verstärkungsrippen versehen werden, da diese Randbereiche sich während des Faltvorganges
zunehmend einander nähern. Im übrigen wird es durch die Erfindung ermöglicht, den
Falt- und Entfaltvorgang mit demselben Mechanismus durchzuführen. Bei dem bekannten
Antennenreflektor ist dies schon deshalb nicht der Fall, weil der Entfaltvorgang
durch eine sich entspannende Feder bewirkt wird. Daher sind dort auch zusätzliche
konstruktive Maßnahmen vorgesehen, um den Reflektor in den gefalteten Zustand zurückzubringen.
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Insgesamt ist durch die Erfindung ein Strahlungsreflektor gegeben,
der für den Transport auf einen verhältnismäßig geringen Raum zusammenfaltbar ist,
und der nach dem selben einfachen und zuverlässigen Prinzip sowohl ge faltet als
auch entfaltet werden kann. wobei dies, wie im folgenden noch deutlicher wird, mit
geringem konstruktiven Aufwand erreichbar ist.
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Es sei noch darauf hingewiesen, daß sich die Erfindung auch auf Reflektoren
vom Offset-Typ bezieht, die streng genommen nur einen Ausschnitt aus einer rotationssymmetrischen
Reflektorfläche darstellen. Das durch die Erfindung gegebene Konzept, nach welchem
die Reflektorsegmente aus dem entfalteten in cen gefalteten Reflektorzustand (und
umgekehrt) überführt werden, ist bei derartigen Offset-Reflektoren ersichtlich gleichermaßen
anwendbar. Außerdem sind im Prinzip auch andere Oberflächenformen des Reflektors
als die im allgemeinen verwendete parabolische Form denkbar.
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Bei der Verwirklichung der durch die Erfindung gegebenen Konzeption
ergibt sich zunächst die Frage, in welchem Verhältnis die vorgeschriebenen Dreh-
und Schwenkbewegungen zueinander stehen sollen. Dabei hat es sich als besonders
günstig erwiesen, diese Bewegungen so aufeinander abzustimmen, daß sie in ihrer
zeitlichen Abhängigkeit jeweils zueinander proportional sind. Insbesondere sind
lineare zeitliche Abhängigkeiten zu bevorzugen. Hierdurch wird erreicht, daß sich
die einzelnen Reflektorsegmente während des Falt- bzw. Entfaltvorganges nicht gegenseitig
berühren bzw. behindern. Es liegt in der Natur der Sache, daß die genannten Forderungen
nicht streng eingehalten werden müssen, vielmehr nur eine Leitlinie darstellen,
von der je nach dem Einzelfall Abweichungen innerhalb gewisser Toleranzbereiche
zulässig sind.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
unterhalb der im entfalteten Zustand gebildeten Reflektorfläche in gleichen Winkelabständen
eine Anzahl jeweils den einzelnen Reflektorsegmenten zugeordneter Dreh-und Schwenkantriebe
ringförmig um die Symmetrieachse herum anzuordnen. Diese Dreh- und Schwenkantriebe
können so ausgebildet sein, daß sie jeweils eine fest angeordnete, hohlzylindrische
Tragsäule mit der jeweiligen Drehachse als Zylinderachse und eine die Tragsäule
koaxial umschließende, drehbar gelagerte, über eine senkrecht zur Drehachse orientierte
Schwenkachse mit dem jeweiligen Reflektorsegment verbundene Hülse aufweisen. Demnach
kann um die Symmetrieachse herum ein starrer Trägerring angeordnet sein, auf dem
in regelmäßigen Winkelabständen die Reflektorsegmente angebracht sind, und zwar
unter Zwischenschaltung der genannten Dreh- und Schwenkantriebe.
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Diese können, um die erforderlichen Dreh- und Schwenkbewegungen zu
efmöglichen, weiterhin so ausgebildet sein, daß die Hülse mit einem in axialer Richtung
sich erstreckenden Führungsschlitz und die Tragsäule mit einem gegenüber der axialen
Richtung geneigt verlaufenden Kulissenschlitz versehen und im Inneren der Tragsäule
ein axial bewegbarer, einen sowohl in den Kulissen- als auch in den Führungsschlitz
eingreifenden radialen Mitnehmerstift aufweisender Kolben angeordnet ist. Die Zuordnung
von Führung so und Kulissenschlitz zur Hülse bzw. Tragsäule kann auch umgekehrt
werden. Aus Stabilitätsgründen kann es nämlich günstig sein, den axial verlaufenden
Führungsschlitz in der Wand der innenliegenden Tragsäule anzubrirgen. Dann muß der
geneigt verlaufende Kulissenschlitz natürlich, damit überhaupt eine Drehbewegung
möglich wird, in der außenliegenden
Hülse angebracht werden. Durch
axiale Bewegung des Kolbens wird nun bewirkt, daß der in die beiden Schlitze radial
eingreifende Mitnehmerstift auf die Hülse ein auf die jeweilige Drehachse bezogenes
Drehmoment sowie gleichzeitig ein auf die jeweilige Schwenkachse bezogenes Drehmoment
auf das um diese drehbare Reflektorsegment ausübt. Ersteres geschieht aufgrund der
tangentialen Komponente des Kulissenschlitzes, letzteres aufgrund der axialen Erstreckung
beider Schlitze. Der Kulissenschlitz soll vorzugsweise konstante Neigung aufweisen,
wodurch die bereits erwähnte Proportionalität zwischen den zeitlichen Abhängigkeiten
der Dreh- und Schwenkbewegungen gesichert ist.
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Außerdem ist eine derartige Schlitzform fertigungstechnisch besonders
leicht herstellbar.
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Im übrigen muß als besonders vorteilhaft hervorgehoben werden, daß
die Dreh- und Schwenkbewegungen gemeinsam durch Krafteinleitung in einer einzigen
Richtung, nämlich der bezüglich Hülse und Tragsäule axialen, durchführbar sind.
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Die Anwendbarkeit der Erfindung ist nicht auf starre Reflektorsegmente
beschränkt. Sie betrifft im Prinzip auch solche Anordnungen, bei denen die Reflektorsegmente
rahmenartig ausgeführt sind, wobei die eigentliche Reflektorfläche durch jeweils
innerhalb der Rahmen aufgespannte, reflektierende Netze gebildet wird.
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Im folgenden soll die Erfindung anhand von Abbildungen näher erläutert
werden. Es zeigen: Fig. 1 eine Priniipskizze eines Antennenreflektors in Draufsicht,
wobei die Reflektorsegmente in verschiedenen Positionen dargestellt sind,
Fig.
2 einen Dreh- und Schwenkantrieb für ein Reflektorsegment, Fig. 3 den Dreh- und
Schwenkantrieb gemäß Fig. 2 in einer anderen Stellung des Reflektorsegments.
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Fig. 1 zeigt in stark schematisierter Weise einen Antennenreflektor
1 in Draufsicht. Dabei ist die eine Hälfte von insgesamt zwölf Reflektorsegmenten
2 im entfalteten, die andere Hälfte im gefalteten Reflektorzustand dargestellt.
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Der Antennenreflektor ist rotationssymmetrisch, mit einer senkrecht
zur Zeichenebene orientierten Symmetrieachse 3.
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Ringförmig um diese herum sowie unterhalb der im entf alteten Reflektorzustand
von den Reflektorsegmenten aufgespannten Reflektorfläche in gleichmäßigen Winkelabständen
angeordnet sind jeweils den Reflektorsegmenten 2 zugeordnete Dreh-'und Schwenkantriebe
5. Diese weisen jeweils parallel zur Symmetrieachse 3 orientierte Drehachsen 4 sowie
senkrecht zu diesen gerichtete Schwenkachsen 7 auf. Die Reflektorsegmente sind aus
dem entfalteten Reflektorzu stand dadurch in den gefalteten überführbar, daß sie
gleichzeitig entgegen dem Uhrzeigersinn um die Drehachsen 4 gedreht sowie um die
Schwenkachsen 7 hochgeschwenkt werden. Bei zwei Reflektorsegmenten sind noch jeweils
zwei Zwisch'enpositionen (gestrichelt) dargestellt, die beim Übergang vom entfalteten
in den gefalteten Reflektorzustand durchlaufen werden. Eine äußere Ecke 2 ' des
einen dieser beiden Reflektorsegmente beschreibt dabei die in Projektion strichpunktiert
wiedergegebene Raumkurve. Trotz der schematischen Darstellungsweise ist deutlich
erkennbar, daß noch mehr Reflektorsegmente ringförmig um die Symmetrieachse 3 herum
angeordnet werden könnten, wodurch sich bei entsprechender Verringerung des Segmentwinkels
eine Vergrößerung des Reflektordurchmessers erzielen ließe.
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In Fig. 2 ist in schematischer Weise ein Dreh- und Schwenkantrieb
5 eines Reflektorsegments 2 dargestellt. Auf einem um die Symmetrieachse angeordneten,
als Hohlprofil ausgebildeten Trägerring 13 ist eine hohlzylindrische Tragsäule 6
aufmontiert. Drehbar auf dieser gelagert ist eine ebenfalls hohlzylindrische Hülse
8. In ~ einer an dieser Hülse angebrachten Nase 14 ist die Schwenkachse 7, mit der
das Reflektorsegment 2 fest verbunden ist, gelagert. Die Hülse weist zwei einander
gegenüberliegende, in axialer Richtung sich erstreckende Führungsschlitze 9 auf,
die hohlzylindrische Tragsäule 6 zwei geneigt verlaufende Kulissenschlitze 10. Im
Inneren der Tragsäule 6 ist ein axial bewegbarer Kolben 12 geführt, in dem ein Mitnehmerstift
11 radial gelagert ist. Am Kolben 12 greift ein Seilzug 15 an, mit dessen Hilfe
der Kolben entgegen der durch eine Feder 16 ausgeübten Federkraft in axialer Richtung
nach unten gezogen werden kann. Der Mitnehmerstift 11 bewegt sich dann in den Fithrungs-
sowie Kulissenschlitzen nach unten, wodurch eine Drehung der Hülse 8 um die Drehachse
4 im Uhrzeigersinn ausgelöst wird. Gleichzeitig- wird auf das -Reflektorsegment
2 eine Hebelwirkung bezüglich der Schwenkachse 7 ausgeübt, so daß das Segment aus
der dargestellten, nahezu senkrechten Position in Richtung auf die Horizontale heruntergeschwenkt
wird. Um dies bewerkstelligen zu können, ist ein Ausgleichsschlitz 17 vorgesehen,
in dem der Mitnehmerstift 11 während der kombinierten Dreh- und Schwenkbewegung
gleiten kann.
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Zur Verriegelung des Kolbens 12 in seiner unteren Endstellung ist
in der Tragsäule 8 eine Bohrung 19 vorgesehen, in die ein in den Kolben eingelassener,
mittels Federkraft radial nach außen drückbarer Verriegelungsstift 18 eingreifen
kann.
Die so bewirkte Verriegelung ist nicht ohne weiteres aufhebbar, da dies bei der
Verwendung etwa in einer Satellitenumlaufbahn gewöhnlich auch nicht erforderlich
ist.
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Der Seilzug 15 läuft über zweckmäßig gehalterte Rollen 21, 22 und
wird mit Hilfe eines Motors 20 betätigt. Die Gesamtanordnung kann so ausgebildet
sein, daß sämtliche den einzelnen Dreh- und Schwenkantrieben zugeordnete Seilzüge
über- Ausgleichsrollen bei einem- einzigen Motor zusammenlaufen, wodurch eine streng
synchrone Betätigung sämtlicher Antriebe erzielbar ist.
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Fig. 3 zeigt in schematischer Weise den Dreh- und Schwenantrieb der
Fig. 2 in der Stellung des Reflektorsegments, die dem entfalteten Reflektorzustand
entspricht. Das Reflektorsegment 2 ist radial herausgeschwenkt, der Mitnehmerstift
11 befindet sich ebenso wie der Kolben 12 in seiner unteren Endstellung und der
Verriegelungsstift 18 ist in die dafür vorgesehene Bohrung eingerastet. Die benachbarten
Reflektor segmente liegen dann mit ihren Kanten dicht aneinander und bilden so die
reflektierende Oberfläche. Die Verriegelung ist im vorliegenden Fall nicht ohne
weiteres aufhebbar. Es steht dem Konstrukteur jedoch frei, diese so auszubilden,
daß eine Entriegelung jederzeit möglich ist, so daß der Reflektor wieder gefaltet
werden kann.
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Das geschilderte Ausführungsbeispiel der Erfindung bietet somit einen
konstruktiv einfachen Antennenreflektor, der sich durch hohe Funktionssicherheit
auszeichnet.
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