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Einrichtung zur Schweremessung auf bewegter Plattform, insbesondere
Seegravimeter Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zur Messung der Erdschwere
auf schwankendem Fundament, bei der die der Schwerewirkung unterworfene Gravimetermasse
elastisch an eine Gleichgewichtslage gefesselt und durch Richtkräfte, vorzugsweise
durch Verspannungen mittels Fäden, so in ihrer Bewegungsfreiheit eingeengt ist,
daß sich die Masse unter dem Einfluß äußerer Kräfte im wesentlichen nur in vertikaler
Richtung verlagern kann, wobei Mittel zur starken Dämpfung dieser Bewegung vorgesehen
sind.
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Bekanntlich haben sich solche Gravimeter nach A. Graf - wie sie beispielsweise
im deutschen Patent 1006170 beschrieben sind - in jüngster Zeit zur Schweremessung
auf See eingeführt, wobei es die Besonderheiten in der Konstruktion dieses Gravimetertyps
mit sich bringen, daß horizontale Beschleunigungskomponenten, die etwa durch Stampf-
und Rollbewegungen des das Gravimeter befördernden Fahrzeuges entstehen, keinen
Einfluß auf die Bewegung der Gravimetermasse nehmen, solange sich diese nur in vertikaler
Richtung bewegen kann. Es wird deshalb mit Gravimetern dieser Art im wesentlichen
neben dem Einfluß des statischen Schwerewertes der Einfluß vertikal ausgerichteter
Beschleunigungskomponenten erfaßt, die im wesentlichen zu harmonischen Schwingungen
der Gravimetermasse Anlaß geben. Die Schwingungen werden aufgezeichnet und aus der
Aufzeichnung der statische Schwerewert ermittelt.
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Es ist auch bekannt, daß die Auswertung der Gravimeterregistrierung
hinsichtlich zweier Effekte, die bei statischen Schweremessungen nicht vorkommen,
korrigiert werden muß. Sie sind unter dem Namen Eötvös-Effekt und Browne-Effekt
bekannt (second order corrections).
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Der erste Effekt betrifft die Verringerung der zu messenden Erdbeschleunigung
durch die Fliehkraftänderung. Fährt man das Gravimeter mit einem Fahrzeug von West
nach Ost, also in Richtung der Erddrehung, so wird die Fliehkraft vergrößert, die
Erdbeschleunigung also verkleinert, und die Korrektion, die von der Schiffsgeschwindigkeit,
der geografischen Breite und dem Schiffskurs abhängt, muß zum Meßwert addiert werden.
Das umgekehrte ist bei einer Ost-West-Fahrt der Fall. Praktisch bemüht man sich
deshalb, das Gravimeter während der Messung auf einem Nord-Süd-Kurs zu transportieren.
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Der sogenannte Browne-Effekt bewirkt, daß auf einer schwankenden
Plattform nicht die gleiche Erdbeschleunigung gemessen wird wie auf festem Untergrund.
Ein kardanisch aufgehängtes Gravimeter stellt sich dort wegen des Vorhandenseins
von Horizontalbeschleunigungskräften in ein Scheinlot ein, in dem der Meßwert nicht
frei von Anteilen horizontalgerichteter Beschleunigungskomponenten ist. In diesem
Scheinlot ist der Meßwert also größer als auf nicht schwankendem Fundament.
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Zu einem beliebigen Zeitpunkt setzt sich der Meßwert auf schwankendem
Fundament unter gewissen Annahmen über die Natur der äußeren Kräfte wie folgt zusammen:
In (1) bezeichnet g die gemessene Erdbeschleunigung, gz die Schwerkraft im wahren
Lot, hx und hy Beschleunigungsbeträge von orthogonalen Horizontalkomponenten und
Zx bzw. zy die Beträge vertikal gerichteter Komponenten entsprechender Frequenz.
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Da Zx und zy mit gz gleichgerichtet sind, ist der Mittelwert, über
eine Schwingungsperiode genommen, gleich gz. Da ferner der Mittelwert von hX2 cos2
w1 und h 2 co hy % ist e und hy2 cos2 C1)2 , t gleich hX212 bzw. 2 ist, ergibt sich
unter
Berücksichtigung der Tatsache, daß gz wesentlich größer als alle anderen Größen
ist, aus der binomischen Entwicklung der Quadratwurzel in (1) 4g=g-g=(h2th2)/4/g.
(2) Zur Erfassung der Browne-Korrektion ist deshalb also eine Messung der Horizontalbeschleunigungskomponenten
hx und hy erforderlich. Vening-Meines z gelang die Ermittlung der Horizontalbeschleunigungskomponenten
indirekt
durch Messungen an Pendeln langer Schwingungsdauer. Diese Methode läßt sich jedoch
nur auf U-Booten anwenden, da Pendel an der Wasseroberfläche sehr.wenig stabil sind.
Eine solche Erfassung der Browne-Korrektion ist zudem aus theoretischen Gründen
-problematisch.
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Untersucht man nämlich, wie genau die Horizontalkomponenten zur Durchführung
der Korrektur bekannt sein müssen, so -findet man, daß gerade, wenn diese Komponenten
relativ leicht zu ermitteln sind, nämlich bei kleinen Werten, der Betrag dieser
Komponenten nur relativ grob bekannt sein muß (auf 1000 bis 2000 mGal), daß aber,
wenn diese Komponenten relativ schwer zu bestimmen sind, nämlich bei großen Beschleunigungen,
diese auch relativ sehr genau bekannt sein müssen (bei Beschleunigungswerten von
etwa 60 000 auf etwa 33 mGal). Diese ist darauf zurückzuführen, daß die Beschleunigungskomponenten
quadratisch in die Browne-Korrektur eingehen.
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Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten ist es deshalb auch bereits
bekannt, auf die kardanische Aufhängung des Gravimeters zu verzichten und das Gerät
auf einer kreiselstabilisierten Plattform anzuordnen. Das Gravimetersystem stellt
sich dann nicht in das erwähnte Scheinlot ein, sofern die Stabilisation genügend
exakt ist. Diese Methode hat sich bislang allgemein bei seegravimetrischen Messungen
eingeführt. Die erzielbare Horizontierung des Instrumentes ist mit den zur Verfügung
stehenden technischen Mitteln hinsichtlich der Browne-Korrektur befriedigend.
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Neuere dynamische Untersuchungen von C. Harrison und B. Loncarevic
zeigten jedoch die Notwendigkeit einer weiteren Korrektion, die höhere Anforderungen
an die Stabilität der Plattform stellt. Ist die Plattform nicht genau horizontal
und weicht die Lage der Plattform etwa um den Winkel a vom Horizont ab, so mißt
man für den Fall, daß die Horizontalkomponenten mit diesem Winkel in Phase sind,
noch die Sinuskomponente der Beschleunigung mit und erhält so eine Korrektion, die
dem Produkt des halben Neigungswinkels mit dem Betrag der Beschleunigungskomponente
im zeitlichen Mittel proportional ist.
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In diese Korrektion geht sonst der Betrag der Beschleunigungskomponente
- im Gegensatz zur Browne-Korrektur - lediglich linear ein, und die Bestimmung dieser
Komponente ist deshalb praktisch relativ unkritisch, jedoch ist es schwierig, den
Neigungswinkel der Plattform gegen den wahren Horizont auf offener See zu messen.
Man ist deshalb bereits so vorgegangen, daß man den verwendeten Kreiseltisch an
Land hinsichtlich seiner Abweichungen bei künstlich erzeugten Horizontalbeschleunigungen
untersuchte und die Abweichungen vom wahren Horizont in Tabellenform festhielt.
Dieses Vorgehen ist umständlich und unsicher, wobei zudem die einfache Harrison-Korrektur
nur bei der Phasendifferenz Null zwischen dem Neigungswinkel und der Horizontalbeschleunigungskomponente
gültig ist, so daß man praktisch immer mit Korrekturfehlern nicht vernachlässigbarer
Größe rechnen muß. Die Untersuchungen über diese Erscheinungen und über deren praktische
Auswirkungen sind noch im Gange.
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Es war die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem obigen
Sachverhalt resultierenden Schwierigkeiten zu beseitigen.
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Erfindungsgemäß wird eine Einrichtung zur Messung der Erdschwere
auf schwankendem Fundament. bei der die der Schwerewirkung unterworfene Gravimetermasse
elastisch an eine Gleichgewichtslage gefesselt und durch Richtkräfte vorzugsweise
durch Verspannungen mittels Fäden so in ihrer Bewegungsfreiheit eingeengt ist, daß
sich die Masse unter dem Einfluß äußerer Kräfte im wesentlichen nur in vertikaler
Richtung verlagern kann, wobei Mittel zur starken Dämpfung dieser Bewegung vorgesehen
sind, vorgeschlagen, die sich dadurch kennzeichnet, daß das Gravimetersystem starr
oder in kardanischer Aufhängung auf einem nach zwei Richtungen horizontal verschiebbaren
Schlitten gelagert ist und daß Horizontalbeschleunigungsfühler über eine Servosteuerung
den Schlitten gegenphasig zu den Fundamentbewegungen verschieben.
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Der Einrichtung nach der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die
Wirkung von Horizontalbeschleunigungskräften auf das Gravimetersystem durch Kompensation
der Kräfte selbst zu vermeiden. Auf die Ausbildung des Gravimetersystems kommt es
hierbei nicht an, sofern dieses nur zur Schweremessung auf schwankendem Fundament
geeignet ist.
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In den Figuren sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt.
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Fig. 1 zeigt das Gravimetersystem schematisch im Detail; in Fig.
2 ist ein Beispiel einer Anordnung nach der Erfindung dargestellt; Fig. 3, 4 und
5 zeigen weitere Ausführungsbeispiele.
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In Fig. 1 bezeichnen 1 und 1' zwei Torsionsfedern. deren Federachsen
horizontal angeordnet sind. Sie sind mit ihren freien Enden sowohl an einem Rahmen
2 als auch an der Gravimetermasse 3 befestigt und so weit vortordiert, daß der Schwerpunkt
der Gravimetermasse 3 und die Federachse eine horizontale Ebene bilden. Die elastischen
Kräfte der Federn halten also der Gravimetermasse unter dem Einfluß der normalen
Erdbeschleunigung in einer Horizontalebene das Gleichgewicht.
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Um den störenden Einfluß von Horizontalbeschleunigungen aus dem Meßergebnis
zu eliminieren, ist die Gravimetermasse 3 durch Verspannungen 4, 4', 5, 5'.
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6, 6' und zwei weitere, nicht sichtbare Verspannungen so in ~ ihrer
Bewegungsfreiheit eingeengt, daß sie sich nur in einer vertikalen Richtung bewegen
kann.
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Da es nur schwer möglich ist, einen den Anforderungen entsprechenden
völlig linearen Ausschlag über den gesamten Bereich der praktisch auftretenden Beschleunigungsänderungen
zu verwirklichen, ist das Meßsystem nach einem Vorschlag von A. Graf unter Verwendung
von Dämpfungsmitteln extrem stark in seiner Schwingungsfähigkeit gedämpft. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel dient hierzu die magnetische Dämpfung 7, die so ausgebildet
ist, daß sie proportional der Geschwindigkeit des bewegten Systems wirkt.
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Nur in diesem Falle ist der Mittelwert der gedämpften Schwingung unabhängig
vom Dämpfungsgrad des Systems.
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In die Anzeige des Gravimeters gehen also infolge seiner Ausbildung
nun nur noch Vertikalbeschleunigungen ein, die sich durch die diesen Beschleunigungen
entsprechenden mehr oder weniger periodischen Bewegungen der Gravimetermasse um
diejenige Lage, die dem gerade vorherrschenden Erdschwerewert entsprechen würde,
zu erkennen geben. Infolge der
linearen bzw. symmetrischen Anzeige
des Gravimeters lassen sich jene Beschleunigungen durch Mittelwertbildung in einfacher
Weise aus den Messungen eliminieren.
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Die Bewegungen der Gravimetermasse werden hierzu auf den Lichtzeiger
8 übertragen, der über einen mit der Gravimetermasse 3 fest verbundenen Reflektor
9 läuft und am ortsfesten Spiegel 10 reflektiert wird. Der über den Spiegel zurücklaufende
Lichtzeiger 11 wird im Gesichtsfeld eines (nicht dargestellten) Ablesemikroskops
beobachtet, wobei beispielsweise die Umkehrpunkte der Lichtzeigerbewegung an einer
Skala beobachtet werden können.
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Im allgemeinen werden die Schwingungen der Gravimetermasse z. B.
über fotoelektrische Einrichtungen registriert, so daß aus der Registrierung die
zu ermittelnden Schwerewerte entnommen werden können.
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Hierzu kann entweder der Lichtzeiger 11 direkt zur fotografischen
Registrierung benutzt werden oder aber auch auf eine lichtelektrische Einrichtung
einwirken, die je nach Lage des Lichtzeigers 11 einen mehr oder weniger großen elektrischen
Strom liefert, der seinerseits zur Aussteuerung eines Schreibers herangezogen werden
kann.
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In Fig.2 ist in der rechten Hälfte ein Kreuzschlitten und in der
linken eine kreiselstabilisierte Plattform dargestellt. Der Kreuzschlitten besteht
aus einer Bodenplatte 12 mit den Seitenteilen 13, 14, in welche Führungsstangen
15, 16 eingelassen sind. Auf diesen Stangen sind die Teile 17, 18 mit Hilfe von
Kugellagern verschiebbar gelagert. Diese Teile tragen eine Platte 19, die wie die
Bodenplatte 12 mit Seitenteilen 20, 21 und Führungsstangen 22, 23 versehen ist.
Auf den Stangen 22, 23 sind die eine Platte 28 tragenden Teile 24, 25 ebenfalls
mit Hilfe von Kugellagern, von denen zwei, 26, 27, dargestellt sind, gelagert. Mit
der Platte 28 ist ein Träger 29 mit dem an einem Kugelgelenk 31 aufgehängten Gravimetersystem
30 verbunden.
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Das Teil 19 kann mit Hilfe des Motors 32 über die Antriebswelle 33,
Rollen 34, 35, 36, einer weiteren nicht sichtbaren Rolle und Ketten 37, 38, die
an den Teilen 17, 18 befestigt sind, verschoben werden. Ganz analog wird Teil 28
auf den Stangen 22, 23 bewegt.
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Es sind 39 der Motor, 40 die Antriebswelle, 41, 42 die Rollen - zwei
weitere Rollen sind nicht sichtbar -und 43, 44 die Ketten.
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Die kreiselstabilisierte Plattform besteht aus einem Fuß 45 und einem
mit ihm fest verbundenen Rahmen 46. Auf diesem Rahmen ist ein Motor 47 befestigt,
der über ein aus den Zahnrädern 48, 49 bestehendes Getriebe einen zweiten Rahmen
50 mit darauf befestigtem Motor 51 um die Achse 52 verdrehen kann.
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Der Motor 51 verstellt die Plattform 53 über die Zahnräder 54, 55
um die zur Achse 52 senkrechte Achse 56. Die beiden Motoren werden von einem Neigungsmesser,
der mit 57 angedeutet ist, über die leitenden Verbindungen 64, 65 derart gesteuert,
daß die Plattform 53 stets horizontal gerichtet ist.
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Mit der dargestellten Anordnung wird erreicht, daß an dem Gravimetersystem
und somit auch an der Gravimetermasse keine Horizontalbeschleunigungen die bei der
Bewegung des Fundamentes 63, etwa ein Schiffsboden, auftreten, angreifen. Es handelt
sich hierbei um eine Anordnung, bei der die Horizontalbeschleunigung in zwei zueinander
senkrechte Komponenten zerlegt wird.
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Zwei Beschleunigungsmesser 58, 59, die die Beschleunigung in Richtung
ihrer größten Ausdehnung messen sollen, sind auf der kreiselstabilisierten Plattform
angeordnet. Sie sind so eingerichtet, daß sie eine der Beschleunigung proportionale
Spannung erzeugen, die zur Steuerung der Motoren ausgenutzt wird, und zwar wird
die von dem Beschleunigungsmesser 59 erzeugte Spannung durch die leitende Verbindung
66 einem diese Spannung in eine über die leitende Verbindung 68 den Motor 32 beeinflussende,
geeignete Steuerspannung umformenden Gerät 60 zugeführt. In gleicher Weise steuert
der Beschleunigungsmesser 58 über die Verbindung 67, das Gerät 61 und die Verbindung
69 den Motor 39. mindert das Fundament 63 seinen Bewegungszustand, so tritt eine
Horizontalbeschleunigung 4 auf. Diese wird von den Beschleunigungsmessem 58, 59
in zwei zueinander senkrechte Komponenten zerlegt gemessen.
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Bezeichnet f;1 den von dem Beschleunigungsmesser 58 gemessenen Anteil
und 02 den von 59 gemessenen, so ist f,fT), bl+1)2=t. Die Beschleunigung t greift
auch an dem Gravimetersystem an. Die Beschleunigungsmesser 58 bzw. 59 erzeugen den
Beschleunigungen , bzw. b, proportionale Spannungen, die nach Umformung in den Geräten
61 bzw. 60 die Motoren 39 bzw. 32 steuern. Es greifen also an dem Gravimetersystem
auch noch die durch diese Motoren geregelten Beschleunigungen an, die f 2 entgegengerichtet
sind und deren Beträge gleich denen von 15 2 sind. Die an dem Gravimetersystem angreifende
Summe der Horizontalbeschleunigungen ist also immer 1)1 + 1)2L) 2 = 0.
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In Fig. 2 ist mit 62 der vorgenannte Schreiber bezeichnet, dem der
Strom, der ein Maß für die Lage der Gravimetermasse ist, über die Verbindung 70
zugeführt wird.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Einrichtung nach der Erfindung
ist in Fig. 3 dargestellt. Hier bedeutet 28 wieder die Platte des in der rechten
Hälfte der Fig. 2 dargestellten Kreuzschlittens. Auf diesem Teil 28 ist die kreiselstabilisierte
Plattform 53 angeordnet, auf der die Beschleunigungsmesser 58, 59 und das Gravimetersystem
30' angeordnet sind. Das Gravimetersystem braucht hierbei nicht kardanisch aufgehängt
zu werden. Die für die kreiselstabilisierte Plattform notwendigen Stellmotoren sind
nicht dargestellt. Bei dieser Anordnung müssen die Motoren (32, 39 in Fig. 2) das
Teil 28 so beschleunigen, daß die Beschleunigungsmesser 58, 59 stets die Beschleunigung
Null messen, was durch eine geeignete Ausbildung der Nachlaufsteuerung erreicht
wird.
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Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Einrichtung nach
der Erfindung. Hier ist auf einer größeren kreiselstabilisierten Plattform 53 der
Kreuzschlitten angeordnet (die Antriebsmittel des Schlittens sind nicht dargestellt).
Auf dem Teil 28 des Kreuzschlittens ist das Gravimetersystem 30', das wie beim zweiten
Ausführungsbeispiel nicht kardanisch aufgehängt ist, angeordnet. Die Beschleunigungsmesser
können entweder auf der Plattform 53 (gestrichelt gezeichnete Lage) oder auf dem
Teil 28 angebracht sein. Im ersten Fall muß die Nachlaufsteuerung wie im Beispiel
1, im zweiten dagegen wie im Beispiel 2 ausgebildet sein.
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Diese Anordnung hat trotz ihres äußeren technischen Aufwandes den
Vorzug, daß man zur Bewegung des Gravimeters nur sehr geringe Kräfte aufzubringen
hat,
da weder Gewichtskomponenten (bei einer Neigung von 5' beträgt der Gewichtsanteil
nur 75 g, bei einer Gesamtlast des Gravimeters plus Kreuzschlitten von 50 kg) noch
Trägheitskräfte auftreten. Es sind lediglich Reibungskräfte zu überwinden, die unter
den erwähnten Verhältnissen kleiner als 1 kg gehalten werden können.
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Möglicherweise kann man in dem Fall, wo die Beschleunigungsmesser
auf dem Teil 28 angeordnet sind, auf einen mit elektrischen Mitteln selbsttätig
vor sich gehenden Nachlaufmechanismus ganz verzichten, da die Steuerung des Gravimeters
auf der Plattform wegen der geringen Kräfte leicht von Hand vorgenommen werden kann.
In diesem Falle würden zwei Beobachter die beiden Beschleunigungsmesser von Hand
durch Vornahme von kleinen Verschiebungen des Gravimeters auf dem Kreuzschlitten
auf Null einregeln.
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In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Einrichtung
nach der Erfindung dargestellt. Das Teil 28 des Kreuzschlittens trägt das kardanisch
aufgehängte Gravimetersystem 30. Auf dem Teil 28 ist ferner eine kleine kreiselstabilisierte
Plattform 53 angeordnet, die die Beschleunigungsmesser trägt. Die anderen Bezugszeichen
bezeichnen bereits beschriebene Teile. Die Nachlaufsteuerung muß wie bei dem zweiten
Beispiel ausgebildet sein. In diesem Fall hat man zwar größere Steuerungskräfte
aufzubringen, aber die gesamte Anlage hat den Vorzug, daß sie gewichtsmäßig leichter
und transportabler wird, denn die kreiselstabilisierte Plattform für die Beschleunigungsmesser
kann sehr klein gehalten werden.