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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen in großer Höhe fliegenden Flugkörper sowie
ein Verfahren zur Positionierung dieses Flugkörpers und verschiedene Anwendungen.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter großer Höhe eine Höhe verstanden, die größer als
die Höhe,
in der zivile Flüge
durchgeführt
werden, und zugleich größer als
die Höhe
der Wolkendecke über
der Erde ist. Die in dieser großen
Höhe herrschende
Atmosphäre
wird nachfolgend als obere Atmosphäre bezeichnet.
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In
den letzten Jahren sind zahlreiche Entwürfe und Vorschläge meist
theoretischer Natur für
die Konzeption und den Einsatz eines Luftfahrzeugs wie zum Beispiel
eines Flugzeugs, Ballons oder motorisierten Fallschirms entstanden,
das dafür
vorgesehen sein sollte, vom Boden aus in die obere Atmosphäre, beispielsweise
in die Stratosphäre,
aufzusteigen und dort auf Dauer zu verbleiben, um spezifische Arbeitsgänge oder
Operationen auszuführen.
Zur Veranschaulichung seien hier die Vorschläge zitiert, die im Dokument
WO-96
12643 und
WO-95 32893 beschrieben werden.
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Es
sind sehr zahlreiche Operationen denkbar, beispielsweise die Erdbeobachtung,
die Telekommunikation oder die wissenschaftliche Forschung, Operationen
also, die üblicherweise
mit Satelliten bewerkstelligt werden. Nun verursachen aber Satelliten
exorbitante Kosten und können
zum Vorteil von – im
allgemeinen nationalen oder multinationalen – Großanwendern eingesetzt werden.
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Die
Dokumente
WO 97/15992 ,
WO 95/04407 ,
WO
97/33790 und
GB-A-2
082 995 zeigen einen Flugkörper, der eine Relaisfunkstelle
eines Telekommunikationsnetzes an Bord hat.
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Dagegen
läge ein
in großer
Höhe fliegender Flugkörper in
Reichweite kleinerer Gebietskörperschaften
wie etwa Gemeinden oder Regionen oder kleinerer Unternehmen. Ein
solcher in großer
Höhe fliegender
Flugkörper
benötigt
nämlich
keine Startrakete und kann überdies
in der Atmosphäre
mit Komponenten bestückt
werden, für
die im Gegensatz zu Satelliten keine Weltraum-Qualifizierung erforderlich ist.
Daraus erklärt
sich insbesondere das wirtschaftliche Interesse für einen
solchen Flugkörper.
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Trotz
allem aber sind die in Betracht gezogenen und vorgeschlagenen Lösungen mit
hochfliegenden Flugkörpern
weder wirtschaftlich noch technisch realisierbar. Insbesondere
- – sind
die vorgeschlagenen Flugkörper
wegen ihrer hohen Masse und somit ihres erheblichen Verhältnisses
zwischen Masse und Leistung allgemein zu schwer, um auf Dauer in
großer
Höhe zu verbleiben.
Insbesondere bleibt die von den Batterien und gegebenenfalls von
Solarzellen gelieferte Energie häufig
unzureichend;
- – sind überdies
die vorgeschlagenen Energiespeicherkapazitäten im allgemeinen unzureichend, um
auch während
der Nacht eine Energieversorgung zu ermöglichen;
- – sind
zudem andere Energiequellen wie beispielsweise die Übertragung
von Mikrowellenenergie vom Boden aus zu kompliziert, zu kostenintensiv
und außerdem
umweltschädlich.
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ersetzen eines Relais eines
Telekommunikationsnetzes.
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Erfindungsgemäß ist das
besagte Verfahren insofern bemerkenswert, als dabei eine Relaisfunkstelle
durch einen Flugkörper
ersetzt wird, der mit einer Vorrichtung zum Senden und Empfangen
von Funkwellen ausgerüstet
ist, wobei besagter Flugkörper
auf eine Höhe
und in eine Position gebracht wird, die so gewählt sind, daß die besagte
Sende- und Empfangsvorrichtung im Verhältnis zu mindestens einem Benutzer
des besagten Telekommunikationsnetzes in derselben Richtung wie
das besagte Relais angeordnet ist, und wobei die Kommunikation zwischen
der besagten Vorrichtung zum Senden und Empfangen und dem besagten
Benutzer über
eine vorhandene Schnittstelle bewerkstelligt wird. Der Benutzer
braucht also weder an seiner Schnittstelle noch an der Ausrichtung
der Antenne eine Modifikation vorzunehmen.
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Der
Flugkörper
ist insofern bemerkenswert, als er lediglich Antriebsvorrichtungen
beinhaltet, die es besagtem Flugkörper gestatten, sich in großer Höhe zu halten,
zu verlagern und auszurichten.
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Da
der besagte Flugkörper
somit dank der Erfindung keine im allgemeinen sehr schweren, sperrigen
und kostspieligen Antriebsvorrichtungen beinhaltet, um sich in großer Höhe in der
oberen Atmosphäre
zu positionieren, sind seine Masse und seine Kosten wesentlich niedriger,
was die Behebung der vorgenannten Nachteile ermöglicht.
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Folglich
lassen sich erdgebundene oder im All befindliche Relaisfunkstellennetze
leicht und überdies
ohne Modifikation an der Schnittstelle zu den Benutzerendgeräten ersetzen,
was besonders unter Kostenaspekten vorteilhaft ist.
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Zudem
ist der besagte Flugkörper,
beispielsweise ein Flugzeug oder Segelflugzeug, infolge seiner eigenen
Antriebsvorrichtungen in der Lage, die für seinen Betrieb und seine
Positionshaltung erforderlichen Verlagerungs- und Ausrichtvorgänge selbst zu
bewerkstelligen. Da diese Bewegungen im allgemeinen sehr geringfügig sind,
benötigt
der besagte Flugkörper
nicht viel Energie, um sie auszuführen, was zugleich eine Senkung
der Kosten und die Überwindung
der Einschränkungen
bezüglich
der Energieversorgung gestattet.
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Überdies
sei angemerkt, daß man
durch diese Senkung der Belastungen, denen der Flugkörper in
der Steigphase durch Druck und hohe Temperaturen ausgesetzt ist,
seine speziellen Eigenschaften für den
regulären
Betrieb in der oberen Atmosphäre
optimieren und insbesondere solche technischen Lösungen wählen kann, die beispielsweise
im Hinblick auf die Aerodynamik, die Betriebstemperatur, die Energiespeicherung,
die strukturelle Stabilität
und andere Faktoren keinen Aufstieg bis zur vorgesehenen Position
zulassen würden.
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Zu
diesem Zweck werden mit der vorliegenden Erfindung verschiedene
technische Eigenschaften vorgeschlagen, die es insbesondere gestatten, die
Einschränkungen
bezüglich
der Energieversorgung zu überwinden
und die Funktion des Flugkörpers
zu optimieren. Es sei angemerkt, daß die Gesamtheit dieser im
folgenden näher
erläuterten
technischen Eigenschaften speziell für den Betrieb in der oberen
Atmosphäre
bestimmt und insbesondere nicht am Boden oder in der Phase des Steigfluges zur
vorgesehenen Position nutzbar ist.
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In
einer ersten, besonders vorteilhaften Realisierungsform beinhaltet
der besagte Flugkörper mindestens
ein Plasmatriebwerk, welches für
seinen Betrieb Plasma verwendet, das durch die Umgebungsluft in
der oberen Atmosphäre
gebildet wird. Wegen der Eigenschaften der oberen Atmosphäre kann
das Plasma ohne Hilfsstoff wie etwa Xenon und ohne eine sperrige
und schwere Baugruppe aus Tanks, Leitungen und Zufuhrventile gebildet
werden. Diese Antriebsvorrichtungen sind somit sehr einfach aufgebaut
und können
zeitlich unbegrenzt in Betrieb bleiben, da ja ein Aufbrauchen von
Hilfsstoffen nicht zu befürchten
ist.
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Vorteilhafterweise
beinhaltet der besagte Flugkörper überdies
mindestens einen Solargenerator, der durch die Konvektion der Umgebungsluft
in der oberen Atmosphäre
gekühlt
wird.
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Somit
arbeiten der besagte Solargenerator oder seine Solarzellen bei einer
Temperatur, die viel niedriger ist als die am Boden herrschende
Umgebungstemperatur oder auch die Betriebstemperaturen, die man
gewöhnlich
mit künstlichen
Satelliten im Weltraum antrifft, was den Wirkungsgrad wesentlich erhöht.
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Darüber hinaus
beinhaltet der Flugkörper
in einer vorteilhaften Realisierungsform mindestens eine Batterie
mit supraleitenden Bauelementen. Wegen einer konvektiven Betriebsumgebung,
deren Temperatur nahe –100°C liegt,
lassen sich mit diesen Bauelementen weitaus höhere Wirkungsgrade als mit
herkömmlichen
Batterien erzielen.
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Gemäß einer
anderen vorteilhaften Realisierungsform ist das besagte Verfahren
insofern bemerkenswert, als
- – der besagte
Flugkörper
am Boden kraftschlüssig
mit einem unabhängigen
Transportgerät
verbunden wird;
- – das
besagte Transportgerät
den besagten Flugkörper
ausschließlich
durch Antriebsvorrichtungen des besagten Transportgeräts in eine
große Höhe befördert, die
für seinen
Betrieb vorgesehen ist;
- – das
besagte Transportgerät
den besagten Flugkörper
in der Höhe
und zumindest in der Nähe
der für
den Betrieb vorgesehenen Position freigibt und
- – der
besagte Flugkörper,
falls notwendig, seine endgültige
Positionierung und seine Ausrichtung mit seinen eigenen Antriebsvorrichtungen
bewerkstelligt.
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Vorzugsweise
beinhaltet das besagte Transportgerät mindestens einen Ballon,
der in große
Höhen aufsteigen
kann. Ein solcher Ballon üblicher
Bauart hat eine sehr hohe Nutzlast und kann den Flugkörper somit
problemlos, zu geringen Kosten und mit ausreichender Genauigkeit
an den gewünschten
Ort befördern. Überdies
kann die zum Start verwendete Gondel dieses Ballons geborgen und
erneut verwendet werden. Außerdem
erfolgt der Aufstieg des Ballons langsam genug, damit der Flugkörper keinen
aerodynamischen und/oder mechanischen Überlastungen ausgesetzt wird
(im Gegensatz beispielsweise zu Flugzeugen oder Startraketen).
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Anhand
der Abbildungen in der beiliegenden Zeichnung ist leicht zu erkennen,
wie die Erfindung realisiert werden kann. In diesen Abbildungen
kennzeichnen gleiche Buchstaben und Ziffern gleichartige Elemente.
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1 zeigt die verschiedenen
Phasen einer Positionierung eines erfindungsgemäßen Flugkörpers.
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2 zeigt eine bevorzugte
Anwendung eines erfindungsgemäßen Flugkörpers.
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Der
erfindungsgemäße Flugkörper 1 wird
mit einem speziellen Transportgerät, in diesem Fall einem Ballon 3 üblicher
Bauart, in Position gebracht, indem vier aufeinanderfolgende Phasen
P1 bis P4 durchgeführt
werden, die in 1 von
links nach rechts dargestellt sind. Der Flugkörper 1 wird in der oberen
Atmosphäre,
insbesondere der Stratosphäre, in
einer Höhe
H über
dem Boden S positioniert.
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Der
besagte Flugkörper 1,
beispielsweise ein Luftfahrzeug, beinhaltet erfindungsgemäß lediglich Antriebsvorrichtungen 2,
die es ihm ermöglichen, sich
in der besagten oberen Atmosphäre
zu halten, zu verlagern und auszurichten. Diese Antriebsvorrichtungen
können
beispielsweise ein Plasmatriebwerk 2 beinhalten, welches
für seinen
Betrieb Plasma verwendet, das durch die Umgebungsluft in der besagten
oberen Atmosphäre
gebildet wird. Die besagten Antriebsvorrichtungen können auch
Propellerantriebe sein.
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Wegen
des geringen Luftdrucks in der Stratosphäre oder der oberen Atmosphäre kann
das besagte Plasma ohne einen Hilfsstoff wie etwa Xenon und ohne
daß in
besagtem Flugkörper 1 eine
sperrige, schwere und kostspielige Baugruppe aus Tanks, Leitungen
und Zufuhrventilen montiert zu werden braucht, gebildet werden.
Ein solches Triebwerk 2 genügt zur Erzeugung der Energie,
die für
die Verlagerung und Ausrichtung des Flugkörpers 1 in den vorgesehenen
und nachstehend näher
erläuterten Anwendungen
notwendig ist. Wegen der vorgenannten Eigenschaften ist dieses Triebwerk
2 außerdem sehr
einfach aufgebaut und kann zeitlich unbegrenzt in Betrieb bleiben,
da es ja für
die Plasmaerzeugung keinerlei Hilfsstoffe benötigt.
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Der
erfindungsgemäße Flugkörper 1 beinhaltet
außerdem
beispielsweise einen Solargenerator 5, der mit Solarzellen 6 ausgerüstet ist
und durch die Konvektion der Umgebungsluft gekühlt wird, die in der Stratosphäre vorhanden
ist und im allgemeinen eine Temperatur in der Größenordnung von –100°C hat. Durch
diese Temperatur wird ein höherer
Wirkungsgrad des besagten Solargenerators 5 erzielt.
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Erfindungsgemäß werden
die thermischen Eigenschaften der Materialien, die die Solarzellen 6 tragen
oder ihnen benachbart sind, so dimensioniert, daß sich die günstigste
Betriebstemperatur einstellt. Dieser Solargenerator 5,
bei dem eine Konvektionskühlung
angewendet wird, unterscheidet sich von Generatoren, die derzeit
am Boden oder im Weltraum eingesetzt werden, und ist an die speziellen Umgebungsbedingungen
angepaßt,
die in der Stratosphäre
oder der oberen Atmosphäre
herrschen.
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Außerdem sei
angemerkt, daß
- – die
Architektur der Verbindungen zwischen den Solarzellen 6 (Reihenschaltung,
Parallelschaltung usw.) in Abhängigkeit
von den gewünschten
Wirkungsgraden gewählt
wird, und
- – die
Anordnung dieser Solarzellen 6 auf der Außenfläche des
Flugkörpers 1 in
Abhängigkeit
von der vorgesehenen Ausrichtung des Flugkörpers 1 gewählt wird.
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Überdies
beinhaltet der Flugkörper 1 mindestens
eine Batterie 7, die beispielsweise aus supraleitenden
Bauelementen besteht, die besonders gut auf die in der oberen Atmosphäre herrschenden Temperaturverhältnisse
abgestimmt sind. Es sei angemerkt, daß in der vorgesehenen Betriebshöhe H in einer
konvektiven Betriebsumgebung, deren Temperatur nahe –100°C liegt,
die Aufrechterhaltung der Betriebstemperatur beispielsweise eines
supraleitenden Torus zu einer einstufigen, unkomplizierten und sparsamen
Kältemaschine
führt.
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Somit
werden die bestehenden Einschränkungen
bezüglich
der Energieversorgung mit den vorgenannten Elementen 2, 5 und 7,
die besonders gut auf die in der oberen Atmosphäre herrschenden Betriebsbedingungen
abgestimmt sind, beträchtlich verringert,
wodurch der Flugkörper 1 lediglich
mit Bordmitteln auf Dauer in der oberen Atmosphäre verbleiben und lange Zeit
in Betrieb sein kann.
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Wie
bereits erwähnt,
basiert das vereinfachte Konzept der Antriebsvorrichtungen 2 des
Flugkörpers 1 insbesondere
auf der Verwendung eines speziellen Transportgeräts 3 wie zum Beispiel
eines Ballons oder einer Rakete, mit welcher der besagte Flugkörper 1 in
Position gebracht wird. Da der besagte Flugkörper 1 nicht dafür ausgelegt
zu sein braucht, um vom Boden bis auf die Höhe H zu fliegen, kann er aerodynamisch
für die
vorgesehene Betriebshöhe
H optimiert werden.
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Erfindungsgemäß beinhaltet
die besagte Positionierung
- – eine Phase P1, für die der
Flugkörper
1 am Boden S an einer Gondel 8 des besagten Ballons 3, beispielsweise
eines Stratosphärenballons,
angebracht wird;
- – eine
Phase P2, für
die der besagte Ballon 3, der den Flugkörper 1 in die Atmosphäre emporhebt, gefüllt wird;
- – eine
Phase P3, für
die der besagte Ballon 3 den Flugkörper 1 in der gewünschten
Höhe H
freisetzt; und
- – eine
Phase P4, in welcher der Flugkörper 1,
falls notwendig, seine endgültige
Positionierung und Ausrichtung ausschließlich mittels der besagten Antriebsvorrichtungen 2 bewerkstelligt
und die Gondel 8 des Ballons mittels eines Fallschirms 9 auf
den Boden S zurückkehrt,
wo sie geborgen werden kann.
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Der
erfindungsgemäße Flugkörper 1 kann
in zahlreichen Anwendungsfällen
eingesetzt werden. Insbesondere kann er, wie in 2 dargestellt, verwendet werden, um eine
Relaisfunkstelle 10, in diesem Fall einen als Relais dienenden
Satelliten eines Telekommunikationsnetzes RT, zu welchem mehrere im
Weltall befindliche und/oder erdgebundene Relaisfunkstellen gehören, zu
ersetzen.
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Wie 2 zu entnehmen ist, kann
die besagte Satelliten-Relaisfunkstelle 10 mit Benutzern 11 und 12 des
besagten Telekommunikationsnetzes RT – beispielsweise mit Funkkommunikationsempfängern, Fernsehgeräten oder
tragbaren Telefonen – jeweils über gestrichelt
eingezeichnete Funkverbindungen 13 und 14 kommunizieren.
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Um
die besagte Satelliten-Relaisfunkstelle 10 zu ersetzen,
wird erfindungsgemäß der mit
einer Vorrichtung 15 zum Senden und Empfangen von Funkwellen ausgerüstete Flugkörper 1 auf
eine Höhe und
in eine Position gebracht, die so gewählt sind, daß er im
Verhältnis
zu den besagten Benutzern 11 und 12 in dieselbe
Richtung wie die zu ersetzende Satelliten-Relaisfunkstelle 10 angeordnet
ist, wodurch es möglich
wird, daß die
Ausrichtung der Antennen der besagten Benutzer nicht modifiziert
zu werden brauchen. Wenn die besagte Ersetzung erfolgt ist, kann
die besagte Vorrichtung 15 zum Senden und Empfangen von
Funkwellen wie zuvor mit diesen Benutzern 11 und 12 kommunizieren,
ohne daß eine Änderung
an den Schnittstellen dieser Benutzer 11 und 12 erforderlich
ist, was jeweils durch die Funkverbindungen 16 und 17 veranschaulicht
ist, wobei die besagten Benutzer 11 und 12, wie
durch eine Funkverbindung 18 dargestellt, auch untereinander
kommunizieren können.
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Natürlich kann
die besagte Vorrichtung 15, anstatt direkt mit Benutzerendgeräten zu kommunizieren,
auch mit anderen, hier nicht gezeigten Relaisfunkstellen des Telekommunikationsnetzes
RT kommunizieren. Unabhängig
von der Art der Realisierung wird jedoch erfindungsgemäß dieselbe
Schnittstelle (Frequenz, Protokoll, Leistung,...) zu den vorhandenen
Endbenutzern verwendet.
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Es
sei angemerkt, daß der
mit der Vorrichtung 15 ausgerüstete Flugkörper 1, anstatt eine
Satelliten-Relaisfunkstelle 10 zu
ersetzen, im Rahmen der vorliegenden Erfindung natürlich auch
eine Relaisfunkstelle am Boden ersetzen kann.
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Überdies
gestattet es die Nähe
des Flugkörpers 1 zu
einem (einige zehn Kilometer entfernten) Benutzer auch auf einfache
Weise, mit einer äquivalenten
isotropen Strahlungsleistung zu senden, die mit derjenigen einer
ersetzten Relaisfunkstelle identisch ist.
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Es
sei angemerkt, daß die
zum Erzeugen einer solchen Leistung erforderliche Energie viel geringer
ist als beispielsweise diejenige Energie, die zur Erzeugung derselben Leistung
durch einen in einer geostationären
oder niedrigen Umlaufbahn befindlichen Satelliten nötig ist.
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Ein
solcher Flugkörper 1 ermöglicht es
somit, die Vorteile von erdgebundenen Netzen für die Regionen, die bereits
mit solchen Netzen ausgestattet sind (Vielfalt, Anpassungsfähigkeit,
Flexibilität
u. a.) mit denjenigen von Satelliten für die nicht damit ausgestatteten
Regionen (sofortige Inbetriebnahme ohne bodengestützte Infrastruktur)
zu vereinigen.
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Erfindungsgemäß kann der
mit der Vorrichtung 15 zum Senden und Empfangen von Funkwellen
ausgerüstete
Flugkörper 1 auch
verwendet werden, um ein bereits vorhandenes, hier aber nicht dargestelltes
Telekommunikationsnetz zu erweitern oder um den vollständigen oder
teilweisen Aufbau eines neuen Telekommunikationsnetzes aus mehreren
solcher Flugkörper 1 zu
ermöglichen.