DE2011631A1 - Darstellungsinstrument zur Projektion von Flugzeugdaten - Google Patents

Description

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SINGER-GENERAL PRECISION, INC., New York (New York), V.St.A.

Darstellungsinstrument zur Projektion von Flugzeugdaten

Die Erfindung bezieht sich auf ein Darstellungsinstrument zur Projektion von Flugzeugdaten in die normale Blickrichtung des Piloten.

Ee gibt viele Typen von Instrumenten, die dem Piloten bei der Vornahme von Annäherungen und Landungen bei ungünstigem Vetter helfen, wenn der Flughafen unter Sichtflugregelbedingungen ist. Wenn jedoch gutes Wetter herrscht und Instrumentenlandungseinrichtungen nicht verfügbar sind, ist der Pilot ohne äußere Hilfe und muß sich beim Planen seiner Landeannäherung auf sein eigenes Urteil verlassen. Während dies für Piloten kleinerer Flugzeuge kein ernstliches Problem darstellt, kann es bei größeren Flugzeugen schwierig werden, die in der Landeanflugsteilung nicht

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eigentlich, manövriert werden können, um Korrekturen wegen ungewöhnlicher Abweichungen von der beabsichtigten Flugbahn vorzunehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen.

Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, dem Piloten bei der Planung einer genauen Annäherung durch Projektion beleuchteter Marken ins Unendliche in der Blickrichtung des Piloten und gegen einen Hintergrund der Flughafenrollbahn zu helfen, wobei diese beleuchteten Marken die Flugbahn des Flugzeuges und daher den genauen Punkt auf der Rollbahn, auf dem das Flugzeug aufsetzen wird, den Neigungswinkel des Flugzeuges und einen Geschwindigkeitskontrollwert darstellen, der im Zusammenhang mit dem Flugbahnanzeiger dem Piloten zeigt, ob er zu schnell, zu langsam oder mit der richtigen Annäherungsgeschwindigkeit landet.

Um den von Flugzeugen hervorgerufenen Lärm rings um einige der größeren Stadtflughäfen zu verringern, gibt es in einigen Gegenden Vorschriften, die von großen Flugzeugen verlangen, sich dem Flughafen unter einem Gleitneigungswinkel von nicht weniger als 6 anzunähern. Die Erfindung sieht ein genaues Mittel zur Bestimmung eines solchen Gleitneigungswinkels unter Anordnung einer Skala vor, die in Grade unterteilt ist und in die Blickrichtung des Piloten auf einem durchsichtigen Schirm Ins Unendliche projiziert wird» Die Nullmarke auf der Skala ist durch die Schaltung so angeordnet, daß sie auf den Horizont fixiert bleibt und in Graden dem Winkel ?vi«?chen dem Ho rizont und irgendeinem Objekt anzeige, das vom Piloten

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"durch, den durchsichtigen Schirm hindurch, gesehen wird. So kann der Pilot leicht einen gewünschten Gleitneigungswinkel einstellen, indem er nur sein Flugzeug in die Lage bringt, daß die Flugbahnmarke mit dem gewählten Gleitneigungswinkel, den er durch den Schirm sieht und auch mit dem gewünschten Aufsetzpunkt auf der Landerollbahn übereinstimmt. Zusätzlich zu einem Flugbahnanzeiger wird ein Geschwindigkeitskontrollanzeiger vorgesehen, der dem Piloten anzeigt, ob er sich der Rollbahn mit einer größeren oder geringeren als der empfohlenen Anfluggeschwindigkeit für das besondere Flugzeug nähert. Daher kann der Pilot unter vernünftiger Ausnutzung der Motorkraft— und Klappeneinstellungen eine geeignete Landeannäherung durchführen,, die es ihm bei richtiger Annäherungsgeschwindigkeit ermöglicht, genau am vorgewählten Punkt der Flughafenrollbahn aufzusetzen.

Gegenstand der Erfindung ist ein Darstellungsinstrument zur Projektion von Flugzeugdaten in die normale Blickrichtung des Piloten, gekennzeichnet durch ein durchsichtiges Kombinationsglas mit einer Oberfläche zur Reflexion von in die Blickrichtung des Piloten projizierten Bildernj

ein erstes bewegliches Fadennetz;

erste Mittel, die auf Ausgangssignale von einem Anströmwinkelsensor und einem Neigungswinkelsensor zwecks Bewegung des ersten Fadennetzes entsprechend dem Flugbahnwinkel gegenüber dem Horizont ansprechen;

ein zweites bewegliches Fadennetz;

zweite Mittel, die auf Ausgangssignale von einem

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Anströmwinkelsensor zwecks Bewegung des zweiten Fadennetzes entsprechend dem Flugbahnwinkel zur Flugzeugdatumlinie ansprechen;

ein drittes Fadennetz, das bezüglich des Darstellungsinstruments feststeht und ein Geschwindigkeitskontrollfadennetz umfaßt} und

optische Mittel zur gleichzeitigen Projektion des ersten, des zweiten und des dritten Fadennetzes unter Fokussierung im Unendlichen auf die Oberfläche des Kombinationsglases.

Es ist also ein optisches Darstellungsinstrument vorgesehen, das Signale von den Flugzeugsensoren aufnimmt, die den Neigungswinkel und den Anströmwinkel darstellen. Diese Signale treiben Hilfseinrichtungen an, die ein Paar von rückwärtsbeleuchteten Fadennetzen in Stellung bringen, die zusammen mit einem feststehenden Fadennetz in der Hauptfokusebene eines optischen Systems angeordnet sind, das die Fadennetzbilder auf ein durchsichtiges Kombinationsglas oder einen solchen Schirm projiziert, das bzw. der in der Blickrichtung des Piloten angebracht ist. Da diese in die Blickrichtung des Piloten projizierten Bilder im Unendlichen fokussiert sind, beobachtet der Pilot, ohne sein Auge umfokussieren zu müssen, die Bilder, als wenn sie auf die Erde oder den Himmelhintergrund projiziert würden. Eines der hilfsangetriebenen Fadennetze ist ein Zeigerstab, der unter Ansprechen auf ein Anströmwinkeleingangssignal dem Piloten die Flugbahn des Flugzeuges anzeigt. Ein zweites hilfsangetriebenes Fadennetz, das zusammen mit dem Zeigeratab projiziert wird, stellt eine

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Skala dar, die in Grade unterteilt ist, wobei die Nullgradmarke stets am Horizont erscheint, so daß der Pilot den tatsächlichen Gleitneigungswinkel des Plugzeugs beobachten kann. Ein drittes Fadennetz, das bezüglich des Gehäuses des Darstellungsinstruments feststeht, projiziert eine Marke, die die Longitudinalachsen- oder Datumlinie des Flugzeuges anzeigt, und umfaßt auch Fadennetze, die die Überziehungsgeschwindigkeit des bestimmten Flugzeuges und die geeignete Anfluggeschwindigkeit für das bestimmte Flugzeug anzeigen·

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert; darin zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm zur Erläuterung der Flugzeugneigung, der Gleitbahn und des Anströmwinkels;

Fig. 2 ein schematisches Diagramm des Flugbahndarstellungsinstruments }

Fig. 3 eine Darstellung eines AusfUhrungsbeispiels, bei dem die Fadennetze auf drei Bänder gedruckt sind; und

Fig. h eine Erläuterung, wie das Flugbahn- und Geschwindlgkeits-Kontrolllnstrument dem Piloten während fünf Stadien einer Landeannäherung Informationen gibt.

Fig. 1 soll zu einem besseren Verständnis der Er-

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rindung verhelfen und zeigt ein Flugzeug während des Sinkens. Die Flugzeugmittellinie, die in der Figur als Datumlinie bezeichnet ist, läßt erkennen, daß das Flugzeug gegenüber dem Horizont um einen Winkel P geneigt ist. Dieser Winkel ist identisch mit dem durch das Künstlichhorizontinstrument auf der Instrumententafel des Piloten dargestellten Winkel.

Das in Fig. 1 abgebildete Flugzeug arbeitet mit verringerter Motorleistung, die Flugbahn des Flugzeuges bildet nämlich einen relativ großen Winkel Ot v\xr Flugzeugdatumlinie. Dieser Flugbahnwinkel OC ist der sog. Anströmwinkel des Flugzeuges, der als der Winkel zwischen der Flugzeugdatumlinie und relativem Wind, d. h. Flugbahn definiert werden kann. Eine Anströmwinkelinformation ist von einer Anzahl handelsüblicher Typen von Sensoren verfügbar, die zur Erzeugung elektrischer Signale proportional dem Anströmwinkel des Flugzeugs konstruiert sind. Solche Sensoren werden von Firmen wie Lear Siegler, United Controls usw. hergestellt.

Wie die Figur zeigt, ist der Gleitneigungswinkel J die algebraische Summe des Anströmwinkels OC und des Flugzeugneigungswinkels P. Der Gleitneigungswinkel jt ist also der Winkel, den die Flugzeugflugbahn zum Horizont bildet, wie Fig. 1 zeigt.

Fig. 2 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm des Flugbahn- und Geschwindigkeitskontrolldarstellungsinetrumente. Das Instrument nimrat Eingangssignalβ auf, die den Anströmwinkel Of und den Neigungswinkel P darstellen, und projiziert in die Blickrichtung des Piloten Fadennetzbilder, die den Grleltneigungswirikel £ , den Anströmwinkel O

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sowie Flugzeugdatumlinien- und Geschwindigkeitskontrollmarken darstellen. Das Darstellungsinstrument gemäß Fig. umfaßt einen durchsichtigen Schirm oder ein Kombinationsglas TO, der bzw. das mit einem dünnen optischen Überzug versehen ist, auf welchen das Bild der Fadennetze im Darstellungsinstrument projiziert werden kann. Die Fadennetze sind auf Bänder 12, 1A und 16 gedruckt,, die sich in der Hauptfakusebene einer Kollimatorlinse 18 befinden. Eine Projektionslampe 20 ist hinter den Bändern T2, 14 und i6 angeordnet, so daß die erleuchteten Fadennetze auf diesen Bändern durch die Kollimatorlinse 18 auf das Kombinationsglas IO projiziert werden.

Um zu verhindern, daß Sonnenlicht in das Instrument eindringt und auf dem Fadennetzband fokussiert wird, kann man auf eine Oberfläche eines Deckglases 21 ein optisches Engband-Kerbfilter anbringen, welches Glas 21 im optischen Weg zum Schutz des Spiegels 19 und der Kollimatorlinse 18 vor Staub und Beschädigung montiert werden sollte. Das Kerbfilter auf dem Glas 21 sollte zur Spitzenlichtwellenlänge passen, die von der Lampe 20 ausgeht, so daß die Fadennetzbilder ausreichend hell sind, während nur sehr wenig Störlicht in das Instrument eindringen kann.

Das Band 12 enthält das Flugbahnfadennetz und muß daher entsprechend den Änderungen im Anströmwinkel OCbewegt werden, der durch Flugzeugsensoren erfaßt wird. Das Band 12 ist daher auf eine Aufnehmerrolle 22 gewickelt, die durch einen Servomotor 2k angetrieben wird, der durch das Anströmwinkeleingangssignal gesteuert wird, das im Verstärker Z6 verstärkt wird. In ähnlicher Weise wird das Band 16, das das den Gleitneigungswinkel in Graden über oder unter dem Horizont darstellende Fadennetz: ent-

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hält, durch die Rolle 28 bewegt, die durch den Motor 30 gesteuert wird, der seinerseits auf den "Verstärker 32 anspricht. Es ist festzustellen, daß der Verstärker 32 Eingangssignale empfängt, die sowohl Anström- als auch Gleitneigungswinkel darstellen. Diese beiden Werte sind von den Flugzeugsensoren erhältlich und müssen im Verstärker 32 kombiniert werden, da, wie Fig. 1 zeigt, der Gleitneigungswinkel )C* die Summe des Flugzeugneigungswinkels P und des Anströmwinkels OC ist.

Das Band 14 enthält drei Fadennetze, die die Datumlinie des Flugzeugs, eine Geschwindigkeitskontrolle und den Überziehungspunkt darstellen. Vie schon erwähnt, ist die Datumlinie die Verlängerung der Längsachse des Flugzeugs, und das diesbezügliche Fadennetz, das durch ein Dreieck 34, wie es in Fig. 3 auf Band 14 dargestellt ist, Wiedergegebenwerden kann, ist stets bezüglich des Flugzeugs stationär. Dementsprechend ist das Band lh ein feststehendes Band und kann direkt am Gehäuse des Instruments entsprechend Fig. 2 befestigt werden. Die Stellung des Überziehungsfadennetzes 36 und des Geschwindigkeitskontrollfadennetzes 38 auf dem Band 14 hängt von den besonderen Eigenschaften des Flugzeugs ab. Das Überziehungsfadennetz 36 muß unter dem Datumlinienfadennetz Jk um einen Betrag angeordnet werden, der den Anströmwinkel darstellt, unter dem das bestimmte Flugzeug überziehen wird. Da man allgemein annimmt, daß die geeignete Annäherung»- oder Anfluggeschwindigkeit eines Flugzeugs 1,3mal die Überziehungsgeschwindigkeit ist, befindet sich das Geschwindigkeitskontrollfadennetz 38 um einen dementsprechenden Betrag über dem Überziehungsfadennetz 36. Die angenäherten relativen Stellungen dee Überziehungsfadennetzes 36 und dee Geschwlndigkeltskontrollfadennetzes 38 bezüglich des

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Datumlinienfadennetzes 34 sind auf dem Band 14 in Fig. gezeigt. Ebenfalls in Fig. 3 dargestellt ist das Flugbahnfadennetz, das auf dem Band 12 erscheint. Das Flugbahnfadennetz 4O ist ein durchsichtiger Kreuzstab, der auf" ein Band gedruckt ist,' das mit Ausnahme eines Mittellängsabschnitts 42 völlig undurchsichtig ist, der vorgesehen ist, um die Projektion der Fadennetze auf den Bändern und Λ6 zu ermöglichen. Das Band 14 enthält ein durchsich- · tiges Datumlinienfadennetz 34, ein Überziehungsfadennetz 36 und ein Geschwindigkeitskontrollfadennetz 38, die auf einen" undurchsichtigen Streifen 44 des Bandes 14 gedruckt g sind. Da% Märfd 16 enthält das durchsichtige Fadennetz einer Skala, die den Gleitneigungswinkel in Graden über oder unter dein' Horizont darstelli;. Dieses durchsichtige Fadennetz ist auf einen undurchsichtigen Streifen 48 gedruckt. Vie Fig. 3 zeigt, sind die Breiten der undurchsichtigen Streifen 44 und 48 so, daß sie die Breite des durchsichtigen Abschnitts 42 des Bandes 12 ausfüllen. Wenn daher die Bänder 12, 14 und 16 übereinanderliegend wie Fig. 2 zeigt, werden nur die jeweiligen Fadennetze auf jedem Band durch die Kollimatorlinse 18 auf das Kombinatiöneglas 10 in der Blickrichtung .des Piloten projiziert.

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Die Erfindung arbeitet folgendermaßen! In Fig. 4 ist abgebildet, um den Betrieb der Flugbahn- und Geschwin digkeitskontrolldarsteliung in verschiedenen Lagen des Flugzeuges»während es bei Landungsannäherung fliegt, und auch die Landekonstellation zu zeigen. In Fig. 4a ist das Flugzeug 50 beim Horizontalflug gezeigt« In einer solchen Lage ergibt das Pilotenblickfeld durch das Kombinationsglas 10, wie es in der Skizze unter dem Flugzeug dargestellt ist, daß das Bild des Flugzeugdatumlinien-

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fadennetzes 3k annähernd i/2 Grad über dem Horizont 52 eingestellt ist. Der Kreuzstab des Flugbahnfadennetzes 40 wird auf den Horizont 52 projiziert und zeigt, daß sich das Flugzeug 50 im Horizontalflug befindet. Man sieht durch das Kombinationsglas 10 eine Flughafenrollbahn 5k _f wie sie nahe dem Horizont und in einem annehmbaren Abstand erscheint.

In Fig. kh hat der Pilot eine Annäherung zur Landung auf der Rollbahn 5k begonnen und das Flugzeug 50 verfe langsamt, wobei eine gerade und ebene Fluglage beibehalten wird. Unter dem Flugzeug 50 in Fig. kh ist das Kombinationsglas 10 gezeigt, durch welches der Pilot den Horizont 52 und die Flugzeugdatumlinxenmarke Jk noch etwa 1/2 Grad über dem Horizont 52 sieht. Durch Verlangsamung des Flugzeuges hat der Pilot den Anströmwinkel vergrößert, so daß sich das Flugzeug 50 neigt. Dieser Winkel ist durch die Stellung der Kreuzstäbe der Flugbahnmarke k0 nahe der Schwelle des Flughafens 5k gezeigt. Wenn der Pilot fortfährt, das Flugzeug so zu steuern, daß die Flugbahnmarke k0 an diesem Schwellenpunkt bleibt, wird das Flugzeug an diesem Punkt der Rollbahn den Bodenberiihren.

" In Flg. 4c ist die Datumlinie des Flugzeuges 50

unterhalb des Horizonts dargestellt, und das Flugzeug ist geneigte Wie vom Piloten durch das Kombinationsglas 10 zu sehen ist, zeigt die Flugzeugdatumlinie 3k einen Neigungswinkel von etwa 1 1/2 unter dem Horizont. Die Kreuzstäbe der Flugbahnmarke k0 erscheinen dem Piloten noch als auf die Schwelle der Rollbahn 5k projiziert. Der Gleitneigungswinkel fr zeigt, daß die Flugbahn auf angenähert 6 1/2 unter dem Horizont 52 gerichtet ist, und wenn der Pilot den genauen Anströmwinkel CC zu wissen

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wünscht, ist es nur nötig, den Wert des Winkels P -von diesem Flugbahnwinkel ft zu subtrahieren. Wenn der Anströmwinkel steigt, nähert sich der Kreuzstab der Flugbahnmarke 40 der Geschwindigkeitskontrollmarke 38. Der Mittelrhombus dieser Geschwindigkeitskontrollmarke ist so gelegt, daß er die 1,3fache Geschwindigkeit der Überziehgeschwindigkeit des Flugzeugs darstellt, und im allgemeinen wird dieser Wert als Optimum-Anflugsgeschwindigkeit angesehen. In Fig. 4c hat die Flugbahnmarke 4o die Geschwindigkeitskontrollmarke 38 noch nicht etrreicjit, und das Flugzeug 50 nähert sich schneller als mit die-: ser allgemein anerkannten Anflugsgeschwindigkeit.

In Fig. 4d kreuzt das Flugzeug 50 die Rollbahnschwelle und verlangsamt sich. Der Pilot, der das Kombinationsglas 10 ansieht, erkennt, daß die Nase des Flugzeugs um 4 1/2 über dem Horizont 52 ist, wie die Datum-, linienmarke Jk zeigt. Das Flugzeug nähert sich der Rollbahn 54 unter einem Winkel von angenähert 2 i/2 , wie durch das Flugbahnfadennetz 40 angezeigt wird, und die Flugbahnmarke ist auf den Mittelrhombus der Geschwindigkeit skon tr ollmarke 38 zentriert und zeigt dem Piloten, daß er auf der empfohlenen Anflugsgeschwindigkeit, d. h. der 1,3fachen Überziehgeschwindigkeit ist.

In Fig« 4e nähert sich das Flugzeug 50 einer vollen Überziehlandung auf der Rollbahn 54. Das Kombinationsglas 10 in der Blickrichtung des Piloten zeigt, daß das Flugzeug mit der Spitze um einen Betrag nach oben gerichtet ist, der durch die Datummarke 34 angezeigt wird. Die Flugbahnmarke 40. ist nur etwas unter dem Horizont 52 und zeigt, daß praktisch keine Vertikalkomponente des Flugbahnwinkels mehr vorliegt. Das Flugzeug verzögert sich,

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und der Anströmwinkel wird größer, wie durch die wachsende Entfernung zwischen der Datumlinienmarke 3k und der Flugbahnmarke 40 veranschaulicht wird. Die Flugbahnmarke 4o ist auf der langsamen Seite der Geschwindigkeitskontrollmarke 38 gezeigt, und der Pilot kann erwarten, daß das Flugzeug überzieht, wenn die Flugbahnmarke kO mit der Überziehmarke 36 übereinstimmt» Wenn die Flugbahnmarke kO mit dem Horizont in dem Augenblick übereinstimmt» wo das Flugzeug auf der Rollbahn aufsetzt, ist es klar, daß sich so eine sehr weiche Landung ohne Gefahr eines Aufpralls ergibt.

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Claims (5)

1. Patentansprüche

   Γ 1.JDarstellungsinstrument zur Projektion von Flugzeugdaten in die normale Blickrichtung des Piloten, gekennzeichnet durch

   ein durchsichtiges Kombinat!onsglas (1O) mit einer Oberfläche zur Reflexion von in die Blickrichtung des Piloten pro jizierten Bildern;

   ein erstes bewegliches Fadennetz (4-6) ; . - " - \

   erste Mittel (28, 30, 32), die auf Ausgangssignale von einem Anströmwinkelsensor und einem Neigungswinkelsensor zwecks Bewegung des ersten Fadennetzes entsprechend dem Flugbahnwinkel (Ϋ ) gegenüber dem Horizont (52) entsprechen;

   ein zweites bewegliches Fadennetz {ko);

   zweite Mittel (22, 2k, 26), die auf Ausgangssignale von einem Anströmwinkelsensor zwecks Bewegung des zweiten Fadennetzes entsprechend dem Flugbahnwinkel ( OC ) zur Flug- g zeugdatumlinie ansprechen; ,^v

   ein drittes Fadennetz (34, 36, 38), das bezüglich des Daretellungsinstruments feststeht und ein Gesohwindlgkeitekontrollfadennetz (38) umfaßt; und

   optische Mittel (20, 18, 19) zur gleichzeitigen Projektion des ersten, dee zweiten und des dritten Fadennetz·· unter Fokussierung im Unendlichen auf die Oberfläch· d·· Kombinationeglases.

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2. 2. Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Fadennetz (46) eine transparente Skala umfaßt, die in Graden des Flugbahnwinkels ( )f ) kalibriert ist.
3. 3· Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Mittel eine Kollimatorlinse (i8) im optischen Weg zwischen den Fadennetzen (34, 36, 38, 40, 46) und dem Kombinationsglas (1O) umfassen, wobei das erste (46), das zweite (4θ) und das dritte Fadennetz (34, 36, 38) im wesentlichen in der Ebene der Hauptfokussierung der .Kollimatorlinse angeordnet sind.
4. 4. Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Fadennetz (34, 36, 38) ein transparentes Fadennetz (34) umfaßt, das die Datumlinie des Flugzeugs (50) darstellt.
5. 5. Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste, das zweite und das dritte Fadennetz (34, 36, 38, 40, 46) durchsichtige Fadennetze auf einem ersten, einem zweiten und einem dritten undurchsichtigen Band (12, 16, 14) sind, die relativ zueinander beweglich sind.

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