DE102006045686B3

DE102006045686B3 - Unbemanntes Unterwasserfahrzeug

Info

Publication number: DE102006045686B3
Application number: DE102006045686A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr. Hoffmann
Original assignee: Atlas Elektronik GmbH
Current assignee: Atlas Elektronik GmbH
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2026-09-28
Also published as: WO2008037349A1

Abstract

Bei einem unbemannten Unterwasserfahrzeug mit einem Fahrzeugkörper (11), mit mindestens einem elektromotorischen Schraubenantrieb (13), der aus einem Akkumulator (14) gespeist ist, mit zum Ab- und Auftauchen steuerbaren Seitenflossen (19) und mit mindestens einem Sonar, das eine am Fahrzeugkörper (11) angebaute elektroakustische Antenne (23, 41) aufweist, ist zur Vergrößerung der Missionsreichweite des von einer Plattform abgesetzt als vorgeschobener Sonarträger arbeitenden Unterwasserfahrzeugs ein Stromaggregat mit einem von einem Verbrennungsmotor antreibbaren, elektrischen Generator an den Fahrzeugkörper (11) angesetzt. Das Stromaggregat ist in einem vom Fahrzeugkörper (11) huckepack aufgenommenen Gehäuse (12) integriert und aus dem Gehäuse (12) auf der vom Fahrzeugkörper (11) abgekehrten Oberseite ein als Schnorchel ausgebildetes Abgasrohr (30) des Verbrennungsmotors und eine Sendeantenne (35) einer Funkvorrichtung (33) herausgeführt (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft ein unbemanntes Unterwasserfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Von schwimmenden Plattformen, wie Oberflächenschiffen oder U-Booten, erfolgt eine Detektion und Ortung von beweglichen oder stationären Unterwasserobjekten durch Einsatz von plattformgestützten Sonaren, wobei mit einem tieffrequenten Sonar große Detektions- und Ortungsreichweiten und mit einem hochfrequenten Sonar eine hohe Objektauflösung zur Klassifizierung des georteten Objekts erzielt werden. Wegen des relativ hohen Eigenstörpegels der Plattform ist jedoch die akustisch mögliche Reichweite der Sonare beschränkt. Bei Einsatz von aktiv ortenden Sonaren besteht zudem die Gefahr des Eigenverrats.
Es ist bereits bekannt, zur Verbesserung der Detektion und Ortung durch Reduzierung des Eigenstörpegels von der Plattform räumlich abgesetzte Sonare zu verwenden, die von einem unbemannten Unterwasserfahrzeug getragen werden. Das Unterwasserfahrzeug wird von der Plattform aus ferngesteuert, und klärt mittels der Sonare das Seegebiet in einem größeren Abstand von der Plattform auf. Die aus dem Seegebiet gewonnen Sonardaten werden an die Plattform übermittelt und dort zur taktischen Lageaufbereitung herangezogen.
Ein solches bekanntes, fernlenkbares Aufklärungsfahrzeug, das in Verbindung mit einem U-Boot eingesetzt wird ( DE 44 40 150 A1 ) hat einen torpedoähnlichen Aufbau mit allen für die Unterwasserfahrt nötigen Elementen, wie elektromotorischer Schraubentrieb, Ruder und dgl., und ist über einen Lichtwellenleiter mit dem U-Boot verbunden. Auf der steuerbord- und backbordseitigen Außenfläche des Aufklärungsfahrzeugs sind lineare Seitenantennen für tiefe Frequenzen und am Bug des Aufklärungsfahrzeugs ist eine Bugantenne für hohe Frequenzen angeordnet. Die mittels dieser elektroakustischen Antennen aus dem Seegebiet gewonnenen Sonardaten werden über den Lichtwellenleiter an das U-Boot übertragen.
Ein bekanntes Unterwasserfahrzeug ( DE 10 2005 006 430 B4 ) weist einen hohlen Druckkörper, ein Antriebsaggregat mit vier elektrischen Propeller- oder Schraubenantrieben, von denen jeweils zwei übereinander auf der Backbord- und Steuerbordseite des Druckkörpers angeordnet sind, sowie je zwei vertikal und zwei horizontal ausgerichtete Stabilisierungsflossen auf. Die Propellerantriebe sind in Antriebsrohren aufgenommen, die am Druckkörper angeflanscht sind und stehen mit ihrem Propeller am heckseitigen Ende der Antriebsrohre vor. Das Unterwasserfahrzeug ist mit verschiedenen Komponenten zur Durchführung von verschiedenartigen Missionen zwecks Aufklärung des Seegebiets ausgestattet. So ist unterseitig am Bug des Druckkörpers ein Nahbereichssonar angeordnet, in das bugseitige Ende eines backbordseitigen Antriebsrohrs eine Beleuchtungsvorrichtung eingesetzt und in das bugseitige Ende eines weiteren steuerbordseitigen Antriebsrohrs eine TV-Kamera integriert. Außerdem ist am Druckkörper backbord- und steuerbordseitig je eine Seitensichtantenne befestigt. Das Unterwasserfahrzeug verfügt über eine Navigationseinrichtung, die eine autonome Unterwasserfahrt längs einer vorprogrammierten Wegstrecke ermöglicht. Die Antriebsenergie für die elektrischen Propellerantriebe werden von einem Akkumulator zur Verfügung gestellt.
Ein bekanntes Unterwasserfahrzeug ( DE 10 2004 062 126 A1 ) mit ebenfalls vier elektrischen Propellern wird von einer Plattform aus über ein Datenübertragungskabel, z.B. ein Glasfaserkabel, ferngesteuert. Das Datenübertragungskabel ist als Kabelwickel in der gefluteten Heckkammer des Unterwasserfahrzeugs aufgenommen und wird bei Fahrt des Unterwasserfahrzeugs sukzessive abgespult.
Aufgrund der begrenzten Energiespeicherung der die elektrischen Schraubenantriebe speisenden Akkumulatoren haben die als Aufklärungsfahrzeuge eingesetzten Unterwasserfahrzeuge nur eine begrenzte Reichweite, die zudem wegen der Notwendigkeit des Wiedereinholens des Unterwasserfahrzeugs halbiert wird. Nach dem Einholen muss außerdem bei ferngesteuerten Unterwasserfahrzeugen der Lichtwellenleiter bzw. das Datenübertragungskabel gekappt und neue Lichtwellenleiterspulen bzw. Datenübertragungskabel müssen in U-Boot bzw. Plattform und Unterwasserfahrzeug eingesetzt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein als abgesetzter Sonarträger eingesetztes, unbemanntes Unterwasserfahrzeug der eingangs genannten Art so umzugestalten, dass seine Missionsreichweite deutlich gesteigert ist.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Unterwasserfahrzeug hat den Vorteil, dass bei Fahrt in Schnorcheltiefe längs der Wasseroberfläche der den elektrischen Schraubenantrieb speisende Akkumulator durch das Stromaggregat permanent geladen wird, das Unterwasserfahrzeug also eine längere Fahrstrecke mit deutlich höherer Geschwindigkeit halbgetaucht unter der Wasseroberflächen zurückzulegen vermag, um in sein Einsatzgebiet zu gelangen. Dort kann das Unterwasserfahrzeug mit dem Maximum an gespeicherter elektrischer Energie tauchen und in verschiedenen Tauchtiefen Sonardaten aufnehmen. Ein Abzug von gespeicherter Energie aus dem Akkumulator erfolgt ausschließlich bei dem Tauch- und Wiederauftauchvorgang des Unterwasserfahrzeugs, nicht aber während der Fahrt in das Aufklärungsgebiet. Nach Auftauchen wird der Akkumulator durch das Wiedereinschalten des Stromaggregats geladen. Trotz wesentlich größerer Missionsreichweite, die ausschließlich durch den Vorrat an mitgeführtem Kraftstoff begrenzt ist, kann der Akkumulator mit deutlich kleinerer Ladekapazität ausgestattet werden, was zu einer deutlichen Volumen- und Gewichtsverkleinerung führt und damit einen Teil des zusätzlichen Gewichtes des Stromaggregats kompensiert.
Zweckmäßige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Unterwasserfahrzeugs mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besitzt das Unterwasserfahrzeug eine autonom führende Navigationseinrichtung und eine Vorrichtung zur Funkübertragung der im Seegebiet aufgefassten Aufklärungsdaten, die mittels des mindestens einen Sonars gewonnen werden. Durch die autonom führende Navigationseinrichtung entfällt eine die Reichweite des Unterwasserfahrzeugs einschränkende mechanische Verbindung zur Plattform, wie ein abspulbarer Lichtwellenleiter für die Fernlenkung. Die Übertragung der Sonardaten per Funk erfolgt während der Fahrt in Schnorcheltiefe unterhalb der Wasseroberfläche. Der Wegfall des Verbrauchsgegenstands, wie ihn der nach jeder Missionsfahrt des bekannten Unterwasserfahrzeugs zu ersetzende Lichtwellenleiter darstellt, kompensiert zumindest teilweise die für das Stromaggregat anfallenden Zusatzkosten.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Stromaggregat in einem an den Fahrzeugkörper anbaubaren Gehäuse aufgenommen, wobei vorzugsweise der Fahrzeugkörper das Gehäuse huckepack trägt. Das Abgasrohr ist aus dem Gehäuse herausgeführt, wobei die Herausführung auf der vom Fahrzeugkörper abgekehrten Oberseite des Gehäuses vorgenommen ist. Dies hat den Vorteil, dass jedes autonom agierende, unbemannte Unterwasserfahrzeug mit einem Stromaggregat nachgerüstet werden kann, ohne dass in den Fahrzeugkörper eingegriffen werden muss. Durch einfaches Aufsetzen des Gehäuses, das Stromaggregat sowie Funksender und Sendeantenne der Funkvorrichtung enthält, wird das baulich unveränderte Unterwasserfahrzeug in seiner Funktionalität hochgerüstet. Für den Hersteller bringt dies den Vorteil, auf Serienfahrzeuge zurückgreifen zu können, um das erfindungsgemäße unbemannte Aufklärungs-Unterwasserfahrzeug zu realisieren.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist von der Funkvorrichtung zur Übertragung der Aufklärungsdaten an die Plattform der Funksender und die Sendeantenne ebenfalls im Gehäuse integriert, wobei die Sendeantenne auf der vom Fahrzeug abgekehrten Oberseite des Gehäuse so herausgeführt ist, dass sie bei Fahrt des Unterwasserfahrzeugs in Schnorcheltiefe über die Wasseroberfläche emporragt.
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung illustrierten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es zeigen jeweils in schematisierter Darstellung:
1 eine perspektivische Draufsicht eines Unterwasserfahrzeugs in Explosionsdarstellung,
2 ein Blockschaltbild der im Unterwasserfahrzeug vorhandenen Aggregate und Bauelemente.
Das in 1 in perspektivischer Draufsicht in Explosionsdarstellung zu sehende, unbemannte Unterwasserfahrzeug weist einen Fahrzeugkörper 11 und ein vom Fahrzeugkörper 11 huckepack getragenes Gehäuse 12 auf. Das Gehäuse 12 ist als Nachrüst- oder Zusatzmodul konzipiert, so dass das Unterwasserfahrzeug sowohl mit als auch ohne Gehäuse 12 eingesetzt werden kann. Nach Aufsetzen auf den Fahrzeugkörper 11 wird das Gehäuse 12 mechanisch fest mit den Fahrzeugkörper 11 verbunden.
Wie aus dem Blockschaltbild in 2 hervorgeht, sind im Fahrzeugkörper 11 zwei elektromotorische Schraubenantriebe 13 installiert, die aus einem Akkumulator 14, im folgenden kurz Akku 14 genannt, gespeist werden. Jeder elektromotorische Schraubenantrieb 13 umfasst einen am Heck steuerbord- bzw. backbordseitig angeordneten Propeller 15 und einen den Propeller 15 antreibenden Elektromotor 16, der jeweils an den Akku 14 angeschlossen ist. Das Ein- und Ausschalten der Elektromotoren 16 erfolgt über eine zentrale Steuereinheit 17. Am Heck des Fahrzeugkörpers 11 sind Stabilisierungsflossen 18 angeordnet. Seitlich am Fahrzeugkörper 11 stehen Seitenruder oder Seitenflossen 19 ab, die mittels ebenfalls aus dem Akku 14 gespeister elektrischer Stellmotoren 20 so verstellbar sind, dass das Unterwasserfahrzeug zu größeren Tiefen abtauchen oder aus größeren Tiefen bis zur Wasseroberfläche auftauchen kann. In 1 ist lediglich die backbordseitige Seitenflosse 19 zu sehen. Die Stellmotoren 20 werden ebenfalls von der zentralen Steuereinheit 17 gesteuert.
Das autonom agierende Unterwasserfahrzeug wird von einer Navigationseinrichtung 21 geführt, von der aus über die zentrale Steuereinheit 17 entsprechende Steuerbefehle an die Elektromotoren 16 der Schraubenantriebe 13 und an die Stellmotore 20 der Seitenflossen 19 gelangen. Durch unterschiedliches Ansteuern der Schraubenantriebe 13 und Seitenflossen 19 wird das Unterwasserfahrzeug in Horizontal- und Vertikalebenen gelenkt.
Im Fahrzeugkörper 11 ist üblicherweise ein tieffrequentes Seitensichtsonar mit je einer auf Backbord und Steuerbord des Unterwasserfahrzeugs angeordneten, linearen Seitenantenne, auch Flank Array genannt, (hier nicht dargestellt) und ein hochfrequentes Bugsonar 22 mit einer am Bug angeordneten und von einem akustischen Fenster abgedeckten Bugantenne 23 installiert. Während das niederfrequente Seitensichtsonar zur Detektion und Ortung von schallabstrahlenden Objekten im Seegebiet dient, ist mit dem hochauflösenden, niederfrequenten Bugsonar 22 eine Klassifikation der detektierten Objekte möglich. Die Antenne 23 des Bugsonars 22 weist ebenso wie die Seitenantennen des Seitensichtsonars in bekannter Weise jeweils eine Wandleranordnung aus einer Vielzahl von elektroakustischen Wandlern 24 auf, die in 2 schematisch angedeutet sind. Die von den Wandlern 24 empfangenen Schallwellen werden in elektrische Signale umgewandelt und in einer dem Bugsonar 22 bzw. Seitensichtsonar 40 nachgeschalteten Signalverarbeitung in Sonardaten umgesetzt, die nach Aufbereitung in einer Auswertevorrichtung 25 Aufschluss über im Seegebiet vorhandene stationäre oder bewegliche, schallabstrahlende Objekte geben und als Aufklärungsdaten in einem Speicher 26 abgelegt werden.
Im Gehäuse 12 ist ein Stromaggregat 27, bestehend aus einem Verbrennungsmotor 28, z.B. Dieselmotor, und einem elektrischen Generator 29, der von dem Verbrennungsmotor 28 angetrieben wird, angeordnet. Der Verbrennungsmotor 28 besitzt ein als Schnorchel ausgeführtes Abgasrohr 30. Die elektrischen Ausgangsklemmen des Generators 29 sind über ein elektrisches Steckteil 31 zwischen Fahrzeugkörper 11 und Gehäuse 12 an Eingangsklemmen des Akkus 14 angeschlossen. Im Gehäuse 12 ist weiterhin eine Funkvorrichtung 33 zur Funkübertragung der Aufklärungsdaten zu einer Auswertezentrale angeordnet. Für den Datenempfang verfügt die auf einer Plattform, z.B. einem Oberflächenschiff, einem Hubschrauber oder einer Landstation, installierte Auswertezentrale über einen Funkempfänger. Die Funkvorrichtung 33 umfasst einen mit dem Speicher 26 im Fahrzeugkörper 11 verbindbaren Funksender 34 und eine elektromagnetische Sendeantenne 35, die – wie das Abgasrohr 30 des Verbrennungsmotors 28 – auf der vom Fahrzeugkörper 11 abgekehrten Oberseite des Gehäuses 12 aus dem Gehäuse 12 soweit herausgeführt ist, dass bei Fahrt des Unterwasserfahrzeugs in Schnorcheltiefe unterhalb der Wasseroberfläche die Sendeantenne 35 über die Wasseroberfläche vorsteht. Die elektrische Verbindung des Funksenders 34 mit dem Speicher 26 erfolgt beim Aufsetzen des Gehäuses 12 auf den Fahrzeugkörper 11 über ein Steckteil 32 zwischen Fahrzeugkörper 11 und Gehäuse 12. Das Starten des Verbrennungsmotors 28 und das Abschalten des Verbrennungsmotors 28 sowie die Aktivierung und Deaktivierung des Funksenders 34 erfolgt mittels eines im Gehäuse 12 angeordneten, elektronischen Steuerteils 36, das über ein drittes Steckteil 37 mit der zentralen Steuereinheit 17 im Fahrzeugkörper 11 kommuniziert. Die drei Steckteile 31, 32 und 37 mit jeweils einer im Fahrzeugkörper 11 und einer im Gehäuse 12 angeordneten Steckkomponente sind zu einer wasserdichten Steckverbindung 38 zusammengefasst, die beim Aufsetzen und Verriegeln des Gehäuses 12 auf der Oberseite des Fahrzeugkörpers 11 selbsttätig hergestellt wird.
Der Einsatz des vorstehend beschriebenen Unterwasserfahrzeugs als vorgeschobenes, sonartragendes Aufklärungsfahrzeug in einem Seegebiet erfolgt in der Weise, dass das Unterwasserfahrzeug von einer Plattform, z.B. von einem Oberflächenschiff, ausgesetzt und die Navigationseinrichtung 21 zum autonomen Führen des Unterwasserfahrzeugs aktiviert wird. Bei laufendem Verbrennungsmotor 28 legt das Unterwasserfahrzeug im sog. „halbgetauchten Betrieb" eine größere Fahrstrecke bis zu einem vorgewählten Seegebiet, das in größerer Distanz vor der Plattform aufgeklärt werden soll, zurück. Im „halbgetauchten Betrieb" fährt des Unterwasserfahrzeugs auf Schnorcheltiefe unterhalb der Wasseroberfläche, so dass sowohl das Ende des den Schnorchel bildenden Auspuffrohrs 30 als auch die Sendeantenne 35 über die Wasseroberfläche emporragen. Während dieser Fahrstrecke wird der Akku 14 über den Generator 29 ständig nachgeladen, so dass bei Erreichen des aufzuklärenden Seegebiets der Akku 14 seinen maximalen Ladezustand aufweist.
Zur Aufklärung des Seegebiets wird nunmehr der Verbrennungsmotor 28 abgeschaltet, und über die Stellmotoren 20 werden die Seitenflossen 19 so eingestellt, dass das Unterwasserfahrzeug in eine größere Tiefe abtaucht. Bei aktiviertem Seitensichtsonar und Bugsonar 22 werden schallabstrahlende Objekte im Seegebiet detektiert und in der Auswertevorrichtung 25 aus den Ausgangssignalen von Seitensichtsonar und Bugsonar 22 Aufklärungsdaten, wie Peilung, Entfernung, Tiefe und Kontur der detektierten Objekte, generiert. Diese Aufklärungsdaten werden im Speicher 26 abgespeichert. Die Aufklärungsdaten werden in verschiedenen Tiefen des Seegebiets generiert und gesammelt. Nach Abschluss der Aufklärung taucht das Unterwasserfahrzeug wieder bis auf Schnorcheltiefe unter der Wasseroberfläche auf, und das Stromaggregat 27 wird durch Starten des Verbrennungsmotors 28 wieder eingeschaltet. Das Unterwasserfahrzeug setzt seine Fahrt bis zum nächsten Aufklärungsgebiet fort, wobei während der Fahrt der Akku 14 durch das Stromaggregat 27 wieder vollständig nachgeladen wird. Die im Speicher 26 abgelegten Aufklärungsdaten werden durch das Steuerteil 36 aufgerufen und dem Funksender 34 zugeführt, von wo aus sie über die Sendeantenne 35 ggf. codiert abgestrahlt werden.

Claims

Unbemanntes Unterwasserfahrzeug mit einem Fahrzeugkörper (11), mit mindestens einem elektromotorischen Schraubenantrieb (13), der aus einem Akkumulator (14) gespeist ist, mit zum Ab- und Auftauchen steuerbaren Seitenflossen (19) und mit mindestens einem Sonar (22), das eine am Fahrzeugkörper (11) angebaute elektroakustische Antenne (23) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an den Fahrzeugkörper (11) ein Stromaggregat (27) mit einem von einem Verbrennungsmotor (28) antreibbaren elektrischen Generator (29) angesetzt ist, der Verbrennungsmotor (28) ein als Schnorchel ausgebildetes Abgasrohr (30) aufweist und der Generator (29) auf den Akkumulator (14) aufschaltbar ist.
Unterwasserfahrzeug nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine das Unterwasserfahrzeug autonom führende Navigationseinrichtung (21) und eine Funkvorrichtung (33) zur Funkübertragung von mittels des mindestens einen Sonars (22) aus dem Seegebiet erlangten Aufklärungsdaten.
Unterwasserfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromaggregat (27) in einem an den Fahrzeugkörper (11) anbaubaren Gehäuse (12) aufgenommen und das Abgasrohr (30) aus dem Gehäuse (12) herausgeführt ist.
Unterwasserfahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrzeugkörper (11) das Gehäuse (12) huckepack trägt und die Herausführung des Abgasrohrs (30) auf der vom Fahrzeugkörper (11) abgekehrten Oberseite des Gehäuses (12) vorgenommen ist.
Unterwasserfahrzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkvorrichtung (33) einen im Gehäuse (12) angeordneten Funksender (34) und eine auf der vom Fahrzeugkörper (11) abgekehrten Oberseite des Gehäuses (12) aus dem Gehäuse (12) herausgeführte elektromagnetische Sendeantenne (35) aufweist.
Unterwasserfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Fahrzeugkörper (11) und dem Gehäuse (12) eine beim Ansetzen des Gehäuses (12) herstellbare elektrische Steckverbindung (38) vorhanden ist.
Unterwasserfahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steckverbindung (38) einerseits elektrische Ausgangsklemmen des Generators (29) mit Eingangsklemmen des Akkumulators (14) und andererseits den Funksender (34) mit einem die Aufklärungsdaten speichernden Datenspeicher (26) verbindet.
Verfahren zur Aufklärung eines Seegebiets mit dem Unterwasserfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das auf Schnorcheltiefe getauchte Unterwasserfahrzeug bei laufendem Verbrennungsmotor (28) eine Fahrstrecke längs der Wasseroberfläche zurücklegt, anschließend bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor (28) durch Ansteuerung der Seitenflossen (19) in größere Wassertiefe taucht, mittels des mindestens einen Sonars (22; 40) in mindestens einer Tauchtiefe erlangte Aufklärungsdaten abspeichert, durch Ansteuerung der Seitenflossen (19) wieder auftaucht, mit wieder gestartetem Verbrennungsmotor (28) seine Fahrt in Schnorcheltiefe fortsetzt und die gespeicherten Aufklärungsdaten über die Funkvorrichtung (33) aussendet.