DE102016014108A1

DE102016014108A1 - Unterwasserfahrzeug mit reduzierter Detektionswahrscheinlichkeit über große Distanzen

Info

Publication number: DE102016014108A1
Application number: DE102016014108.5A
Authority: DE
Inventors: Tom Avsic
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
Priority date: 2016-11-24
Filing date: 2016-11-24
Publication date: 2018-05-24
Also published as: ES2895722T3; AU2017364150B2; CN110072769B; PL3544885T3; EP3544885A1; US20190315445A1; IL266803A; EP3943377B1; CN110072769A; AU2017364150A1; EP3943377A1; IL266803B; ZA201904042B; EP3544885B1; WO2018095873A1; PT3544885T; KR102230099B1; KR20190078641A; JP2019536685A; JP6979069B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Unterwasserfahrzeug 10 mit reduzierter Detektionswahrscheinlichkeit, wobei das Unterwasserfahrzeug 10 eine Außenhülle 50 aufweist, wobei das Unterwasserfahrzeug 10 eine Bugsektion 20, eine Hecksektion 40 und eine Mittelschiffsektion 30 aufweist, wobei die Außenhülle 50 der Mittelschiffsektion 30 quer zur Längsrichtung des Unterwasserfahrzeugs 10 einen polygonalen Querschnitt aufweist, wobei die Außenhülle 50 der Mittelschiffsektion 30 eine Krümmung der Mittelschiffssektion entlang der Längsrichtung des Unterwasserfahrzeugs 10 aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Unterwasserfahrzeug, insbesondere ein Unterseeboot, mit einer äußeren Form, wobei die Form zur Reduzierung der Detektierbarkeit mittels aktiven Sonar optimiert ist. Hierdurch kann die Distanz, aus welcher das Unterfasserfahrzeug wahrscheinlich erfassbar ist, deutlich reduziert werden.
Unterwasserfahrzeuge, insbesondere militärische Unterseeboote, weisen aktuell üblicher Weise grob vereinfacht eine zylindrische Grundform im Mittelschiff mit einem halbkugelförmigen Bug und einem kegelförmigen Heck auf. Diese Form ist strömungsgünstig und als Einhüllen- oder Zweihüllenboot gut zu fertigen.
Zur Detektion von Unterseebooten wird heute insbesondere Sonar verwendet, wobei die Detektion vorzugsweise über große Distanzen, beispielsweise 100 km, erfolgen soll. Dieses führt dazu, dass die Schallwellen des Sonars in einem sehr flachen Winkel parallel zur Wasseroberfläche auf ein Unterwasserfahrzeug treffen. Um die Detektion zu vermeiden, muss die Reflexion der Schallwellen insbesondere zum Sender hin vermieden werden wo meist auch der Empfänger sitzt. Aus dieser geometrischen Betrachtung ergibt sich, dass die Detektierbarkeit eines Unterwasserfahrzeugs auf große Distanz insbesondere von der Reflexion von Schall in einem Winkel von ± 20°, insbesondere in einem Winkel von ± 10° abhängig ist.
Auf kurze Distanzen sind andere Ortungsmöglichkeiten, insbesondere Wärme, Schallemission, magnetisches Verhalten und viele andere mehr relevant, sodass hier die Detektierbarkeit regelmäßig durch andere Parameter bestimmt wird.
Ein zylindrischer Körper hat jedoch die Eigenschaft, eine Welle praktisch vertikal isotrop zu reflektieren und somit in alle vertikalen Raumrichtungen praktisch die gleiche Energie abzugeben. Dieses führt dazu, dass die Detektion im kritischen flachen Winkelbereich nicht besonders gering ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Unterwasserfahrzeug zu schaffen, welches unter den Bedingungen der Ortung über Distanz eine deutlich verringerte Detektionswahrscheinlichkeit aufweist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Unterwasserfahrzeug mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
Das erfindungsgemäße Unterwasserfahrzeug mit reduzierter Detektionswahrscheinlichkeit weist eine Außenhülle auf. Das Unterwasserfahrzeug weist eine Bugsektion, eine Hecksektion und eine Mittelschiffsektion auf. Die Außenhülle der Mittelschiffsektion weist quer zur Längsrichtung des Unterwasserfahrzeugs einen polygonalen Querschnitt auf. Ferner weist die Außenhülle der Mittelschiffsektion eine Krümmung entlang der Längsrichtung des Unterwasserfahrzeugs auf.
Der polygonale Querschnitt an sich ist bekannt zur gezielten Reflexion einer Detektionswelle in eine vom Sender abweichende Richtung. Dieses ist im Flugzeugbau oder Schiffbau, beispielsweise der Sea Shadow, prinzipiell bekannt. Hier werden große, ebene und verkippte Flächen als Reflektoren verwendet.
Dieses alleine hat den Nachteil, dass auch Reflexionen höherer Ordnung in andere Winkel auftreten und so eine Detektierbarkeit auch im kritischen flachen Winkelbereich erfolgen kann. Des Weiteren ist für ein Unterseeboot eine derartige Anordnung alleine auch nicht so wirksam wie beispielsweise für ein Flugzeug, da ein Unterseeboot von mehreren Grenzflächen umgeben ist, an denen eine Reflektion zum Sender erfolgen kann. Derartige Grenzflächen sind beispielsweise vor allem der Meeresgrund und die Wasseroberfläche, aber auch Flächen, die sich aus der Schichtung des Meerwassers ergeben können und Reflektionsebenen darstellen.
Um diesen Nachteil zu minimieren weist erfindungsgemäß die Außenhülle der Mittelschiffsektion eine Krümmung entlang der Längsrichtung des Unterwasserfahrzeugs auf. Hierdurch treten beide Effekte, Reflexion und Dispersion, auf. Effekt ist, dass die Energie der Detektionswelle im kritischen flachen Winkelbereich deutlich minimiert werden kann.
Hierdurch kann die Leistung der in Senderrichtung reflektierten Welle um Faktor beispielsweise 10.000 gegenüber einem konventionellen zylinderförmigen Unterwasserfahrzeug verringert werden. Hierdurch sinkt die Entfernung, auf welche eine Detektion wahrscheinlich ist, um bis zu einer Größenordnung. Dieses steigert die Bewegungsfreiheit eines Unterwasserfahrzeugs deutlich.
Als polygonaler Querschnitt kann Beispiel ein Dreieck oder ein Viereck vorkommen, wobei diese beiden Polygone aufgrund der geringen Anpassungsmöglichkeit eher weniger bevorzugt sind. Bevorzugt sind hingegen Polygone mit 5 bis 10 Ecken beziehungsweise Seiten, wobei die Länge der Seiten sich weiter bevorzugt unterscheiden. Besonders bevorzugt sind gegenüberliegende Seiten paarweise jeweils gleich lang.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der polygonale Querschnitt abgerundete Eckbereiche auf. Dieses ist fertigungstechnisch und hydrodynamisch vorteilhaft.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der polygonale Querschnitt senkrecht zur Längsachse eine Spiegelebene auf. Dieses bedeutet, dass die Außenkontur der Backbordseite und der Steuerbordseite gleich sind.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Unterwasserfahrzeug in der Mittelschiffsektion einen Turm auf. Besonders bevorzugt weist der Turm um wenigstens 10°, besonders bevorzugt um wenigstens 20°, gegenüber der Senkrechten geneigte Außenwände auf.
Besonders bevorzugt weist der Turm den gleichen Winkel wie die unterhalb des Turm angrenzende Seite des polygonalen Querschnitts auf.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Krümmung der Mittelschiffssektion einen Krümmungsradius auf, wobei das Verhältnis von Krümmungsradius zu Länge des Unterwasserfahrzeugs zwischen 5 und 1.000, bevorzugt zwischen 10 und 250, besonders bevorzugt zwischen 25 und 100, liegt.
Die Krümmung der Mittelschiffssektion muss nicht über die gesamte Länge konstant sein. Die Krümmung der Mittelschiffssektion kann insbesondere angrenzend an die Bugsektion und/oder Hecksektion zu den Sektionen hin ansteigend sein, beispielsweise um einen Übergang zu schaffen.
Beispielsweise ergibt sich somit für ein Unterwasserfahrzeug mit 80 m Länge eine Krümmung der Mittelschiffssektion welche eine Querschnittsvergrößerung eines gedachten, das Mittelschiff umfassenden Kreises gegenüber einer ungekrümmten, geraden Zylinderform von etwa 0,5 m bis 2 m bewirkt, wobei der Turm oder andere Auf- oder Anbauten hier gedanklich nicht berücksichtigt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der polygonale Querschnitt eine breiteste Stelle auf, wobei die breiteste Stelle des polygonalen Querschnitts unterhalb oder oberhalb der Mitte angeordnet ist, wobei die Mitte die halbe Höhe des polygonalen Querschnitts definiert ist.
Die Abweichung von einer symmetrischen Auslegung ermöglicht es, gezielt einen größeren Teil der eintreffenden Detektionswelle in die gleiche Richtung abzulenken. Befindet sich die breiteste Stelle unterhalb der Mitte, so wird der größere Teil nach oben und somit zur Wasseroberfläche reflektiert. Befindet sich die breiteste Stelle oberhalb der Mitte, so wird der größere Teil nach unten und somit zum Meeresgrund reflektiert. Für die Bootsstabilität ist die erste für die Verringerung des Zielmaßes die zweite Variante bevorzugt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die breiteste Stelle des polygonalen Querschnitts wenigstens 10 %, bevorzugt wenigstens 20 % der halben Höhe des polygonalen Querschnitts unterhalb oder oberhalb der Mitte angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen alle Ebenen des polygonalen Querschnitts eine Neigung von wenigstens 10°, bevorzugt von wenigstens 20°, gegenüber der Senkrechten auf.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen alle Ebenen des polygonalen Querschnitts eine Neigung von 10° bis 40° oder 50° bis 80° gegenüber der Senkrechten auf. Auch der Winkel von 45° ist zu vermeiden, da hierbei die eintreffende Welle beispielsweise an die Wasseroberfläche reflektiert wird, von dieser zurück reflektiert wird und dann wieder direkt zum Sender reflektiert wird. Zwar wird die Intensität durch die Mehrfachreflexion geringer, ist aber dennoch gegenüber anderen Winkeln deutlich erhöht.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Außenhülle eine schallabsorbierende Eigenschaft auf. Zusätzlich zur optimierten Geometrie kann die Außenhülle aus einem schallabsorbierenden Material bestehen, dieses aufweisen oder damit beschichtet sein. Da die Absorption nie vollständig sein kann, kombinieren sich die beiden Effekte positiv.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Außenhülle für Schallwellen im Frequenzbereich von 1 kHz bis 25 kHz im Wesentlichen reflektierend und/oder absorbierend ist. Da unter der Außenhülle andere, nicht optimierte Strukturen angeordnet sein können, muss die Transmission durch die Außenhülle so gering wie möglich gehalten werden. Die Summe aus Reflexionsgrad, Absorptionsgrad und Transmissionsgrad beträgt definitionsgemäß 1. Als im Wesentlichen reflektierend und/oder absorbierend wird angesehen, wenn der Reflexionsgrad und/oder der Transmissionsgrad wenigstens 0,75 bevorzugt wenigstens 0,9, besonders bevorzugt wenigstens 0,95 beträgt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Unterwasserfahrzeug unter der Außenhülle einen im Wesentlichen zylindrischen Druckkörper auf.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Außenhülle den zylindrischen Druckkörper nicht vollständig. Somit bildet der Druckkörper bereichsweise die Außenhülle. Dieses kann beispielsweise an eher unkritischen Stellen, beispielsweise an der Unterseite der Fall sein.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind zwischen Außenhülle und Druckkörper Sensoren, insbesondere passive Sonarsensoren und/oder Betriebsstoffspeicher angeordnet.
Betriebsstoffspeicher umfassen alle Formen von Lagergütern, die zum Betrieb des Unterseeboots erforderlich sind, beispielhaft sind dieses Benzin- oder Dieseltanks, Wasserstoffspeicher, beispielsweise in Form von Druckgasspeicher, Flüssig-WasserstoffSpeicher oder Metallhydridspeicher, Sauerstoffspeicher, beispielsweise in Form von Druckgasspeicher oder Flüssig-Sauerstoff-Speicher, Methanolspeicher, Ethanolspeicher, Batterien, Akkumulatoren sowie Druckgasspeicher für Gasturbinen aber auch autonome oder ferngesteuerte Unterwasserfahrzeuge, Waffen, wie zum Beispiel Torpedos oder Flugkörper, oder Täuschkörper.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Propeller auf der Höhe der breitesten Stelle der Außenhaut angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Unterwasserfahrzeug ein Unterseeboot. Bevorzugt ist das Unterwasserfahrzeug ein militärisches Unterwasserfahrzeug, besonders bevorzugt ein militärisches Unterseeboot.
Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Unterwasserfahrzeug anhand in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.

1 Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes Unterwasserfahrzeug
2 Querschnitt eines ersten beispielhaften Unterwasserfahrzeugs
3 Querschnitt eines zweiten beispielhaften Unterwasserfahrzeugs
4 Querschnitt eines dritten beispielhaften Unterwasserfahrzeugs
5 Querschnitt eines vierten beispielhaften Unterwasserfahrzeugs

In 1 ist die Aufsicht ein Unterwasserfahrzeug 10 mit einer Bugsektion 20, einer Mittelschiffsektion 30 und einer Hecksektion 40 dargestellt, wobei das Unterwasserfahrzeug in der Hecksektion 40 ein Ruder 60, hier in Form eines Kreuzruders, und einen Propeller 70 aufweist. Das Unterwasserfahrzeug 10 weist eine Außenhülle 50 auf, welche in Längsrichtung des Unterwasserfahrzeugs 10 eine Krümmung der Mittelschiffssektion aufweist, wie im Vergleich zu einem vereinfacht als Zylinder dargestelltem Druckkörper 80 erkennbar ist. Praktisch wird der Druckkörper 80 am Bug und am Heck auch abgerundete Enden, vorzugsweise halbkugelförmige Enden aufweisen, was hier zur Vereinfachung vernachlässig wurde. Auch muss der Druckkörper 80 nicht die volle Länge einnehmen. Insbesondere können im Bug Waffenrohre angeordnet sein.
2 zeigt einen ersten beispielhaften Querschnitt. Die Außenhülle 80 weist einen hexagonalen Querschnitt auf, die breiteste Stelle 100 liegt genau auf der Höhe der Mitte 90, welche durch den Mittelpunkt des zylinderförmigen Druckkörpers 80 gebildet wird. Dieser Punkt wird hier und im Folgenden sinngemäß als Mitte gemäß der halben Höhe des polygonalen Querschnitts verwendet, da diese praktisch zusammenfallen, sich der Mittelpunkt jedoch einfacher visuell darstellen lässt. Alle Flächen der Außenhülle 50 weisen einen Winkel von 30° beziehungsweise 90° gegenüber der Senkrechten auf.
3 zeigt einen zweiten beispielhaften Querschnitt. Die Außenhülle 80 weist einen unregelmäßigen sechseckigen Querschnitt auf, wobei die breiteste Stelle 100 deutlich oberhalb der Mitte 90 angeordnet ist. Hierdurch wird ein Großteil der einfallenden Wellen zum Meeresgrund reflektiert, was eine weitere Minimierung der Detektionswahrscheinlichkeit zur Folge hat.
4 zeigt einen dritten beispielhaften Querschnitt. Die Außenhülle 80 weist einen unregelmäßigen sechseckigen Querschnitt auf, wobei die breiteste Stelle 100 deutlich unterhalb der Mitte 90 angeordnet ist. Hierdurch wird zwar ein Großteil der einfallenden Wellen zur Wasseroberfläche reflektiert, der Schwerpunkt des Unterwasserfahrzeugs 10 kann jedoch tiefer angeordnet werden. Dieses ist für die Stabilität des Unterwasserfahrzeugs 10 vorteilhaft.
Im Gegensatz zu 2 bis 4 zeigt 5 einen Querschnitt mit abgerundeten Ecken, der ansonsten prinzipiell gleich mit dem zweiten beispielhaften Querschnitt aus 3 ist. Zusätzlich sind zwischen der Außenhülle 50 und dem Druckkörper 80 Treibstoffspeicher 110 und Sonarsensoren 120 angeordnet.
Alle in 2 bis 5 gezeigten Querschnitte sind spiegelsymmetrisch ausgeführt. Dieses ist nicht notwendig, aber bevorzugt.
Bezugszeichenliste

10: Unterwasserfahrzeug
20: Bugsektion
30: Mittelschiffsektion
40: Hecksektion
50: Außenhülle
60: Ruder
70: Propeller
80: Druckkörper
90: Mitte
100: breiteste Stelle
110: Treibstoffspeicher
120: Sonarsensoren

Claims

Unterwasserfahrzeug (10) mit reduzierter Detektionswahrscheinlichkeit, wobei das Unterwasserfahrzeug (10) eine Außenhülle (50) aufweist, wobei das Unterwasserfahrzeug (10) eine Bugsektion (20), eine Hecksektion (40) und eine Mittelschiffsektion (30) aufweist, wobei die Außenhülle (50) der Mittelschiffsektion (30) quer zur Längsrichtung des Unterwasserfahrzeugs (10) einen polygonalen Querschnitt aufweist, wobei die Außenhülle (50) der Mittelschiffsektion (30) eine Krümmung entlang der Längsrichtung des Unterwasserfahrzeugs (10) aufweist.
Unterwasserfahrzeug (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der polygonale Querschnitt abgerundete Eckbereiche aufweist.
Unterwasserfahrzeug (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der polygonale Querschnitt senkrecht zur Längsachse eine Spiegelebene aufweist.
Unterwasserfahrzeug (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterwasserfahrzeug (10) in der Mittelschiffsektion (30) einen Turm aufweist.
Unterwasserfahrzeug (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung der Mittelschiffssektion einen Krümmungsradius aufweist, wobei das Verhältnis von Krümmungsradius zu Länge des Unterwasserfahrzeugs (10) zwischen 5 und 1.000, bevorzugt zwischen 10 und 250, besonders bevorzugt zwischen 25 und 100, liegt.
Unterwasserfahrzeug (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der polygonale Querschnitt eine breiteste Stelle (100) aufweist, wobei die breiteste Stelle (100) des polygonalen Querschnitts unterhalb oder oberhalb der Mitte (90) angeordnet ist, wobei die Mitte (90) als halbe Höhe des polygonalen Querschnitts definiert ist.
Unterwasserfahrzeug (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die breiteste Stelle (100) des polygonalen Querschnitts wenigstens 10%, bevorzugt wenigstens 20 % der halben Höhe des polygonalen Querschnittsunterhalb oder oberhalb der Mitte (90) angeordnet ist.
Unterwasserfahrzeug (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Ebenen des polygonalen Querschnitts eine Neigung von wenigstens 10°, bevorzugt von wenigstens 20°, gegenüber der Senkrechten aufweisen.
Unterwasserfahrzeug (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Ebenen des polygonalen Querschnitts eine Neigung von 10° bis 40° oder 50° bis 80° gegenüber der Senkrechten aufweisen.
Unterwasserfahrzeug (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhülle (50) eine schallabsorbierende Eigenschaft aufweist.
Unterwasserfahrzeug (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhülle (50) für Schallwellen im Frequenzbereich von 1 kHz bis 25 kHz im Wesentlichen reflektierend und/oder absorbierend ist.
Unterwasserfahrzeug (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterwasserfahrzeug (10) unter der Außenhülle (50) einen im Wesentlichen zylindrischen Druckkörper (80) aufweist.
Unterwasserfahrzeug (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Außenhülle (50) und Druckkörper (80) Sensoren, insbesondere passive Sonarsensoren (120), und/oder Treibstoffspeicher (110) angeordnet sind.
Unterwasserfahrzeug (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Propeller (70) auf der Höhe der breitesten Stelle (100) der Außenhülle (50) angeordnet ist.