DE102017004636A1

DE102017004636A1 - Tragflügel-Steuer-/Regelsystem für ein Hydrofoil-Segelfahrzeug

Info

Publication number: DE102017004636A1
Application number: DE102017004636.0A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-05-15
Filing date: 2017-05-15
Publication date: 2018-11-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hydrofoil-Segelfahrzeug (10), umfassend: wenigstens einem Rumpf (14); wenigstens einen verstellbaren Tragflügel (26, 34), welcher an dem wenigstens einen Rumpf (14) angebracht und dazu ausgebildet sind, den wenigstens einen Rumpf (14) ganz oder teilweise aus dem Wasser zu heben; wenigstens eine an dem wenigstens einen Rumpf (14) angebrachte Sensoreinrichtung (62, 66, 68, 70, 72, 74) welche dazu ausgebildet ist, wenigstens einen vertikalen Abstand (H) zwischen dem wenigstens einen Rumpf (14) und der Wasseroberfläche (46) abzutasten und eine das Abtastergebnis darstellende Messgröße auszugeben; eine Steuer-/Regeleinrichtung (38), welche dazu ausgebildet ist, die von der wenigstens einen Sensoreinrichtung (62, 66, 68, 70, 72, 74) ausgegebene Messgröße, einer Steuer-/Regellogik folgend, in eine Tragflügel-Steuer-/Regelgröße umzusetzen; eine Übertragungseinrichtung (40, 48) zur Übertragung von Messgrößen von der wenigstens einen Sensoreinrichtung (42; 62, 66, 68, 70, 72, 74) zu der Steuer-/Regeleinrichtung (38) und zur Übertragung von Tragflügel-Steuer-/Regelgrößen von der Steuer-/Regeleinrichtung (38) zu dem wenigstens einen verstellbaren Tragflügel (26, 34); und eine Verstelleinrichtung (60), welche dazu ausgebildet ist, die von der Steuer-/Regeleinrichtung (38) verwendete Steuer-/Regellogik insbesondere während eines Fahrbetriebs des Hydrofoil-Segelfahrzeugs (10) zu verändern, um die Umsetzung der Messergebnisse in Steuer-/Regelgrößen zu beeinflussen, oder/und die verwendete Steuer-/Regellogik zwischen einer Basiskonfiguration und wenigstens einer Sonderkonfiguration umzuschalten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Tragflügel-Steuer-/Regelsystem für ein Hydrofoil-Segelfahrzeug.
Ein Hydrofoil-Segelfahrzeug ist in der Lage, den oder die Rümpfe des Hydrofoil-Segelfahrzeugs mit Hilfe von einem oder mehreren Tragflügeln teilweise oder vollständig aus dem Wasser zu heben. Dadurch wird der Widerstand erheblich reduziert und der Einfluss von Wellen herabgesetzt.
Viele bekannte Hydrofoil-Segelfahrzeuge besitzen kein Steuer-/Regelsystem für den/die Tragflügel. Stattdessen erfolgt die Einstellung des Auftriebs des/der Tragflügel manuell durch den/die Segler. Dies kann z.B. in der Form geschehen, dass durch eine Gewichtsverlagerung des/der Segler die Neigung des Hydrofoil-Segelfahrzeugs in Längsrichtung verändert wird. Dadurch verändert sich der Anstellwinkel der/s sich unter Wasser befindlichen starren Tragflügel/s, wodurch mehr oder weniger Auftrieb erzeugt wird. Bei anderen existierenden Konstruktionen wird der Anstellwinkel manuell mittels eines Bedienelements beeinflusst.
Eine derartige manuelle Einstellung des Auftriebs der/des sich unter Wasser befindlichen starren Tragflügel/s ermöglicht es angesichts der kurzen Reaktionszeiten oft nur sehr Geübten, eine stabile Fluglage zu erreichen.
Eine stabile Fluglage ist jedoch Voraussetzung für eine sichere Fahrt und für hohe Geschwindigkeiten.
Bei anderen bekannten Konstruktionen ist die Geometrie der/s Tragflügel/s derart gestaltet, dass der/die Tragflügel mehr oder weniger Auftrieb erzeugen in Abhängigkeit davon, wie hoch oder tief das Hydrofoil-Segelfahrzeug über oder auf der Wasseroberfläche fliegt oder fährt. Beispielsweise taucht bei diesen bekannten Konstruktionen umso mehr Auftrieb generierende Fläche der/s Tragflügel/s ein, umso tiefer die Flug- oder Fahr-Lage ist. Oder es tauchen Bereiche der Tragfläche(n) ein, die unterschiedlich stark gekrümmt sind oder über einen anderen Anstellwinkel verfügen.
Weil bei den bisher genannten bekannten Konstruktionen der/die Tragflügel nicht aktiv geregelt werden, spricht man auch von passiven Systemen. Derartige bekannte Konstruktionen stoßen häufig an ihre Grenzen.
Dem gegenüber ermöglicht ein aktives Tragflügel-Steuer-/Regelsystem auch einem weniger geübten Segler, eine stabilere Fluglage und damit ruhigere Fahrt und höhere Geschwindigkeit zu erreichen.
Ein aktives Tragflügel-Steuer-/Regelsystem Tragflügel-Steuerung/Regelung kann neben der Steuerung/Regelung der Flughöhe auch eine stabile Fluglage in Längs- und Querrichtung ermöglichen.
Ein aktives Tragflügel-Steuer-/Regelsystem kann ferner zur agilen Manövrierbarkeit beitragen und durchgeflogene Manöver (also etwa Halsen oder Wenden ohne Kontakt des oder der Rümpfe mit dem Wasser) ermöglichen.
Darüber hinaus kann ein aktives Tragflügel-Steuer-/Regelsystem auch zur Beeinflussung der Fahrtrichtung genutzt werden.
Bekannte Konstruktionen bedienen sich einer oder mehrerer mechanischer Sensoreinrichtungen. Diese wenigstens eine Sensoreinrichtung misst mittels eines schwenkbar am Rumpf gelagerten Stabs den Abstand zwischen der Sensoreinrichtung und dem Wasserspiegel und stellt dementsprechend den zugehörigen Tragflügel derart ein, dass der von dem Tragflügel erzeugte Auftrieb zunimmt, wenn der Abstand zwischen dem Rumpf und der Wasseroberfläche abnimmt D.h., die Umsetzung der Messergebnisse der wenigstens einen Sensoreinrichtung folgt bei den bekannten Konstruktionen der Logik: je höher die Fluglage, umso geringer wird der Auftrieb geregelt, je niedriger die Fluglage, umso höher wird der Auftrieb geregelt.
Die Merkmale der beschriebenen bekannten Konstruktionen werden gelegentlich auch miteinander kombiniert.
Nachteilig bei den bekannten aktiven Systemen ist jedoch, dass sämtliche bekannten Systeme vor allem darauf ausgerichtet sind, das „Fliegen“ eines Hydrofoil-Segelfahrzeugs zu verbessern, jedoch zu wenig Augenmerk auf die Verdrängerfahrt und den Übergang von der Verdrängerfahrt in den Flugzustand des Hydrofoil-Segelfahrzeugs gelegt wird.
Nachteilig bei den bekannten aktiven Systemen ist ferner, dass der Einfluss von Wellen unzureichend gemeistert wird. In der Regel ist es nicht gewünscht, dass das Segelfahrzeug versucht, dem auf und ab kurzer steiler Wellen zu folgen, sondern auszugleichen, was den bekannten Systemen oft nur unzureichend gelingt.
Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Tragflügel-Steuer-/Regelsystem für ein Hydrofoil-Segelfahrzeug bereitzustellen, welches die Nachteile des Stands der Technik vermeiden kann, um so ein Hydrofoil-Fahrzeug zu ermöglichen, das besser an unterschiedliche Umgebungsbedingungen angepasst werden kann, sich früher aus dem Wasser erhebt, eine stabilere Fluglage aufweist, und somit höhere Geschwindigkeiten und Agilität erreicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Tragflügel-Steuer-/Regelsystem für ein Hydrofoil-Segelfahrzeug mit wenigstens einem Rumpf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, nämlich durch ein Tragflügel-Steuer-/Regelsystem für ein Hydrofoil-Segelfahrzeug mit wenigstens einem Rumpf, umfassend: wenigstens einen verstellbaren Tragflügel, welcher an dem wenigstens einen Rumpf angebracht und dazu ausgebildet sind, den wenigstens einen Rumpf ganz oder teilweise aus dem Wasser zu heben; wenigstens eine an dem wenigstens einen Rumpf angebrachte Sensoreinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, wenigstens einen vertikalen Abstand zwischen dem wenigstens einen Rumpf und der Wasseroberfläche abzutasten und eine das Abtastergebnis darstellende Messgröße auszugeben; eine Steuer-/Regeleinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die von der wenigstens einen Sensoreinrichtung ausgegebene Messgröße, einer Steuer-/Regellogik folgend, in eine Tragflügel-Steuer-/Regelgröße umzusetzen; eine Übertragungseinrichtung zur Übertragung von Messgrößen von der wenigstens einen Sensoreinrichtung zu der Steuer-/Regeleinrichtung und zur Übertragung von Tragflügel-Steuer-/Regelgrößen von der Steuer-/Regeleinrichtung zu dem wenigstens einen verstellbaren Tragflügel; und eine Verstelleinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die von der Steuer-/Regeleinrichtung verwendete Steuer-/Regellogik insbesondere während eines Fahrbetriebs des Hydrofoil-Segelfahrzeugs zu verändern, um die Umsetzung der Messergebnisse in Steuer-/Regelgrößen zu beeinflussen, oder/und die verwendete Steuer-/Regellogik zwischen einer Basiskonfiguration und wenigstens einer Sonderkonfiguration umzuschalten.
Genau wie bei den passiven Systemen bringen bisherige aktive Tragflügel-Steuer-/Regelsysteme für ein Hydrofoil-Segelfahrzeug unter anderem den Nachteil mit sich, dass das Hydrofoil-Segelfahrzeug in Verdrängerfahrt, also wenn sich der/die Rumpf/Rümpfe nicht aus dem Wasser gehoben hat/haben, immer auf maximalen Auftrieb geregelt wird. Maximaler Auftrieb bedeutet jedoch hohen Widerstand der/s Tragflügel/s im Wasser. Das Hydrofoil-Segelfahrzeug wird dadurch gebremst. Dies ist von großem Nachteil beim Bestreben, das Hydrofoil-Segelfahrzeug auf die zum Abheben erforderliche Startgeschwindigkeit zu beschleunigen. Darüber hinaus ist die automatische Steuerung/Regelung auf maximalen Auftrieb unvorteilhaft in all jenen Situationen, in denen gar nicht die Absicht besteht, das Hydrofoil-Segelfahrzeug aus dem Wasser zu heben, beispielsweise im Hafen, beim Schleppen, bei der Segelausbildung, bei unerfahrener Crew oder in Erholungsphasen. Des Weiteren ist die automatische Regelung auf maximalen Auftrieb insbesondere auch dann unerwünscht, wenn aufgrund schwacher Winde ein Abheben gar nicht möglich ist. In diesem Fall möchte man unbelastet durch zusätzlichen Widerstand in Verdrängerfahrt segeln.
Auch die Erfindung bedient sich wenigstens einer Sensoreinrichtung, welche den Abstand zum Wasserspiegel an wenigstens einem Ort misst. Die Messergebnisse der wenigstens einen Sensoreinrichtung werden durch das Steuer-/Regelsystem in Steuer-/Regelgrößen an den wenigstens einen Tragflügel umgesetzt.
Die Umsetzung der Messergebnisse in Steuer-/Regelgrößen zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass sie einer differenzierten Steuer-/Regellogik folgt.
Erfindungsgemäß ist es möglich, durch aktives Eingreifen in die Steuer-/Regellogik die Umsetzung der Messergebnisse in Steuer-/Regelgrößen zu beeinflussen und zwischen einer Basiskonfiguration und wenigstens einer Sonderkonfiguration umzuschalten. Bekannt ist, dass die Basiskonfiguration in ihrer Sensibilität einstellbar sein kann. Die Steuer-/Regelgrößen folgen dem Algorithmus: $St = s * Me$
Hierbei ist:

St = Steuer-/Regelgröße
s = Sensibilität
Me = Messgröße.

Je stärker das Messergebnis einer Sensoreinrichtung von einer voreingestellten Nulllage abweicht, umso stärker ist die Steuer-/Regelgröße. Der Zusammenhang ist proportional. Beispielsweise bewirkt eine Auslenkung eines mechanischen Messgebers um 10° aus der Nulllage eine Verstellung des Anstellwinkels eines Leitwerkes am Tragflügel um 5°. In diesem Fall ist s = 0,5.
Erfindungsgemäß ist es darüberhinausgehend möglich, zwischen dieser Basiskonfiguration und wenigstens einer Sonderkonfiguration umzuschalten.
Eine wählbare Sonderkonfiguration besteht darin, abweichend von der Basiskonfiguration die Steuer-/Regelgrößen an den/die Tragflügel temporär fix auf eine Neutralposition zu zwingen, unabhängig von den eingehenden Messgrößen des wenigstens einen Gebers. Die Neutralposition ist einstellbar.
Eine alternative Sonderkonfiguration besteht darin, die Steuer-/Regelgrößen weiterhin nach dem oben beschriebenen Algorithmus St = s * Me zu ermitteln, aber diese in den Bereich um die einstellbare Neutralposition zu zwingen, wobei die Sensibilität einstellbar ist.
Durch die Sonderkonfigurationen wird es beispielsweise in der Startphase möglich, den Widerstand des wenigstens einen Tragflügels im Wasser auf ein Minimum zu reduzieren, indem man auf keinen oder wenig Auftrieb regelt. Unbelastet durch erhöhten Widerstand des/r Tragflügel(s) beschleunigt das Hydrofoil-Segelfahrzeug in dieser Konstellation schnell auf die erforderliche Abhebegeschwindigkeit. Beim Erreichen der Startgeschwindigkeit wird die Steuer-/Regellogik manuell oder durch das Steuer-/Regelsystem verändert und der wenigstens eine Tragflügel auf den erforderlichen idealen Auftrieb eingestellt, so dass sich das Hydrofoil-Segelfahrzeug aus dem Wasser hebt.
Durch die erfindungsgemäße differenzierte Steuer-/Regellogik ist es bereits bei, im Vergleich zu bekannter Technologie, sehr viel niedrigeren Windgeschwindigkeiten möglich, das Abheben des Hydrofoil-Segelfahrzeugs zu erreichen. Anders als bei Motor betriebenen Fahrzeugen ist es bei einem Hydrofoil-Segelfahrzeug ja nicht möglich, willkürlich den Schub zu erhöhen, um die Startphase zu meistern. Die zur Verfügung stehende Energie ist durch die vorherrschenden Winde und die zur Verfügung stehende Windenergie und die ideal eingestellte Segelstellung begrenzt, eventuell ergänzt um manuelle Zuarbeit der/des Seglers. Diese begrenzte zur Verfügung stehende Energie wird nun erfindungsgemäß differenziert dosiert und in eine Beschleunigungsphase und eine Abhebephase aufgeteilt.
Ein Abheben bei geringen Windgeschwindigkeiten ist von größter Bedeutung. Denn in dem Augenblick, da das Abheben gelungen ist, verringert sich der Fahrwiderstand und das Hydrofoil-Segelfahrzeug beschleunigt weiter. Dadurch erhöht sich betragsmäßig der sogenannte scheinbare Wind, die Anströmung der Besegelung. Der scheinbare Wind ist die vektorielle Addition von Fahrwind und vorherrschendem natürlichen Wind. Die Folge ist, dass ein Hydrofoil-Segelfahrzeug, das sich einmal aus dem Wasser erhoben hat, auch bei anschließendem Abflauen des Windes meist auf dem/n Tragflügel(n) gehalten werden kann und sich nicht wieder ins Wasser zurücksenkt. Einem Abheben bei bereits geringen Windgeschwindigkeiten kommt also essentielle Bedeutung zu.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass in dem Fall, in dem durch aktives Eingreifen das System auf minimalen Widerstand des wenigstens einen Tragflügels im Wasser, und somit auf keinen oder wenig Auftrieb gesteuert/geregelt wird, nun das Steuer-/Regelsystem zusätzlich selbsttätig die wenigstens eine Sensoreinrichtung aus dem Wasser heben kann und damit den Fahrwiderstand weiter verringert. Sobald die Steuer-/Regellogik verändert wird und das Steuer-/Regelsystem den wenigstens einen Tragflügel auf idealen Auftrieb einstellt, kann das Steuer-/Regelsystem gleichzeitig selbsttätig die wenigstens eine Sensoreinrichtung wieder in das Wasser absenken.
Dies trifft für Sensoreinrichtungen zu, die auf mechanischem Weg am Messort den Abstand zur Wasseroberfläche ermitteln und dazu einen Geber durchs Wasser bewegen.
Die wenigstens eine Sensoreinrichtung ist erfindungsgemäß auf die unterschiedlichsten Arten konstruktiv ausgeführt, unter Nutzung der unterschiedlichsten physikalischen Grundlagen, z.B. mechanisch (mit Hilfe wenigstens eines Abtasters oder Gebers), optisch, optoelektronisch, per Ultraschall, Radar oder anderer berührungsloser Verfahren. Die berührungslose(n) Sensoreinrichtung(en) braucht/en nicht, wie oben beschrieben, aus dem Wasser gehoben zu werden. Allerdings herrschen heute mechanische Sensoreinrichtungen mit durchs Wasser bewegten Gebern vor.
Ein weiterer Anwendungsfall für das beschriebene aktive Eingreifen in die Steuer-/Regellogik liegt immer dann vor, wenn kein Abheben gewünscht ist. Dies kann beispielsweise bei nicht ausreichend erfahrenen Seglern gewünscht sein, oder in Erholungsphasen oder beim Schleppen oder bei Fahrt im Hafen. In all diesen Fällen ist es wünschenswert, wenn das System selbsttätig die Fahrwiderstände reduziert und gegebenenfalls auch die Sensoreinrichtung(en) aus dem Wasser hebt. Dies ist insbesondere vor dem Anlanden wünschenswert, um eine Beschädigung der Sensoreinrichtung durch Grundkontakt zu vermeiden. Gerade bei kleineren sportlichen Hydrofoil-Segelfahrzeugen ist die Praktik des Slippens, also des Anlandens anstatt des Verbleibs des Hydrofoil-Segelfahrzeugs auf dem Wasser, häufig verbreitete Praxis.
Ein besonders häufiger Anwendungsfall für das beschriebene aktive Eingreifen in die Steuer-/Regellogik liegt immer dann vor, wenn die verfügbare Windenergie aufgrund schwachen Windes gar nicht ausreicht, das Hydrofoil-Segelfahrzeug aus dem Wasser zu heben. In diesem Fall segelt man im konventionellen Verdrängermodus eines Hydrofoil-Segelfahrzeugs durchs Wasser, möchte aber selbstverständlich mit möglichst wenig Fahrwiderstand unterwegs sein.
Die beschriebenen Anwendungen aktiven Eingreifens können erfindungsgemäß auf unterschiedliche Arten ausgeführt sein. Es kann beispielsweise durch eine manuelle Verstellung am Steuer-/Regelsystem erfolgen. Die Erfindung grenzt sich hier ab gegen bekannte Praktiken wie das manuelle Trennen der Verbindung zwischen Sensoreinrichtung und Tragflügel-Steuerung/Regelung oder das manuelle Herausheben der Geber aus dem Wasser. Erfindungsgemäß handelt es sich demgegenüber um ein Umschalten des Steuerung/Regelungssystems zwischen den oben beschriebenen Modi, mit einem Handgriff und innerhalb eines Sekundenbruchteils, im Gegensatz zu einem gelegentlich praktizierten Auseinanderbauen von Komponenten und manuellem Anheben des/der Geber.
Insbesondere kann erfindungsgemäß einfach und schnell zwischen dem Flugmodus und dem Modus der Verdrängerfahrt gewechselt werden.
Das beschriebene aktive Eingreifen in der Startphase kann erfindungsgemäß insbesondere nicht nur manuell erfolgen, sondern auch selbständig durch das Steuer-/Regelsystem. Hierzu wird zusätzlich zu den bisher erwähnten Messungen die Fahrgeschwindigkeit des Hydrofoil-Segelfahrzeugs durchs Wasser oder über Grund auf beliebige bekannte Art und Weise ermittelt. Abhängig von diesem Parameter kann das Steuer-/Regelsystem selbsttätig die idealen Einstellungen vornehmen. Hierzu werden neben mechanischen Lösungen erfindungsgemäß durchaus auch elektronische Steuer-/Regelsysteme verwendet. Die automatische Steuerung/Regelung ist wiederum stets auch manuell beeinflussbar.
Die erfindungsgemäße Ausführung der wenigstens einen Sensoreinrichtung verfügt über wenigstens einen Abtaster/Geber und misst den Abstand zur Wasseroberfläche in der Regel an mehreren Orten. Es ist vorteilhaft, wenn zumindest ein Messort in Fahrtrichtung weit vorne liegt, um Messergebnisse frühzeitig zu erhalten. Eine derart ausgeführte Abtastung kann rechtzeitig Wellenberge und -Täler erfassen, die bei bekannten Systemen zu Fehl-Steuerungen/Regelungen führen können. Im schlimmsten Fall gerät ein herkömmliches Steuer-/Regelsystem in die Gegenphase. Das heißt, dass das Steuer-/Regelsystem aufgrund eines Wellenberges den/die Tragflügel auf mehr Auftrieb regelt, aufgrund der Trägheit aber der Auftrieb dann erst im darauffolgenden Wellental zur Wirkung kommt, was dem tatsächlichen Erfordernis konträr entgegensteht. Das Gesamtfahrzeug steigt dadurch, wo es sinken soll. Durch die Abfolge von Wellental und Wellenberg kann ein Hydrofoil-Segelfahrzeug mit Steuerung/Regelung nach dem bekannten Stand der Technik dadurch zunächst in die Gegenphase und in die Resonanz geraten und schließlich instabil werden.
Erfindungsgemäß kann dem entgegengewirkt werden, indem mehrere, in Längs- und Querrichtung weit auseinanderliegende Messorte für die Ermittlung der Steuer-/Regelgrößen an den wenigstens einen Tragflügel berücksichtigt werden. Die Messorte können dabei auch durchaus außerhalb der von oben gesehen projizierenden Fläche des Hydrofoil-Segelfahrzeugs liegen, insbesondere durch berührungslose Messverfahren. Für die Ermittlung der Steuer-/Regelgrößen an den wenigstens einen Tragflügel kann das erfindungsgemäße Steuer-/Regelsystem zusätzlich die Messergebnisse eines weiteren Gebers hinzuziehen, der die Abweichung von der horizontalen Lage auf beliebige bekannte Art und Weise ermittelt. Das erfindungsgemäße Steuer-/Regelsystem kann durch Kombination dieser Messergebnisse die erforderlichen differenzierten Steuer-/Regelgrößen ermitteln und insbesondere unterscheiden zwischen einerseits einer tatsächlich zu hohen oder niedrigen Fluglage und resultierendem Korrekturbedarf, und andererseits einer nur temporären Vergrößerung/Verkleinerung des Abstandes zur Wasseroberfläche aufgrund von Wellen, was unter Umständen nicht korrigiert werden soll. Unbeeindruckt vom Auf- und Ab der Wellen soll das Hydrofoil-Segelfahrzeug im Wesentlichen ruhig, ohne ständiges Auf und Ab, dahingleiten.
Die wie beschrieben ermittelten differenzierten Steuer-/Regelgrößen können erfindungsgemäß bei mehr als einem Tragflügel auch unterschiedlich sein, also den mehr als einen Tragflügel unterschiedlich einstellen. Dies schließt erfindungsgemäß explizit auch ein Einstellen auf negativen Auftrieb, also Abtrieb insbesondere auf der Luvseite des Hydrofoil-Segelfahrzeug mit ein.
Auf diese Art und Weise lässt sich ein fliegendes Hydrofoil-Segelfahrzeug in der Fluglage stabilisieren.
Zur Erreichung höchster Leistungswerte kann die erfindungsgemäße Steuerung/Regelung des wenigstens einen Tragflügels dessen Lage und Geometrie auf verschiedene Arten verändern. Nicht nur durch Veränderung des Anstellwinkels des gesamten Tragflügels oder von Teilen davon, sondern auch durch Veränderung der Form des Tragflügels (z.B. variable Pfeilung) oder auch der Fläche des Tagflügels. Diese Möglichkeiten können auch miteinander kombiniert werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, in welchen:

1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hydrofoil-Segelfahrzeugs zeigt; und
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hydrofoil-Segelfahrzeugs zeigt.

In 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Hydrofoil-Segelfahrzeug 10 dargestellt, welches mit einem Tragflügel-Steuer-/Regelsystem 12 gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist.
Das Hydrofoil-Segelfahrzeug 10 ist im vorliegenden Fall ein Katamaran, welcher zwei parallel zueinander angeordnete Rümpfe 14 aufweist, von denen jedoch der Einfachheit halber lediglich ein Rumpf 14 dargestellt und beschrieben ist.
Die zwei Rümpfe 14 sind über einen vorderen Querträger 16 und einen hinteren Querträger 20 miteinander verbunden. Mittig am vorderen Querträger 16 ist ein Mast 20 abgestützt, der vermittels in der Figur nicht näher dargestellter Wanten, Stagen usw. bezüglich der beiden Rümpfe 14 verspannt ist. Zwischen dem vorderen Querträger 16 und dem hinteren Querträger 18 ist ferner ein nicht dargestelltes Trampolin aufgespannt.
Der Antrieb des Hydrofoil-Segelfahrzeugs 10 erfolgt durch ein oder mehrere Segel, von denen jedoch der Einfachheit halber lediglich ein Großsegel 22 dargestellt ist, welches lösbar, schwenkbar und in vertikaler Richtung verschiebbar an dem Mast 20 angebracht ist.
Es versteht sich, dass der in 1 gezeigt Katamaran 10 ferner weitere Komponenten aufweisen kann, wie man sie üblicherweise an derartigen Segelbooten findet, wie zum Beispiel ein Vorsegel, einen Genacker, einen Genackerbaum usw., wobei diese Komponente in der nachfolgenden Beschreibung jedoch der Einfachheit halber weggelassen wurden.
Etwa in der Längsmitte ist an jedem Rumpf 14 ein sich im Wesentlichen senkrecht nach unten erstreckendes Schwert 24 abgestützt, welches an seinem unteren, d.h. von dem Rumpf 14 entfernten Ende, mit einem Tragflügeln 26 versehen ist, welcher in der Lage ist, das Hydrofoil-Segelfahrzeugs 10 ab einer gewissen Geschwindigkeit ganz oder teilweise aus dem Wasser zu heben.
Ferner ist jeder Rumpf 14 in seinem Heckbereich mit einer Ruderanlage 28 versehen, welche im Wesentlichen einen an dem Rumpf 14 in horizontaler und gegebenenfalls vertikaler Richtung schwenkbar angebrachten Ruderträger 30, ein an dem Ruderträger 30 gelagertes Ruder 32, an dessen unterem Ende ebenfalls ein Tragflügel 34 angebracht ist, welcher in der Lage ist, auch den Heckbereich des Hydrofoil-Segelfahrzeugs 10 ab einer gewissen Geschwindigkeit ganz oder teilweise aus dem Wasser zu heben, und eine am oberen Ende des Ruders 32 oder des Ruderträgers 30 angebrachte Ruderpinne 36 umfasst.
Es versteht sich von selbst, dass das Schwert 24 und das Ruder 32 höhenverschiebbar ausgebildet und gelagert sein können, um beispielsweise ein Anlanden des Hydrofoil-Segelfahrzeugs 10 ohne Beschädigung des Schwerts 24 und des Ruders 32 zu ermöglichen.
Als wesentliche Komponente umfasst das jedem Rumpf 14 zugeordnete Tragflügel-Steuer-/Regelsystem 12, welche unabhängig voneinander arbeiten, jedoch gegebenenfalls auch miteinander gekoppelt oder sogar integriert sein können, eine Steuer-/Regeleinrichtung 38, welche dazu ausgebildet ist, wenigstens den verstellbaren Tragflügel 26 derart zu steuern/regeln, dass unabhängig von äußeren Bedingungen, wie zum Beispiel einer Wellenhöhe, eine im Wesentlichen stabile Fluglage des Hydrofoil-Segelfahrzeugs 10 ermöglicht wird.
Zu diesem Zweck ist die Steuer-/Regeleinrichtung 38 über ein Übertragungselement 40, welches mechanischer oder elektrischer Art sein kann, mit einer in der vorliegenden Ausführungsform mechanischen Sensoreinrichtung 42 verbunden, welche mittels eines schwenkbar am Rumpf 14 gelagerten Stabs 44 einen Abstand H zwischen der Sensoreinrichtung 42 bzw. dem Rumpf 14 und einem Wasserspiegel bzw. einer Wasseroberfläche 46 misst. Basierend auf einer von der Sensoreinrichtung 42 ausgegebenen Messgröße (Betrag, Messwert, Messsignal, Lagewert, Entfernungswert usw.) setzt die Steuer-/Regeleinrichtung 38 die Messgröße, einer Steuer-/Regellogik folgend, in eine Tragflügel-Steuer-/Regelgröße (Steuer-/Regelwert, -betrag, -signal, - stellgröße, -stellwert usw.) um, welche dem an dem Schwert 24 vorgesehenen Tragflügel 26 direkt oder indirekt zugeführt wird, um den Tragflügel 26 entsprechend einzustellen.
Dabei ist es zum einen möglich, die Tragflügel-Steuer-/Regelgröße rein mechanisch, beispielsweise über ein Kabel und/oder ein Übertragungsgestänge von der in diesem Fall vorzugsweise mechanischen Steuer-/Regeleinrichtung 38 zu dem Tragflügel 26 zu übertragen, oder aber elektrisch, d.h. in Form eines elektrischen Signals zu dem Tragflügel 26 zu übertragen, in welchem Fall ein zusätzlicher elektrischer Aktuator beispielsweise direkt am Tragflügel 26 oder in der Umgebung des Tragflügels 26 vorgesehen sein muss, um das elektrische Signal in eine mechanische Stellgröße bzw. Stellbewegung des Tragflügel 26 umzusetzen. Denkbar ist jedoch auch, den Aktuator nicht direkt an Tragflügel 26 sondern im Bereich des Rumpfes 14 oder gar in der Steuer-/Regeleinrichtung 38 anzuordnen und den Tragflügel 26 mittels eines Gestänges vom Rumpf 14 aus mechanisch zu betätigen.
Die Steuer-/Regeleinrichtung 38 ist dazu ausgebildet, den Tragflügel 26 derart einzustellen, dass der von dem Tragflügel 26 erzeugte Auftrieb zunimmt, wenn der Abstand H zwischen dem Rumpf 14 und der Wasseroberfläche 46 abnimmt. D.h., die Umsetzung der Messergebnisse der Sensoreinrichtung 42 folgt der grundsätzlichen Logik: je höher die Fluglage, umso geringer wird der Auftrieb gesteuert/geregelt, je niedriger die Fluglage, umso höher wird der Auftrieb gesteuert/geregelt.
Diese grundsätzliche Art der Steuerung/Regelung des Tragflügels 26 ist vor allem darauf ausgerichtet, das „Fliegen“ des Hydrofoil-Segelfahrzeugs 10 zu verbessern, berücksichtigt jedoch noch nicht die Verdrängerfahrt und einen Übergang von der Verdrängerfahrt in den Flugzustand des Hydrofoil-Segelfahrzeugs 10.
Um zu ermöglichen, dass sich das erfindungsgemäße Hydrofoil-Segelfahrzeugs 10 besser an unterschiedliche Umgebungsbedingungen anpassen lässt und sich damit früher aus dem Wasser heben lässt, weist das erfindungsgemäße Hydrofoil-Segelfahrzeugs 10 eine manuelle Verstelleinrichtung 50 auf, welche dazu ausgebildet ist, die von der Steuer-/Regeleinrichtung 38 verwendete Steuer-/Regellogik insbesondere während eines Fahrbetriebs des Hydrofoil-Segelfahrzeugs 10 zu verändern, um die Umsetzung der Messergebnisse der Sensoreinrichtung 42 in Steuer-/Regelgrößen zu beeinflussen, oder/und die verwendete Steuer-/Regellogik zwischen einer für das „Fliegen“ besonders geeigneten Basiskonfiguration und wenigstens einer Sonderkonfiguration umzuschalten.
Durch diese Verstelleinrichtung 50 ist es somit möglich, aktiv in die Steuer-/Regellogik einzugreifen und dadurch die Umsetzung der Messgrößen in Steuer-/Regelgrößen zu beeinflussen und zwischen einer Basiskonfiguration und wenigstens einer Sonderkonfiguration umzuschalten.
Wenn sich beispielsweise das Hydrofoil-Segelfahrzeugs 10 in einer Verdrängerfahrt befindet, in dem sich der Rumpf 14 nicht aus dem Wasser gehoben hat, ist die Steuer-/Regeleinrichtung 38 grundsätzlich dazu ausgebildet, den Tragflügel 26 immer auf maximalen Auftrieb zu steuern/regeln. Maximaler Auftrieb bedeutet jedoch hohen Widerstand des Tragflügels im Wasser. Das Hydrofoil-Segelfahrzeug 10 wird dadurch gebremst. Dies ist von großem Nachteil beim Bestreben, das Hydrofoil-Segelfahrzeugs 10 auf die zum Abheben erforderliche Startgeschwindigkeit zu beschleunigen.
Darüber hinaus ist die automatische Steuerung/Regelung auf maximalen Auftrieb unvorteilhaft in all jenen Situationen, in denen gar nicht die Absicht besteht, das Hydrofoil-Segelfahrzeugs 10 aus dem Wasser zu heben, beispielsweise im Hafen, beim Schleppen, bei der Segelausbildung, bei unerfahrener Crew oder in Erholungsphasen. Des Weiteren ist die automatische Steuerung/Regelung auf maximalen Auftrieb insbesondere auch dann unerwünscht, wenn aufgrund schwacher Winde ein Abheben gar nicht möglich ist. In diesem Fall möchte man unbelastet durch zusätzlichen Widerstand in Verdrängerfahrt segeln.
Die Umsetzung der Messergebnisse in Steuer-/Regelgrößen folgen erfindungsgemäß einer differenzierten Steuer-/Regellogik.
Erfindungsgemäß ist es hierdurch möglich, durch aktives Eingreifen in die Steuer-/Regellogik die Umsetzung der Messergebnisse in Steuer-/Regelgrößen zu beeinflussen und zwischen der Basiskonfiguration und wenigstens einer Sonderkonfiguration umzuschalten.
Die Steuer-/Regelgrößen folgen dem Algorithmus: $St = s * Me$
Hierbei ist:

St = Steuer-/Regelgröße
s = Sensibilität
Me = Messgröße.

Je stärker das Messergebnis der Sensoreinrichtung 42 von einer voreingestellten Nulllage abweicht, umso stärker ist die Steuer-/Regelgröße. Der Zusammenhang ist proportional. Beispielsweise bewirkt eine Auslenkung eines mechanischen Messgebers um 10° aus der Nulllage eine Verstellung des Anstellwinkels eines Leitwerkes am Tragflügel um 5°. In diesem Fall ist s = 0,5.
Erfindungsgemäß ist es darüber hinausgehend möglich, zwischen dieser Basiskonfiguration und wenigstens einer Sonderkonfiguration umzuschalten.
Eine wählbare Sonderkonfiguration besteht darin, abweichend von der Basiskonfiguration die Steuer-/Regelgrößen an den/die Tragflügel 26 temporär fix auf eine Neutralposition zu zwingen, unabhängig von den eingehenden Messgrößen der wenigstens einen Sensoreinrichtung 42. Die Neutralposition ist einstellbar.
Eine alternative Sonderkonfiguration besteht darin, die Steuer-/Regelgrößen weiterhin nach dem oben beschriebenen Algorithmus St = s * Me zu ermitteln, aber diese in den Bereich um die einstellbare Neutralposition zu zwingen, wobei die Sensibilität einstellbar ist.
Durch die Sonderkonfigurationen wird es beispielsweise in der Startphase möglich, den Widerstand des wenigstens einen Tragflügels 26 im Wasser auf ein Minimum zu reduzieren, indem man auf keinen oder wenig Auftrieb regelt. Unbelastet durch erhöhten Widerstand des Tragflügels 26 beschleunigt das Hydrofoil-Segelfahrzeug 10 in dieser Konstellation schnell auf die erforderliche Abhebegeschwindigkeit. Beim Erreichen der Startgeschwindigkeit wird die Steuer-/Regellogik durch eine manuelle Betätigung bspw. eines manuellen Schalters 52 der Verstelleinrichtung 50 verändert und der wenigstens eine Tragflügel auf den erforderlichen idealen Auftrieb eingestellt, so dass sich das Hydrofoil-Segelfahrzeug aus dem Wasser hebt.
Durch die erfindungsgemäße differenzierte Steuer-/Regellogik ist es bereits bei, im Vergleich zu bekannter Technologie, sehr viel niedrigeren Windgeschwindigkeiten möglich, das Abheben des Hydrofoil-Segelfahrzeugs 10 zu erreichen. Anders als bei Motor betriebenen Fahrzeugen ist es bei einem Hydrofoil-Segelfahrzeug 10 ja nicht möglich, willkürlich den Schub zu erhöhen, um die Startphase zu meistern. Die zur Verfügung stehende Energie ist durch die vorherrschenden Winde und die zur Verfügung stehende Windenergie und die ideal eingestellte Segelstellung begrenzt, eventuell ergänzt um manuelle Zuarbeit der/des Seglers. Diese begrenzte zur Verfügung stehende Energie wird nun erfindungsgemäß differenziert dosiert und in eine Beschleunigungsphase und eine Abhebephase aufgeteilt.
Ein Abheben bei geringen Windgeschwindigkeiten ist von größter Bedeutung. Denn in dem Augenblick, da das Abheben gelungen ist, verringert sich der Fahrwiderstand und das Hydrofoil-Segelfahrzeug 10 beschleunigt weiter. Dadurch erhöht sich betragsmäßig der sogenannte scheinbare Wind, die Anströmung der Besegelung. Der scheinbare Wind ist die vektorielle Addition von Fahrwind und vorherrschendem natürlichen Wind. Die Folge ist, dass ein Hydrofoil-Segelfahrzeug 10, das sich einmal aus dem Wasser erhoben hat, auch bei anschließendem Abflauen des Windes meist auf dem Tragflügel 26 gehalten werden kann und sich nicht wieder ins Wasser zurücksenkt. Einem Abheben bei bereits geringen Windgeschwindigkeiten kommt also essentielle Bedeutung zu.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass in dem Fall, in dem durch aktives Eingreifen das System auf minimalen Widerstand des wenigstens einen Tragflügels 26 im Wasser, und somit auf keinen oder wenig Auftrieb gesteuert/geregelt wird, nun das Tragflügel-Steuer-/Regelsystem 12 zusätzlich selbsttätig die wenigstens eine Sensoreinrichtung 42, bzw. den Stab 44 derselben aus dem Wasser heben kann und damit den Fahrwiderstand weiter verringert. Sobald die Steuer-/Regellogik verändert wird und die Steuer-/Regeleinrichtung 38 den wenigstens einen Tragflügel 26 auf idealen Auftrieb einstellt, kann die Steuer-/Regeleinrichtung 38 gleichzeitig selbsttätig die wenigstens eine Sensoreinrichtung 42 wieder in das Wasser absenken.
Dies trifft für Sensoreinrichtungen zu, die auf mechanischem Weg am Messort den Abstand zur Wasseroberfläche ermitteln und dazu einen Geber (den Stab 42) durchs Wasser bewegen.
Die wenigstens eine Sensoreinrichtung 42 kann erfindungsgemäß auf die unterschiedlichsten Arten konstruktiv ausgeführt sein, unter Nutzung der unterschiedlichsten physikalischen Grundlagen, z.B. mechanisch (mit Hilfe wenigstens eines Abtasters oder Gebers wie in 1), optisch, optoelektronisch, per Ultraschall, Radar oder anderer berührungsloser Verfahren, auf die nachstehend in der zweiten Ausführungsform noch näher eingegangen wird. Die berührungslose(n) Sensoreinrichtung(en) braucht/en nicht, wie oben beschrieben, aus dem Wasser gehoben zu werden. Allerdings herrschen heute mechanische Sensoreinrichtungen mit durchs Wasser bewegten Gebern vor.
Ein weiterer Anwendungsfall für das beschriebene aktive Eingreifen in die Steuer-/Regellogik liegt immer dann vor, wenn kein Abheben gewünscht ist. Dies kann beispielsweise bei nicht ausreichend erfahrenen Seglern gewünscht sein, oder in Erholungsphasen oder beim Schleppen oder bei Fahrt im Hafen. In all diesen Fällen ist es wünschenswert, wenn das System selbsttätig die Fahrwiderstände reduziert und gegebenenfalls auch die Sensoreinrichtung(en) aus dem Wasser hebt. Dies ist insbesondere vor dem Anlanden wünschenswert, um eine Beschädigung der Sensoreinrichtung durch Grundkontakt zu vermeiden. Gerade bei kleineren sportlichen Hydrofoil-Segelfahrzeugen ist die Praktik des Slippens, also des Anlandens anstatt des Verbleibs des Hydrofoil-Segelfahrzeugs auf dem Wasser, häufig verbreitete Praxis.
Ein besonders häufiger Anwendungsfall für das beschriebene aktive Eingreifen in die Steuer-/Regellogik liegt immer dann vor, wenn die verfügbare Windenergie aufgrund schwachen Windes gar nicht ausreicht, das Hydrofoil-Segelfahrzeug aus dem Wasser zu heben. In diesem Fall segelt man im konventionellen Verdrängermodus eines Hydrofoil-Segelfahrzeugs durchs Wasser, möchte aber selbstverständlich mit möglichst wenig Fahrwiderstand unterwegs sein.
Die beschriebenen Anwendungen aktiven Eingreifens können erfindungsgemäß auf unterschiedliche Arten ausgeführt sein. Es kann beispielsweise durch eine manuelle Verstellung am Steuer-/Regelsystem erfolgen. Die Erfindung grenzt sich hier ab gegen bekannte Praktiken wie das manuelle Trennen der Verbindung zwischen Sensoreinrichtung und Tragflügel-Steuerung/Regelung oder das manuelle Herausheben der Geber aus dem Wasser. Erfindungsgemäß handelt es sich demgegenüber um ein Umschalten des Steuerung/Regelungssystems zwischen den oben beschriebenen Modi, mit einem Handgriff und innerhalb eines Sekundenbruchteils, im Gegensatz zu einem gelegentlich praktizierten Auseinanderbauen von Komponenten und manuellem Anheben des/der Geber.
Insbesondere kann erfindungsgemäß einfach und schnell zwischen dem Flugmodus und dem Modus der Verdrängerfahrt gewechselt werden.
Die wie beschrieben ermittelten differenzierten Steuer-/Regelgrößen können erfindungsgemäß bei mehr als einem Tragflügel auch unterschiedlich sein, also den mehr als einen Tragflügel unterschiedlich einstellen. Dies schließt erfindungsgemäß explizit auch ein Einstellen auf negativen Auftrieb, also Abtrieb insbesondere auf der Luvseite des Hydrofoil-Segelfahrzeugs mit ein.
Auf diese Art und Weise lässt sich ein „fliegendes“ Hydrofoil-Segelfahrzeug 10 in der Fluglage stabilisieren.
Ferner kann zur Erreichung höchster Leistungswerte die erfindungsgemäße Steuerung/Regelung die Lage und Geometrie des wenigstens einen Tragflügels auf verschiedene Arten verändern. Nicht nur durch Veränderung des Anstellwinkels des gesamten Tragflügels oder von Teilen davon, sondern auch durch Veränderung der Form des Tragflügels (z.B. variable Pfeilung) oder auch der Fläche des Tagflügels. Diese Möglichkeiten können auch miteinander kombiniert werden.
Nachfolgend wird in 2 schematisch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßes Hydrofoil-Segelfahrzeug 10 dargestellt, welches mit einem Tragflügel-Steuer-/Regelsystem 12 gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist. Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hydrofoil-Segelfahrzeugs 10 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Ausführungsform des Hydrofoil-Segelfahrzeugs 10 zum einen darin, dass anstelle der mechanisch betätigbaren Verstelleinrichtung 50 eine Verstelleinrichtung 60 vorgesehen ist, welche dazu ausgebildet ist, selbstständig in die Steuer-/Regellogik einzugreifen, d.h. ohne dass eine Bedienungsperson durch eine manuelle Betätigung beispielsweise des manuellen Schalters 52 eine Anweisung an eine Verstelleinrichtung gibt, zwischen beispielsweise der Basiskonfiguration und der Sonderkonfiguration umzuschalten.
Erfindungsgemäß erfolgt dieses Umschalten in der zweiten Ausführungsform nämlich abhängig von äußeren Bedingungen, d.h. Bedingungen, welche einen Einfluss auf die Funktionsfähigkeit des Tragflügels 26 haben. Als wesentliches Merkmal wird hierbei die Fahrtgeschwindigkeit des Hydrofoil-Segelfahrzeugs 10 im Wasser angesehen, d.h. die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Hydrofoil-Segelfahrzeug 10 und der Wasseroberfläche 46, wobei jedoch auch andere Merkmale von der Verstelleinrichtung 60 berücksichtigt werden können, wie zum Beispiel die momentane Windgeschwindigkeit, der Wellenabstand, die Wellenhöhe oder auch ein Beschleunigungs- oder Verzögerungswert des Hydrofoil-Segelfahrzeugs 10.
In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist die Verstelleinrichtung 60 zu diesem Zwecke mit einem GPS-Sensor 62 verbunden, welcher mittels einer Antenne 64 Positionsinformationen von nicht dargestellten GPS-Satelliten empfängt und basierend auf diesen Informationen die derzeitige Position, Richtung und Geschwindigkeit des Hydrofoil-Segelfahrzeugs 10 berechnen kann. Zusätzlich oder alternativ ist die Verstelleinrichtung 60 mit einem Geschwindigkeitsmesser 66 verbunden, welcher die Relativgeschwindigkeit des Hydrofoil-Segelfahrzeugs 10 gegenüber der Wasseroberfläche 46 auf optischem Wege erfasst, wobei jedoch auch mechanische Lösungen, bei denen die Relativgeschwindigkeit mittels eines in die Wasseroberfläche 46 eingetauchten Sensors, beispielsweise eines Propellers, gemessen werden kann.
Wird von dem GPS-Sensor 62 und/oder dem Geschwindigkeitsmesser 66 das Erreichen einer gegebenenfalls voreinstellbaren Abhebegeschwindigkeit erfasst, d.h. eine Geschwindigkeit des Hydrofoil-Segelfahrzeugs 10, welche ausreicht, das Hydrofoil-Segelfahrzeug 10 sicher mittels des Tragflügels 26 aus dem Wasser abheben zu lassen, schaltet die Verstelleinrichtung 60 die Steuer-/Regeleinrichtung 38 von der Sonderkonfiguration, mit der es beispielsweise in der Startphase möglich ist, den Widerstand des wenigstens einen Tragflügel 26 im Wasser auf ein Minimum zu reduzieren, indem dieser auf keinen oder wenig Auftrieb gesteuert/geregelt wird, um dadurch unbelastet durch erhöhten Widerstand des Tragflügels 26 das Hydrofoil-Segelfahrzeugs 10 schnell auf die erforderliche Abhebegeschwindigkeit zu beschleunigen, auf die Basiskonfiguration um, bei der eine Einstellung des Anstellwinkels des Tragflügel 34 abhängig vom Abstand H des Rumpfs 14 vom Wasserspiegel 46 erfolgt.
Obwohl nicht dargestellt, ist es selbstverständlich, dass die Verstelleinrichtung 60, welche gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel selbstständig entscheidet, ob die Basiskonfiguration oder die Sonderkonfiguration auszuwählen ist, auch mit einem Mittel versehen sein kann, welche es einem Benutzer des Hydrofoil-Segelfahrzeugs 10 erlaubt, manuell in die Entscheidungsfindung der Verstelleinrichtung 60 einzugreifen. Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, dass die Verstelleinrichtung eine Kombination der Verstelleinrichtung 50 und der Verstelleinrichtung 60 darstellt, d.h. dass die Verstelleinrichtung zwischen einer manuellen Verstellung und einer automatischen Verstellung umschaltbar ist.
Ein weiterer wesentlicher Unterschied zwischen der ersten Ausführungsform gemäß 1 und der zweiten Ausführungsform gemäß 2 besteht darin, dass das in 2 dargestellte Hydrofoil-Segelfahrzeug 10 über drei verschiedene berührungslos arbeitende Sensoreinrichtungen 68, 70 und 72 verfügt, von denen die Sensoreinrichtungen 68 und 70 in Längsrichtung des Rumpfs 14 versetzt zueinander den Abstand des Rumpfs 14 zur Wasseroberfläche 46 messen und von denen die Sensoreinrichtung 72 dazu in der Lage ist, die Wasseroberfläche 46 in Fahrtrichtung vor dem Rumpf 14 zu erfassen, um rechtzeitig Wellenberge und -täler zu erfassen, die bei bekannten Systemen zu Fehl-Steuerungen/Regelungen führen könnten, beispielsweise wenn das Steuer-/Regelsystem aufgrund eines Wellenbergs den Tragflügel auf mehr Auftrieb steuert/regelt, aufgrund der Trägheit aber der Auftrieb erst im darauffolgenden Wellental zur Wirkung kommt, was dem tatsächlichen Erfordernis konträr entgegensteht.
Ferner umfasst das Hydrofoil-Segelfahrzeug 10 gemäß der zweiten Ausführungsform eine weitere Sensoreinrichtung 74, welche als Lagesensor ausgebildet ist und welche in der Lage ist, ein Rollen, Stampfen oder Gieren des Hydrofoil-Segelfahrzeugs 10 um eine Längsachse, Querachse oder Hochachse des Hydrofoil-Segelfahrzeugs 10, d.h., die Abweichung des Hydrofoil-Segelfahrzeugs 10 von der horizontalen Lage zu ermitteln, um dadurch zusätzlich zwischen einerseits einer tatsächlich zu hohen oder niedrigen Fluglage und resultierendem Korrekturbedarf und andererseits einer nur temporären Vergrößerung/Verkleinerung des Abstands zur Wasseroberfläche 46 aufgrund von Wellen, was unter Umständen nicht korrigiert werden soll/muss, zu unterscheiden. Die erfindungsgemäße Steuer-/Regeleinrichtung 38 ist somit aufgrund der von den Sensoreinrichtungen 68-74 bereitgestellten Messwerten in der Lage, das Hydrofoil-Segelfahrzeug 10 unbeeindruckt vom auf und ab der Wellen im Wesentlichen ruhig dahin gleiten zu lassen.
Es liegt im Sinne der Erfindung, dass bei einem Hydrofoil-Segelfahrzeugs 10 mit mehr als einem Tragflügel, wie im vorliegenden Fall, die verschiedenen Tragflügel unterschiedlich eingestellt werden können, was explizit auch ein Einstellen auf negativen Auftrieb also Abtrieb insbesondere auf der Luftseite des Hydrofoil-Segelfahrzeugs einschließt, um so beispielsweise zu verhindern, dass sich der luvseitige Rumpf 14 aufgrund einer stärkeren Böe aus dem Wasser hebt.
Ein weiterer wesentlicher Unterschied zu der ersten Ausführungsform besteht darin, dass die Steuer-/Regeleinrichtung 38 gemäß der zweiten Ausführungsform nicht nur den Tragflügel 26 am unteren Ende des Schwerts 24 sondern auch den am Heck angeordneten Tragflügel 34 über ein separates Übertragungselement 58 steuern/regeln kann, in welchem Fall beispielsweise eine Konfiguration möglich ist, bei der der in Fahrtrichtung vorne liegende Tragflügel 26 für die entsprechende Höhe des Hydrofoil-Segelfahrzeugs 10 über der Wasseroberfläche 46 sorgt, wohingegen der in Fahrtrichtung weiter hinten liegende Tragflügel 34 Stampfbewegungen des Hydrofoil-Segelfahrzeugs um die Querachse des Hydrofoil-Segelfahrzeugs 10 ausgleicht bzw. verhindert, indem beispielsweise dann, wenn die Sensoreinrichtungen 68 und 70 erfassen, dass sich der Rumpf 14 zu weit von der Wasseroberfläche 46 entfernt hat, nicht nur der Tragflügel 26 angesteuert wird, was zu einem Eintauchen der Nase des Rumpfs 14 führen könnte, sondern gleichzeitig mit einer Steuerung/Regelung des bugseitigen Tragflügels 26 auch der heckseitige Tragflügel 34 derart gesteuert/geregelt wird, dass ein gleichzeitiges Absenken des Tragflügel 26 und des Tragflügel 34 und eine damit einhergehende Parallelverschiebung des Rumpfs 14 auf die Wasseroberfläche 46 zu ermöglicht wird.
Es versteht sich, dass jeder der in der zweiten Ausführungsform beschriebenen Aspekte bzw. Unterschiede gegenüber der ersten Ausführungsform einen separaten Aspekt der Erfindung darstellt und dass die in der zweiten Ausführungsform dargestellten bzw. beschriebenen Aspekte auch unabhängig voneinander und gegebenenfalls auch in Verbindung mit Merkmalen der ersten Ausführungsform kombiniert werden können.
Diesbezüglich wird beispielsweise daran gedacht, sowohl den vorderen Tragflügel 26 als auch den hinteren Tragflügel 34 der ersten Ausführungsform mittels der Steuer-/Regeleinrichtung 38 zu verstellen.
Darüber hinaus versteht sich, dass sämtliche von der Sensoreinrichtungen 42, 62, 66, 68, 70, 72 und 74 d.h. auch die von dem GPS-Empfänger 62 erfassten GPS-Daten und die von dem Geschwindigkeitsmesser 66 erfassten Geschwindigkeitsdaten der Steuer-/Regeleinrichtung 38 zugeführt werden könne, um diese bei der Berechnung der Tragflügel-Steuer-/Regelgrößen für den Tragflügel 26 und/oder den Tragflügel 34 zu berücksichtigen.

Claims

Tragflügel-Steuer-/Regelsystem (12) für ein Hydrofoil-Segelfahrzeug (10) mit wenigstens einem Rumpf (14), umfassend: wenigstens einen verstellbaren Tragflügel (26, 34), welcher an dem wenigstens einen Rumpf (14) abgestützt und dazu ausgebildet ist, den wenigstens einen Rumpf (14) ganz oder teilweise aus dem Wasser zu heben; wenigstens eine an dem wenigstens einen Rumpf (14) angebrachte Sensoreinrichtung (42; 62, 66, 68, 70, 72, 74) welche dazu ausgebildet ist, wenigstens einen vertikalen Abstand zwischen dem wenigstens einen Rumpf (14) und der Wasseroberfläche (46) abzutasten und eine das Abtastergebnis darstellende Messgröße auszugeben; eine Steuer-/Regeleinrichtung (38), welche dazu ausgebildet ist, die von der wenigstens einen Sensoreinrichtung (42; 62, 66, 68, 70, 72, 74) ausgegebene Messgröße, einer Steuer-/Regellogik folgend, in eine Tragflügel-Steuer-/Regelgröße umzusetzen; eine Übertragungseinrichtung (40, 48, 58) zur Übertragung von Messgrößen von der wenigstens einen Sensoreinrichtung (42; 62,66, 68, 70, 72, 74) zu der Steuer-/Regeleinrichtung (38) und zur Übertragung von Tragflügel-Steuer-/Regelgrößen von der Steuer-/Regeleinrichtung (38) zu dem wenigstens einen verstellbaren Tragflügel (26, 34); und eine Verstelleinrichtung (50; 60), welche dazu ausgebildet ist, die von der Steuer-/Regeleinrichtung (38) verwendete Steuer-/Regellogik insbesondere während eines Fahrbetriebs des Hydrofoil-Segelfahrzeugs (10) zu verändern, um die Umsetzung der Messergebnisse in Steuer-/Regelgrößen zu beeinflussen, oder/und die verwendete Steuer-/Regellogik zwischen einer Basiskonfiguration und wenigstens einer Sonderkonfiguration umzuschalten.
Tragflügel-Steuer-/Regelsystem (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (50) eine manuelle Verstelleinrichtung (50) ist, welche von einer Bedienperson während eines Fahrbetriebs des Hydrofoil-Segelfahrzeugs (10) bedienbar ist, und/oder dass die Verstelleinrichtung (60) eine selbsttätig arbeitende bzw. automatische Verstelleinrichtung (60) ist, welche während eines Fahrbetriebs des Hydrofoil-Segelfahrzeugs (10) selbsttätig arbeitet und automatisch entscheidet, welche Konfiguration eingestellt wird.
Tragflügel-Steuer-/Regelsystem (12) nach Anspuch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung zwischen einem manuellen Betrieb und einem automatischen Betrieb hin- und herschaltbar ist.
Tragflügel-Steuer-/Regelsystem (12) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die selbständig arbeitende Verstelleinrichtung (60) die geeignete Konfiguration auf Basis von Messgrößen oder/und durch Vergleich von Messgrößen wählt, wobei vorzugsweise die Messgrößen eine Fahrgeschwindigkeit des Hydrofoil-Segelfahrzeugs (10) durchs Wasser oder über Grund oder/und eine Abweichung der Lage des Hydrofoil-Segelfahrzeugs (10) von der Horizontalen oder/und ein wellenbedingtes Gesamtbild der Messgrößen der wenigstens einen Sensoreinrichtung (42; 68, 70, 72) zur Messung des Abstandes von der Wasseroberfläche (46) verkörpern.
Tragflügel-Steuer-/Regelsystem (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Längsrichtung des Hydrofoil-Segelfahrzeugs (10) mehrere Sensoreinrichtung (68, 70, 72) im Abstand voneinander an dem wenigstens einen Rumpf (14) angeordnet sind und die Steuer-/Regeleinrichtung (38) dazu ausgebildet ist, die von den unterschiedlichen Sensoreinrichtungen (68, 70, 72) ausgegebenen Messgrößen zu vergleichen, insbesondere den unterschiedlichen zeitlichen Verlauf der Messgrößen zu vergleichen, durch einen Vergleich der in Fahrtrichtung weiter vorne gemessenen Messgrößen im Vergleich zu den in Fahrtrichtung weiter hinten gemessenen Messgrößen, und/oder dass wenigstens eine Sensoreinrichtung (42) eine mechanische Abtastvorrichtung ist, bei der der Abstand zwischen der Wasseroberfläche (46) und dem wenigstens einen Rumpf (14) mechanisch mittels eines schwenkbar am Rumpf (14) gelagerten Abtaststabs (44) gemessen wird, oder/und dass das Steuer-/Regelsystem beim Einstellen einer fixen Neutralposition gleichzeitig selbsttätig die Sensoreinrichtung (44) aus dem Wasser hebt, oder/und dass wenigstens eine Sensoreinrichtung (68, 70, 72) eine berührungslos arbeitende Abtastvorrichtung ist, bei der der Abstand zwischen der Wasseroberfläche (46) und dem wenigstens einen Rumpf (14) berührungslos gemessen wird.
Tragflügel-Steuer-/Regelsystem (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine wählbare Sonderkonfiguration darin besteht, abweichend von der Basiskonfiguration die Steuer-/Regelgrößen temporär derart einzustellen, dass sich der wenigstens eine Tragflügel (26, 34) unabhängig von den eingehenden Messgrößen der wenigstens einen Sensoreinrichtung (42; 62, 66, 68, 70, 72, 74) in einer vorzugsweise einstellbaren Neutralposition befindet, in der der wenigstens eine Tragflügel (26, 34) den geringsten Widerstand im Wasser hat, wobei vorzugsweise das Umschalten zwischen der Basiskonfiguration und der Sonderkonfiguration manuell erfolgt oder wobei vorzugsweise das Umschalten zwischen der Basiskonfiguration und der Sonderkonfiguration durch einen Automatismus erfolgen, dessen selbständiges Eingreifen von der gemessenen Fahrgeschwindigkeit des Hydrofoil-Segelfahrzeugs (10) durchs Wasser oder über Grund abhängt.
Tragflügel-Steuer-/Regelsystem (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine wählbare Sonderkonfiguration darin besteht, die Steuer-/Regelgrößen weiterhin im Wesentlichen nach dem Algorithmus: Steuer-/Regelgröße (St) = Sensibilität (s) * Messgröße (Me) zu ermitteln, aber diese in den Bereich um die einstellbare Neutralposition zu zwingen, wobei die Sensibilität einstellbar ist.
Tragflügel-Steuer-/Regelsystem (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Eingreifen mittels eines manuell bedienbaren Bedienelements (52) ausgeführt ist, das es einer Bedienungsperson ermöglicht, innerhalb von Sekundenbruchteilen in die Steuer-/Regellogik einzugreifen, wobei es dazu insbesondere nicht erforderlich ist, Komponenten der Steuerung/Regelung auseinanderzubauen oder manuelle Komponenten (44) aus dem Wasser zu heben.
Tragflügel-Steuer-/Regelverfahren zum Steuern/Regeln wenigstens eines verstellbaren Tragflügels (26, 34) eines Hydrofoil-Segelfahrzeug (10), vorzugsweise mittels eines Tragflügel-Steuer-/Regelsystems (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher wenigstens eine verstellbare Tragflügel (26, 34) an wenigstens einem Rumpf (14) des Hydrofoil-Segelfahrzeugs (10) angebracht und dazu ausgebildet ist, den wenigstens einen Rumpf (14) ganz oder teilweise aus dem Wasser zu heben, umfassend die Schritte: Erfassen wenigstens eines vertikalen Abstands (H) zwischen dem wenigstens einen Rumpf (14) und einer Wasseroberfläche (46) mittels wenigstens einer an dem wenigstens einen Rumpf (14) angebrachten Sensoreinrichtung (42; 62, 66, 68, 70, 72, 74) und Ausgeben einer das Abtastergebnis darstellenden Messgröße; Übertragen von Messgrößen von der wenigstens einen Sensoreinrichtung (42; 62, 66, 68, 70, 72, 74) zu der Steuer-/Regeleinrichtung (38); Umsetzen der von der wenigstens einen Sensoreinrichtung (42; 62, 66, 68, 70, 72, 74) ausgegebenen Messgröße, einer Steuer-/Regellogik folgend, in eine Tragflügel-Steuer-/Regelgröße mittels einer Steuer-/Regeleinrichtung (38); Übertragung von Tragflügel-Steuer-/Regelgrößen von der Steuer-/Regeleinrichtung (38) zu dem wenigstens einen verstellbaren Tragflügel (26, 34); und Verändern der von der Steuer-/Regeleinrichtung (38) verwendeten Steuer-/Regellogik insbesondere während eines Fahrbetriebs des Hydrofoil-Segelfahrzeugs (10) mittels einer Verstelleinrichtung (50; 60) zur Beeinflussung der Umsetzung der Messergebnisse in Steuer-/Regelgrößen oder/und Umschalten der verwendeten Steuer-/Regellogik zwischen einer Basiskonfiguration und wenigstens einer Sonderkonfiguration.
Tragflügel-Steuer-/Regelverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verändern oder Umschalten mittels der Verstelleinrichtung (50) manuell erfolgt oder/und dass das Verändern oder Umschalten mittels der Verstelleinrichtung (60) in Abhängigkeit von mittels wenigstens einer Sensoreinrichtung (62, 66) erfassten Umgebungsbedingungen oder/und Fahrzuständen des Hydrofoil-Segelfahrzeugs (10) erfolgt.