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Die Erfindung betrifft ein Wasserfahrzeug mit Tragflächen nach Gattung des abhängigen Anspruchs.
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Derartige Wasserfahrzeuge sind insbesondere aus dem Segel-Regattasport bekannt. Beispielhaft sei hier die ,moth class' genannt, die durch die International moth class association‘ IMCA vertreten wird.
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Die
US 6 499 419 B1 zeigt beispielhaft ein Segelboot mit einer Bug-, Kiel- und Heck-Foilstruktur, deren Auftriebskraft durch Änderung der Foil-Winkel so eingestellt wird, dass zwar der Rumpf aber nicht das Schwert aus dem Wasser gehoben wird. Zur Steuerung der Foils ist ein Steuergerät vorgesehen, das beispielsweise mit Sensoren zur Erfassung eines Bootwinkels, einer Geschwindigkeit, einer Höhe über Wasser, eines Drucks oder anderer Parameter verbunden ist.
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Die
US 2 773 467 A zeigt ebenfalls ein Segelboot mit Foils im Bug- Kiel- und Heckbereich, wobei das Foil im Bugbereich als Kontroll-Foil, zur Erfassung der Bootslage ausgebildet ist. In einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, an diesem Kontroll-Foil einen Drucksensor anzuordnen und in Abhängigkeit davon einen Foil-Mechanismus anzusteuern.
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Aus der nicht vorveröffentlichten Anmeldung
DE 10 2017 209 753 A1 ist ferner ein Wasserfahrzeug bekannt, das einen vorausschauenden Abstandssensor als auch einen kapazitiven Wasserstandssensor an einem Schwert aufweist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Steuerung für eine Flugfahrt eines solchen Wasserfahrzeugs zu vereinfachen.
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Die Aufgabe wird durch ein Wasserfahrzeug gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Vorteilhaft ist ein Wasserfahrzeug vorgesehen, mit einer an einem Schwert angeordneten Schwerttragfläche und einer an einem Ruder angeordneten Rudertragfläche,
wobei die Schwert- und/oder die Rudertragfläche elektrisch verstellbar sind/ist, - mit einem Steuergerät zur Steuerung eines Anstellwinkels der Schwert- und/oder Rudertragfläche,
wobei das Schwert und das Ruder jeweils einen kapazitiven Wasserstandssensor zur Erfassung der Schwert- und Rudertragflächen-Eintauchtiefe und/oder Abstand des Rumpfs zur Wasseroberfläche aufweist,
wobei das Steuergerät derart ausgebildet ist, dass die Anstellwinkel der Schwert- und/oder Rudertragflächen in Abhängigkeit der am Schwert und Ruder erfassten Eintauchtiefen gesteuert werden.
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Eine solche Ausgestaltung hat den Vorteil, dass sowohl der Übergang von der Verdrängerfahrt in die Flugfahrt in kontrollierter und sicherer Art und Weise erfolgen kann als auch die Flugfahrt selbst besser kontrolliert werden kann. Ebenso können die übrigen Manöver, insbesondere Wenden oder Halsen, während der Flugfahrt sicher durchgeführt werden.
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Besonders vorteilhaft ist das Steuergerät zur Regelung derart ausgebildet ist, dass ausgehend von den erfassten Abständen zur Wasseroberfläche die Anstellwinkel der Tragflächen derart eingestellt werden, dass die Tragflächen immer unterhalb der Wasseroberfläche bleiben, aber das Boot so hoch wie möglich fliegt.
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Durch dieses Vorgehen, wird ein kritischer Strömungs- bzw. Auftriebsabriss vermieden, der beim Erreichen der Wasseroberfläche einer Tragfläche eintreten kann.
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Hilfreich ist es daher, dass die Steuerung/Regelung derart ausgelegt ist, dass die Schwerttragfläche immer tiefer als eine vorgegebene Mindest-Schwerttragflächen-Eintauchtiefe eintaucht.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist es von Vorteil, wenn am Bug oder Mast des Wasserfahrzeugs ein elektronischer Abstandssensor zur berührungslosen Erfassung eines Abstands einer dem Wasserfahrzeug vorausliegenden Wasseroberfläche angeordnet ist.
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Hierdurch ist eine vorausschauende bzw. zusätzliche Messung der Höhe des Bootes über dem Wasser möglich.
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In einer weiteren nützlichen Ausgestaltung ist es vorgesehen, am Bug oder Mast des Wasserfahrzeugs mehrere Abstandssensoren anzuordnen. Hierdurch ist es besonders vorteilhaft möglich, Amplitude und Form der ankommenden Wellen zu erfassen und die Regelung der Tragflächen entsprechend anzupassen.
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Bevorzugt sind die Abstandssensoren als Ultraschall- oder Radarsensoren ausgebildet.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen schematisch:
- 1 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Tragflächen-Wasserfahrzeug mit Schwerttragflächen-Steuerung,
- 2 ein Wasserfahrzeug mit berührungsloser Abstandsmessung,
- 3 eine Ausgestaltung mit einer Wasserstandsmessung am Schwert und Ruder,
- 4 ein Wasserfahrzeug mit einer berührungslosen Abstandsmessung und Wasserstandsmessung,
- 5 ein Wasserfahrzeug mit mehreren Abstandssensoren.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
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1 zeigt schematisch ein aus dem Stand der Technik bekanntes Wasserfahrzeug 1 mit Tragflächen 25, 35. Ein typischer Vertreter dieser Wasserfahrzeuge ist beispielsweise die so genannte ,moth class' (International Sailing Federation, UK).
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Eine Schwerttragfläche 25 befindet sich am unteren Ende des Schwerts 20 und eine Rudertragfläche 35 am unteren Ende des Ruders 30. Der Vortrieb erfolgt über ein Segel 40, wobei bei ausreichender Fahrt die Tragflächen 25, 35 einen so großen hydrodynamischen Auftrieb erzeugen, dass der Rumpf 10 des Wasserfahrzeuges 1 aus dem Wasser gehoben wird und das Wasserfahrzeug 1 auf den Tragflächen 25, 35 gleitet bzw. fliegt.
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Zur Bereitstellung einer stabilen Flugfahrt bedarf es jedoch einer Vielzahl von Regeleingriffen, die im Wesentlichen manuell über den Steuermann vorgenommen werden müssen.
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Grundsätzlich problematisch ist der Übergang von der Verdrängerfahrt in die Flugfahrt. Beim Austreten des Rumpfs aus dem Wasser nimmt die Geschwindigkeit des Bootes typischerweise zu, so dass der Auftrieb der Tragflächen 25, 35 ebenso zunimmt und das Boot weiter aus dem Wasser gehoben wird. Bei zu großer Geschwindigkeit kann dann die Schwerttragfläche 25 die Wasseroberfläche erreichen, was zu einem sofortigen Zusammenbruch der Auftriebskräfte führt und der Rumpf 10 unkontrolliert wieder ins Wasser eintaucht. Dieser Vorgang birgt große Gefahren.
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Insbesondere besteht auch ein Problem, wenn Wellenzüge auf das Boot zukommen und die die mechanische Regelung in Resonanz bringen, die dann ungünstig aufschaukeln kann und das Boot aus dem Wasser springen lässt.
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Um derartige Situationen zu vermeiden, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, die Höhe des Rumpfes über Wasser hR mit Hilfe eines Abtasters 50, einem so genannten ,Wand‘ abzutasten. Der Abtaster 50 ist über Umlenkrollen 52 und einem 55 Gestänge mit Hebeln mechanisch mit der Schwerttragfläche 25 derart verbunden, so dass die Auftriebskräfte der Schwerttragfläche 25 mit zunehmenden Wasserabstand hR verringert werden. Der Anstellwinkel der Schwerttragfläche 25 kann ggf. sogar soweit verändert werden, dass Abtriebskräfte erzeugt werden.
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Die Lage des Bootes 1 in Relation zur Wasserlinie wird über den Anstellwinkel der Rudertragfläche 35 eingestellt. In der dargestellten Ausführung ist die Pinne 31 des Ruders 30 derart mit der Rudertragfläche 35 verbunden, dass durch axiales Drehen der Pinne 31 der Anstellwinkel der Rudertragfläche 35 manuell durch den Steuermann eingestellt werden kann.
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Ferner kann es vorgesehen sein, das Wasserfahrzeug 1 derart auszugestalten, dass die Länge LK des Schwerts 20 unterhalb des Rumpfes 10 einstellbar ist. Durch diese Einstellung können weitere Parameter der Segeleigenschaften verändert werden.
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2 zeigt eine Anordnung, bei der auf einen Abtaster 50 verzichtet wird und die Wasseroberfläche voraus mit Hilfe eines elektronischen Abstandssensors 60 berührungslos erfasst wird. Die Daten des Abstandssensors 60 werden über eine Signalleitung 65 oder drahtlos an ein Steuergerät 70 weitergegeben, das elektrisch über Steuerleitungen 75 mit einer elektrisch verstellbaren Schwerttragfläche 25 und/oder Rudertragfläche 35 verbunden ist.
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Ausgehend von den vom Abstandssensor 60 erfassten Abstandsdaten werden die Tragflächen 25, 35 über das Steuergerät 70 derart angesteuert, dass die Flugfahrt in Lage und Abstand zur Wasseroberfläche stabil gehalten wird.
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Die Anordnung hat den Vorteil, dass aufgrund der vorausschauenden Erfassung der Wasseroberfläche und der elektrischen Ansteuerung der Tragflächen die Regelzeit deutlich verkürzt werden kann.
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Aufgrund der berührungslosen Erfassung ist es zudem möglich, die Wasseroberfläche nicht nur punktuell, sondern über einen größeren Bereich zu erfassen, so dass einzelne höhere Wellenrippel elektronisch gedämpft werden können und nicht, wie bei mechanischen Systemen, zu Regelschwingungen führen. Zudem kann durch eine berührungslose Messung ein Bereich weit vor dem Boot abgetastet werden, was dem System eine längere Reaktionszeit zur Verfügung stellt, da der Abstand zwischen Schwerttragfläche und abgetasteten Bereich größer wird.
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Die Regelung kann somit beispielsweise anhand eines mittleren Wasserabstands hR_mittel erfolgen. Zur Vermeidung von Strömungsabrissen an einer der Tragflächen 25, 35 ist es vorteilhaft, wenn die Steuerung bzw. Regelung in Hinblick auf eine Mindesteintauchtiefe hKT_min der Schwerttragfläche 25 erfolgt. Diese Mindesteintauchtiefe hKT_min kann beispielsweise ausgehend von den seglerischen Fähigkeiten des Steuermanns vorgegeben werden. Eine sehr große Mindesteintauchtiefe bietet eine große Sicherheit im Hinblick auf Strömungsabrisse bremst jedoch die Fahrt aufgrund der durch Schwert 20 und Ruder 30 benetzten Wasserfläche. Eine sehr geringe Mindesteintauchtiefe ermöglicht hingegen eine schnelle Flugfahrt mit der Gefahr von Strömungsabrissen. Die beschriebene Lösung erlaubt jedoch aufgrund der schnellen Regelung sehr geringe Mindesteintauchtiefen, die durch mechanische Abtastung und manueller Steuerung kaum beherrschbar sind.
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Alternativ oder ergänzend kann es gemäß 3 auch vorgesehen sein, dass anstelle eines vorausschauenden Abstandssensors 60 das Schwert 20 und das Ruder 30 jeweils mit einem kapazitiven Wasserstandssensor 80 ausgestattet sind. Die Wasserstandssensoren 80 sind derart ausgebildet, dass ein ins Wasser eintauchender Bereich bzw. die Tiefe hKT der Schwerttragfläche 25 bzw. der Rudertragfläche 35 unter Wasser und/oder der Abstand hR des Rumpfs 10 zur Wasseroberfläche erfasst werden kann. Durch die Messung am Ruder 30 und am Schwert 20 kann ggf. auch eine Nicklage des Bootes ermittelt werden und die Steuerung des Tragflächen 25, 35 einfließen.
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In einer weiteren Ausgestaltung gemäß 4 kann es vorgesehen sein, die Ausgestaltung gemäß 2 und 3 zu kombinieren und neben dem Schwert-/Ruder-Wasserstandssensor 80 auch einen vorausschauenden Abstandssensor 60 vorzusehen.
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Ein solches Vorgehen hat den Vorteil, dass der Abstand hR des Rumpfes zur Wasseroberfläche bzw. Eintauchtiefe hKT der Schwert-/Rudertragfläche 25, 35 über zwei unabhängige Systeme erfasst werden kann. Wobei der vorausschauende Abstandssensor 60 den Vorteil hat, dass ein möglicher Regelungsbedarf vorausschauend erfasst und eine entsprechende Vorsteuerung frühzeitig eingeleitet werden kann.
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Wie in 5 gezeigt, kann es ferner von Vorteil sein, nicht nur einen Abstandsensor 60, sondern mehrere Abstandssensoren 60 vorzusehen, die beispielsweise einen Nah- und Fernbereich abdecken können. Durch die Abdeckung eines größeren Raumbereiches können die Amplituden und die Form der ankommenden Wellen bestimmt und die Regelung der Anstellwinkel der Tragflächen 25, 35 feiner abgestimmt werden.
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Als Abstandssensoren 60 kommen insbesondere Ultraschall- und/oder Radarsensoren in Betracht. Als Wasserstandsensoren 80 sind insbesondere kapazitive Sensoren geeignet.
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Der Abstandssensor 60 oder die Abstandssensoren 60 müssen nicht notwendigerweise am Bug des Wasserfahrzeugs angeordnet werden. Es eignen sich alle Positionen an denen die dem Fahrzeug vorausliegende Wasseroberfläche erfasst werden kann, insbesondere kommt eine Anordnung an einem Mast des Fahrzeugs in Frage. Insbesondere können auch selbständige Halterungen für die Sensoren vorgesehen sein.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ist insbesondere auch zum Erlernen der Flugfahrt solcher Boote von Interesse. So ist es denkbar, dass mit zunehmender Fahrpraxis die automatischen Eingriffe der Regelung immer weiter reduziert werden.
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Beispielsweise könnte die Regelung nur die Eintauchtiefe der Schwerttragfläche 25 übernehmen, während der Steuermann die Lagekontrolle manuell über die mit der Rudertragfläche 35 verbundene Pinne 31 übernimmt.
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Des Weiteren ist es denkbar, dass die Steuerung/Regelung nur zur Einstellung der Anstellwinkel und Schwertlänge LK des Wasserfahrzeuges 1 herangezogen wird. Beispielsweise könnten vor einer Wettfahrt für die vorherrschende Wind- und Wellensituation mit Hilfe der erfindungsgemäßen Steuerung Parameter ermittelt werden, mit denen dann die Komponenten optimal eingestellt werden.
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Zur Energieversorgung der Steuerung/Regelung und der elektrischen Verstellung der Tragflächen 25, 35 kommen übliche Energieversorgungen in Betracht. Beispielsweise können die Komponenten über eine Batterie versorgt werden, ebenso kommen Solarzellen oder auch Impeller oder Flügelräder in Betracht.
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Die vorgenannten Beispiele sind selbstverständlich auf das beispielhaft gezeigte Segelboot beschränkt, die Erfindung kann ebenso in vergleichbarer Weise für jedwede Art von Wasserfahrzeugen, wie Motorboote, Surfbretter, Kites etc. angewendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wasserfahrzeug,
- 10
- Rumpf,
- 20
- Schwert,
- 25
- Schwerttragfläche,
- 30
- Ruder,
- 35
- Rudertragfläche,
- 40
- Segel
- 50
- Abtaster, ,Wand‘
- 52
- Umlenkrolle,
- 55
- Seilzug,
- 60
- Sensor, Abstandssensor,
- 65
- Signalleitung,
- 70
- Regelung, Steuergerät,
- 75
- Steuerleitungen,
- 80
- Wasserstandssensor,
- hR
- Höhe Rumpf über Wasser,
- hKT
- Tiefe Schwerttragfläche unter Wasser,
- LK
- Länge Schwert ab Rumpfunterseite
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6499419 B1 [0003]
- US 2773467 A [0004]
- DE 102017209753 A1 [0005]
