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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren, um ein getauchtes Unterwasserfahrzeug in einer gewünschten Tauchtiefe zu halten.
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Bei ausreichend großer Fahrgeschwindigkeit lässt sich das Unterwasserfahrzeug mit Hilfe der Tiefenruder in dieser Tauchtiefe halten. Bei geringerer Fahrgeschwindigkeit, beispielsweise geringer als 4 kn, wirken die Tiefenruder sowie sonstige Steuerflächen nicht mehr ausreichend. Dann wird das Unterwasserfahrzeug dadurch in der gewünschten Tauchtiefe gehalten, dass es in einen Schwebezustand gebracht und in diesem gehalten wird (hovering). In diesem Schwebezustand stimmt idealerweise das Gewicht des Unterwasserfahrzeugs mit dem Auftrieb überein, der bekanntlich gleich dem Gewicht des vom Unterwasserfahrzeug verdrängten Wassers ist. Die Umgebungsbedingungen, beispielsweise Wasserströmungen und daraus resultierende veränderliche Wassertemperaturen, führen aber dazu, dass der Auftrieb sich laufend ändert und daher ein Stellglied des Unterwasserfahrzeugs aktiv angesteuert werden muss, um den Schwebezustand beizubehalten. Verschiedene Ansätze sind bekannt geworden, um dies zu erreichen.
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Bekannt ist, das Gewicht des getauchten Unterwasserfahrzeugs dadurch zu verändern, dass Wasser in einen Tank des Unterwasserfahrzeugs gefördert wird oder fließen kann (Fluten des Tanks) oder aus diesem Tank heraus gefördert wird (Lenzen des Tanks). Mindestens ein Stellglied wird entsprechend angesteuert.
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In
DE 19537642 A1 wird eine aktive Regelung beschrieben, um ein Unterseeboot
1 durch Fluten oder Lenzen von Tanks in einer gewünschten Tauchtiefe zu halten. Das Automatisierungssystem besitzt einen Regelkreis
2 für die Pumpen, die Wasser in den oder aus dem Tank fördern, einen Geschwindigkeitsregler
4 und einen Positionsregler
5. Das Automatisierungssystem verarbeitet ein mathematisches Modell des getauchten Unterseeboots
1.
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Auch in
DE 19537643 C1 wird eine Regelung beschrieben, um ein Unterseeboot in einer gewünschten Tauchtiefe zu halten. Ein Regelkreis
2 regelt eine Pumpe für einen Tank. Der Einfluss des Seegangs auf das Unterseeboot wird berücksichtigt. Eine Einrichtung 300 misst das elektrische Pumpmoment und analysiert die Unruhe, die der Seegang in der Stellgröße (Ansteuerung der Pumpe) hervorruft.
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In
DE 10017361 A1 zeigt
1 einen Tank (Regelzelle
4) im Innenraum
2 eines Unterwasserfahrzeugs. Diese Regelzelle
4 ist über ein Rohr
5 mit einer Öffnung
6 in der Bootshülle
1 verbunden. Wasser
7 fließt in die Regelzelle
4, wenn eine Klappe
8 geöffnet ist (Fluten der Regelzelle
4). Ein Ventil
14 lässt sich öffnen, und Luft kann durch eine Öffnung
13 aus der Regelzelle
4 ausfließen. Umgekehrt lässt sich die Regelzelle
4 leeren (Lenzen der Regelzelle
4), indem ein Ventil
17 geöffnet wird und Druckluft durch die Öffnung
3 in die Regelzelle
4 fließt und Wasser verdrängt. Die Ventile
14 und
17 werden gemäß einer aktiven Regelung geöffnet und geschlossen. Das Regelziel ist, eine Druckdifferenz
21 auf einen vorgegebenen Sollwert
25 einzuregeln. Diese Druckdifferenz
21 ist die Differenz zwischen dem Druck, den das Luftpolster
10 auf das Wasser in der Regelzelle
4 ausübt, und dem Wasserdruck
3 außerhalb der Bootshülle
1.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schweberegelungs-Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Unterwasserfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 12 bereitzustellen, bei denen es nicht erforderlich ist, stets einen Tank im Inneren des Druckkörpers zu fluten oder zu lenzen, um die Tauchtiefe des Unterwasserfahrzeugs zu verändern.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Schweberegelungs-Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und ein Unterwasserfahrzeug mit den in Anspruch 12 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
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Das Verfahren zur Schweberegelung vermag die Tauchtiefe eines Unterwasserfahrzeugs zu verändern. Dieses Unterwasserfahrzeug umfasst
- - einen Druckkörper,
- - mindestens einen beweglichen Außen-Bestandteil,
- - mindestens ein Stellglied pro beweglichem Außen-Bestandteil,
- - einen Tiefensensor und
- - ein datenverarbeitendes Steuergerät.
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Der Druckkörper vermag dem Wasserdruck des umgebenden Wassers bis zu einer vorgegebenen maximalen Tauchtiefe standzuhalten. Der oder jeder bewegliche Außen-Bestandteil ist vollständig oder wenigstens teilweise außen am Druckkörper montiert und ragt dadurch zumindest dann in das umgebende Wasser hinein, wenn das Unterwasserfahrzeug vollständig abgetaucht ist. Der Außen-Bestandteil lässt sich relativ zum Druckkörper bewegen, und dadurch lassen sich die Position des Außen-Bestandteils relativ zum Druckkörper und damit die Eindringtiefe in das umgebende Wasser verändern. Das zugeordnete Stellglied vermag diese Relativ-Bewegung in wenigstens eine Richtung zu bewirken.
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Der Tiefensensor vermag die aktuelle tatsächliche Tauchtiefe des Wasserfahrzeugs zu messen. Das Steuergerät vermag Signale von dem Tiefensensor zu verarbeiten und Stellbefehle für das oder jedes Stellglied zu generieren, und zwar abhängig von Signalen des Tiefensensors.
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Das Verfahren zur Schweberegelung umfasst die folgenden Schritte:
- - Eine Soll-Tauchtiefe wird vorgegeben. Das Unterwasserfahrzeug soll diese Soll-Tauchtiefe erreichen oder in dieser Soll-Tauchtiefe verbleiben.
- - Falls die Abweichung zwischen der vorgegebenen Soll-Tauchtiefe und der gemessenen tatsächlichen Tauchtiefe größer als eine vorgegebene Toleranz ist, so löst das Steuergerät automatisch mindestens einen Schritt aus, um die Abweichung zwischen der Soll-Tauchtiefe und der tatsächlichen Tauchtiefe zu verringern.
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Der oder mindestens ein ausgelöster Schritt, um die Abweichung zu verringern, ist als ein Volumen-Veränderungs-Vorgang ausgestaltet, durch den das Volumen des getauchten Unterwasserfahrzeugs und damit das Gewicht des verdrängten Wassers verändert wird.
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Der oder mindestens ein Volumen-Veränderungs-Vorgang umfasst die folgenden Schritte:
- - Das Steuergerät steuert das oder ein Stellglied für den oder mindestens einen beweglichen Außen-Bestandteil an. Die Ansteuerung wird abhängig von der Abweichung zwischen den beiden Tauchtiefen durchgeführt.
- - Das angesteuerte Stellglied verändert die Position des oder jedes zugeordneten Außen-Bestandteils relativ zum Druckkörper des Unterwasserfahrzeugs. Durch diese Bewegung wird die Eindringtiefe des Außen-Bestandteils in das umgebende Wasser verändert.
- - Diese Veränderung der Eindringtiefe verändert das Volumen des getauchten Unterwasserfahrzeugs und damit das Volumen und somit das Gewicht des vom getauchten Unterwasserfahrzeug verdrängten Wassers.
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Die Erfindung ermöglicht eine so genannte Schweberegelung (hovering), also eine Regelung der Tauchtiefe, bei der nicht notwendigerweise ein Tiefenruder des Unterwasserfahrzeugs verwendet wird. Insbesondere dann, wenn das Unterwasserfahrzeug nur eine geringe Fahrt relativ zum umgebenden Wasser macht, vermag ein Tiefenruder oft nicht oder nicht ausreichend die Tauchtiefe des Unterwasserfahrzeugs zu verändern.
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Die Erfindung ermöglicht eine Schweberegelung für ein Unterwasserfahrzeug, ohne dass Wasser in das Innere des Unterwasserfahrzeugs gelassen werden muss oder aus dem Inneren hinaus gefördert werden muss. Die Erfindung erspart die Notwendigkeit, jedes Mal einen Tank im Inneren des Unterwasserfahrzeugs zu fluten oder zu lenzen, wenn bei einer Schweberegelung die Tauchtiefe verändert werden soll. Die Erfindung lässt sich aber in Kombination mit einem solchen Tank realisieren.
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Im Vergleich zu einer Ausgestaltung, bei der ein Tank geflutet oder gelenzt wird, hat die lösungsgemäße Schweberegelung mit einem Volumen-Veränderungs-Vorgang mehrere Vorteile. Der Außen-Bestandteil lässt sich in der Regel rasch ausfahren oder einziehen, so dass die Schweberegelung rasch auf eine Abweichung zwischen der geforderten Soll-Tauchtiefe und einer gemessenen tatsächlichen Tauchtiefe reagieren kann. Das Ausfahren oder Einziehen des oder eines Außen-Bestandteils erfordert oft weniger Zeit als das Fluten oder Lenzen eines Tanks. Ein Stellglied zum Bewegen des Außen-Bestandteils benötigt oft weniger elektrische oder hydraulische oder pneumatische Energie als eine Pumpe für einen Tank.
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Ermöglicht wird, die Position des Außen-Bestandteils relativ zum Druckkörper des Unterwasserfahrzeugs schrittweise oder probeweise zu verändern, die Auswirkung der Veränderung auf die Tauchtiefe zu messen und bei Bedarf erneut die Position zu verändern. Weiterhin wird ermöglicht, nacheinander schrittweise oder probeweise mehrere Außen-Bestandteile zu bewegen. Nicht erforderlich ist es, ein mathematisches Modell für das Unterwasserfahrzeug oder für das Fluten oder Lenzen eines Tanks bereitzustellen. Weiterhin ist es nicht erforderlich, eine Pumpe oder Druckluft an Bord des Unterwasserfahrzeugs bereitstellen zu müssen oder den Wasserdruck oder Luftdruck im Inneren eines solchen Tanks zu messen. In vielen Ausgestaltungen verursacht die Bewegung des Außen-Bestandteils außerdem weniger Geräusche und weniger Verwirbelung im Wasser als das Fluten oder Lenzen eines Tanks.
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In vielen Ausgestaltungen erfordert die Erfindung keine zusätzlichen Bestandteile. Mindestens ein Außen-Bestandteil, dessen Position relativ zum Druckkörper des Unterwasserfahrzeugs sich verändern lässt, ist in der Regel bereits montiert, wird bislang allerdings für andere Zwecke verwendet. In einer Ausgestaltung ist der oder mindestens ein beweglicher Außen-Bestandteil - bei normaler Schwimmlage des Unterwasserfahrzeugs - oben am Druckkörper montiert, beispielsweise an einem Turm eines Unterseeboots. Beispiele für einen solchen Außen-Bestandteil sind: ein ausfahrbarer Mast für eine Antenne, ein Schnorchel, ein Sehrohr. Auch das erforderliche Stellglied für einen solchen Außen-Bestandteil ist in der Regel bereits vorhanden. In der Regel besitzt das Unterwasserfahrzeug außerdem bereits einen Tiefensensor und ein Steuergerät, welches mit dem Tiefensensor verbunden ist. Oft reicht es aus, die Erfindung ausschließlich dadurch an Bord eines vorhandenen Unterwasserfahrzeugs zu realisieren, dass Software auf dem Steuergerät ergänzt oder entsprechend abgeändert wird.
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In einer Ausgestaltung ist der oder ein Außen-Bestandteil, der relativ zum Druckkörper beweglich ist, vollständig oder wenigstens teilweise mit dem umgebenden Wasser gefüllt und steht in Fluidverbindung mit dem umgebenden Wasser. Dadurch tritt keine Druckdifferenz zwischen dem Inneren des Außen-Bestandteils und dem umgebenden Wasser auf. Möglich ist, dass bei einem Ausfahren des Außen-Bestandteils zusätzliches Wasser in das Innere des Außen-Bestandteils eindringt, so dass beim Ausfahren sowohl das Volumen und damit das Gewicht des verdrängten Wassers als auch das Gewicht des getauchten Unterwasserfahrzeugs vergrößert wird. Falls diese beiden Vergrößerungen nicht exakt übereinstimmen, wirkt eine nach oben oder nach unten wirkende Kraft auf das Unterwasserfahrzeug. Das entsprechende gilt, wenn der Außen-Bestandteil eingefahren wird und Wasser aus dem Inneren des Außen-Bestandteils heraus gefördert wird.
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In einer anderen Ausgestaltung steht der oder mindestens ein beweglicher Außen-Bestandteil nicht in einer Fluidverbindung mit dem umgebenden Wasser, sondern ist mit dem Inneren des Druckkörpers verbunden und / oder ist mit Luft oder einem anderen Gas gefüllt. Ein Ausfahren dieses Außen-Bestandteils verändert das Gewicht des getauchten Unterwasserfahrzeugs somit nicht, erhöht aber das Volumen des Unterwasserfahrzeugs und damit das Gewicht des verdrängten Wassers und damit den Auftrieb. Das Entsprechende gilt, wenn der Außen-Bestandteil eingezogen wird. Vorzugsweise wird das Eindringen von umgebendem Wasser in das Innere des Außen-Bestandteils verhindert. Dies kann durch entsprechende Dichtungen realisiert werden.
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In einer Ausführungsform ist in das Innere des oder mindestens eines Außen-Bestandteils ein elastischer und hohler Körper eingesetzt, beispielsweise eine Tasche oder ein Sack. Indem Luft oder ein anderes Gas in den elastischen Körper gefördert wird, wird das Volumen des Körpers und / oder der Innendruck im Körper vergrößert. In einer Ausgestaltung wird der Körper dadurch von innen gegen mindestens eine Wand des Außen-Bestandteils gepresst, wodurch der Außen-Bestandteil abgedichtet wird. Der Vorgang, Gas in den Körper zu fördern, kann beim Vorgang durchgeführt werden, den Außen-Bestandteil relativ zum Druckkörper auszufahren und dadurch das Volumen des getauchten Unterwasserfahrzeugs zu vergrößern. Möglich ist auch, dass der Vorgang, den Körper mit dem Gas zu füllen, den Vorgang bewirkt, den Außen-Bestandteil auszufahren. Entsprechend kann Gas aus dem Körper entweichen, wenn der Außen-Bestandteil eingezogen und dadurch das Volumen des Unterwasserfahrzeugs verkleinert wird. Möglich ist, dass das Entweichen von Gas aus dem Körper ermöglicht wird und dadurch der Druck des umgebenden Wassers den Außen-Bestandteil relativ zum Druckkörper bewegt und dadurch das Volumen des Unterwasserfahrzeugs verkleinert.
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In einer Ausgestaltung wird der Außen-Bestandteil bei seiner Bewegung relativ zum Druckkörper von einer Führungseinrichtung geführt. Diese Führungseinrichtung kann am Druckkörper befestigt sein, also nicht relativ zum Druckkörper beweglich sein. In einer Ausgestaltung vermag ein Stellglied, beispielsweise eine hydraulische oder pneumatische Kolben-Zylinder-Einheit oder ein elektrischer Schrittmotor, den Außen-Bestandteil relativ zum Druckkörper zu bewegen. Dieses Stellglied kann sich am Druckkörper stützen. Das Stellglied selbst ist nicht notwendigerweise relativ zum Druckkörper beweglich und trägt in einer Ausgestaltung nur dadurch zur VolumenVeränderung bei, dass es den Außen-Bestandteil bewegt.
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In einer Ausgestaltung ist der oder mindestens ein Außen-Bestandteil relativ zum Druckkörper linear beweglich, beispielsweise zwischen zwei Endpositionen. In einer Ausgestaltung schränkt eine Führungseinrichtung die möglichen Bewegungen des Außen-Bestandteils relativ zum Druckkörper auf eine lineare oder gekrümmte Bahn ein.
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Vorzugsweise steuert das Steuergerät das Stellglied für den oder einen Außen-Bestandteil so an, dass folgendes bewirkt wird: Falls die Soll-Tauchtiefe des Unterwasserfahrzeugs kleiner als die tatsächliche Tauchtiefe ist, so zieht das Stellglied den Außen-Bestandteil ein, und die Eindringtiefe des Außen-Bestandteils in das umgebende Wasser wird verringert. Dadurch verringern sich das Volumen des Unterwasserfahrzeugs und somit das Gewicht des verdrängten Wassers, und das Unterwasserfahrzeug sinkt ab. Falls die Soll-Tauchtiefe größer als die tatsächliche Tauchtiefe ist, so fährt das Stellglied den Außen-Bestandteil aus, und die Eindringtiefe des Außen-Bestandteils in das umgebende Wasser wird vergrößert. Dadurch vergrößern sich das Volumen des Unterwasserfahrzeugs und somit das Gewicht des verdrängten Wassers, und das Unterwasserfahrzeug steigt auf. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Tauchtiefe wiederholt gemessen, beispielsweise mit einer vorgegebenen Abtastrate. Spätestens dann, wenn die gemessene tatsächliche Tauchtiefe von der vorgegebenen Soll-Tauchtiefe um mehr als eine vorgegebenen Toleranz abweicht, wird ein Volumen-Veränderungs-Vorgang durchgeführt, bei denen der oder mindestens ein Außen-Bestandteil ausgefahren oder eingezogen wird. Möglich ist, den Volumen-Veränderungs-Vorgang bereits auszulösen, bevor die Abweichung zwischen der gemessenen Tauchtiefe und der Soll-Tauchtiefe größer als die Toleranz ist. Durch diese Ausgestaltungen lässt sich das Unterwasserfahrzeug mit einer vorgegebenen Toleranz in einer vorgegebenen Tauchtiefe halten.
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Lösungsgemäß steuert das Steuergerät das Stellglied für den Außen-Bestandteil abhängig von der Regelabweichung, also der Abweichung zwischen den beiden Tauchtiefen, an. In verschiedenen möglichen Ausgestaltungen verwendet das Steuergerät zusätzlich zu der Regelabweichung mindestens einen der folgenden Parameter, um das Stellglied anzusteuern:
- - Die tatsächliche Tauchtiefe wird an mehreren aufeinanderfolgenden Zeitpunkten gemessen, und die jeweils gemessene Tauchtiefe wird abgespeichert. Das Steuergerät berechnet hieraus einen zeitlichen Verlauf der Regelabweichung und steuert das Stellglied abhängig von dem zeitlichen Verlauf an.
- - Vorzugsweise steuert das Steuergerät das Stellglied so an, dass folgendes bewirkt wird: Die Position des Außen-Bestandteils wird dann stärker verändert, wenn die Regelabweichung ansteigt, und wird weniger verändert, wenn sie sinkt. Durch diese Ausgestaltung wird erreicht, dass die Regelabweichung rasch reduziert wird.
- - Ein Positionssensor misst die aktuelle Position des Außen-Bestandteils. Der Stellbefehl an das Stellglied hängt zusätzlich von der gemessenen aktuellen Position ab. Dadurch lässt sich beispielsweise verhindern, dass der Außen-Bestandteil die voll ausgefahrene oder die voll eingezogene Endposition erreicht, was manchmal unerwünscht ist. Möglich ist auch, dass die Geschwindigkeit, mit der der Außen-Bestandteil bewegt wird, kleiner ist, wenn der Außen-Bestandteil nahe einer Endposition ist, so dass eine Endlagendämpfung erzielt wird, verglichen mit einer annähernd mittigen Position.
- - Der Stellbefehl hängt zusätzlich zur Regelabweichung von der aktuellen tatsächlichen Tauchtiefe ab. Der Tiefensensor an Bord des Unterwasserfahrzeugs misst ein Maß für die tatsächliche Tauchtiefe. In einer Ausgestaltung wird verhindert, dass der Außen-Bestandteil so weit ausgefahren wird, dass er nach oben aus dem Wasser ragt oder von unten gegen einen auf dem Wasser schwimmenden Gegenstand stößt. Dies ist manchmal unerwünscht. In einer Ausgestaltung hängen die Geschwindigkeit, mit welcher der Außen-Bestandteil relativ zum Druckkörper bewegt wird, und damit der Stellbefehl von der gemessenen Tauchtiefe ab.
- - Ein Sensor an Bord des Unterwasserfahrzeugs misst den aktuellen Abstand zwischen dem getauchten Unterwasserfahrzeug und einem Gewässergrund. Der Stellbefehl hängt zusätzlich von diesem Abstand ab. Verhindert wird, dass der Außen-Bestandteil so weit ausgefahren wird, dass er gegen den Gewässergrund stößt.
- - Ein Temperatursensor an Bord des Unterwasserfahrzeugs misst die aktuelle Temperatur des umgebenden Wassers. Die Ansteuerung des Stellglieds und damit die Positions-Veränderung hängt zusätzlich von der gemessenen Wassertemperatur ab. Bekanntlich hängt der Auftrieb nicht nur vom Volumen des verdrängten Wassers ab, sondern auch von dessen spezifischer Wichte, die wiederum von der Wassertemperatur abhängt.
- - Ein Geschwindigkeits-Sensor misst die Fahrgeschwindigkeit des Unterwasserfahrzeugs relativ zum umgebenden Wasser. Der Stellbefehl, den das Steuergerät generiert, hängt zusätzlich von der gemessenen Fahrgeschwindigkeit ab. In einer Ausgestaltung wird nur dann ein Volumen-Veränderungs-Vorgang durchgeführt, wenn die Fahrgeschwindigkeit unterhalb einer vorgegebenen Geschwindigkeitsschranke liegt. In einer Ausgestaltung werden die Position des Außen-Bestandteils und damit das Volumen des Unterwasserfahrzeugs umso stärker verändert, je geringer die Fahrgeschwindigkeit ist. Denn je geringer die Fahrgeschwindigkeit ist, desto weniger vermag ein Tiefenruder Einfluss auf die tatsächliche Tauchtiefe zu nehmen, und oder desto geringer sind Verwirbelungen im umgebenden Wasser, die die Positions-Veränderung auslöst.
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In einer Ausgestaltung umfasst das Unterwasserfahrzeug mehrere Außen-Bestandteile, die relativ zum Druckkörper beweglich sind, sowie jeweils mindestens ein Stellglied für jeden beweglichen Außen-Bestandteil. Möglich ist, dass das Steuergerät bei einer Regelabweichung jedes Stellglied ansteuert, so dass die jeweilige Position jedes Außen-Bestandteils relativ zum Druckkörper verändert wird. Diese Ausgestaltung verändert die tatsächliche Tauchtiefe des Unterwasserfahrzeugs rascher, als wenn nur ein Außen-Bestandteil ausgefahren oder eingezogen wird.
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In einer anderen Ausgestaltung wählt das Steuergerät automatisch mindestens einen Außen-Bestandteil aus und steuert nur das Stellglied für den oder jeden ausgewählten Außen-Bestandteil an. Beispielsweise wählt das Steuergerät einen Außen-Bestandteil abhängig von den gemessenen aktuellen Positionen der Außen-Bestandteile und bevorzugt von weiteren, oben bereits genannten Parametern aus und / oder abhängig von der aktuellen Betriebssituation oder von der erzielbaren Bewegungsgeschwindigkeit. In einer dritten Ausgestaltung wählt das Steuergerät einen ersten Außen-Bestandteil aus und löst den Vorgang aus, dass ein Stellglied diesen ausgewählten Außen-Bestandteil relativ zum Druckkörper bewegt. Falls der bewegte erste Außen-Bestandteil eine Endposition erreicht hat und die tatsächliche Tauchtiefe immer noch von der Soll-Tauchtiefe abweicht, so wählt das Steuergerät einen zweiten Außen-Bestandteil aus und löst den Schritt aus, dass auch dieser zweite Außen-Bestandteil relativ zum Druckkörper bewegt wird. Die zweite und die dritte Ausgestaltung verhindern insbesondere, dass ein Außen-Bestandteil in eine unerwünschte Position bewegt wird. Die Ausgestaltung mit mehreren ansteuerbaren Stellgliedern für unterschiedliche Außen-Bestandteile ermöglicht es darüber hinaus, auch dann einen Volumen-Veränderungs-Vorgang durchzuführen, falls ein Außen-Bestandteil aktuell nicht bewegt werden kann, beispielsweise weil das zugeordnete Stellglied defekt ist, oder wenn die Position eines Außen-Bestandteils aktuell unverändert bleiben soll.
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In einer Ausgestaltung wird das Gewicht des Unterwasserfahrzeugs verändert, wenn und solange die Regelabweichung (Abweichung zwischen Soll- und Ist-Tauchtiefe) oberhalb einer vorgegebenen Abweichungs-Schranke liegt. Vorzugsweise wird das Gewicht verändert, indem mindestens ein Tank im Inneren des Druckkörpers geflutet oder gelenzt wird. Diese Gewichtsveränderung bewirkt, dass die tatsächliche Tauchtiefe des Unterwasserfahrzeugs sich rasch verändert. Möglich ist, dass abhängig von der Größe der Regelabweichung ein größerer und / oder ein kleinerer Tank geflutet oder gelenzt wird. Wenn und solange die Regelabweichung innerhalb einer vorgegebenen Abweichungs-Schranke liegt, aber noch oberhalb einer vorgegebenen Toleranz, wird mindestens einmal das Volumen des Unterwasserfahrzeugs lösungsgemäß verändert, indem der oder mindestens ein Außen-Bestandteil ausgefahren oder eingezogen wird. Vorzugsweise bleibt das Gewicht des Unterwasserfahrzeugs unverändert, solange die Regelabweichung innerhalb der vorgegebenen Abweichungs-Schranke liegt.
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Das Unterwasserfahrzeug kann ein bemanntes oder ein unbemanntes Fahrzeug sein. Im Falle eines unbemannten Fahrzeugs kann das Unterwasserfahrzeug autonom operieren oder ferngesteuert sein. Die Soll-Tauchtiefe kann von einem Besatzungsmitglied des Unterwasserfahrzeugs oder im Falle eines ferngesteuerten Unterwasserfahrzeugs von einem Besatzungsmitglied eines Mutterschiffs oder einer landgestützten oder luftgestützten Plattform vorgegeben werden. Möglich ist auch, dass die Soll-Tauchtiefe in einem Datenspeicher eines Steuergeräts des Unterwasserfahrzeugs abgespeichert wird, beispielsweise bevor das Unterwasserfahrzeug seiner Fahrt unter Wasser beginnt, und während der Fahrt von diesem Steuergerät vorgegeben wird, vorzugsweise ohne dass eine Benutzereingabe erforderlich ist. Ein Steuergerät, welches einen Volumen-Veränderungs-Vorgang auslöst, kann an Bord des Unterwasserfahrzeugs selbst montiert sein oder an Bord einer Plattform außerhalb des Unterwasserfahrzeugs. Das Unterwasserfahrzeug kann einen eigenen Antrieb aufweisen oder von einem anderen Wasserfahrzeug durch das Wasser gezogen oder geschoben werden. Das Unterwasserfahrzeug kann für zivile und / oder für militärische Zwecke ausgestaltet sein.
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Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Schweberegelung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigen
- 1 schematisch in Seitenansicht ein Unterseeboot;
- 2 schematisch einen Regelkreis für die Schweberegelung.
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Im Ausführungsbeispiel wird die Erfindung in einem bemannten Unterwasserfahrzeug in Form eines Unterseeboots (U-Boots) eingesetzt. In 1 wird schematisch in Seitenansicht ein solches Unterseeboot (U-Boot) 1 gezeigt. Das U-Boot 1 befindet sich unterhalb der Wasseroberfläche WO und bewegt sich in einer Fahrtrichtung FR (in 1 von links nach rechts) durchs Wasser. Ein Besatzungsmitglied des U-Boots 1 gibt eine gewünschte Tauchtiefe vor. Die tatsächliche Tauchtiefe soll nur innerhalb einer vorgegebenen Toleranz von dieser vorgegebenen Tauchtiefe abweichen. Ein Geschwindigkeits-Sensor (nicht gezeigt) misst die aktuelle Fahrgeschwindigkeit des U-Boots 1 relativ zum umgebenden Wasser.
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Wie üblich umfasst das U-Boot 1 eine Druckhülle 7 und einen Turm 8, die zusammen einen Druckkörper bilden. An der Druckhülle 7 des beispielhaften U-Boots 1 sind mehrere Heckruder 5 und ein Propeller 6 montiert. Am Turm 8 sind seitlich zwei Tiefenruder 9 sowie oben ein ausfahrbarer Mast 2, ein Angriffs-Sehrohr 4 und ein Nacht-Sehrohr 3 montiert. An der Druckhülle 7 in einer Position vor dem Turm 8 können weitere Tiefenruder (nicht gezeigt) angeordnet sein. Der bewegliche Mast 2 trägt eine Antenne 10 sowie einen Schnorchel 11. Auch die beiden Sehrohre 3 und 4 lassen sich ausfahren und einziehen, was in 1 durch jeweils einen Doppelpfeil angedeutet ist. Im Turm 8 sind entsprechende ansteuerbare Stellmotoren 30, 31, 32 für den Mast 2 und für die Sehrohre 3, 4 angeordnet. Der Mast 2 und die Sehrohre 3 und 4 fungieren als bewegliche Außen-Bestandteile im Sinne der Patentansprüche, die sich unabhängig voneinander relativ zum Druckkörper 7, 8 bewegen lassen.
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Im Ausführungsbeispiel ist im Inneren der Druckhülle
7 eine Regelzelle
12 angeordnet, die über eine Leitung
13 mit dem umgebenden Wasser (Seewasser oder Wasser eines Binnengewässers) in Verbindung steht. Eine ansteuerbare Klappe (nicht gezeigt) in der Druckhülle
7 vermag die Leitung
13 zu öffnen und zu schließen. Ein ebenfalls nicht gezeigtes Stellglied vermag diese Klappe zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Position hin und her zu bewegen. Vorzugsweise schließt die geschlossene Klappe bündig mit der Druckhülle
7. Eine Pumpe
26 vermag die Regelzelle
12 zu lenzen und in einer Ausgestaltung auch zu fluten. Die Regelzelle
12 wird beispielsweise so wie in
DE 10017361 A1 beschrieben geflutet und gelenzt. Mit Hilfe dieser Regelzelle
12 lässt sich das Gewicht des U-Boots
1 grob einstellen. Möglich ist, dass im Inneren der Druckhülle
7 außerdem mindestens eine Tieflenzzelle (nicht gezeigt) vorhanden ist, deren Volumen kleiner als das der Regelzelle
12 ist und die sich ebenfalls fluten oder lenzen lässt, um das Gewicht feiner abzustimmen. Die im Folgenden beschrieben Ausführungsform der Erfindung ermöglicht eine Schweberegelung für das getauchte U-Boot
1, ohne dass in jeder Betriebssituation notwendigerweise Wasser gefördert werden muss.
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Die Erfindung lässt sich mit der Verwendung einer Regelzelle und / oder mindestens einer Tieflenzzelle kombinieren. In einer Ausführungsform hängt es von der Betriebssituation ab, welche Form der Tauchtiefen-Regelung aktuell angewendet wird. Bei ausreichend hoher Fahrgeschwindigkeit relativ zum umgebenden Wasser wird die Tauchtiefe des U-Boots 1 mit Hilfe der Tiefenruder 9 am Turm 8 verändert und / oder auf einem gewünschten Wert gehalten. Eine Schweberegelung wird durchgeführt, wenn die Geschwindigkeit des U-Boots 1 relativ zum umgebenden Wasser so gering ist, dass die Tiefenruder 9 die Tauchtiefe nicht ausreichend zu verändern vermögen. Die Regelzelle 12 oder eine Tieflenzzelle wird geflutet oder gelenzt, um die tatsächliche Tauchtiefe des U-Boots 1 in die Nähe der vorgegebenen Soll-Tauchtiefe zu bringen. Die lösungsgemäße Schweberegelung wird verwendet, um die Abweichung zwischen tatsächlicher und geforderter Tauchtiefe weiter zu verringern. Die lösungsgemäße Schweberegelung lässt sich auch dann anwenden, wenn die tatsächliche Tauchtiefe bereits nahe der Soll-Tauchtiefe ist, aber noch nicht nahe genug, oder wenn in der aktuellen Betriebssituation kein Wasser gefördert werden kann oder darf.
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2 zeigt schematisch einen beispielhaften Regelkreis für die lösungsgemäße Schweberegelung (Hovering) des Ausführungsbeispiels. Bei dieser Schweberegelung wird im Gegensatz zu bekannten Verfahren nicht das Gewicht des U-Boots 1 verändert, sondern das Volumen des vom getauchten U-Boot 1 verdrängten Wassers und damit der Auftrieb, der auf das U-Boot 1 einwirkt. In 2 werden das U-Boot 1, der ausfahrbaren Mast 2 und die beiden Sehrohre 3 und 4 gezeigt. Außerdem werden folgende Bestandteile des Regelkreises gezeigt:
- - ein Tiefensensor 20,
- - drei Positionssensoren 21, 22 und 23,
- - drei Stellmotoren 30, 31 und 32 sowie
- - ein Steuergerät in Form eines elektronischen Reglers 40.
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Der Tiefensensor 20 misst die aktuelle tatsächliche Tauchtiefe dep_act des U-Boots 1. Bevorzugt misst der Tiefensensor 20 eine Größe, die von dem Wasserdruck abhängt, den das umgebende Wasser auf die Druckhülle 7 ausübt. Diese gemessene Größe ist ein Maß für die tatsächliche Tauchtiefe. Bevorzugt misst der Tiefensensor 20 die aktuelle tatsächliche Tauchtiefe dep_act laufend während der Tauchfahrt, bevorzugt mit einer vorgegebenen Abtastrate. Der Positionssensor 21 misst die Position des ausfahrbaren Mastes 2 relativ zum Turm 8. Der Positionssensor 21 misst also, wie weit der Mast 2 aus dem Turm 8 ausgefahren ist. Der Positionssensor 22 misst die Position des Angriffs-Sehrohrs 4 relativ zum Turm 8. Ein weiterer Positionssensor 23 misst die Positionen des Nacht-Sehrohrs 3 relativ zum Turm 8. In einer Ausgestaltung misst ein Temperatursensor (nicht gezeigt) die Temperatur des umgebenden Wassers.
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Der Stellmotor 30 vermag den Mast 2 relativ zum Turm 8 auf und ab zu bewegen, bis der Mast 2 eine obere Endposition oder eine untere Endposition erreicht hat. Im Ausführungsbeispiel ist der Stellmotor 30 als doppelt wirkende hydraulische oder pneumatische Kolben-Zylinder-Einheit realisiert. Bevorzugt vermag der Stellmotor 20 den Mast 2 stufenlos auf und ab zu bewegen, d.h. der Mast 2 kann wahlweise eine vollständig ausgefahren Position, eine vollständig eingefahrene Position und jede Zwischenposition zwischen diesen beiden Endpositionen erreichen. Der Stellmotor 31 vermag das Angriffs-Sehrohr 4 auf und ab zu bewegen, und zwar vorzugsweise ebenfalls stufenlos. Im Ausführungsbeispiel ist der Stellmotor 31 als elektrischer Schrittmotor realisiert. Ein weiterer Stellmotor 32 vermag das Nacht-Sehrohr 3 auf und ab zu bewegen, und zwar vorzugsweise ebenfalls stufenlos, und ist bevorzugt ebenfalls als elektrischer Schrittmotor realisiert.
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Die vorgegebene Soll-Tauchtiefe dep_req wird dem Regler 40 vorgegeben, beispielsweise durch eine entsprechende Benutzereingabe. Der elektronische Regler 40 erhält Signale von den Sensoren 20, 21, 22, vom Geschwindigkeits-Sensor und in einer Ausgestaltung von dem Temperatursensor und / oder von weiteren Sensoren und generiert abhängig von den oder wenigstens einigen Sensor-Signalen automatisch Stellbefehle für die Stellmotoren 30, 31, 32 und in einer Ausgestaltung für weitere Stellmotoren.
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Der Regler 40 vergleicht die vorgegebene Soll-Tauchtiefe dep_req mit der aktuellen tatsächlichen Tauchtiefe dep_act, welche vom Tiefensensor 20 gemessen wurde, und berechnet dadurch die Regelabweichung, nämlich die Abweichung | dep_req - dep_act | zwischen den beiden Tauchtiefe dep_req und dep_act. Falls die Regelabweichung unterhalb der Abweichungs-Schranke und oberhalb einer vorgegebenen Toleranz liegt, so löst der Regler 40 automatisch einen Volumen-Veränderungs-Vorgang aus, und zwar wie folgt: Falls die geforderte Soll-Tauchtiefe dep_req größer als die aktuelle tatsächliche Tauchtiefe dep_act ist, so veranlasst der Regler 40, dass das Volumen des getauchten U-Boots 1 verringert wird. Dadurch verringert sich bei gleich bleibendem Gewicht des U-Boots 1 auch der Auftrieb, und das U-Boot 1 sinkt ab, d.h. die tatsächliche Tauchtiefe wird vergrößert. Falls umgekehrt die Soll-Tauchtiefe dep_req kleiner als die aktuelle tatsächliche Tauchtiefe dep_act ist, so veranlasst der Regler 40, dass das Volumen des getauchten U-Boots 1 vergrößert wird. Dadurch vergrößert sich auch der Auftrieb, und das U-Boot 1 sinkt ab, d.h. die tatsächliche Tauchtiefe wird verkleinert.
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Der Regler 40 veranlasst eine Verringerung des U-Boot-Volumens, indem der Regler 40 automatisch mindestens eine der folgenden Maßnahmen auslöst:
- - Der Mast 2 wird eingezogen.
- - Das Angriffs-Sehrohr 4 wird eingezogen.
- - Das Nacht-Sehrohr 3 wird eingezogen.
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Entsprechend veranlasst der Regler 40 eine Vergrößerung des U-Boot-Volumens, indem der Regler 40 automatisch mindestens eine der folgenden Maßnahmen auslöst:
- - Der Mast 2 wird ausgefahren.
- - Das Angriffs-Sehrohr 4 wird ausgefahren.
- - Das Nacht-Sehrohr 3 wird ausgefahren.
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Welche dieser Maßnahmen der Regler 40 auslöst und um welche Strecke ein Außen-Bestandteil 2, 3, 4 eingezogen oder ausgefahren wird, hängt in einer Ausgestaltung von mindestens einem der folgenden gemessenen Parameter ab:
- - der aktuellen Position eines Bestandteils 2, 3, 4 relativ zum Turm 8, insbesondere ob ein Bestandteil 2, 3, 4 sich aktuell überhaupt einziehen oder ausfahren lässt,
- - vom Abstand zwischen dem Bestandteil 2, 3, 4 und der Wasseroberfläche WO (oft soll kein Bestandteil 2, 3, 4 aus dem Wasser ragen),
- - der Regelabweichung, also der Abweichung | dep_req - dep_act | zwischen der Soll-Tauchtiefe dep_req und der aktuellen tatsächlichen Tauchtiefe dep_act,
- - der zeitlichen Entwicklung der tatsächlichen Tauchtiefe, welche der Regler 40 bevorzugt aus Messwerten berechnet, die in der Vergangenheit gemessen und abgespeichert wurden, und somit von der zeitlichen Entwicklung der Regelabweichung | dep_req - dep_act |,
- - in einer Ausgestaltung zusätzlich von der Temperatur des umgebenden Wassers, die bekanntlich ebenfalls das Gewicht des vom U-Boot 1 verdrängten Wassers und damit den Auftrieb verändert, und
- - in einer Ausgestaltung zusätzlich von der gemessenen Fahrgeschwindigkeit des U-Boots 1 relativ zum umgebenden Wasser.
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In der gerade beschriebenen Ausgestaltung wird das Volumen des U-Boots 1 dadurch verändert, dass ein Außen-Bestandteil 2, 3, 4 eingezogen oder ausgefahren wird, der für einen anderen Zweck an Bord des U-Boots 1 vorhanden ist und nunmehr für einen zusätzlichen Zweck, nämlich für die Schweberegelung, verwendet wird. In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das U-Boot 1 einen Außen-Bestandteil, der ausschließlich den Zweck hat, das Volumen des U-Boots 1 verändern zu können. Beispielsweise bewegt ein Stellmotor einen Kolben oder einen Zylinder relativ zur Druckhülle 7 und verändert dadurch das Volumen des U-Boots 1.
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Im Ausführungsbeispiel ist jeder bewegliche Außen-Bestandteil 2, 3, 4 gegen das umgebende Wasser abgedichtet. In einer Ausgestaltung sind entsprechende Dichtungen zwischen dem Außen-Bestandteil 2, 3, 4 und dem Druckkörper 7, 8 vorhanden. Die nachfolgend beschriebene alternative Ausgestaltung lässt sich in Verbindung mit einer solchen Dichtung einsetzen oder als Ersatz für solche Dichtung.
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In das Innere eines Außen-Bestandteils ist ein elastischer und hohler Körper (nicht gezeigt) eingesetzt, beispielsweise eine Tasche oder ein Sack. Indem Luft oder ein anderes Gas in den elastischen Körper gefördert wird, werden das Volumen des Körpers und / oder der Innendruck im Körper vergrößert. Wenn das Gas wieder aus dem elektrischen Körper abgelassen wird oder entweichen kann, werden das Volumen und / oder der Innendruck verringert. Der elastische Körper kann dazu beitragen, den Außen-Bestandteil von innen abzudichten. Weiterhin kann die Zufuhr oder das Entweichen von Gas dazu beitragen, den Außen-Bestandteil zu bewegen.
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Wie bereits erwähnt, lassen sich in einer Ausgestaltung sowohl das Gewicht als auch des Volumen des U-Boots 1 verändert. Das Gewicht lässt sich verändern, indem ein Gewichts-Veränderungs-Vorgang durchgeführt wird, bei dem die Regelzelle 12 und / oder eine Tieflenzzelle geflutet oder gelenzt wird. Das Volumen lässt sich verändern, indem ein Volumen-Veränderungs-Vorgang durchgeführt wird, bei dem ein Außen-Bestandteil 2, 3, 4 eingezogen oder ausgefahren wird. Vorzugsweise bleibt das Gewicht des U-Boots 1 hierbei unverändert. In einer Ausgestaltung wird mindestens einmal ein Gewichts-Veränderungs-Vorgang durchgeführt, wenn die Regelabweichung oberhalb einer vorgegebenen Abweichungs-Schranke liegt. Sobald und solange die Regelabweichung zwar noch oberhalb der gegebenen Toleranz liegt, aber unterhalb der vorgegebenen Abweichungs-Schranke, wird mindestens ein Volumen-Veränderungs-Vorgang durchgeführt.
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Bezugszeichen
- 1
- Unterseeboot (U-Boot)
- 2
- ausfahrbarer Mast mit Antenne 10 und Schnorchel 11, lässt sich vom Stellmotor 30 bewegen, fungiert als ein beweglicher Außen-Bestandteil
- 3
- Nacht-Sehrohr (Periskop), lässt sich vom Stellmotor 32 bewegen, fungiert als ein beweglicher Außen-Bestandteil
- 4
- Angriffs-Sehrohr (Periskop), lässt sich vom Stellmotor 31 bewegen, fungiert als ein beweglicher Außen-Bestandteil
- 5
- Heckruder
- 6
- Propeller
- 7
- Druckhülle, gehört zum Druckkörper des U-Boots 1
- 8
- Turm, trägt das Tiefenruder 9, den Mast 2 und die beiden Sehrohre 3 und 4, gehört zum Druckkörper des U-Boots 1
- 9
- Tiefenruder, am Turm 8 montiert
- 10
- Antenne am ausfahrbaren Mast 2
- 11
- Schnorchel im ausfahrbaren Mast 2
- 12
- Regelzelle im Inneren der Druckhülle 7, über die Leitung 13 mit dem umgebenden Wasser verbunden
- 13
- Leitung, verbindet die Regelzelle 12 mit dem umgebenden Wasser
- 20
- Tiefensensor, misst die tatsächliche Tauchtiefe dep_act des U-Boots 1
- 21
- Positionssensor für den ausfahrbaren Mast 2
- 22
- Positionssensor für das Angriffs-Sehrohr 4
- 23
- Positionssensor für das Nacht-Sehrohr 3
- 26
- Pumpe zum Fluten und / oder Lenzen der Regelzelle 12
- 30
- Stellmotor für den ausfahrbaren Mast 2, als doppelt wirkende Kolben-Zylinder-Einheit realisiert
- 31
- Stellmotor für das Angriffs-Sehrohr 4, als elektrischer Schrittmotor realisiert
- 32
- Stellmotor für das Nacht-Sehrohr 3, als elektrischer Schrittmotor realisiert
- 40
- elektronischer Regler, erhält Signale von den Sensoren 20, 21, 22, 23, generiert Stellbefehle für die Stellmotoren 30, 31, 32
- dep_act
- tatsächliche Tauchtiefe des U-Boots 1, vom Tiefensensor 20 gemessen
- dep_req
- vorgegebene Soll-Tauchtiefe
- FR
- Fahrtrichtung des U-Boots 1
- W0
- Wasseroberfläche
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19537642 A1 [0004]
- DE 19537643 C1 [0005]
- DE 10017361 A1 [0006, 0034]
