DE102019206794A1

DE102019206794A1 - Unterwasserfahrzeug

Info

Publication number: DE102019206794A1
Application number: DE102019206794.8A
Authority: DE
Inventors: Gunnar Brink
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2019-05-10
Filing date: 2019-05-10
Publication date: 2020-11-12
Anticipated expiration: 2039-05-11
Also published as: DE102019206794B4; WO2020229182A1

Abstract

Ein Unterwasserfahrzeug umfasst eine Trägerstruktur und eine Außenhülle, die die Trägerstruktur umschließt und als Auftriebskörper für das Unterwasserfahrzeug dient. Die Außenhülle weist einen zu öffnenden Deckel an der Oberseite des Unterwasserfahrzeugs auf.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein Unterwasserfahrzeug, insbesondere auf ein autonomes Unterwasserfahrzeug.
In fast allen Industrien spielt die Einsparung von Rohstoffen, Kosten und Energie bei der Herstellung, Nutzung und Verwertung der Produkte eine zunehmende Rolle. So können das Gesamtgerät, Antriebsquelle und Kraftstoffvorrat kleiner dimensioniert werden. Leichtbau ist heute in allen Branchen bedeutend, besonders im Fahrzeugbau, Schiffbau und Flugzeugbau.
Bei Unterwasser-Systemen ist das nicht anders. Ein Tauchfahrzeug, das bei gleichen Leistungskennzahlen leichter und kleiner ist als bisherige Modelle, ist leichter im Meer auszusetzen und zu bergen. Ein kleinerer Querschnitt führt zu weniger Wasserwiderstand, reduziert den Energieverbrauch des Motors und erhöht die mögliche Geschwindigkeit oder verkleinert entweder den nötigen Batterievorrat, der mitgeführt werden muss, oder erhöht die Reichweite des Fahrzeugs.
Bei Unterwasserfahrzeugen bieten die Druckgefäße einen besonders lohnenden Ansatzpunkt zur Reduzierung von Fahrzeuggewicht und Fahrzeuggrößen. Druckgefäße werden benötigt, weil an Bord Batterien, Motoren, Optiken und vor allem Elektronikkomponenten, die für den Betrieb an Luft entwickelt wurden, vor Korrosion und Umgebungsdruck im Meer geschützt werden müssen. Die dickwandigen Gefäßwände aus Glas, Aluminium, Titan, Edelstahl oder anderen Materialien müssen bei zunehmender Einsatztiefe der Fahrzeuge immer dicker werden und erhöhen das Gewicht. Damit die Fahrzeuge nicht zum Meeresgrund sinken, wird der Abtrieb früher durch Kerosintanks oder heute vor allem durch druckfeste Auftriebskörper aus syntaktischem Schaum ausgeglichen. Je größer und schwerer die Druckgefäße, desto mehr Auftriebsschaum wird benötigt. In einer Gewichtsspirale benötigen größere Fahrzeuge mehr Auftriebsenergie, größere Motoren und mehr Batterie, was wiederum die Größe erhöht.
Neben dem Gewicht des Fahrzeuges sind Handhabbarkeit und Wasserwiderstand wichtige Aspekte bei der Konstruktion. Das betrifft vor allem den Bedarf nach schnellen Turnaround-Zeiten an Deck eines Mutterschiffes oder an anderer Stelle im Einsatz.
US6269763B1 offenbart ein autonomes Wasserfahrzeug. US5,995,882 offenbart einen Antennenmast, der aus dem Tauchfahrzeug nach oben ausfährt, wenn das Fahrzeug an der Wasseroberfläche schwimmt. US8677920B1 offenbart einen ausklappbaren Periskop-Mast. US9315248B2 und US8677920B1 und WO2003059734A1 offenbaren modulares Design mit hintereinander und ggf. auch nebeneinander gesteckten Röhren.
Ein modulares Unterwasserfahrzeug ist in der DE102017200078A1 gezeigt. Ein unbemanntes Wasserfahrzeug ist in der US 20070125289A1 und der US9174713 offenbart (jeweils mit Segmentierung der Module eines Unterwasserfahrzeugs gemäß der Längsachse).
DE102009032364B4 offenbart ein längs und senkrecht zur Fahrzeugachse segmentiertes autonomes Tiefsee-Fahrzeug, wobei in dem offenbarten Ausführungsbeispiel der Hauptträger des Fahrzeugskeletts auf der Oberseite des Fahrzeugs verläuft. Für die Wartung kann man an nur diesem Hauptträger vorbei und erst nach Abnahme von Hülle und Auftriebskörpern auf die zu wartenden technischen Module zugreifen.
Bei den von uns selbst beschriebenen Tauchfahrzeugen (BRINK, Gunnar; GARVELMANN, Meret. USV-UUV Swarm Vehicle Combo for Deep-Sea Exploration, Mapping. SEA TECHNOLOGY, 2018, 59. Jg., Nr. 8, S. 21-24) muss das Fahrzeug, das einen relativ tief liegenden Schwerpunkt aufweist und deshalb nur schwer zu drehen ist, nach der Bergung aus dem Wasser „auf den Rücken“ gedreht werden, damit zunächst auf der Bodenseite Schaum- oder Polypropylenteile entfernt werden können und dann Module entfernt oder gewartet werden können.
US 3608767 beschreibt ein Unterwasserfahrzeug mit verbundenen Schalen in Form von äquatorialen Segmenten aus unidirektional-radial faserverstärkten Harzkugeln. Dieses Beispiel zeigt eine weit verbreitete falsche Annahme, dass das, was an Luft oder im Vakuum als Leichtbau gilt, auch unter Wasser die beste Struktur darstellt. Da reines, ungefülltes Polypropylen wie auch reines Polyethylen leichter als Wasser ist, ist es in der Regel zweckmäßig und gewichtsparend, diese Materialien ohne Faserverstärkung einzusetzen. Diese verbessert zwar die Festigkeit des Materials pro Gewicht, wenn das Gewicht an Luft betrachtet wird. Berücksichtigt man das Gewicht in Wasser, sind nicht faserverstärkte, ungefüllte Polymere den Verbundswerkstoffen häufig überlegen.
Typisches Optimierungsziel für Unterwasserfahrzeuge/autonome Unterwasserfahrzeuge ist ein leichtes und kompaktes Design, da dies das Handling, das Auffinden und das Bergen in das Gewässer/Meer vom Schiff oder von Land aus erleichtert.
Insbesondere beim Betrieb des Unterwasserfahrzeugs von einem Mutterschiff schlagen die hohen Kosten für den Betrieb eines solchen Schiffes zu Buche. Zudem gilt es im Betrieb, bei hinreichend stabilem Wetter zu arbeiten. Das Fahrzeug muss idealerweise rechtzeitig vor einem Unwetter oder wetterbedingtem hohem Wellengang geborgen werden. Je schneller das Fahrzeug wieder aufgeladen werden kann, je schneller Bauteile und Komponenten des Fahrzeugs auf Schäden oder Abnutzung hin untersucht werden können, desto effektiver kann die Zeit auf dem Schiff und während Zeiten, in denen das Wetter mitspielt, genutzt werden.
Kann man bei der Wartung auf ein Drehen des Fahrzeugs verzichten, kann die Aufnahme oder Ablage, auf der das Fahrzeug positioniert wird, einfacher ausgestaltet werden.
Bei den bekannten Ausführungsbeispielen ist aber eine Drehung des Fahrzeugs und/oder die Abnahme mehrerer Bauteile (z. B. Hülle, Auftriebskörper, Strukturbestandteil) notwendig, um die Batterien zu laden und Bauteile zu warten. Heute benötigt man häufig eine drehbare Helling, um das Fahrzeug zu lagern und zu warten.
Daher ist es die technische Aufgabe, ein Unterwasserfahrzeug zu schaffen, das einen verbesserten Kompromiss aus Gewicht, Funktionalität und Handling bietet.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Unterwasserfahrzeug mit einer Trägerstruktur sowie einer Außenhülle. Die Außenhülle umschließt die Trägerstruktur und dient als Auftriebskörper für das Unterwasserfahrzeug. Die Außenhülle hat einen zu öffnenden Deckel, nämlich an der Oberseite des Unterwasserfahrzeugs (die Seite, die bei konventionellem Betrieb im Wasser nach oben zeigt).
Entsprechend Ausführungsbeispielen ist im Inneren der Trägerstruktur, also in dem Bereich, der über den Deckel zugänglich ist, druckneutrale Elektronik angeordnet. Diese kann entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen in einem Druckkörper angeordnet sein. Zu der Elektronik zählt beispielsweise die Steuerungselektronik, Ladeelektronik oder auch der elektrische Antrieb. Alle oder einzelne Komponenten können, wie bereits erwähnt, druckneutral ausgeführt sein, so dass auf den Druckkörper verzichtet werden kann.
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch das Vorsehen einer Außenhülle, die gleichzeitig als Auftriebskörper dient und ausgehend von der vorhandenen Trägerstruktur keine strukturelle Aufgabe übernimmt, das Gesamtgewicht reduziert werden kann. Des Weiteren kann die Außenhülle so designt sein, dass an der Oberseite eine Wartungsklappe (Deckel) vorgesehen ist, um so an die entsprechenden Komponenten zu gelangen. Folglich muss das Fahrzeug bei der Wartung nicht gedreht werden. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann der Aufbau des Unterwasserfahrzeuges aus Polypropylen oder Polyethylen in Verbindung mit syntaktischem Schaum erfolgen. Der syntaktische Schaum wird als Außenhülle verwendet, während Polypropylen und Polyethylen beispielsweise als Trägerstruktur verwendet werden. Dies führt zu einem insgesamt niedrigen Gewicht (vor allem im Wasser).
Die einzelnen Elektronikkomponenten können im gesamten Bereich verteilt sein, so dass auch einige Elemente im inneren der AußenhCiile bzw. insbesondere im Inneren der Trägerstruktur angeordnet sind, auf welche dann Zugriff über den Deckel erreicht wird. Weitere Komponenten wie z. B. ein Navigationsmodul (mit GPS-Antennen) oder ein Funkmodul (Akustikmodem) können direkt an der Außenhülle, z. B. im oberen Bereich der Außenhülle, angeordnet sein. Wenn diese Komponenten nicht im Deckelbereich angeordnet sind, verbleiben sie bei Wartung im unteren Teil des Fahrzeuges und müssen nicht von den anderen Komponenten gelöst werden. Dasselbe gilt auch für Haken, die mit der Trägerstruktur in Eingriff sind und beispielsweise zur Fixierung des Unterwasserfahrzeuges bei der Wartung dienen.
Entsprechend Ausführungsbeispielen sind alle oder zumindest einige der einzelnen Elektronikkomponenten (Navigationsmodul, Funkmodul etc.) mit einer eigenen Stromversorgung ausgestattet. Eine Kopplung der Elemente untereinander, insbesondere eine informative Kopplung der Elemente untereinander, erfolgt beispielsweise über Optokoppler. Deshalb kann entsprechend Ausführungsbeispielen der Druckkörper, der die Elektronik beherbergt, oder die einzelnen Module (Navigationsmodul, Funkmodul oder druckneutrale Elektronik) einen transparenten Bereich im Gehäuse aufweisen. Optische Übertragung der vorverarbeiteten GNSS-Signale an den Druckkörper mit dem Steuerungsmodul vom ganz oder teilweise druckneutral ausgeführten Notmoduls aus ist einfach, robust, sicher, preiswert und erlaubt hohe Übertragungsraten. Das hat auch weitere Vorteile, dass bei der Wartung keine Kabel im Weg sind. Entsprechend Ausführungsbeispielen hat insbesondere das Notfallmodul eine eigene Stromversorgung und ist damit im Notfall sicher. Bei dem Notfallmodul handelt es sich um ein solches, das beispielsweise die Steuerung im Notfall übernimmt und das Fahrzeug an die Wasseroberfläche manövriert bzw. treiben lässt und von hier ein Ortungssignal oder eine Positionsinformation absendet.
Entsprechend Ausführungsbeispielen ist der Deckel verschraubt. Hierbei kann eine Verschraubung gegenüber der Außenhülle oder auch gegenüber der Trägerstruktur stattfinden. Entsprechend einer Variante wäre es denkbar, dass die Schrauben mit einer Vertiefung angeordnet sind bzw. in sogenannte Laschen der Außenhülle eingreifen. Die Laschen stellen einen verstärkten Bereich dar. Das hat den Zweck, dass so eine glatte Oberfläche geschaffen wird, was hydrodynamische Vorteile bietet. Die Befestigung der Deckelplatte über Laschen ist einfach, leicht und leicht herstellbar. Alternativ bzw. additiv wäre es auch denkbar, dass der Deckel über Haken in die Außenhülle eingreift. Diese Haken können auch als Scharnierhaken ausgeführt sein. Auch eine Verbindung von Außenhülle und Deckel über ein Scharnier wäre denkbar.
Entsprechend Ausführungsbeispielen weist die Trägerstruktur Polypropylen, Polyethylen, Titan, oder ein Mischpolymer auf. Entsprechend Ausführungsbeispielen weist die Außenhülle einen syntaktischen Schaum auf. Entsprechend Ausführungsbeispielen weist die Außenhülle in Kombination mit der Trägerstruktur ein spezifisches Gewicht unter 1 kg pro dm³ oder von 0,91 kg pro dm³ auf.
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigt:

1a und 1b schematische Darstellungen (Seitenansicht und Schnittdarstellung) eines Unterwasserfahrzeugs gemäß Basisausführungsbeispielen mit optionalen Merkmalen; und
2a bis 2f Detaildarstellungen eines Unterwasserfahrzeugs zur Veranschaulichung von optionalen Merkmalen.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass gleichwirkende Elemente und Strukturen mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer aufeinander anwendbar bzw. austauschbar ist.
1a zeigt ein Unterwasserfahrzeug 10 mit einem zweigeteilten Körper. Dieser umfasst eine Außenhülle 12a sowie einen Deckel 12d. Diese sind in der 1a in der Seitenansicht gezeigt, wobei 1b einen Schnitt A-A durch den Rumpf darstellt. Aus den zwei Ansichten 1a und 1b wird ersichtlich, dass das Unterwasserfahrzeug beispielsweise eine Torpedoform ausbildet.
Da die Außenhülle umfassend Rumpf und Deckel 12a und 12d aus einem sehr leichten Material gebaut ist, übernimmt ein Skelett bzw. eine Trägerstruktur 14 (vgl. 1b) die Tragfunktion. Das Skelett ist im Inneren des Unterwasserfahrzeugs 10 angeordnet, d. h. also, dass die Außenhülle 12a das Skelett 14 umgibt. Der Deckel 12d schließt die Außenhülle ab und kann beispielsweise mit der Trägerstruktur 14 in Eingriff sein, was aber nicht zwingend notwendig ist.
Die Trägerstruktur 14 kann beispielsweise aus Titan, Aluminium oder einem anderen Metall oder aus reinem Polypropylen oder Polyethylen oder einem Mischpolymer bzw. allgemein einem Propylen gebildet sein. Entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen übernimmt die Außenhülle 12a + 12d bzw. zumindest 12a eine Auftriebsfunktion. Hierbei ist es das Material für die Außenhülle 12a + 12d so gewählt, dass dieses eine Auftriebskraft ausbilden kann. Beispielsweise kann das spezifische Gewicht der Außenhülle kleiner als Wasser sein, z. B. im Bereich von 0,9 kg pro dm³ oder sogar im Bereich von 0,75 oder 0,5 (allgemein < 1,0 bzw. im Bereich von 0,8 bis 1,0 oder 0,2 bis 1,0 oder 0,3 bis 1,0). Ein mögliches Material für die Außenhülle 12a und den Deckel 12d wäre syntaktischer Schaum.
Die Strukturbestandteile 14 des Rumpfes haben beispielsweise ein spezifisches Gewicht unter 1 kg/dm³, idealerweise 0,91 kg/dm³. Wie oben erläutert, sind bevorzugte Materialien Polypropylen, Polyethylen oder ein Copolymer. Entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen kommen keine Füllstoffe oder Faserverstärkungen zum Einsatz. Auch wenn die Trägerelemente dadurch dicker sind als Fiberglas, Aluminium, Rotguss, Titan und Stahl oder andere Verbundswerkstoffe und möglicherweise an Luft schwerer als Bestandteile aus den genannten Materialien, ist das Gewicht dieser Polymere unter Wasser negativ und wirkt der oben genannten Gewichtsspirale entgegen.
Der gesamte Aufbau kann entsprechend Ausführungsbeispielen ein sogenanntes „free-flooded design“ aufweisen. Free-flooded Design (Fahrzeuginneres wird innen vom Wasser durchströmt) ist aus DE102009032364B4 bekannt. In dem hier vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es in Verbindung mit Sandwich-Aufbau mit abnehmbarer Deckplatte mit wenig oder idealerweise gar keinen elektrischen Kabeln/Steckern zum darunter liegenden Rumpf realisiert: Nur ein abzunehmendes Teil für die Wartung.
Dieser Aufbau aus Trägerstruktur 14 und Außenhülle 12a ist vorteilhaft, weil die Stabilitätsfunktion durch ein Skelett übernommen wird, während der Auftrieb im Wesentlichen durch die Außenhülle generiert wird. Die Außenhülle kann in einem derartigen Fall möglichst glatt ausgeführt sein, was hydrodynamische Vorteile bietet. Die Kombination aus Skelett und Außenhülle kann allgemein als Leichtbaukonstruktion bezeichnet werden. Durch die Verwendung eines Deckels an der Oberseite (die Seite, die alleine durch die Gewichtskraft und die Auftriebskraft im Wasser zu der Oberfläche hinzeigt bzw. sich oberhalb der Oberfläche befindet) wird eine gute Ergonomie sichergestellt, so dass das Unterwasserfahrzeug beim Bergen und Warten nicht mehr gedreht werden muss, sondern ein einfacher Zugang zu den Komponenten im inneren der Außenhülle 12a sichergestellt sein.
Entsprechend Ausführungsbeispielen ist die Deckelplatte 12d mit einem spezifischen Gewicht deutlich kleiner als Wasser geformt (beispielsweise syntaktischer Schaum), wobei gegebenenfalls Verstärkungen oder Verbindungselemente aus einem anderen Polymer möglich wären. Die Deckelplatte hat somit Auftriebseigenschaften. Ferner ist sie in Bezug auf ihre Außenform an die Außenform der Außenhülle 12a angepasst und liefert somit einen hydrodynamischen Beitrag. Auch die Außenhaut 12a ist bevorzugterweise aus einem leichten Material geformt, das Auftriebseigenschaften hat. Durch unterschiedliche Materialwahl zwischen der Außenhaut 12a und dem Deckel 12d kann - entsprechend Ausführungsbeispielen - der Schwerpunkt austariert werden, z. B. dass der Schwerpunkt im Wesentlichen unten ist, um möglichst viel Stabilität im Wasser zu generieren. Ein tiefer Schwerpunkt des Fahrzeugs verhindert Rollbewegung und wirkt dem Drehmoment des Propellers entgegen. Hierbei sind selbstverständlich auch weitere Komponenten wie z. B. das Gewicht des Skeletts 14 oder auch Gewicht vom Batterieantrieb oder anderen elektrischen Komponenten zu berücksichtigen
Anhand von 1a und 1b sind einige optionale Komponenten wie z. B. der Antrieb 16 umfassend den Motor 16m und die Schraube 16s sowie das Ruderwerk 18, umfassend Seitenruder 18s und Höhenruder 18h dargestellt. Antrieb 16 und Ruderwerk 18 befinden sich bevorzugterweise im Bereich des Hecks.
Im Rumpfbereich weist das Unterwasserfahrzeug 10 einen Kiel auf, in welchem ein Sonar bzw. allgemein Messgerät zu Bestimmung der Bewegung in Bezug auf den Meeresboden 20 (DVL, Doppler-Velocity Log) angeordnet sein kann. Bei einem DLV handelt sich um ein Sonar mit mehreren Antennen, die in unterschiedliche Richtungen auf den Gewässergrund/Meeresboden gerichtet sind und die Geschwindigkeit über Grund zuverlässig misst. DVL gibt es auch bei normalen Schiffen. Theoretisch könnte man ein DVL auch optisch realisieren.
Die Außenhülle 10a oder auch der Deckel 10d kann ein oder mehrere Haken 22 bzw. eine Augenschraube 22 aufweisen, mittels der das Unterwasserfahrzeug 10 geborgen werden kann. Entsprechend einer bevorzugten Variante ist der Haken 22 an der Nase des Fahrzeuges. Haken sind so montiert, dass die Kräfte beim Ausbringen und Bergen des Fahrzeugs mit Kran oder Rampe vorzugsweise am schwereren und stabileren Rumpf angreifen und nicht an der Deckplatte. Der Haken 22 kann entsprechend Ausführungsbeispielen auch direkt mit dem Skelett 14 verschraubt sein, z. B. über einen Steg des Skelettes 14 (nicht dargestellt).
Das Unterwasserfahrzeug hat entsprechend Ausführungsbeispielen optionale Elektronikkomponenten. Diese können entweder druckneutral ausgeführt sein oder auch in einem Druckkörper angeordnet sein. Exemplarisch ist hier der Druckkörper 24 mit beispielsweise Inertial-Navigationssystem (INS) und ein Steuerrechner gezeigt. Der Steuerrechner dient beispielsweise zur Ansteuerung des Antriebs 16 sowie der Ruderanlage 18. Hierbei können Kabelverbindungen oder auch optische Verbindungen zum Einsatz kommen. Ein INS enthält z.B. Trägheitsensoren und Kreisel, zum Beispiel Laserkreisel, sowie eine Rechnereinheit, die die Sensorsignale im INS und welche von außerhalb (z.B. Tiefenmesser und DVL) miteinander fusioniert.
Der Druckkörper 24 kann im Inneren des Bugs, d. h. im Bereich des Skeletts 14 angeordnet sein und ist von oben bei abgenommenem Deckel 12d zugänglich. Des Weiteren kann in der Druckkammer 24 auch ein Stromversorgungsmodul, das mit den Akkus (vgl. Bezugszeichen 40 in 2f) aufweisen.
Als Vertreter einer druckneutralen Elektronik ist hier exemplarisch die GPS/GNSS-Antenne 26 mit integriertem Akustikmodem 26 dargestellt. Diese kann bzw. ist bevorzugterweise im oberen Bereich des Unterwasserfahrzeugs 10, z. B. in der Außenhülle 12a oder auch im Deckel 12d angeordnet. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann das GNSS/GPS- und Antennenmodul 26 eine eigene Stromversorgung in einer eigenen kleinen Druckkapsel aufweisen oder komplett druckneutral ausgeführt sein. Das erhöht die Modularisierung und führt zudem dazu, dass der Stromausfall im Rumpf, wie für das Auffinden und Bergen wichtigen GNSS-Empfänger und/oder die Antenne mit Strom versorgt bleibt. In einer möglichen Ausführung wird eine kommerziell erhältliche Satellitenbake verwendet. Wenn das Tauchfahrzeug an die Oberfläche zurückkehrt, beginnt die Satellitebake automatisch zu senden, um ein Satellitensignal bereitzustellen, das bei Auffinden und Bergen des Tauchfahrzeugs hilft. Die Kommunikation zwischen Steuerrechner (vgl. Bezugszeichen 24) und GNSS/Akustikmodemmodul kann mittels Optokopplern erfolgen. Exemplarisch ist hier ein optischer Tunnel 28 eingezeichnet. Ein Optokoppler zwischen dem eben genannten GNSS und Antennenmodul und dem Haupt-Druckkörper mit Steuerungseinheit oder der druckneutral aufgebauten Steuerungseinheit vermittelt die GPS-Position durch ein Glasfenster oder ein Glasfaserkabel auch an die Steuerungseinheit.
GPS- und Antenneneinheit können druckneutral aufgebaut sein. Sie können komplett in einem druckfesten Glas- oder Plastikdruckkörper untergebracht sein oder es können druckneutrale Elemente mit einem Druckkörper (Metall, Kunststoff oder Glas) verbunden sein. Sie können auch Beleuchtungen oder Blicklichter enthalten, die das Auffinden erleichtern und andere Fahrzeuge warnen. Diese Lichter können in der gleichen Einheit wie GNSS und Antenne integriert oder separat an der Deckplatte befestigt sein.
Das akustische Modem (USBL/LBL) für Positionsbestimmung und/oder Kommunikation zwischen Fahrzeugen sowie auch ggf. Augenschrauben zum Heben des Fahrzeugs befinden sich auf Sockeln und sind unabhängig von Deckplatte auf Rumpf montiert.
Entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Auftriebskraft des Auftriebskörpers 12a + 12d und die Gewichtskraft des Unterwasserfahrzeugs 10 zusammen mit dem Schwerpunkt derart austariert, dass beim Treiben das Unterwasserfahrzeug 10 an der Wasseroberfläche treibt und hierbei die Antenne und das GPS-Modul 26 möglichst hoch über den Wellen ist.
Bezugnehmend auf 2a bis 2f werden nun optionale Merkmale erläutert.
2a zeigt einen Ein- und Ausschalter 31 und Sensoren 31 (Hall-Effekt-Sensoren) oder eine Lichtschnittstelle bzw. einen Lichtsensor 31. Diese sind alle im Bereich der Außenhülle 12a, d. h. also im Bereich des Rumpfelements und nicht im Bereich des Deckels angeordnet, um die Verkabelung zu vereinfachen. 2a zeigt auch das Ineinandergreifen von Deckel 12d und Rumpf 12a. Die Außenhülle 12a bzw. der Rumpf 12a hat eine Öffnung 12o, in die der Deckel 12d eingreift. Der Deckel 12d kann beispielsweise mittels Scharnieren und/oder Schraubverbindungen mit dem Skelett 14 bzw. der Außenhülle 12a verbunden sein.
In 2b ist eine mögliche Variante gezeigt, nämlich dass der Deckel 12d im vorderen Bereich mit der Außenhülle über ein Scharnier 12s verbunden ist, während hinten eine Schraubverbindung 12v zum Einsatz kommt. Der Deckel ist hinsichtlich seiner Größe so ausgebildet, dass er in die Öffnung 12o passt bzw. die Öffnung 12o bedeckt. In anderen Worten lässt sich der Verschluss als Art Kofferraumverschluss bezeichnen. Statt der Verschraubung 12v kann selbstverständlich auch ein Einrastmechanismus oder Ähnliches zum Einsatz kommen. Entsprechend Ausführungsbeispielen ist Schamier 12s und Verschraubung 12v bzw. die anderen Verschlussmittel derart ausgeführt, dass die Auftriebskraft des Auftriebskörpers 12d entsprechend eingeleitet werden kann.
Hierbei wäre es denkbar, dass die Verschraubung 12v mit der Außenhülle 12a in Eingriff ist oder dass direkt eine Verbindung zum Skelett 14 aufgebaut wird.
Eine derartige Variante (Ausführungsbeispiel) wird bezugnehmend auf 2d erläutert.
2d zeigt den Deckel 12d und einen Ausleger des Skeletts 14a. Der Deckel 12d hat eine Aussparung 12da, die beispielsweise mittels einer Lasche 121 (z. B. aus V2A oder V4A) ausgekleidet ist. In diese Lasche 121 greift die Schraube 12v ein, die über die Lasche 121 den Deckel 12d mit der Trägerstruktur 14a verbindet. Hierzu kann die Trägerstruktur 14a ein Innengewinde aufweisen. Die Schraube ist ebenfalls aus V2A oder V4A ausgebildet und kann bevorzugterweise einen Schraubenkopf aufweisen, der möglichst glatt ist. Eine mögliche Variante wäre eine Spannkopfschraube. Der Ausleger 14a, der beispielsweise aus Polypropylen geformt ist, kann entweder ein Gewinde direkt aufweisen oder eine Einschraubmutter.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Variante mit allen Details in Kombination erläutert, wobei, wie oben dargelegt, diese Details sich zwar auch gut ergänzen, nicht aber zwingend bedingen.
Bei einer möglichen Ausführung sind die Platten aus Schaum mit Aussparungen auf der Oberseite versehen. In die Polymerteile, an denen die Schaumplatten befestigt werden sollen, sind Bohrungen mit Einschraubmuttern eingearbeitet. Laschen mit einer zentralen Bohrung werden auf die Aussparungen im Schaum aufgelegt. Diese Laschen werden dann mit Schrauben auf den Polymerteilen festgeschraubt. Die Laschen können aus Stahl, Edelstahl, eloxiertem seewasserfestem Aluminium, Fiberglas oder anderen Materialien bestehen.
Die Schraubenköpfe können als Spannerschrauben mit zwei (oder mehr) rechteckigen oder runden Bohrungen versehen sein, damit die Oberflächenkontur des Fahrzeugs nur gering unterbrochen und damit der Wasserwiderstand möglichst klein bleibt.
In einer anderen Ausführung sind auf einer Seite (z. B. vorne) der Deckplatte auf der Unterseite Stifte, die in gabeiförmige Aufnahmen an der Oberseite des Rumpfes eingeschoben werden (oder umgekehrt: die Gabeln an der Deckplatte und die Stifte am Rumpf).
Auf der anderen Seite (z. B. hinten) ist ein Verschluss ähnlich einem Kofferraumverschluss eines PKW mit einem federnd angebrachten Knopf vorgesehen, der einrasten kann. Alles ist dem Seewasser zugänglich gefertigt. Innendruck gleich Außendruck. Alle Befestigungen müssen so ausgelegt sein, dass die Kräfte durch den Abtrieb des Rumpfes sicher auf die Deckplatte übertragen werden können.
Bezüglich der Verbindung von Trägerstruktur 14 bzw. 14a und den Außenhautteilen 12a und 12d sei darauf hingewiesen, dass die Kompressionsmodule der Werkstoffe unterschiedlich sein können. Beispielsweise werden Metalle bei hohen Druckverhältnissen kaum komprimiert, während manche Kunststoffe in ihrem Volumen beim Abtauchen in die Tiefe um bis zu 7 % verändert werden. Diese Effekte können bei den Verbindungen berücksichtigt werden. Bei Verbindungen unterschiedlicher Materialien für Tiefseeanwendungen, bei denen sich der Außendruck beim Einsatz über mehrere Skalen ändert, werden möglichst kleine Toleranzen/Spielräume für die Bewegung gelassen. Die Verbindungen sind allerdings so stabil ausgelegt, dass der Auftriebskörper 12a + 12d die Kräfte des Auftriebs der schweren Komponenten kompensiert und ebendiese Kräfte auf die Trägerstruktur 14 übertragen werden können.
Bezugnehmend auf 2c und 2d wird die Anordnung des Modems/der GPS-Antenne 26 erläutert. Diese kann entsprechend Ausführungsbeispielen im Deckel 12d angeordnet sein oder durch diesen hindurchragen. Hierzu wäre dann ein Ausleger 14a, z. B. des Skeletts, vorzusehen.
Anhand von 2e wird ein weiteres optionales Merkmal gezeigt; hier ist eine Stahlplatte bzw. allgemein ein Gewicht im Rumpf/am Kiel vorgesehen, das zur Längsstabilisierung dient. Das Gewicht ist mit dem Bezugszeichen 43 markiert. Alternativ oder additiv können entsprechend Ausführungsbeispielen in dem Bereich des Kiels (d. h. auf der Unterseite des Unterwasserfahrzeugs 10) auch die gewichtsintensiven Komponenten wie z. B. die Akkus 40 vorgesehen sein.
Bei den Akkus kann es sich beispielsweise um rechteckige, druckneutrale/drucktolerante Akkus handeln, die waagrecht an der Unterseite des Rumpfes angebracht sind, um den Schwerpunkt niedrig zu halten. Diese Anordnung ist in 2f dargestellt. Bei den Akkus können beispielsweise Lithium-Polymer- oder Lithium-Schwefei-Zeiien zum Einsatz kommen.
Das Ausführungsbeispiel weist wenig Schraubenköpfe, Bohrungen oder andere hydrodynamisch störende Teile auf, die aus dem Fahrzeug herausragen oder in sonstiger Weise das Umströmen des Fahrzeugs behindern.
Bezugszeichenliste

10: Unterwasserfahrzeug
24: Druckkörper
12a: Außenhülle
12d: Deckel
14: Trägerstruktur
22: Haken
26: Navigationsmodul
26: Funkmodul
28: Optokoppler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6269763 B1 [0006]
US 5995882 [0006]
US 8677920 B1 [0006]
US 9315248 B2 [0006]
WO 2003059734 A1 [0006]
DE 102017200078 A1 [0007]
US 20070125289 A1 [0007]
US 9174713 [0007]
DE 102009032364 B4 [0008, 0030]
US 3608767 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

BRINK, Gunnar; GARVELMANN, Meret. USV-UUV Swarm Vehicle Combo for Deep-Sea Exploration, Mapping. SEA TECHNOLOGY, 2018, 59. Jg., Nr. 8, S. 21-24 [0009]

Claims

Unterwasserfahrzeug (10) mit folgenden Merkmalen: einer Trägerstruktur (14); einer Außenhülle (12a), die die Trägerstruktur (14) umschließt und als Auftriebskörper für das Unterwasserfahrzeug (10) dient, wobei die Außenhülle (12a) einen zu öffnenden Deckel (12d) an einer Oberseite des Unterwasserfahrzeugs (10) aufweist.
Unterwasserfahrzeug (10) gemäß Anspruch 1, wobei das Unterwasserfahrzeug (10) eine Elektronik, druckneutrale Elektronik und/oder einen Druckkörper (24) umfasst, in welchem eine Elektronik angeordnet ist.
Unterwasserfahrzeug (10) gemäß Anspruch 2, wobei das Unterwasserfahrzeug (10) ein Navigationsmodul (26) und/oder ein Funkmodul (26) aufweist; oder wobei das Unterwasserfahrzeug (10) ein Navigationsmodul (26) und/oder ein Funkmodul (26) aufweist und wobei das Navigationsmodul (26) und/oder das Funkmodul (26) jeweils eine eigene Stromversorgung aufweisen.
Unterwasserfahrzeug (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Navigationsmodul (26) und/oder das Funkmodul (26) informativ mit der Elektronik über einen Optokoppler (28) verbunden ist.
Unterwasserfahrzeug (10) gemäß Anspruch 4, wobei der Druckkörper (24) einen transparenten Bereich aufweist, im Bereich welches der Optokoppler (28) der Elektronik angeordnet ist.
Unterwasserfahrzeug (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Unterwasserfahrzeug (10) ein oder mehrere Batterien aufweist, die auf einer Unterseite des Unterwasserfahrzeugs (10), die der Oberseite des Unterwasserfahrzeugs (10) gegenüberliegt, angeordnet sind.
Unterwasserfahrzeug (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Deckel (12d) mittels Schrauben mit der Außenhülle (12a) und/oder der Trägerstruktur (14) verbunden ist.
Unterwasserfahrzeug (10) gemäß Anspruch 7, wobei die Schrauben über eine Lasche in die Außenhülle (12a) eingreifen und/oder wobei die Schrauben in eine Vertiefung versenkt sind.
Unterwasserfahrzeug (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei Deckel (12d) und Außenhülle (12a) mittels Haken (22) ineinandergreifen.
Unterwasserfahrzeug (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Deckel (12d) mit der Außenhülle (12a) über ein oder mehrere Scharniere und/oder ein oder mehrere Scharnierhaken verbunden ist.
Unterwasserfahrzeug (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Trägerstruktur (14) Polypropylen, Polyethylen, Titan, oder ein Mischpolymer aufweist.
Unterwasserfahrzeug (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Außenhülle (12a) einen syntaktischen Schaum aufweist.
Unterwasserfahrzeug (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Außenhülle (12a) in Kombination mit der Trägerstruktur (14) ein spezifisches Gewicht unter 1 kg pro dm³ oder von 0,91 kg pro dm³ aufweist.
Unterwasserfahrzeug (10) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 13, wobei das Navigationsmodul (26) und/oder das Funkmodul (26) auf der Oberseite der Außenhülle (12a) angeordnet ist.
Unterwasserfahrzeug (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Unterwasserfahrzeug (10) ein autonomes Unterwasserfahrzeug (10) ist.