DE102019206795A1

DE102019206795A1 - UNDERWATER VEHICLE

Info

Publication number: DE102019206795A1
Application number: DE102019206795.6A
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: WO2020229185A1; DE102019206795B4

Abstract

Ein Unterwasserfahrzeug umfasst ein erstes Höhenruder, ein zweites Höhenruder bzw. allgemein Höhensteuermittel. Das erste Höhenruder ist am Heck angeordnet und ausgebildet, in eine Abtauchposition und/oder eine Auftauchposition geschwenkt zu werden. Das zweite Höhenruder bzw. die Höhensteuermittel sind an der Front angeordnet und ausgebildet, um in eine Einfahrposition eingefahren zu werden und in eine Ausfahrposition ausgefahren zu werden. Das zweite Höhenruder bzw. die Höhensteuermittel werden in die Ausfahrposition ausgefahren, wenn das erste Höhenruder in die Abtauchposition geschwenkt wird und/oder ist.An underwater vehicle comprises a first elevator, a second elevator or, in general, height control means. The first elevator is arranged at the stern and is designed to be swiveled into a diving position and / or an ascent position. The second elevator or the height control means are arranged at the front and designed to be retracted into a retracted position and to be extended into an extended position. The second elevator or the height control means are extended into the extended position when the first elevator is and / or is pivoted into the dipping position.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein Unterwasserfahrzeug, insbesondere ein autonomes Unterwasserfahrzeug. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zum Betreiben desselben. Bevorzugte Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein unbemanntes Tauchfahrzeug mit einziehbarem Bugruder.Embodiments of the present invention relate to an underwater vehicle, in particular an autonomous underwater vehicle. Further exemplary embodiments relate to a method for operating the same. Preferred exemplary embodiments relate to an unmanned submersible vehicle with a retractable bow rudder.

Die vertikale Bewegung eines Tauchfahrzeugs durch das Wasser wird durch die Bug- und Heckruder gesteuert. Dies sind horizontale Ruder, die paarweise an beiden Seiten des Rumpfes, am Bug und Heck befestigt sind. Bei manchen U-Boote sind zusätzlich zu den Heckrudern und statt Bugrudern Höhenruder am Turm des U-Bootes befestigt.The vertical movement of a submersible through the water is controlled by the bow and stern rudders. These are horizontal oars attached in pairs on both sides of the hull, at the bow and stern. In some submarines, elevators are attached to the tower of the submarine in addition to the stern rudders and instead of bow rudders.

Bei üblichen bemannten U-Booten wird das Tauchen durch das Füllen der Ballasttanks mit Wasser unterstützt. Autonome Tauchfahrzeuge haben in der Regel gar keine Ballasttanks. Deren Gesamtgewicht ist so tariert, dass das eigene Gewicht etwa dem Gewicht des verdrängten Wassers fast entspricht. Sobald der Motor abgeschaltet ist, tauchen diese Fahrzeuge von selbst an die Wasseroberfläche zurück. Wenn kein Antrieb aktiv ist, treiben diese Fahrzeuge zu etwa 90% ihres Volumens unter der Wasseroberfläche und nur 10% oder weniger ragen über die Wasseroberfläche hinaus.In common manned submarines, diving is assisted by filling the ballast tanks with water. Autonomous submersible vehicles usually have no ballast tanks at all. Their total weight is tared so that their own weight almost corresponds to the weight of the displaced water. As soon as the engine is switched off, these vehicles return to the surface of the water by themselves. When no drive is active, these vehicles drift about 90% of their volume below the surface of the water and only 10% or less protrude above the surface of the water.

Die Tiefe eines solchen Fahrzeugs wird nur dadurch gesteuert, dass man das Fahrzeug in einem Winkel gegenüber der Horizontalen bringt und das Schiff dann durch das Wasser auf oder ab taucht.The depth of such a vehicle is only controlled by bringing the vehicle at an angle from the horizontal and then diving the ship up or down through the water.

Dieser Winkel wird von Heckrudern, die am Heck des Fahrzeugs meist auf Höhe des Seitenruder-Paars montiert sind, auf das Fahrzeug übertragen.This angle is transmitted to the vehicle by rear rudders, which are usually mounted at the rear of the vehicle at the height of the rudder pair.

Die Tiefe des Fahrzeugs kann auch von einem anderen Satz von Rudern oder Flügeln, den sogenannten Bugrudern, die vorne am Bug oder am Turm des Fahrzeugs angebracht sind justiert werden.The depth of the craft can also be adjusted by another set of oars or wings called bow oars, which are attached to the front of the bow or turret of the craft.

Geräusche durch die Frontruder können allerdings das Sonar des Fahrzeugs stören.However, noise from the front rudder can interfere with the vehicle's sonar.

Zusätzlich zur Verringerung der störenden Geräusche und einer schnelleren Reaktion auf Änderungen der Ruderposition ist ein Vorteil der einziehbaren Bugruder die Verringerung des Wasserwiderstands.In addition to reducing annoying noises and responding more quickly to changes in rudder position, one benefit of retractable bow rudders is the reduction in water resistance.

Besonders hilfreich sind Bugruder beim Abtauchen eines unbemannten Tauchfahrzeugs, das zuvor an der Wasseroberfläche treibt oder gerade abgesetzt wurde: Falls nämlich ein Fahrzeug nur ein Paar Heckruder hat, wird das Heck eines waagrecht auf dem Wasser treibenden Fahrzeugs beim Einschalten des Propellers und nach unten geneigten Heckrudern leicht nach oben aus dem Wasser gehoben, was die Wirkung des Heckruders reduziert.Bow rudders are particularly helpful when submerging an unmanned submersible vehicle that has previously been floating on the surface of the water or has just been set down: If a vehicle has only one pair of stern rudders, the stern of a vehicle floating horizontally on the water will tilt down when the propeller is switched on and the stern rudder is inclined lifted slightly up out of the water, which reduces the effect of the stern rudder.

Häufig tauchen solche Fahrzeuge erst dann ab, wenn eine größere Welle über das Fahrzeug schwappt und Heckruder und Antriebspropeller lange genug unter Wasser sind, um das Abtauchen einzuleiten.Such vehicles often only submerge when a larger wave sloshes over the vehicle and the stern rudder and propeller are underwater long enough to initiate the submersion.

Bei ruhigem Wasser taucht ein Fahrzeug ohne Bugruder und mit nur Heckrudern unter Umständen gar nicht ab.In calm water, a vehicle without a bow rudder and with only stern rudders may not dive at all.

Bei bemannten U-Booten werden die Frontruder oft durch Hydraulikanlagen bewegt und ein- und ausgefahren. Teilweise werden auch Servomotoren eingesetzt.In manned submarines, the front rudders are often moved and retracted and extended by hydraulic systems. In some cases, servomotors are also used.

Norman Polmar, Kenneth J. Moore: (Cold War submarines. The design and construction of U.S. and Soviet submarines. S. 133, 134) beschreibt, dass bei einigen U-Booten die Burgruder so ausgelegt sind, dass sie zurückgezogen werden, bevor das Boot durch Eis bricht oder an einem Pier anlegt, um Schäden zu vermeiden.Norman Polmar, Kenneth J. Moore: (Cold War submarines. The design and construction of US and Soviet submarines. Pp. 133, 134) describes that in some submarines the castle rudders are designed so that they are retracted before the Boat breaks through ice or berths at a pier to avoid damage.

GB8816189D0 offenbart Tauchfahrzeug mit mehreren Finnen, damit bei Beschädigung einzelner Finnen weitere Finnen verbleiben. GB8816189D0 discloses submersible vehicle with multiple fins so that additional fins remain if individual fins are damaged.

KR10111512481 offenbart ein unbemanntes Unterwasserfahrzeug mit einziehbaren Heckrudern. KR10111512481 discloses an unmanned underwater vehicle with retractable stern rudders.

US6047656A offenbart einen Kajak oder ein Kanu mit einziehbaren Bugrudern, die über Seilzug und Fußpedal bedient werden, wobei diese Bugruder keine Höhenruder sind, sondern der seitlichen Steuerung des manuell betrieben Bootes dienen. NL2003821 C realisiert ein ähnliches Prinzip bei einem motorbetriebenen Schiff. US6047656A discloses a kayak or a canoe with retractable bow rudders that are operated via a cable and foot pedal, these bow rudders not being elevators, but rather for lateral control of the manually operated boat. NL2003821 C realizes a similar principle in a motor-driven ship.

US9969463B2 offenbart ein mit Baudenzügen realisiertes Steuerungssystem eines Schiffes mit beweglichen Seitenrudern bei denen das vordere Flügelpaar in Richtung der gewünschten Drehung des Schiffes dreht (zum Beispiel nach Steuerbord), das hintere Flügelpaar in die entgegengesetzte Richtung (zum Beispiel nach Backbord). Dadurch werden der Wenderadius und die Rolle des Schiffes im Vergleich zu herkömmlichen Lenksystemen reduziert und die Manövrierfähigkeit des Schiffes erhöht. US9969463B2 discloses a control system of a ship realized with construction hoists with movable rudders in which the front pair of wings turns in the direction of the desired rotation of the ship (for example to starboard), the rear pair of wings in the opposite direction (for example to port). This reduces the turning radius and role of the ship compared to conventional steering systems and increases the ship's maneuverability.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die Stand der Technik-Nachteile zu überwinden und insbesondere ein Steuerungskonzept für Unterwasserfahrzeuge zu schaffen, das das Abtauchen verbessert.The object of the present invention is to overcome the disadvantages of the prior art and, in particular, to create a control concept for underwater vehicles that improves submersion.

Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst.The object is achieved by the subject matter of the independent claims.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Unterwasserfahrzeug mit einen ersten und einem zweiten Höhenruder bzw. Höhensteuerungsmittel. Das erste Höhenruder befindet sich am Heck des Unterwasserfahrzeugs und ist ausgebildet, um geschwenkt zu werden, nämlich zwischen einer Abtauchposition und einer Auftauchposition. Hierbei kann die Abtauchposition ein beliebiger Winkel zwischen null und dem Endanschlag sein, wobei das Höhenruder dann so angeströmt wird, dass das Unterwasserfahrzeug mit der Nase nach unten geschwenkt wird (d. h. Richtung Meeresgrund). Umgekehrt stellt die Auftauchposition ein beliebiger Winkel zwischen null und dem Endanschlag dar, so dass das Unterwasserfahrzeug die Nase Richtung Wasseroberfläche schwenkt, sobald es angeströmt wird. Das zweite Höhenruder bzw. die zweiten Höhensteuermittel befinden sich an der Front des Unterwasserfahrzeugs und sind in erster Linie ausgebildet, um ein- und ausgefahren zu werden, nämlich zwischen einer Einfahrposition und einer Ausfahrposition. In der Einfahrposition erfolgt beispielsweise keine Anströmung trotz Fahrt durchs Wasser, da die Ruder z.B. in den Rumpf eingezogen sind, während in der Ausfahrposition das zweite Höhenruder durch die Fahrt durch das Wasser angeströmt werden kann. Hierbei kann entsprechend Ausführungsbeispielen in der Ausfahrposition das zweite Höhenruder einen Anstellwinkel (Winkel gegenüber der Längsachse) haben, der in die gleiche Richtung zeigt, wie das erste Höhenruder in der Abtauchposition. Beispielsweise ist es denkbar, die Bugruder bei jeder Verwendung immer zur gleichen Endposition auszufahren, vor allem, wenn nur das Abtauchen unterstützt werden soll. Das zweite Höhenruder wird in die Ausfahrposition ausgefahren, wenn das erste Höhenruder in die Abtauchposition geschwenkt wird oder in die Abtauchposition geschwenkt ist.Embodiments of the present invention provide an underwater vehicle having a first and a second elevator or height control means. The first elevator is located at the stern of the underwater vehicle and is designed to be pivoted, namely between a diving position and a surfacing position. Here, the submerged position can be any angle between zero and the end stop, the flow then flowing against the elevator in such a way that the underwater vehicle is pivoted with the nose down (i.e. towards the seabed). Conversely, the ascent position represents any angle between zero and the end stop, so that the underwater vehicle swings its nose towards the surface of the water as soon as the flow hits it. The second elevator or the second height control means are located at the front of the underwater vehicle and are primarily designed to be retracted and extended, namely between a retracted position and an extended position. In the retracted position, for example, there is no flow despite driving through the water, since the oars e.g. are retracted into the hull, while in the extended position the second elevator can be flown through the water. Here, according to exemplary embodiments, in the extended position the second elevator can have an angle of attack (angle with respect to the longitudinal axis) which points in the same direction as the first elevator in the submerged position. For example, it is conceivable to always extend the bow rudder to the same end position each time it is used, especially if only diving is to be supported. The second elevator is extended to the extended position when the first elevator is pivoted to the submerged position or is pivoted to the submerged position.

Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen wird das zweite Höhenruder in die Ausfahrposition ausgeschwenkt, erst nachdem das erste Höhenruder in die Auftauchposition geschwenkt ist oder sobald das erste Höhenruder einen Endanschlag der Auftauchposition erreicht hat.According to further exemplary embodiments, the second elevator is swiveled out into the extended position only after the first elevator has been swiveled into the ascending position or as soon as the first elevator has reached an end stop of the ascending position.

Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das zweite Höhenruder in die Einfahrposition zurückgeschwenkt, wenn das erste Höhenruder in eine Auftauchposition geschwenkt ist oder wird. Alternativ erfolgt das Zurückschwenken, wenn das erste Höhenruder sich nicht mehr in der Abtauchposition befindet oder wenn das erste Höhenruder den Endanschlag für die Abtauchposition verlassen hat.According to a further exemplary embodiment, the second elevator is pivoted back into the retracted position when the first elevator is or is pivoted into an ascending position. Alternatively, the pivoting back takes place when the first elevator is no longer in the dipping position or when the first elevator has left the end stop for the dipping position.

Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein vorderes Höhenruder bzw. vordere Höhensteuermittel, wie eine ausfahrbarer oder zusätzlicher Gondelantrieb (Thrustergondeln) das Abtauchen unterstützen kann, wobei durch das Ein- und Ausfahren die sonst mit dem vorderen Höhenruder verbundenen Nachteile überwunden werden. Entsprechend einer bevorzugten Variante wird das vordere Höhenruder in der Extremlage (Endanschlag) des hinteren Höhenruders aktiviert, d. h. ausgefahren, um hier entsprechend zu unterstützen.Embodiments of the present invention are based on the knowledge that a front elevator or front elevation control means, such as an extendable or additional gondola drive (thruster gondolas) can support diving, whereby the disadvantages otherwise associated with the front elevator are overcome by extending and retracting. According to a preferred variant, the front elevator is activated in the extreme position (end stop) of the rear elevator, i. H. extended to support accordingly.

Entsprechend einem Ausführungsbeispiel weisen das erste und das zweite Höhenruder einen gemeinsamen Aktor, wie zum Beispiel einen Servomotor, einen Magnetantrieb oder einen Hydraulikantrieb auf. Die Kopplung der zwei Höhenruder kann über ein Gestänge oder ein Federmechanismus oder einer Kombination daraus erfolgen. Das Gestänge bzw. der Federmechanismus wirkt beispielsweise auf einen Scherenmechanismus oder Pantograph-Mechanismus des zweiten Höhenruders. Insofern umfasst das zweite Höhenruder entsprechend Ausführungsbeispielen ein Scherenmechanismus oder Pantograph-Mechanismus, der eine Bewegung, z. B. entlang der Längsachse derart umsetzt, dass die vorderen Höhenruder (links, rechts) ausgefahren werden.According to one embodiment, the first and the second elevator have a common actuator, such as a servomotor, a magnetic drive or a hydraulic drive. The two elevators can be coupled via a linkage or a spring mechanism or a combination thereof. The linkage or the spring mechanism acts, for example, on a scissor mechanism or pantograph mechanism of the second elevator. In this respect, the second elevator according to embodiments comprises a scissors mechanism or pantograph mechanism, which a movement, for. B. implemented along the longitudinal axis in such a way that the front elevators (left, right) are extended.

Das hintere Höhenruder kann ein oder mehrere Endanschläge (erster Anschlag, der die Schwenkbewegung in der Abtauchposition beschränkt, zweiter Anschlag, der die Schwenkbewegung in der Auftauchposition begrenzt) aufweisen. Wenn man davon ausgeht, dass das erste Höhenruder mit dem zweiten Höhenruder über einen Federmechanismus, wie zum Beispiel eine Spiralfeder verbunden ist, kann das System wie folgt gestaltet sein: Der Federmechanismus/die Spiralfeder ist ausgebildet, z. B. durch die richtige Dimensionierung der Federkraft, um das zweite Höhenruder mit einer Ausfahrkraft zu beaufschlagen und in eine Ausfahrrichtung zu bewegen, wenn das erste Höhenruder den Anschlag der Abtauchposition erreicht hat.The rear elevator can have one or more end stops (first stop, which limits the pivoting movement in the submerged position, second stop, which limits the pivoting movement in the ascent position). Assuming that the first elevator is connected to the second elevator via a spring mechanism, such as a spiral spring, the system can be designed as follows: The spring mechanism / the spiral spring is designed, e.g. B. by correctly dimensioning the spring force to apply an extension force to the second elevator and to move it in an extension direction when the first elevator has reached the stop of the diving position.

Entsprechend Ausführungsbeispielen ist sowohl das erste als auch das zweite Höhenruder zweigeteilt ausgeführt, das heißt sowohl auf Steuerbord als auch auf Backbord jeweils ein Teil angeordnet. Entsprechend einem Ausführungsbeispiel könne die zwei Teile separat voneinander bewegt werden, um so zum Beispiel eine Steuerbewegung/Rollbewegung auszuüben.According to exemplary embodiments, both the first and the second elevator are designed in two parts, that is, one part is arranged on both starboard and port side. According to an exemplary embodiment, the two parts can be moved separately from one another, in order for example to exercise a control movement / rolling movement.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft ein Verfahren zum Betreiben des oben definierten Unterwasserfahrzeugs. Das Verfahren umfasst den Schritt des Ausfahrens des zweiten Höhenruders, wenn das erste Höhenruder in eine Abtauchposition geschwenkt ist oder wird.Another embodiment provides a method for operating the underwater vehicle defined above. The method comprises the step of extending the second elevator when the first elevator is pivoted or is pivoted into a diving position.

Entsprechend Ausführungsbeispielen handelt es sich bei dem oben erläuterten Unterwasserfahrzeug um ein autonomes Unterwasserfahrzeug.According to exemplary embodiments, the underwater vehicle explained above is an autonomous underwater vehicle.

Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Unterwasserfahrzeugs mit zwei Rudern gemäß einem Basisausführungsbeispiel; und
2 eine schematische Darstellung eines Mechanismus zur Steuerung der zwei Höhenruder gemäß erweitertem Ausführungsbeispiel.

Further developments are defined in the subclaims. Embodiments of the present invention are explained with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 a schematic representation of an underwater vehicle with two oars according to a basic embodiment; and
2 a schematic representation of a mechanism for controlling the two elevators according to an expanded embodiment.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung 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.Before exemplary embodiments of the present invention are explained below with reference to the accompanying drawings, it should be pointed out that elements and structures with the same effect are provided with the same reference symbols, so that the description of them can be used or interchanged with one another.

1 zeigt ein Unterwasserfahrzeug 10 mit einem ersten Höhenruder 12 und einem zweiten Höhenruder 14. Wie hier dargestellt, kann sowohl das Höhenruder 12 als auch das Höhenruder 14 jeweils zweigeteilt ausgeführt sein, so dass beispielsweise Steuerbord und Backbord jeweils eine Höhenruderhälfte 12a und 12b bzw. 14a und 14b vorliegt. 1 shows an underwater vehicle 10 with a first elevator 12 and a second elevator 14th . As shown here, both the elevator 12 as well as the elevator 14th be designed in two parts, so that, for example, starboard and port each have an elevator half 12a and 12b or. 14a and 14b present.

Das erste Höhenruder 12 (bzw. 12a und 12b), das am Heck des Unterwasserfahrzeugs 10 angeordnet ist, ist schwenkbar, wie anhand der Pfeile 12D dargestellt ist. Hierzu wird beispielsweise das Höhenruder 12a und 12b um die Achse 12r, die senkrecht zu der Längsachse/Fahrtrichtung (vgl. 10B) des Unterwasserfahrzeugs 10 verläuft und sich im Wesentlichen parallel zu der Wasseroberfläche 16 erstreckt, gedreht. Die Rotation ist mittels der Pfeile 12D angedeutet. Wenn beispielsweise das Höhenruder 12a und 12b im Uhrzeigersinn in der hier dargestellten Perspektive geschwenkt wird, wird das erste Höhenruder 12 in eine Abtauchposition geschwenkt werden. Die Abtauchposition kann beispielsweise zwischen 0° und +45° oder +60° oder sogar bis +90° definiert sein. Hierbei wird immer der Winkel des Ruderblatts des Höhenruders 12 gegenüber der Längsachse bzw. Fahrtrichtung 10b gemessen. Bei einer Schwenkung gegen Uhrzeigersinn wird das erste Höhenruder 12 in Richtung der Auftauchposition geschwenkt, wobei von einer Auftauchposition dann gesprochen wird, wenn das Ruderblatt im Bereich zwischen 0 und -45° oder bis zu -60° oder bis zu -90° befindet.The first elevator 12 (or. 12a and 12b ) at the stern of the underwater vehicle 10 is arranged is pivotable, as indicated by the arrows 12D is shown. For this purpose, for example, the elevator 12a and 12b around the axis 12r that are perpendicular to the longitudinal axis / direction of travel (cf. 10B ) of the underwater vehicle 10 runs and is essentially parallel to the water surface 16 extends, rotated. The rotation is by means of the arrows 12D indicated. For example, if the elevator 12a and 12b is panned clockwise in the perspective shown here, the first elevator 12 be pivoted into a submerged position. The submerged position can be defined, for example, between 0 ° and + 45 ° or + 60 ° or even up to + 90 °. The angle of the rudder blade of the elevator is always used here 12 opposite the longitudinal axis or direction of travel 10b measured. When panning counterclockwise, the first elevator will be 12 pivoted in the direction of the ascent position, with a surface position being spoken of when the rudder blade is in the range between 0 and -45 ° or down to -60 ° or down to -90 °.

Das zweite Höhenruder ist ausgebildet, um ein- und ausgefahren zu werden. In der hier dargestellten 1 ist die Ausfahrposition der zwei Höhenruderteile 14a und 14b dargestellt. Bewegung ist anhand der Pfeile kenntlich gemacht. Die Ausfahrposition ist dadurch charakterisiert, dass bei Fahrt durch das Wasser (vgl. Bezugszeichen 10b) die Höhenruderteile 14a und 14b mit dem Wasser wechselwirken können. Wie anhand der Pfeile dargestellt, können die Ruderteile 14a und 14b auch in den Rumpf des Unterwasserfahrzeugs 10 hineingezogen werden, so dass eine Wechselwirkung nicht mehr nur noch unwesentlich stattfindet.The second elevator is designed to be retracted and extended. In the one shown here 1 is the extension position of the two elevator parts 14a and 14b shown. Movement is indicated by the arrows. The extended position is characterized by the fact that when driving through the water (see reference numerals 10b) the elevator parts 14a and 14b can interact with the water. As shown by the arrows, the rudder parts 14a and 14b also in the hull of the underwater vehicle 10 are drawn in, so that an interaction no longer takes place only insignificantly.

Dies hat den Zweck, dass die Bugruder 14a und 14b beim Abtauchen das Höhenruder 12 unterstützen. Insofern werden bevorzugterweise die Bugruder 14a und 14b erst dann ausgefahren, wenn die Höhenruder 12a und 12b sich in einer Abtauchposition bzw. in eine extreme Abtauchposition bewegen bzw. bewegt sind. Beispielsweise kann eine gleichzeitige Bewegung erfolgen oder auch die Bewegung der Bugruder 14 erst dann eingeleitet werden, wenn die Höhenruder 12a und 12b einen bestimmten Winkel erreicht oder einen bestimmen Winkel überschritten haben (z. B. ab 30° oder ab 45° oder eben am Endanschlag). Insofern ist es denkbar, dass die Bugruder 14a und 14b immer an der gleichen Endposition bzw. Position der Heckruder 12a und 12b ausgefahren werden. An dieser Stelle sei angemerkt, dass entsprechend Ausführungsbeispielen die Bugruder 14a und 14b ebenso einen Anstellwinkel (Winkel gegenüber der Längsachse 10b) aufweisen können, der so gewählt ist, dass die Nase des Unterwasserfahrzeugs 10 abtaucht. Hierzu sind die Bugruder 14a und 14b beispielsweise gegen den Uhrzeigersinn geneigt. Bei dieser Variante ergibt sich dann die Situation, dass die Bugruder 14a und 14b immer mit demselben Anstellwinkel ausgefahren werden.The purpose of this is that the bow rudder 14a and 14b the elevator when descending 12 support. In this respect, the bow rudders are preferred 14a and 14b only extended when the elevator 12a and 12b move or are moved in a submerged position or in an extreme submerged position. For example, there can be simultaneous movement or the movement of the bow rudders 14th only initiated when the elevator 12a and 12b have reached a certain angle or exceeded a certain angle (e.g. from 30 ° or from 45 ° or even at the end stop). In this respect it is conceivable that the bow rudder 14a and 14b always at the same end position or position of the tail rudder 12a and 12b be extended. At this point it should be noted that according to the exemplary embodiments, the bow rudders 14a and 14b also an angle of attack (angle with respect to the longitudinal axis 10b) may have, which is chosen so that the nose of the underwater vehicle 10 submerges. The bow rudders are used for this 14a and 14b inclined, for example, counterclockwise. In this variant, the situation arises that the bow rudder 14a and 14b always be extended with the same angle of attack.

Wie oben erläutert, sind die Höhenruder 12a und 12b ausgebildet, um eine Rotationsbewegung auszuführen, während die Bugruder 14a und 14b eine Transversalbewegung ausführen.As explained above, the elevators are 12a and 12b designed to perform a rotational movement while the bow rudder 14a and 14b perform a transverse movement.

Diese Bewegung kann beispielsweise durch zwei verschiedene Aktoren (Aktorik für Heckruder 12 und Aktorik für Bugruder 14) oder auch durch eine gemeinsame Aktorik mit Mechanik sichergestellt sein.This movement can be achieved, for example, by two different actuators (actuators for tail rudder 12 and actuators for bow rudders 14th ) or be ensured by a common actuator with mechanics.

Eine derartige Aktorik/Mechanik ist in 2 dargestellt. 2 zeigt einen Verstellmechanismus 20 zur Verstellung der Höhenruder 12 am Heck und zur Verstellung der Bughöhenruder 14a und 14b. Der Mechanismus umfasst beispielsweise ein Gestänge 22, auf welchen der Servomotor 24 wirkt. Das Gestänge 22 ist beispielsweise ein Schub-/Zuggestänge, das durch den Aktor 24 entlang seiner Längsachse 22b verschoben wird. Das Gestänge 22 ist mit dem Höhenruder 12 in Eingriff und kann dieses entsprechend rotieren (vgl. Pfeil für das Höhenruder). Die Rotation erfolgt beispielsweise dadurch, dass das Gestänge über einen Hebelarm oder eine Zahnstange angreift.Such an actuator / mechanism is in 2 shown. 2 shows an adjustment mechanism 20th for adjusting the elevator 12 at the stern and for adjusting the bow elevator 14a and 14b . The mechanism includes, for example, a linkage 22nd on which the servo motor 24 works. The linkage 22nd is, for example, a push / pull linkage that is operated by the actuator 24 along its longitudinal axis 22b is moved. The linkage 22nd is with the elevator 12 engages and can rotate it accordingly (see arrow for the elevator). The rotation takes place, for example, in that the Attacks linkage via a lever arm or a rack.

Des Weiteren greift das Gestänge 22 an einen Mechanismus 28, hier in Form eines Pantograph-Mechanismus (vergleichbar mit Scherenwagenheber bzw. Storchschnabelmechanismus) an. Dieser Pantograph-Mechanismus umfasst vier Schenkel 28sa, 28sb, 28sc, 28sd, die zu einem Viereck/einer Raute mittels Gelenken verbunden sind. Die zwei ausfahrbaren Bugruder 14a und 14b sind an zwei gegenüberliegenden Gelenkpunkten mit dem Mechanismus 28 in Eingriff (vgl. Gelenkpunkte 28ga und 28gc). Der Gelenkpunkt 28gd ist fix, während der gegenüberliegende Gelenkpunkt 28gb in Eingriff mit dem Gestänge 22 ist. Wenn der Gelenkpunkt 28gb entlang der Bewegungsrichtung 22b verschoben wird, ändert sich die Geometrie des Vierecks 28, so dass die Gelenkpunkte 28ga und 28gc entlang der Pfeilrichtungen 14v verschoben werden.The linkage also engages 22nd to a mechanism 28 , here in the form of a pantograph mechanism (comparable to a scissor jack or cranesbill mechanism). This pantograph mechanism has four legs 28sa , 28sb , 28sc , 28sd that are connected to a square / diamond by means of joints. The two extendable bow rudders 14a and 14b are at two opposite hinge points with the mechanism 28 engaged (see articulation points 28ga and 28gc ). The pivot point 28gd is fixed, while the opposite hinge point 28gb in engagement with the linkage 22nd is. When the hinge point 28gb along the direction of movement 22b is moved, the geometry of the square changes 28 so that the hinge points 28ga and 28gc along the directions of the arrows 14v be moved.

Infolge der Bewegung des Mechanismus 28 entlang der Bewegungen 14v, werden bei Stauchung des Mechanismus 28 entlang der Bewegungsrichtung 22b die zwei Bughöhenruder 14a und 14b ausgefahren, während bei Expansion des Mechanismus 28 entlang der Bewegungsrichtung 22b die zwei Bughöhenruder 14a und 14b eingefahren werden.As a result of the movement of the mechanism 28 along the movements 14v , when the mechanism is compressed 28 along the direction of movement 22b the two bow elevators 14a and 14b extended while expanding the mechanism 28 along the direction of movement 22b the two bow elevators 14a and 14b be retracted.

Die Funktionalität lässt sich wie folgt zusammenfassen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel neigt der Servomotor 24 die Höhenruder 12 am Heck höher oder tiefer, wobei entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen mindestens die Bewegung der Heckruder 12 nach unten durch einen Anschlag 12ab begrenzt wird. Der Servomotor 24 schwenkt auch die Höhenruder 14a und 14b am Bug nach außen (vgl. 14v) oder schiebt sie nach außen oder innen (vgl. 14v), beispielsweise mittels des Scherenwagenhebers/Pantograph-Mechanismus 28.The functionality can be summarized as follows. In the present embodiment, the servomotor tilts 24 the elevator 12 higher or lower at the stern, with at least the movement of the stern rudder in accordance with further exemplary embodiments 12 down through a stop 12ab is limited. The servo motor 24 also swivels the elevator 14a and 14b at the bow outwards (cf. 14v ) or pushes them outwards or inwards (cf. 14v ), for example using the scissor lift / pantograph mechanism 28 .

Entsprechend Ausführungsbeispielen können die gegenüberliegenden Bewegungspunkte des Mechanismus 28, wie zum Beispiel die Punkte 28gd und 28gb mit einer Feder 28f verbunden sein, die den Mechanismus unterstützt. Darüber hinaus sei angemerkt, dass die Fixierung des Punktes 28gd nicht zwingend erforderlich ist, so dass allgemein eine Fixierung des Mechanismus 28 an einem anderen Punkt auch möglich wäre, z. B. durch eine Führung senkrecht zu der Richtung 22b der Punkte 28ga und 28gb.According to exemplary embodiments, the opposite movement points of the mechanism 28 , such as the points 28gd and 28gb with a feather 28f which supports the mechanism. In addition, it should be noted that the fixation of the point 28gd is not absolutely necessary, so that generally a fixation of the mechanism 28 would also be possible at another point, e.g. B. by a guide perpendicular to the direction 22b the points 28ga and 28gb .

Entsprechend Ausführungsbeispielen greift das Gestänge 22 bzw. der Aktor 24 an den Mechanismus 28 über eine Feder an. Anders ausgedrückt heißt das, dass die vorderen Höhenruder 14a und 14b über mindestens einen Federmechanismus mit den hinteren Höhenrudern 12 verbunden sind. Ein Beispiel hierfür wäre die Spiralfeder 28f.According to the exemplary embodiments, the linkage engages 22nd or the actuator 24 to the mechanism 28 over a spring. In other words, that means the front elevators 14a and 14b at least one spring mechanism with the rear elevators 12 are connected. An example of this would be the spiral spring 28f .

Eine spiralförmige Feder erlaubt es anders als eine gewendelte Feder wegen der konstanten Kraft, die diese ausübt, besonders gut, eine festgelegte Vorspannkraft der Feder einzustellen, die verhindert, dass die Vorderruder schon während des Neigens der Heckruder bewegt werden, sondern erst, wenn diese Heckruder ihren Anschlag erreicht haben.A spiral spring, unlike a coiled spring, because of the constant force it exerts, is particularly good at setting a fixed preload force on the spring, which prevents the front rudder from being moved while the rudder is being tilted, but only when the rudder is tilted have reached their limit.

Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann auch der Mechanismus 20 bzw. der Servomotor 24 an das Ruder 12 über eine Feder angreifen. Dies hat wiederum den Vorteil, dass das Heckruder nicht beschädigt wird. Wenn man davon ausgeht, dass entsprechend Ausführungsbeispielen die Bewegung des hinteren Höhenruders 12 durch Endanschläge 12a und 12ab begrenzt wird, wird eine Beschädigung des Heckruders bei Erreichen des Anschlages vermieden.According to further exemplary embodiments, the mechanism 20th or the servo motor 24 to the rudder 12 attack via a spring. This in turn has the advantage that the stern rudder is not damaged. If one assumes that, according to exemplary embodiments, the movement of the rear elevator 12 through end stops 12a and 12ab is limited, damage to the tail rudder when the stop is reached is avoided.

Die Kombination der zwei Federn 28f und der Feder am Heckruder 12 ermöglicht die koordinierte Bewegung der Ruder 12 und 14 zueinander. Beispielsweise kann durch entsprechende Wahl der Federhärten erreicht werden, dass zuerst das Ruder 12 mittels des Aktors 24 bewegt wird, bevor die Ruder 14a und 14b herausgefahren werden. Beispielsweise kann das Ruder 12 zuerst bis zu einem der optionalen Endanschläge 12aa und 12ab (zur Begrenzung der Ruderbewegung entlang der Richtung 12D in der Auftauchposition und/oder Abtauchposition) bewegt werden, bevor der Mechanismus 28 die Ruder 14a und 14b ein- und ausfährt. Entsprechend einer bevorzugten Variante wird zuerst das Ruder 12 bis zu dem Endanschlag 12ab (Endanschlag für Abtauchposition) bewegt, bevor die Ruder 14a und 14b ausgefahren werden. Beim Einfahren werden die Ruder 14a und 14b beispielsweise dann eingefahren, sobald das Ruder den Endanschlag 12ab verlassen hat bzw. nicht mehr mit diesem in Eingriff ist.The combination of the two springs 28f and the spring on the tail rudder 12 enables coordinated movement of the oars 12 and 14th to each other. For example, by selecting the spring stiffness accordingly, the rudder first 12 by means of the actuator 24 is moved before the oars 14a and 14b be driven out. For example, the rudder 12 first up to one of the optional end stops 12aa and 12ab (to limit rowing movement along the direction 12D in the ascent position and / or submerged position) before the mechanism 28 the oars 14a and 14b moves in and out. According to a preferred variant, the rudder is used first 12 up to the end stop 12ab (End stop for submerged position) moves before the rudder 14a and 14b be extended. When retracting the oars are 14a and 14b for example then retracted as soon as the rudder reaches the end stop 12ab has left or is no longer engaged with it.

Entsprechend Ausführungsbeispielen können die Höhenruder 14a und 14b nach außen so konstruiert sein, dass sie dem Fahrzeug 10 nur eine Neigung mit einem vorher festgelegten nicht veränderbaren einzigen Winkel zur Horizontalen vermitteln. Die Heckruder 12 sind damit nur in der Neigung verstellbar, die Bugruder nur in der Länge, bis zu der sie ausgefahren oder ausgeschwenkt sind.According to embodiments, the elevator 14a and 14b outwardly designed to suit the vehicle 10 convey only an inclination with a previously determined non-changeable single angle to the horizontal. The stern rudder 12 are therefore only adjustable in inclination, the bow rudders only in the length to which they are extended or swiveled out.

Entsprechend Ausführungsbeispielen wird nur ein einziger Servomotor 24 oder eine einzige Magnetspule 24 oder ein einziger Hydraulikzylinder 24 zur Bewegung der Höhenruder 12 und 14 (vorne und hinten gleichzeitig) verwendet. Es wäre entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen allerdings auch möglich, für die Heckruder links und rechts (vgl. 12a und 12b aus 1) unterschiedliche Servomotoren zu verwenden, um dem Rollen des Fahrzeuges um die Längsachse entgegenwirken zu können bzw. dieses zu steuern.According to exemplary embodiments, only a single servomotor is used 24 or a single solenoid 24 or a single hydraulic cylinder 24 to move the elevator 12 and 14th (front and back simultaneously) used. However, according to further exemplary embodiments, it would also be possible for the tail rudder to be left and right (cf. 12a and 12b out 1 ) to use different servo motors to control the rolling of the To be able to counteract or control the vehicle around the longitudinal axis.

Entsprechend Ausführungsbeispielen sind die Servomotoren für die Steuerung des Neigungswinkels in der Mitte des Tauchfahrzeugs in Bezug auf die Längsachse und möglichst tief im Fahrzeug untergebracht, da ein tiefer Schwerpunkt rückstellende Kräfte auf das Fahrzeug ausübt, wenn das Fahrzeug sich in x- oder y- Richtung neigt.According to exemplary embodiments, the servomotors for controlling the angle of inclination are housed in the middle of the submersible vehicle in relation to the longitudinal axis and as deep as possible in the vehicle, since a lower center of gravity exerts restoring forces on the vehicle when the vehicle tilts in the x or y direction .

An dieser Stelle sei angemerkt, auch wenn alle Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit Bughöhenrudern erläutert wurden, dass das Prinzip auch auf andere Höhensteuerungsmittel, wie z. B. Thrustergondeln statt Bugrudern übertragbar ist. Im Allgemeinen werden also Höhensteuerungsmittel an der Front ein- und ausgefahren.At this point it should be noted, even if all the exemplary embodiments have been explained in connection with the bow elevator, that the principle can also be applied to other height control means, such as e.g. B. Thruster gondolas instead of bow rudders is transferable. In general, height control means are therefore retracted and extended at the front.

Entsprechend Ausführungsbeispielen ist das zweite Höhenruder als Höhensteuerungsmittel zu verstehen, die beispielsweise auch aktive Komponenten, wie z. B. einen Gondelantrieb (Thrustergondeln) umfassen können.According to exemplary embodiments, the second elevator is to be understood as an altitude control means which, for example, also includes active components, such as. B. may include a gondola drive (thruster gondolas).

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

GB 8816189 D0 [0014]
KR 10111512481 [0015]
US 6047656 A [0016]
NL 2003821 C [0016]
US 9969463 B2 [0017]

Claims

Underwater vehicle (10), having the following features: a first elevator (12) which is arranged at the stern of the underwater vehicle (10) and is designed to be pivoted into a diving position and a surfacing position; and a second elevator (14) or second elevation control means which are arranged on the front of the underwater vehicle (10) and are designed to be retracted into a retracted position and to be extended into an extended position, wherein the second elevator (14) or the second height control means are extended into the extended position when the first elevator (12) is pivoted and / or is in the submerged position.

Underwater vehicle (10) according to Claim 1 , wherein the second elevator (14) or the second elevator control means is pivoted out into the extended position after the first elevator (12) has pivoted into the submerged position or as soon as the first elevator (12) has reached an end stop (12a and 12ab) of the submerged position.

Underwater vehicle (10) according to one of the preceding claims, wherein the second elevator (14) or the second elevation control means is pivoted into a retracted position when the first elevator (12) is pivoted or is in an ascent position or when the first elevator (12) is is no longer in the submerged position or when the first elevator (12) has left the end stop (12a and 12ab) for the submerged position.

Underwater vehicle (10) according to one of the preceding claims, wherein the first elevator (12) and the second elevator (14) or the second height control means have a common actuator, a common servomotor (24), a common magnetic drive or a common hydraulic drive.

Underwater vehicle (10) according to one of the preceding claims, wherein the first elevator (12) and the second elevator (14) or the second height control means are connected to one another via a spring mechanism (28f) and / or a linkage (22).

Underwater vehicle (10) according to one of the preceding claims, wherein the second elevator (14) or the second height control means has a scissor mechanism and / or a pantograph mechanism (28).

Underwater vehicle (10) according to one of the preceding claims, wherein the second elevator (14) or the second height control means are inclined with respect to the longitudinal axis (22b) of the underwater vehicle (10); and / or wherein the second elevator (14) or the second height control means are inclined relative to the longitudinal axis (22b) of the underwater vehicle (10) in the same direction as the first elevator (12) in the submerged position.

Underwater vehicle (10) according to one of the preceding claims, wherein the first elevator (12) has a first end stroke which restricts a pivoting movement (12D) of the first elevator (12) in the submerged position; and / or wherein the first elevator (12) has a second end stop which limits the pivoting position of the elevator in the ascent position.

Underwater vehicle (10) according to Claim 8 wherein the first elevator (12) is connected to the second elevator (14) or the second elevator means via a spring mechanism (28f) and / or a spiral spring.

Underwater vehicle (10) according to Claim 9 , wherein the spring mechanism (28f) and / or the spiral spring is formed and / or a spring force of the spring mechanism (28f) and / or the spiral spring is selected so as to apply an extension force to the second elevator (14) or the second height control means and / or to move in an extension direction when the first elevator (12) has reached the end stroke of the diving position.

Underwater vehicle (10) according to one of the preceding claims, wherein the underwater vehicle (10) is an autonomous underwater vehicle (10).

Underwater vehicle (10) according to one of the preceding claims, wherein the first elevator (12) and / or the second elevator (14) or the second elevation control means are designed in two parts, the first part of the first elevator (12) and the second part of the first Elevators (12) are designed to be moved separately from each other, and / or wherein the first part of the second elevator (14) or the second elevator means and the second part of the second elevator (14) or the second elevator means are designed to be separately to be moved from each other.

Method for operating an underwater vehicle (10) according to one of the Claims 1 to 12 wherein the method comprises the step of deploying the second elevator (14) or the second elevator control means when the first elevator (12) is pivoted into a submerged position and / or is pivoted.