DE102020206099A1

DE102020206099A1 - Unterwasserkörper mit einer inneren dreifach-periodischen Minimalflächen-Struktur und einer kraftoptimierten Oberfläche

Info

Publication number: DE102020206099A1
Application number: DE102020206099.1A
Authority: DE
Inventors: Niels Felipe Ahlers
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
Priority date: 2020-05-14
Filing date: 2020-05-14
Publication date: 2021-11-18

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Unterwasserfahrzeug 10, 12, 14, wobei das Unterwasserfahrzeug 10, 12, 14 wenigstens einen Körper aufweist, wobei der wenigstens eine Körper eine innere Struktur 200 aufweist, wobei die innere Struktur 200 des Körpers eine dreifach-periodische Minimalfläche ist, wobei der Körper eine Außenhülle 220 aufweist, wobei wenigstens ein Teil der Außenhülle 220 des Körpers bei bestimmungsgemäßer Verwendung des Unterwasserfahrzeugs 10, 12, 14 in Kontakt mit dem umgebenden Wasser steht, wobei die Außenhülle 220 eine innere Oberfläche 230 aufweist, wobei die innere Oberfläche 230 an die innere Struktur 200 angrenzt, wobei die innere Struktur 200 und die innere Oberfläche 230 an der Stelle, an welcher diese aneinander grenzen, die gleiche Oberflächentangente aufweisen, wobei das die innere Struktur 200 und die Außenhülle 220 bildende Material an der Stelle, an welcher diese aneinander grenzen, eine Verstärkung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Unterwasserfahrzeug mit einem Körper, wobei der Körper eine innere Struktur in Form einer dreifach-periodischen Minimalfläche aufweist, und einem spannungsoptimierten Übergang zwischen der inneren Struktur und der Außenhülle aufweist.
Bei Unterwasserfahrzeugen ist das Gewicht, das Volumen und die Festigkeit wie auch die Druckstabilität von zentraler Bedeutung, wobei sich diese konträr/wechselseitig beeinflussen. Um ein Unterwasserfahrzeug besonders druckstabil und damit für große Tauchtiefen geeignet auszubilden, sind die Komponenten, zum Beispiel Druckkörper, strukturell mit einer hinreichenden Festigkeit auszulegen. Hierdurch steigt jedoch das Gewicht. Um den gewichtsinduzierten Abtrieb zu kompensieren und eine Tragfähigkeit, insbesondere die Zuladung, des Fahrzeugs zu ermöglichen, muss ein entsprechender Auftrieb bereitgestellt werden.
Auftrieb und Abtrieb leitet sich aus der Verdrängung des resultierenden Bauvolumens und der Masse eines Körpers ab. Wenn die resultierende Dichte des Volumens aus dem Eigengewicht größer ist, als die Dichte des umgebenden Mediums des Fahrzeugs, ist zusätzliches Volumen mit geringer Dichte erforderlich, um ein Gleichgewicht (auftriebsneutral) oder einen Auftrieb zu erreichen.
Aus Qin et al. Sci. Adv. 2017, 3:e1601536 vom 06.01.2017 ist die Mechanik und das Design einer leichtgewichtigen dreidimensionalen Struktur gezeigt. Dabei wird insbesondere die Verwendung von hochfestem Material, zum Beispiel Graphen, aufgezeigt.
Aus der US 2017/0014493 A1 sind Minimalflächen bekannt.
Aus der US 2017/0029968 A1 ist die Verwendung von gyroiden Strukturen in Unterseebooten bekannt.
Aus der WO 2015/006381 A2 ist eine Strukturkomponente bekannt, welche Minimalflächen aufweisen kann.
Dreifach-periodische Minimalflächen umfassen beispielsweise und bevorzugt Schwarz P Minimalflächen, iWP Minimalflächen, Neovius C(P) Minimalflächen, F-RD Minimalflächen, Gyroide, insbesondere Schoen Gyroide, Schwarz Diamant (D) Minimalflächen, Fischer-Koch S und Fischer-Koch C(Y).
Schwarz P Minimalflächen werden beschrieben als: $c o s (x) + c o s (y) + c o s (z) = 0$
Schoen iWP Minimalflächen werden beschrieben als: $2 (c o s (x) \cdot c o s (y) + c o s (y) \cdot c o s (z) + c o s (z) \cdot c o s (x)) - (c o s (2 x) \cdot c o s (2 y) \cdot c o s (2 z)) = 0$
Neovius C(P) Minimalflächen werden beschrieben als: $3 \cdot (c o s (x) + c o s (y) + c o s (z)) + 4 \cdot (c o s (x) \cdot c o s (y) \cdot c o s (z)) = 0$
Schoen F-RD Minimalflächen werden beschrieben als: $4 \cdot (c o s (x) \cdot c o s (y) \cdot c o s (z)) - (c o s (2 x) \cdot c o s (2 y) + c o s (2 y) \cdot c o s (2 z) + c o s (2 x) \cdot c o s (2 z)) = 0$
Schoen Gyroide, auch Schwarz-G genannt, werden beschrieben als: $sin (x) \cdot cos (y) + sin (y) \cdot cos (z) + sin (z) \cdot cos (x) = 0$
Schwarz Diamant (D) Minimalflächen werden beschrieben als: $\begin{array}{l} s i n (x) \cdot s i n (y) \cdot s i n (z) + s i n (x) \cdot c o s (y) \cdot c o s (z) + s i n (x) \cdot c o s (y) \cdot s i n (z) + c o s (x) \cdot c o s (y) \\ \cdot s i n (z) = 0 \end{array}$
Fischer-Koch (S) werden beschrieben als: $cos (2 x) \cdot sin (y) \cdot cos (z) + cos (x) \cdot cos (2 y) \cdot sin (z) + sin (x) \cdot cos (y) \cdot cos (2 z) = 0$
Fischer-Koch C(Y) werden beschrieben als: $\begin{array}{l} - sin (x) \cdot sin (y) \cdot sin (z) + sin (2 x) \cdot sin (y) + sin (2 y) \cdot sin (y) + sin (2 y) \cdot sin (z) + sin (x) \cdot sin (2 z) \\ - cos (x) \cdot cos (y) \cdot cos (z) + sin (2 x) \cdot cos (z) + cos (x) \cdot cos (2 y) + cos (y) \cdot cos (2 z) \\ = 0 \end{array}$
Additive Fertigungsmethoden ermöglichen heutzutage eine Herstellung komplexer auch innerer Strukturen, jedoch ist diese vergleichsweise aufwändig und teuer. Im Bereich der Unterwasserfahrzeuge hat sich jedoch gezeigt, dass sich der Aufwand durch den zusätzlichen Gewinn an Tragfähigkeit und/oder Funktionalität des Fahrzeuges und somit der Nutzlast, sowie an Tauchtiefe rechtfertigt, sodass ein Einsatz dennoch wirtschaftlich sinnvoll möglich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen besonders leichten und druckstabilen Körper, beispielsweise einen Tank oder ein Auftriebselement, für ein Unterwasserfahrzeug beziehungsweise ein entsprechendes Unterwasserfahrzeug mit einem solchen Körper bereitzustellen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Unterwasserfahrzeug mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
Das erfindungsgemäße Unterwasserfahrzeug weist wenigstens einen Körper auf. Körper ist hier weit gefasst zu verstehen und umfasst zum einen eigenständige Bauteile, beispielsweise Tanks oder Auftriebskörper, welche im wasserdurchspülten Bereich angeordnet sind. Körper können aber auch ein Bestandteil eines Unterwasserfahrzeugs sein. Beispielsweise wäre daher im Sinne dieser Erfindung auch ein Waffenrohr ein Körper, welcher in den Druckkörper eines Unterwasserfahrzeugs integriert ist. Ebenso kann der Körper selber den Druckkörper bilden oder Teil des Druckkörpers sein. Der wenigstens eine Körper weist eine innere Struktur auf, wobei die innere Struktur des Körpers eine dreifach-periodische Minimalfläche ist.
Dreifach-periodische Minimalflächen umfassen beispielsweise und bevorzugt Schwarz P Minimalflächen, iWP Minimalflächen, Neovius C(P) Minimalflächen, F-RD Minimalflächen, Gyroide, insbesondere Schoen Gyroide, Schwarz Diamant (D) Minimalflächen, Fischer-Koch (s) und Fischer-Koch C(Y).
Der Körper weist eine Außenhülle auf, wobei wenigstens ein Teil der Außenhülle des Körpers bei bestimmungsgemäßer Verwendung des Unterwasserfahrzeugs in Kontakt mit dem umgebenden Wasser steht. Dieses bedeutet, dass wenigstens der Teil der Außenhülle des Körpers, der mit dem umgebenden Wasser in Kontakt steht, wenn das Unterwasserfahrzeug getaucht ist, dem Umgebungsdruck ausgesetzt ist.
Die Außenhülle weist eine innere Oberfläche auf. Die innere Oberfläche grenzt an die innere Struktur an. Die innere Struktur und die innere Oberfläche weisen an der Stelle, an welcher diese aneinander grenzen, die gleiche Oberflächentangente auf. Hierdurch wird eine gleichmäßige Kraftübertragung gewährleistet und Belastungsspitzen im Material oder überhöhte Spannungen am Übergang vermieden. Die Außenhülle ist dabei der Bereich, der zwischen der mit dem umgebenden Wasser in Kontakt stehenden äußeren Oberfläche und der inneren Oberfläche liegt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Außenhülle und die innere Struktur wenigstens bereichsweise eine unterschiedliche Wandstärke auf, wobei die Wandstärke der Außenhülle zumindest bereichsweise höher ist als die Wandstärke der inneren Struktur. Die Wandstärke ist dabei die in entgegengesetzter Richtung zur Flächennormalen liegende Dicke des die Wand bildenden Materials. Bevorzugt ist die Wandstärke der Außenhülle in allen mit dem umgebenden Wasser in Kontakt stehenden Bereichen mindestens doppelt so groß wie die Wandstärke der inneren Struktur.
Bevorzugt weist das die innere Struktur und die Außenhülle bildende Material an der Stelle, an welcher diese aneinander grenzen, eine Verstärkung auf. Durch diese zusätzliche Verstärkung wird gerade dieser Bereich gestärkt, bei dem durch den Wechsel einer Struktur zur anderen erhöhte Kräfte auftreten.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Verstärkung an der Stelle, an welcher diese aneinander grenzen, eine Verdickung. Beispielsweise und insbesondere ist die Verdickung eine Steigerung der Wandstärke an der Stelle, an welcher diese aneinander grenzen, gegenüber der sonstigen Wandstärke der inneren Struktur um 20 % bis 150 %, bevorzugt von 50 % bis 100 %. Beispielsweise und bevorzugt erstreckt sich die Verdickung über einen Bereich, der eine Breite aufweist, wobei die Breite in Längsrichtung der Wand dem einfachen bis dreifachen der sonstigen Wandstärke der inneren Struktur entspricht. Hierbei verläuft die Verdickung besonders bevorzugt so, dass diese an den Randbereichen ausläuft und keinen sprunghaften Anstieg der Wandstärke aufweist, sondern eine kontinuierliche Veränderung. Die Wandstärke ist quer zur Ausrichtung der Wand, die Breite ist in Längsrichtung der Wand zu verstehen.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die Verstärkung eine Materialverstärkung. Beispielsweise und bevorzugt erfolgt die Materialverstärkung durch eingebrachtes Fasermaterial, insbesondere Glasfaser oder Kohlefaser. Da die Herstellung solcher Strukturen heutzutage bevorzugt mittels 3D-Druck geschieht, ist die örtlich begrenzte Einbringung von Material, beispielsweise von Fasermaterial, möglich. So entsteht beispielsweise aus einem Kunststoff lokal ein faserverstärkter Kunststoff, welcher gegenüber dem umgebenen Kunststoff eine Verstärkung darstellt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Körper ausgewählt aus der Gruppe umfassend Auftriebskörper und Tank. Gerade bei Unterwasserfahrzeugen ohne einen großen Druckkörper, beispielsweise große modular zusammenstellbare, wasserdurchspülte, insbesondere unbemannte, Unterwasserfahrzeuge können solche Körper sehr gut als Treibstofftank, Ballasttank oder Auftriebskörper eingesetzt werden, da diese gerade bei solchen Unterwasserfahrzeugen dem Umgebungsdruck ausgesetzt und nicht im Inneren eines Druckkörpers angeordnet sind. Ebenso können solche Bauteile auch an der Außenseite eines Druckkörpers eingesetzt werden, insbesondere um im Notfall mit Gas geflutet zu werden und so schnell Auftrieb zu erzeugen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Außenhülle eine äußere Oberfläche auf, wobei die äußere Oberfläche bereichsweise eben ist. Beispielsweise hat ein Würfel sechs Oberflächen-Bereiche, welche eben sind. Hierdurch kann eine einfache modulare Zusammensetzbarkeit gewährleistet werden. Beispielsweise und insbesondere weist der Körper eine äußere Formgebung auf, sodass eine Parkettierung des dreidimensionalen Raumes möglich ist. Besonders bevorzugt ist die äußere Formgebung ein Polyeder. Ganz besonders bevorzugt ist der Polyeder ausgewählt aus der Gruppe umfassend Rechteck, insbesondere Würfel, sechseckiges Prisma, dreieckiges Prisma, Rhombendodekaeder, verlängertes Rhombendodekaeder, Oktaederstumpf. In einer Weiterführung dieser Ausführungsform gibt es eine Formgebungskombination von mindestens zwei Körpern mit zwei oder drei voneinander unterschiedlichen äußeren Formgebungen, wobei die Formgebungskombination so gewählt ist, dass eine annähernd lückenlose Raumfüllung möglich ist. Ebenso kann dieses eine leichte Montage, beispielsweise in Form eines Stecksystems, insbesondere mit Kupplungen, ermöglichen. Bevorzugt handelt es sich um Formgebungskombinationen aus der Gruppe von Kombinationen umfassend Tetraeder und Okateder, Tetraederstumpf und Tetraeder, Kuboktaeder und Oktaeder oder Rhombenkuboktaeder sowie Würfel und Tetraeder. Gerade bei gleichartigen Körpern kann die Fertigung einfach und effizient gestaltet werden. Weiter kann das Unterwasserfahrzeug einfach, gegebenfalls sogar missionsabhängig, konfiguriert werden.
Zwischen der inneren Oberfläche der Außenhülle und der äußeren Oberfläche der Außenhülle können Kabelkanäle, Rohrleitung, Fundamente oder weitere Funktionalitäten angeordnet sein, insbesondere in Bereichen, in denen die Außenhülle eine gesteigerte Dicke gegenüber der Wandstärke der inneren Struktur aufweist.
Die innere Struktur eines erfindungsgemäßen Körpers ist hochporös, sodass die Füllung mit einem gasförmigen, flüssigen oder granular-festen Medium möglich ist, sofern das Bauteil eine geschlossene äußere Struktur aufweist. Die Füllung durch ein Medium dient dabei der Funktionalität, insbesondere der Minderung oder der Mehrung des Aufbeziehungsweise Abtriebs, oder/und der Festigkeit des Körpers. Durch eine Druckbeaufschlagung oder das Einbringen inkompressibler Medien wird eine Leichtbauweise mit sehr hoher Druckstabilität ermöglicht.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der erste Körper aus Metall mittels additiver Fertigungsmethoden hergestellt. Körper aus Metall bieten eine gute Weiterverarbeitungsmöglichkeit und sind optimal an den üblicherweise aus Stahl konstruierten Druckkörper oder andere Schiffsbauteile anbringbar.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die innere Struktur eine gyroide Struktur, wobei die gyroide Struktur gegeben ist durch: $s i n (x) c o s (y) + s i n (y) c o s (z) + s i n (z) c o s (x) = 0$
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Körper mit einer ersten Fluidfördervorrichtung verbunden ist, um ein erstes Fluid in den ersten Körper zu fördern. Bevorzugt kann die erste Fluidfördervorrichtung das erste Fluid auch aus dem ersten Körper heraus fördern. In einer ersten beispielhaften Ausführungsform ist der Körper ein Treibstofftank und das erste Fluid ein Treibstoff, insbesondere Benzin, Diesel, Methanol, Ethanol, Propanol, Methan oder Wasserstoff. In einer weiteren Ausführungsform ist der erste Körper ein Ballasttank und das erste Fluid ist Umgebungswasser. In einer weiteren Ausführungsform ist der erste Körper ein Tank für Trinkwasser, Hydraulikflüssigkeit oder ein Druckgasspeicher.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Körper mit einer zweiten Fluidfördervorrichtung verbunden, um ein zweites Fluid in den ersten Körper zu fördern. Beispielsweise kann das zweite Fluid Gas sein, wenn das erste Fluid Umgebungswasser und der Körper ein Ballasttank ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die innere Oberfläche in Form von Kreisausschnitten geformt, wobei der Radius ortsabhängig sein kann, damit die Anpassung an die innere Struktur und der tangentiale Übergang erzielt werden kann.
Selbstverständlich ist denkbar, dass auch eine Abweichung von der idealen (streng mathematischen) dreifach-periodischen Minimalfläche erfolgen kann. Gründe hierfür ist zum Beispiel die Integration von Durchbrüchen/-führungen der Hülle, Freiräumen im Innern oder Integration von Bauteilen/Komponenten. Ebenso können in der inneren Struktur Durchlässe vorgesehen sein, um die beiden voneinander getrennten kontinuierlichen Volumina mit einander zu verbinden. Diese Durchlässe können am Rand eine Verdickung aufweisen, um stabilisiert zu werden. Es können auch Hohlräume innerhalb der inneren Struktur angeordnet sein, die dann bevorzugt von einem verstärkten Bereich der inneren Struktur umgeben sind. Für die Integration größerer Bauteile oder Komponenten kann es zielführend sein. Lokal die dreifach-periodischen Minimalfläche zu modifizieren, um einen ausreichend großen Hohlraum zu erzeugen. Weiterhin ist die Ausrichtung und Detailierung der inneren Struktur auch in Abhängigkeit von der äußeren Hüllform, um die ursprüngliche Homogenisierung der Spannungen aus dem äußeren Drucks zu gewährleisten. Grundsätzlich dient eine Abweichung der inneren Struktur daher zur Kompensation des äußerlich wirkenden Drucks auf die Hülle. Durch einen äußeren Druck kann es zusätzlich zu einer Gestaltänderung kommen. Weiter kann durch den Einbau durch die dabei auftretenden Kräfte eine Verformung bewirkt werden. Es ist somit eine Verstärkung in dieser Wirkrichtung möglich. Solche Abweichungen der inneren Struktur verändern den erfindungswesentlichen Übergang zur Außenhülle nicht und sollen somit erfindungsgemäß mit umfasst sein. Ein Körper mit solchen Modifikationen wird auch als ein Körper mit einer inneren Struktur mit einer dreifach-periodischen Minimalfläche angesehen. Dieses wird auch dadurch deutlich, dass diese Modifikationen zum Beispiel zum Zuführen oder Entfernen von Fluid notwendig sind.
Bei der Verwendung von mehreren erfindungsgemäßen Körpern in einem Unterwasserfahrzeug weist das Wasserfahrzeug bevorzugt eine Steuer- und Regeltechnik auf, um aus einer Mehrzahl an Tanks mit einer dreifach-periodischen Minimalfläche Flüssigkeiten oder Gase zu fördern. Hierfür können alle bekannten Steuer-, Regel- und Fördertechniken verwendet werden.
Ein erfindungsgemäßer Körper kann auch nachträglich an ein schweb- oder schwimmunfähiges Unterwasserfahrzeug angebracht werden, um die Schweb- oder Schwimmtauglichkeit wiederherzustellen, also beispielsweise für eine Bergung.
Selbstverständlich kann die mit Wasser in Kontakt stehende äußere Oberfläche nach dem Stand der Technik modifiziert sein, um beispielsweise Strömungswiderstand zu minimieren, Anhaftungen zu minimieren oder Korrosion zu reduzieren.
Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Unterwasserfahrzeug anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

1 erstes modulares Unterwasserfahrzeug
2 zweites modulares Unterwasserfahrzeug
3 drittes Unterwasserfahrzeug im Längsschnitt
4 drittes Unterwasserfahrzeug um Querschnitt
5 ein Körper im perspektivischen Querschnitt
6 ein weiterer Körper im Querschnitt
7 ein Körper im perspektivischen Querschnitt

In 1 ist ein erstes modular zusammengesetztes Unterwasserfahrzeug 10 schematisch dargestellt. Die Module 20, 30, 40, 50, 70 werden missionsabhängig zusammengestellt und verbunden. Die Module 20, 30, 40, 50, 70 sind wasserdurchspült, sodass alle Komponenten dem Umgebungsdruck während des Tauchganges ausgesetzt sind. Auf Druckkörper wird daher weitgehend verzichtet, um Gewicht zu sparen.
Neben einem Bugmodul 20, einem Energiemodul 50, welches beispielsweise einen Generator 110, beispielsweise einen Dieselgenerator in einem separaten Druckkörper aufweist, und einem Heckmodul, welches einen Fahrmotor 120 und einen Propeller 130 aufweist, weist das Unterwasserfahrzeug 10 zwei Auftriebsmodule 30 und ein Tankmodul 40 auf.
Das Auftriebsmodul 30 weist einen Ballasttank 80 auf, welcher als erfindungsgemäßer Körper mit einer inneren Struktur 200 in Form einer dreifach-periodischen Minimalfläche ist. Um Ballastwasser in den Ballasttank 80 zu fördern und daraus zu entfernen weist das Auftriebsmodul 30 ferner ein mit dem Ballasttank 80 verbundene Pumpeinheit 90 auf.
Das Tankmodul 40 weist einen Treibstofftank 100 auf, welcher als erfindungsgemäßer Körper mit einer inneren Struktur 200 in Form einer dreifach-periodischen Minimalfläche ist. Der Treibstofftank 100 ist mit dem Generator 110 verbunden.
Durch die Verwendung erfindungsgemäßer Körper ist es möglich, druckstabile und leichte Ballasttanks 80 und Treibstofftanks 100 zur Verfügung zu stellen.
Um beispielsweise die Reichweite des Unterwasserfahrzeugs 10 zu erhöhen, kann einfach die Anzahl der Tankmodule 40 gesteigert werden. Soll Nutzlast abgesetzt oder aufgenommen werden, kann die Anzahl der Auftriebsmodule 30 erhöht werden.
Das in 2 gezeigte zweite modular zusammengesetztes Unterwasserfahrzeug 12 unterscheidet sich nur wenig von dem in 1 gezeigten ersten modular zusammengesetzten Unterwasserfahrzeug 10. Zum einen sind die Ballasttanks 80 kleiner und modular ausgeführt. Diese werden über in den Ballasttanks liegenden Verbindungsleitungen verbunden, sodass die Ballastpumpe 92 Wasser in die Ballasttanks 80 hinein und hinaus befördern kann sowie Gas aus dem Gastank 94 eingeleitet werden kann, insbesondere um schnell das Wasser aus den Ballasttanks 80 zu entfernen. Weiter weist das Unterwasserfahrzeug 12 ein Nutzmodul 60, manchmal auch Missionsmodul oder Nutzlastmodul genannt, mit einer Nutzlast 140 auf. Weiter weist das Nutzmodul 60 Strukturmodule 150 auf, die als erfindungsgemäße Körper ausgebildet sind. Diese können als reine Strukturelemente für Festigkeit sorgen, einen statischen Auftrieb erzeugen oder ebenfalls als Ballasttank ausgeführt sein. Als Nutzlast 140 kann beispielsweise ein ferngesteuertes Unterwasserfahrzeug sein. Es kann sich bei der Nutzlast 140 auch um etwas handeln, was auf dem Meeresboden abgesetzt oder von diesem aufgenommen werden soll.
In 3 ist ein drittes beispielhaftes Unterwasserfahrzeug 14 im Längsschnitt und in 4 im Querschnitt gezeigt. Das Unterwasserfahrzeug 14 weist im gezeigten Beispiel 12 die Hülle bildende Tanks 300 auf, wobei jeweils sechs kreisförmig nebeneinander angeordnet sind und so den gegen die Umgebung geschützten Innenraum 310 bilden. Im Innenraum 310 können beispielsweise Batterien, Motor, Pumpen, Gasspeicher und beliebige weitere Nutzlasten angeordnet sein. Die die Hülle bildenden Tanks 300 sind Körper mit einer dreifach-periodischen Minimalfläche. Alle die Hülle bildenden Tanks 300 können gleich oder verschieden sein. Beispielsweise sind die Hälfte der die Hülle bildenden Tanks 300 Ballasttanks und die andere Hälfte der die Hülle bildenden Tanks 300 sind Treibstofftanks. In einer weiteren Ausgestaltung können alle die Hülle bildenden Tanks 300 sowohl als Treibstofftank als auch als Ballasttank bilden. Hierzu werden bevorzugt die beiden getrennten Volumina, welche durch die dreifach-periodische Minimalfläche gebildet werden, für die beiden Zwecke verwendet.
5 zeigt einen ersten beispielhaften Körper, der entweder ein Ballasttank 80 oder ein Treibstofftank 100 sein kann. Der Körper weist eine innere Struktur 200, hier in Form eines Gyroids, auf. An der Außenseite weist der Körper eine Außenhülle 220 auf. Die Außenhülle weist eine innere Oberfläche 230 auf, welche an die Oberfläche 210 der inneren Struktur 200 und an der Stelle, an welcher diese aneinander grenzen, die gleiche Oberflächentangente aufweisen. Hierdurch ist der Kraftfluss optimal gewährleistet, es treten keine Belastungsspitzen auf. Es hat sich jedoch gezeigt, dass eine zusätzliche Verstärkung, beispielsweis in Form der hier gezeigten Verdickung 250
Der in 6 gezeigte weitere beispielhafte Körper unterscheidet sich dadurch, dass die äußere Oberfläche 240 bereichsweise eben ist. Hierbei können Ecken und Kanten wie gezeigt abgerundet oder abgeschrägt sein.
7 ist an einem beispielhaften Bereich die Konstruktion der inneren Oberfläche 230 gezeigt. Ausgehend von der Oberfläche 210 der inneren Struktur 200 sind im gezeigten Bereich fünf Kreisausschnitte gezeigt, welche die beiden gegenüberliegenden Enden der Oberfläche 210 der inneren Struktur 200 verbinden. Diese sind als Kreisausschnitte gebildet, wobei der Radius durch die beiden Oberflächentangenten an den Schnittstellen zwischen der inneren Oberfläche 230 und der Oberfläche 210 der inneren Struktur 200 gegeben ist. Wie sich erkennen lässt, ergibt sich daraus an dem hier gezeigten Beispiel ein sinus-förmiger Verlauf an der Oberseite der inneren Oberfläche 230.
Bezugszeichenliste

10: Unterwasserfahrzeug
12: Unterwasserfahrzeug
14: Unterwasserfahrzeug
20: Bugmodul
30: Auftriebsmodul
40: Tankmodul
50: Energiemodul
60: Nutzmodul
70: Heckmodul
80: Ballasttank
90: Pumpeinheit
92: Ballastpumpe
94: Gastank
100: Treibstofftank
102: Pump- und Regeleinheit
110: Generator
120: Fahrmotor
130: Propeller
140: Nutzlast
150: Strukturmodul
200: innere Struktur
210: Oberfläche der inneren Struktur
220: Außenhülle
230: innere Oberfläche
240: äußere Oberfläche
250: Verdickung
300: Hülle bildender Tank
310: Innenraum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2017/0014493 A1 [0005]
US 2017/0029968 A1 [0006]
WO 2015/006381 A2 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Qin et al. Sci. Adv. 2017, 3:e1601536 vom 06.01.2017 [0004]

Claims

Unterwasserfahrzeug (10, 12, 14), wobei das Unterwasserfahrzeug (10, 12, 14) wenigstens einen Körper aufweist, wobei der wenigstens eine Körper eine innere Struktur (200) aufweist, wobei die innere Struktur (200) des Körpers eine dreifach-periodische Minimalfläche ist, wobei der Körper eine Außenhülle (220) aufweist, wobei wenigstens ein Teil der Außenhülle (220) des Körpers bei bestimmungsgemäßer Verwendung des Unterwasserfahrzeugs (10, 12, 14) in Kontakt mit dem umgebenden Wasser steht, wobei die Außenhülle (220) eine innere Oberfläche (230) aufweist, wobei die innere Oberfläche (230) an die innere Struktur (200) angrenzt, wobei die innere Struktur (200) und die innere Oberfläche (230) an der Stelle, an welcher diese aneinander grenzen, die gleiche Oberflächentangente aufweisen.
Unterwasserfahrzeug (10, 12, 14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhülle (220) und die innere Struktur (200) eine unterschiedliche Wandstärke haben, wobei die Wandstärke der Außenhülle (220) wenigstens bereichsweise höher ist als die Wandstärke der inneren Struktur (200).
Unterwasserfahrzeug (10, 12, 14) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die innere Struktur (200) und die Außenhülle (220) bildende Material an der Stelle, an welcher diese aneinander grenzen, eine Verstärkung aufweist.
Unterwasserfahrzeug (10, 12, 14) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung eine Verdickung (250) ist.
Unterwasserfahrzeug (10, 12, 14) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdickung eine Steigerung der Wandstärke an der Stelle, an welcher diese aneinander grenzen, gegenüber der sonstigen Wandstärke der inneren Struktur (200) um 20 % bis 150 %, bevorzugt von 50 % bis 100 %, ist.
Unterwasserfahrzeug (10, 12, 14) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung eine Materialverstärkung ist.
Unterwasserfahrzeug (10, 12, 14) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialverstärkung durch eingebrachtes Fasermaterial, insbesondere Glasfaser oder Kohlefaser, erfolgt.
Unterwasserfahrzeug (10, 12, 14) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Auftriebskörper und Tank.
Unterwasserfahrzeug (10, 12, 14) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhülle (220) eine äußere Oberfläche (240) aufweist, wobei die äußere Oberfläche (240) bereichsweise eben ist.
Unterwasserfahrzeug (10, 12, 14) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Struktur (200) eine gyroide Struktur ist, wobei die gyroide Struktur gegeben ist durch: $s i n (x) c o s (y) + s i n (y) c o s (z) + s i n (z) c o s (x) = 0$
Unterwasserfahrzeug (10, 12, 14) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper mit einer ersten Fluidfördervorrichtung verbunden ist, um ein erstes Fluid in den ersten Körper zu fördern.
Unterwasserfahrzeug (10, 12, 14) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper mit einer zweiten Fluidfördervorrichtung verbunden ist, um ein zweites Fluid in den ersten Körper zu fördern.