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Die Erfindung betrifft ein Unterwasserfahrzeug mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Herkömmliche Unterwasserfahrzeuge, auch U-Boote genannt, weisen einen stromlinienförmigen Grundkörper, einen Antrieb und eine Personenaufnahme auf. Der Grund- bzw. Schiffskörper einschließlich der Personenaufnahme sind dazu ausgelegt, den Innenraum von dem tauchtiefenabhängig hohen hydrostatischen Umgebungsdruck abzuschirmen, während im Innenraum ein im wesentlichen atmosphärischer Druck gehalten werden soll. Mit anderen Worten wirkt im Betrieb eine Druckdifferenz zwischen hohem Außendruck und im Vergleich dazu niedrigerem Innendruck auf den Grundkörper und die Personenaufnahme ein.
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Die genannte Druckdifferenz, die selbst bei mäßigen Tauchtiefen beträchtliche Werte annimmt, erzeugt im Grund- bzw. Schiffskörper erhebliche mechanische Spannungen mit der Folge von hohen Festigkeits- und Stabilitätsbeanspruchungen der Hülle. Die Hülle ist deshalb regelmäßig aus dickwandigem Metall ausgebildet, weshalb herkömmliche Unterwasserfahrzeuge eine hohe Gesamtmasse aufweisen. Schon kleinere Unterwasserfahrzeuge für nur eine oder wenige Personen erreichen im Regelfall eine Gesamtmasse von mehreren Tonnen. Die aufwändige und schwere Konstruktion zieht hohe Kosten nach sich. Die hohe Gesamtmasse erschwert die Handhabung außerhalb des vorgesehenen Einsatzortes. Bei kleineren Unterwasserfahrzeugen muss deshalb ein mit entsprechenden Hilfsmitteln wie Kran oder dgl. ausgerüstetes Begleitschiff bereitstehen, was den Investitionsaufwand, die Logistik und damit die Betriebskosten insgesamt erheblich erhöht.
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Unterwasserfahrzeuge der vorgenannten Art haben deshalb nur wenig Verbreitung insbesondere in Forschung, Naturbeobachtung und Freizeitgestaltung gefunden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gattungsgemäßes Unterwasserfahrzeug derart weiterzubilden, dass Konstruktion und Betrieb signifikant vereinfacht sind.
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Diese Aufgabe wird durch ein Unterwasserfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Nach der Erfindung ist ein Unterwasserfahrzeug vorgesehen, bei dem der Grundkörper durch eine flexible, im Betrieb mit Wasser gefüllte Hülle aus einem textilen Material gebildet ist. Das Unterwasserfahrzeug weist dabei eine Druckvorrichtung zur Erzeugung eines inneren Wasserüberdrucks in der Hülle auf. Das erfindungsgemäße Konzept beruht demnach darauf, dass auf die Hülle im Vergleich zu herkömmlichen Unterwasserfahrzeugen eine umgekehrte Druckdifferenz wirkt: Der Innendruck ist höher als der Außendruck. Dies bewirkt, dass das Hüllenmaterial im mechanischen Sinne nicht auf Druck, sondern auf Zug beansprucht wird. Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines flexiblen, textilen Hüllenmaterials wird sichergestellt, dass praktisch keine Sekundärbeanspruchungen wie Biegung oder dgl. Auftreten. Unter der sich einstellenden, praktisch reinen Zugspannung kann die Hülle auf Festigkeit dimensioniert werden, ohne dass Stabilitätskriterien, welche nur bei Druckbeanspruchung auftreten, berücksichtig werden müssten.
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Darüber hinaus muss abweichend vom Stand der Technik im Betrieb kein konstanter Innendruck, sondern nur eine minimale Druckdifferenz aufrechterhalten werden, welche dem textilen Grundkörper seine vorgesehene stromlinienförmige Gestalt verleiht, und welche ausreicht diese Gestalt auch bei geeigneten Bewegungsgeschwindigkeiten und den daraus folgenden dynamischen Druckdifferenzen aufrecht zu erhalten.
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Da diese für den Betrieb erforderliche Druckdifferenz nicht sehr groß und außerdem unabhängig von der Tauchtiefe ist, sind an die Tragfähigkeit des textilen Hüllenmaterials keine übermäßigen Anforderungen gestellt. Das Material kann in Bahnen ausgeschnitten und mit üblichen Verarbeitungstechniken (Nähen, Kleben, etc.) in der gewünschten Form zur Bildung der Hülle zusammengesetzt werden. Besondere Dichtigkeitsanforderungen existieren ebenfalls nicht, da bestimmte Leckagemengen, die beispielsweise im Bereich von Nahtlöchern entstehen können, permanent durch die genannte Druckvorrichtung beispielweise in Form einer elektrischen Wasserpumpe ausgeglichen werden.
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Die textile Hülle ist nicht nur einfach herstellbar, sondern weist auch eine geringe Gesamtmasse auf. Zudem kann sie abseits des Betriebes ohne Wasserfüllung auf ein kleines Packmaß zusammengelegt, von einer oder wenigen Personen getragen und in einem gewöhnlichen Kraftfahrzeug transportiert werden. Der Einsatz kann von jedem Strand aus oder von selbst einfachen Begleitbooten aus erfolgen, wobei Wasserbefüllung und abschließende Entleerung unmittelbar am Einsatzort vorgenommen werden. Kosten und logistischer Aufwand sind auf ein Minimum reduziert.
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Weitere vorteilhafte und optionale Ausgestaltungen der Erfindung sowie deren dadurch erzielten Vorteile und Eigenschaften ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Figurenbeschreibung.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen
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1 in einer schematischen Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Unterwasserfahrzeuges mit Einzelheiten zur Anordnung von Antrieb, verschiedenen Blasen zur Auftriebs- und Lageregulierung, sowie von weiteren Komponenten, und
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2 in einer schematischen Draufsicht das Unterwasserfahrzeug nach 1 mit weiteren Einzelheiten zur seitlichen Verteilung verschiedener Blasen.
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1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Unterwasserfahrzeuges, welches einen stromlinienförmigen Grundkörper 1, einen Antrieb 2 und eine Personenaufnahme 3 umfasst. Der Begriff „stromlinienförmig” bedeutet in diesem Zusammenhang, dass sich die Kontur ausgehend von einem vorderen Punkt gerundet und allmählich auf eine maximale Höhe und eine maximale Breite erweitert, und dann ebenso gerundet und allmählich wieder zu einem Endpunkt verjüngt, wobei eckige Kontursprünge weitestgehend vermieden sind, und wobei die Längserstreckung größer als die Erstreckung der Seiten- und/oder Hochrichtung ist.
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Das Verhältnis der Länge des Grundkörpers 1 zu dessen maximalen Durchmesser entspricht hier den Grundlagen hydrodynamischer Gesetzgebungen/Erwägungen, um bei Vor- oder Rückwärtsfahrt einen möglichst geringen Strömungswiderstand unter weitgehender Vermeidung von Strömungsablösungen zu erzeugen.
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Das Unterwasserfahrzeug ist in seiner gewöhnlichen Betriebslage gezeigt, demnach dessen vorderes Ende in der Zeichnung links liegt, und demnach die Personenaufnahme 3 bezogen auf die Hochrichtung unterhalb des Grundkörpers 1 angeordnet ist. Die Personenaufnahme 3 kann aber auch im Grundkörper 1 derart integriert sein, dass sie nicht über dessen Kontur hinaussteht.
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Der Grundkörper 1 ist als Hohlkörper mit einer flexiblen äußeren Hülle 4 aus einem textilen Material gebildet. An der Hülle 4 sind in deren hinteren Bereich Leitflächen 6 angebracht, die ebenfalls als Hohlkörper aus einem textilen Material ausgebildet sind. Die Leitflächen 6 wirken sowohl in Hochrichtung als auch in Seitenrichtung und dienen damit einer Richtungsstabilisierung in Vorwärtsfahrt. Ergänzend können sie mit bewegbaren Ruderflächen ausgestattet sein, um eine strömungsdynamische Steuerung zu ermöglichen.
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Im Betrieb sind sowohl der Grundkörper 1 als auch die Leitflächen 6 mit Wasser gefüllt. Für die Wasserfüllung wird Wasser aus der Umgebung verwendet, so dass je nach Einsatz im Süß- oder Salzwasser mit unterschiedlichem Salzgehalt das spezifische Gewicht der Wasserfüllung gleich dem spezifischen Gewicht des Umgebungswassers ist. Das Unterwasserfahrzeug weist des Weiteren mindestens eine Druckvorrichtung 5 auf, die hier schematisch als elektrische Wasserpumpe angedeutet ist. Mittels der Druckvorrichtung 5 wird die Wasserfüllung der Hülle 4 und der Leitflächen 6 gegenüber dem umgebenden Wasserdruck in einen bestimmten relativen Überdruck versetzt. Es kann auch zweckmäßig sein, für die Hülle 4 und die Leitflächen 6 verschiedene Druckvorrichtungen 5 in geeigneter Anzahl einzusetzen. Jedenfalls pumpt die entstehende positive Druckdifferenz die Hülle 4 und die Leitflächen 6 zu ihrer gewünschten Gestalt auf und hält diese Gestalt auch bei einwirkenden, durch Fahrtgeschwindigkeit erzeugten dynamischen Drücken aufrecht. Die hier herangezogene Druckvorrichtung 5 des Unterwasserfahrzeuges kann vor bzw. nach dem Einsatz für das Befüllen bzw. für das Entleeren des Wassers genutzt werden. Zweckmäßig wird hierfür eine hinsichtlich ihrer Förderleistung entsprechend groß dimensionierte separate Pumpe verwendet. Im letztgenannten Fall kann dann die Druckvorrichtung 5 umgekehrt derart klein dimensioniert sein, dass sie ausschließlich für die Aufrechterhaltung des erhöhten Innendruckes unter Ausgleich von beispielsweise leckagebedingten Druckverlusten zum Einsatz kommt.
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Die Personenaufnahme 3 ist ebenfalls ein textiles Gebilde, welches hier beispielhaft als Tasche aus Tuchmaterial ausgeführt ist. Es kann sich aber auch um eine Anordnung aus Gurtbändern, Seilen oder dgl. handeln. Jedenfalls wird hierdurch erreicht, dass die Einheit aus Hülle 4, Leitflächen 6 und Personenaufnahme 3 außerhalb des Betriebszustandes und bei Fehlen einer Wasserfüllung auf ein geringes Packmaß zusammengelegt, verstaut und transportiert werden kann.
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Bei der genannten Ausbildung der Personenaufnahme 3 als textiles Gebilde ist die darin befindliche Person dem umgebenden Wasserdruck ausgesetzt. Die Person ist deshalb hier als ausgerüsteter SCUBA Taucher 18 dargestellt (Self Contained Underwater Breathing Apparatus). Eine alternative Option besteht aber noch darin, dass die Personenaufnahme 3 als kabinenartiger Druckkörper ausgebildet ist, innerhalb dessen atmosphärischer Luftdruck aufrechterhalten wird, so dass auf eine SCUBA Ausrüstung verzichtet werden kann. Ergänzend wird hier noch darauf hingewiesen, dass zur besseren Übersicht nur eine Person dargestellt ist. Die Personenaufnahme 3 kann aber auch für mehrere Personen ausgelegt sein.
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Der hier nur schematisch angedeutete Antrieb 2 umfasst einen nicht näher dargestellten Elektromotor sowie einen zugehörigen elektrischen Akkumulator 19, wobei der letztere aus Gewichts- und Kapazitätsgründen bevorzugt ein Lithium-Akku, insbesondere ein Lithium-Eisenphosphat-Akku (LiFePo) ist. Es kann aber auch ein Verbrennungsmotor mit geeigneter Luftzufuhr zweckmäßig sein.
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Der Antrieb 2 kann auf einen gewöhnlichen, nicht dargestellten Propeller (Schiffschraube) wirken. Im gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst der Antrieb 2 ein System von hier verzweigt dargestellten Schläuchen 16, welche in Strahldüsen 10, 11, 12, 13 münden, wobei die Strahldüsen 10, 11, 12, 13 optional im vorderen Bereich, insbesondere aber im hinteren Bereich der Hülle 4 ausgebildet sind. Eine am hinteren Ende angeordnete und in Längsrichtung nach hinten ausgerichtete Strahldüse 12 dient einem Vortrieb für die Vorwärtsfahrt, während eine am vorderen Ende angeordnete und ebenfalls in Längsrichtung, aber nach vorne ausgerichtete Strahldüse 13 für einen Antrieb in Rückwärtsfahrt dient. Am hinteren Ende des Grundkörpers 1 sind noch mehrere Strahldüsen 10 rings um die Längsachse herum verteilt und mit radialer Richtungskomponente in Seiten- bzw. Hoch/Tief-Richtung ausgerichtet. Mit ihnen kann insbesondere bei Vorwärtsfahrt eine Lagesteuerung in Nickrichtung um die Querachse und in Gierrichtung um die Hochachse ausgeführt werden. Sinngemäß das Gleiche gilt bei Rückwärtsfahrt für rings um die Längsachse herum am vorderen Ende angeordnete Strahldüsen 11. Das System von Schläuchen 16 ist mit Steuerventilen 17 versehen, mittels derer einzelne Strahldüsen 10, 11, 12, 13 zur Erzeugung einer gewünschten Antriebs- und/oder Steuerbewegung angesteuert werden können. Das durch das System von Schläuchen 16, Ventilen 17 und Strahldüsen 10, 11, 12, 13 mittels des genannten Motors ausgestoßene Wasser wird bevorzugt in unmittelbarer Nähe zum Motor durch eine nicht dargestellte Öffnung aus der Umgebung angesaugt.
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Darüber hinaus weist das Unterwasserfahrzeug ein Lage- und Positionssteuersystem mit mindestens einer, hier mehreren Blasen 7, 8, 9 auf, welche bei Bedarf mit Gas mehr oder weniger aufgeblasen werden können. Über nicht dargestellte Ventile kann die Gasfüllung auch wieder teilweise oder ganz abgelassen werden. Als Gas für die Füllung der Blasen 7, 8, 9 kommt ein komprimiertes Treibgas in Betracht. Bevorzugt wird Druckluft eingesetzt. Die Blasen 7, 8, 9 sind flexibel und insbesondere aus einem textilen, aber im Wesentlichen gasdichten Material gefertigt. Durch Variation des Gasfüllstandes in den Blasen 7, 8, 9 wird deren Volumen und damit deren Auftrieb gegenüber dem umgebenden Wasser variiert. Dies erlaubt zunächst, das gesamte Unterwasserfahrzeug bezogen auf die Vertikalrichtung in einen Gleichgewichtszustand zu versetzen, so dass es im Wasser weder steigt noch sinkt. Durch Aufblasen oder Ablassen kann dann davon ausgehend eine Steig- oder Sinkgeschwindigkeit erzeugt werden.
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In der gezeigten bevorzugten Ausführungsform sind mindestens eine erste Blase 7 in einem vorderen Bereich der Hülle 4 und mindestens eine zweite Blase 8 in einem hinteren Bereich der Hülle 4 angeordnet. Durch Einstellung verschiedener Aufblaszustände der vorderen und/oder hinteren Blasen 7, 8 kann ergänzend zum Gesamtauf- oder -abtrieb ein gewünschter Nickwinkel des Grundkörpers 1 gegenüber der Horizontalen eingestellt werden. 2 zeigt das Unterwasserfahrzeug nach 1 noch in einer Draufsicht bei ansonsten gleichen Merkmalen und Bezugszeichen. Demnach sind die ersten Blasen 7 und/oder die zweiten Blasen 8 paarweise beidseitig der Mittellinie des Grundkörpers 1 und insbesondere angrenzend an die Hülle 4 angeordnet. Es entsteht ein großer seitlicher Abstand zwischen zwei vorderen Blasen 7 und/oder zwei hinteren Blasen 8. Durch unterschiedliche Aufblaszustände zwischen den linken bzw. rechten Blasen 7, 8 kann eine Lagetrimmung in Richtung einer Rollbewegung um die Längsachse herbeigeführt werden. Im Extremfall ist es sogar möglich, das Unterwasserfahrzeug auf den Rücken zu drehen, um ein Ein- oder Aussteigen der Personen in bzw. aus der Personenaufnahme 3 zu erleichtern. Eine bevorzugte Option für die Erzeugung unterschiedlicher Aufblaszustände verschiedener Blasen und damit für die Erreichung bestimmter Trimmzustände besteht noch darin, dass eine Teilmenge der Gasfüllung aus einer Blase in eine andere Blase umgepumpt wird. Hierbei wird weder Gas abgelassen noch hinzugefügt, so dass eine Veränderung des Lagetrimms nicht zu einer Veränderung des Gesamtauftriebes und damit des Gleichgewichtszustandes in Vertikalrichtung führt.
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Ergänzend kann optional noch eine mittlere Blase 9 in einem mittleren Bereich der Hülle 4 angeordnet werden. Sie kann als Notfallauftriebshilfe für einen Notaufstieg eingesetzt werden.
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Gemäß dem gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel sind mindestens ein, hier zwei Behälter, nämlich ein Antriebsbehälter 14 und ein Gerätebehälter 15 vorgesehen und innerhalb des Grundkörpers 1 angeordnet. Beide Behälter sind wasserdicht gegenüber der Umgebung versiegelt, so dass deren Inhalt auch bei Tauchfahrt unter trockenen, ggf. auch atmosphärischen Bedingungen aufbewahrt wird. Im Antriebsbehälter 14 befindet sich zumindest der Antriebsmotor und optional bzw. beispielhaft auch die Druckvorrichtung 5. Im Gerätebehälter 15 befindet sich der zugehörige Akku 19.
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Weitere Geräte wie Druckgasbehälter, Druckluftflaschen, Ventile, Steuerelektronik oder dgl. können dort ebenfalls aufbewahrt werden. Antriebsbehälter 14 und Gerätebehälter 15 können auch in weitere, zusätzliche Behälter aufgeteilt oder zu einem einzigen Behälter zusammengefasst sein. Bevorzugt sind jedenfalls der oder die Behälter einerseits hinsichtlich ihres Volumens und andererseits hinsichtlich ihrer Gesamtmasse einschließlich der Masse des Inhaltes derart abgestimmt, dass ihre Gesamtmasse größer als die durch das Volumen verdrängte Wassermasse ist. Dadurch erzeugen sie gegenüber dem umgebenden Wasser keinen Auftrieb, sondern vielmehr Abtrieb. Des Weiteren sind die genannten Behälter bezogen auf die Hochrichtung zweckmäßig unterhalb der Längsachse, jedenfalls aber unterhalb der Blasen 7, 8, 9 im Bereich des Grundkörperbodens angeordnet, wodurch sie in Verbindung mit dem Auftrieb der Blasen 7, 8, 9 als aufrichtender Ballast fungieren. Zur Erhöhung des aufrichtenden Momentes können auch zusätzliche oder alternative Blasen im oberen Dachbereich der Hülle 4 angeordnet werden. Eine weitere Option besteht darin, eine oder mehrere Blasen im unteren Bodenbereich der Hülle 4 anzuordnen, um einer möglichen Überstabilisierung entgegen zu wirken, oder um unter Umständen ein Umdrehen des Unterwasserfahrzeuges in die Rückenlage herbeizuführen.
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Wie zuvor schon erwähnt, kann die Befüllung bzw. Nachfüllung der Blasen 7, 8, 9 mittels Druckluft aus einem im Unterwasserfahrzeug mitgeführten Druckluftbehälter erfolgen. Der gleiche Druckluftbehälter kann bei Luftbefüllung auch für die Atemluftversorgung der mitfahrenden Person(en) bzw. des Tauchers 18 eingesetzt werden, so dass deren bzw. dessen persönliche Ausrüstung auf ein Minimum reduziert werden kann. Bei geringen Tauchtiefen kommt auch eine Luftversorgung von der Oberfläche mittels eines Schnorchels in Betracht. Als zusätzliches Sicherheitsmerkmal kann für mindestens eine Blase, hier für die mittlere Blase 9 eine separate Druckgasflasche beispielweise mit CO2-Füllung vorgesehen werden.
