DE2855443A1 - Tauchfaehiger schleppkoerper - Google Patents

Description

Tauchfähiger Schleppkörper

Die Erfindung betrifft einen tauchfähigen Schleppkörper, welcher mittels eines Schleppseiles durch Wasser ziehbar ist.

Derartige Schleppkörper werden zur Aufnahme von Sonargeräten verwendet und werden üblicherweise von einem Hubschrauber gezogen.

üblicherweise haben tauchfähige/ geschleppte Wandleranordnungen für Sonar eine Geometrie, die weitgehend durch die Funktion der Sonarausrüstung selbst vorgegeben ist. Hydrodynamische Überlegungen stehen erst an zweiter Stelle. Es ist auch ein Schleppkörper für ein Sonargerät bekannt, der einem stromlinienförmigen Geschoß bezüglich seiner Gestalt ähnelt, wobei der Schwerpunkt nahe beim einen Ende liegt. Eine großen Durchmesser aufweisende Wante, welche die Sonaraufnehmer (Hydrophone) trägt, ist über einen Drehzapfen am anderen Ende des Schleppkörpers befestigt und dient als stabilisierende Schwanzflosse. In jüngster Zeit besteht auch ein Bedarf für einen 360°-Abtastsonar, der von einem Hubschrauber oder einem Schiff gezogen wird. Aus der herkömmlichen Hydrodynamik ergibt sich, daß ein guter Lösungsversuch für dieses Problem darin bestehen würde, ein in gewissem Ausmaße stromlinienförmiges Fahrzeug vorzusehen, . das mit Steuerflächen versehen ist, welche einen freiliegenden, drehbaren Wandler tragen. Diese Lösung stellte sich jedoch als nicht zufriedenstellend heraus, da sowohl der Wandler als auch die nach außen stehenden Teile des Schleppkörpers

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bei rauher Behandlung auf dem Deck des Schiffes und beim Herabhängen vom Hubschrauber leicht beschädigt v/erden konnten. Bei einem anderen Lösungsversuch wurde das Sonargerät in ein in gewissem Ausmaße stromlinienförmiges Gehäuse eingebaut, wobei jedoch die flossenförmigen Steuerflächen beibehalten wurden. Man kommt auf diese Weise zwar zu einem im Betrieb brauchbaren Gerät, es besteht jedoch immer noch die Gefahr, daß die freiliegenden Teile bei grober Behandlung beschädigt werden. Außerdem stellt diese Lösung deshalb noch nicht zufrieden, weil in einem derartigen Gehäuse üblicherweise nur ein begrenztes Volumen zur Verfügung steht. Macht man stattdessen das Gehäuse größer, so erstrecken sich die Steuerflächen soweit nach außen, daß der Wandler infolge seiner Gesamtabmessungen sehr umständlich handzuhaben ist.

Durch die vorliegende Erfindung soll daher ein tauchfähiger Schleppkörper geschaffen werden, der eine solche Geometrie aufweist, daß im Gehäuse ein Abtastsonar oder ein anderes Unterwassergerät in einem ausreichend großem Raum untergebracht werden kann, wobei eine ausreichende Bewegungsfreiheit im Inneren des Schleppkörpers verbleibt, der robust ist und für die innenliegenden Geräte einen guten Schutz bietet und der mit verhältnismäßig großer Geschwindigkeit gezogen werden kann, ohne daß Instabilitäten auftreten, welche das Arbeiten des Sonars oder eines anderen Gerätes nachträglich beeinflussen würde.

Ausgehend von dem im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Stand der Technik ist diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.

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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1; einen axialen Schnitt durch einen tauchfähigen Schleppkörper mit einer Wandleranordnung eines Abtastsonares, gezeigt in der Normalstellung beim Schleppen;

Fig. 1A; eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Abschnittes des Schleppseiles von Fig. 1, welches den Strömungswiderstand verkleinernde Verkleidungskörper trägt; und

Fig. 2; einen Schnitt durch den Schleppkörper von Fig. 1 längs der Linie H-II.

In Fig. 1 ist ein Schleppkörper im axialen Schnitt gezeigt, in dessen Innerem ein Abtastsonar angeordnet ist. Ein sphärisches Gehäuse 10 isfc aus zwei trennbaren Halbkugeln aus akustisch transparentem Material hergestellt z.B. aus einem Kunststoffmaterial oder auseinm Gummimaterial. Der Durchmesser des Gehäuses 10 beträgt etwa 107 cm. Dieser Durchmesser ist im Hinblick auf die Abmessungen des im Inneren angeordneten Gerätes und im Hinblick auf den für Bewegungen des Gerätes benötigten Freiraum gewählt. Bei der Oberseite und der Unterseite des Gehäuses 10

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sind Luken mit einem Durchmesser von etwa 25 cm angeordnet, welche das Eintreten und Austreten von Luft und Wasser ermöglichen, da das Gehäuse 10 frei flutbar sein soll. Die in der Zeichnung mit

12 bezeichnete obere Luke 12 weist hierzu eine Anzahl von Öffnungen

13 auf. Die obere Luke 12 trägt ferner eine Befestigung 14 für ein Schleppseil 16, welche eine mit dem Schleppseil verbundene Gelenkkugel und eine in der Luke 12 ausgebildete Lagerpfanne aufweist. Auf diese Weise ist die von einem verstärkten Endabschnitt des Schleppseiles 16 getragene Kugelfest mit der Luke 12 verbunden. Durch das Schleppseil 16 ist ein Kabel 15 hindurchgeführt, welches elektrische Netzleiter und Signalleiter enthält. Das Kabel 15 ist durch einen in der Befestigung 14 vorgesehenen O-Ring dicht hindurchgeführt und verläuft von dort zu einem Gehäuse 18 des Abtastsonars. Um den Bewegungswiderstand des Schleppseiles 16 beim Schleppen zu vermindern, ist an ihm eine Mehrzahl den Strömungswiderstand verkleinernder Verkleidungskörper 17 angebracht, welche ähnlichen Querschnitt aufweist wie eine Tragfläche und für gut laminares Strömungsverhalten sorgen. Die Verkleidungskörper 17 sind auf dem Schleppseil 16 drehbar angeordnet, so daß sie sich ähnlich wie eine Wetterfahne in die Strömung stellen können (vgl. Fig. 1A). Das einen Durchmesser von 107 cm aufweisende sphärische Gehäuse 10 soll bei Schleppgeschwindigkeiten von etwa 2 bis 8 Knoten stabil im Wasser liegen. Für andere Durchmesser ändert sich infolge der "Froude"-Abdichtung die Geschwindigkeit mit der Quadratwurzel des Gehäusedurchmessers, wenn man geometrisch ähnliche dynamische Strömungsverhältnisse einhalten will.

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An dem Gehäuse 18 ist ein Bügel 20 befestigt, der einen Teil einer kardanischen Aufhängung für den aus einem Satz von Wandlern

bestehenden Sonarempfänger 22 und dem ein Schallbündel abgebenden 24

Sonarsender/darstellt. Das Gehäuse 18 enthält einen Elektromotor, welcher eine Welle 28 antreibt. Durch die letztere wird ein Bügel 32 in Drehung versetzt, und hierdurch wird die gesamte Sonaranordnung zum Abtasten über einen vollen Kreis von 360° gedreht. Der Elektromotor treibt auch einen in entgegengesetztem Drehsinne umlaufenden Ausgleichskörper 30 an, welcher im Inneren des Gehäuses angeordnet ein in entgegengesetzter Richtung weisendes Reaktionsmoment erzeugt, so daß ein zu einer Drehung des Gehäuses 10 führendes Gesamtdrehmoment während der Sonarabtastung sehr klein gehalten wird.

Der Bügel 32 trägt an seinem oberen Ende ein Antriebszahnrad 34, welches mit einem Zahnradsegment 36 kämmt, welches mit dem Sonarempfänger 22 und dem Sonarsender 24 verbunden ist. Auf diese Weise kann der Sonarstrahl nach oben oder nach unten gerichtet werden. Das Antriebszahnrad 34 kann von einem beliebigen Antrieb her angetrieben sein, z.B. von einem getrennten Antriebsmotor, welcher von dem Bügel 32 getragen ist.

In der Nähe des Bodens des Gehäuses 10 ist die zweite Luke 46 angeordnet, welche eine große öffnung 48 aufweist. Auf diese Weise wird das Fluten und Leeren des Gehäuses 10 ermöglicht. In der Nähe der Luke 46 sind mehrere Ballastkörper 50 angerodnet, deren Größe und Lage so gewählt ist, daß der Schwerpunkt des getauchten und mit Wasser gefüllten Schleppkörpers deutlich

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unterhalb seines geometrischen Mittelpunktes und geringfügig vor dem letzteren liegt. Bei einem sphärischen Gehäuse mit einem Durchmesser von 107 cm und einem Nettogewicht von etwa 300 kg erhält man gute Ergebnisse, wenn man den Schwerpunkt des wassergefüllten Gehäuses etwa 19 cm unter dem geometrischen Mittelpunkt des sphärischen Gehäuses legt. Auch bei einer größeren Verlegung des Schwerpunktes nach unten erhält man gute Ergebnisse. Dieser Abstand ist solange nicht kritisch, wie der Schwerpunkt des mit Wasser gefüllten Schleppkörpers deutlich unter dem geometrischen Mittelpunkt liegt.

Etwas kritischer ist der Abstand zwischen dem Schwerpunkt des mit Wasser gefüllten Schleppkörpers und dem geometrischen Mittelpunkt in Bewegungsrichtung gesehen vor dem letzteren. Bei dem oben angegebenen Gewicht und den oben angegebenen Maßen des Schleppkörpers erhält man die beste Stabilität des Schleppkörpers beim Schleppen dann, wenn der Schwerpunkt des mit Wasser gefüllten Schleppkörpers 0,43 cm vor der vertikalen Mittenlinie liegt. Legt man den Schwerpunkt des mit Wasser gefüllten Schleppkörpers etwa 5 cm vor diese vertikale Mittenlinie, so ist die Stabilität des Schleppkörpers geringer. Auch dieser Abstand läßt sich je nach der Abmessung und dem Gewicht des jeweils verwendeten Schleppkörpers ändern; in jedem Falle sollte jedoch der Schwerpunkt des mit Wasser gefüllten Schleppkörpers vorzugsweise deutlich unterhalb des geometrischen Mittelpunktes des Schleppkörpers und geringfügig vor der vertikalen Mittenlinie liegen.

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Schleppt man den soweit oben beschriebenen, nackten sphärischen Schleppkörper mit Geschwindigkeiten von mehr als 2,5 Knoten und mit Schleppseillängen von mehr als 15 m, so erhält man eine instabile Lage des Schleppkörpers im Wasser. Um ein gutes Arbeiten des im Schleppkörper angeordneten Sonargerätes sicherzustellen, muß man sicherstellen, daß der Rollwinkel und der Nickwinkel des Schleppkörpers unter allen Arbeitsbedingungen nicht größer wird als 10°. Beim Schleppen durch Hubschrauber ergab sich der maximal noch zulässige Schleppabstand hinter dem Hubschrauber bei einer Flughöhe von 30 m und bei einer Tauchtiefe des Schleppkörpers von 45 m zu etwa 38 m. Wählt man den Schleppabstand größer, so erhält man ein unzulässig starkes Verkanten des Schleppkörpers. Da das Schleppseil selbst den Bewegungswiderstand erheblich vergrößert, würde es zu einer Vergrößerung des Schleppabstandes führen. Deshalb wurden die Verkleidungskörper 17 vorgesehen, welche den Bewegungswiderstand des Schleppseiles erheblich vermindern.

Zur Verbesserung der Lagestabilität des sphärischen Schleppkörpers wurden zwei Lösungen gefunden. Eine besteht darin, daß man den sphärischen Schleppkörper mit einem um den ganzen Umfang herum laufenden Vorsprung versieht, v/elcher entweder bei einem durch den Befestigungspunkt des Schleppseiles gehenden Meridian liegt oder auf einem Großkreis liegt, der um etwa 10° vom Befestigungspunkt des Schleppseiles nach hinten verkippt ist und vorzugsweise im wesentlichen senkrecht auf der Schlepprichtung steht.

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Die andere Lösung besteht darin, daß man im Inneren des sphärischen Gehäuses Leitbleche vorsieht, welche für eine Dämpfung sorgen. Das Vorsehen von Leitblechen führt zwar zu brauchbaren Ergebnissen, man erhält jedoch bei höheren Schleppgeschwindigkeiten (8 Knoten) eine geringere Stabilität; außerdem verkleinern die Leitbleche den für den Einbau des Abtastsonars zur Verfügung stehenden Raum und beeinträchtigen darüber hinaus das Arbeiten des Sonars. Der verwendete Vorsprung hatte die Form eines kleinen Durchmesser aufweisenden Drahtkabels 52,das an einer der oben angegebenen Stellen um das sphärische Gehäuse 10 herum angebracht war. Für ein Gehäuse 10 mit einem Durchmesser von 107 cm ergab sich experimentell ein optimaler Durchmesser für das Drahtkabel 52 von 3,2 mm. Dieser Durchmesser ist aber nicht sehr kritisch, und man erhält auch eine zufriedenstellende Lagestabilität bei einer gewissen Abweichung von diesem Wert.

Es ist bekannt, daß die Lageinstabilität und Oszillationen einer geschleppten Kugel darauf zurückzuführen sind, daß die über die Kugel strömende Strömung an der Oberfläche an einem Punkt hängt, der unmittelbar unterhalb ihres maximalen Durchmessers liegt. Diese Strömung löst sich dann ab und bricht unter Wirbelbildung und Wirbelstromverlusten ab. Dieses Ablösen der Strömung erfolgt nicht um die ganze Kugel herum gleichförmig; vielmehr erfolgt die Wirbelbildung auf einer Seite der Kugel, und man erhält somit auf dieser Seite einen Oberflächenbereich mit vermindertem Druck, während der noch nicht abgelöste Bereich der Strömung weiterhin über die andere Seite der Kugel strömt und auf die Druckerniedrigung derart anspricht, daß er die Kugel noch welter

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einhüllt. Dies führt dann dazu, daß die Kugel in die Richtung bewegt wird, in welcher der mit niedrigerem Druck beaufschlagte Oberflächenbereich liegt. Hierdurch wird dann die Strömung lokal verlangsamt, wodurch die Ablösung der Strömung aufgehoben wird und der auf diese Weise auf die Kugel einwirkende Druck wieder vergrößert wird. Im nächsten Augenblick führt die vergrößerte Strömungsgeschwindigkeit aufder gegenüberliegenden Seite zu einem Zusammenbrechen des Strömungsbildes unter Bildung von Wirbeln und Turbulenzen, wobei nun auf dieser Seite der Druck vermindert ist. Nun wird die Kugel in anderer Richtung verlagert. Auf diese Weise oszilliert die Kugel um eine Mittellage, wenn sie durch Wasser geschleppt wird.Durch das Drahtkabel 52 wird eine gleichförmige Unterbrechung des an der Kugel hängenden Strömungsbildes um die ganze Kugel herum erreicht, und man erhält so eine gleichförmig verteilte Strömungsablösung und eine gleichförmige Turbulenz an der Hinterseite des überstehenden Tragkabels 52. Auf diese Weise sind unsymmetrische Druckzustände ausgeräumt, welche in der oben beschriebenen Art und Weise zu einem Oszillieren der Kugel führen. Die Größe der soeben angesprochenen Turbulenz ist auch durch das Drahtkabel 52 verhältnismäßig gut begrenzt, was zu einer Begrenzung des Bewegungswiderstandes der Kugel führt. Schließlich sorgt das Drahtkabel 52 auch zu einer Dämpfung derartiger Oszillationen, wenn solche doch einmal entstehen sollten.

Im oben stehenden Teil der Beschreibung ist ein beim Schleppen lagestabilisierter tauchfähiger Schleppkörper in Verbindung mit einem Abtastsonar beschrieben. Es versteht sich, daß ein derartiger tauchfähiger Schleppkörper auch zusammen mit anderen

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Instrumentenladungen als einem Sonar verwendet werden kann. Es ist darauf hinzuweisen, daß bei sphärischen Schleppkörpern unterschiedlichen Durchmessers und unterschiedlichen Gewichtes das jeweilige Gewicht und die Abmessungen bezüglich des Schwerpunktes des mit Wasser gefüllten Schleppkörpers nicht die gleichen sind. Die allgemeinen Prinzipien lassen sich jedoch für die meisten Anwendungsfälle verwenden, d.h. man muß darauf achten, daß der Schwerpunkt des mit Wasser gefüllten Schleppkörpers deutlich unterhalb des geometrischen Mittelpunktes der Kugel liegt und vom letzteren geringfügig nach vorn versetzt ist. Der Vorsprung des Schleppkörpers braucht nicht aus einem Drahtkabel zu bestehen, ein Drahtseil liefert aber bei geringem apparativem Aufwand gute Ergebnisse. Stellt man derartige Schleppkörper in große Stückzahlen her, so kann man den Vorsprung auch gleich beim Formen des Gehäuses mit herstellen. Es wurde herausgefunden, daß die Textur eines Drahtseiles zu besseren Ergebnissen führt als ein glatter Vorsprung. Deshalb sollte eine solche Textur auch dann vorgesehen werden, wenn der Vorsprung gleich beim Formen des Gehäuses mit erzeugt wird. Durch den Durchmesser des verwendeten Drahtkabels (3,2 mm) wird der Durchmesser der Kugel nur um etwa 0,3 % vergrößert. Dies stellt einen guten Rohwert auch für Kugeln mit anderem Durchmesser dar. Das Verhältnis kann jedoch für andere Anwendungsfälle etwas abgewandelt werden; das Optimum kann jeweils experimentell leicht ermittelt v/erden. In der oben stehenden Beschreibung ist auf das Ziehen des Schleppkörpers durch einen Hubschrauber abgehoben. Dasselbe Gehäuse kann jedoch auch ohne weiteres von einem Schiff oder einem Boot gezogen werden.

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Claims (6)

1. Patentansprüche

   Tauchfähiger Schleppkörper, welcher mittels eines Schleppseiles durch Wasser ziehbar ist, gekennzeichnet durch ein hohles sphärisches Gehäuse (10) mit um zwei einander diametral gegenüberliegende Pole, welche eine Drehachse des Gehäuses (10) vorgeben, herum angeordneten öffnungen (13,48), welche ein Fluten des Gehäuses (10) ermöglichen; durch eine am Gehäuse (10) beim ersten Pol angebrachte Befestigung (14) für das Schleppseil (16);durch eine im Inneren des Gehäuses (10) in der Nachbarschaft des zweiten Poles angeordnete Ballastkörperanordnung (50), durch welche der Schwerpunkt des Schleppkörpers in eine Ebene gelegt wird, welche senkrecht auf der durch die Pole gehenden Achse steht und diese in einem Punkt schneidet, der zwischen

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   dem geometrischen Mittelpunkt des sphärischen Gehäuses (10) und dem zweiten Pol liegt; und durch einen ringförmigen Vorsprung, welcher sich längs eines Großkreises erstreckt, der durch eine zweite Ebene vorgegeben ist, welche bezüglich der Polachse unter einem Winkel zwischen Null und 10 geneigt ist, und durch welchen die Strömung um den Schleppkörper herum über den ganzen Umfang hinweg im wesentlichen gleichförmig unterbrochen wird und sowohl das Gieren als auch das Rollen des Schleppkörpers gedämpft wird.
2. 2. Schleppkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Ballastkörperanordnung (50) der Schwerpunkt des Schleppkörpers in eine Ebene gelegt wird, die parallel zur Polachse verläuft und von der letzteren einen Absatz aufweist und zugleich in etwa parallel zu der zweiten Ebene verläuft.
3. 3. Schleppkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Vorsprung durch einen Draht gebildet ist.
4. 4. Schleppkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schleppseil mit einer stromungsgunstigen Verkleidung (17) versehen ist, um seinen Bewegungswiderstand zu vermindern.
5. 5. Schleppkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er zur Aufnahme einer Sonar-Wandleranordnung ausgebildet ist.

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6. 6. Schleppkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) Luken (12,46) aufweist, die bei den beiden Polen angeordnet sind und in welchen die Öffnungen (13,48) zum Fluten des Gehäuses (10) ausgebildet sind, und daß die Befestigung (14) für das Schleppseil (16) von einer (12) der Luken getragen ist.

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