EP3560815A1 - Ruderanordnung - Google Patents

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EP3560815A1
EP3560815A1 EP19173241.1A EP19173241A EP3560815A1 EP 3560815 A1 EP3560815 A1 EP 3560815A1 EP 19173241 A EP19173241 A EP 19173241A EP 3560815 A1 EP3560815 A1 EP 3560815A1
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EP
European Patent Office
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rudder
underwater vehicle
group
horizontal
blades
Prior art date
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EP19173241.1A
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Randolf Teppner
Tom AVSIC
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ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
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ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
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    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/14—Control of attitude or depth
    • B63G8/20—Steering equipment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/14—Control of attitude or depth
    • B63G8/18—Control of attitude or depth by hydrofoils
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G13/00—Other offensive or defensive arrangements on vessels; Vessels characterised thereby
    • B63G13/02—Camouflage
    • B63G2013/027—Camouflage using stealth design, i.e. superstructures, hulls, or other vessel's components shaped or constructed for minimizing reflection of radar or sonar beams, or the like

Definitions

  • the invention relates to a rudder arrangement in an underwater vehicle.
  • Modern underwater vehicles today have a so-called X-rudder, for example the submarine class U 212 A or Dolphin class, or a rudder, for example the submarine class U 214 or Los Angeles class.
  • These rudders consist of four rudder blades (whether full-swords or split rudders), with the rudder two rudders horizontally and two rudders vertically arranged.
  • the rudder blades In the case of the X-rudder, the rudder blades each have an angle of approximately 45 ° relative to the horizontal.
  • these rudder arrangements can have a certain susceptibility to the location by Aktivsonar.
  • the susceptibility may be given by vertical surfaces, for example in the case of the rudder, or by two surfaces at an angle of approximately 90 ° to one another, for example the X-rudder. This is due to the fact that a location by a surface vehicle or a submarine with an active sonar is already due to the distance regularly at an angle of less than 10 ° to the horizontal.
  • the object of the invention is to provide a rudder arrangement which has a reduced susceptibility to an active sonar without restricting the maneuverability of the underwater vehicle.
  • the underwater vehicle according to the invention has a rudder, wherein the rudder has a first, a second, a third and a fourth rudder blade.
  • the rudder has a first group with the first and the second rudder blade and a second group with the third and the fourth rudder blade, wherein the first group and the second group are arranged offset in the longitudinal direction of the underwater vehicle.
  • the first rudder blade and the third rudder blade port and the second rudder blade and the fourth rudder blade are arranged starboard.
  • the first group and the second group are arranged adjacent to one another in the longitudinal direction of the underwater vehicle. Due to the adjacent arrangement, all rudder blades can be arranged as far as possible at the rear. As a result, the hydrodynamic behavior and thus the maneuverability compared to today's rudder arrangement is the least changed.
  • the first group and the second group are spaced apart in the longitudinal direction of the underwater vehicle.
  • a bistatic sonar that is to say by a sonar, in which transmitter and receiver are arranged at different locations, for example on different watercraft.
  • the rudder blades have a sound-reflecting surface.
  • the sound characteristic impedance Z F is relevant for the reflection or transmission of a sound wave, the sound characteristic impedance Z F being the product of density ⁇ and sound velocity c. Also relevant are the thickness of the material and the wavelength in the material. Plastic foams, in particular hard foams, have proven to be good reflectors for the frequencies commonly used in sonar. Therefore, the rudder blades are particularly preferably on the surfaces in contact with the water made of plastic foam, in particular hard foam.
  • the rudder blades have an inclination relative to the horizontal of 20 ° to 70 °.
  • the rudder blades have an inclination relative to the horizontal of 50 ° to 60 °.
  • the first group is arranged on the rear side and the first and the second rudder blade have an inclination relative to the horizontal of 50 ° to 60 °, wherein the inclination is below the horizontal.
  • the second group is arranged on the bow side, preferably directly adjacent to the first group, and the third and the fourth rudder blade have an inclination relative to the horizontal of 50 ° to 60 °, the incline being above the horizontal.
  • the first group is arranged on the bow side and the first and the second rudder blade have an inclination relative to the horizontal of 50 ° to 60 °, wherein the inclination is below the horizontal.
  • the second group is arranged at the rear, preferably immediately adjacent to the first group, and the third and fourth rudder blades have a horizontal inclination of 50 ° to 60 °, the incline being above the horizontal.
  • the first group is arranged on the rear side.
  • the second group is arranged on the bow side, preferably directly adjacent to the first group.
  • the second and the fourth rudder blade have a horizontal inclination of 50 ° to 60 °, the incline being above the horizontal.
  • the first and third rudder blades have a horizontal inclination of 50 ° to 60 °, the inclination being below the horizontal.
  • the first group is arranged on the rear side.
  • the second group is arranged on the bow side, preferably directly adjacent to the first group.
  • the second and fourth rudder blades have an inclination to the horizontal of 50 ° to 60 °, the inclination being below the horizontal.
  • the first and third rudder blades have an inclination to the horizontal of 50 ° to 60 °, the incline being above the horizontal.
  • the underwater vehicle has a round cross-section and the rudder blades are mounted close to the equator. Below the equator, the horizontal cross-section through the shell of the underwater vehicle is considered, in which the underwater vehicle has the largest extent.
  • "equatorial" means that the rudder blades are arranged no more than 10% of the circumference of the underwater vehicle away from the equator. Particularly preferably, the rudder blades are arranged at the equator.
  • the underwater vehicle has a flattened cross-section, the cross-section at the sides of the underwater vehicle each having an edge.
  • the rudder blades are arranged at the edge. By this arrangement it is avoided that form right angles between the shell of the underwater vehicle and the rudder blades.
  • the embodiment of a flattened cross-section with an edge on each side is particularly preferred, as this can reduce the target dimension for the underwater vehicle as a whole.
  • the underwater vehicle is preferably a submarine, an autonomous underwater vehicle or a torpedo. Particularly preferred is a submarine.
  • the AIM-9 Sidewinder has a cruciform rudder assembly and stabilizer assembly which could also be modified according to the invention. This also applies to all other embodiments of the invention. The only modification is that the rudder blades can be designed to be particularly reflective for radar.
  • FIG. 1 Figure 4 illustrates the classic prior art X-rudder assembly wherein the submarine 10 has a flattened cross section to minimize the target size.
  • the rudder blades 20 are each at an angle of about 45 ° to the horizontal just before Propeller 30 arranged at the stern of the submarine 10.
  • the disadvantage is that an incoming sound wave 40 of an active sonar is directly reflected back as a reflected sound wave 50 to the transmitter.
  • the submarine 10 can be located, even if it already has a flattened cross-section as shown here.
  • Fig. 2 shows a rudder assembly according to the invention on a submarine 10.
  • the first group 22 is formed of two rudder blades, which are arranged at the rear just before the propeller 30 at an angle of about 50 ° to the horizontal directed downward.
  • the second group 24 is offset longitudinally of the underwater vehicle and disposed adjacent to the first group 22, the rudder blades being angled at an angle of about 50 ° to the horizontal.
  • An incoming sound wave 40 is reflected off the transmitter as a reflected sound wave 50. By avoiding a 45 ° angle it does not come together with the water surface not shown here to a return reflection to the transmitter.

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  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Unterwasserfahrzeug mit einem X-Ruder, wobei die Ruderblätter in Längsrichtung des Unterwasserfahrzeugs versetzt angeordnet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Ruderanordnung bei einem Unterwasserfahrzeug.
  • Moderne Unterwasserfahrzeuge weisen heute ein sogenanntes X-Ruder, beispielsweise die Unterseebootklasse U 212 A oder Dolphin-Klasse, oder ein Kreuzruder, beispielsweise die Unterseebootklasse U 214 oder Los Angeles Klasse, auf. Diese Ruder bestehen aus vier Ruderblättern (seien es Vollschweberuder oder geteilte Ruder), wobei beim Kreuzruder zwei Ruderblätter horizontal und zwei Ruderblätter vertikal angeordnet sind. Beim X-Ruder weisen die Ruderblätter jeweils einen Winkel von etwa 45° gegenüber der Horizontalen auf. Diese beiden Ruderanordnungen haben sich als besonders effizient zur Steuerung des Unterwasserfahrzeugs erwiesen.
  • Es hat sich jedoch gezeigt, dass diese Ruderanordnungen gegenüber der Ortung durch Aktivsonar eine gewisse Anfälligkeit aufweisen können. Die Anfälligkeit kann durch senkrechte Flächen, beispielsweise beim Kreuzruder, oder durch zwei im Winkel von etwa 90 ° zueinander stehenden Flächen, beispielsweise beim X-Ruder, gegeben sein. Dieses begründet sich dadurch, dass eine Ortung durch ein Überwasserfahrzeug oder ein Unterseeboot mit einem Aktivsonar bereits aufgrund des Abstandes regelmäßig unter einem Winkel von weniger als 10 ° zur Horizontalen erfolgt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ruderanordnung zu schaffen, welche eine reduzierte Anfälligkeit gegenüber einem Aktivsonar aufweist ohne die Manövrierfähigkeit des Unterwasserfahrzeugs einzuschränken.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch das 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 ein Ruder auf, wobei das Ruder ein erstes, ein zweites, ein drittes und ein viertes Ruderblatt aufweist. Das Ruder weist eine erste Gruppe mit dem ersten und dem zweiten Ruderblatt sowie eine zweite Gruppe mit dem dritten und dem vierte Ruderblatt auf, wobei die erste Gruppe und die zweite Gruppe in Längsrichtung des Unterwasserfahrzeugs versetzt angeordnet sind.
  • Hierbei sind vorzugsweise das erste Ruderblatt und das dritte Ruderblatt backbord und das zweite Ruderblatt und das vierte Ruderblatt steuerbord angeordnet.
  • Unter in Längsrichtung des Unterwasserfahrzeugs versetzt angeordnet wird im Sinne der Erfindung verstanden, dass keine zwei Ruderblätter übereinander angeordnet sind. Diese bilden somit keine in einem Winkel von etwa 90 ° zueinander angeordnete Flächen, wodurch eine Reflexion einer Schallwelle eines aktiven Sonars zurück zum Sender vermieden wird.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung sind die erste Gruppe und die zweite Gruppe in Längsrichtung des Unterwasserfahrzeugs aneinander angrenzend angeordnet. Durch die angrenzende Anordnung können alle Ruderblätter soweit wie möglich am Heck angeordnet werden. Hierdurch wird das hydrodynamische Verhalten und somit die Manövrierfähigkeit gegenüber der heutigen Ruderanordnung am wenigsten verändert.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die erste Gruppe und die zweite Gruppe in Längsrichtung des Unterwasserfahrzeugs voneinander beabstandet. Durch die Beabstandung kann eine Ortung auch durch ein bistatisches Sonar, also durch ein Sonar, bei welchem Sender und Empfänger an verschiedenen Orten, beispielsweise auf verschiedenen Wasserfahrzeugen angeordnet sind, erschwert werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Ruderblätter eine für Schall reflektierende Oberfläche auf. Für die Reflexion bzw. Transmission einer Schallwelle ist die Schallkennimpedanz ZF relevant, wobei die Schallkennimpedanz ZF das Produkt aus Dichte ρ und Schallgeschwindigkeit c ist. Weiter relevant sind die Dicke des Materials sowie die Wellenlänge im Material. Kunststoffschäume, insbesondere Hartschäume, haben sich als gute Reflektoren für die im Sonar üblicherweise verwendeten Frequenzen erwiesen. Daher sind die Ruderblätter besonders bevorzugt an den mit dem Wasser in Kontakt stehenden Flächen aus Kunststoffschaum, insbesondere aus Hartschaum.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Ruderblätter eine Neigung gegenüber der Horizontalen von 20 ° bis 70 ° auf. Besonders bevorzugt weisen die Ruderblätter eine Neigung gegenüber der Horizontalen von 50 ° bis 60 ° auf. Durch die Vermeidung eines Winkels von etwa 45 ° unterhalb der Horizontalen wird eine Reflexion zurück zum Sender vermieden, wobei die Sonarwelle vom Ruderblatt nach oben reflektiert wird, von der Wasseroberfläche auf das Ruderblatt zurück reflektiert wird und vom Ruderblatt wieder in Richtung Sender zurück reflektiert wird. Eine zu steile Anordnung der Ruderblätter von mehr als 70 ° sollte ebenfalls vorzugsweise vermieden werden, um eine direkte Reflexion zum Sender zu vermeiden. Zu berücksichtigen ist hierbei, dass die Reflexion nie ausschließlich exakt in einem bestimmten Winkel erfolgt, sondern dass bei Schall stets eine Winkelverteilung bei der Reflexion vorliegt.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die erste Gruppe heckseitig angeordnet und das erste und das zweite Ruderblatt weisen eine Neigung gegenüber der Horizontalen von 50 ° bis 60 ° auf, wobei die Neigung unterhalb der Horizontalen ist. Die zweite Gruppe ist bugseitig, vorzugsweise unmittelbar an die erste Gruppe angrenzend, angeordnet und das dritte und das vierte Ruderblatt weisen eine Neigung gegenüber der Horizontalen von 50 ° bis 60 ° auf, wobei die Neigung oberhalb der Horizontalen ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die erste Gruppe bugseitig angeordnet und das erste und das zweite Ruderblatt weisen eine Neigung gegenüber der Horizontalen von 50 ° bis 60 ° auf, wobei die Neigung unterhalb der Horizontalen ist. Die zweite Gruppe ist heckseitig, vorzugsweise unmittelbar an die erste Gruppe angrenzend, angeordnet und das dritte und das vierte Ruderblatt weisen eine Neigung gegenüber der Horizontalen von 50 ° bis 60 ° auf, wobei die Neigung oberhalb der Horizontalen ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die erste Gruppe heckseitig angeordnet. Die zweite Gruppe ist bugseitig, vorzugsweise unmittelbar an die erste Gruppe angrenzend, angeordnet. Das zweite und das vierte Ruderblatt weisen eine Neigung gegenüber der Horizontalen von 50 ° bis 60 ° auf, wobei die Neigung oberhalb der Horizontalen ist. Das erste und das dritte Ruderblatt weisen eine Neigung gegenüber der Horizontalen von 50 ° bis 60 ° auf, wobei die Neigung unterhalb der Horizontalen ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die erste Gruppe heckseitig angeordnet. Die zweite Gruppe ist bugseitig, vorzugsweise unmittelbar an die erste Gruppe angrenzend, angeordnet. Das zweite und das vierte Ruderblatt weisen eine Neigung gegenüber der Horizontalen von 50 ° bis 60 ° auf, wobei die Neigung unterhalb der Horizontalen ist. Das erste und das dritte Ruderblatt weisen eine Neigung gegenüber der Horizontalen von 50 ° bis 60 ° auf, wobei die Neigung oberhalb der Horizontalen ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Unterwasserfahrzeug einen runden Querschnitt auf und die Ruderblätter sind äquatornah angebracht. Unter dem Äquator wird der horizontale Querschnitt durch die Hülle des Unterwasserfahrzeugs angesehen, in welchem das Unterwasserfahrzeug die größte Ausdehnung aufweist. Unter äquatornah ist im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass die Ruderblätter nicht mehr als 10 % des Umfangs des Unterwasserfahrzeugs vom Äquator entfernt angeordnet sind. Besonders bevorzugt sind die Ruderblätter am Äquator angeordnet.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Unterwasserfahrzeug einen abgeflacht Querschnitt auf, wobei der Querschnitt an den Seiten des Unterwasserfahrzeugs jeweils eine Kante aufweist. Die Ruderblätter sind an der Kante angeordnet. Durch diese Anordnung wird vermieden, dass sich rechte Winkel zwischen der Hülle des Unterwasserfahrzeugs und den Ruderblättern ausbilden. Die Ausführungsform eines abgeflachten Querschnitts mit einer Kante an jeder Seite ist besonders bevorzugt, da hierdurch das Zielmaß für das Unterwasserfahrzeug insgesamt reduziert werden kann.
  • Bevorzugt handelt es sich bei dem Unterwasserfahrzeug um ein Unterseeboot, ein autonomes Unterwasserfahrzeug oder um einen Torpedo. Besonders bevorzugt handelt es sich um ein Unterseeboot.
  • Selbstverständlich ist diese Erfindung auch auf Luftfahrzeuge übertragbar. Beispielsweise das AIM-9 Sidewinder weist eine kreuzförmige Ruderanordnung und Stabilisatorenanordnung auf, welche ebenfalls erfindungsgemäß modifizierbar wäre. Dieses gilt auch für alle weiteren Ausführungsformen der Erfindung. Einzige Abwandlung ist, dass die Ruderblätter besonders bevorzugt für Radar reflektierend ausgebildet sein können.
  • Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Wasserfahrzeug anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
    • Fig. 1 X-Ruder, Stand der Technik
    • Fig. 2 erfindungsgemäße Ruderanordnung
  • In Fig. 1 ist die klassische X-Ruderanordnung nach dem Stand der Technik zu erkennen, wobei das Unterseeboot 10 einen abgeflachten Querschnitt aufweist, um das Zielmaß zu minimieren. Die Ruderblätter 20 sind jeweils in einem Winkel von etwa 45 ° zur Horizontalen kurz vor dem Propeller 30 am Heck des Unterseeboots 10 angeordnet. Nachteilig ist, dass eine eintreffende Schallwelle 40 eines Aktivsonars direkt als reflektierte Schallwelle 50 zum Sender zurückreflektiert wird. Somit kann mit einem Aktivsonar das Unterseeboot 10 geortet werden, selbst wenn dieses wie hier gezeigt, bereits einen abgeflachten Querschnitt aufweist.
  • Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Ruderanordnung an einem Unterseeboot 10. Die erste Gruppe 22 wird aus zwei Ruderblättern gebildet, welche am Heck kurz vor dem Propeller 30 mit einem Winkel von etwa 50 ° zur Horizontalen nach unten gerichtet angeordnet sind. Die zweite Gruppe 24 ist in Längsrichtung des Unterwasserfahrzeugs versetzt und an die erste Gruppe 22 angrenzend angeordnet, wobei die Ruderblätter einen Winkel von etwa 50 ° zur Horizontalen nach oben gerichtet angeordnet sind. Eine eintreffende Schallwelle 40 wird als reflektierte Schallwelle 50 vom Sender weg reflektiert. Durch die Vermeidung eines 45 ° Winkels kommt es auch nicht zusammen mit der hier nicht gezeigten Wasseroberfläche zu einer Rückreflexion zum Sender.
    • Bezugszeichen
    • 10
    Unterseeboot
    20
    Ruderblatt
    22
    erste Gruppe
    24
    zweite Gruppe
    30
    Schraube
    40
    eintreffende Schallwelle
    50
    reflektierte Schallwelle

Claims (9)

  1. Unterwasserfahrzeug, wobei das Unterwasserfahrzeug ein Ruder aufweist, wobei das Ruder ein erstes, ein zweites, ein drittes und ein viertes Ruderblatt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Ruder eine erste Gruppe mit dem ersten und dem zweiten Ruderblatt aufweist und eine zweite Gruppe mit dem dritten und dem vierte Ruderblatt, wobei die erste Gruppe und die zweite Gruppe in Längsrichtung des Unterwasserfahrzeugs versetzt angeordnet sind.
  2. Unterwasserfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gruppe und die zweite Gruppe in Längsrichtung des Unterwasserfahrzeugs aneinander angrenzend angeordnet sind.
  3. Unterwasserfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gruppe und die zweite Gruppe in Längsrichtung des Unterwasserfahrzeugs voneinander beabstandet sind.
  4. Unterwasserfahrzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ruderblätter eine für Schall reflektierende Oberfläche aufweisen.
  5. Unterwasserfahrzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ruderblätter eine Neigung gegenüber der Horizontalen von 20 ° bis 70 ° aufweisen.
  6. Unterwasserfahrzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ruderblätter eine Neigung gegenüber der Horizontalen von 30 ° bis 43 ° aufweisen.
  7. Unterwasserfahrzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gruppe heckseitig angeordnet ist und das erste und das zweite Ruderblatt eine Neigung gegenüber der Horizontalen von 50 ° bis 60 ° aufweisen, wobei die Neigung unterhalb der Horizontalen ist, wobei die zweite Gruppe bugseitig angeordnet ist und das dritte und das vierte Ruderblatt eine Neigung gegenüber der Horizontalen von 50 ° bis 60 ° aufweisen, wobei die Neigung oberhalb der Horizontalen ist.
  8. Unterwasserfahrzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterwasserfahrzeug einen runden Querschnitt aufweist und die Ruderblätter äquatornah angebracht sind.
  9. Unterwasserfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterwasserfahrzeug einen abgeflacht Querschnitt aufweist, wobei der Querschnitt an den Seiten jeweils eine Kante aufweist und wobei die Ruderblätter an der Kante oder nahe der Kante angeordnet sind.
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