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Main Title: Entwicklung druckneutraler Manövriersysteme für autonome Unterwasserfahrzeuge
Translated Title: Development of pressure tolerant maneuver systems for autonomous underwater vehicles
Author(s): Buscher, Johannes-Moritz
Advisor(s): Lehr, Heinz
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Unbemannte, autonome Unterwasserfahrzeuge werden vielfach eingesetzt, um Unterwasser¬einrichtungen wie Forschungsmessstationen oder industrielle Unterwasser¬systeme zu inspi¬zieren oder zu warten. In dieser Hinsicht ist es oft erforderlich, Untersuchungsobjekte mit Hilfe einer im Fahrzeug eingebauten Kamera visuell aus mehreren Perspektiven zu unter¬suchen. Dabei ist es häufig notwendig, trotz Strömungen eine feste Position bezüglich des Mee¬resbodens, bzw. der Unterwassereinrichtungen einzunehmen. Um autonomen Unter¬was¬ser¬fahrzeugen für diese und andere Aufgaben eine große Bewegungs¬freiheit zu verleihen, sind sie mit Manövriersystemen ausgestattet. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei neuartige Manövriersysteme für das autonome Un¬ter¬wasserfahrzeug DNS Pegel entwickelt. Durch sie lässt sich das Fahrzeug auch ohne Vor¬wärts¬bewegung und daher unwirksamen Höhen- bzw. Seitenrudern manövrieren. Der Aufbau der Systeme geschieht ohne jeglichen Einsatz von Druckhüllen. Vielmehr besitzen sie einen druckneutralen Aufbau, bei dem keinerlei gasgefüllte Hohlräume existieren. Jede einzelne Sy¬stemkomponente ist dem hydrostatischen Wasserdruck ausgesetzt und muss ihm standhalten. Durch ihren druckneutralen Aufbau ist gewährleistet, dass die Manövriereinrichtungen in einer angestrebten Tauchtiefe von 6.000 Meter zuverlässig funktionieren. Mit dem entwickelten Querstrahlantrieb lassen sich Drehbewegungen um die Fahrzeug¬hoch¬achse sowie Auf-, Ab- und Seitwärtsfahrten ausführen. Diese Manöver können durch die Rück¬stoßkraft eines in Bug und Heck seitlich austretenden Wasserjets durchgeführt werden. Die Strahlrichtung lässt sich durch eine um die Fahrzeuglängsachse drehbare Düsenöffnung einstellen. Die Vorteile dieses neuartigen Systems liegen neben der druck¬neutralen Aufbau¬weise in der geringen Beeinflussung des Strömungswiderstands des Fahrzeugs, seiner kom¬pak¬ten Ausführung sowie der modularen Aufbauweise. Um die Schubkraft des Querstrahlantriebs zu erhöhen, wurde ein Unterwasser-Synchronmotor überarbeitet, der die Kreiselpumpe, die den Schubstrahl erzeugt, antreibt. Die konstruktive so¬wie magnettechnische Überarbeitung des originalen Motors zielte auf die Entwicklung eines leistungsstärkeren bzw. drehmomentoptimierten Antriebs. Die Fahrzeugwendigkeit wurde er¬höht, da Fahrzeugmanöver schneller durchführbar sind. Schließlich wurde ein Lagetrimmsystem zur Einstellung der statischen Neigung des Fahr¬zeugs DNS Pegel entwickelt. Die Justage des Neigungswinkels geschieht durch die Ver¬schie¬bung eines Fluids mit einer im Vergleich zu Wasser größeren Dichte. Mit Hilfe einer Pumpe lässt sich die Flüssigkeit zwischen zwei hochflexiblen Behältern in Bug und Heck hin und her fördern, so dass sich die Schwerpunktlage des Fahrzeugs und damit der statische Neigungs¬winkel ändert. Das System zeichnet sich durch einen druckneutralen sowie modularen Aufbau aus. Es hat sich gezeigt, dass sich die in dieser Arbeit entwickelten druckneutralen Manövrier¬sy¬steme unter den harschen Umgebungsbedingungen der Tiefsee außerordentlich bewähren und gegenüber Druckkammerlösungen viele Vorteile bieten. In zahlreichen Druck¬tests der einzel¬nen Systemkomponenten bei einem Umgebungsdruck von 600 bar sowie während Tauch¬fahrten in der Ostsee wurde der Einsatz der Manövriersysteme in Verbindung mit dem Unter¬wasserfahrzeug DNS Pegel erfolgreich erprobt.
Autonomous underwater vehicles are deployed to inspect or maintain underwater constructions such as underwater research measuring stations or various industrial underwater systems. It is often necessary to examine these technical installations from different perspectives with the help of a camera, which is attached to the vehicle. During such operations it is essential to maintain a constant vehicle position relative to the sea floor or rather the underwater system despite existing cross currents. In order to give autonomous underwater vehicles a good mobility performance for these and other tasks they are equipped with maneuver systems. The present thesis deals with the development of two novel maneuver systems for the autonomous underwater vehicle DNS Pegel. They allow the vehicle to perform lateral and rotational movements without forward speed when the rudders are ineffective due to low water flow velocity. The assemblies are carried out in a pressure tolerant design. Pressure hulls are avoided, thus eliminating gas filled cavities in these systems. By transmitting the pressure onto all components, no pressure differences exist between the surrounding sea water and the pressure tolerant components. Therefore, each component must withstand the pressure individually. Through their pressure tolerant design the functioning of the maneuver systems is very reliable up to diving depth of 6000 m. Two lateral-thrust units were developed allowing the DNS Pegel to successfully turn around its vertical axis and to perform dive and emersion maneuvers as well as sidelong movements. The propulsive force is generated by two water jets at bow and stern. These high velocity jets are created by two centrifugal pumps integrated into both vehicle tips. It is possible to revolve the water jet nozzles 360 degrees around the longitudinal vehicle axis. Since the nozzles are small-sized, the contribution of the thrusters system to the flow resistance of the DNS Pegel is almost negligible. Both thrusters units exhibit a seawater resistant, modular, and compact design. In order to enhance the propulsive force of the deployed lateral-thrust units, the underwater synchronous motor driving the thruster pumps was optimized. The structural revision as well as the optimization of the magnetic circuit of the original motor concentrated on the development of a high-power or rather torque enhanced actuator. Thereby the propulsive force is significantly increased and consequently the vehicle maneuverability rises considerably. Furthermore, the vehicle is equipped with a pressure tolerant trim system to adjust the static pitch angle. This enables the vehicle to perform efficient dive and emersion maneuvers. The pitch adjustment is achieved through the flow of a trim fluid with a density different from sea water between two containers in bow and stern. The containers exhibit a flexible design, since the compressibility of the deployed fluid, and thereby its volume shrinkage, is no longer negligible at pressures of 600 bar. Additionally, the overall trim system is characterized by a modular design. Various trials proved the developed pressure tolerant maneuver systems to be extremely reliable under harsh deep sea conditions and to exhibit many advantages compared to the widespread use of pressure hulls. The systems were tested during multiple pressure tests at ambient pressures of 600 bar and during dive cruises within the Baltic Sea in conjunction with the autonomous underwater vehicle DNS Pegel.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-26267
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2733
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2436
Exam Date: 9-Apr-2010
Issue Date: 15-Apr-2010
Date Available: 15-Apr-2010
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Autonomes Unterwasserfahrzeug
DNS Pegel
Druckneutral
Hydraulisches Lagetrimmsystem
Manövriersysteme
Querstrahlantrieb
Autonomous underwater vehicle
DNS Pegel
Hydraulic trim system
Lateral-thrust unit
Maneuver systems
Pressure tolerant
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