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Entwicklung von Manövrier- und Steuereinrichtungen für ein druckneutrales Unterwasserfahrzeug
Olenew, Eugen
Unbemannte autonome Unterwasserfahrzeuge (AUV) dringen in Gebiete vor, die für Taucher unerreichbar sind, um dort Inspektions- und Überwachungsaufgaben zu übernehmen. Eine Besonderheit ist die kabelunabhängige und autonome Navigations- und Manövrierweise, die es erlaubt, große Areale während einer Tauchmission zu untersuchen. Um die zurückzulegenden Strecken bei begrenzter Energieversorgung bewältigen zu können, weisen autonome Unterwasserfahrzeuge meist eine strömungsgünstige Form auf. Für das im Rahmen des Forschungsprojekts entwickelte und gebaute AUV PreToS wurde aus diesem Grund eine von Pinguinen abgeleitete bionische Rumpfform gewählt, die unter rotationssymmetrischen Strömungsformen die geringsten Widerstandswerte aufweist. Ein Nachteil dieser Rumpfform ist die Neigung zu Kursinstabilitäten, die ohne geeignete Leitwerke ein Ausbrechen des Fahrzeugs bei geringsten Kursstörungen verursacht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Hochleistungsruderanlage entwickelt, die mit ihren sehr kompakten Abmessungen dem Fahrzeug eine überragende Manövrierfähigkeit verleiht. Seeerprobungen haben gezeigt, dass mithilfe des entwickelten Manövriersystems sowohl konstante Tauchtiefen als auch Horizontalkurse sicher angefahren und gehalten werden können. Beim Kurshalten wird die Ruderanlage durch eine ebenfalls in dieser Arbeit entwickelte Propellerdüse unterstützt. Die hydrodynamisch optimierte Propellerdüse weist einen großen Durchmesser auf und erlaubt dadurch eine nicht über die Düsenkontur ragende Anordnung der Ruderflächen, was mit der Propellerummantelung die Robustheit des Gesamtfahrzeugs unterstützt. Bei komplexen Missionen autonomer Unterwasserfahrzeuge wird häufig die ortsfeste Positionierung des Fahrzeugs gefordert. Bei Hauptpropellerstillstand gelingt dies nur, wenn als Querstrahlsteuer bezeichnete Manövriereinrichtungen vorhanden sind. Das in dieser Arbeit entwickelte, neuartige Querstrahlsteuer befindet sich im Heck und im Bug des Fahrzeugs und erlaubt aufgrund seiner schwenkbaren Wirkrichtung, die vollständige Quermanövrierfähigkeit sowohl in der Vertikal- als auch in der Horizontalebene. Dabei konkurriert das System mit bauraumintensiven Standardlösungen bezüglich Leistungsfähigkeit und Energieeffizienz. Eine weitere Besonderheit dieses Querstrahlsteuers ist die verhältnismäßig kleine Durchbruchfläche der Fahrzeugrumpfhaut, die auf viele kleine Einzelöffnungen verteilt ist, so dass nur ein geringer hydrodynamischer Fahrwiderstand entsteht. Mit dem in dieser Arbeit entwickelten Manövriersystem ist ein einzigartiges Unterwasserfahrzeug entstanden, welches nicht nur eine für Langstreckeneinsätze optimale Strömungsform aufweist, sondern auch die vollständige Quermanövrierfähigkeit bei Stillstand des Hauptantriebs erlaubt. Alle entwickelten Komponenten erfüllen dabei die Anforderungen eines druckneutralen, auftriebsoptimierten Aufbaus für eine Auslegungstauchtiefe bis zu 6.000 Meter
Autonomous underwater vehicles (AUVs) are able to attain places that are impossible to reach for a diver. This renders them ideal for inspection and monitoring tasks. The absence of cables and independence in navigability and maneuverability of this special class of underwater vehicles permits to analyze large areas in the course of a single mission. As they often have to cover long distances depending on a limited energy supply, AUVs usually have streamlined bodies. Therefore, the AUV designed and built within the scope of this paper features a bionic fuselage shape based on penguins’ bodies. This fuselage offers the lowest flow resistance among rotationally symmetric flow shapes. A disadvantage of the fuselage shape is its tendency towards course instabilities. Without an appropriate stabilizer, this could lead to a substantial deviation of the vehicle. For this paper, a compact, high performance rudder system was developed, providing for an excellent maneuverability while maintaining minimal dimensions. Sea trials proved the designed maneuvering system to enable the vehicle to reach and keep constant diving depths as well as horizontal courses. Another development, a hydrodynamically optimized propeller nozzle, further aids course keeping. Due to its unusually large diameter, it was possible to arrange the rudders within the nozzle’s contour, thus further increasing the whole vehicle’s ruggedness. During complex missions, it is sometimes necessary to maintain a constant vehicle position. To this end, so called transverse thruster are necessary, as they function even without propulsion by the main propeller. A new type of transverse thrusters with adjustable working direction is installed at the vehicle’s bow and stern, allowing for complete transverse maneuverability in the vertical as well as in the horizontal plane. This new system matches space intensive standard solutions in terms of capability and energy efficiency. As only few small cutouts distributed over the vehicle’s fuselage skin are necessary for these thrusters, resulting hydrodynamic drag is kept to a minimum. Using the novel maneuvering systems presented in this paper, it was possible to create a unique underwater vehicle featuring both a body ideally streamlined for long distance missions and complete transverse maneuverability during a complete stop of the main drive. Following a pressure tolerant and buoyancy optimized approach, all components are designed for diving depths up to 6 000 meters.
