DE1071521B - - Google Patents

Description

DEUTSCHES

kl. 65 a¹ 11

INTERNAT. KL. B 63b

PATENTAMT ^^(₂^

114394 XI/65 a¹

ANMELDETACi 11. FEBRUAR 1958

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER

AU S LE GE S CH RI FT: 17. DEZEMBER 195 9

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur selbsttätigen Regelung des dynamischen Auftriebes von unter der Wasseroberfläche befindlichen Tragflächen eines Tragflügelbootes durch Änderung des Anstellwinkels der Tragflächen in Abhängigkeit von der in einer gewissen Entfernung vor dem Boot durch eine am Boot angebrachte Einrichtung gemessenen, auf das Boot bezogenen Höhe des Wasserspiegels.

Bei Tragflügelbooten der angegebenen Art ist bei schneller Fahrt und bewegter See eine automatische Steuerung des durch die Tragflächen erzeugten Auftriebes zur Erhaltung der richtigen Höhenlage des Bootes über dem Wasser unerläßlich.

Eine der hierfür bekannten Einrichtungen tastet die Wasseroberfläche vor dem Boot durch einen Schwimmer ab, der am Ende eines gelenkig mit dem Bootskörper verbundenen Armes angebracht ist. Bei einer anderen bekannten Einrichtung wird ein senkrechter Meßstab verwendet, der am Ende eines starr mit dem Boot verbundenen, nach voraus ragenden Armes angebracht ist und dessen Eintauchtiefe durch von dem dynamischen Wasserdruck betätigte oder über das leitende Seewasser geschlossene Kontakte angezeigt wird. Diese bekannten Einrichtungen sind leicht Beschädigungen ausgesetzt und erhöhen den Fahrtwiderstand. Bei Kontakten kann durch Sprühwasser eine Fehlbetätigung erfolgen.

Bereits vorgeschlagen ist eine Einrichtung zur Steuerung des Anstellwinkels von Wassertragflügeln durch Messung der vor den Wassertragflügeln auftretenden Wellenhöhe, bei welcher für diese Messung an dem Bug angebrachte, an sich bekannte Antennenstäbe mit einer in Vorausrichtung gerichtet wirkenden, an sich ebenfalls bekannten funktechnischen Nahortungsvorrichtung, z. B. Hochfrequenz-Rückstrahlgerät oder -Feldmeßgerät, verwendet werden. Zur Anpassung an verschiedene Seegangsverhältnisse (Wellenhöhe und -länge) können die Antennenstäbe um eine quer zur Fahrtrichtung liegende, horizontale Achse schwenkbar sein. EineWirkungsrichtung der Meßeinrichtung senkrecht zur Wasseroberfläche ist diesem Vorschlag jedoch nicht zu entnehmen, da dann nicht mehr von einer Richtwirkung in Vorausrichtung die Rede sein könnte und eine mehr oder weniger schräg zur Wasserfläche verlaufende Wirkungsrichtung der am Bug angebrachten Antennenstäbe sich auch aus der besonders hervorgehobenen Notwendigkeit ergibt, die Anpassung des Tragflügelauftriebs an die Wellenhöhe vor dem Tragflügel rechtzeitig einzuleiten.

Gemäß der Erfindung ist ein an sich bekanntes funktechnisches Nahortungsgerät oder Feldmeßgerät oder Ultraschall-Sende- und -Empfangsgerät an einem starr über den Bug des Bootes hinaus nach vorn ragenden Arm nacfr unten, zur Wasseroberfläche hin gerichtet

Einrichtung zur selbsttätigen Regelung des dynamischen Auftriebes von unter der Wasseroberfläche befindlichen Tragflächen

Anmelder:

Industriebedarf G. m. b. H., Hamburg-Harburg, Bauhofstr. 8 A

Adolf Salzer, Bremen, ist als Erfinder genannt worden

und wirkend angeordnet und der damit laufend gemessene Abstand der Wasseroberfläche von dem Gerät dient direkt oder indirekt als Impuls für die Änderung des Anstellwinkels der Tragflächen.

Von den Vorteilen einer Messung der relativen Höhe des Wasserspiegels in einer gewissen Entfernung vor dem Boot mit Meßmitteln, die selbst mit dem Wasser nicht in Berührung kommen, werden nur das verzögerungs- und nachwirkungsfreie Ansprechen, die große Betriebssicherheit und der Fortfall von Beschädigungsmöglichkeiten im Seegang erwähnt. Die Messung des Abstandes zwischen einem durch einen Arm in geeignet gewähltem Abstand vor dem Bug in ausreichender Höhe gehaltenen Gerät und der Wasseroberfläche, d.h. im wesentlichen in senkrechter Richtung, gibt einen brauchbaren Anhalt über die Lage des' Bootes zu der zu durchfahrenden Wasserfläche. Durch selbsttätige Veränderung des Anstellwinkels der Unterwassertragflächen entsprechend dem gemessenen Abstände im +o Sinne der Einhaltung eines Normalabstandes paßt sich die Lage des Bootes auf dem ansteigenden und absteigenden Teil jeder größeren Welle gut der Neigung der Wasseroberfläche an, und das Boot steigt und fällt mit den Wellen.

Die zur Veränderung des Anstellwinkels der Tragflächen dienenden Impulse werden vorzugsweise in der Weise gewonnen, daß als Meßelement eine Elektrode, z. B. in Stabform, benutzt wird, die gegenüber der Wasseroberfläche eine von dem Abstand beider abhängige elektrische Kapazität aufweist, die gemessen wird. Ein der Abweichung des Meßwertes von einem Normalwert entsprechender Impuls verändert dann den Anstellwinkel einer Tragfläche in solchem Sinne, daß bei Verringerung des Elektrodenabstandes von der

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Wasseroberfläche der Auftrieb vergrößert wird und umgekehrt.

Außer durch Erzeugung eines elektrischen Feldes in der angegebenen Art kann der Abstand zwischen dem Meßelement und der Wasseroberfläche auch durch elektrische oder akustische Wellen gemessen werden. DieZeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein mit einer Einrichtung nach der Erfindung ausgerüstetes Tragflügelboot in Seitenansicht; Fig. 2 zeigt das Boot in Vorderansicht;

Fig. 3 zeigt eine Schaltung zur Gewinnung eines Impulses durch Messung der Kapazität einer über Wasser befindlichen Elektrode;

Fig. 4 zeigt eine Einrichtung zur Erzeugung einer dem Impuls entsprechenden Verstellkraft für einen Tragflügel ;

Fig. 5 zeigt einen in Fig. 4 in Seitenansicht dargestellten Strahlregler in Aufsicht.

Fig. 1 und 2 zeigen ein Tragflügelboot mit dem Bootskörper 2, der sich bei Fahrt, wie dargestellt, in einem gewissen Abstand von der Oberfläche 1 des Wassers befindet und nur bei nicht oder langsam fahrendem Boot ins Wasser eintaucht. Drei nach unten ragende Beine 3, 4 sind starr mit dem Bootskörper 2 verbunden, von denen die zwei mit 3 bezeichneten am Bug auf Steuerbord- und Backbordseite angeordnet sind, während das dritte Bein 4 am Heck angebracht ist. An den Enden der Beine sind zwei vordere Tragflügel 5 und ein hinterer Tragflügel 6 angebracht. Das Ende des hinteren Beines 4 trägt einen Antriebspropeller 7 und ein Ruder 8. Die Tragflügel befinden sich ständig unter Wasser und erzeugen bei schneller Fahrt des Bootes Auftriebskräfte, die den Bootskörper aus dem Wasser heben. Diese Auftriebskräfte hängen von dem Anstellwinkel der Tragflügel ab. Der Anstellwinkel des hinteren Tragflügels 6 ist unveränderlich. Die Eintauchtiefe dieser Fläche regelt sich bei Fahrt von selbst entsprechend der Eintauchtiefe der vorderen Tragflügel. Die vorderen Tragflügel 5 sind zwecks Veränderung des Anstellwinkels a um waagerechte Achsen 9 schwenkbar. Die Verstellung jedes Flügels 5 erfolgt durch eine über ein Gelenk 10 mit dem Flügel verbundene Stange 11 mittels eines Betätigungsmechanismus 12, der selbsttätig entsprechend der Höhe des Wasserspiegels vor dem Boot gesteuert wird. Die Messung dieser Höhe erfolgt für jeden Tragflügel gesondert mittels je einer noch genauer zu beschreibenden Abstandsmeßeinrichtung 13, die einerseits mit dem mit Wasser in leitender Verbindung stehendem Bootskörper, andererseits über eine Leitung 14 mit einer Elektrode 15 verbunden ist, die am Ende eines auf der der Steuerbord- bzw. Backbordseite des Bugs angebrachten, nach voraus ragenden langen Armes 16 befestigt ist. Die Elektrode 15 ist in solcher Höhe in bezug auf den Bootskörper 2 angeordnet, daß auch bei eintauchendem Bootskörper und bei den größten vorkommenden Wellen stets ein gewisser Mindestabstand von der Wasseroberfläche gewahrt bleibt. Der Abstand d der Elektrode von der Wasseroberfläche 1 wird durch die davon abhängige elektrische Kapazität zwischen beiden gemessen. Die Einrichtung 10 bis 15 arbeitet in der Weise, daß durch Veränderung des Anstellwinkels α der vorderen Tragflügel die Elektroden 15 in einem annähernd gleichbleibenden Abstand über der Wasseroberfläche gehalten werden. Dabei bewirken kleinere Wellen, die unter dem Boot hindurchlaufen können, keine Verstellungen, während bei größeren Wellen entsprechende Auf- und Abwärtsbewegungen des Bootes erzeugt werden, wodurch die vorderen Trag-

flächen ständig in annähernd gleichbleibender Tiefe unter der Wasseroberfläche gehalten werden. Insbesondere wird auf diese Weise auf dem ansteigenden Teil einer großen Welle ein Einschneiden des Bootskörpers in den Wellenberg und auf dem absteigenden Teil der Wellen ein Austauchen der Tragflügel aus dem Wasser vermieden. Bei von der Seite kommenden Wellen gleicht sich die Lage des Bootes durch Schrägstellung des Kurses zur Wellenfortschrittsrichtung dem Verlauf der

to Wasseroberfläche an. Beim Starten und Stoppen des Bootes erfolgt die Verstellung der Tragflügel zweckmäßig von Hand, und die automatische Steuereinrichtung wird nur oberhalb einer gewissen Mindestgeschwindigkeit wirksam gemacht, bei der sich das Boot aus dem Wasser gehoben hat.

Eine der beiden Abstandsmeßeinrichtungen 13 ist in Fig. 3 dargestellt. Es sind zwei Schwingungsgeneratoren 20, 21 mit Elektronenröhren 22, 23 und Schwingkreisen 24, 25 vorgesehen. Der Schwingkreis 24 des Generators 20 ist fest auf eine Frequenz f_x von 50 kHz abgestimmt. Der Schwingkreis 25 des Schwingungsgenerators 21 enthält eine Selbstinduktion 26 und eine Kapazität 27. Parallel zu der Kapazität 27 liegt die Kapazität der Elektrode 15 gegen die Wasserfläche 1, mit der ein Kondensator 28 in Reihe geschaltet ist. Dieser Reihenkondensator kann auch fortgelassen werden. Die Größe der Kapazität und damit die Schwingungsfrequenz /₂ des Generators 21 hängt ab von dem Abstandet, der bei normaler Fahrt und glatter Wasseroberfläche den Wert d_B hat. Die höchste und tiefste Lage des Wasserspiegels, mit der zu rechnen ist, sind bei 1' und 1" angedeutet. Die Größe der Kapazitäten 27, 28 ist im Verhältnis zu der veränderlichen Größe der Kapazität der Elektrode so gewählt, daß die Schwingungsfrequenz des Generators 21 stets unterhalb der des Generators 20 liegt. Beim größten Wert des Abstandes d beträgt f₂ 49,9 kHz, beim kleinsten 49,0 kHz.

Durch zwei Kopplungsspulen 30, 31 werden die Schwingungen der beiden Generatoren 20, 21 einem Mischer 32 zugeführt, der eine Mischröhre mit Nfederfrequenzfilter und gegebenenfalls eine Regelschaltung zur Aufrechterhaltung einer konstanten Amplitude der am Ausgang auftretenden niederfrequenten Differenzfrequenz enthält. Diese Differenzfrequenzzl/=/, — /^ kann nach obigem zwischen 100 bis 900 Hz liegen. Die niederfrequente Ausgangsspannung des Mischers 32 wird einem einen Kondensator 33 und einen Widerstand 34 enthaltenden Kreise zugeführt. Der Kondensator 33 ist so bemessen, daß sein Wechselstromwiderstand stets groß gegen den Wert des Widertsandes 34 ist, so daß dieser von einem der Ausgangsfrequenz / des Mischers proportionalen Strom durchflossen wird. Die auf diese Weise erzeugte Wechselspannung wird von einem Gleichrichter 35 mit Belastungswiderstand 36 und Glättungskondensator 37 gleichgerichtet. Die am Kondensator 37 erhaltene Gleichspannung ist ein Maß für den augenblicklichen Wert des Abstandes d.

IEin Tiefpaßfilter 38 befreit die Gleichspannung von den durch kleine Wellen erzeugten Schwankungen, so daß nur die durch größere Wellen erzeugten langsameren Schwankungen übrigbleiben.

Die schwankende Gleichspannung wird entsprechend Fig. 4 einem Gleichspannungsverstärker 39 und anschließend einem Drehmagnetsystem 40 zugeführt. Dieses besteht aus einem Feldmagneten 42 mit einer Wicklung 41 und einem drehbar gelagerten, Z-förmigen Anker43, der bei zunehmendem Magnetstrom im Pfeilsinne entgegen der Wirkung einer Feder 44 gedreht wird. Dabei verstellt er über eine Achse 45 und eine

Claims (1)

Kurbelschleife 49 das Düsenrohr Sl eines Strahlreglers 50, der in Fig. 4 in Seitenansicht, in Fig. S in Aufsicht dargestellt ist. Dem um eine Achse 52 schwenkbar gelagerten Strahlrohr 51 wird über einen Zulauf 53 Drucköl zugeführt, das aus der Spitze des Strahlrohrs mit großer Geschwindigkeit austritt. Der Strahl trifft auf zwei in dem Druckverteiler 54 dicht nebeneinanderliegende öffnungen, die über Leitungen 55, 56 mit den beiden Seiten eines Druckzylinders 57 mit einem Arbeitskolben 58 verbunden sind. Die Bewegungsenergie des aus dem Strahlrohr austretenden Öls wird beim Auftreffen auf den Druckverteiler 54 in Druck umgewandelt. Steht das Strahlrohr 51 in der Mittellage, so sind die auf beiden Seiten des Kolbens 58 herrschenden Drücke gleich groß, und der Kolben wird nicht bewegt. Bei einer Auslenkung des Strahlrohrs nach der einen oder anderen Seite, die durch Anschläge 59 begrenzt ist, entsteht ein Druckunterschied, der den Kolben in dem Maße verschiebt, wie Drucköl nachströmt. Dabei wird von der Kolbenstange 60 über die damit gelenkig verbundene Stange 11 (Fig. 1) der Anstellwinkel a des Tragflügels 5 verändert. Der Steuermechanismus ist so eingerichtet, daß bei d—d0 das Strahlrohr 51 in Mittelstellung gehalten wird und daß für d<d0 der Anstellwinkel a vergrößert wird und umgekehrt. Die so erzeugten Schwankungen der Auftriebskraft der Tragflügel bewirken eine Auf- und Abwärtsbewegung des Bootes in Anpassung an die Höhe der Wasseroberfläche vor dem Boot. Unter Überwindung der Kraft des Drehmagnetsystems 40 kann die Achse 45 auch mittels eines Handrades 46 willkürlich verstellt werden, wovon man insbesondere beim Abheben des Bootes von der Wasseroberfläche und beim Niedergehen auf diese Gebrauch machen wird. Die hier beispielsweise beschriebene Regeleinrich-. tung kann weitgehend verfeinert werden, indem zwi-. sehen Verstärker 39 und Drehmagnetsystem 40 ein elektrisches Rechengerät eingefügt wird. In diesem werden 'der erste und der zweite Differentialquotient des zeit- ; liehen Verlaufs des Abstandes d gebildet. Außerdem wird die durch jedes Bein 3 auf den Bootskörper 2 ! übertragene Auftriebskraft elektrisch gemessen und .: dem Rechengerät zugeführt. Entsprechend dem Bewegungszustand des Bootes relativ zur Wasseroberfläche wird dann der Strahlregler jeweils so betätigt, daß die erzeugte Auftriebskraft eine bestmögliche Anpassung der Bewegung des Bootes an die Wellenbewegung zur Folge hat. Bei Ausführung der Elektrode 15 als langer Stab oder großflächiges Netz kann zusätzlich zu der Wirkung des Filters 38 eine gewisse Mittelung über die Schwankungen der Höhe des Wasserspiegels vor dem Boot durch kleinere Wellen erzielt werden. Statt die Kapazität einer Elektrode 15 gegen die Wasseroberfläche 1 zu messen, kann man auch die Kapazität zwischen zwei in gleicher Höhe und größerem Abstand voneinander über Wasser angeordneten Elektroden messen, deren Größe von dem Abstand der Wasseroberfläche von den Elektroden abhängt. Es kann vorgesehen sein, daß die Verstellungen der beiden Tragflügel 5 in einer gewissen gegenseitigen Abhängigkeit voneinander erfolgen, um die Krängung bei von der Seite her anlaufenden Wellen zu verringern. Obwohl die Kapazitätsmessung wohl das einfachste Verfahren zur Abstandsmessung ohne Berührung darstellt, kann die Erfindung auch mit anderen, ebenfalls ohne mechanische Mittel und berührungslos arbeitenden Meßverfahren verwirklicht werden. So kann der Abstand des Endes des Armes 15 von der Wasserober- fläche auch mit elektrischen Wellen gemessen werden, die von der Wasseroberfläche zurückgeworfen werden, in gleicher Weise, wie die Flughöhe von Flugzeugen gemessen wird. Am Ende des Armes 16 werden nebeneinander zwei Strahler für cm-Wellen angebracht, von denen einer als Sender, der andere als Empfänger für die von der Wasseroberfläche zurückgeworfenen Wellen dient. Die ausgesandten Wellen werden mit einer Frequenz moduliert, der eine Wellenlänge von mehr als dem Doppelten der größten vorkommenden Schwankung des Abstandes der Wasseroberfläche von den Strahlern entspricht. Gemessen wird die Phasendifferenz der modulierenden Schwingung bei Aussendung und Empfang, die in eine proportionale Spannung umgesetzt wird. Dieses Phasenmeßverfahren kann auch mit modulierten Ultraschallwellen einer Wellenlänge von z. B. Smm durchgeführt werden. Dabei kann mit Strahlflächen von etwa 10 cm Durchmesser schon eine sehr scharfe Richtwirkung erzielt werden, die es bei Anbringung der Strahler in größerer Höhe über dem Boot ermöglicht, die Wasseroberfläche in größerer Entfernung vor dem Bug des Bootes mit einem Schallstrahl abzutasten. Der Abstand zwischen einem am Ende des Armes 16 angebrachten Ultraschallstrahler und der Wasseroberfläche kann ferner auch durch Messung der Laufzeit von in Abständen von etwa 20 msec ausgesandten und von der Wasseroberfläche reflektierten Ultraschallimpulsen gemessen werden, ähnlich wie dies bei der Echolotung zur Meerestiefenmessung geschieht. Die Aufladespannung eines Kondensators entspricht dabei dem gesuchten Abstände und wird ständig entsprechend dem Ergebnis der jeweils letzten Messung berichtigt. Die Erfindung kann auch bei Tragflügelbooten ange-., wendet werden, bei denen der Auftrieb durch in Formll eines V angeordnete, nur teilweise in das Wasser ein-i| tauchende Tragflügel geliefert wird. Bei Booten dieser' Art regelt sich die Höhenlage des Bootes über der Wasseroberfläche zwar selbsttätig durch wechselnde Eintauchtiefe der Tragflügel. Da jedoch die Größe des erzeugten Auftriebes von der Höhe des Wasserspiegels am Ort der Tragflügel abhängt und die dadurch entstehenden Auftriebsänderungen sich naturgemäß nur mit einer gewissen Verzögerung auswirken können, ist die damit erreichbare Anpassung der Höhenlage des Bootes an die Wellenbewegung der Wasseroberfläche weniger gut als bei einer Höhensteuereinrichtung, die von der Höhe des Wasserspiegels in einigem Abstand vor dem Boot beeinflußt wird. Zur Verbesserung der Brauchbarkeit von Booten mit schräggestellten, nur teilweise eintauchenden Tragflächen für bewegte See werden, ähnlich wie diese bei solchen Booten bereits bekannt ist, Teile der Tragflügel verstellbar ausgeführt und durch eine selbsttätige Höhensteuereinrichtung nach der Erfindung verstellt. An Stelle der kontinuierlichen katin auch zur Vereinfachung der Apparatur eine stufenweise, z. B. mit Resonanzrelais arbeitende Regelung vorgesehen sein. Patentansprüche:

1. Einrichtung zur selbsttätigen Regelung des dynamischen Auftriebs von unter der Wasseroberfläche befindlichen Tragflächen eines Tragflügelbootes durch Änderung des Anstellwinkels der Tragflächen in Abhängigkeit von der in einer gewissen Entfernung vor dem Boot durch eine am Boot angebrachte Einrichtung gemessenen, auf das Boot bezogenen Höhe des Wasserspiegels, dadurch gekennzeichnet, daß ein an sich bekanntes