Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation der Blockade eines Ruderblattes in einer X- Ruderanlage (im folgenden X-Ruder) und somit der Aufrechterhaltung der Manövrierfähigkeit des Unterseebootes mit einem solchen X-Ruder.

Moderne Unterseeboote, beispielsweise die deutsche Klasse 212a oder die israelische Dolphin- Klasse, haben anstelle des konventionellen Kreuzruders ein sogenanntes X-Ruder, bei welchem die vier Ruderblätter jeweils diagonal zur Horizontalen bzw. Vertikalen bei Normallage des Unterseeboots angeordnet sind.

Bei einem X-Ruder werden die Ruderblätter aus Sicht von hinten wie folgt nummeriert. Ruderblatt 1 ist rechts oben (Steuerbord, oben), Ruderblatt 2 ist links oben (Backbord, oben), Ruderblatt 3 rechts unten ((Steuerbord, unten) und Ruderblatt 4 ist links unten (Backbord, unten) angeordnet. Somit liegen Ruderblatt 1 und Ruderblatt 4 sowie Ruderblatt 2 und Ruderblatt 3 sich jeweils gegenüber.

Durch die Verwendung eines X-Ruders sind neben der Verwendung entsprechend als virtuelles Seitenruder oder virtuelles Tiefenruder zwei weitere Stellungen möglich. Das virtuelle Seitenruder oder virtuelle Tiefenruder entspricht dem Seitenruder oder dem Tiefenruder bei einer konventionellen Anordnung der Ruder in Kreuzform. Beim virtuellen Rollruder wirken die Ruderblätter derart zusammen, dass das Unterseeboot um seine Längsachse gedreht wird ohne eine weitere Änderung der Bewegungsrichtung des Unterseeboots zu bewirken, quasi eine schraubenförmige Bewegung vollzieht. Beim virtuellen Bremsruder sind die Ruderblätter so gestellt, dass die Bewegungsrichtung des Unterseeboots nicht verändert wird, die Ruderblätter jedoch einen Strömungswiderstand darstellen und so eine Bremswirkung aufweisen.

Die Steuerung erfolgt aus praktischen Gründen auch bei einem X-Ruder durch die Vorgabe einer Wirkung entsprechend einem virtuellen Seitenruders und virtuellen Tiefenruders, wobei zusätzlich auch Rollruder und Bremsruder vorgegeben werden. Die Umrechnung zwischen diesen vorgegebenen Werten und den an den Ruderblättern einzustellenden Winkeln ergibt sich zu:

Positive Werte für δ ₁ δ ₂ , δ ₃ und δ ₄ sowie δ ₅ gehen nach unten, positive Werte für δ _i gehen nach backbord. δ ₁ δ ₂ , δ ₃ und δ ₄ sind die Steuerwinkel.

Bei Vorgabe des Seitenruders und des Tiefenruders ergeben sich die Auslenkungen der Ruderblätter durch Auflösen von Formel 1 entsprechend:

Als 0° Auslenkung wird die Mittelstellung des Ruders betrachtet. Befinden sich alle Ruder in Mittelstellung wirkt keine fahrtrichtungsändernde Kraft auf das Ruder. Aufgrund des vergleichsweise komplexen Aufbaus des X-Ruders hat ein blockiertes Ruderblatt automatisch Auswirkung sowohl auf das virtuelle Seitenruder als auch auf das virtuelle Tiefenruder.

Aus der DE 10 2012 222 812 AI ist ein Verfahren zur Regelung eines Zustand eines Fahrzeugs, insbesondere eines Unterwasserfahrzeugs bekannt.

Aus der JP 2016-88 348 A ist ein Controller für eine Ruderanlage für ein X-Ruder bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches die Manövrierfähigkeit des Unterseeboots auch mit einem blockierten Ruderblatt ermöglicht.

Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kompensation der Blockade eines Ruderblattes in einem X-Ruder weist die folgenden Schritte auf:

a) Prüfen, ob ein Ruderblatt blockiert ist,

b) Feststellen, welches Ruderblatt blockiert ist,

c) Feststellen in welchem Winkel das blockierte Ruderblatt blockiert ist,

d) Kompensieren der Steuerwinkel für die verbleibenden drei Ruderblätter,

m) Ansteuern der Ruderblätter.

Vorteil des Verfahrens ist es, dass das Unterseeboot auch nach Beschädigung noch manövrierfähig bleibt. Durch das Verfahren werden unkontrollierte Lage- und Richtungsänderungen vermieden. Kommt es während eines Gefechtseinsatzes oder bei einer Aufklärungsfahrt zu einem blockierten Ruderblatt kann insbesondere ein Auftauchen des Unterseebootes vermieden werden, was die Position und Anwesenheit des Unterseeboots verraten würde.

Ist ein Ruderblatt blockiert, so ist die Auslenkung durch die blockierte Stellung vorgegeben und kann nicht mehr variiert werden. Es ergibt sich somit mit einem vorgegebenem virtuellen Seitenruder und einem vorgegebenem virtuellen Tiefenruder aus Formel 2:

Da das Rollen eines Unterseeboots eine sehr ungünstige Bedingung ist, wird das Rollruder zunächst in der Neutrallage festgehalten:

Somit ist die Kompensation in Schritt d) gegeb Für blockiertes 1. Ruderblatt:

Für blockiertes 2. Ruderblatt:

Für blockiertes 3. Ruderblatt:

In allen Fällen wird das Bremsruder als Variable frei gegeben, es wird also die Bremswirkung durch das Ruder in Kauf genommen, um die Steuerfähigkeit des Bootes aufrecht zu erhalten. Dieses bedeutet die geringste Veränderung des Steuerverhaltens des Unterseebootes.

Es kann bei der Kompensation jedoch auftreten, dass die maximal mögliche Auslenkung eines Ruderblattes überschritten wird. Um dieses Problem zu lösen, können in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung Schritt d) folgende Schritte ausgeführt werden:

e) Prüfen, ob einer der kompensierenden Steuerwinkel größer als der maximal zulässige Steuerwinkel ist,

f) Wenn e) positiv, dann Feststellen welcher kompensierenden Steuerwinkel die größte Auslenkung aufweist,

g) Skalieren der kompensierenden Steuerwinkel,

m) Wenn e) negativ oder nach g) Ansteuern der Ruderblätter.

Hierbei ist der maximal zulässige Steuerwinkel nicht nur abhängig von der Bauart. Beispielsweise kann ein Ruderblatt im Bereich von -45° bis 45° bewegbar sein. Zusätzlich ist der maximal zulässige Steuerwinkel auch von der Geschwindigkeit des Unterseebootes abhängig. Während bei Stillstand (0 kn) eine Auslenkung im vorgenannten Fall von -45° bis 45° möglich ist, kann aufgrund des Wasserdrucks, der durch die Strömung auf das Ruderblatt wirkt, bei schneller Fahrt, beispielsweise 20 kn, die Auslenkung beispielsweise auf - 30° bis 30° beschränkt sein, da das Drehmoment der Rudermaschine und somit die maximal zur Verfügung stehende Kraft begrenzt ist.

Die Skalierung ändert zwar quantitativ das Steuerverhalten, qualitativ bleiben die Eigenschaften jedoch erhalten. Besonders bevorzugt bleibt das Verhältnis von Tiefenruder zu Seitenruder konstant. Beispielsweise kann das Unterseeboot auch nach der Skalierung eine definierte Kurve, zum Beispiel nach Steuerbord, fahren, ohne dass es zu einer erheblichen Veränderung der Tauchtiefe kommt, es wird lediglich der Kurvenradius bei extremen Manövern vergrößert. So bleibt das Steuerverhalten auch unter diesen Bedingungen für die Besatzung vorhersagbar. Eine Verringerung der Genauigkeit der Beibehaltung der Tiefe muss gegeben falls in Kauf genommen werden.

Die Skalierung erfolgt derart, dass der Steuerwinkel des Ruderblattes, welcher die höchste Auslenkung aufweist, auf den maximalen Wert gesetzt wird und die verbleibenden Auslenkungen der verbleibenden beiden Ruderblätter entsprechend skaliert werden.

Der Index sc beim Steuerwinkel δ _{n sc} mit n ausgewählt aus der Gruppe 1, 2, 3 oder 4 bedeutet, dass der Steuerwinkel des Ruders n auf den maximalen Wert skaliert ist.

Es wird a definiert zu

Ist nun das 1. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximaler Auslenkung des 2. Ruderblattes aus Formel 5 und Formel 9:

Ist nun das 1. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximaler Auslenkung des 3. Ruderblattes aus Formel 5 und Formel 9:

Ist nun das 1. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximaler Auslenkung des 4. Ruderblattes aus Formel 5 und Formel 9:

Ist nun das 2. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximaler Auslenkung des Ruderblattes aus Formel 6 und Formel 9:

Ist nun das 2. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximaler Auslenkung des 3. Ruderblattes aus Formel 6 und Formel 9:

Ist nun das 2. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximaler Auslenkung des 4. Ruderblattes aus Formel 6 und Formel 9:

Ist nun das 3. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximaler Auslenkung des 1. Ruderblattes aus Formel 7 und Formel 9:

Ist nun das 3. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximaler Auslenkung des 2. Ruderblattes aus Formel 7 und Formel 9:

Ist nun das 3. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximaler Auslenkung des 4. Ruderblattes aus Formel 7 und Formel 9:

Ist nun das 4. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximaler Auslenkung des 1. Ruderblattes aus Formel 8 und Formel 9:

Ist nun das 4. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximaler Auslenkung des 2. Ruderblattes aus Formel 8 und Formel 9:

Ist nun das 4. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximaler Auslenkung des 3. Ruderblattes aus Formel 8 und Formel 9:

Mit den skalierten virtuellen Auslenkungen δ _{r com sc} und δ _{s com sc} aus den Formeln 10 bis 37 und den Formeln 5 bis 8 ergeben sich die Steuerwinkel zu:

Für blockiertes 1. Ruderblatt ergibt sich

Leider ist es auch damit nicht möglich, alle Richtung anzusteuern, wenn ein Ruder in der Maximalstellung, beispielsweise ±45° blockiert ist. Um in solchen Fällen dennoch die Manövrierfähigkeit zu verbessern, kann es notwendig sein, das Rollruder freizugeben und eine Drehung um die Längsachse zuzulassen. Daher werden in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die folgenden Schritte ausgeführt:

h) Prüfen, ob der Betrag des vorgegebenen Tiefenruder größer gleich 1° ist und der Betrag des skalierten Tiefenruders kleiner 1° ist,

i) Wenn h) negativ, dann Durchführung einer Anpassung mit skaliertem Seitenruder und skaliertem Tiefenruder gemäß Schritt g) und mit Schritt m) weiterführen, j) Wenn h) positiv, dann erneutes Skalieren unter Berücksichtigung des Rollruders, k) Ermitteln des erneut skalierten Seitenruders, des erneut skalierten Tiefenruders und des erneut skalierten Rollruders,

I) dann Durchführung einer Anpassung mit erneut skaliertem Seitenruder, erneut skaliertem Tiefenruder und erneut skaliertem Rollruder,

m) Wenn e) negativ oder nach i) oder nach I) Ansteuern der Ruderblätter.

Da in diesem Fall nicht mehr Tiefe und Kurs gehalten werden können, wird die Priorität auf die Tauchtiefe und somit auf das Tiefenruder gelegt. Dieses ist bevorzugt, da sowohl ein Unterschreiten der maximalen Tauchtiefe als auch ein Auftauchen eine große Gefahr für das Unterseeboot darstellen kann. Im Folgenden bezeichnen δ _{r ord} das erneut skalierte Seitenruder und δ _{p ord} das erneut skalierte

Rollruder, wobei es sich hierbei nicht um vollständig korrekt skalierte Werte handelt. Die Werte werden derart bestimmt, ' dass δ s,com erreicht werden kann, δ r,com kann hing hingegen nicht mehr eingehalten werden, da δ _p als weiterer Freiheitsgrad freigegeben ist. Die Variation wird hierbei so gewählt, dass δ _{r ord} minimal ist.

Für blockiertes 1. Ruderblatt ergibt sich:

Für blockiertes 2. Ruderblatt ergibt sich:

Für blockiertes 3. Ruderblatt ergibt sich:

Für blockiertes 4. Ruderblatt ergibt sich:

In einem alternativen Verfahren wird die Priorität auf den Kurs gelegt, die Tauchtiefe wird variiert. In dieser alternativen Ausführungsform der Erfindung werden die folgenden Schritte ausgeführt: h') Prüfen, ob der Betrag des vorgegebenen Seitenruders größer gleich 1° ist und der Betrag des skalierten Seitenruders kleiner 1° ist, i') Wenn h') negativ, dann Durchführung einer Anpassung mit skaliertem Seitenruder und skaliertem Tiefenruder,

j') Wenn h') positiv, dann erneutes Skalieren unter Berücksichtigung des Rollruders, k') Ermitteln des erneut skalierten Tiefenruders, des erneut skalierten Seitenruders und des erneut skalierten Rollruders,

I') dann Durchführung einer Anpassung mit erneut skaliertem Tiefenruder, erneut skaliertem Seitenruder und erneut skaliertem Rollruder,

m) Wenn e) negativ oder nach i') oder nach I') Ansteuern der Ruderblätter.

In diesem Fall erfolgt die Berechnung analog zur vorherigen Methode, als die Priorität auf die Tauchtiefe und somit auf das Tiefenruder gelegt wurde.

Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 Ablaufdiagramm

Fig. 2 Ruderanordnung

In Fig. 1 ist ein Ablaufdiagramm für die Ansteuerung von Ruderblättern eines X-Ruders gezeigt. In Schritt A wird der Wert für das Seitenruder δ _r , _com und der Wert für das Tiefenruder δ s,com vorgegeben.

In Schritt B werden die Werte in die Steuerwinkel δ _i der vier Ruderblätter entsprechend Formel 2 umgerechnet.

In Schritt C wird geprüft, ob ein Ruderblatt blockiert ist. Ist kein Ruderblatt blockiert, wird mit Schritt N fortgefahren, ist ein Ruderblatt blockiert, so wird mit Schritt D fortgefahren.

In Schritt N wird geprüft, ob einer der Steuerwinkel δ _i der vier Ruderblätter größer als der maximale Steuerwinkel ist. Ist dieses der Fall, so wird mit Schritt 0 fortgefahren, ist dieses nicht der Fall, so wird mit Schritt K fortgefahren. In Schritt 0 werden die Steuerwinkel δ _i der vier Ruderblätter so skaliert, dass der höchste Wert der Steuerwinkel δ _i der vier Ruderblätter den Wert des maximalen Steuerwinkel annimmt. Anschließend wird mit Schritt K fortgefahren.

In Schritt D wird geprüft, welches Ruderblatt blockiert ist und in welchem Winkel δ _i das blockierte Ruderblatt blockiert ist.

In Schritt E werden die Steuerwinkel für die verbleibenden drei Ruderblätter berechnet, um das blockierte Ruderblatt zu kompensieren. Die Berechnung erfolgt entsprechend der Formeln 5 bis 8.

In Schritt F wird geprüft, ob einer der Steuerwinkel δ _i der vier Ruderblätter größer als der maximale Steuerwinkel ist. Ist dieses der Fall, so wird mit Schritt G fortgefahren, ist dieses nicht der Fall, so wird mit Schritt K fortgefahren.

In Schritt G wird ermittelt, welches Ruderblatt den größten kompensierenden Steuerwinkel aufweist.

In Schritt H werden die Steuerwinkel skaliert, um den größten kompensierenden Steuerwinkel auf den maximalen Steuerwinkel zu reduzieren. Die Skalierung erfolgt mittels der Formeln 10 bis 33.

In Schritt I wird geprüft, ob der Betrag des vorgegebenen Tiefenruders größer gleich 1 ist und ob der Betrag des skalierten Tiefenruders kleiner 1 ist. Ist dieses der Fall, so wird mit Schritt L fortgefahren, ist dieses nicht der Fall, dann wird mit Schritt J fortgefahren.

In Schritt J werden die Einzelruderlagen für die in Schritt H skalierten Steuerwinkel berechnet. Die Berechnung erfolgt entsprechend der Formeln 34 bis 37.

In Schritt L werden die Steuerwinkel mit variablem Rollruder mittels der Formeln 38 bis 49 berechnet.

In Schritt M werden die Einzelruderlagen für die skalierten Steuergrößen nach den Formeln 5 bis 8 bzw. nach den Formeln 34 bis 37 berechnet. In Schritt K werden die Ruderblätter angesteuert.

In Fig. 2 sind die vier Ruderblätter sowie das virtuelle Seitenruder 50 und das virtuelle Tiefenruder 60 gezeigt, wobei hier in Fahrtrichtung von hinten auf das Unterseeboot gesehen wird.

Zu sehen sind Ruderblatt 1 10, Ruderblatt 2 20, Ruderblatt 3 30 und Ruderblatt 4 40 sowie das virtuelle Seitenruder 50 und das virtuelle Tiefenruder 60.