Beschreibung

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein Wasserfahrzeug, insbesondere auf ein Wasserfahrzeug mit Schwimmkörper und Gondel. Bevorzugte Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein robustes, unbemanntes, schwimmendes Fahrzeug (unmanned surface vehicle, USV) mit breiter Wasserlinienfläche mit mindestens zwei Ebenen.

Zunehmend sind unbemannte Boote in der maritimen Technologie, in der Forschung, bei Vermessungsaufgaben, als Schleppfahrzeuge für geschleppte Sensorplattformen oder andere Objekte sowie als Transportschiffe oder bei militärischen Aufgaben im Einsatz. Weitere Anwendungsbeispiele für Oberflächenfahrzeuge ist die Verwendung als Schleppfahrzeug für Tauchroboter (autonom: AUV oder an Steuerkabel: ROV), als Fahrzeug zur Flachwasserpeilung (in Flüssen, Häfen oder Küstengebieten), um digitale Gewässerkarten zu erzeugen, bei der Minensuche oder im sogenannten„Damage Assessment“, z. B. bei havarierten Schiffen bzw. allgemein in menschenfeindlichen Umgebungen.

Derartige Fahrzeuge sind im Regelfall so klein wie möglich ausgelegt, da hier der Bedarf an hoher Zuladung in Form von Personen entfallen ist. Infolgedessen sind diese Fahrzeuge sehr leicht und verfügen über wenig Tiefgang. Ein Problem, das damit einhergeht, ist die fehlende Robustheit gegenüber rauem Wetter.

Konventionelle bemannte Boote fahren dann besonders stabil durch Wind und Wellen, wenn Menschen an Bord sind, die den Schwerpunkt des Bootes aktiv verändern können. Das gilt in besonderem Maß für Katamarane, die besonders auf langen Wellen mit einer steilen Front gefährdet sind, nach vorne oder zur Seite zu kippen und durch Wind und Wellen umgedreht zu werden, wenn nicht Menschen an Bord sind, die den Schwerpunkt des Bootes aktiv beeinflussen können.

Eine besondere Herausforderung bei einem unbemannten Boot ist das Aussetzen und Bergen. Vor allem beim Bergevorgang muss das Boot, das in den Wellen bewegt auf ein Schiff, das sich mit anderer Frequenz und anderen Krängung (Krängung ist eine kurzzei- tige oder zumindest kontrollierte Rollbewegung, die das Schiff in Schräglage bringt) bewegt, verbracht werden. Dabei muss das unbemannte Fahrzeug in der Regel entweder ohne Eingriff von Menschen an einem Kranseil ankoppeln oder auf einer Rampe an Bord oder an Land gezogen werden, was bei höherem Seegang in der Regel schwierig ist und lange dauert.

Weitere Randbedingung ist, dass Stöße und Kollisionen gut abgefangen werden sollen, z. B. um das eigene Schiff oder auch fremde Schiffe, Ufer- oder Hafenanlagen nicht bei der Kollision zu beschädigen.

Nachfolgend werden einige Stand-der-Technik-Ansätze erläutert. Die meisten USV haben Formen wie konventionelle bemannte Boote (Ein-Rumpfboote oder klassische Katamarane, Trimarane oder SWATH).

Bei Segelbooten verwendet man traditionell teilweise Ballastkiele, das heißt, schwere, aus Gusseisen oder Blei bestehende Kielflossen, die für Gewichtsstabilität sorgen.

US3034468A aus dem Jahr 1959 beschreibt ein gezogenes für die Unterwasserfahrt geeignetes Fahrzeug, das von einem an der Oberfläche fahrenden Schiff geschleppt wird. Eine Vielfalt von Schleppkörpern, z. B. als gezogenes Sonararray wurde seitdem entwickelt oder ist im Einsatz. http://www.asvqlobal.com/asv-global-terrasond-annouce-first- ever-usv-supported-cable- route-survev beschreibt ein entsprechendes System aus einem unbemannten Boot und einem Schleppkörper. Dabei ist allerdings das USV schwer und groß und der Schleppkörper klein.

Die EP 2 982 595 A2 zeigt in Figur 10 einen abnehmbaren Elektromotor, der als eigenes Modul unter einem bemannten Kayak befestigt ist. CN102923262A offenbart ein USV mit small waterplane, also einem kleinen, schmalen Schwimmkörper und einem großen untergetauchten Teil. US7789723B2 offenbart ein USV als Katamaran mit Payload Bay im Rumpf, das Ballasttanks hat und so unter Wasser und an der Oberfläche betrieben werden kann. US20070203623A1 beschreibt ein Einrumpf-USV, das aus einer wasserdichten Sektion in der Mitte und wasserdurchfluteten Teilen vor und nach der wasserdichten Sektion besteht. Keiner der Ansätze liefert eine Lösung, die ein Umkippen des Fahrzeugs bei widrigem Wellengang oder Wind und Beschädigungen bei Kollisionen mit hoher Sicherheit vermeidet. Deshalb besteht der Bedarf nach einem verbesserten Ansatz.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Konzept für ein Wasserfahrzeug, insbesondere ein unbemanntes Oberflächenfahrzeug zu schaffen, das sich durch Robustheit gegenüber rauem Wetter auszeichnet.

Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Wasserfahrzeug, insbesondere ein Oberflächenfahrzeug bzw. unbemanntes Oberflächenfahrzeug mit einer Gondel und einem Schwimmkörper. Die Gondel umfasst einen Antrieb, wie z. B. einen Motor mit externer Schraube oder einen Jet-Antrieb. Der Schwimmkörper erstreckt sich entlang der Wasserlinie in einer ersten und zweiten Dimension (erste und zweite zueinander senkrechte Dimension). Die Ausdehnung des Schwimmkörpers ist zumindest in einer dieser zwei Dimensionen größer als die der Gondel, vorzugsweise aber auch in beiden Dimensionen. Die Gondel ist signifikant schwerer als der Schwimmkörper.

Entsprechend Ausführungsbeispielen ist der Schwimmkörper sowohl breiter (erste Dimension) als auch länger (zweite Dimension) als die Gondel, so dass eine senkrechte Projektion einer Kontur des Schwimmkörpers, die Kontur der Gondel vollständig einschließt. Hierzu ist die Gondel beispielsweise zentral/mittig oder allgemein zwischen den Außenlinien des Schwimmkörpers positioniert. Entsprechend Ausführungsbeispielen heist das, dass der Schwerpunkt der Gondel in Breitenrichtung Mittig (bzw. im mittleren Drittel) und/oder in Längsrichtung Mittig (bzw. im mittleren Drittel) angeordnet ist.

Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein robustes Wasserfahrzeug-Design dadurch geschaffen werden kann, indem ein breiter Schwimmkörper mit einer vergleichsweise schweren Gondel kombiniert wird. Hierbei ist der breite Schwimmkörper in der Ebene der Wasserlinienfläche positioniert, während die Gondel sich unterhalb der Wasserlinie befindet. Durch diese Form in Kombination mit dem niedrigen Schwerpunkt wird ein stabil zu navigierendes Wasserfahrzeug geschaffen, das immer wieder in seine Ursprungsform zurückkehrt. Somit ist das Wasserfahrzeug vorteilhafterweise sehr robust gegenüber rauem Wetter und äußeren Einflüssen. Diese Form ist auch allgemein sehr energieeffizient, so dass mit einer Tankladung eine hohe Reichweite und/oder eine schnelle Geschwindigkeit erreicht werden kann. Entsprechend Ausführungsbeispielen wird der tiefe Schwerpunkt dadurch erreicht, dass Elemente wie Motor, Motor in Kombination mit Propeller und/oder ein Wasserstrahlantrieb in der Gondel angeordnet ist. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen sind auch weitere Elemente, wie Akku, Batterie und/oder allgemein die Stromversorgung in der Gondel angeordnet. Hierdurch kann entsprechend Ausführungsbeispielen erreicht werden, dass die Gondel mindestens 50%, mindestens 100% oder sogar mindestens 200% schwerer ist als der Schwimmkörper.

Bezüglich der Dimensionierung des Schwimmkörpers sei angemerkt, dass dieser in der ersten und/oder zweiten Dimension eine um mindestens 50%, um mindestens 100% oder um mindestens 200% größere Ausdehnung hat als die Gondel. Der Schwimmkörper an sich weist auch eine dritte Dimension (Höhendimension) auf. Diese ist vorzugsweise flach ausgelegt. Das heißt also, dass die Ausdehnung in der ersten Dimension und/oder in der zweiten Dimension um mindestens 500% oder mindestens 1000% größer ist als eine Ausdehnung in der dritten Dimension. Durch die flache Ausprägung hat der Schwimmkörper also beispielsweise eine Art Surfbrettform. Diese reduziert den Schwerpunkt erheblich. Entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen ist der Schwimmkörper aus einem elastischen Material geformt oder hat zumindest einen elastischen Rand. Dieser elastische Rand umschließt den Schwimmkörper partiell oder vorzugsweise vollständig. Der elastische Rand bzw. das elastische Material bietet den Vorteil, dass selbst starke Stöße keinen Schaden bei der Technik, d. h. am Eigenfahrzeug oder auch an anderen Booten oder Bootsanlegern verursachen. Auch werden Schäden gegenüber Menschen vermieden. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann der Schwimmkörper dazu ausgebildet sein, eine resultierende Auftriebskraft zu variieren. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass Luft abgelassen wird oder Baiasttanks zum Einsatz kommen. Das Variieren hat den Vorteil, dass der Schwimmkörper abtauchen kann, um so beispielsweise ein Abwettern zu ermöglichen. An dieser Stelle sei auch angemerkt, dass der Schwimmkörper entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen mehrteilig ausgeführt sei kann, z. B. mit einer Katamaranform oder einem Seitenschwimmer.

Entsprechend Ausführungsbeispielen ist die Gondel gegenüber dem Schwimmkörper schwenkbar, um so vorteilhafterweise eine Manövrierung/Lenkung zu erreichen. Im Allgemeinen sei angemerkt, dass die Verbindung zwischen Gondel und Schwimmkörper unterschiedlich ausgeführt sein kann. Diese kann beispielsweise fest/starr sein oder auch elastisch ausgelegt sein. Auch wäre eine gedämpfte Verbindung oder eine Verbindung mittels Ketten oder Seilen denkbar.

Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.

Ausführungsbeispiele werden anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Wasserfahrzeugs gemäß einem Basisausführungsbeispiel; und

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Wasserfahrzeugs gemäß einem erweiterten Ausführungsbeispiel.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass gleichwirkende Elemente und Strukturen mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer aufeinander anwendbar ist.

Fig. 1 zeigt ein Wasserfahrzeug 10 mit einem Schwimmkörper 12 und einer Gondel 14. Die Gondel 14 ist mit dem Schwimmkörper 12 verbunden (vgl. Verbindung 16).

Nachfolgende Erläuterung geht davon aus, dass der Schwimmkörper 12 auf der Wasserlinie 18 schwimmt. Hierbei liegt beispielsweise die gesamte Fläche des Schwimmkörpers 12 auf. Unter der Wasserlinie 18 ist die Gondel 14, d. h. also in einer zu der Ebene des Schwimmkörpers 12 zweiten Ebene positioniert. Der Schwimmkörper 12 erstreckt sich in zwei laterale Richtungen x und y entlang der Wasserfläche 18 sowie in eine dritte Dimension z, nämlich die Höhendimension, x, y, z stehen jeweils senkrecht aufeinander.

Die Längenausdehnung x und/oder die Breitenausdehnung y ist entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen signifikant größer, d. h. beispielsweise mindestens doppelt so groß oder mindestens fünfmal so groß wie die Höhenausdehnung z. Des Weiteren ist die Längenausdehnung x und/oder die Breitenausdehnung y signifikant größer als die jeweilige Ausdehnung der Gondel 14. Entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen hängt die Gondel 14 im Wesentlichen zentral unterhalb (d. h. unter der Wasserlinie 18) des Schwimmkörpers 12. Bei einer senkrechten Projektion entlang der z-Achse würde ent- sprechend einer bevorzugten Variante die Kontur des Schwimmkörpers 12 die Kontur der Gondel 14 vollkommen einschließen.

In Bezug auf die Höhe ist die Gondel 14 mindestens einige Zentimeter (mindestens 3 oder 10 cm), bevorzugt aber einem größeren Abstand (z. B. im Bereich von mindestens 30 cm, mindestens 50 cm oder mindestens 100 cm) von dem Schwimmkörper 12 beabstandet. Die genaue Größe hängt von den Gesamtdimensionen ab, wobei beispielsweise der Abstand zwischen Gondel 14 und Schwimmkörper 12 mindestens 5% der Länge x des Schwimmkörpers 12, bevorzugt aber mindestens 20% der Länge x des Schwimmkörpers 12 betragen kann. Diese Abstandspositionierung dient dazu, den Schwerpunkt des Wasserfahrzeugs 10 möglichst tief unter die Wasseroberfläche 18 zu verlagern. Ein weiteres Mittel, um den Schwerpunkt zu verlagern ist, dass die Gondel 14 schwerer dimensioniert ist als der Schwimmkörper 12. Beispielsweise kann die Gondel 14 mindestens 50% oder sogar mindestens 100 oder 200% sein. Dies wird entsprechend Ausführungsbeispielen dadurch erreicht, dass Komponenten wie Antrieb (Motor, Propeller, Jet-Strahlantrieb) und Zusatzkomponenten wie Akku (allgemeine Energieversorgung) in der Gondel 14 angeordnet sind.

Die zweigeteilte Ausführung (12 bis 14) in zwei verschiedenen Ebenen hat auch für das Bergen Vorteile. Beim Bergen kann ein Bergesystem aus einer Rampe mit mindestens zwei Schienen oder Trägern verwendet werden, auf denen der Auftriebskörper aufliegt. Die Gondel befindet sich unterhalb der Träger. Führungsschienen können das Einfädeln der Gondel in das Rampensystem unterstützen.

Entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen weist der Schwimmkörper 12 eine Surfbrettform auf, d. h. er ist in x-Richtung länger als in Breitenrichtung y und in z- Richtung signifikant flacher als eine der Dimensionen x oder y. Entsprechend weiteren bevorzugten Ausführungsbeispielen weist die Gondel eine Torpedoform auf. Diese beiden Formen sind aus hydrodynamischer Sicht sehr günstig und ermöglichen so einen effizienten Betrieb.

Bezug nehmend auf Fig. 2 wird nachfolgend eine bevorzugte Variante erläutert. Fig. 2 zeigt das Wasserfahrzeug 10‘ mit dem Schwimmkörper 12' sowie der Gondel 14'. Die Gondel 14' ist über einen Steg 16' mit dem Schwimmkörper 12' verbunden. Der Schwimmkörper 12' befindet sich auf der Wasseroberfläche 18. Der Schwimmkörper 12‘/Auftriebskörper hat eine ähnliche Form wie ein Surfbrett oder eine Luftmatraze und ist in mindestens einer Richtung x oder y breiter bzw. länger als die getauchte Gondel 14‘. Der Auftriebskörper 12' sorgt für den Auftrieb, was beispielsweise dadurch erreicht werden kann, dass er im Wesentlichen aus einem Schaum besteht oder aufblasbar ist. Allgemein hat ein Auftriebskörper eine Dichte kleiner als Wasser, um so schwimmfähig zu sein. Durch die Form ist er robust gegen Strömungen, Wind und Wellen und bietet dadurch Schutz vor Kollisionen, so dass nur er über den Rand der Gondel 14' hinausragt und somit als einziger in Berührung mit Gegenständen im Wasser bzw. am Land kommen kann. Vorzugsweise ist er elastisch ausgeführt, um so Beschädigungen an sich oder an Kollisionsobjekten zu vermeiden. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann der Auftriebskörper 12' mit Finnen ausgestattet sein, wie hier exemplarisch anhand der Finne 12f illustriert ist. Auch das Verbindungselement 16' kann eine Finnenform aufweisen. Diese Finnen 12f‘ und/oder 16' unterstützen ein gerades Fahrverhalten im Wasser.

Bezüglich der Form des Auftriebskörpers 12' sei angemerkt, dass hier unterschiedliche Ansätze verfolgt werden können. Die Form des Auftriebskörpers 12' kann entweder so gewählt werden, dass er die Wellen mit wenig Wasserwiderstand durchschneidet oder in seiner Form eine breiten Aufstandsfläche bietet (bereit ist), um stabil im Wasser zu liegen. Eine Kombination ist beispielsweise durch mehrere Rümpfe, die gemeinsam den Auftriebskörper 12' formen, gegeben. Hierbei hat sich die Katamaranform als besonders vorteilhaft erwiesen. Alternativ wäre es auch denkbar, dass ein schmaler Hauptrumpf und ein oder mehrere Ausleger verwendet werden.

Bezüglich der Gondel sei angemerkt, dass diese, insbesondere im Verhältnis zu dem Auftriebskörper 12' schwer ist, um den Schwerpunkt unter die Wasserlinie 18 zu verlagern. Deshalb sind beispielsweise Komponenten des Wasserfahrzeugs 10‘, die wesentlich zum Gesamtgewicht beitragen, in der Gondel 14' angeordnet. Hierzu zählen die Energieversorgung (Batterie, Brennstoffzelle und/oder Stromgenerator). Die weiteren Antriebskomponenten sind auch Teil der Gondel 14‘. Vorzugsweise innenliegend kann der Motor/Elektromotor vorgesehen sein, wobei auch ein Außenborder denkbar wäre. Der Motor kann als Direktantrieb ausgeführt sein oder ein abgedichtetes oder alternativ ein ölgefülltes Getriebe aufweisen. Im Regelfall ist der Motor mit einem Propeller 14p' gekoppelt, wobei auch mehrere Propeller denkbar wären. Entsprechend einer alternativen Variante wäre ein Wasserstrahlantrieb (engl.: Waterjet) denkbar. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen sind Lenkungskomponenten ebenfalls in der Gondel 14' angeordnet. So kann der Antrieb (vgl. Propeller 14p‘) oder auch die gesamte Gondel 14' (gegenüber dem Auftriebskörper 12‘) drehbar/schwenkbar ausgeführt sein, um so gesteuert zu werden (Schlagwort: Thruster). Alternativ kann selbstverständlich auch der Propeller 14p fest sein und durch Seiten oder gegebenenfalls auch durch Höhenruder ergänzt werden (nicht dargestellt). Insofern kann entsprechend den Ausführungsbeispielen die Gondel 14‘ ein oder mehrere Seiten und/oder Höhenruder aufweisen.

Bezüglich der Abdichtung der Gondel sei angemerkt, dass die Gondel 14‘ ganz oder teilweise wasserdurchflutet, komplett ölgefüllt, aber auch ganz oder teilweise mit Luft gefüllt und wasserdicht abgedichtet sein kann. Je nach Ausführung der Gondel 14' sind dann auch Motorspulen, Spulen der Servomotoren und Fahrzeugelektronik entweder in Kunststoff eingegossen (sogenannte druckneutrale Systeme) oder mittels Dichtungen gegenüber der Umgebung gedichtet.

Entsprechend Ausführungsbeispielen kann neben dem Antrieb und Steuerungskomponenten (Steuerrechner) auch Sensorik in der Gondel 14‘ angeordnet sein. Hierbei wäre es beispielsweise denkbar, dass die Gondel 14‘ ein Inertial-Navigationssystem und/oder ein Doppler Velocity Log umfasst. Auch weitere Sensoren zur Umgebungserfassung (chemische Sensoren und Temperatursensoren oder andere Sensoren) oder zur Unterstützung der Navigation (wie Sonar oder Unterwasserkameras) können innerhalb der Gondel 14' angeordnet sein bzw. durch diese umfasst werden.

Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen können an dem bzw. oberhalb des Auftriebskörpers 12' auch weitere Komponenten angeordnet sein. Denkbar wären z. B. Warnleuchten oder Wamsender (z. B. AIS) oder auch Navigationskomponenten, wie eine GPS- Antenne, Sende- und Empfangsantenne. In der Praxis hat sich ein sogenannter„Sensor Tower“ bewährt, bei welchem die mehreren Komponenten oberhalb der Wasserlinie 18 anortenbar sind. Der Mast könnte z.B. an der Position 12f‘ angeordnet sein.

Wenn man von einem Verbrennungsmotor ausgeht, wäre hier auch ein Schnorchel für den Verbrennungsmotor oder den Generator vorzusehen. Zusätzlich können auch weitere Sensoren, wie z. B. Kameras oder Laserscanner in diesem Bereich angebracht werden..

Wie oben bereits angedeutet, kann entsprechend Ausführungsbeispielen der Auftriebskörper 12' in seiner Auftriebskraft variiert werden. Dies ist entweder durch die Verwendung von Ballasttanks oder auch durch die Verwendung von separat aufblasberen Lufttanks denkbar. Entsprechend einem Ausführungsbeispiel kann auch ein Schnorchel für die Luftansaugung oberhalb des Auftriebskörpers 12' vorgesehen sein. Entsprechend Ausführungsbeispielen wäre es denkbar, dass Seilwinden oder andere Aktoren auf dem Auftriebskörper 12‘ (entweder oberhalb oder unterhalb) angebracht sind. Bezüglich der Verbindung zwischen der Gondel 14‘ und dem breiten Auftriebskörper 12‘ sei angemerkt, dass die Verbindung 16‘, wie hier dargestellt, fest ausgeführt sein kann. Alternativ wäre es auch denkbar, dass die Verbindung aus mindestens zwei Seilen oder Ketten besteht oder vibrationsdämpfend, z. B. über Gummischläuche, realisiert ist. Letzteres verhindert, dass Fahrgeräusche von der Wasseroberfläche, dem Wind oder anderen Umgebungsgeräuschen die Sonaraufnahme oder andere Messungen stören.

Insofern ist es entsprechend einem bevorzugten Ausführungsbeispiel so, dass die Verbindung 16‘ vibrationsarm ausgeführt ist, wenn ein Sonar oder ein ähnlicher vibrationsempfindlicher Sensor in die Gondel integriert ist. Um weiter die Vibrationen zu verhindern, können Antriebskomponenten, wie z. B. Motor oder Propeller in den Auftriebskörper 12' integriert werden. Um in diesem Fall dennoch die Schwerpunkt niedrig zu halten, wäre es denkbar, dass dennoch Antriebskomponenten, wie z. B. der Akku/die Stromversorgung weiterhin in der Gondel 14' angeordnet sind.