DE10132093A1 - Stabilisiertes elektrisches Wasserfahrzeug für Fahrten bei hohen Geschwindigkeiten, Tauchen und Segeln - Google Patents
Stabilisiertes elektrisches Wasserfahrzeug für Fahrten bei hohen Geschwindigkeiten, Tauchen und SegelnInfo
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Abstract
Neue Designs für elektrische Boote werden bereitgestellt, welche das Gewicht von Batterien ausnutzen, um das Boot zu stabilisieren und in einigen Fällen das Problem der begrenzenden Rumpfgeschwindigkeit zu überwinden. Die Batteriemasse ist eingeschlossen in ein oder zwei torpedo-artige Strukturen, die zum größten Teil oder vollständig untergetaucht sind. Eine Plattform ist mittels einer oder mehreren Stützen über dem oder den Torpedos angeordnet, was das Hindurchtreten von Wellenenergie durch das Wasserfahrzeug ermöglicht, statt mit großen vertikalen Flächen zu kollidieren. Das Design minimiert die Bildung von Kielwasser, die Wellenempfindlichkeit und ist nützlich für neue Arten von elektrischen Booten, welche mit einer Luftblase tauchen können, um die Nutzung als Unterseeboot zu ermöglichen, Vergnügungsfahrzeuge für höhere Geschwindigkeiten und Segelfahrzeuge, die in flachen Gewässern stabil bleiben können. Die stabilisierten Wasserfahrzeuge verfügen optional für eine größere Unabhängigkeit von Wetterverhältnissen über eine Vorrichtung zur Überwachung der Wellenaktivität und die Kontrolle per Computer.
Description
Die Erfindung betrifft allgemein Wasserfahrzeuge, insbesondere elektrische Wasserfahrzeuge
und Kontrollsysteme für die Stabilisierung von Wasserfahrzeugen.
Ein Problem mit dem konkaven "vessel"-Design von Wasserfahrzeugen ist, dass zusätzliches
Wasserfahrzeugvolumen oberhalb der Wasserlinie benötigt wird, um Gewichtsverschiebungen
Rechnung zu tragen und ein katastrophales Versagen durch in das Schiff eindringendes Wasser
zu vermeiden. Das bedeutet, dass ein offenes Verdrängungsschiff ("displacement vessel") ein
großes Volumen haben muss, welches vom Boden bis zur Spitze zunimmt und eine vertikale
oder konkave Form aufweist, die an der Wasseroberfläche ein Maximum an Reibung erzeugt.
Ein solcher konkaver Rumpf überträgt bzw. empfängt auf effiziente Weise Energie zur bzw.
von der Wasseroberfläche. Der Rumpf verliert Energie ans Wasser und erzeugt einfach durch
Bewegung eine Welle. Das Kielwasser behindert mit zunehmender Bootgeschwindigkeit die
Bewegung des Bootes und wird bei der sogenannten begrenzenden Rumpfgeschwindigkeit
("limiting hull-speed") zur stehenden Welle. Umgekehrt absorbiert ein Verdrängungsschiff
Energie und wird leicht durch Wellen ins Schaukeln versetzt. Wegen dieser Empfindlichkeit
gegenüber Wellen kann ein herkömmliches Wasserfahrzeug für die private Nutzung (im
folgenden "persönliches Wasserfahrzeug" genannt), welches üblicherweise weniger als 30
Fuß, insbesondere weniger als 25 Fuß lang ist, oft nicht bei hohem Wellengang im Ozean
verwendet werden. Um das Problem der hohen Wellen zu überwinden, wird ein Schiff vom
Verdrängungstyp einfach größer gemacht. Diese Lösung ist jedoch für persönliche
Wasserfahrzeuge nicht praktikabel, insbesondere solchen Wasserfahrzeugen, die mit einem .
Anhänger transportiert werden sollen und somit in ihrer Größe durch die Abmessungen von
Fahrzeugen begrenzt sind, welche auf einer Landstraße hinter einem PKW oder LKW benutzt
werden können.
Die Nachteile des herkömmlichen Rumpfverdrängungsdesigns werden bei der Kombination mit
elektrischen Antriebssystemen weiter verschlechtert. Boote, die von wiederaufladbaren
Batterien abhängig sind (worunter in diesem Zusammenhang auch Brennstoffzellen gehören),
müssen eine schwere und sperrige Energiequelle tragen. Das hohe Gewicht der Energiequelle
erfordert einen noch größeren Rumpf für die Verdrängung eines größeren Wasservolumens,
das ausreichend ist, um das Boot über Wasser zu halten. Dies beeinträchtigt die
stromlinienförmige Gestaltung des Rumpfes und kann das Boot größer für die Anpassung an
die Energiequelle machen. Durch das Schiffrumpfproblem ("vessel hull problem") wird daher
insbesondere die Entwicklung von elektrischen Wasserfahrzeugen behindert. In der Tat
verhindert der durch den Schiffsrumpf hervorgerufene Strömungswiderstand eine ökonomische
Nutzung von Elektromotoren, die Batterien benutzen, selbst bei Bootfahrten mit moderaten
Geschwindigkeiten (oberhalb von ca. 15 km/h). Dieser unglückliche Zustand ist bei
Elektrobooten gut bekannt (vgl. beispielsweise DOUGLAS LITTLE, ELECTRIC BOATS, TEE QUIET
HANDBOOK OF CLEAN, QUIET BOATING, (International Marine, 1994), auf Seite 33 (in Bezug
auf das Propellerdesign): "In the case of the electric boat, high speed - above 10 mph - is one
factor that can be dropped immediately. ") Es ist offensichtlich, dass neue Designs für die
breite Akzeptanz von elektrischen Booten als vielseitigen Wasserfahrzeugen für den
persönlichen Gebrauch benötigt werden.
Es gibt keine umfassende Kombination dieser Näherungen, welche die Nachteile der
Verwendung von schweren Batterien oder einer anderen Niedrigenergiequelle ("low energy
density power source") ausgleicht. Insbesondere hat keine Designstrategie das Erfordernis
einer großen Masse und eines großen Volumens von elektrischen Batterien oder
Brennstoffzellen in einer Bootstruktur erfolgreich als Aktivposten anstatt als Schwäche
benutzt. Schließlich gibt es kein ausreichendes Design für ein elektrisch angetriebenes und auf
einem Anhänger transportierbares Wasserfahrzeug, welches einer moderaten Wellenaktivität
mit 60 cm hohen Wellen widerstehen kann, ohne dass zu einem größeren Schiff übergegangen
werden muss, das nicht leicht hinter einem Fahrzeug gezogen werden kann. Eine Lösung
dieser Probleme würde all denen neue Möglichkeiten und Gewässer für das Bootfahren
eröffnen, welche die bei einer mittleren Wellenaktivität notwendigen wesentlich größeren
Boote nicht kaufen oder verwenden können.
Die ältere, nicht vorveröffentlichte DE 10 00 7497 A1 der Erfinder, die ein Wasserfahrzeug
mit vorteilhafter Anwendung der Masse von Niedrigenergiequellen betrifft, ist mit ihrem
vollständigen Inhalt Teil dieser Beschreibung.
Die Erfinder entdeckten einen Weg zur Ausnutzung des Problems der schweren Batterien in
einem Design für ein elektrisches Boot, das gleichzeitig (i) die Verwendung von massiver
Batteriekraft für ein kleines Wasserfahrzeug ermöglicht, (ii) das Wasserfahrzeug stabilisiert,
teilweise durch eine Herabsetzung des Schwerpunktes, (iii) den Widerstand gegen
Wellenaktivität verringert und (iv) die Reibung bei Bootsbewegungen reduziert.
Ausgehend von dieser Erkenntnis haben die Erfinder neue Typen von elektrischen Fahrzeugen
gefunden, welche die Vorteile Betrieb bei hohen Geschwindigkeiten (oberhalb der
Rumpfgeschwindigkeit) und Tauchfähigkeit, beispielsweise mit einer luftgefüllten Kammer,
haben, sowie Segelboote, deren Schwerpunkte niedrig liegen, die aber dennoch seichte
Gewässer befahren können.
In ihren Untersuchungen fanden die Erfinder weiterhin, dass die Anordnung von einem oder
zwei hauptsächlich eingetauchten geschlossenen Rümpfen mit die Oberfläche durchstoßenden
Streben oder Stützen ("surface piercing struts") schlecht bei einem persönlichen Fahrzeug
funktioniert, dass sie aber die Plattform verkürzen oder ein oder zwei Gleitskier ("floating
skis") hinzufügen konnten, um die benötigte Stabilität zu bewirken. D. h., dass beim Studium,
wie das Problem der Übertragung und des Empfangs von Oberflächenenergie überwunden
werden kann, neue, Wasserfahrzeuge verbessernde Merkmale und Modifikationen gefunden
wurden, bei denen der Vorteil der Verwendung einer schweren Energiequelle ausgenutzt wird.
In einer Ausführungsform ist die Erfindung ein elektrisch angetriebenes Wasserfahrzeug, das
seine berechnete Rumpfgeschwindigkeit übertreffen kann, welches mindestens eine längliche
untergetauchte Trägereinheit mit konvexen oberen Oberflächen und mindestens eine Strebe,
welche an der oberen Oberfläche angebracht ist, eine Antriebseinheit und eine
Niedrigenergiequelle innerhalb der mindestens einen Trägereinheit, mindestens einen
Schwimmer, welcher mindestens eine an der oberen Oberfläche angebrachte Strebe aufweist,
und eine Plattform, welche oberhalb der Spitzen der Streben der Trägereinheit(en) und
Schwimmer angebracht und angeordnet ist, aufweist.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Erfindung ein elektrisch angetriebenes
Wasserfahrzeug, welches sowohl an der Wasseroberfläche fahren als auch tauchen kann,
umfassend zwei längliche tauchfähige Trägereinheiten mit mindestens einer Strebe, welche an
der oberen Oberfläche jeder Trägereinheit angebracht ist, eine Antriebseinheit und eine
Niedrigenergiequelle innerhalb jeder Trägereinheit, und eine Plattform, welche oberhalb der
Streben der Trägereinheiten angebracht und angeordnet ist, wobei die Plattform eine Kabine
mit einer Öffnung an ihrem Boden umfasst, welche Tauchern das Betreten und Verlassen der
Kabine bei Umgebungsdruck ermöglicht, worin zumindest der obere Teil der Kabine während
des Dahingleitens an der Wasseroberfläche oberhalb der Wasseroberfläche gehalten wird und
die ganze Kabine während des Tauchens untertaucht.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Erfindung ein Wasserfahrzeug vom "non
vessel"-Typ, welches weniger als 40 Fuß lang ist, mindestens eine Trägereinheit mit
mindestens einer Strebe an seiner oberen Oberfläche hat, eine an die Strebe der Trägereinheit
angebrachte Plattform, welche über der Trägereinheit in einem Abstand gehalten wird, und ein
Mittel für die Verhinderung des Eintauchens der Plattform umfasst.
In verwandten Ausführungsformen sind die Mittel für die Verhinderung des Eintauchens der
Plattform ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus: einem horizontalen (Seiten)Ruder,
welches operabel mit einem beweglichen Deflektor verbunden ist, wobei der bewegliche
Deflektor oberhalb der Wasserlinie am Wasserfahrzeug befestigt ist; einem passiven, mit
mechanischer Kraft arbeitenden Deflektor, welcher mit der vorderen Hälfte des
Wasserfahrzeuges verbunden ist und das vordere Ende des Wasserfahrzeuges beim Auftreffen
von Wellen automatisch nach oben zieht; einen am Bug angebrachten Propeller, welcher einen
abfallenden Schub hat, der von einem das Eintauchen überwachenden System kontrolliert
wird; elektrische oder optische Überwachung der Tiefe des Wasserfahrzeuges und
Kompensation durch Anhalten des Wasserfahrzeuges, Herabsetzung der Geschwindigkeit des
Wasserfahrzeuges, Verschiebung der Gewichtsverteilung im Wasserfahrzeug und/oder Steuern
des Wasserfahrzeuges, um die ermittelte vertikale Bewegung des Wasserfahrzeuges zu
kompensieren; eine geneigte Oberfläche an der Führungskante der Plattform, welche das
Wasserfahrzeug bei Auftreffen auf Wasser nach oben zwingt; und Flotationsmaterial innerhalb
der Plattform.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Erfindung ein Wasserfahrzeug, umfassend einen
Computer, der die Lage des Wasserfahrzeuges und/oder Wellenaktivität überwacht, indem
mittels einer elektronischen Vorrichtung bezüglich einer Stelle am Wasserfahrzeug ermittelte
Daten über die Wasserbewegung gesammelt werden. In besonderen Ausführungsformen
werden die Daten von mindestens drei Positionen am Wasserfahrzeug gesammelt und
verwendet, um Informationen über Geschwindigkeit und Richtung für die Wellenaktivität zu
erhalten. In einer weiteren Ausführungsform ist die Erfindung eine in Software implementierte
Methode, welche Sensorinformationen benutzt, um die Bedingungen an der Wasseroberfläche
zu bestimmen, und sogar die Entwicklung von Stürmen bestimmen kann, und diese
Information benutzt, um das Boot von dieser Sturmaktivität wegzuführen.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Erfindung ein weniger als 45 Fuß langes Hausboot,
welches einen niedrig liegenden Schwerpunkt hat und den Ozean befahren kann.
Andere Ausführungsformen ergeben sich anhand der vorliegenden Patentbeschreibung.
Fig. 1 ist eine Draufsicht auf ein Wasserfahrzeug mit einer einzigen Trägereinheit mit zwei
seitlichen Gleitskiern.
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf ein tauchendes Wasserfahrzeug, welches eine kurze Plattform
aufweist, die durch Streben auf jeder Trägereinheit oberhalb von zwei längeren
Trägereinheiten gehalten wird. Die Plattform ist auf allen vier Seiten und oben abgeschlossen
und weist im unteren Teil eine Öffnung (nicht gezeigt) auf.
Fig. 3 ist eine Seitenansicht des Wasserfahrzeuges von Fig. 2.
Fig. 4 ist eine Seitenansicht eines Segelwasserfahrzeuges mit einem niedrigen Tiefgang,
welches für flache Gewässer geeignet ist.
Fig. 5 zeigt eine repräsentative "control surface deflector linkage means" zur Verhinderung
des vollständigen Eintauchens.
Fig. 6a und 6b zeigen ein passives Deflektormittel zu Verhinderung vollständigen
Eintauchens. Fig. 6a ist eine Seitenansicht und Fig. 6b eine Vorderansicht.
Fig. 7a and 7b zeigen Seitenansicht und Querschnitt von bevorzugten Skiformen.
Die Erfinder haben nach Bootsrümpfen gesucht, welche keine konkave oder vertikale Form an
der Wasseroberfläche aufweisen, und erkannten, weshalb derartige Rümpfe für persönliche
Wasserkraftfahrzeuge nicht beliebt sind. Das konzeptionell einfache "Offener Rumpf"-Design
ergibt Wasserfahrzeuge mit großem Reserveauftriebsvolumen, welches bei persönlichen
Wasserfahrzeugen dramatische Änderungen in der Beladung während der Bewegung erlaubt.
Dieses Auftriebsvolumen ("buoyancy volume") erfordert jedoch einen großen Rumpf, der an
der Wasseroberfläche vertikal oder konkav sein muss. Solche Wasserfahrzeuge sind oberhalb
der Wasseroberfläche größer als darunter, wodurch die Energieübertragung von und zur
Wasseroberfläche erleichtert wird. Dieses Problem weisen auch Pontonwasserfahrzeuge auf.
Bei der Überprüfung des SWATH-Designs (wie es beispielsweise in den US-Patenten Nr.
5,694,878, 4,763,596, 4,986,204, 3,830,178, 3,897,744 und 4,944,238 beschrieben ist) als
einer Alternative haben die Erfinder gefunden, dass diese Schiffe sehr groß sind und
Plattformen aufweisen, welche sich im allgemeinen über die gesamte Länge ihrer
Trägereinheiten erstrecken und überdies kopflastig sind. Das SWATH-Design weist daher
Grenzen für die Anwendung in kleinen Wasserfahrzeugen auf, teils, weil ein auf der
Plattform, die sich bereits in einem gewissen Abstand von der Wasseroberfläche befindet,
befindlicher Passagier den Schwerpunkt erheblich nach oben verlagert, wie die Erfinder
während der experimentellen Arbeiten zu ihrem Leidwesen feststellen mussten.
Die Erfinder entdeckten, dass sie diese Probleme durch Anordnung von schweren Batterien
wie Blei-Säure-Batterien, Alkali, Metallhydrid, Lithium, Nickelcadmium,
Wasserstoffbrennstoffzellen etc. innerhalb eines geschlossenen, länglichen konvexen Rumpfs
und anschließende Kombination mindestens eines solchen Rumpfes, welcher niedrig oder
vollständig im Wasser sitzt, mit einem oder mehr der hier offenbarten Merkmale für eine
verbesserte Wasserfahrzeugstabilität lösen konnten.
Die Erfinder studierten die Verwendung von hauptsächlich eingetauchten Trägereinheiten und
kombinierten z. B. aus Stabilitätsgründen die Trägereinheiten mit einer verkürzten Plattform
und/oder Gleitskiern. Für den Fall, dass Batterien in eine einzige Trägereinheit platziert
werden, entdeckten die Erfinder, dass ein gutes Verhalten durch Kombination einer einzigen
Trägereinheit mit zumindest einem, vorzugsweise zwei, seitlich zur Trägereinheit
angeordneten Gleitskiern erreicht wird. Wenn die einzige Trägereinheit tief im Wasser liegt
und zu einem niedrigen Schwerpunkt beiträgt, kann es statt mit zwei Gleitskiern vorteilhaft mit
zwei Schwimmern, wie beispielsweise Pontons, vorzugsweise mit konvexen Oberflächen,
kombiniert werden, um einen positiven Auftrieb zu verleihen. In diesem Fall ist die
Trägereinheit vorzugsweise zu mehr als 90%, insbesondere zu 100% eingetaucht, wobei sich
das obere Ende in einem Abstand zur Wasseroberfläche befindet, um die Bildung von
Kielwasser zu verhindern. Der eingetauchte Abstand ("submerged distance") ist falls
gewünscht auf den gesamten gewünschten Tiefgang des Wasserfahrzeuges begrenzt, kann aber
zur Minimierung von Kielwasserbildung bis zum maximalen Durchmesser der Trägereinheit
oder beim Betrieb in tiefen Gewässern bis zu deren dreifachen Durchmesser betragen.
Kombinierte Merkmale: (a) Schwere Energieträgermasse innerhalb einer geschlossenen
Trägereinheit, welche mittels mindestens einer Strebe unterhalb der Wasseroberfläche gehalten
wird; und (b) eine verkürzte Plattform und/oder Schwimmer wie z. B. Skier für die Stabilität.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Niedrigenergiequelle, welche einen
großen Teil (mehr als 10%, vorzugsweise mehr als 20%, besonders bevorzugt mehr als 25%,
und ganz besonders bevorzugt mehr als 50%) des Gesamtgewichts des Wasserfahrzeugs
ausmacht, innerhalb mindestens einer geschlossenen Trägereinheit mit einer konvexen
Oberfläche platziert. Eine Plattform für Insassen (oder eine andere Last/Fracht) wird hierbei
mittels mindestens einer Stütze (die Begriffe "Stütze" und "Strebe" haben in dieser
Beschreibung die gleiche Bedeutung) über den Trägereinheiten gehalten. Dieses Merkmal der
Erfindung minimiert den Kontakt der Oberflächen von Wasserfahrzeugen mit Wellenenergie:
(1) es präsentiert eine konvex geformte Oberfläche auf der Oberseite jeder Trägereinheit, so
dass diese Oberseitenoberfläche sich an eine Horizontale annähert und wenig mit der
Wellenbewegung wechselwirkt; und (2) die Wellen werden abgeschwächt oder können durch
das Fahrzeug hindurchtreten, indem der nicht eingetauchte Teil des Wasserfahrzeuges auf ein
oder mehreren Stützen platziert ist, welche nur eine geringe vertikale Oberfläche zur
Wechselwirkung mit dem Wasser haben, im Vergleich zu einem regulären "vessel-Typ"-
Rumpf, so dass die Stützen einen Raum zwischen der obersten Oberfläche der eingetauchten
Trägereinheit und der unteren Oberfläche der Plattform festlegen.
Eine an einer Trägereinheit angebrachte Stütze kann entlang der Länge der Trägereinheit oder
des Schwimmers, an der sie befestigt ist, verlängert sein. In einer vorteilhaften
Ausführungsform befestigt eine lange Stütze eine zentrale Trägereinheit an der Plattform und
umfasst eine kontinuierliche horizontale Oberfläche, insbesondere bei Anwesenheit von seitlich
angeordneten Gleitskiern, welche Wellen brechen können, bevor diese die vertikale Oberfläche
der langen Stütze erreichen können. Diese Anordnung minimiert die Empfindlichkeit
gegenüber Wellen. Die untergetauchten Trägereinheiten sind weiterhin länglich und so
geformt, dass die Bildung von Wellen vermindert ist, und können weiterhin optional einen
Motor/Propeller enthalten, der im gleichen Vektor operiert wie die Achse der Trägereinheit
und das Wasser nicht getrennt stört.
Das Merkmal, eine massive Energiequelle in einer Träger- bzw. Antriebseinheit unterhalb der
Plattform anzuordnen, kann eine von zwei Grundanordnungen annehmen, um die große Masse
zur Stabilisierung des Fahrzeuges auszunutzen. In der ersten Anordnung werden zwei
Trägereinheiten verwendet, die vorzugsweise nicht vollständig eingetaucht sind, aber einen
positiven Auftrieb aufweisen. Diese wird im folgenden "Doppelträgereinheit-Anordnung
("Double Support Member Configuration") genannt. In der zweiten Anordnung wird eine
vollständig eingetauchte Trägereinheit mit Gleitskiern für die seitliche Stabilität kombiniert, im
folgenden "Einzelträgereinheit-Anordnung" ("Single Support Member Configuration")
genannt. Die Einzelträgereinheit-Anordnung ist für die hierin diskutierten Ausführungsformen
bevorzugt. Die Doppelträgereinheit-Anordnung ist besonders bevorzugt für ein Tauchboot, das
untertauchen kann. Für diesen Fall sollte die Trägereinheit reversibel mit Ballast versehen
werden, um sowohl Flotation (durch Luft in der Trägereinheit) als auch Tauchen zu
ermöglichen, nachdem die Luft teilweise oder vollständig aus den Trägereinheiten entfernt
wurde.
Ein Wasserfahrzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist im Vergleich zur Größe
eines Insassen kurz und ist in der am meisten bevorzugten Ausführungsform 2, 3, 4 oder bis
zu 5-fach so lang wie ein 6 Fuß großer Insasse, d. h., bis zu 30 Fuß lang. Eine Plattform
gemäß den bevorzugten Ausführungsformen ist, wie in den Figuren gezeigt, kürzer als die
Länge der Trägereinheiten. In einer Ausführungsform ist die Plattform an ihrem vorderen und
an ihrem hinteren Ende oberhalb der Trägereinheit(en) jeweils um mindestens den Abstand der
mittleren Stützenlänge kürzer. Beispielsweise wäre die Plattform (die Passagiere tragende
Fläche) nicht länger als 23 Fuß, wenn zwei 25 Fuß lange Trägereinheiten mit 1 Fuß langen
Stützen verwendet werden. Die Plattform kann weiterhin Takelage- und Deckflächen haben,
welche die Plattform über diese Dimensionen hinaus verlängern, insbesondere für größere,
mehr als 20 Fuß, vor allem mehr als 25 Fuß lange Fahrzeuge. Solche zusätzliche Takelage ist
nicht für eine solide Infrastruktur wie einen Raum bestimmt, und normalerweise würden
Insassen dort nicht herumlaufen.
In einer anderen Ausführungsform ist die Plattform um das Doppelte der mittleren
Stützenlänge kürzer, oder, gemäß diesem Beispiel, nicht länger als 21 Fuß lang. In einer
weiteren Ausführungsform ist die Plattform um das Dreifache der mittleren Stützenlänge
kürzer, oder in diesem Beispiel nicht länger als 19 Fuß. Der Ausdruck "mittlere
Stützenlänge", wie er hier benutzt wird, bedeutet den durchschnittlichen Abstand zwischen
der/den Trägereinheiten und der Plattform, den Abstand, wie er durch die Stützen erzeugt
wird. Die tatsächlichen Plattformmaße sollten vermutetes Passagiergewicht und Lasten
widerspiegeln, so dass die Fläche kleiner ausfallen sollte, wenn einer großen Person die freie
Bewegung über die gesamte Plattformfläche gestattet ist, insbesondere vorne und hinten. In
einigen Ausführungsformen kann die Plattform jedoch so einfach wie ein Stuhl sein, der eine
Person trägt. Die Stabilität kann durch Einschränkung der Bewegungen des Insassen erhöht
werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird anstelle einer Begrenzung der Plattformgröße oder
zusätzlich zur Erhöhung der Stabilität mindestens ein Schwimmer wie beispielsweise ein Ski
oder Ponton verwendet, der parallel zu den Trägereinheiten angeordnet ist. Hierbei sind ein
oder zwei Skier bevorzugt, wenn hohe Geschwindigkeit gewünscht wird. In einem solchen
Fall sollte(n) die Trägereinheit(en) etwas Auftrieb für die Plattform zur Verfügung stellen.
Wenn es nicht um hohe Geschwindigkeiten geht, wie beispielsweise bei einem Hausboot, kann
eine einzelne Trägereinheit, insbesondere mit einem starken negativen Nettoauftrieb ("net
negative buoyancy"), mit zwei seitlichen Schwimmern wie beispielsweise Pontons kombiniert
werden, die nicht bei hohen Geschwindigkeiten zum Hydroplanen neigen.
In einer weiteren Ausführungsform enthält die Plattform am vorderen und/oder hinteren Ende
einen nicht tragenden Teil ("non-load supporting portion"), der sich bis zu den
Trägereinheiten oder sogar darüber hinaus erstrecken kann. Der Ausdruck "non-load
supporting portion" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass ein Insasse diesen Teil nicht
begehen kann und dieser Teil nicht anderen, nicht permanenten schweren Massen ausgesetzt
ist. Ein nicht tragender Teil im Vorderteil ist bevorzugt und hat Keilform. Die Spitze des Keils
zeigt von der Plattform weg und bildet eine die Windreibung vermindernde stromlinienförmige
frontale Oberfläche. Der nicht tragende Keil bietet Stauraum für sehr leichte Materialien wie
Angeln, Schwimmwesten usw. In der bevorzugten Ausführungsform eines Benzin-Elektro-
Hybrid-Bootes umfasst der nicht tragende Keil einen kleinen Benzingenerator mit einem Tank.
In diesem Fall können Generator und Tank zentral platziert werden, um die Stabilität zu
maximieren, und sie haben üblicherweise eine Gesamtmasse, die weit geringer als die
Batteriemasse ist.
Falls eine Trägereinheit verwendet wird, ist die Verwendung von zwei Gleitskiern, einer auf
jeder Seite der Trägereinheit, bevorzugt. In einer weiteren Ausführungsform wird eine
Trägereinheit mit einem Gleitski auf einer Seite kombiniert, welche durch die Rotation des
Propellers innerhalb der Trägereinheit bestimmt wird. Falls der hinten angebrachte Propeller
für Vorwärtsbewegungen des Bootes im Uhrzeigersinn (von hinten gesehen) rotiert, neigt die
Trägereinheit dazu, sich im Gegenuhrzeigersinn zu drehen, so dass der Gleitski links von der
Trägereinheit angeordnet ist. Wenn ein Propeller gewählt wird, der im Gegenuhrzeigersinn
rotiert, sind die Trägerski rechts von der Trägereinheit angeordnet.
Die Trägereinheit hat vorzugsweise seitliche Flossen. Die Flossen tragen zur Stabilisierung des
Fahrzeuges bei, indem sie sich als Reaktion auf eine vertikale Kraft auf die Gleitskier der
Rotation der Trägereinheit(en) während Wellenaktivität widersetzen.
Für Anwendungen, in denen das Wasserfahrzeug zur Überführung signifikanter Lasten benutzt
wird, hat jeder Ski vorzugsweise einen flachen Boden und stellt für die Plattform
Schwimmfähigkeit (Flotation) bereit, wenn sich das Wasserfahrzeug in Ruhe befindet.
Vorzugsweise liefert die Trägereinheit etwas Auftrieb bzw. Schwimmfähigkeit und jeder Ski
liefert weniger als 35%, vorzugsweise weniger als 20% und noch mehr bevorzugt weniger als
10% des Auftriebes, der die Plattform sowie zusätzliche Insassen und Fracht über der
Wasseroberfläche hält, wenn sie nicht in Bewegung ist. Ein minimaler Prozentsatz an Auftrieb
durch die Skier ist am meisten bevorzugt, wenn keine Wellenaktivität vorhanden ist, und ist
jedenfalls gewünscht, um Skier mit einer minimalen Größe zu ermöglichen. Während der
Vorwärtsbewegung sollten die Skier auf der Wasseroberfläche streichen oder streifen; und die
Skier liefern größere Stabilität.
In einer Ausführungsform tragen die Skier nicht nennenswert zum Auftrieb bei und die
vollständig eingetauchte Trägereinheit liefert diese Kraft. Wenn die Herstellkosten akzeptabel
sind, kann die Trägereinheit (oder der Schwimmer) Rohrleitungen aufweisen, welche eine
Kontrolle des Auftriebes durch Hinein- oder Hinauspumpen von Luft oder Wasser
ermöglichen. Dies kann zu einer größeren Masse von Trägereinheit bzw. Schwimmer im
Ruhezustand verglichen mit der Bewegungsphase führen. Während des Betriebes gemäß der
letzten Ausführungsform wird die Schwimmfähigkeit der Trägereinheit und/oder Gleitskier
unmittelbar vor oder in der Anfangsphase der Vorwärtsbewegung erhöht. Bei starker
Wellenaktivität wird die Schwimmfähigkeit der Trägereinheit und/oder der Gleitskier zur
Verstärkung der Stabilität durch Wasserballast vorzugsweise verringert.
In einer Ausführungsform ist die Plattform schwimmfähig und im Kontakt mit dem Wasser,
wenn sich das Wasserfahrzeug nicht bewegt. Während der Vorwärtsbewegung steigen die
Skier, welche nach oben gebogene Spitzen haben, auf die Wasseroberfläche, und ermöglichen
daher der Plattform, das Wasser zu verlassen und oberhalb der Wasseroberfläche zu fahren.
Diese Ausführungsform ist für eine Tauchbootkonfiguration bevorzugt, wo die Minimierung
des Luftballastraumes innerhalb der Trägereinheiten gewünscht ist.
Wo höhere Geschwindigkeit gewünscht ist, können die Skier zumeist in der Bewegungsphase
Stabilität verleihen. In diesem Fall würden der oder die Skier von sich aus wenig
Schwimmfähigkeit aufweisen. In einer solchen Ausführungsform werden zwei Trägereinheiten
verwendet, um Schwimmfähigkeit und Stabilität beizutragen, wenn sie nicht in Bewegung
sind, sind aber im Bewegungszustand untergetaucht, zu welcher Zeit die Skier auf der
Oberfläche reiten. Seitlich angeordnete Skier, die optional einziehbar sind, können zu weiterer
Stabilität während der Bewegung beitragen. Solche Skier sind besonders nützlich für das in
Fig. 2 gezeigte Tauchboot, weil sie eine größere Masse und kleinere Luftballasttanks in den
Trägereinheiten ermöglichen. Eine besondere Herausforderung bei dem in dieser Figur
gezeigten Tauchboot ist, dass das Boot Masse haben muss, um die eingeschlossene Plattform,
welche zum Atmen eine unter Normaldruck befindliche Luftkammer enthält (kein unter Druck
befindlicher Rumpf) unterzutauchen. Der Auftrieb von einem Kubikfuß Luft erfordert zum
Tauchen ungefähr 65 Pfund Nettomasse in der(n) Trägereinheit(en). Die Luftkammer (Kabine)
des hier gezeigten Tauchbootes hat vorzugsweise mehr als sechs Kubikfuß Luft und ganz
besonders bevorzugt mehr als 10 Kubikfuß Luft. Entsprechend erfordern die Trägereinheiten
mindestens 390 bzw. 650 Pfund "net negative buoyancy" um die Kabine unter die
Wasseroberfläche zu bringen. In der Ausführungsform, in der die Trägereinheiten das
Kabinengewicht über der Wasseroberfläche halten müssen während nicht getaucht wird, wird
noch mehr austauschbare Luftballast-Schwimmfähigkeit benötigt.
Solche Wasserfahrzeuge haben vorzugsweise nicht schwimmfähige Wasserskier, welche der
Wasserfahrzeugplattform das Steigen auf die Wasseroberfläche ermöglichen, trotz des
Umstandes, dass das Wasserfahrzeug wegen des massiven Gewichts der Energieversorgung
(Batterien) zusammen mit optionalem Ballast wie Blei oder Eisen, welcher das Untertauchen
mit dem luftgefüllten Abteil ermöglicht, wenig Schwimmfähigkeit aufweist. In einer
Ausführungsform hat das Tauchboot jedoch zusätzlich eine oder (vorzugsweise) zwei Gleitski
oder Pontons, die aufblasbar sind oder aufblasbare Teile haben, welche die Plattform aus dem
Wasser zu heben helfen, wenn nicht getaucht wird.
Die Doppelträgereinheit-Anordnung ("The Double Support Member Conformation"): In dieser
Anordnung enthalten die Trägereinheiten schwere Energiequellen und bewegen sich niedrig im
Wasser. Zur Stabilisierung des Wasserfahrzeuges gegen Wellenaktivität sollten zumindest 35%
der die Energiequelle enthaltenden Trägereinheit(en) unterhalb der Wasserlinie sein.
Vorzugsweise sind zumindest 50%, besonders bevorzugt mehr als 65% und ganz besonders
bevorzugt mindestens 85% eingetaucht. Die prinzipielle Begrenzung des Eintauchens gemäß
einer Ausführungsform besteht darin, dass eine kleine Auftriebsreserve erforderlich ist, um
plötzlichen Gewichtsverschiebungen im Wasserfahrzeug (wie beispielsweise auf der Plattform)
zu widerstehen. Falls jedoch ein befriedigendes Mittel zur Verhinderung eines exzessiven
Eintauchens verwendet wird (wie beispielsweise hierin beschrieben), ist ein Eintauchen zu
mindestens 90% und sogar das vollständige Eintauchen der Trägereinheit(en) bevorzugt, um
die Erzeugung von Oberflächenwellen zu vermindern.
Die Einzelträgereinheit-Anordnung ("The Single Support Member Configuration"): Gemäß
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung taucht die Trägereinheit im wesentlichen (zu
mehr als 50%) oder vollständig ein, und das Wasserfahrzeug umfasst wie unten beschrieben
aus Stabilitätsgründen weiterhin mindestens einen Gleitski. Wenn ein Gleitski benutzt wird, ist
die Trägereinheit vorzugsweise zu 50% eingetaucht und trägt zumindest die Hälfte zur
gesamten Schwimmfähigkeit bei und die Skier den Rest. Wenn zwei Skier verwendet werden,
ist die Trägereinheit wie in Fig. 1 beschrieben vorzugsweise vollständig eingetaucht. In jedem
dieser Fälle enthält die Trägereinheit Batterien, vorzugsweise eine Antriebseinheit und optional
eine Auftriebsreserve, um die Plattform aufrecht zu halten. Die Trägereinheit ist unterhalb des
Zentrums der Plattform in Fig. 1 befestigt und unterhalb einer Seite der Plattform für die
Konfiguration mit einem Ski. Die Schwimmer können Antriebseinheiten enthalten.
Sowohl in der Einzel- als auch in der Doppelträgereinheit-Anordnung erlaubt die eine oder
mehreren die Plattform haltenden Stützen, dass sich die Plattformfläche bei der Fahrt oberhalb
des Wassers befindet. Die Plattform kann so klein wie ein Stuhl sein, kann aber insbesondere
bei größeren Fahrzeugen für den Frachttransport einer flachen Oberfläche ähneln.
Vorzugsweise werden im erfindungsgemäßen Wasserfahrzeug weitere Merkmale der
Erfindung kombiniert, um von dem hohen Gewicht der Energieträgermasse zu profitieren und
das Wasserfahrzeug weiter zu stabilisieren. Dies wird in den folgenden Abschnitten A bis M
erläutert.
Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal ist die Anordnung einer Antriebseinheit oder von
Antriebseinheiten in der langen Achse der Trägereinheit(en), so dass der Propeller (oder
Wasserimpeller oder andere Mittel zur Bewegung des Wasserfahrzeuges) der Antriebseinheit
das Wasser im selben Vektor und Ort stört wie der eingetauchte Teil des Wasserfahrzeuges
(vgl. Fig. 1). Ein elektrischer Bootsantrieb ist besonders gut für diese Ausführungsform
geeignet, weil ein Elektromotor keine Luft benötigt und beim Kontakt mit Wasser gekühlt
werden kann.
Der Grad des Eintauchens und die Schräglage der Trägereinheit und/oder Stützen kann
automatisch detektiert und von einem Schwimmfähigkeitskompensator kontrolliert werden.
Bestimmen der "Schräglage" bedeutet die Ermittlung, ob die Lage des Wasserfahrzeuges nicht
in Ordnung ist (d. h., wenn während der Vorwärtsbewegung der Bug niedriger liegt als das
Heck). Die Schwimmfähigkeit des Wasserfahrzeuges wird vorzugsweise durch Hinzufügung
oder Entfernung von Luft zur/vom untergetauchten Teil kontrolliert, durch Hinzufügung von
Gewichten oder durch beides. Eine vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, eine
Lufttasche in den untergetauchten Teil einzuschließen und Luft zwischen dieser Tasche und
der Atmosphäre zu transportieren, wie es zur Kontrolle des Eintauchens des Wasserfahrzeuges
benötigt wird. In einer Ausführungsform wird der oder den Trägereinheit(en) vor oder
während der Vorwärtsbewegung Luft zugeführt und diese später entfernt. Alternative Mittel
sind unten beschrieben.
Um die Störung des Wassers zu minimieren, kann die Trägereinheit in Form einer Stange
("log") oder vorzugsweise wie in den Figuren gezeigt in der Form einer Zigarre vorliegen.
Am meisten bevorzugt sollte die Trägereinheit eine konturenreiche Oberfläche haben, um ein
Ablösen von Grenzschichten und die Ausbildung von Hohlräumen bei höheren
Geschwindigkeiten zu minimieren, wie beispielsweise bei einer Geschwindigkeit oberhalb von
10 Meilen pro Stunde. In diesem Zusammenhang ist eine bevorzugte Form ein gerundeter
zentraler Teil, der sich entlang einer gut bekannten Kurve zuspitzt wie sie beispielsweise im
US-Patent Nr. 5,514,023 beschrieben ist.
Eine in diesem Zusammenhang mehr bevorzugte Form ist ein längliches Projektil, wie es im
US-Patent Nr. 5,514,023 beschrieben ist, welches eine Länge-zu-Durchmesser-Kontur hat, die
eine stabile und effiziente Fahrt durch das Wasser erleichtert. Tabelle I dieser Patentschrift
beschreibt repräsentative Verhältnisse von Durchmesser zu Länge, ausgedrückt als
Durchmesser vs. Entfernung von der Führungskante des Projektils entlang der langen Achse
des Projektils. Die bevorzugte Projektilgestalt ist symmetrisch mit einem geringen vorderen
Überhang (forward bias) der Region mit maximalem Durchmesser zum Ausgleich des
Flossengewichts, wo der maximale Durchmesser des Körpers sich 1/16 der Gesamtlänge vor
dem Zentrum befindet wie es in Spalte 4 dieses Patentes beschrieben ist. In einer am meisten
bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird die gleiche Form für
eine oder mehrere Trägereinheit(en) benutzt, die ein oder mehr, insbesondere mindestens
zwei, Flossen am hinteren Ende der Trägereinheit haben. Vorzugsweise ist das Zentrum des
maximalen Durchmessers angeordnet zwischen 8/16 und 7/16 der Entfernung vom Anfang bis
zum Ende der Trägereinheit statt 7/16 wie es in dem Patent gezeigt ist, weil die Flossen der
vorliegenden Erfindung kleiner oder in geringerer Anzahl vorliegen sollten als die im US-
Patent Nr. 5,514,023 gezeigten Flossen.
Die stabilisierenden Flossen, sofern sie auf einer Trägereinheit vorhanden sind, besetzen
vorzugsweise weniger als 25% der Körperlänge und erstrecken sich vorzugsweise nicht mehr
als der maximale Durchmesser der Trägereinheit aus der Oberfläche. Die Flossen liefern
Stabilität gegen eine unerwünschte Rotation der Trägereinheit und dienen so der Stabilisierung
des Wasserfahrzeuges, vor allem gegen von den Seiten auftreffende Wellenbewegung.
Eine Trägereinheit kann einen Schraubenpropeller umfassen, welcher sich von einer nahezu
kontinuierlichen Oberfläche, die ungefähr kontinuierlich mit der Krümmung der sie
enthaltenden Trägereinheit ist, zur Minimierung der Störung des Wassers nicht weiter als der
maximale Radius der Trägereinheit erstreckt. Mit anderen Worten hat der Schraubenpropeller
eine Nabe (hub) oder zentralen Körper, welcher kontinuierlich mit der Trägereinheit
verbunden ist. Die Teile des Propellers, die aus dem Wasser ragen, erstrecken sich ausgehend
von dieser kontinuierlichen Oberfläche. Noch mehr bevorzugt ist, dass der Schraubenpropeller
Wasser an einer Stelle unmittelbar hinter der Propellerachse fokussiert. Mit anderen Worten
sammelt der Propeller Wasser in unmittelbarer Nähe zur Oberfläche der Trägereinheit und
erzeugt einen höheren Druck unmittelbar am hinteren Ende der Trägereinheit, wo das
strömende Wasser, welches sich entlang der Oberfläche der Trägereinheit bewegt, zur
Sammlung neigt. Beispielsweise passt ein Rumpf mit einem maximalen Durchmesser von 20
Zoll, welcher sich entlang einer geeigneten Kurve verengt, zu einem Schraubenpropeller mit
einer Nabe, welche zur selben gebogenen Rumpfoberfläche passt. In diesem Fall erstrecken
sich die Flossen ("fins") bis zu einem Durchmesser von 20 Zoll bezogen auf die Drehachse.
Für die beste Stabilität sollten zwei oder mehrere Einheiten parallel zueinander verwendet
werden. Jede Einheit weist vorzugsweise eine Verbreiterung bzw. Zunahme im Durchmesser
von der Führungskante ("leading edge") hin zum zentralen Teil und eine allmähliche Abnahme
in der Größe oder Verengung vom zentralen Teil bis zur Hinterkante ("trailing edge") wie
oben beschrieben auf. Vorzugsweise hat die hintere Stelle einen Durchmesser, der in etwa dem
Motordurchmesser entspricht, wobei ein Motor in jeder Einheit an dieser Stelle vorliegt. In
diesem Fall ist ein Propeller bevorzugt, der das ausgestoßene Wasser auf einen Brennpunkt
direkt hinter der langen Achse der Trägereinheit konzentriert. Da es erwünscht sein kann, dass
ein kleiner Teil der Trägereinheit oberhalb der Wasserlinie ist, kann das obere Zentrum der
Einheit entlang seiner langen Achse etwas erhöht sein, wie es oben unter "konvexer
Oberfläche" erwähnt ist, um diese Reserveschwimmfähigkeit bereitzustellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Antriebseinheit ein Impeller in einem Gehäuse.
Das Gehäuse beinhaltet Flossen oder andere geeignete Strukturen im Bereich der
Wasseraufnahme, um den direkten Kontakt zwischen Impeller und einem Schwimmer zu
verhindern oder zu begrenzen. Fachleute für das Design von Jetskiern sind insbesondere mit
solchen Impellern und Strukturen vertraut, wie sie beispielsweise in den US-Patenten Nr.
5,549,451, 5,332,355 und 5,266,009 beschrieben sind.
Stützen gemäß der vorliegenden Erfindung sind an den Trägereinheiten angebracht, um
zumindest eine Plattform wie einen Stuhl oder eine flache Oberfläche wie eine photovoltaische
Anordnung zu stützen. Stützen erstrecken sich üblicherweise mindestens 6 Zoll, vorzugsweise
zwischen 1 und 3 Fuß, von einer Trägereinheit und könnten in großen Gewässern länger als 6
Fuß sein. Es ist jedoch am besten, den Abstand kurz zu halten, um einen tiefen Schwerpunkt
beizubehalten. Vorzugsweise liegt der Schwerpunkt niedriger als das Zentrum der
Schwimmfähigkeit. Teleskopartige Stützen können verwendet werden, um den Schwerpunkt
wie gewünscht herabzusenken.
Die Stützen sind so konzipiert, dass sie einen minimalen Querschnitt haben, um ein kleineres
Ziel für Wellenaktivität zu bieten. Vorzugsweise ist eine Stütze eine Stange mit einer
Führungskante für geringere Reibung während der Bewegung. In einer Ausführungsform
haben die Stützen vorzugsweise einen durchschnittlichen Durchmesser (d. h. Dicke senkrecht
zur Richtung der Vorwärtsbewegung) von weniger als dem fünffachen Abstand zwischen der
darunter befindlichen Trägereinheit und der darüber befindlichen Plattform. In einer anderen
Ausführungsform ist eine Stütze sehr lang und erstreckt sich nach vorne und hinten über eine
Entfernung, welche den vertikalen Abstand (Höhe) der Stützen übertreffen kann. In diesem
Fall beträgt der mittlere Durchmesser der Stützen (Dicke bezogen auf die Bewegungsrichtung
des Wasserfahrzeuges) vorzugsweise weniger als 20% der Stützenhöhe. Jedoch kann in einer
anderen Ausführungsform eine Stütze sowohl dick (mehr als 20% der Stützenhöhe) als auch
lang sein.
Vorzugsweise verlaufen die Stützen nicht entlang der gesamten Länge der Trägereinheit(en),
sondern ermöglichen einer merklichen Wellenenergie den Durchgang durch das
Wasserfahrzeug. In einer Ausführungsform existiert eine kontinuierliche Stütze auf dem
größten aber nicht gesamten Teil einer zentralen Trägereinheit. Beispielsweise können die
beiden Stützen 347 in Fig. 1 miteinander verbunden werden, um auf der Trägereinheit 320
eine kontinuierliche Stütze zu bilden. Auf jeder Seite der Trägereinheit 320 ist ein paralleler
Gleitski. Jeder Ski ist mittels einer oder mehr Stützen an der Plattform befestigt, welche es
ermöglichen, dass sich etwas Wellenbewegung über die Skier bewegen kann. Weiterhin hat
jede der im Tauchbootbeispiel von Fig. 2 gezeigten Trägereinheit vorzugsweise aus
Stärkegründen eine kontinuierliche Länge von Stütze 55. Selbst in diesem Fall erstreckt sich
jedoch die Stütze nicht über die gesamte Länge und einige Wellenbewegung kann
hindurchtreten.
Die "vertikale" Anordnung der Stützen ermöglicht den Stützen, die Plattform aus dem Wasser
zu halten. Eine oder mehrere Stützen können von einer perfekten Senkrechten entfernen.
Beispielsweise ist ein Pfeildesign ähnlich der Flosse eines Hais und mit der Stromlinienform
konsistent akzeptabel sein. Es ist erwünscht, dass die Stütze(n) die obere Einheit über der/den
Trägereinheiten halten, so dass die meiste Wellenaktionsenergie nicht mit der Plattform
kollidiert und von der Plattform absorbiert wird. Vorzugsweise übertrifft die Stützenlänge die
Hälfte der erwarteten maximalen Wellenhöhe. Für die Verwendung im Meer sind mindestens
zwei Fuß lange Stützen am meisten bevorzugt, insbesondere mehr als 3 Fuß lang und ganz
besonders bevorzugt in Breiten weit vom Äquator entfernt (oder in starken Stürmen), wo die
Wellen höher sind, mindestens 4 Fuß lang.
In einer Ausführungsform können die Stützen automatisch oder per Hand wie gewünscht aus-
oder eingezogen werden. Ein solches Aus- oder Einziehen kann teleskopartig als Reaktion auf
Wind- und/oder Wellenverhältnisse vorgenommen werden und dazu führen, dass der
Schwerpunkt bei rauen Wasserbedingungen in der Nähe des Zentrums oder niedriger als das
Zentrum der Schwimmfähigkeit liegt. Ein solches Ausziehen oder Einziehen ist auch beim
Beladen oder Entladen einer Plattform zur Anpassung an die Dockhöhe gewünscht. In einer
ähnlichen bevorzugten Ausführungsform wird die Schwimmfähigkeit der Trägereinheit(en) zur
Anpassung des Wasserfahrzeuges an die Dockhöhe kontrolliert. In extremen Fällen werden
sowohl die Schwimmfähigkeit der Trägereinheiten als auch die Stützenlänge geändert, um die
Höhe bzw. Erhöhung der Plattform zu kontrollieren.
Vorzugsweise werden Mittel bereitgestellt, die das Eintauchen des Wasserfahrzeuges während
der Bewegung verhindern. Beispielsweise kann während der Fahrt eine plötzliche Bewegung
eines Insassen in Richtung des vorderen Endes des Wasserfahrzeuges dieses mehr als
gewünscht untertauchen. Die hierin beschriebenen Mittel sind nicht nur für elektrische
Wasserfahrzeuge bestimmt, sondern auch für andere Wasserfahrzeuge, insbesondere solche,
die keinen Behälter("vessel")rumpf aufweisen und einen besonderen Schutz gegen das
Eintauchen benötigen.
Das Eintauchen der Plattform des Wasserfahrzeuges kann während der normalen, nicht
tauchenden Verwendung durch Adjustierung der Schwimmfähigkeit auf eine Weise, dass das
Wasserfahrzeug nach der Beladung definitiv schwimmfähig ist ("positively buoyant"),
verhindert werden. Der Schutz gegen unerwünschtes Eintauchen kann auch mit anderen
Mitteln bewirkt werden, indem beispielsweise die Lage des sich bewegenden
Wasserfahrzeuges mit einem horizontalen Ruder wie in Fig. 5 beschrieben, mit einem
passiven Deflektor wie in Fig. 6 beschrieben oder mit einem am Bug befestigten Propeller
mit einer geneigten Triebkraft kontrolliert wird.
Andere Mittel zur Kontrolle von plötzlichen oder allmählichen Bewegungen in Richtung
Wasser sind möglich und ein repräsentatives Beispiel wird hier gezeigt. Ein Mittel dient der
Anzeige von Tiefenänderungen des Wasserfahrzeuges und der Kompensation entweder durch
Anhalten des Wasserfahrzeuges, Verringerung seiner Geschwindigkeit, Veränderung der
Gewichtsverteilung im Wasserfahrzeug oder Steuern des Wasserfahrzeuges zum Ausgleich der
vertikalen Bewegung.
Die Tiefe des Wasserfahrzeuges (oder Änderungen im Angriffswinkel, welche zu Änderungen
der Tiefe des Wasserfahrzeuges führen) können detektiert werden. Wellenaktivität, welche
stürmische Aktivitäten ankündigt oder anzeigt, kann ebenfalls verfolgt werden. Bevorzugt sind
elektronische Mittel. Beispielsweise kann die kontinuierliche Anzeige der Tiefe durch Messung
der Leitfähigkeit zwischen vertikal an einer oder mehreren Stützen angeordneten Elektroden
erfolgen. Bei steigendem Wasserniveau, infolge Eintauchens oder hoher Wellenaktivität, kann
ein solches Eintauchen oder eine solche hohe Wellenaktivität elektronisch durch Änderung der
Leitfähigkeit zwischen den Elektroden nachgewiesen werden. Eine Änderung in der
Leitfähigkeit wird in eine Spannungs- und oder Stromdifferenz übersetzt, in ein Signal
konvertiert (typischerweise "an/aus" oder komplexere digitale Reihen von Einsen und Nullen,
welche von einem Analog zu Digital-Wandler erhalten werden) und dann in einen Computer
eingegeben. Andere elektronische Detektionsmittel beruhen auf der Verwendung von Optik
zur Bestimmung des Eintauchens, des Abstandes zwischen Plattform und Wasseroberfläche
oder der Frequenz der Wellenaktivität durch die Messung von optischer Reflexion und/oder
optischer Transmission. Photodioden und Photodetektoren sind für diese Ausführungsform
bevorzugt. Eine weitere elektronische Möglichkeit ist die Verwendung von Ultraschallwellen
durch gemeinsame Verwendung eines Generators für die Erzeugen von Ultraschallwellen mit
einem Detektor, wie es in Bewegungsmeldern geschieht. Im einfachsten Fall vergleicht der
Computer ein neues Signal entweder mit einem gespeicherten Signalwert oder einem festen
Signalwert und gibt dann das Ergebnis aus, um ein Mittel für die Anpassung von Lage oder
Tiefe des Wasserfahrzeuges zu kontrollieren. Vorzugsweise wird eine Anzahl von Signalen
verglichen und ein Algorithmus verwendet, um zu entscheiden, wie die Bewegung des
Wasserfahrzeuges angepasst werden soll.
Erfindungsgemäße Wasserfahrzeuge wechselwirken weit weniger mit der Wasseroberfläche als
ein Boot vom üblichen "vessel-Typ" und stören daher einkommende Wellenaktivität weit
weniger, wodurch deren Nachweis und Messung möglich wird. Dieser Vorteil der Erfindung
eröffnet neue Sichtweisen für das Monitoring von Sturmaktivitäten und das zur Verfügung
stellen von Informationen über Wellenaktivität, entweder eigenhändig über ein Display oder
automatisch durch Kontrollmechanismen. Solche Informationen können benutzt werden, um
das Überstehen eines Wasserfahrzeuges während eines Sturmes zu erhöhen (beispielsweise
durch Steuern in die Wellen) oder um zukünftige Sturmaktivität durch Wegfahren von einem
nahen Sturm zu vermeiden (dessen Gegenwart, Richtung und Bewegung anhand der
Wellenaktivität bestimmt werden kann, wie es beispielsweise in Handbüchern wie "Modern
Seamanship" von Don Dodds (Lyons & Burford, 1995) beschrieben ist). Dementsprechend
sammelt der Computer optional Windinformation und kann diese in einem Algorithmus
verwenden, um das Wasserfahrzeug zu kontrollieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform verfügt der Computer über ein gespeichertes
Programm, das eine Reihe von elektronischen Messungen vergleicht, die über einen gewissen
Zeitraum erhalten wurden, und die Antwort nach einem Vergleich ausgibt. Die Antwort kann
ein für den Operator sichtbares Signal sein und kann eine automatische Korrektion von
Geschwindigkeit, Tiefe, Richtung und Lage des Bootes sein. Mehr bevorzugt ist, wenn der
Computer Eingaben von mindestens zwei Stellen am Wasserfahrzeug erhält und einen
Algorithmus benutzt, um Höhe, Geschwindigkeit und/oder Richtung der Wellen zu
bestimmen. Beispielsweise kann eine Bestimmung (Messung eines elektrisches Output) an drei
Stellen des Wasserfahrzeuges erfolgen, an einer vorderen Steuerbordposition, einer vorderen
Backbordposition und einer hinteren Position. Eine Welle, die direkt vom vorderen Zentrum
kommt, wird ungefähr zur gleichen Zeit von beiden vorderen Sensoren ermittelt und später
vom hinteren Sensor. Noch mehr bevorzugt ist die Verwendung eines hinteren Sensors, wobei
es an jeder der vier Ecken des Wasserfahrzeuges einen gibt.
Ein Computer kann die Zeit zwischen Signalen vergleichen, um die relative Geschwindigkeit
und Dauer einer Welle zu bestimmen, und verfolgt die Bootgeschwindigkeit, um den Umstand
zu korrigieren, dass sich das Boot selbst im Wasser bewegt. Beispielsweise wird in den drei
oben genannten Sensorausführungsformen eine von "dead ahead" kommende Welle mittels
beider ungefähr zur gleichen Zeit empfangener Sensorsignale nachgewiesen und dem später als
jedes der vorderen Signale hinteren Sensorsignal (nach einer Korrektur für die
Bootsbewegung). Jede mögliche Kombination (Wellen verschiedener Geschwindigkeiten aus
unterschiedlichen Richtungen) kann auf ähnliche Weise nachgewiesen werden und dann durch
ein Computerprogramm verglichen werden, woraufhin der Computer ein Signal ausgibt, das
dazu bestimmt und geeignet ist, das Fahrzeug mehr in die Welle zu steuern, um je nach
Wunsch die Störung der Welle zu begrenzen oder andere Einstellungen vorzunehmen.
Beispiels würde der Computer für eine Erhöhung der Stabilität während eines Sturmes ein
Signal ausgeben, welches das Ruder ändert, um das Wasserfahrzeug mehr nach rechts zu
steuern, wenn der Sensor von vorne rechts kommende Wellen anzeigt.
Vorzugsweise werden mindestens vier Sensoren verwendet, einer an jeder der vier Ecken des
Wasserfahrzeuges. Mehr bevorzugt werden Sensoren benutzt, die auch die Wellenhöhe
registrieren. Die Wellenhöhe kann zusammen mit Wellengeschwindigkeit, Wellenrichtung und
vorzugsweise Windrichtung mittels eines Algorithmus analysiert werden, um
Gleichgewichtslage, Geschwindigkeit und Richtung des Bootes einzustellen, je nach Eignung
für eine besondere Situation. Die Information kann direkt von einem erfahrenen Seemann
benutzt werden, um auf Bedingungen zu reagieren, wie es beispielsweise in Handbüchern wie
"Modern Seamanship" von Don Dodds (Lyons & Burford, 1995) diskutiert wird. Es ist mehr
bevorzugt, wenn der Computer selbst Geschwindigkeit und Richtung des Bootes in Reaktion
auf die gemessene Information kontrolliert.
Ein Fachmann kann leicht die Elektrodenanordnung und optische Anordnung optimieren und
ebenso geeignete Algorithmen zur Entzifferung der Leitfähigkeitsmuster und Lichtmessungen
bestimmen, um längeres Eintauchen von üblicher Wellenaktivität zu unterscheiden.
Leitfähigkeits- oder optische Messungen können an verschiedenen Stellen durchgeführt
werden, beispielsweise an der gleichen Stütze, zwischen Elektroden auf einer Stütze und einer
tauchfähigen Einheit, und zwischen zwei verschiedenen Stützen. Indem eine große Menge an
Daten erhalten wird, kann der Computer bestimmen, ob Ballast zur Kompensation verschoben,
die Motorgeschwindigkeit oder der Antriebsvektor des Motors (Rotation des Motors um mehr
Antrieb nach unten oder oben zu haben), die Ruder zur Kontrolle der vertikalen Position im
Wasser u. ä. angepasst werden sollen.
Andere Mittel zur Kontrolle des Wasserfahrzeuges, wie die Änderung der Eintauchtiefe
erfordern keine Anzeige von Wellenbewegungen oder Veränderungen in der Tiefe des
Wasserfahrzeuges. Beispielsweise kann ein mechanischer Kraftdeflektor verwendet werden,
der bei einem zu starken Eintauchen des Wasserfahrzeuges unter einem Winkel auf die
Wasseroberfläche trifft und automatisch die Lage des Wasserfahrzeuges korrigiert. Die
Fig. 6a und 6b zeigen einen mechanischen Kraftdeflektor, der an einer Stütze befestigt ist.
In dieser bevorzugten Ausführungsform ist der Kraftdeflektor in der Nähe des vorderen Teils
des Wasserfahrzeuges. In einer anderen Ausführungsform dreht sich der Kraftdeflektor und ist
elektronisch oder mechanisch (Fig. 5) mit einem horizontalen Stabilisator verbunden, so dass
bei Auftreffen auf Wasser der Stabilisator kompensiert, indem der vordere Teil des
Wasserfahrzeuges noch oben gezwungen wird.
Ein weitere Maßnahme zur Kontrolle der Eintauchtiefe ist der Einschluss von genügend
schwimmfähigen Materialien in den Boden der Plattform. Nach dieser Ausführungsform
verhält sich die Plattform bei Wasserkontakt wie ein Schwimmer.
Ein weiteres Mittel zur Verhinderung unerwünschten Eintauchens ist die Verwendung eines
horizontalen Stabilisators, von Flossen oder einem Rumpfdesign, welche das Wasserfahrzeug
während der Vorwärtsbewegung des Wasserfahrzeuges konstant zum Eintauchen zwingen.
Wenn das Wasserfahrzeug anhält, hört auch diese nach unten wirkende Kraft auf und das
Wasserfahrzeug treibt nach oben. Dieses Mittel ist besonders nützlich für das
Doppelträgereinheit-Design, bei dem die Trägereinheiten während der Fahrt vollständig
eintauchen. In diesem Fall ist ein zweites Mittel zur Vermeidung des Eintauchens der
Plattform erwünscht, welches vorzugsweise unter den hier beschriebenen Mittel ausgewählt
ist.
Ein weiteres Mittel ist der Einbeziehung von zwei Wasserskiern, die optional einziehbar sein
können und die während der Vorwärtsbewegung benutzt werden, um die Plattform im
wesentlichen oberhalb des Wassers zu halten.
In der Praxis wird bevorzugt eine Kombination von Kontrollen verwendet, um sicherzustellen,
dass das Wasserfahrzeug nicht vollständig eintaucht. Beispielsweise können simultan eine ein
schwimmfähiges Material enthaltende Plattform und ein vertikales Ruder, welches mit einem
Kraftdeflektor verbunden ist, verwendet werden. Natürlich besteht ein bevorzugtes Mittel zur
Verhinderung von unerwünschtem Eintauchen in der Regulierung der Schwimmfähigkeit von
einer oder mehreren Trägereinheiten. Typischerweise enthält eine Luftblase oder ein
Hohlraum der Trägereinheit Luft, deren Menge zur Erreichung der gewünschten
Schwimmfähigkeit reguliert werden kann.
Die Verwendung von Mitteln zu Verhinderung des Eintauchens der Plattform ermöglicht ein
größeres Eintauchen der Trägereinheit(en) während der normalen Verwendung.
Dementsprechend ermöglicht dieses Merkmal die Verwendung eines kleineren Bootes (mit
weniger Flotation) im Vergleich zum üblichen "open vessel"- oder Pontondesign. Die hier zur
Verhinderung des Eintauchens erwähnten Mittel werden auch für andere Designs von
Wasserfahrzeugen erwogen, die sich von den hier spezifisch beanspruchten unterscheiden,
sowie für andere Probleme wie die Kompensation von Wellenaktivität aufgrund von Stürmen.
Jedoch können Wasserfahrzeuge mit geschlossenen Rümpfen am meisten von diesen Mitteln
profitieren.
Die Verwendung einer einzigen Trägereinheit ist bevorzugt, wenn vollständiges Eintauchen
erwünscht ist, um den Propeller noch weiter unterhalb der Oberfläche zu positionieren, oder
wenn die zusätzliche Reibung durch eine zweite Trägereinheit unerwünscht ist. Für diesen
Falls ist einer oder vorzugsweise zwei Gleitskier über Stützen mit dem Boden der Plattform
verbunden.
Jeder Ski hat vorzugsweise eine gerundete Führungskante ("leading edge"). Eine konvexe
Form wie sie für die Trägereinheit beschrieben ist, wird auch für die Skier bevorzugt.
Vorzugsweise haben die Skier wie es in den Fig. 7a und 7b gezeigt ist, einen im allgemeinen
flachen Boden, der somit für das Gleiten der Skier über die Wasseroberfläche während einer
Bewegung geeignet ist. Die bevorzugt konvexe Gestalt ermöglicht es den Skiern, im
Ruhezustand im Wasser zu sitzen, während sie für eine größere Stabilität nur minimal mit
Oberflächenwellen wechselwirken. Der im allgemeinen flache Boden kann auf dem Fachmann
bekannte Weise modifiziert werden, indem beispielsweise ein vertikaler Flügel (Flosse), Grat
oder flache Vertiefung, wie sie in kommerziell erhältlichen Wasserskiern gesehen werden
kann, hinzugefügt wird. Während einer Vorwärtsbewegung gleiten die Skier aufgrund ihrer
abgerundeten Führungskante und des flach geformten Bodens über die Wasseroberfläche und
sollten eine minimale Masse haben.
Nach einer Ausführungsform wird die Schwimmfähigkeit der Trägereinheiten durch Hinein-
oder Herauspumpen von Wasser oder Luft kontrolliert, so dass im Ruhezustand die
Trägereinheit eine größere Masse aufweist als im Zustand der Bewegung. Eine Wasserpumpe
ist zu diesem Zweck bevorzugt und kann sich beispielsweise innerhalb der Skier oder der
Trägereinheit befinden, mit einem Schlauch, welcher die Pumpe mit einem Ballastreservoir
innerhalb der Skier verbindet. Vorzugsweise beträgt das Volumen des Ballastreservoirs
mindestens 10% des Volumens der Skier, wobei die zusätzliche Masse entweder in der Mitte
oder entlang ihrer Länge verteilt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der optionale Ballast in den Skiern zur Steuerung
verwendet. In diesem Fall ist der Ballast vorzugsweise in der vorderen Hälfte der Skier
lokalisiert, und besonders bevorzugt nahe zur Vorderkante. Im Betrieb wird eine Linkskurve
durch Hinzufügung von Gewicht zur Vorderseite (Pumpen von Wasser in die vordere
Kammer) des linken Ski bewirkt, während sich das Wasserfahrzeug vorwärts bewegt. Eine
Rechtsdrehung wird durch Hinzufügung von Gewicht zum rechten Ski bewirkt. Andere
nützliche Kombinationen und Permutationen wie beispielsweise die Entfernung von Gewicht
vom rechten Ski oder eine Gewichtsverschiebung vom vorderen zum hinteren Ende des
rechten Skis für eine Linksdrehung sind für den Fachmann offensichtlich.
Eine für kleine persönliche Wasserfahrzeuge (ein oder zwei Insassen) bevorzugte
Ausführungsform, welche eine Trägereinheit und zwei Skier aufweist, ist zur Steuerung die
Änderung der Ausrichtung der Skier bezogen auf die Trägereinheit. Üblicherweise sind Skier
parallel zur Trägereinheit angeordnet, aber eine Links- oder Rechtskurve wird durch die
Rotation der Skier bezogen auf die Trägereinheit realisiert. Um nach links zu drehen, werden
die Skier relativ zur Trägereinheit nach links gedreht. Um nach rechts zu drehen, werden die
Skier relativ zur Trägereinheit nach rechts gedreht. Am meisten bevorzugt ist es, wenn der
Führer eines Wasserfahrzeuges die Skier mechanisch rotiert, indem er eine Lenkstange oder
ein Rad, welches mit dem Vorderteil der Skis verbunden ist, bewegt und durch die
Verschiebung seines/ihres Gewichtes. Die Lenkstange oder das Rad drehen sich um eine
Stange der vorderen Stütze der Trägereinheit. In einer anderen Ausführungsform kann die
Bewegung der Skier kombiniert werden mit einer Neuausrichtung des Schubvektors der
Antriebseinheit, welche vorzugsweise ein Impeller ist. Ähnliche Steuerungssystem sind für
andere persönliche Wasserfahrzeuge wie in "skidoos" umgewandelte Motorräder und ähnliche
bekannt, die im Schnee manövrieren. Diese Ausführungsform ist insbesondere wünschenswert
für "elektrische Jetskier", die kürzer als 12 Fuß sind, wie es von den Erfindern erwogen wird.
Ein anderes bevorzugtes Merkmal ist die Anordnung einer Antriebseinheit in der oder den
Trägereinheit(en) und eines Propellers am Heck der Trägereinheit. In einigen
Ausführungsformen können eine oder mehrere Antriebseinheiten auch im oder in den
Schwimmer(n) platziert werden. Beispielsweise kann ein Hausboot dieser Erfindung einen
großen Motor innerhalb einer zentralen Trägereinheit haben und kleinere Motoren in zwei
seitlich angeordneten Schwimmern.
Eine Ausführungsform besteht in einer einzelnen Trägereinheit, welche seitliche
Stabilisatorflossen sowie eine oder mehrere Stützen hat, die eine photovoltaische Plattform für
die Energieversorgung des Motors etc. über dem Wasser halten. Bevorzugt ist auch eine
faltbare photovoltaische Anordnung, die in nicht ausgestreckter Form während eines Sturmes
verstaut werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Plattform eine Kabine mit einem Dach, das
mit Solarzellen bedeckt ist. Die Seiten der Kabine enthalten Fenster und/oder andere
Öffnungen, die vorzugsweise mit Solarzellentafeln bedeckt sind, die nach oben schwingen
können und in einer horizontalen oder gewinkelten Richtung einrasten können, um die
Sammlung von Sonnenenergie zu ermöglichen, aber nach unten schwingen und
Fenster/Öffnungen bei schlechtem Wetter bedecken können.
Die Ausführungsform mit einer zentralen Unterstützungseinheit mit zwei parallelen
Schwimmern wie Skiern oder Pontons ist besonders nützlich für größere Wasserfahrzeuge wie
beispielsweise Hausboote. Diese Ausführungsform vermindert das Problem eines Hausbootes,
das einen im Vergleich zum Zentrum der Schwimmfähigkeit hoch gelegenen Schwerpunkt hat.
Gemäß dieser Ausführung wird eine Niedrigenergiemasse in eine sich vorzugsweise
verjüngende, aber optional gerade zentrale Trägereinheit platziert, welche eine große negative
Schwimmfähigkeit hat und vollständig eingetaucht ist. In einer Ausführungsform ist die
zentrale Unterstützungseinheit vollständig eingeraucht und kann bei einem großen
Wasserfahrzeug wie einem Hausboot eine kurze Entfernung wie beispielsweise 6 Zoll oder 1 Fuß
oder mehr eingetaucht sein. Vorzugsweise übertrifft die Masse der Trägereinheit die Masse
der Plattform. Die Abmessungen können angepasst werden, um den Schwerpunkt so
einzustellen, dass dieser unterhalb des Zentrums der Schwimmfähigkeit liegt. Für eine
verbesserte Stärke können sich die Stütze(n) entlang der langen Achse der Trägereinheit
und/oder Gleitskier erstrecken. In einer bevorzugten Ausführungsform stellen die Stütze(n),
welche die zentrale Trägereinheit verbinden, für Wellen eine große vertikale Oberfläche da,
während dies nicht der Fall für die seitlichen Skier ist, wie es in Fig. 2 gezeigt ist.
Die beiden parallelen Schwimmer verleihen der Plattform Schwimmfähigkeit. In bevorzugten
Ausführungsformen tragen die parallelen Schwimmer zu einer verbesserten Schwimmfähigkeit
und damit Stabilität bei, indem sie der schweren zentralen Trägereinheit entgegenwirken. In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält die zentrale Trägereinheit eine große
Antriebseinheit und die vollständige Niedrigenergiequelle. Die Schwimmer laufen in diesem
Fall vorzugsweise spitz mit einer konvexen Oberfläche zu, um einen niedrigen
Wasserwiderstand zu ermöglichen. Beispielsweise kann ein Hausboot gemäß dieser
Ausführungsform eine 35 Fuß lange zentrale Trägereinheit haben, welche an jedem Ende
konisch spitz zuläuft, und so positioniert ist, dass die Spitze jeder Trägereinheit ein Fuß unter
Wasser ist, und die Einheit in der Mitte einen Radius von 5 Fuß hat. Fünftausend Pfund Blei-
Säure-Batterien und ein 100 PS starker Motor sind in der Antriebseinheit platziert. Die
parallelen Schwimmer sind jeweils 9 Fuß von der Trägereinheit entfernt (Gesamtbreite 18
Fuß) und laufen wie die Trägereinheit mit einer konvexen Oberfläche spitz zu. Die
Schwimmer sind 35 Fuß lang. Beide Schwimmer und die Trägereinheit halten die mit Räumen
ausgestattete Plattform über eine Anzahl von 3 Fuß langen Stützen. Die Plattform und die
Wände des Raumes enthalten vorzugsweise sehr leichtes Material wie Polyurethan(schaum),
das sowohl Isolierung wie auch Flotation liefert.
Ein Hausboot mit dieser Anordnung wird einer Bewegung mit einer moderaten
Geschwindigkeit unterhalb von 12 Knoten einen geringen Widerstand entgegensetzen. Am
wichtigsten ist, dass der Schwerpunkt in Abhängigkeit von Höhe und Gewicht der Plattform
mit Zimmern nahe oder sogar unterhalb des Zentrums der Schwimmfähigkeit ist. Daher ist ein
erfindungsgemäßes Hausboot widerstandsfähiger gegenüber Wellen als ein Hausboot gleicher
Abmessungen mit zwei Pontons und kann sogar im Ozean benutzt werden. Ein Hausboot
gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung ist vorzugsweise weniger als 50 Fuß lang,
insbesondere weniger als 40 Fuß lang, ganz besonders bevorzugt weniger als 35 Fuß lang und
am meisten bevorzugt weniger als 30 Fuß lang. Das Hausboot kann an jedem Ende der
Schwimmer eine Antriebseinheit aufweisen, um bei der Steuerung bzw. dem Manövrieren
während des Anlegens zu assistieren.
Die folgenden Definitionen sollen dem Leser beim Verständnis der Ausführung und Benutzung
der Erfindung und dem Umfang der Patentansprüche unterstützen.
"Batterien" bedeutet eine Niedrigenergiequelle, welche typischerweise eine elektrische Batterie
ist wie eine Reihe von Blei-Säure, Nickelmetallhydrid, Lithium, Nickel-Cadmium, andere
Metallhydrid-Zellen oder (weniger bevorzugt) andere Zellen wie Brennstoffzellen. Die
weniger bevorzugten Brennstoffzellen können physikalisch getrennte Energieversorgungen für
Erdgas oder Wasserstoff umfassen. In einer Ausführungsform wird eine Brennstoffzelle
verwendet, um Elektrizität zur Verfügung zu stellen, und Wasserstoff, Erdgas oder anderer
Brennstoff ist innerhalb der Trägereinheit(en) gespeichert. Diese Ausführungsform hat den
Vorteil der Sicherheit und erhöht die kommerzielle Akzeptanz von Brennstoffzellen für die
Verwendung im Schiffsbereich.
In 2000 lieferte eine Niedrigenergiequelle wie beispielsweise eine Metallhydrid- oder Blei-
Säure-Batterie in voll aufgeladenem oder nutzbaren Zustand typischerweise weit weniger als 1
kWh Energie pro 10 Pfund. Batterien oder andere Brennstoffzellen, die in der Zukunft
entwickelt werden können diese Energiedichte jedoch übertreffen, werden aber im Vergleich
zu Kohlenwasserstoffbrennstoffen immer noch als "Niedrigenergie" angesehen. D. h., dass
solche Batterien auch deswegen als Niedrigenergiequellen angesehen werden, weil ihre
Energiedichten niedriger sind als Kohlenwasserstoffbrennstoffquellen gleichen Volumens wie
Benzin oder Dieselöl. Rasche Fortschritte bei Batterien und anderen Niedrigenergiequellen
werden eine größere Energiespeicherung ermöglichen (beispielsweise bis zu 0.5 kWh pro
Pfund Masse ist vorstellbar). Im Vergleich hierzu enthält Benzin 13,540 Wh/kg (ungefähr
5 kWh pro Pfund) und Lithiumbatterien enthalten ungefähr 400 Wh/kg (ungefähr 0.15 kWh pro
Pfund). Daher beträgt die Energiedichte von Niedrigenergiequellen im allgemeinen weniger als
1/10 der Energiedichte von Benzin. Nach dem Stand der gegenwärtigen Technologie beträgt
die Energiedichte solcher Quellen weniger als 1/30. Selbst moderate Niedrigenergiequellen,
welche in der Zukunft entwickelt werden (0.5 kWh pro Pfund) sind sehr erwünscht, wenn sie
mit anderen hier gelehrten Merkmalen kombiniert werden, wenn ihr Gewicht für die
Beschwerung von einer oder mehr Trägereinheiten genutzt wird.
"Konvex" bedeutet nach außen gebogen, wie das Äußere einer Kugel, kann aber
diskontinuierliche und flache Teile aufweisen, solange diese Teile nicht eine konkave
Oberfläche darstellen, welche auf sie fallendes Wasser halten kann.
"Länglicher Schwimmer" ("Elongated float") ist ein Ponton oder Gleitski mit einer konvexen
Oberfläche, welche Flotation liefert. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält der
längliche Schwimmer keine massive Energiequelle.
"Plattform" ist eine horizontale Unterstützung(sfläche), welche oberhalb der eintauchfähigen
Teile (d. h. einer oder mehrerer Trägereinheiten) gehalten wird, und - falls verwendet -
oberhalb von einem oder mehr Gleitskiern. Vorzugsweise befindet sich die Plattform genügend
weit oberhalb des tauchfähigen Teils, so dass mindestens 25% und bevorzugt mehr als die
Hälfte der Wellenenergie unterhalb der Plattform im wesentlichen zwischen dem tauchfähigen
Teil und der Plattform hindurchtreten. Die Plattform ist vorzugsweise flach und präsentiert in
dieser Konfiguration einen geringen Luftwiderstand. Die Plattform ist Teil des
Wasserfahrzeuges, auf oder in dem der Passagier fährt, wobei an ihr vorzugsweise Sitze
befestigt sind. Der Ausdruck "Plattform" bedeutet in diesem Zusammenhang eine die Last
tragende Struktur und beinhaltet nicht einen hinzugefügten Teil wie ein langer Windschutz
oder Luftverkleidung ("air fairing"), welche hinzugefügt werden können, um den
Windwiderstand zu reduzieren, oder aus sonstigen Gründen hinzugefügt sind.
In einer Ausführungsform ist die Plattform lediglich ein Stuhl, der über mindestens einer
Trägereinheit gehalten wird. In einer anderen Ausführungsform umfasst die Plattform Räume
eines Hausbootes. Die Plattform (in derselben Dimension wie die lange Dimension der
Trägereinheiten) ist vorzugsweise um mindestens eine Stützenlänge, ganz besonders bevorzugt
mindestens zwei Stützenlängen kürzer als die Länge seiner Trägereinheiten. Stützenlänge
bedeutet in diesem Zusammenhang die durchschnittliche vertikale Höhe der mit den
Gleitskiern oder Pontons, falls vorhanden, oder mit den Trägereinheiten (wenn Skier nicht
vorhanden sind) verbundenen Stützen. Für die Ausführungsform, bei der eine Trägereinheit
und ein Gleitski an der Plattform befestigt sind, bedeutet der Ausdruck "Stützenlänge" den
Durchschnitt von Stützen, welche die Plattform mit der Trägereinheit und den Gleitskiern
verbinden. In der Erfahrung der Erfinder wird die beste Länge teilweise durch die Länge der
Stützen bestimmt. Eine längere Stütze erfordert zur Bewahrung der Stabilität eine kürzere
Plattform.
"Antriebseinheit" ist ein Motor, welcher einen Propeller oder Impeller antreibt und mit einer
Energiequelle wie einer Batterie, einem Gastank, einer Wasserstoffbrennzelle und/oder
ähnlichen verbunden ist. Am meisten bevorzugt ist eine Elektromotor, kombiniert mit solarer
Energie und mit einem Batterie-Backup für Zeiten mit geringer Sonnenstrahlung. In einer
weniger bevorzugten Ausführungsform sind andere Motoren wie Wasserstoff getriebene oder
Diesel betriebene Motoren akzeptabel, wenn diese mit einer schweren Masse wie hierin
beschrieben kombiniert werden. Im Falle des Dieselmotors oder anderer Sauerstoff
verbrauchender Motoren ist der Motor vorzugsweise innerhalb einer Trägereinheit und ein
Schnorchel erstreckt sich bis über die Oberfläche, um den Motor mit Luft zu versorgen.
Bevorzugt ist außerdem ein Wasserstoffmotor, welcher atmosphärischen Sauerstoff verwendet,
um ihn mit Wasserstoff zu verbinden, der in einer Trägereinheit aufbewahrt wird, und
Druckluft zur Verwendung während des Tauchens.
Vorzugsweise ist eine Antriebseinheit, wie es in den Figuren gezeigt ist, innerhalb des
"trailing point" einer oder mehrerer tauchfähiger Einheiten angeordnet. Ganz besonders
bevorzugt befindet sich an der vordersten Spitze einer jeden Einheit ein Propeller mit einem
Durchmesser, welcher nicht größer ist als der Durchmesser des dicksten Teiles der
tauchfähigen Einheit. Diese Orientierung passt besser zu Ort und Vektor der Störung des
Wassers durch die Antriebseinheit, so dass die gesamte Störung des Wassers minimal ist.
"Stütze" oder Strebe bedeutet eine längliche Unterstützung, welche zwischen einer
Trägereinheit bzw. einem länglichen Schwimmer und einer oberen Plattform existiert und
diese miteinander verbindet. Eine Stütze (Strebe) hat vorzugsweise einen mittleren
Durchmesser (oder eine Dicke), (Weite senkrecht zur Bewegungsrichtung) der kleiner als 20%
ihres mittleren Durchmessers beträgt. Die Länge jeder Stütze beträgt vorzugsweise mindestens
6 Zoll und kann in einigen Fällen mehr als 2, 3, 4, 5 oder 6 Fuß betragen. Eine Stütze kann
einen Teil des Weges entlang der Achse der Trägereinheit fortsetzen, an der sie befestigt ist.
Die Stützen halten die Plattform, so dass vorzugsweise zumindest ein Teil der Wellenenergie
ungehindert durch den durch die Streben erzeugten Raum hindurchtreten kann. In einer
Ausführungsform sind solche Stützen an zwei Gleitskiern befestigt, die seitlich außerhalb einer
zentralen Trägereinheit angeordnet sind. Die Trägereinheit ist hierbei mit der Plattform über
eine kontinuierliche Flosse oder ein anderes vertikales Teil verbunden, das für die Wellen eine
beträchtliche vertikale Oberfläche darstellen kann. Der Ausdruck "zumindest ein Teil der
Wellenbewegung passiert ungehindert" bedeutet, dass zumindest 20%, vorzugsweise mehr als
40%, besonders bevorzugt mehr als die Hälfte und ganz besonders bevorzugt mehr als 75%
der Energie einer Welle senkrecht zur Trägereinheit (und mit einer gleich hohen oder
geringeren Amplitude) oder dem länglichen Schwimmer ungehindert hindurchtritt.
"Trägereinheit" bedeutet eine längliche geschlossene Struktur, welche im Wasser ist und an
seiner oberen Oberfläche eine konvexe Form aufweist. Die Trägereinheit ist zu mindestens
40% ihres Volumens, vorzugsweise zu mindestens 50%, besonders bevorzugt zu mindestens
75%, eingetaucht, und in Abhängigkeit von anderen Kontrollstrukturen, welche am
Wasserfahrzeug existieren können, vorzugsweise zu mehr als 85% eingetaucht. In jeder sie
enthaltenden Ausführungsform ist die Trägereinheit über eine oder mehrere Stützen (Streben)
mit der Plattform verbunden und enthält eine Niedrigenergiequelle.
Beispiele für Merkmalskombinationen wie sie in den Figuren gezeigt werden:
In den Figuren werden repräsentative Ausführungsformen der Erfindung als anwendbar für eine Vielzahl von Wasserfahrzeugen weiter erklärt, von persönlichen Wasserfahrzeugen, die wengier als 15 Fuß lang sind, bis zu Hausbooten.
In den Figuren werden repräsentative Ausführungsformen der Erfindung als anwendbar für eine Vielzahl von Wasserfahrzeugen weiter erklärt, von persönlichen Wasserfahrzeugen, die wengier als 15 Fuß lang sind, bis zu Hausbooten.
Fig. 1 zeigt ein kreuzfahrendes Boot (cruise boat) 310, das schneller als seine berechnete
Rumpfgeschwindigkeit fahren kann. Rumpfgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit in Knoten,
die erhalten wird durch Multiplizieren der Quadratwurzel der Rumpflänge an der Wasserlinie
(in Fuß) mit 1.34. Beispielsweise hat ein "vessel"-Wasserfahrzeug mit einer 16 Fuß langen
Wasserlinie eine berechnete Rumpfgeschwindigkeit von 5.36 Knoten. "Cruise boat" 310 kann
auseinander genommen, auf dem Dach eines Autos transportiert und in einer Garage gelagert
werden. Eine zentral gelegene Trägereinheit 320 umfasst Batterien 350 und einen
Antriebsmotor 360. Dieses Beispiel hat zwei flossenartige Stützen 347, welche Trägereinheit
320 mit Plattform 340 verbinden. Plattform 340 ist in der Figur rechtwinklig gezeichnet, aber
in der bevorzugten Ausführungsform, bei der das Wasserfahrzeug zu leichter Aufbewahrung
und Transport auseinandergenommen wird, kann die Plattform ein starkes Netz oder
Textilstück umfassen, das durch einen Rahmen gehalten wird. In einer anderen
Ausführungsform ist das Textilmaterial im nassen Zustand sehr porös, wird aber sehr viel
weniger porös aufgrund eines befestigten in Wasser schwellfähigen Polymeren, wie es für die
Ausführungsform mit dem verstärkten Solarreflektor beschrieben ist. In letzterem Fall sollten
Polymertextilien ausgewählt werden, die sehr leicht sind und im trockenen Zustand auf
einfache Weise gefaltet werden können, aber bei Verwendung nass, steif und undurchlässig
werden, um dem Benutzer das Aussehen und Gefühl eines solideren Bodens zu geben.
Die Trägereinheit-Stützen können die Form einer einzelnen langen Stütze haben, die sich über
nahezu die gesamte obere Oberfläche der Trägereinheit erstreckt. In der letzteren
Ausführungsform enthält die Stütze optional eine oder mehrere Öffnungen in ihrer
Wandvertikalen Oberfläche, damit zumindest etwas Wellenbewegungsenergie durch das
Wasserfahrzeug hindurchtreten kann. In einer hier nicht gezeigten Ausführungsform liefert ein
von einem kleinen Benzinmotor angetriebener elektrischer Generator Elektrizität um die
Batterien zu ergänzen und wieder aufzuladen. Vorzugsweise liefert dieser elektrische
Generator eine Leistung, die kleiner ist als der maximale Energieinput des elektrischen
Motors, vorzugsweise weniger als die Hälfte des maximalen Energieinputs.
Gleitskier 330 sind auf jeder Seite der Trägereinheit 320. Jeder Gleitski ist mittels
flossenartiger Stützen 345 an Plattform 340 befestigt. In einer anderen hier nicht gezeigten
Ausführungsform ähneln die Stützen 345 Stangen, die keine flossenartige Form haben und
weniger mit Wellen wechselwirken, die sich senkrecht zur langen Achse der Gleitskier
bewegen. In einer weiteren Ausführungsform bilden beide Stützen 345 auf jedem Gleitski eine
einzelne längliche Stütze, die sich über zumindest die halbe Länge der Gleitskier erstreckt. Die
einzelne längliche Stütze kann eine oder mehrere Öffnungen für den Durchgang von
Wellenenergie aufweisen.
Ein in Fig. 1 gezeigtes Wasserfahrzeug ist im allgemeinen weniger als 30 Fuß lang und
genügend klein, um auf einem Anhänger hinter einem Kraftfahrzeug gezogen werden zu
können. Vorzugsweise ist das Wasserfahrzeug weniger als 25 Fuß lang, besonders bevorzugt
weniger als 18 Fuß lang, und ganz besonders bevorzugt weniger als 14 Fuß lang und auf dem
Dach einen Kraftfahrzeuges transportierbar.
Fig. 2 zeigt Wasserfahrzeug 10, dass sowohl an als auch unter der Wasseroberfläche fahren
kann. Dieses Tauchboot kann vom Ufer aus ausgesetzt werden, kann einen oder mehrere
Sporttaucher von der Küste zu einer Tauchstelle transportieren und dann unter der Oberfläche
tauchen, während eine luftgefüllte Kabine bei Normaldruck gehalten werden kann. In dieser
Ausführungsform stabilisiert die Niedrigenergiequelle nicht nur das Wasserfahrzeug, sondern
stellt verteiltes Gewicht zur Verfügung, um das Untertauchen der luftgefüllten Kabine zu
ermöglichen.
Tauchboot 10 hat zwei Trägereinheiten 20, welche die Plattform 40 durch Stützen 50 und 55
halten. Aus Gründen der Stärke sind die Stützen 50 länglich und erstrecken sich entlang der
Trägereinheiten unterhalb von Kabine 70. Stützen 50 befestigen außerhalb des
Kabinenbereichs die Trägereinheiten 20, an Plattform 40. In einer hier nicht gezeigten
Ausführungsform sind die Stützen 50 und 55 zu einer kontinuierlichen langen Stütze zwischen
jeder Trägereinheit 20 und Plattform 40 verbunden. Jede Trägereinheit weist eine
Antriebseinheit 60 auf. In diesem bevorzugten Beispiel sind die Trägereinheiten 20 jeweils 16
Fuß lang, die Plattform 40 10 Fuß lang und 8 Fuß breit und der untere Teil von Kabine 70,
welche an der Plattform 40 befestigt ist, ist 4 Fuß breit und 3 Fuß lang. Die Antriebseinheiten
60 sind 5 kW-Elektromotoren.
Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht des Tauchbootes. Trägereinheit 20 - wie sie in dieser Figur
gezeigt ist - umfasst Blei-Säure-Batterien 80 im vorderen und hinteren Teil und umfasst
weiterhin einen großen Ballast-Luftraum 90 in seinem zentralen Bereich. Das Gesamtgewicht
der Batterien 80 in jeder Trägereinheit beträgt ungefähr 900 Pfund und der gesamte erhältliche
Auftrieb durch die Ballastluft (buoyancy of large ballast air space) 90 beträgt ungefähr 1800
Pfund (ungefähr 30 Kubikfuß). Streben 50 und 55 bewirken eine vertikale Länge von 30 Zoll
zwischen Trägereinheit 20 und Plattform 40. Diese vertikale Länge bietet einem Taucher
Platz, um durch den Boden von Kabine 70 durch eine Öffnung (nicht gezeigt) in Kabine 70
einzutreten oder sie zu verlassen, indem er unter der Plattform 40 schwimmt, während die
Tauchbootplattform 40 untergetaucht ist. Es sei darauf hingewiesen, dass sich die Luke
zwischen und über beiden Trägereinheiten 20 befindet und das Wasserfahrzeug behält immer
aus Sicherheitsgründen diesen Austrittsraum. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform
hat Plattform 40 eine Luke zum hinteren Ende von Kabine 70. Ein Sporttaucher kann vor dem
Tauchen Kabine 70 betreten, indem er durch die Luke tritt und die Kabine betritt, während die
Plattform über der Wasseroberfläche gehalten wird.
Bei Verwendung wird der große Ballastluftraum 90 innerhalb jeder Trägereinheit 20 durch
Hinzufügung von Luft geleert, um das Wasser zu ersetzen. Die bereitgestellte
Schwimmfähigkeit hält so die Plattform oberhalb der Wasseroberfläche. Vorzugsweise wird
zumindest ein Mittel benutzt, um das Eintauchen der Plattform während der
Vorwärtsbewegung aufgrund der Antriebseinheit 60 zu verhindern. Die große Blei-Säure-
Batteriemasse von 1800 Pfund liefert über 30 kWh elektrische Energie, was einer während
mindestens einer Stunde zu nutzenden Leistung von 10 PS in jeder Richtung zu einer
gewünschten Tauchstelle vor der Küste entspricht. Die Passagiere können während der Fahrt
innerhalb oder auf Kabine 70 oder auf Plattform 40 sein. Zum Tauchen wird Luft aus dem
Ballastluftraum 90 innerhalb jeder Trägereinheit 20 entfernt und eine "net negative buoyancy"
von ungefähr 1800 Pfund erzeugt, wodurch das Untertauchen der mit Luft gefüllten Kabine 70
ermöglicht wird.
In einer weiteren Ausführungsform wird für erhöhte Sicherheit das Gewicht der
Niedrigenergiequelle 80 durch Blei- oder Eisenbarren ergänzt, die für Notaufstiege an die
Oberfläche aus dem Inneren von Kabine 70 auf mechanischem Wege ausgelöst werden
können. In einer Ausführungsform übertrifft die gesamte Masse der entfernbaren Bleibarren
die Batteriemasse, um eine größere manuelle Kontrolle des Auftriebs des Tauchbootes zu
ermöglichen. In einer weiteren Ausführungsform wird eine einzelne massive Trägereinheit
direkt unterhalb der Plattform anstelle der beiden Trägereinheiten benutzt und zwei
Wasserskier sind vorgesehen, die aufblasbare Teile haben, die sich parallel zu und auf jeder
Seite der Trägereinheit erstrecken.
Die Erfinder betonen, dass die hier angegebenen Dimensionen und Gewichte repräsentativ sind
und dass eine große Vielzahl von Formen und Größen verwendet werden kann. Solche
Kombinationen sind von denjenigen ableitbar, die tauchende Wasserfahrzeuge konstruiert,
verwendet oder deren Konstruktion erwogen haben. Beispielsweise benutzt das Sportsub
(Handelsmarke), welches von International Venture Craft Corp. (Vancouver Canada) verkauft
wird, hauptsächlich einen großen Metallballast, um eine mit Luft von Umgebungsdruck
gefüllte Kammer unterzutauchen, in die ein Sporttaucher durch Hinein- und Herausschwimmen
aus dem Boden der Luftkammer hinein- und wieder herausgelangen kann. Das Sportsub ist
kleiner als viele der für die vorliegende Erfindung betrachteten Ausführungsformen und
erfordert ein spezielles Pontonboot, ein aufblasbares "launch recovery boat" oder einen Kran,
um es aus dem Wasser zu manövrieren. Wie das Sportsub (TM) jedoch beispielhaft belegt,
kann ein Fachmann auf einfache Weise zu einem bei Umgebungsdruck arbeitenden Tauchboot
Lufttanks und Auftriebskontrollen hinzufügen.
In einer bevorzugten Ausführungsform eines Tauchbootes bleibt der untere Teil der Kabine im
Ruhezustand normalerweise untergetaucht. Dies lässt einen größeren Raum in den
Trägereinheiten für die Aufnahme der Niedrigenergiequelle, weil während des Betriebes an
der Wasseroberfläche weniger Luft in den Trägereinheiten benötigt wird (nicht untergetauchter
Zustand). In einigen Ausführungsformen, die einen größeren Anteil der Trägereinheit für die
Niedrigenergiequelle benutzen (oder alternativ eine Gewichtsballast wie Blei- oder
Eisenbarren), wird ein Wasserfahrzeug zur Verfügung gestellt, das für eine gegebene
Kabinengröße kleinere Außenabmessungen aufweist.
Indem der untere Teil der Kabine im Ruhezustand eingetaucht gelassen bleibt, können kleinere
Trägereinheiten benutzt werden. In dieser Ausführungsform kann die Kabine selbst die
Plattform sein. Nach einer Ausführungsform kann ein Tauchboot, das nur 9 Fuß lang ist,
konstruiert werden. Wenn nur von einem Passagier ausgegangen wird, kann sogar ein noch
kleineres Tauchboot hergestellt werden, das einen auf eine Person abgestellten Luftraum hat.
In jedem Fall ist es bevorzugt, dass das Oberteil der Kabine mit einer Reling, einem
Klappstuhl oder einer anderen Vorrichtung versehen ist, die es einem Passagier erlaubt,
während der Fahrt an der Oberfläche auf dem Wasserfahrzeug zu sitzen. Gewünschtenfalls
kann der Schub der Motoren angepasst werden, oder es kann eine "planing surface"
hinzugefügt werden, um dem Wasserfahrzeug während seiner Bewegung ein auf die
Wasseroberfläche bezogen hohes Gleiten zu ermöglichen. D. h., dass in einer
Ausführungsform das Wasserfahrzeug im Ruhezustand zumindest teilweise eingetaucht bleibt
und während der Vorwärtsbewegung die Fahrzeugkabine durch Hydroplanen der
Trägereinheiten und/oder optional angebrachten Wasserskier aus dem Wasser kommt.
Fig. 4 zeigt Segelboot 400. In dieser Ausführungsform stabilisiert die Niedrigenergiequelle
420 innerhalb der zentralen Trägereinheit 410 das Segel 435 und ermöglicht dem Segelboot
das Befahren sehr flacher Gewässer, im Unterschied zu typischen Segelbooten, welche ein
langes zentrales Ruder oder tiefen Ballast verwenden, um den Schwerpunkt herabzusetzen.
Dieses Merkmal erlaubt Segeln in flachen Gewässern wie solchen im südlichen Florida, die
normalerweise zu flach für Segelboote sind.
Trägereinheit 410 enthält Batterien 420 und ist mittels hier nicht gezeigter Stützen mit
Plattform 440 verbunden. Zwei Gleitskier 430 sind seitlich oberhalb der Trägereinheit 410
angeordnet und tragen mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 75% und besonders
bevorzugt 100% der Flotation des Segelbootes. Dieses Wasserfahrzeug hat einen Schwerpunkt
unter seinem Auftriebszentrum und neigt zum Aufrichten, wenn es in einem starken Wind
gekippt wird. Segel 435 ist durch den Mast 450 an der Plattform 440 befestigt. Mast 450 ist
entfernbar und kann in den Pfahl 460 positioniert werden, der als Stütze dient, welche die
Plattform 440 mit der Trägereinheit 410 verbindet. Trägereinheit 410 ist sehr lang und hat
einen kleinen Durchmesser. Der maximale Durchmesser der Trägereinheit beträgt weniger als
12% der Länge der Trägereinheit und in anderen Ausführungsformen weniger als 10% dieser
Länge. Die Gleitskier sind oberhalb der Trägereinheit angeordnet, so dass die Trägereinheit
bei normalem Gebrauch vollständig eingetaucht ist. In einer Ausführungsform ist die Höhe der
Gleitskier über der Trägereinheit einstellbar und kann für das Segeln an Orten mit größerer
Wassertiefe erhöht werden. Diese Einstellung erhöht die Neigung zur eigenen Aufrichtung
durch Tieferlegung der Batteriemasse in tieferen Gewässern.
Das durch Masse stabilisierte Wasserfahrzeug gemäß der Erfindung neigt dazu, im Vergleich
zu einem "vessel"-Wasserfahrzeug eine geringere Verdrängung für dieselbe Tragfähigkeit zu
haben und benötigt im allgemeinen ein oder mehrere Mittel, um unerwünschtes Eintauchen der
Plattform zu vermeiden. Obwohl die hierin beschriebenen Mittel primär für den Einbau in
Wasserfahrzeuge der vorliegenden Erfindung gedacht sind, ist es leicht verständlich, dass
diese Mittel auch für andere Wasserfahrzeuge geeignet sind.
Fig. 5 und 6 zeigen repräsentative Mittel zur Verhinderung des Eintauchens der Plattform.
Fig. 5 ist eine Seitenansicht, welche die vordere Stütze 120 mit zentral befestigter
Deflektorkomponente 110 zeigt, die beim Kontakt mit Wasser nach hinten schwingt. Das Ende
des entgegengesetzten Lagerzapfens 130 von Komponente 110 ist mechanisch über das Kabel
150 mit dem horizontalen Stift 140 verbunden. Der horizontale Stabilisatorstift 140 dreht sich
um Stift 160. Wenn sich unter normalen Bedingungen das Wasserfahrzeug nach vorne bewegt,
befinden sich Wasserniveau und Wellen unterhalb von Komponente 110. Wenn das
Wasserfahrzeug absackt oder während einer Vorwärtsbewegung ins Wasser taucht, wirkt die
Kraft der Wasserbewegung auf Komponente 110, die sich zurückdreht und Verbindung 150
auslöst, welche bewirkt, dass sich der horizontale Stift 140 um Stift 160 dreht. Im Ergebnis
präsentiert der horizontale Stift 140 ankommendem Wasser einen unterschiedlichen
Angriffswinkel, wodurch der Bug des Wasserfahrzeuges nach oben gezwungen und der Druck
auf Komponente 110 verringert wird.
In Fig. 6 ist der stationäre Kraftdeflektor 210 mit der vorderen Stütze 220 unter dem
gezeigten Winkel verbunden. Während einer normalen Vorwärtsbewegung, angedeutet durch
Pfeil 230, ist der Deflektor 210 außerhalb des Wassers. Wenn das Wasserfahrzeug jedoch
absackt oder während einer Vorwärtsbewegung ins Wasser taucht, kollidiert Deflektor 210 mit
der Wasseroberfläche und zieht den Bug des Wasserfahrzeuges nach oben. Fig. 6a ist eine
Seitenansicht und Fig. 6b eine Vorderansicht, welche die Breite des Deflektors 210 zeigt.
Die Fig. 7a und 7b zeigen eine Ausführungsform von Gleitski 510, welche eine geringere
Reibung mit der Wasseroberfläche aufweist. Fig. 7a ist eine Seitenansicht, welche eine
typische Kurve am vorderen Ende des Skis zeigt, die dem Ski das Gleiten über die Oberfläche
erlaubt. Stützen 520 sind an der Oberseite des Ski angebracht. Fig. 7b ist ein Querschnitt,
welcher eine repräsentative konvexe Gestalt zeigt, die eine geringe Wechselwirkung mit
Wellen aufweist. In der gezeigten Ausführungsform ist der Boden des Ski flach. In
bevorzugten Ausführungsformen für die Verwendung in Hausbooten weicht die Form des
länglichen Schwimmers von dieser Skigestalt ab und hat bei einem im allgemeinen spitz
zulaufenden oder gerade geformten Rumpf einen runderen Boden.
Die breitesten Merkmale von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind für eine
Vielzahl von Wasserfahrzeugen nützlich. Die Erfinder haben versucht, diese anhand von
Beispielen zu erklären und anhand von Ausführungsformen, welche allein oder in Kombination
verwendet werden können. Die Erfinder bevorzugen am meisten die Verwendung ihrer
Erfindung als stabilisiertes (a) kreuzendes Wasserfahrzeug (cruising watercraft), (b)
tauchendes Wasserfahrzeug und (c) Segelboote; und Beispiele für diese Gebiete wurden
angegeben. Gleichzeitig haben die Erfinder weitere neue Merkmale gefunden, welche jetzt
durch die Erfindung möglich sind. Beispielsweise wechselwirkt ein Wasserfahrzeug gemäß
dieser Erfindung weniger mit der Wasseroberfläche, da nicht eine große stehende Welle
erzeugt wird, und kann daher leichter durch Stürme hervorgerufene Wellenbewegung
nachweisen. Dies eröffnet neue Methoden, von denen einige die Verwendung eines Computer
für das Anzeigen von Sturmaktivität und die automatische Kontrolle des Wasserfahrzeuges zur
Vermeidung von Stürmen und zur Reaktion auf vorhandene Stürme beinhalten.
Andere Kombinationen der hierin beschriebenen erfinderischen Merkmale können natürlich
vom Fachmann auf der Grundlage dieser Beschreibung leicht bestimmt werden und sind daher
in den Geist und den Umfang der beanspruchten Erfindung einbezogen. Die hierin zitierten
Literaturstellen bilden den dem Fachmann bekannten Stand der Technik und sind mit ihrem
vollständigen Inhalt Teil dieser Beschreibung.
Claims (9)
1. Ein elektrisch angetriebenes Wasserfahrzeug, welches seine berechnete
Rumpfgeschwindigkeit übertreffen kann, umfassend:
- a) mindestens eine längliche untergetauchte Trägereinheit mit einer oberen Oberfläche und mindestens einer an der oberen Oberfläche angebrachten Stütze;
- b) einer Antriebseinheit und einer Niedrigenergiequelle innerhalb der mindestens einen Trägereinheit, wobei die Trägereinheit mindestens 25% des gesamten Gewichtes des Wasserfahrzeuges ausmacht;
- c) mindestens einen Schwimmer, der eine obere Oberfläche und mindestens eine an der oberen Oberfläche befestigte Stütze aufweist; und
- d) eine Plattform, welche an den oberen Enden der Stützen befestigt ist und oberhalb von Trägereinheit(en) und Schwimmer gehalten wird.
2. Ein elektrisch angetriebenes Hausboot, welches auf See mit Wellen einer Höhe von
mehr als 3 Fuß fahren kann, umfassend:
- a) eine längliche untergetauchte Trägereinheit, welche eine obere Oberfläche aufweist und mindestens eine an der oberen Oberfläche befestigten Stütze;
- b) einer Antriebseinheit und einer Niedrigenergiequelle innerhalb der Trägereinheit;
- c) mindestens einem Schwimmer, welcher eine konvexe obere Oberfläche und mindestens eine an der oberen Oberfläche befestigte Stütze aufweist; und
- d) eine Plattform mit einem oder mehreren Räumen, welche an den oberen Enden der Stützen befestigt ist und oberhalb von Trägereinheit(en) und Schwimmer gehalten wird.
3. Ein elektrisch angetriebenes Wasserfahrzeug, welches sowohl an der Wasseroberfläche
fahren als auch tauchen kann, umfassend:
- a) zwei längliche tauchfähige Trägereinheiten, von denen jede mindestens eine Stütze aufweist, die an seiner oberen Oberfläche befestigt ist;
- b) einer Antriebseinheit und einer Niedrigenergiequelle innerhalb jeder Trägereinheit; und
- c) einer Plattform, welche oberhalb der Stützen der Trägereinheiten angeordnet und an diesen befestigt ist, wobei die Plattform eine Kabine mit einer oberen und seitlichen Flächen umfasst, mit einer Öffnung an seinem Boden, welche einem Taucher das Betreten und Verlassen der Kabine bei Umgebungsdruck erlaubt; worin zumindest die obere Fläche der Kabine oberhalb der Wasserfläche gehalten wird, während das Wasserfahrzeug an der Wasseroberfläche fährt und die Kabine während des Tauchganges vollständig untertaucht.
4. Ein Segelboot mit einer Niedrigenergiequelle und einem Elektromotor umfassend:
- a) eine längliche untergetauchte zentrale Trägereinheit mit einer oberen Oberfläche und mindestens einer an der oberen Oberfläche befestigten Stütze;
- b) eine Antriebseinheit und eine Niedrigenergiequelle innerhalb der Trägereinheit, worin die Niedrigenergiequelle mindestens 25% des gesamten Gewichtes des Wasserfahrzeuges ausmacht;
- c) zwei Schwimmern, von denen jeder eine obere Oberfläche mit mindestens einer an der oberen Oberfläche befestigten Stütze; und
- d) eine Plattform, welche an den oberen Enden der Stützen befestigt ist und über der mindestens einen Trägereinheit und Schwimmern gehalten wird.
5. Wasserfahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei
untergetauchten Trägereinheiten Kammern aufweisen, die mit Luft gefüllt sind,
welches ein Gesamtvolumen hat, welches das Volumen der mit Luft gefüllten Kabine
übertrifft.
6. Hausboot nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schwerpunkt hat,
der bei oder unterhalb seines Schwimmfähigkeitszentrums liegt.
7. Wasserfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es
darüber hinaus ein Mittel für die Verhinderung des Eintauchens der Plattform aufweist,
wobei dieses Mittel ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: einem horizontalen
Stabilisator, welcher operabel mit einem beweglichen Deflektor verbunden ist, wobei
der bewegliche Deflektor oberhalb der Wasserlinie am Wasserfahrzeug befestigt ist; ein
passiver, mit mechanischer Kraft arbeitender Deflektor, welcher in der vorderen
Hälfte des Wasserfahrzeuges angebracht ist und das Vorderteil des Wasserfahrzeuges
bei Kollision mit Wellen automatisch nach oben zieht; ein am Bug angebrachter
Propeller, mit einem schrägen Schub, welcher von einem das Eintauchen
überwachenden System kontrolliert wird; elektronisches Aufzeichnen der
Wasserfahrzeugtiefe und Kompensation durch Anhalten des Wasserfahrzeuges,
Verringerung der Geschwindigkeit des Wasserfahrzeuges, Verschiebung der
Gewichtsverteilung im Wasserfahrzeug und/oder Steuern des Wasserfahrzeuges, um die
detektierte vertikale Bewegung zu kompensieren; eine schräge Oberfläche an der
Führungskante der Plattform, welche das Wasserfahrzeug bei Kollision mit Wasser
nach oben zwingt; und Flotationsmaterial innerhalb der Plattform.
8. Ein mit einem Computer kontrolliertes Wasserfahrzeug, umfassend mindestens zwei
Sensoren an getrennten Orten auf dem Wasserfahrzeug, einen Computer und einen
Aktuator, worin die Sensoren die Wellenhöhe bezogen auf die Position am
Wasserfahrzeug detektieren, die Sensoren dem Computer Signale zur Verfügung stellen
und der Computer eine Antwort ausgibt, die für die Korrektur von Geschwindigkeit,
Tiefe, Richtung oder Lage des Wasserfahrzeuges nützlich ist.
9. Wasserfahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserfahrzeug
weiterhin zwei längliche Schwimmer mit oberen Oberflächen aufweist und mindestens
eine an jeder oberen Oberfläche befestigte Stütze und worin mindestens zwei Stützen
einen oder mehr Sensoren für die Ermittlung von Wellenhöhe und/oder Wellenaktivität
enthalten.
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