DE10134778B4

DE10134778B4 - Segelboot mit stark eingezogenen Wasserlinien

Info

Publication number: DE10134778B4
Application number: DE10134778A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Joerck
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-07-05
Filing date: 2001-07-05
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2021-07-06
Also published as: DE10134778A1

Abstract

Segelboot bestehend aus einem schmalen das Fahrzeug in aufrechter Schwimmlage tragenden unteren Rumpfteil und einem sich darüber befindlichen größeren Rumpfteil, wobei die Wasserlinien zumindest des unteren tragenden Teil den charakteristischen Verlauf eines symmetrischen Laminarprofiles (82) mit weit hinten liegender maximaler Dicke aufweisen und die Wasserlinien mit Ausnahme des Bodenbereiches über die Laminarprofil-Kontur hinaus nach vorne nicht konvex zulaufend verlängert werden, wobei im tragenden Teil ein seitlich um die Schiffslängsachse schwenkbarer Kiel (101) angeordnet ist, welcher in einem im Schiffsrumpf um die Schiffslängsachse schwenkbaren Kielkasten (102) gelagert wird.

Description

Die Erfindung betrifft Wasserfahrzeuge und hier insbesondere Segelyachten mit nur einem Rumpf, die bis zur Konstruktionswasserlinie (CWL) einen schmalen Rumpfteil besitzen und der oberhalb der CWL in einen breiteren Rumpfteil übergeht. Derartige Rumpfformen werden z.B. in dem Patent US 5,163,377 und US 5,622,130 als ,Duplex Monohull' oder auch ,bimodale' Rümpfe bezeichnet. Die Zielsetzung der Erfindung ist es, gegenüber herkömmlichen z.B. nach dem International Measurement System (IMS) ausgelegten hochseegängigen Booten ein erhöhtes Geschwindigkeitspotential bei gleichzeitig verbesserter Seetüchtigkeit zu erzielen. Dieses Ziel wird durch eine besondere Ausgestaltung eines bimodalen Rumpfes in Verbindung mit einem um die Schiffslängsachse seitlich schwenkbaren Kiel, im weiteren dem allgemeinen Sprachgebrauch folgend als ,Canting Keel (Kiel)' bezeichnet, und einem sich selbst trimmenden Großsegel erreicht.

Das Geschwindigkeitspotential eines Segelfahrzeuges läst sich durch eine Reihe bekannter Maßnahmen erhöhen. Neben dem konsequenten Einsatz von Leichtbauweisen lassen sich diese Maßnahmen in zwei grundlegende Kategorien unterteilen:

• Erhöhung des Vortriebes und
• Verminderung des Widerstandes.

Eine Erhöhung des Vortriebes läst sich dabei durch

• eine Verbesserung der aerodynamischen Wirksamkeit des/der Segel und
• durch eine Vergrößerung der Segelfläche

erreichen. Insbesondere letztere Maßnahme setzt ein erhöhtes Segeltragevermögen des Rumpfes voraus, d.h. eine erhöhte Stabilität. Diese wiederum läst sich durch

• eine erhöhte Formstabilität (Katamarane, Trimarane, Einrumpfboote mit großer Breite)
• oder durch eine erhöhte Gewichtsstabilität

erzeugen.

Eine Erhöhung der Formstabilität verringert allerdings die Seetüchtigkeit des Fahrzeuges: Hier haben jüngste Erfahrungen bei Regatten rund um die Erde gezeigt, dass sich nicht nur Mehrrumpfboote nach einer Kenterung nicht wieder aufrichten können, sondern auch breite, mit einem Canting Kiel ausgerüstete Einrumpfyachten über Kopf liegen bleiben können. Um das Kenterverhalten zu verbessern empfiehlt sich also eine Erhöhung der Gewichtsstabilität mit Hilfe von Maßnahmen, welche die Verdrängung des Bootes nicht allzu sehr erhöhen bzw. nach Möglichkeit ohne zusätzliches Gewicht zu erzielen sind. Zum Einsatz kommen hier derzeitig

• Einsatz des Mannschaftsgewichtes und/oder umpumpbarer Wasserbalast, sowie
• seitlich ausschwenkbare Kiele, die bereits genannten Canting Kiele.

Die erste Möglichkeit setzt für eine effektive Umsetzung wieder einen breiten Rumpf voraus und ist damit der Seetüchtigkeit des Bootes abträglich. Die zweite Möglichkeit erfordert einen möglichst tiefgehenden Kiel. Weiterhin ist bei einer Erhöhung der Gewichtsstabilität zu berücksichtigen, dass das Trägheitsmoment des Bootes einen mit entscheidenden Einfluss auf die Bootseigenfrequenzen im Seegang und damit auf das Leistungspotential des Bootes als auch auf das der Mannschaft besitzt. Die Nachteile eines tiefgehenden Canting Kiels beim Befahren flacher Gewässer lassen sich weitgehend umgehen, indem man ihn erfindungsgemäß nicht nur seitlich schwenkbar, sondern auch einziehbar ausgestaltet.

Die wesentliche Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine Rumpfform aufzuzeigen, die Stabilität erhöhende Maßnahmen (Canting Kiel) in eine Verringerung des Wellenwiderstandes im Geschwindigkeitsbereich nahe bzw. oberhalb der Rumpfgeschwindigkeit des Bootes umsetzen kann, wobei im unteren Geschwindigkeitsbereich insbesondere auf Kursen am Wind das Leistungspotential noch mit dem gleich großer Regattayachten vergleichbar sein soll.

Diese Ziele werden erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Hierbei wird in geeigneter Weise ein schmaler Rumpfteil mit einem breiteren darüber liegenden Rumpfteil kombiniert und dessen Stabilität mit einem seitlich schwenkbaren Kiel erhöht. Das schmale tragende Rumpfteil dient dabei zur Reduzierung des Wellenwiderstandes, während das breite obere Rumpfteil die Formstabilität erhöht. Derar tige Rümpfe sind seit langem bekannt, haben sich aber aus verschiedenen Gründen bisher nicht durchsetzen können. Um die Nachteile der bisher bekannten Lösungen zu umgehen, besitzt nach Anspruch 1 als besonderes Merkmal dieser Erfindung zumindest das tragende untere Rumpfteil Wasserlinien mit dem charakteristischen Verlauf eines symmetrischen Laminarprofiles, das eine weit hinten liegende maximaler Dicke aufweist. Die Wasserlinien werden mit Ausnahme des Bodenbereiches über die Laminarprofil – Kontur hinaus nach vorne nicht konvex zulaufend verlängert.

Zur Erhöhung der Anfangsstabilität wird dieser Rumpf nun erfindungsgemäß wie oben erwähnt mit einem Canting Kiel ausgerüstet, der nach den Ansprüchen 9 und 10 in zwei Ausführungsformen implementiert werden kann. Zur Verminderung des Tiefgangs wird der Kiel in einem um die Schiffslängsachse drehbaren Kielkasten gelagert. In der in der ersten für Regattaschiffe geeigneten Ausführungsform reicht dieser Kielkasten in senkrechter Stellung bis fast unters Deck und der Kiel ist damit noch in teilweise eingezogenem Zustand schwenkbar. In der zweiten Ausführungsform wird nur ein unterer Teil des Kielkastens geschwenkt, während die obere Hälfte fest im Rumpf gelagert ist. Diese Version ist im Gegensatz zur ersten Ausführungsform platzsparender.

Eine Erhöhung des Segeltragevermögens durch stabilitätserhöhende Maßnahmen sollte mit einer verbesserten Trimmbarkeit des/der Segel einher gehen, um auch in böigem Wetter bei größeren Windstärken die volle Segelfläche nutzen zu können. Um dieses Ziel zumindest teilweise zu erreichen, wird das Großsegel nach den Ansprüchen 16 und 17 erfindungsgemäß so gestaltet, dass durch eine konvexe Ausgestaltung des Segelachterlieks das Segelprofil bei größeren Windstärken automatisch flachgezogen wird und so das krängende Moment verringert wird. Um ein konvexes Achterliek zu erhalten, wird in der ersten Ausführungsform das Segel im oberen Bereich durch eine steife Segellatte ausgestellt, während in der zweiten Version eine leichte Gaffel verwendet wird.

Der Stand der Technik und die Erfindung werden im weiteren anhand der folgenden Figuren beschrieben:
Die Zeichnungen zeigen in:
1: den Linienriss des bimodalen Rumpfes der Onkaye aus [1],
2: den Riss eines leichteren jollenartigen Segelbootes mit ausgeprägtem bimodalen Rumpf aus [2],
3a/b: die in US 5,163,377 angegebenen Rumpfformen,
4a/b: die in US 5,622,130 gezeigten bimodale Rümpfe mit Krängungskontrolleinrichtungen,
5: den in EP 1044873 A1 vorgeschlagenen Rumpf eines Binnenmotorschiffes,
6: den in DE 4125187 A1 gezeigten bimodalen Rumpf eines Segelbootes,
7: die in US 4,389,958 gegebene Ausgestaltung eines Katamaranrumpfes ohne Schwerter,
8a: die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Wasserlinien eines bimodalen Rumpfes,
8b: das gerenderte Bild der in 8a gegebenen Linien mit Anhängen,
9: die mit diesem Rumpf im Umlauftank vermessenen Widerstandsverläufe im Vergleich zu einer dem Stand der Technik entsprechenden IMS-Regattayacht,
10: die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines einziehbaren und um die Schiffslängsachse schwenkbaren Kiels (Canting Kiel) für Regattayachten,
11: die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines einziehbaren um die Schiffslängsachse schwenkbaren Kiels für Fahrtenyachten und
12: die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Großsegels mit konvexem Achterliek.
Anhand der 1–6 werden zunächst bekannte Entwürfe bimodaler Rümpfe beschrieben. Der erste bekannte bimodale Yachtentwurf ist die 1840 in den USA von R.L. Stephens entworfene und gebaute Onkaye, ein 30m Schoner mit dem in 1 gezeigten Riss. Der Rumpf weist einen S-förmigen Hauptspant auf, wobei dieser allerdings im Gegensatz zu klassischen Booten mit S-Spant nicht in einem Langkiel mit außen liegendem Ballast endet, sondern auch unten noch eine große Breite zur Aufnahme eines innen liegenden Ballastes aufweist. Das Unterwasserschiff weist auch im Vorschiffsbereich leicht konvexe Wasserlinien auf. Diese werden gleich nach der größten Breite, die etwa mittschiffs liegt, schon wieder annähernd symmetrisch zum Vorschiff eingezogen. Das obere Rumpfteil taucht stark in das Wasser ein und zeigt noch, wenn auch in abgemilderter Form, die typischen Linien eines reinen Verdrängerrumpfes. Das Schiff hat sich für damalige Verhältnisse als sehr schnell herausgestellt. Aufgrund des auf der gesamten Rumpflänge verteilten Ballastes hat sich aber ein hohes Trägheits moment insbesondere auch um die Schiffsquerachse ergeben, das zum Stampfen und allgemein sehr hohen Beschleunigungen im Seegang geführt hat (F. Giorgetti, [1]).
2 zeigt den Rumpf eines leichten Segelbootes aus [2], dessen Rumpf unter anderem auch nach Vermessungsgesichtspunkten ausgelegt worden ist. Hier trägt der halbkreisförmig ausgebildete untere Rumpfteil das gesamte Boot. Die maximale Tiefe liegt wieder etwa mittschiffs und der Radius verringert sich an beiden Enden bis auf Null an der CWL. Der jollenartige flache obere Bootsteil ragt deutlich in allen Richtungen über das untere Bootsteil hinaus. Der Übergang zwischen beiden Teilen weist einen scharfen Knick auf. Schon bei kleiner Krängung nimmt die in aufrechter Schwimmlage kleine benetzte Oberfläche sehr stark zu. Das zu den Mittellinien (längs und quer) symmetrische untere Rumpfteil erzeugt verglichen mit ähnlich schmalen Katamaranrümpfen aufgrund seiner Formgebung zudem noch einen relativ hohen Wellenwiderstand.
Auf ähnlichen Konstruktionsprinzipien wie das in 2 gezeigte Boot beruhen die in US 5,163,377 angegebenen und in 3a und 3b gezeigten Rumpfformen. Bei dem in 3b dargestellten Boot ,schwebt' das obere Rumpfteil allerdings deutlich über dem Wasser und es wird eine reine Gewichtsstabilität mit Hilfe eines Canting Kiels und dem sich auf den Auslegern befindlichen Mannschaftsgewicht hergestellt. Weitere Ausgestaltungen dieser Rumpfform sind in US 5,622,130 (siehe 4a und 4b) angeben. Hier wird der obere Rumpfteil so ausgeführt, dass mittels planer Flächen bei mäßigen Krängungen ein zusätzliches aufrichtendes Moment durch dynamischen Auftrieb erzeugt wird. Nicht zuletzt aufgrund der durch die Ausgestaltung des oberen Rumpfteiles bedingten mangelhaften Seetüchtigkeit der in den 2–4 gezeigten Entwürfe sind bisher keine erfolgreichen Realisierungen dieser Rümpfe bekannt geworden.
Ähnlich verhält es sich mit den EP 1044873 A1 (5) und DE 4125187 A1 (6) vorgeschlagenen Rümpfen. Im ersten Fall handelt es sich um den Rumpf für ein Binnenmotorboot, bei dem der Wellenwiderstand durch Interferenzen der Wellensysteme von unterem und oberen Rumpfteil verringert werden soll. Die Rumpfform ist konstruktionsbedingt nicht für seegehende Segelboote geeignet und selbst die Idee der Wellenwiderstandsverringerung durch Interferenzen ist bei Segelyachten nur von sehr eingeschränktem Nutzen, da ein Segelboot im Gegensatz zu einem Motorboot nicht konstant mit der günstigsten Geschwindigkeit fahren kann. Der in 6 gezeigte Entwurf aus DE 4125187 A1 ist zwar für den Einsatz bei Segelbooten gedacht, weist aber eine Reihe von Nachteilen auf: Zunächst ist das Boot aufgrund der durch das eingetauchte Heck viel zu großen benetzten Oberfläche im unteren Geschwindigkeitsbereich nicht konkurrenzfähig. Die Verminderung des Widerstandes des vom unteren Rumpfteil erzeugten Wellenbildes durch das eingetauchte Heck durch ,Plattdrücken' der Heckwelle des unteren Rumpfteiles dürfte zudem in keinem Verhältnis zu der mit einer größeren Wasserlinienlänge des unteren Teiles erzielbaren Widerstandsverminderung stehen, da hier die Stromlinien zweier völlig unterschiedlicher Verdrängungsmechanismen miteinander interferieren und zu einem relativ hohen induzierten Widerstand führen. Weiterhin führt das breite eingetauchte Heck zu einer starken Vertrimmung des Bootes bei Krängung und damit zu ungünstigem Seeverhalten.
Damit sich eine Segelyacht mit einem bimodalen Rumpf gegenüber vergleichbaren z.B. nach der IMS-Regeln gebauten Booten durchsetzen kann, sollte es möglichst unter allen Bedingungen, d.h. insbesondere auch an der Kreuz den konkurrierenden Entwürfen zumindest hinsichtlich des Geschwindigkeitpotenzials ebenbürtig sein. Wird weiterhin noch eine verbesserte Seetüchtigkeit angestrebt, ergeben sich folgende Anforderungen an einen bimodalen Rumpf:

1. Um den Reibungswiderstand bei niedrigen Geschwindigkeiten zu begrenzen, sollte wenigstens in aufrechter Schwimmlage die vom Wasser benetzte Rumpfoberfläche nicht größer als bei einem vergleichbaren (IMS) Schiff sein.
2. Der bei Krängung gegenüber einem IMS-Schiff stark zunehmende Reibungswiderstand sollte zumindest teilweise hinsichtlich seiner Auswirkungen auf die Polare des Rumpfes und seiner Anhänge, d.h. dem Auftriebs-/Widerstandsbeiwert (c_l/c_d) – Diagramm kompensiert werden. Um dieses zu erreichen, sollte das untere Rumpfteil zu der überwiegend vom Kiel erzeugten Seitenkraft beitragen.
3. Um im oberen Geschwindigkeitsbereich bei Froude Zahlen FN > 0.3 eine möglichst kleinen Wellenwiderstand zu erzielen, sollte das untere Rumpfteil Formen ähnlich denen eines Katamaranrumpfes aufweisen. Bei der Ausgestaltung der Rumpflinien ist die 2. Forderung zu berücksichtigen.
4. Zur Verminderung des Widerstandes bei Krängung sollte das obere Rumpfteil so ausgestaltet sein, dass • die Übergänge zwischen oberem und unterem Rumpfteil zur Reduzierung des induzierten Widerstandes deutlich ausgerundet sind. • Um dynamische nach unten gerichtete Kräfte zu vermeiden sollte das obere Rumpfteil in etwa das vom unteren Rumpfteil erzeugte Wellental ausfüllen und • dabei so ausgestaltet sein, dass bei typischen Krängungen keine ,hohlen', d.h. konvexen widerstandserhöhenden Wasserlinien im Knick zwischen oberem und unterem Rumpfteil entstehen.
5. Um im Seegang das hohe Geschwindigkeitspotenzial eines bimodalen Rumpfes zu erhalten, sind insbesondere zur Vermeidung von Resonanzerscheinungen wie Stampfen um die Querachse des Schiffes Eigenfrequenzen außerhalb kritischer Wellenfrequenzen zu erzielen. Dieses erfordert kleine Trägheitsmomente und eine ,große Federkonstante', d.h. große Rückstellkräfte des Rumpfes. Hohe Rückstellkräfte lassen sich bezüglich der Querachse des Schiffes sinnvoll nur durch eine langgestreckte Auftriebsverteilung erzeugen. Hierbei sind zur Vermeidung von Energie verzehrenden Slammingeffekten flache U-förmige Rumpfformen insbesondere im Vorschiffsbereich zu vermeiden. Da weiterhin eine große Federkonstante bei kleinen Auslenkungen zu hohen Mannschaft und Boot belastenden Beschleunigungen führt, sind vor allem im Vorschiffsbereich V-förmige Spannten zu verwenden und es sind vor allem kleine Trägheitsmomente zu erzielen.
6. Hinsichtlich der Bewegungen um die Schiffslängsachse kommt verglichen mit Stampfbewegungen erschwerend hinzu, dass schlecht gedämpfte Rollbewegungen zu einer Kenterung der Yacht führen können. Um diese Gefahr zu begrenzen, sollte • nach Möglichkeit die Eigenfrequenz des Bootes um die Rollachse wieder außerhalb kritischer Wellenfrequenzen liegen und • vor allem eine hohe Rolldämpfung vorhanden sein. Eine Erhöhung der Eigenfrequenzen durch eine Vergrößerung der Formstabilität hat nicht nur größere Rollbeschleunigungen zur Folge, sondern erhöht auch unerwünschterweise die negative statische Stabilität des Bootes. Eine Erhöhung der Rolleigenfrequenz durch Erhöhung der Gewichtsstabilität ist aufgrund der damit verbundenen Erhöhung des Trägheitsmomentes nicht sinnvoll. Es ist als entscheidender Sicherheits- und Komfortfaktor für die Mannschaft also im wesentlichen eine Erhöhung der Rolldämpfung anzustreben. Nach C.A. Marchaj [3] ist im Resonanzfall der maximale Rollwinkel φ_max des Bootes proportional zu φmax ~ 0.78 αmax(0.73 + 0.6 OG/Dr)/dwobei α_max die maximale Wellenneigung, d das logarithmische Dekrement der Rolldämpfung des Bootes, OG der nach oben positiv bewertete senkrechte Abstand des Gewichtsschwerpunktes von der Wasserlinie und D_r der Tiefgang des Rumpfes ist. (Der Faktor D_r im Klammerausdruck stellt eine Normierungsgröße dar, andererseits erhöht sich die Rolldämpfung d mit zunehmenden D_r). D.h. durch einen bimo dalen Rumpf mit seinem naturgemäß verhältnismäßig großen D_r und einem großen Gewichtsstabilitätsanteil wird unter gleichen Seegangsbedingungen der Rollwinkel φ_max verglichen mit einem IMS-Schiff deutlich verringert.
7. Das obere Rumpfteil sollte insbesondere im Heckbereich so gestaltet sein, dass sich bei Krängung keine starke Vertrimmung um die Querachse und keine größere Verlagerung des Seitenkraft-Druckpunktes des Unterwasserschiffs ergibt. Dabei sollte das Heck aber noch genügend Reserveauftrieb erzeugen können.

Wie in der folgenden Tabelle zusammenfassend darlegt wird, entsprechen die bisher bekannten und oben beschriebenen bimodalen Rumpfformen diesen Forderungen bestenfalls teilweise. In der Tabelle wird 0 für Fälle verwendet, bei denen keine eindeutige positive (+) oder negative (–) Aussage möglich ist.
Tabelle 1: Bewertung der bekannten bimodalen Entwürfe anhand der oben beschriebenen Kriterien ( EP 1044873 A1 ist auf Segelyachten nicht übertragbar)
Um die teilweise gravierenden Nachteile der bisher bekannten bimodalen Rumpfformen zu umgehen oder zumindest zu vermindern und den oben aufgestellten Anforderungen möglichst nahe zu kommen, wird erfindungsgemäß eine Katamaran-Rumpfform für das allein tragende schmale untere Rumpfteil so mit dem breiteren oberen Rumpfteil kombiniert, dass sich der ausgerundete Übergang auf Höhe der Konstruktionswasserlinie CWL befindet. Das tragende untere Rumpfteil ist dabei so ausgestaltet, dass es entsprechend obigen Forderungen bei Abdrift zusätzlich zum Kiel Seitenkräfte erzeugen kann. Weiterhin wird durch die gewählte Rumpfform die Roll dämpfung der Yacht erhöht bzw. bei Zusammenbruch des Auftriebs am Kiel überhaupt eine nennenswerte Rolldämpfung zur Verfügung gestellt. Diesen Anforderungen entsprechende Rumpflinien wurden für schwertlose Katamarane entwickelt und in Serie gebaut. Eine Beschreibung ist in US 4,389,958 (siehe 7) und DE 19652479 A1 gegeben. Derartige Rümpfe zeichnen sich zumindest im Vor- und Achterschiffsbereich durch V-förmige Spanten aus. Weiterhin nimmt der Tiefgang im Vorschiffsbereich kontinuierlich bis deutlich hinter der Schiffsmitte zu, so dass das Unterwasserschiff hinsichtlich der Erzeugung der Seitenkräfte einen wenn auch nicht sehr ausgeprägten Delta-Flügel-Umriss mit seinen bekannten Vorteilen für die Auftriebs-(Seitenkraft-) Erzeugung erhält. Diese grundlegenden bekannten Prinzipien werden nun für das Unterwasserschiff so umgesetzt, dass sich erfindungsgemäß bei möglichst geringer benetzter Oberfläche lange Wasserlinien ergeben und sich zur Erhöhung der Anfangsstabilität ein um typischerweise > 30° seitlich nach beiden Seiten ausschwenkbarer Kiel unterbringen läst. Weiterhin wird berücksichtigt, dass sich bei Einrumpf-(Regatta-) Yachten der Massenschwerpunkt relativ weit hinten befindet und dieses zu einer weit hinten liegenden Lage des Verdrängungsschwerpunktes des tragenden unteren Rumpfteiles führen muss.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Rumpfes wird im folgenden am einfachsten anhand des Wasserlinienrisses erklärt. Die Zahlenangaben beziehen sich dabei auf das in 8 gezeigte 10m Boot mit einer Verdrängung von ca. 2.5 to und können je nach Verwendungszweck unter Umständen z.B. bei einem Fahrtenschiff deutlich von diesen abweichen.
Zur Erreichung der genannten Ziele wird entsprechend 8a und 8b sowohl für den unteren als auch für den oberen Rumpfteil Wasserlinien verwendet, die wie die unterste gezeigte Wasserlinie (82) die Charakteristik eines symmetrischen Laminarprofiles aufweisen. Als charakteristisch für ein Laminarprofil werden hier Linien verstanden, die eine weit hinten, z.B. bei 50% der Profilsehne liegende maximale Profildicke aufweisen und die im hinteren Bereich nicht konkav zusammenlaufen. Bis auf die untersten Linien (82) werden die Profile allerdings nach vorne nicht konvex zulaufend verlängert. Wie beispielhaft an der untersten Wasserlinie 82 dargestellt, werden dabei von der vorzugsweise abgerundeten Spitze Tangenten 83 mit nach oben zunehmender leichter konkaver Krümmung an die Profillinien gelegt. Die neuen Spitzen liegen dabei mit nach oben abnehmender Tendenz typischerweise bei ca. 20% der Profilsehnenlänge vor der ursprünglichen Profilnase. Das Ende der Wasserlinien des tragenden Teils liegen zur Erzielung langer Wasserlinien im Heckbereich vorzugsweise auf einer Linie 85 und werden vorzugsweise noch durch ein angehängtes Ruder 87 verlängert. Im unteren Teil nimmt die Profillänge bzw. Wasserlinienlänge bis zur CWL 81 hin kontinuierlich zu, um eine möglichst kleine Bugwelle und den angestrebten ,Deltaflügel-Effekt' zur Erzeugung von Seitenkräften zu erzielen. Der maximale Tiefgang des unteren Rumpfteiles wird hier aus konstruktionsbedingten Gründen etwa im Bereich des schwenkbaren Kieles 88 erreicht. Neben der Verlängerung der Wasserlinien werden diese nach oben hin zur Aufnahme des Kielschwenkmechanismus kontinuierlich V-förmig verbreitert. Die relative Profildicke ändert sich aufgrund der gleichzeitig stattfindenden Wasserlinienverlängerung dabei nur im Bereich von ca. 8% bis auf 11% kurz unterhalb der CWL. Bei dem vorliegenden Boot liegen sämtliche maximalen „Profildicken" bezogen auf die Bootslänge bei ca. 60%.
Mit diesem Riss des tragenden Unterwasserschiffs werden unter Berücksichtigung konstruktionsbedingter Einschränkungen (Canting Kiel) die Ziele langer Wasserlinien mit scharfen V-förmigen Enden (zur Erhöhung von Seitenkräften und Rolldämpfung), kleinen Einlaufwinkeln zur Reduzierung des Wellenwiderstandes und einem relativ weit hinten liegendem Verdrängungsschwerpunkt erreicht.
Die Linien des Unterwasserschiffs werden von dem oberen Rumpfteil aufgenommen. Der Abstand der Wasserlinien nimmt dabei im Bereich der CWL 81 und darüber stark zu. Während im vorderen Bereich sämtliche Wasserlinien bei einem senkrechten Steven zum selben Punkt zusammenlaufen, behalten sie ab dem Bereich der maximalen Breite (Hauptspant) nach hinten mit leicht abnehmender Tendenz ihren Abstand bei, bis sie beim Übergang in die Bordwände 84 naturgemäß wieder eng zusammenrücken. In der Nähe der CWL 81 werden die Abstände so eingestellt, dass sich wie gefordert bei typischen Krängungen am Wind keine hohlen Wasserlinien ergeben. Hierzu werden die Tangenten an die Spanten in dem Bereich hinter dem ,weichen' Übergang von unterem zu oberen Rumpfteil so ausgerichtet, dass sie im Hauptspantbereich typischerweise –20° relativ zur Wasseroberfläche betragen. Damit werden wesentliche Bereiche des oberen Rumpfteils erst bei Krängungen benetzt, wie sie bei Kursen am Wind auftreten. Durch die Wasserlinienführung ergibt sich, dass die Wasserlinien des oberen Teils am Heck bzw. Ende der Linien des unteren Teils abgeschnitten werden und der Winkel der Spant-Tangenten hier typischerweise Werte von > 25° erreicht. Das Heck weist damit vorzugsweise die Form eines Spiegelhecks 86 auf. Durch die Beibehaltung des Laminarprofil ähnlichen Wasserlinienverlaufs im oberen Rumpfbe reich wird erreicht, dass der obere Rumpfteil in etwa das vom unteren Rumpfteil erzeugte Wellental ausfüllt. Weiterhin verhindert der Linienverlauf im Heckbereich bei ausreichendem Reserveauftrieb eine starke Vertrimmung des Bootes bei Krängung. Im Gegensatz zu einem IMS-artigen Rumpf sind hier im Heckbereich kleine flachen Längsschnitte erforderlich, da das Wasser nicht unter das Boot ,gedrückt' wird, sondern mit möglichst kleinem Drehimpuls seitlich am unteren Rumpfteil vorbeigeführt wird.
Das beschriebene relativ einfache Konstruktionsprinzip dieses bimodalen Rumpfes hat bei 1997 durchgeführten Versuchen in einem Umlauftank zu den in 9 gezeigten Widerstandsverläufen geführt. Die untere Kurve entspricht dabei der ,Designverdrängung' des Rumpfes (neues Model mit 5.51) 91, bei der mittleren Kurve (neues Modell mit 6.41) 92 wurde die Verdrängung der IMS-Regattayacht 93 angepasst. Eine Modellgeschwindigkeit von 2 m/sec entspricht bei einer Modelllänge von ca. 1.3 m einer Froude-Zahl von 0.56. Auf der negativen Seite fällt die konstruktionsbedingte große Sensibilität eines bimodalen Rumpfes gegenüber Überladung auf (Differenz der Kurven 91 und 92). Auf der positiven Seite steht aber die erhebliche Widerstandsverminderung bei aufrechter Schwimmlage gegenüber IMS-artigen Regattayachten. Diese beträgt hier im Bereich des Widerstandsminimums bei ca 1.9 m/sec Modellgeschwindigkeit 38% gegenüber der allerdings schwereren IMS-Yacht.
Bei Krängung liegt der Widerstand im unteren Geschwindigkeitsbereich aufgrund der deutlich größeren benetzten Oberfläche deutlich oberhalb der IMS-Yacht. Da eine größere Krängung aufgrund des Canting-Kiels allerdings nur bei Kursen am Wind auftritt, ist hier die c_l/c_d -Polare für die Bootsleistung entscheidend. Hier hat sich der bimodale Rumpf bei mittleren Krängungen als gleichwertig, bei kleinen und großen Krängungen gegenüber dem IMS-Boot als überlegen herausgestellt. Die Auslegungsziele wurden also mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des bimodalen Rumpfes ohne irgendwelchen durchgeführten Optimierungen schon hinsichtlich des Leistungspotenzials erreicht.
Ein bimodaler Rumpf kann sein Leistungspotenzial aufgrund der geringen Anfangsstabilität nur mit Hilfe eines seitlich schwenkbaren Kiels erreichen. Um die Gewichtsstabilität mit möglichst geringem Massenzuwachs zu erzielen, wird ein möglichst tief liegender Ballast 89 an einem einen Tragflügel ähnlichen Kiel 88 angestrebt. Hinsichtlich der Auftriebsverteilung dieses Kiels (Erzeugung der Seitenkraft) muss ein Kompromiss zwischen hoher Streckung (kleiner induzierter Widerstand) und einem möglichst kleinen vom Kiel erzeugten krängenden Moment gefunden werden. Um trotz eines großen Tiefgangs noch flachere Gewässer befahren zu können, wird der Kiel erfindungsgemäß einziehbar gestaltet. Sowohl für Canting Kiele als auch für einziehbare Kiele gibt es etliche unter anderem auch patentierte Lösungsvorschläge wie z.B. EP 0 855 339 A2 und EP 0 816 210 A2 . Für die Kombination beider Systeme sind bisher keine Lösungen bekannt. Im folgenden werden zwei Ausführungen eines einziehbaren Canting Keels beschrieben, eine Lösung für Regattaschiffe und eine platzsparende Variante für z.B. Fahrtenschiffe.
In 10 sind die wesentlichen Elemente einer für Regattaschiffe geeigneten Version vereinfachend schematisch gezeigt. Der Kiel 101 wird dabei in einem Kielkasten 102 geführt. Die Führung und ev. Verriegelung des Kiels gegenüber dem Kielkasten erfolgt nach dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren (z.B. EP 0 816 210 A2 o.ä.). Um die benetzte Oberfläche bei geeigneten Windbedingungen verringern zu können kann der Kiel in ausgefahrenem oder eingezogenem Zustand geschwenkt werden. Das Anheben des Kiels kann mittels üblicher Hydraulikzylinder oder Spindeln etc. erfolgen 103. Um den Kiel z.B. zum Transport oder Trockenfallen ganz einziehen zu können, wird bei senkrechter Stellung des Kiels bzw. Kielkastens der Kielkasten bzw. der Befestigungspunkt für den Hubmechanismus 104 teleskopartig durch eine Deckluke 105 ausgefahren (siehe 10b).
Das seitliche Ausschwenken des Kiels erfolgt nun typischerweise um Winkel > 30° durch eine Verkippung des Kielkastens 102 um die Schiffslängsachse mit Hilfe der Lager 106. Der Kielkasten ist mit Hilfe einer flexiblen Membran 107 gegenüber dem Rumpf abgedichtet. Um ein Volllaufen des Bootes bei Undichtigkeiten zu verhindern, befindet sich der Kielkasten zwischen zwei Schotts 108, die das Boot unterteilen.
Das Schwenken des Kielkastens erfolgt aus Gesamtgewichtsgründen durch möglichst weit oben angreifende Kräfte. Um bei häufigen Wendemanövern Energie zu sparen, wird ein Antrieb mit der Möglichkeit zur Energierückspeisung verwendet. Eine Möglichkeit ist durch möglichst weit unten angebrachte Elektromotoren mit 4 Quadrantensteller und Bremse gegeben. Die Energierückspeisung erfolgt während des Wendemanövers beim Zurückschwenken des Kiels in eine inertial senkrechte Position, während das anschließende Ausschwenken in die gegenüberliegende Position Energie erfordert. Die Kraftübertragung auf den Kielkasten hat dabei ohne selbsthemmendes Getriebe mit hohem Wirkungsgrad zu erfolgen. Eine Möglichkeit ist mit einem am Schott (108) befestigten Zahnradsegment gegeben. Ritzel, Getriebe und Motor mit Bremse sind am Kielkasten 102 befestigt. Andere Ausführungsform mit hohem Wirkungsgrad über Seilzüge, Ketten oder Zahnriemen sind realisierbar.
Bei einem erfindungsgemäß ausgestalteten bimodalen Rumpf ist es nach den Messergebnissen vorteilhaft, Seitenkräfte ohne Bootsabdrift, d.h. alleine durch den Kiel zu erzeugen. Dieser wird hierzu mit einer großen (ca. 30%) Klappe 109 ausgerüstet. Um die Auftriebsverteilung des Kielprofils einstellen zu können, kann die Klappe kann erfindungsgemäß flexibel ausgeführt werden. Hierzu wird die Klappe mit einem oder mehreren Antrieben verwunden. Bei nur einem Antrieb wrid die Klappe vorzugsweise am unteren Ende fest mit dem Kiel verbunden. Der Antrieb erfolgt z.B. durch in die Klappe schiebbare Vierkantrohre 110 von außerhalb des Kielkastens. Die gewünschte Auftriebsverteilung läst durch die Lage der Moment-Einleitungspunkte in die Klappe 111 und die Steifigkeitsverteilung der Klappe einstellen. Um ein günstiges c_l/c_d-Verhältnis zu erzielen, wird aufgrund vergleichbarer Reynolds-Zahlen wie im Segelflugzeugbau ein hier allerdings symmetrisches Laminarprofil mit weit hinter liegender Dicke eingesetzt. Zur Vermeidung von laminaren Ablösungen insbesondere bei Klappenausschlägen können bei diesen Profilen wie im Segelflugzeugbau im hinteren Bereich kurz vor der Klappe Turbulatoren 112 eingesetzt werden, die den Umschlag von laminarer zu turbulenter Strömung erzwingen. Die Turbulatoren können z.B. übliche bei Segelflugzeugen und Windmühlen eingesetzte Zackenbänder sein.
Nachteilig bei der vorgestellten Lösung ist, dass das Boot durch den vom schwenkbaren Kielkasten benötigten Platz in zwei Hälften geteilt wird, was insbesondere bei Fahrtenschiffen unerwünscht ist. Dieser Nachteil kann mit der in 11 schematisch gezeigten Ausführungsform umgangen werden. Hierbei ist der bewegliche Kielkasten 102 nur so hoch, dass die vom Kiel 101 aufgebrachten Momente sicher abgefangen werden können. Der Kiel wird jetzt in senkrechter Stellung in den oberen Kielkasten 113 eingezogen, der fest mit dem Rumpf verbunden ist. Das Hochziehen erfolgt durch z.B. an Spindeln 114 angebrachten Mitnahmeeinrichtungen 115, die in unterster Stellung die Mitnahmeeinrichtung des Kiels 116 zum Schwenken freigeben. Der Kiel wird in dieser Stellung durch geeignete dem Stand der Technik entsprechende Maßnahmen verriegelt. Eine teleskopartige Verlängerung des oberen Kielkastens durch das Deck ist wie in der ersten Ausführungsform möglich. Die aufgrund des nun kleineren Hebelarms deutlich größeren zum Verschwenken benötigten Kräfte können wie bei den meisten Canting Kiel Konstruktionen bisher üblich durch Hydraulikzylinder 117 aufgebracht werden, die beispielsweise außerhalb des Kielkastens 113 in einem durch abgedichtete Lager trocken gehaltenen Bereich liegen können.
Die beschriebenen Techniken zur Stabilitätserhöhung lassen sich auch bei Segelbooten mit konventionellen Rumpfformen vorteilhaft einsetzen.
Da der bimodale Rumpf in Verbindung mit einem Canting Keel ein relativ weit achtern liegenden Seitenkraftdruckpunkt aufweist, sollte bevorzugt ein Segelplan zu Anwendung kommen, bei dem nicht die Fock bzw. Genua den entscheidenden Vortrieb liefert, sondern vielmehr wieder wie bei Katamaranen das Großsegel. Bei Katamaranen eingesetzte durchgelattete Großsegel mit stark konvexem Achterliek sind allerdings schwer zu trimmen, da unter erhöhter Wind- bzw. Böenlast sich auch der Zug auf das Achterliek und damit auch unerwünschterweise die Wölbung des Segelprofils vergrößert. Um auch bei größeren böigen Windgeschwindigkeiten die Segelfläche nicht gleich verkleinern zu müssen, ist eine einfache Möglichkeit gesucht, das Segelprofil vor allem im oberen Bereich flach trimmen und damit das krängende Moment verringern zu können. Dieses Ziel kann erfindungsgemäß mit dem schematisch in 12 dargestellten Großsegel 120 mit konvexem Achterliek erreicht werden. In dem Segel ist eine relativ steife Segellatte 121 integriert, die das Segel oben ausstellt. Die Segellatte kann auch durch eine leicht gebaute und vorzugsweise profilierte Gaffel ersetzt werden, wobei dann das obere Segeldreieck 122 entfällt. Bei einer Erhöhung des Winddrucks weht der obere Teil des Segels bzw. die Gaffel stärker aus und das Achterliek wird gerader gezogen. Hierdurch wird zwangsweise die Segelwölbung wie erwünscht verringert. Die Größe der Ausrundung hängt von den Materialeigenschaften des Segels inklusive ev. vorhandener weiterer Latten 123 ab und wird mit geeigneten Programmen ermittelt.
Die konventionelle Gaffellösung weist im Gegensatz zur integrierten steifen Segellatte den Nachteil eines durch den oberen segellosen Mastteil und dem Piekfall 124 erzeugten erhöhten Widerstandes auf. Auf der anderen Seite beeinflusst nach Ergebnissen aus dem Flugzeugbau die Gaffel insbesondere mit einer stärkeren konvexen Ausrundung des Achterlieks im oberen Bereich die abgehenden Randwirbel durch eine Art Winglet-Effekt positiv und vermindert damit den induzierten Widerstand stärker als die Segellatten-Lösung. Eine relative Bewertung beider Lösungen ist nur durch aufwendige CFD (Computational Fluid Dynamics)- Untersuchungen und/oder Praxis-Tests möglich.
Neben aerodynamischen Vorteilen der Erfindung ist die deutlich verbesserte Trimmbarkeit des Großsegels hervorzuheben: Statisch kann die Wölbung des Segels effektiv durch die Unter- und Oberliekstrecker am Großbaum 125 bzw. der oberen Segellatte/Gaffel 121 eingestellt werden. Die Lage des Segelbauchs wird weitgehend durch die Steifigkeitsverteilung der Segellatten festgelegt, kann aber in Grenzen durch Veränderung des Winkels von Ober- und Unterliek relativ zum Mast verändert werden. Weiterhin wird die Wölbung zusammen mit dem Segeltwist durch die Spannung auf einen im Achterliek eingenähten Achterlieksstrecker 127 verändert. Eine teilweise Entkoppelung von Wölbung und Twist ist möglich, wenn das Auswehen der Gaffel/obere Segellatte durch eine weitere Kontrollleine 126 (Dirk) begrenzt wird. Ein automatischer Abgleich zwischen Segeltwist und Segelwölbung kann erfolgen, wenn die Spannung der Kontrollleine 126 und/oder des Achterliekstreckers 127 durch eine über einen Flaschenzug wirkende einstellbare Feder 128 kontrolliert wird. Diese zusätzlichen Freiheitsgrade beim Segeltrimm, d.h. die weitgehende Entkoppelung der Einstellung von Twist und Wölbung sind besonders dann hilfreich, wenn man aus aerodynamischen Gründen einen relativ starren drehbaren Profilmast einsetzt und die Segelwölbung und die Lage des Segelbauches nicht über die Mastbiegung kontrolliert werden kann.
Das beschriebene Großsegel mit seinen Kontrollmechanismen läßt sich auch vorteilhaft bei Segelbooten mit konventionellen Rumpf- und Kielformen einsetzen.

Claims

Segelboot bestehend aus einem schmalen das Fahrzeug in aufrechter Schwimmlage tragenden unteren Rumpfteil und einem sich darüber befindlichen größeren Rumpfteil, wobei die Wasserlinien zumindest des unteren tragenden Teil den charakteristischen Verlauf eines symmetrischen Laminarprofiles (82) mit weit hinten liegender maximaler Dicke aufweisen und die Wasserlinien mit Ausnahme des Bodenbereiches über die Laminarprofil-Kontur hinaus nach vorne nicht konvex zulaufend verlängert werden, wobei im tragenden Teil ein seitlich um die Schiffslängsachse schwenkbarer Kiel (101) angeordnet ist, welcher in einem im Schiffsrumpf um die Schiffslängsachse schwenkbaren Kielkasten (102) gelagert wird.
Segelboot nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Wasserlinien des tragenden Rumpfteiles von unten nach oben zunimmt.
Segelboot nach obigen Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Wasserlinien im Verhältnis zur Wasserlinienlänge (relative Profildicke) nach oben hin nicht abnimmt.
Segelboot nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der überwiegende Teil der Wasserlinien des unteren Rumpfteils am Heck auf einer Linie (85) enden, die gegenüber der Schiffshochachse weniger als 30° geneigt ist.
Segelboot nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linien des tragenden Rumpfteils nach hinten durch ein angehängtes Ruder (87) verlängert werden.
Segelboot nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserlinien des breiteren oberen, in aufrechter Schwimmlage nicht tragenden Teils einen ähnlichen Verlauf wie die des unteren Rumpfteiles aufweisen, welche im Heckbereich so abgeschnitten sind, dass sich ein Spiegelheck (86) ergibt.
Segelboot nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Wasserlinien des bei Krängung eintauchenden Teils des oberen Rumpfteils so verändert wird, dass ein Teil des oberen Rumpfteils erst bei Krängungswinkeln von > 10° vom Wasser benetzt wird.
Segelboot nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Konstruktionswasserlinie (81) in dem ausgerundeten Übergang von unterem zu oberen Rumpfteil befindet.
Segelboot nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kiel (101) in den Kielkasten (102) einziehbar ist.
Segelboot nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kiel (101) in einem im Schiffsrumpf um die Schiffslängsachse schwenkbaren Kielkasten (102) gelagert ist und der Kiel (101) in einen weiteren, sich darüber befindlichen und fest mit dem Rumpf verbundenen Kielkasten (113) eingezogen werden kann, sobald der untere bewegliche Kielkasten (102) entsprechend der Lage des oberen festen Kielkasten (113) ausgerichtet ist.
Segelboot nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Kielkasten durch eine flexible Dichtung (107) gegenüber dem Schiffskörper so abgedichtet ist, dass kein Wasser ins Rumpfinnere eindringen kann.
Segelboot nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kiel (101) mit Hilfe einer über das Deck hinausragenden teleskopartigen Verlängerung (104) des beweglichen Kielkastens (102) oder des festen oberen Kielkastens (113) oder der Lagerpunkte der Hubvorrichtungen (103) und/oder (114) ganz eingezogen werden kann.
Segelboot nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verschwenken des Kieles die benötigten Momente über ein nicht selbst hemmendes Getriebe mit möglichst hohem Wirkungsgrad aufgebracht werden und die beim Rückschwenken des Kieles in eine inertial senkrechte Lage gewonnene Energie mit Hilfe eines elektrischen Antriebes und eines vier Quadranten-Stellers zurückgespeist werden kann.
Segelboot nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kiel profiliert ist und mindestens mit einer Trimmklappe (109) ausgerüstet ist.
Segelboot nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftriebsverteilung des Kiels mit mindestens einem Stellmechanismus (110) und (111) und einem befestigten Klappenende oder bei einer am Ende nicht befestigten Klappe mit mindestens zwei Stellmechanismen über die Steifigkeitsverteilung der Klappe eingestellt werden kann.
Segelboot nach einem der vorangegangenen Ansprüche mit einem Großsegel (120), dadurch gekennzeichnet, dass sein Achterliek konvex verläuft und das Achterliek am oberen Ende an einer steifen Segellatte (121) befestigt ist.
Segelboot nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 15 mit einem Großsegel, dadurch gekennzeichnet, dass sein Achterliek konvex verläuft und das Achterliek am oberen Ende an einer leichten profilierten Gaffel befestigt ist.
Segelboot nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu einem Unterlieksstrecker am Großbaum (125) ein Oberlieksstrecker an der oberen Segellatte (121) oder Gaffel zur Kontrolle der Wölbung im oberen Segelbereich vorhanden ist.
Segelboot nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung von Segeltwist und Wölbung eine vom Segel unabhängige Kontrollleine (126) hinter dem Segel zwischen Großbaum (125) und Gaffel oder der oberen Segellatte (121) angebracht wird.
Segelboot nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die Kontrollleine (126) und/oder auf ein im Achterliek eingenähter Achterlieksstrecker (127) wirkenden Kräfte über Federn (128) eingestellt werden können.