DE2904915A1

DE2904915A1 - Selbstgetriebenes kugelfoermiges fahrzeug fuer ein stroemungsmittel

Info

Publication number: DE2904915A1
Application number: DE19792904915
Authority: DE
Inventors: Calvin A Gongwer
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1978-03-06
Filing date: 1979-02-09
Publication date: 1979-09-13
Also published as: FR2427247A1; IT1164991B; JPS54124498A; JPS6145598B2; FR2427247B1; GB2015454B; GB2015454A; IT7920737A0

Description

Selbstgetriebenes kugelförmiges Fahrzeug für ein Strömungsmittel

Die Erfindung betrifft ein allgemein kugelförmiges Fahrzeug, das sich in selbstgetriebener Weise durch ein Strömungsmittel fortbewegen kann.

Die Form von angetriebenen Unterwasserfahrzeugen hat sich auf der Basis von bestimmten hydrodynamischen und mechanischen Anforderungen über viele Jahre weiterentwickelt. Aerodynamische Überlegungen haben für Fahrzeuge, die leichter als Luft sind, wie Luftschiffe bzw. Kleinluftschiffe, zu ähnlichen Formen geführt. Wo eine ziemlich hohe Geschwindigkeit durch das Strömungsmittel gefordert wird, scheint sich eine rohrähnliche Form durchgesetzt zu haben, die am vorderen Ende abgerundet ist und in Richtung auf das rückwärtige Ende konisch zuläuft, wobei der Durchmesser so klein gehalten ist, wie es der Mechanismus im Inneren und/oder die Strömungserfordernisse ermöglichen, um auf diese Weise den Frontbereich möglichst klein zu halten. Diese allgemeine Form ist für Luftschiffe, bemannte Unterwasserfahrzeuge und unbemannte Fahrzeuge, wie Torpedos, üblich geworden. Die zum Antrieb von derartigen Fahrzeugen durch das Strömungsmittel benötigte Energie variiert in Abhängigkeit von einer Reihe von Faktoren, beispielsweise dem effektiven Frontbereich, der Oberflächenreibung und dem durch Ablösung der Strömung über der Körperoberfläche und den

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damit verbundenen Turbulenzen verursachten Reibungswiderstand. Ein üblicher Weg zur Vermeidung der Strömungsablösung über den rückwärtigen Flächen von derartigen Fahrzeugen besteht darin, eine konisch zulaufende Oberfläche vorzusehen, die von abrupten Diskontinuitäten frei ist, und einen Propeller oder ein Laufrad auf der Rückseite oder auf diese hin gerichtet anzubringen.

Es wurden darüber hinaus einige Anstrengungen unternommen, um kugelförmige Versuchsfahrzeuge zu testen und herzustellen, da derartige Fahrzeuge bestimmte Vorteile aufweisen. Es ist offensichtlich, daß kugelförmige Fahrzeuge relativ zu ihrer Oberfläche ein größeres Volumen aufweisen als anders geformte Fahrzeuge und daß sie Außendrücken einen

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größeren Widerstand entgegensetzen,r\daß sie leichter ausgebildet werden können als Fahrzeuge herkömmlicher Formen, da sie in geringerem Maße innere Verstrebungen oder Rippen benötigen. Aufgrund des größeren Durchmessers und des geringeren Umfangs an inneren Verstrebungen kann ein kugelförmiges Fahrzeug größere Objekte aufnehmen als ein rohrförmiges Fahrzeug mit vergleichbarem Rauminhalt. Wenn ein Sonar-Gerät eingebaut werden muß, ermöglicht der größere Durchmesser die Verwendung einer Wandleranordnung von bedeutend größerem Umfang,als am vorderen Ende eines rohrförmigen Fahrzeuges eingebaut werden kann , so daß eine viel bessere Sanar-Leistung erreicht wird.

Trotz der obigen und anderer möglicher Vorteile der Kugelform für Unterwasserfahrzeuge kam diese in der Vergangenheit nicht zur

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Anwendung, da Versuche gezeigt haben, daß derartige kugelförmige Körper van Natur aus instabil sind. Normalerweise wurden kugelförmige Fahrzeuge, die leichter als Luft sind, als Ballons, jedoch nicht als Luftschiffe bzw. Kleinluftschiffe eingesetzt, da ihr Frontalbereich übermäßig groß ist. Bei in der Vergangenheit durchgeführten Versuchen in bezug auf die Bewegung eines kugelförmigen Körpers durch Wasser mit einer beliebigen Geschwindigkeit stellte man fest, daß die Strömungsgrenzschicht im hinteren Teil der Kugel zuerst an einer radialen Stelle und danach an einer anderen abriß. Dies führt zu einem niedrigen Druck im Abreißbereich, während sonst überall hoher Druck herrscht, wodurch die Kugel in Richtung auf den Niederdruckbereich verzögert wird. Diese Verschiebung führt zu einer Verzögerung der Strömung in dem ersten Bereich, wodurch der Strömungskontakt in diesem Bereich wieder hergestellt wird, jedoch irgendwo anders abreißt. Die Kugel bewegt sich dann in Richtung auf den neuen Bereich mit niedrigem Druck. Dieses Phänomen, das sowohl bei Luft- als auch Wasserfahrzeugen auftritt, bewirkt, daß das Fahrzeug kontinuierlich vor- und zurückschwingt. Derartige Schwingungen sind naturgemäß wenig wünschenswert, und der Reibungswiderstand wird zu hoch, was einen zu hohen Energieverbrauch mit sich bringt.

Erfindungsgemäß wird ein allgemein kugelförmiges Fahrzeug vorgeschlagen, das sich in selbstgetriebener Weise durch ein Strömungsmittel fortbewegen kann und das einen äußeren Propeller aufweist. Das Fahrzeug ist dadurch gekennzeichnet, daß sich der Propeller in Bewegungsrichtung des

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Fahrzeuges an dessen Rückseite befindet und etwa dem halben Kugeldurchmesser entspricht, so daß er einen beträchtlichen Teil der Strömungsgrenzschicht an dBr Fahrzeugrückseite ansaugt, und daß eine Vielzahl von Führungsstiften und Betätigungseinrichtungen für diese hinter dem Maximalkreis der Kugel in deren Bewegungsrichtung angeordnet ist, wobei die Stifte zur Lenkung des Fahrzeuges in die Strömung um das Fahrzeug herum ausfahrbar sind.

Wenn eine Strömungsablösung sowie Turbulenzen aufzutreten beginnen, saugt der Propeller sofort das Totwasser oder die Totluft ab und stellt das gebundene Strömungsbild wieder her» Der Propeller saugt einen Teil der Grenzschicht an und führt ausreichend Energie zu, um seine abstromseitige Geschwindigkeit so wiederherzustellen, daß sie gerade über der freien Strömungsgeschwindigkeit liegt. Dadurch wird ein nahezu totwasser- bzw. wirbelfreier Antrieb erreicht, bei dem Wirbel mit nahezu keiner oder einer sehr geringen absoluten Geschwindigkeit zurückbleiben.

Die FUhrungsstifte werden von den Betätigungseinrichtungen so betrieben, daß sich bei einer gewünschten Richtungsänderung ein ausgewählter Stift oder ausgewählte Stifte eine veränderliche Strecke von der Oberfläche des Gehäuses nach außen erstrecken und dadurch einen Reibungswiderstand erzeugen, der zur Drehung der Kugel eingesetzt wird.

Bei einigen Anwendungsfällen kann es erforderlich oder wünschenswert sein, eine Vielzahl von Stummelflüge1-Wirbelerzeugern einzubauen, die

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zur Verhinderung der Strömungsablösung beitragen und die Strömung direkt dem Laufrad oder dem Propeller zuführen und die auch als Einrichtungen zur Kompensation des durch das Laufrad erzeugten Drehmomentes dienen. Derartige Stummelflügel-Wirbelerzeuger können auch so gesteuert werden, daß sie eine Abrollstabilisierung darstellen.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht eines erfindungsgemäßen Fahrzeuges in Verbindung mit dem Strömungsmittel, in dem es sich in Betrieb befindet;

Fig. 2 eine Rückansicht eines erfindungsgemäßen Fahrzeuges; Fig. 3 einen Schnitt entlang Linie 3-3 in Fig. 2;

Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht eines Teiles von Fig. 3 gemäß Linie 4-4;

Fig. 5 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in verkleinertem Maßstab; und

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Fig. 6 eine Reihe von Diagrammen, die Operationsphasen eines Fahrzeuges gemäß den Fig. 1-5 zeigen.

In Fig. 1 ist ein kugelförmiges Fahrzeug 10, das an seiner Rückseite einen Propeller 12 aufweist, in Verbindung mit einem Strömungsbild dargestellt, das zur Charakterisierung des Strömungsmittels dient, in dem sich das Fahrzeug bewegt. Dieses Strömungsmittel kann sowohl gasförmig (Luft) als auch flüssig (Wasser) sein, wobei das Strömungsbild ähnlich ist. Wenn eine Kugel mit beträchtlicher Geschwindigkeit durch ein Strömungsmittel bewegt wird, findet in Richtung auf das hintere Ende des Fahrzeuges eine Ablösung der Strömungsfäden statt, was zu Bereichen mit niedrigem und hohem Druck und zu Turbulenzen führt, wodurch sich die Kugel auf instabile Weise bewegt und insbesondere eine beträchtliche Seitwärtsbewegung ausführt, woraus ein entsprechender Strömungswiderstand resultiert. Der Propeller 12 dient dazu, die Strömung an sich heranzuziehen, um dadurch zu erreichen, daß ein glattes Strömungsbild verbleibt und daß die Strömung an der Kugelwand anhaftet, bis sie durch den Propeller läuft. Der Propellerdurchmesser entspricht normalerweise etwa dem halben Kugeldurchmesser, und der übliche Abstand zwischen dar Propellerspitze und dem kugelförmigen Fahrzeug beträgt etwa 7°/d des Kugeldurchmessers.

In Fig. 2 ist ein kugelförmiges Fahrzeug in Rückansicht gezeigt, das ein Gehäuse 10 und einen an der Rückseite desselben montierten

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Propeller 12 aufweist. Vor dem Propeller 12 ist eine Reihe von kleinen Hilfsrudern oder Stummelflügel-Wirbelerzeugern 14 angeordnet, die zur Verhinderung der Ablösung der Strömungsfäden beitragen. Sie sind darüber hinaus winklig angeordnet, um ein Ausgleichsdrehmoment zur Laufradreaktion vorzusehen, wodurch der Abrolleffekt des Drehmomentes der Welle verringert wird. Noch weiter vorne und unmittelbar hinter dem Maximalkreis der Kugel, in Strömungsrichtung gesehen, ist eine Vielzahl von kleinen Betätigungseinrichtungen 16 (hydraulisch oder elektromagnetisch wirkend) angeordnet, die eine Vielzahl von Führungsstiften 18 relativ zur Oberfläche des Gehäuses 10 ein- und auswärtsbewegen, um das Fahrzeug bezüglich der Quer- und Längsneigung zu steuern.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt entlang Linie 3-3 in Fig. 2. Dabei ist das Gehäuse 10 mit einem Elektromotor 20 gezeigt, der mit einem Getriebe 22 verbunden ist, das eine Ausgangswelle 24 aufweist, die an die Nabe des Propellers 12 angeschlossen ist.

Am vordersten Teil des Gehäuses 10 befindet sich eine großräumige Kammer 26, die eine Anordnung von Sonar-Wandlern 2Θ enthält, von denen einige zur Aussendung eines Schallsignals und einige zum Empfang der Echos des ausgesendeten Signals dienen. Unmittelbar hinter der Kammer 26 befindet sich ein Nutzlastraum 30, durch den sich ein

die Kanal 32 für Verdrahtung etc. erstreckt, durch die\Sonar-Wandler 28

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mit einem Leit- und Steuersystem 34 verbunden sind. Unmittelbar hinter dem Leit- und Steuersystem befindet sich eine Vielzahl van Batterien 36, die als Energiequelle für das Laufrad 1Θ sowie das Leit- und Steuersystem dienen.

Die Betätigungseinrichtungen 16 für die Führungsstifte werden durch ein Leitsystem derart gesteuert, daß sie so weit von der Oberfläche vorstehen, wie es zum Steuern des Fahrzeugs erforderlich ist. Normalerweise sind zwei von diesen Führungsstiften und Betätigungseihrichtungen zur Regulierung der Querneigung und zwei weitere zur Regulierung der Längsneigung des Fahrzeuges vorgesehen. Da das Fahrzeug so konstruiert sein soll, daß sich sein Schwerpunkt im wesentlichen unterhalb des geometrischen Mittelpunktes des Fahrzeugs befindet, stellt die Abrollsteuerung normalerweise kein Problem dar. Offensichtlich läßt sich mit den Sfcummelflügel-Wirbelerzeugern 14 eine gewisse Abrollsteuerung erreichen, wobei einige oder alle Wirbelerzeuger bezüglich ihrer Wirkungsweise regulierbar sein können, falls dies gewünscht wird. Während in Fig. 1 ein Ring von derartigen Wirbelerzeugern gezeigt ist, kann auch eine geringere Anzahl ausreichend sein, und einige oder alle Wirbelerzeuger können zur Abrollsteuerung entweder drehbar oder wahlweise zurückziehbar ausgebildet sein, wie dies auch bei den Führungsstiften 18 der Fall ist. Es existiert somit eine Anzahl von Möglichkeiten bezüglich der Ausstattung der vorstehend beschriebenen Steuerflächen, um eine Steuerung in der Abrollebene durchzuführen.

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Das vorstehend beschriebene spezielle Fahrzeug kann insbesondere als Torpedo eingesetzt werden, obgleich auch ein bemanntes Fahrzeug bezüglich der Steuerung im wesentlichen gleich ausgebildet sein würde. Normalerweise würde jedoch dann der Batterieantrieb durch einen bei Unterwasserfahrzeugen typischen Antrieb ersetzt, beispielsweise durch diesel-elektrische Systeme, Kernenergieantriebe etc.

Fig. 4 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teiles der Fig. 2, einen einzelnen Stummelflügel-Wirbelerzeuger 14. Obgleich der dargestellte spezielle Wirbelerzeuger als geringfügig konvex gekrümmter Stummel— flügel ausgeführt ist, der manuell in die gewünschte Lage gebracht und dann, beispielsweise mittels einer Stellschraube, in dieser Lage fixiert wird, können derartige Elemente auch zurückziehbar ausgebildet sein, beispielsweise mittels Einrichtungen in der Art der die Führungsstifte steuernden Betätigungseinrichtungen, oder sie können über geeignete Dreheinrichtungen, die von dem Leit- und Steuersystem 34 angetrieben werden, während des Betriebes gedreht werden. Synchrogeräte stellen einen Typ einer geeigneten Drehsinrichtung für derartige Wirbelerzeuger dar, die auch durch geeignete hydraulische Dreheinrichtungen betätigt werden können.

Fig. 5 zeigt eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung in verkleinertem Maßstab. Bei dieser Ausführungsform entsprechen alle Teile im wesentlichen den Teilen der Ausführungsform der Fig. 1 und 2, mit der Ausnahme, daß die Leitschaufeln oder

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Stummelflügel-Wirbelerzeuger in anderen Positionen gezeigt sind, und zwar näher am Laufrad 12.

Das vorstehend beschriebene selbstgetriebene kugelförmige Fahrzeug besitzt die Eigenschaft, daß es bei Bewegung gegen eine feste Oberfläche oder, wenn es eine solche Oberfläche streift, dazu neigt, in eine Lage abzurollen, in der es die Oberfläche direkt oder senkrecht dazu ansteuert, wenn sich der Propeller an der Rückseite dreht.

Die Schubkraft verläuft durch die Mitte und erzeugt ein Moment um den

so
Kontaktpunkt in einer Richtung,\ daß sich die Schubachse normal zu der Oberfläche stellt,, mit der sich das Fahrzeug in Kontakt befindet. In Fig. S(a) ist ein kugelförmiges Fahrzeug 40 gezeigt, das sich einer festen Oberfläche 42 unter einem Winkel nähert, wie durcn\pfeil T angedeutet ist. Fig. 6(b) zeigt das Fahrzeug 40, wie es gerade mit der Oberfläche 42 in Kontakt tritt. Der Schubkraft T des Propellers wirkt am Kontaktpunkt eine erste Kraft N normal zur Oberfläche und eine zweite Kraft F parallel zur Oberfläche entgegen, woraus eine Rotation des Fahrzeuges 40 in Richtung des Pfeils resultiert. Diese Drehung setzt sich so lange fort, bis das Fahrzeug eine Lage erreicht, in der die Schubkraft T senkrecht auf die Oberfläche 42 einwirkt, wie in Fig,, ö(c) gezeigt ist. Zu diesem Zeitpunkt existiert keine Horizontalkraft mehr, die eine Rotation des Fahrzeuges verursacht.

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Fig. S(d) ist eine ähnliche Darstellung wie Fig. 6(b), mit der Ausnahme, daß sich hierbei die Oberfläche 42 in der mit dem Pfeil V angedeuteten Richtung bewegt. In diesem Fall ist eine entgegenwirkende. Kraft vorhanden, die das Fahrzeug 40 in einer Lage verbleiben läßt, bei der die Wirkungslinie der Schubkraft mit der Oberfläche einen geringeren Winkel als 90 bildet.

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Claims

THE BENDIX CORPORATION « ς « / ς - ς Executive Offices Bendix Center Southfield, Michigan 48076, USA M-4846 8. Februar 1979 Patentansprüche

1. Allgemein kugelförmiges Fahrzeug, das mittels eines äußeren Propellers durch ein Strömungsmittel treibbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Propeller in Bewegungsrichtung des Fahrzeuges an dessen Rückseite befindet und etwa dem halben Kugeldurchmesser entspricht, so daß er einen beträchtlichen Teil der Strömungsgrenzschicht an der Fahrzeugrückseite ansaugt, und daß eine Vielzahl von Führungsstiften und Betätigungseinrichtungen für diese hinter dem Maximalkreis der Kugel in deren Bewegungsrichtung angeordnet ist, wobei die Stifte zur Lenkung des Fahrzeuges in die Strömung um das Fahrzeug herum ausfahrbar sind.

2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Maximalkreis der Rotation des Propellers von der Oberfläche des Gehäuses in einem Abstand angeordnet ist, der etwa 7°/_a des Durchmessers des kugelförmigen Gehäuses beträgt.

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3. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Propeller eine Nabe mit beträchtlichem Durchmesser nahe dem kugelförmigen Gehäuse aufweist und zur Rückseite hin konisch zuläuft, um zur Sicherung einer am Gehäuse anhaftenden Strömung beizutragen.

4. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Führungsstifte so angeordnet und betätigbar sind, daß sie die Bewegung des Fahrzeuges in Querrichtung steuern.

5. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Führungsstifte so angeordnet und betätigbar sind, daß sie die Bewegung des Fahrzeuges in Längsrichtung steuern.

6. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl der Führungsstifte angeordnet ist, um die Abrollbewegung des Fahrzeuges zu steuern, und daß die Führungsstifte kleine Leitflossen aufweisen.

7. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Stummelflügel-WirbelerzBugern an der Rückseite des Gehäuses angeordnet ist, um eine anhaftende Strömung in den Propellerbereich zu erzeugen, und daß diese Wirbelerzeuger derart winklig angeordnet sind, daß das darüber strömende Medium dem Drehmoment des Propellers entgegenwirkt.

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8. Fahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Wirbelerzeuger beweglich sind, um eine Abrollstabilisierung des Fahrzeugs zu erreichen.

9. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwerpunkt der Kugel im wesentlichen unterhalb des geometrischen Mittelpunkts derselben liegt.

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