EP3568346B1 - Device and method for controlling an underwater vehicle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung eines Unterwasserfahrzeugs, wobei die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahren zur Bestimmung von hydrodynamischen Koeffizienten eines Unterwasserfahrzeugs ausgebildet ist.The invention relates to a device and a method for controlling an underwater vehicle, the device being designed to carry out a method for determining hydrodynamic coefficients of an underwater vehicle.

Derzeit verwenden Unterwasserfahrzeuge, insbesondere Unterseeboote, Vorrichtungen, um die Tiefe des Unterwasserfahrzeugs konstant zu halten. Alle weiteren Steuervorgänge werden manuell durch die Mannschaft vorgenommen, wodurch es darauf ankommt, dass die Mannschaft aus Erfahrung die richtigen Steuervorgänge vornimmt, um den gewünschten Kurs zu fahren.Currently, underwater vehicles, particularly submarines, use devices to keep the depth of the underwater vehicle constant. All further steering processes are carried out manually by the team, which means that it is important that the team carries out the correct steering processes from experience in order to drive the desired course.

Eine Automatisierung ist kaum möglich, da die exakte Beschreibung der wirkenden Kräfte komplex ist und präzise Kenntnis der hydrodynamischen Koeffizienten voraussetzt. Diese können jedoch theoretisch für den konkreten Einzelfall nur bei Kenntnis aller Parameter berechnet werden, wobei die Kenntnis aller Parameter praktisch nie gegeben ist. Außerdem können sich diese Koeffizienten während eines Einsatzes oder zwischen Einsätzen verändern. Beispielsweise kann bei einem Unterwasserfahrzeug mit einer Verdrängung von etwa 2000 Tonnen bereits eine Gewichtsveränderung beziehungsweise Gewichtsverlagerung von 200 kg eine merkbare Veränderung der hydrodynamischen Koeffizienten bewirken.Automation is hardly possible, as the exact description of the forces acting is complex and requires precise knowledge of the hydrodynamic coefficients. Theoretically, however, these can only be calculated for the specific individual case if all parameters are known, with knowledge of all parameters practically never being given. In addition, these coefficients can change during a mission or between missions. For example, in an underwater vehicle with a displacement of about 2000 tons, a weight change or weight shift of 200 kg can already cause a noticeable change in the hydrodynamic coefficients.

Bei stationärer Fahrt eines Unterseeboots ist insbesondere die auf das Boot wirkende Normalkraft gleich null. Diese wird durch die folgende Gleichung beschrieben: $$Z_{\ast }^{\prime }+Z_w^{\prime }\cdot \tan \left(\alpha \right)+Z_{\left|w\right|}\cdot \left|\tan \left(\alpha \right)\right|+Z_{w\left|w\right|}^{\prime }\cdot \tan \left(\alpha \right)\cdot \left|\tan \left(\alpha \right)\right|+Z_{\mathit{ww}}^{\prime }\cdot {\tan }^2\left(\alpha \right)+f_x\cdot Z_{\mathit{\delta s}}^{\prime }\cdot {\delta }_s+Z_{\mathit{\delta b}}^{\prime }\cdot {\delta }_b+\left(f_x\cdot Z_{\mathit{\delta s\eta }}^{\prime }\cdot {\delta }_s+Z_{\mathit{w\eta }}^{\prime }\cdot \tan \left(\alpha \right)+Z_{w\left|w\right|\eta }^{\prime }\cdot \tan \left(\alpha \right)\cdot \left|\tan \left(\alpha \right)\right|\right)\cdot \left(\eta \cdot C-1\right)+\frac{W\prime -B\prime }{u{\prime }^2}\cdot \cos \left(\theta \right)\cdot \cos \left(\varphi \right)=0$$

During stationary travel of a submarine, in particular the normal force acting on the boat is equal to zero. This is described by the following equation: $$Z_{\ast }^{\prime }+Z_w^{\prime }\cdot \tan \left(\alpha \right)+Z_{\left|w\right|}\cdot \left|\tan \left(\alpha \right)\right|+Z_{w\left|w\right|}^{\prime }\cdot \tan \left(\alpha \right)\cdot \left|\tan \left(\alpha \right)\right|+Z_{\mathit{ww}}^{\prime }\cdot {\tan }^2\left(\alpha \right)+f_x\cdot Z_{\mathit{\delta s}}^{\prime }\cdot {\delta }_s+Z_{\mathit{\delta b}}^{\prime }\cdot {\delta }_b+\left(f_x\cdot Z_{\mathit{\delta s\eta }}^{\prime }\cdot {\delta }_s+Z_{\mathit{w\eta }}^{\prime }\cdot \tan \left(\alpha \right)+Z_{w\left|w\right|\eta }^{\prime }\cdot \tan \left(\alpha \right)\cdot \left|\tan \left(\alpha \right)\right|\right)\cdot \left(\eta \cdot \mathrm{C.}-1\right)+\frac{\mathrm{W.}\prime -\mathrm{B.}\prime }{u{\prime }^2}\cdot \cos \left(\theta \right)\cdot \cos \left(\varphi \right)=0$$

Ebenso gilt für die bei stationärer Fahrt am Boot, dass die angreifenden Trimmmomente gleich null sind. Dieses beschreibt die folgende Gleichung: $$M_{\ast }^{\prime }+M_w^{\prime }\cdot \tan \left(\alpha \right)+M_{\left|w\right|}\cdot \left|\tan \left(\alpha \right)\right|+M_{w\left|w\right|}^{\prime }\cdot \tan \left(\alpha \right)\cdot \left|\tan \left(\alpha \right)\right|+M_{\mathit{ww}}^{\prime }\cdot {\tan }^2\left(\alpha \right)+f_x\cdot M_{\mathit{\delta s}}^{\prime }\cdot {\delta }_s+M_{\mathit{\delta b}}^{\prime }\cdot {\delta }_b+\left(f_x\cdot M_{\mathit{\delta s\eta }}^{\prime }\cdot {\delta }_s+M_{\mathit{w\eta }}^{\prime }\cdot \tan \left(\alpha \right)+M_{w\left|w\right|\eta }^{\prime }\cdot \tan \left(\alpha \right)\cdot \left|\tan \left(\alpha \right)\right|\right)\cdot \left(\eta \cdot C-1\right)+\frac{x_G^{\prime }\cdot W\prime -x_B^{\prime }\cdot B\prime }{u{\prime }^2}\cdot \cos \left(\theta \right)\cdot \cos \left(\varphi \right)+\frac{x_G^{\prime }\cdot W\prime -x_B^{\prime }\cdot B\prime }{u{\prime }^2}\cdot \sin \left(\theta \right)=0$$

The same applies to those with stationary travel on the boat that the applied trim torques are equal to zero. This describes the following equation: $${\mathrm{M.}}_{\ast }^{\prime }+{\mathrm{M.}}_w^{\prime }\cdot \tan \left(\alpha \right)+{\mathrm{M.}}_{\left|w\right|}\cdot \left|\tan \left(\alpha \right)\right|+{\mathrm{M.}}_{w\left|w\right|}^{\prime }\cdot \tan \left(\alpha \right)\cdot \left|\tan \left(\alpha \right)\right|+{\mathrm{M.}}_{\mathit{ww}}^{\prime }\cdot {\tan }^2\left(\alpha \right)+f_x\cdot {\mathrm{M.}}_{\mathit{\delta s}}^{\prime }\cdot {\delta }_s+{\mathrm{M.}}_{\mathit{\delta b}}^{\prime }\cdot {\delta }_b+\left(f_x\cdot {\mathrm{M.}}_{\mathit{\delta s\eta }}^{\prime }\cdot {\delta }_s+{\mathrm{M.}}_{\mathit{w\eta }}^{\prime }\cdot \tan \left(\alpha \right)+{\mathrm{M.}}_{w\left|w\right|\eta }^{\prime }\cdot \tan \left(\alpha \right)\cdot \left|\tan \left(\alpha \right)\right|\right)\cdot \left(\eta \cdot \mathrm{C.}-1\right)+\frac{x_G^{\prime }\cdot \mathrm{W.}\prime -x_{\mathrm{B.}}^{\prime }\cdot \mathrm{B.}\prime }{u{\prime }^2}\cdot \cos \left(\theta \right)\cdot \cos \left(\varphi \right)+\frac{x_G^{\prime }\cdot \mathrm{W.}\prime -x_{\mathrm{B.}}^{\prime }\cdot \mathrm{B.}\prime }{u{\prime }^2}\cdot \sin \left(\theta \right)=0$$

Die z-Richtung ist die Richtung senkrecht zur Längsachse des Unterseebootes, wobei positive Werte nach unten zeigen.The z-direction is the direction perpendicular to the longitudinal axis of the submarine, with positive values pointing downwards.

Die y-Richtung ist die Richtung quer zur Längsachse des Unterseebootes, wobei positive Werte nach steuerbord zeigen.The y-direction is the direction transverse to the longitudinal axis of the submarine, with positive values pointing to starboard.

Hierbei ist:
δ _s  der hintere Tiefenruderwinkel,
δ _b  der vordere Tiefenruderwinkel,
α  der Anstellwinkel des Unterseeboots,
β  der Driftwinkel des Unterseeboots,
f_x   ein Faktor für Ruder, bei X-Ruder f_x = 4, bei Kreuzruder f_x = 1,
η  das Verhältnis $\frac{u_c}{u},$

W  das Gewicht des Unterseeboots einschließlich gefluteter Freiräume,
$W\prime =\frac{W}{\frac{\rho }{2}\cdot L^2\cdot {\bar{U}}^2}$

  ein dimensionsloser Wert,
B  der Formauftrieb des Unterseeboots,
$B\prime =\frac{B}{\frac{\rho }{2}\cdot L^2\cdot {\bar{U}}^2}$

  ein dimensionsloser Wert,
C  der Ursprung des bootsfesten Koordinatensystems,
L  die Länge des Unterseeboots,
ρ  die Dichte des umgebenden Wassers,
g  die Erdbeschleunigung,
U  die Geschwindigkeit des Unterseeboots bei Fahrt durch das Wasser,
u  die Geschwindigkeitskomponente in x-Richtung,
U   die Geschwindigkeit des Unterseeboots bei stationärer Fahrt durch das Wasser für einen frei wählbaren Referenzfahrtzustand,
u_c   die Propulsionsgeschwindigkeit, welche der Geschwindigkeit u entspricht, die das Boot bei der momentanen Propellerdrehzahl bei Vorausfahrt auf ebenem Kiel mit Nullruderlagen erreichen würde, $u_c^{\prime }=\frac{u}{\bar{U}}$

ein dimensionsloser Wert,
v  die Geschwindigkeitskomponente in y-Richtung quer zum Unterseeboot,
$v\prime =\frac{v}{\bar{U}}$

  ein dimensionsloser Wert,
w  die Geschwindigkeitskomponente in z-Richtung normal zum Unterseeboot,
$w\prime =\frac{w}{\bar{U}}$

  ein dimensionsloser Wert,
Z  die Hydrodynamische Kraft in z-Richtung,
Z _∗  der Koeffizient zur Beschreibung der Normalkraft Z als Funktion von u ²,
$Z_{\ast }^{\prime }=\frac{Z_{\ast }}{\frac{\rho }{2}{L}^2}$

  ein dimensionsloser Wert,
Z_w   der Koeffizient zur Beschreibung der Normalkraft Zals Funktion von dem Produkt u·w,
$Z_w^{\prime }=\frac{Z_w}{\frac{\rho }{2}{L}^2}$

  ein dimensionsloser Wert,
Z _|w|  der Koeffizient zur Beschreibung der Normalkraft Zals Funktion von dem Produkt u·|w|,
$Z_{\left|w\right|}^{\prime }=\frac{Z_{\left|w\right|}}{\frac{\rho }{2}{L}^2}$

  ein dimensionsloser Wert,
Z _w|w|  der Koeffizient zur Beschreibung der Normalkraft Zals Funktion von $w\cdot \sqrt{v^2+w^2}$

,
$Z_{w\left|w\right|}^{\prime }=\frac{Z_{w\left|w\right|}}{\frac{\rho }{2}{L}^2}$

  ein dimensionsloser Wert,
Z_ww   der Koeffizient zur Beschreibung der Normalkraft Z als Funktion von |w|. $\sqrt{v^2+w^2},$

$Z_{\mathit{ww}}^{\prime }=\frac{Z_{\mathit{ww}}}{\frac{\rho }{2}{L}^2}$

  ein dimensionsloser Wert,
Z _w|w|η   der Koeffizient zur Beschreibung der Normalkraft Z als Funktion von w · $\sqrt{v^2+w^2\cdot }\left(\eta \cdot C-1\right),$

$Z_{w\left|w\right|\eta }^{\prime }=\frac{Z_{w\left|w\right|\eta }}{\frac{\rho }{2}{L}^2}$

  ein dimensionsloser Wert,
Z_δs   der Koeffizient zur Beschreibung der Normalkraft Z als Funktion von u ²·δ_s ,
$Z_{\mathit{\delta s}}^{\prime }=\frac{Z_{\mathit{\delta s}}^{\prime }}{\frac{\rho }{2}{L}^2}$

  ein dimensionsloser Wert,
Z_δb   der Koeffizient zur Beschreibung der Normalkraft Z als Funktion von u ²·δ_b,
$Z_{\mathit{\delta b}}^{\prime }=\frac{Z_{\mathit{\delta b}}^{\prime }}{\frac{\rho }{2}{L}^2}$

  ein dimensionsloser Wert,
Z_δsη   der Koeffizient zur Beschreibung der Normalkraft Z als Funktion von u ²·δ_s · (η·C-1),
$Z_{\mathit{\delta s\eta }}^{\prime }=\frac{Z_{\mathit{\delta s\eta }}^{\prime }}{\frac{\rho }{2}{L}^2}$

  ein dimensionsloser Wert,
M  das hydrodynamische Drehmoment um die y-Achse, auch Stampfmoment genannt,
M _*  der Koeffizient zur Beschreibung des Stampfmoments M,
$M_{\ast }^{\prime }=\frac{M_{\ast }}{\frac{\rho }{2}{L}^3}$

  ein dimensionsloser Wert,
M_w   der Koeffizient zur Beschreibung des Stampfmoments M als Funktion von u·w,
$M_w^{\prime }=\frac{M_w}{\frac{\rho }{2}{L}^3}$

  ein dimensionsloser Wert,
M _|w|  der Koeffizient zur Beschreibung des Stampfmoments M als Funktion von u·|w|,
$M_{\left|w\right|}^{\prime }=\frac{M_{\left|w\right|}}{\frac{\rho }{2}{L}^3}$

  ein dimensionsloser Wert,
M _w|w|  der Koeffizient zur Beschreibung des Stampfmoments M als Funktion von w· $\sqrt{v^2+w^2},$

$M_{w\left|w\right|}^{\prime }=\frac{M_{w\left|w\right|}}{\frac{\rho }{2}{L}^3}$

  ein dimensionsloser Wert,
M_ww   der Koeffizient zur Beschreibung des Stampfmoments M als Funktion von |w|· $\sqrt{v^2+w^2},$

$M_{\mathit{ww}}^{\prime }=\frac{M_{\mathit{ww}}}{\frac{\rho }{2}{L}^3}$

  ein dimensionsloser Wert,
M _w|w|η   der Koeffizient zur Beschreibung des Stampfmoments M als Funktion von w· $\sqrt{v^2+w^2}\cdot \left(\eta \cdot C-1\right),$

$M_{w\left|w\right|\eta }^{\prime }=\frac{M_{w\left|w\right|\eta }}{\frac{\rho }{2}{L}^3}$

  ein dimensionsloser Wert,
M_δs   der Koeffizient zur Beschreibung des Stampfmoments M als Funktion von u ²·δ_s,
$M_{\mathit{\delta s}}^{\prime }=\frac{M_{\mathit{\delta s}}}{\frac{\rho }{2}{L}^3}$

  ein dimensionsloser Wert,
M_δb   der Koeffizient zur Beschreibung des Stampfmoments M als Funktion von u ²·δ_b ,
$M_{\mathit{\delta b}}^{\prime }=\frac{M_{\mathit{\delta b}}}{\frac{\rho }{2}{L}^3}$

  ein dimensionsloser Wert,
M_δsη   der Koeffizient zur Beschreibung des Stampfmoments M als Funktion von u ²·δ_s ·(η·C-1),
$M_{\mathit{\delta b\eta }}^{\prime }=\frac{M_{\mathit{\delta b\eta }}}{\frac{\rho }{2}{L}^3}$

  ein dimensionsloser Wert.Where:
δ _{s is} the aft depth rudder angle,
δ _{b is} the forward depth rudder angle,
α is the angle of attack of the submarine,
β is the drift angle of the submarine,
f _x a factor for rudder, with X rudder f _x = 4, with cross rudder f _x = 1,
η the ratio $\frac{u_c}{u},$

W is the weight of the submarine including flooded clearances,
$\mathrm{W.}\prime =\frac{\mathrm{W.}}{\frac{\rho }{2}\cdot {\mathrm{L.}}^2\cdot {\bar{U}}^2}$

a dimensionless value,
B is the buoyancy of the submarine,
$\mathrm{B.}\prime =\frac{\mathrm{B.}}{\frac{\rho }{2}\cdot {\mathrm{L.}}^2\cdot {\bar{U}}^2}$

a dimensionless value,
C is the origin of the boat-based coordinate system,
L is the length of the submarine,
ρ is the density of the surrounding water,
g is the acceleration due to gravity,
U the speed of the submarine when traveling through the water,
u is the speed component in the x-direction,
U the speed of the submarine during stationary travel through the water for a freely selectable reference travel state,
u _{c is} the propulsion speed, which corresponds to the speed u that the boat would achieve at the current propeller speed when traveling ahead on a level keel with zero rudder angles, $u_c^{\prime }=\frac{u}{\bar{U}}$

a dimensionless value,
v is the speed component in the y -direction across the submarine,
$v\prime =\frac{v}{\bar{U}}$

a dimensionless value,
w is the speed component in the z-direction normal to the submarine,
$w\prime =\frac{w}{\bar{U}}$

a dimensionless value,
Z is the hydrodynamic force in the z-direction,
Z _∗ the coefficient to describe the normal force Z as a function of u ² ,
$Z_{\ast }^{\prime }=\frac{Z_{\ast }}{\frac{\rho }{2}{\mathrm{L.}}^2}$

a dimensionless value,
Z _{w is} the coefficient describing the normal force Z as a function of the product u w,
$Z_w^{\prime }=\frac{Z_w}{\frac{\rho }{2}{\mathrm{L.}}^2}$

a dimensionless value,
Z _{| w |} the coefficient describing the normal force Z as a function of the product u · | w |,
$Z_{\left|w\right|}^{\prime }=\frac{Z_{\left|w\right|}}{\frac{\rho }{2}{\mathrm{L.}}^2}$

a dimensionless value,
Z _{w | w |} the coefficient describing the normal force Z as a function of $w\cdot \sqrt{v^2+w^2}$

,
$Z_{w\left|w\right|}^{\prime }=\frac{Z_{w\left|w\right|}}{\frac{\rho }{2}{\mathrm{L.}}^2}$

a dimensionless value,
Z _{ww is} the coefficient describing the normal force Z as a function of | w |. $\sqrt{v^2+w^2},$

$Z_{\mathit{ww}}^{\prime }=\frac{Z_{\mathit{ww}}}{\frac{\rho }{2}{\mathrm{L.}}^2}$

a dimensionless value,
Z _{w | w | η is} the coefficient to describe the normal force Z as a function of w $\sqrt{v^2+w^2\cdot }\left(\eta \cdot \mathrm{C.}-1\right),$

$Z_{w\left|w\right|\eta }^{\prime }=\frac{Z_{w\left|w\right|\eta }}{\frac{\rho }{2}{\mathrm{L.}}^2}$

a dimensionless value,
Z _{δs is} the coefficient describing the normal force Z as a function of u ² δ _s ,
$Z_{\mathit{\delta s}}^{\prime }=\frac{Z_{\mathit{\delta s}}^{\prime }}{\frac{\rho }{2}{\mathrm{L.}}^2}$

a dimensionless value,
Z _{δb is} the coefficient describing the normal force Z as a function of u ² δ _b ,
$Z_{\mathit{\delta b}}^{\prime }=\frac{Z_{\mathit{\delta b}}^{\prime }}{\frac{\rho }{2}{\mathrm{L.}}^2}$

a dimensionless value,
Z _{δsη is} the coefficient to describe the normal force Z as a function of u ² δ _s ( η C -1),
$Z_{\mathit{\delta s\eta }}^{\prime }=\frac{Z_{\mathit{\delta s\eta }}^{\prime }}{\frac{\rho }{2}{\mathrm{L.}}^2}$

a dimensionless value,
M is the hydrodynamic torque around the y- axis, also called pitching torque,
M _{* is} the coefficient describing the pitching moment M ,
${\mathrm{M.}}_{\ast }^{\prime }=\frac{{\mathrm{M.}}_{\ast }}{\frac{\rho }{2}{\mathrm{L.}}^3}$

a dimensionless value,
M _{w is} the coefficient to describe the pitching moment M as a function of u w,
${\mathrm{M.}}_w^{\prime }=\frac{{\mathrm{M.}}_w}{\frac{\rho }{2}{\mathrm{L.}}^3}$

a dimensionless value,
M _{| w |} the coefficient to describe the pitching moment M as a function of u · | w |,
${\mathrm{M.}}_{\left|w\right|}^{\prime }=\frac{{\mathrm{M.}}_{\left|w\right|}}{\frac{\rho }{2}{\mathrm{L.}}^3}$

a dimensionless value,
M _{w | w |} the coefficient to describe the pitching moment M as a function of w $\sqrt{v^2+w^2},$

${\mathrm{M.}}_{w\left|w\right|}^{\prime }=\frac{{\mathrm{M.}}_{w\left|w\right|}}{\frac{\rho }{2}{\mathrm{L.}}^3}$

a dimensionless value,
M _{ww is} the coefficient to describe the pitching moment M as a function of | w | · $\sqrt{v^2+w^2},$

${\mathrm{M.}}_{\mathit{ww}}^{\prime }=\frac{{\mathrm{M.}}_{\mathit{ww}}}{\frac{\rho }{2}{\mathrm{L.}}^3}$

a dimensionless value,
M _{w | w | η is} the coefficient to describe the pitching moment M as a function of w $\sqrt{v^2+w^2}\cdot \left(\eta \cdot \mathrm{C.}-1\right),$

${\mathrm{M.}}_{w\left|w\right|\eta }^{\prime }=\frac{{\mathrm{M.}}_{w\left|w\right|\eta }}{\frac{\rho }{2}{\mathrm{L.}}^3}$

a dimensionless value,
M _{δs is} the coefficient describing the pitching moment M as a function of u ² δ _s ,
${\mathrm{M.}}_{\mathit{\delta s}}^{\prime }=\frac{{\mathrm{M.}}_{\mathit{\delta s}}}{\frac{\rho }{2}{\mathrm{L.}}^3}$

a dimensionless value,
M _{δb is} the coefficient describing the pitching moment M as a function of u ² δ _b ,
${\mathrm{M.}}_{\mathit{\delta b}}^{\prime }=\frac{{\mathrm{M.}}_{\mathit{\delta b}}}{\frac{\rho }{2}{\mathrm{L.}}^3}$

a dimensionless value,
M _{δsη is} the coefficient to describe the pitching moment M as a function of u ² δ _s ( η C -1),
${\mathrm{M.}}_{\mathit{\delta b\eta }}^{\prime }=\frac{{\mathrm{M.}}_{\mathit{\delta b\eta }}}{\frac{\rho }{2}{\mathrm{L.}}^3}$

a dimensionless value.

Diese hydrodynamischen Koeffizienten können theoretisch berechnet oder im Modellversuch experimentell bestimmt werden. Dieses ist jedoch extrem aufwändig und kann auch nicht präzise für die aktuelle Beladungssituation des Unterseeboots durchgeführt werden, sodass mit Näherungswerten gearbeitet werden muss.These hydrodynamic coefficients can be calculated theoretically or determined experimentally in a model test. However, this is extremely complex and cannot be carried out precisely for the current loading situation of the submarine, so that approximate values have to be used.

Die exakte Kenntnis dieser Parameter erlaubt eine präzise Vorhersage des Bootsverhaltens. Somit können Manöver sehr präzise gesteuert werden, wenn diese Parameter exakt bekannt sind. Die berechneten oder im Modellversuch bestimmten hydrodynamischen Koeffizienten sind für eine präzise Vorhersage des Bootsverhaltens daher im Allgemeinen zu ungenau. Deshalb werden die hydrodynamischen Koeffizienten üblicher Weise durch Auswertung von Großausführungsversuchen verifiziert bzw. korrigiert, wobei die heute verwendeten Großausführungsversuchen jedoch nur aufwändige Näherungsverfahren darstellen.The exact knowledge of these parameters allows a precise prediction of the boat behavior. Thus, maneuvers can be controlled very precisely if these parameters are known exactly. The hydrodynamic coefficients calculated or determined in a model test are therefore generally too imprecise for a precise prediction of boat behavior. For this reason, the hydrodynamic coefficients are usually verified or corrected by evaluating large-scale construction tests, although the large-scale construction tests used today only represent complex approximation methods.

Nur mit dieser exakten Kenntnis ist es möglich, ein Unterwasserfahrzeug gezielt und präzise automatisch zu steuern.Only with this exact knowledge is it possible to automatically steer an underwater vehicle in a targeted and precise manner.

Aus der JP 3 033571 B1 ist ein Unterseeboot mit einer Kalkulation zur Steuerung der Tanks bekannt.From the JP 3 033571 B1 a submarine with a calculation for controlling the tanks is known.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung bereitzustellen, wobei die Vorrichtung mit einem Verfahren die hydrodynamischen Koeffizienten an einem realen Unterseeboot bestimmt und diese zur präzisen Steuerung verwendet.The object of the invention is to provide a device, the device using a method to determine the hydrodynamic coefficients on a real submarine and using them for precise control.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Vorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch das Verfahren zur automatischen Steuerung eines Unterwasserfahrzeugs mit den in Anspruch 3 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Zeichnung.This object is achieved by the device with the features specified in claim 1 and by the method for automatically controlling an underwater vehicle with the features specified in claim 3. Advantageous developments result from the subclaims, the following description and the drawing.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung eines Unterwasserfahrzeugs weist wenigstens ein vorderes Tiefenruder und wenigstens ein hinteres Tiefenruder auf. Das Unterwasserfahrzeug weist wenigstens einen ersten Ballasttank und wenigstens einen ersten Trimmtank und wenigstens einen zweiten Trimmtank auf. Die Vorrichtung zur Steuerung weist Mittel zur Ansteuerung des wenigstens einen vorderen Tiefenruders, des wenigstens einen hinteren Tiefenruders, des wenigstens einen ersten Ballasttanks, des wenigstens einen ersten Trimmtanks und des wenigstens einen zweiten Trimmtanks auf. Die Vorrichtung ist zur Durchführung eines ersten Betriebszustands und zur Durchführung eines zweiten Betriebszustands ausgebildet, wobei die Vorrichtung im ersten Betriebszustand automatisch ein Verfahren zur Bestimmung von hydrodynamischen Koeffizienten durchführt und im zweiten Betriebszustand das Unterwasserfahrzeug gemäß einem vorgegebenem Kurs steuert, wobei im zweiten Betriebszustand die im ersten Betriebszustand bestimmten hydrodynamischen Koeffizienten verwendet werden.The device according to the invention for controlling an underwater vehicle has at least one front down elevator and at least one rear down elevator. The underwater vehicle has at least one first ballast tank and at least one first trim tank and at least one second trim tank. The control device has means for controlling the at least one front down rudder, the at least one rear down rudder, the at least one first ballast tank, the at least one first trim tank and the at least one second trim tank. The device is designed to carry out a first operating state and to carry out a second operating state, the device automatically executing a method for determining hydrodynamic coefficients in the first operating state and controlling the underwater vehicle according to a predetermined course in the second operating state Operating condition certain hydrodynamic coefficients are used.

Das Verfahren zur Bestimmung von hydrodynamischen Koeffizienten weist die folgenden Schritte auf:

1. a) beschleunigungsfreie Fahrt mit ebenem Kiel bei konstanter Tiefe und bei einer ersten ersten Geschwindigkeit und einer ersten ersten Trimmlage,
2. b) beschleunigungsfreie Fahrt mit ebenem Kiel bei konstanter Tiefe und bei der ersten ersten Geschwindigkeit und einer zweiten ersten Trimmlage,
3. c) beschleunigungsfreie Fahrt mit ebenem Kiel bei konstanter Tiefe und bei einer zweiten ersten Geschwindigkeit und der ersten ersten Trimmlage,
4. d) beschleunigungsfreie Fahrt mit ebenem Kiel bei konstanter Tiefe und bei der zweiten ersten Geschwindigkeit und der zweiten ersten Trimmlage,
5. e) beschleunigungsfreie Fahrt mit schrägem Kiel bei konstanter Tiefe und bei einer ersten zweiten Geschwindigkeit und einer ersten vorderen Tiefenruderlage und einer ersten Trimmtankfüllung,
6. f) beschleunigungsfreie Fahrt mit schrägem Kiel bei konstanter Tiefe und bei der ersten zweiten Geschwindigkeit und einer zweiten vorderen Tiefenruderlage und der ersten Trimmtankfüllung,
7. g) beschleunigungsfreie Fahrt mit schrägem Kiel bei konstanter Tiefe und bei der ersten zweiten Geschwindigkeit und der ersten vorderen Tiefenruderlage und einer zweiten Trimmtankfüllung,
8. h) beschleunigungsfreie Fahrt mit schrägem Kiel bei konstanter Tiefe und bei der ersten zweiten Geschwindigkeit und der zweiten vorderen Tiefenruderlage und der zweiten Trimmtankfüllung,
9. i) beschleunigungsfreie Fahrt mit schrägem Kiel bei konstanter Tiefe und bei einer zweiten zweiten Geschwindigkeit und der ersten vorderen Tiefenruderlage und der ersten Trimmtankfüllung,
10. j) beschleunigungsfreie Fahrt mit schrägem Kiel bei konstanter Tiefe und bei der zweiten zweiten Geschwindigkeit und der zweiten vorderen Tiefenruderlage und der ersten Trimmtankfüllung,
11. k) beschleunigungsfreie Fahrt mit schrägem Kiel bei konstanter Tiefe und bei der zweiten zweiten Geschwindigkeit und der ersten vorderen Tiefenruderlage und der zweiten Trimmtankfüllung,
12. l) beschleunigungsfreie Fahrt mit schrägem Kiel bei konstanter Tiefe und bei der zweiten zweiten Geschwindigkeit und der zweiten vorderen Tiefenruderlage und der zweiten Trimmtankfüllung,
13. m) Ermitteln von hydrodynamischen Koeffizienten aus den in den vorhergehenden Schritten ermittelten Messgrößen,

wobei die Schritte a) bis l) in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden. Der Schritt m) wird nach den Schritten a) bis l) durchgeführt.The procedure for determining hydrodynamic coefficients has the following steps:

1. a) Acceleration-free travel with a level keel at constant depth and at a first first speed and a first first trim position,
2. b) Acceleration-free travel with a level keel at constant depth and at the first first speed and a second first trim position,
3. c) Acceleration-free travel with a level keel at constant depth and at a second first speed and the first first trim position,
4. d) Acceleration-free travel with a level keel at constant depth and at the second first speed and the second first trim position,
5. e) Acceleration-free travel with an inclined keel at constant depth and at a first second speed and a first forward depth rudder position and a first trim tank filling,
6. f) Acceleration-free travel with an inclined keel at constant depth and at the first second speed and a second forward depth rudder position and the first trim tank filling,
7. g) Acceleration-free travel with an inclined keel at constant depth and at the first second speed and the first forward depth rudder position and a second trim tank filling,
8. h) Acceleration-free travel with an inclined keel at constant depth and at the first second speed and the second forward depth rudder position and the second trim tank filling,
9. i) acceleration-free travel with an inclined keel at constant depth and at a second second speed and the first forward depth rudder position and the first trim tank filling,
10. j) Acceleration-free travel with an inclined keel at constant depth and at the second second speed and the second forward depth rudder position and the first trim tank filling,
11. k) Acceleration-free travel with an inclined keel at constant depth and at the second second speed and the first forward depth rudder position and the second trim tank filling,
12. l) acceleration-free travel with an inclined keel at constant depth and at the second second speed and the second forward depth rudder position and the second trim tank filling,
13. m) Determination of hydrodynamic coefficients from the measured variables determined in the previous steps,

wherein steps a) to l) are carried out in any order. Step m) is carried out according to steps a) to l).

Unter einem ebenen Kiel ist insbesondere ein Stampfwinkel θ des Unterseeboots von - 1° < θ < + 1°, bevorzugt von - 0,2° < θ < + 0,2°, besonders bevorzugt von - 0,05° < θ < + 0,05° zu verstehen. Der Stampfwinkel ist der Winkel zwischen der Längsachse des Unterseeboots und der Projektion der Längsachse des Unterseeboots in die Ebene und gibt somit die Neigung in z-Richtung wieder.Under a flat keel there is in particular a pitch angle θ of the submarine of −1 ° < θ <+ 1 °, preferably of −0.2 ° < θ <+ 0.2 °, particularly preferably of −0.05 ° < θ <+ 0.05 ° to be understood. The pitch angle is the angle between the longitudinal axis of the submarine and the projection of the longitudinal axis of the submarine into the plane and thus reflects the inclination in the z direction.

Unter einem schrägem Kiel ist ein insbesondere Stampfwinkel θ des Unterseeboots von |θ| > 0,5°, bevorzugt von |θ| > 1°, besonders bevorzugt von |θ| > 2° zu verstehen.Under an inclined keel, a particular pitch angle θ of the submarine is | θ | > 0.5 °, preferably from | θ | > 1 °, particularly preferably from | θ | > 2 ° to be understood.

Unter beschleunigungsfreier Fahrt wird ein Betriebsmodus verstanden, bei dem sich das Boot mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, wobei konstant als konstant im Rahmen der Erfassungsgenauigkeit und Regelgenauigkeit anzusehen ist.Acceleration-free travel is understood to mean an operating mode in which the boat moves at a constant speed, constant being to be regarded as constant within the scope of the detection accuracy and control accuracy.

Da die Fahrt bei konstanter Tiefe erfolgt, kompensieren sich die vertikal verlaufende Kräfte, also die Gravitations- oder die Auftriebsbeschleunigung, sodass es zu keinem Auf- oder Abtrieb kommt.Since the journey takes place at a constant depth, the vertical forces, i.e. the gravitational or lift acceleration, compensate each other so that there is no uplift or downforce.

Bei einer beschleunigungsfreien Fahrt gleichen sich die Kräfte aus. Somit wirkt keine resultierende Kraft auf das Unterseeboot. Es gilt somit, dass die Summe aller wirkenden Kräfte null ist. Des Weiteren gilt, dass auch die Summe aller Kraftveränderungen zwischen zwei beschleunigungsfreien Fahrten gleich null sein muss. Die absolute Geschwindigkeit in horizontaler Richtung ist bei Fahrt definitionsgemäß größer null. Aus technischen Gründen sind sehr geringe Geschwindigkeiten, insbesondere kleiner 2 kn, ganz besonders kleiner 1 kn, nicht vorteilhaft.When driving without acceleration, the forces balance each other out. Thus, there is no resulting force acting on the submarine. It is therefore true that the sum of all acting forces is zero. Furthermore, the sum of all force changes between two acceleration-free journeys must also be zero. The absolute speed in the horizontal direction is by definition greater than zero when driving. For technical reasons, very low speeds, in particular less than 2 kn, very particularly less than 1 kn, are not advantageous.

Um die Messwerte sinnvoll zu indizieren, werden die verschiedenen ersten Geschwindigkeiten und zweiten Geschwindigkeiten mit dem Index i bezeichnet. So ist i = 1 für die erste erste Geschwindigkeit und die erste zweite Geschwindigkeit und i = 2 für die zweite erste Geschwindigkeit und die zweite zweite Geschwindigkeit.In order to indicate the measured values in a meaningful way, the various first speeds and second speeds are designated with the index i . So i = 1 for the first first speed and the first second speed and i = 2 for the second first speed and the second second speed.

Als weiter Index wird k verwendet, um die Trimm- und Gewichtszustände zu unterscheiden. So ist k = 1 für die erste erste Trimmlage und die erste vordere Tiefenruderlage und k = 2 für die zweite erste Trimmlage und die zweite vordere Tiefenruderlage.As a further index, k is used to distinguish the trim and weight states. So k = 1 for the first first trim position and the first forward down elevator position and k = 2 for the second first trim position and the second forward down elevator position.

Die Messwerte werden getrennt für Fahrten bei ebenem Kiel und bei schrägem Kiel getrennt ausgewertet.The measured values are evaluated separately for journeys with a flat keel and with a sloping keel.

Beispielsweise zunächst werden die Messwerte für die Fahrten bei ebenem Kiel ausgewertet.For example, the measured values for journeys with a level keel are first evaluated.

Zunächst werden die in den Schritten a) bis d) erhaltenen Messwerte als Funktion von $\frac{1}{u_{\mathit{ki}}^2}$

durch Berechnung von Ausgleichsgeraden ausgewertet. Die Ausgleichsgeraden ergeben als Grenzwerte für u → ∞ die hinteren Tiefenruderwinkel δ_sn und vorderen Tiefenruderwinkel δ_bn für die sogenannte auftrieb- und momentfreie Fahrt. Es werden hierbei nur die Grenzwerte ausgewertet. $${\delta }_{\mathit{ski}}={\delta }_{\mathit{sn}}-\frac{g\cdot L}{u_{\mathit{ki}}^2}\cos \left({\varphi }_{\mathit{ki}}\right)\frac{\left(x_{\mathit{CT}}^{\prime }-x_{\mathit{\delta b}}^{\prime }\right)\cdot V_{\mathit{CTki}}^{\prime }+\mathrm{\Delta }{x}_{\mathit{TT}}^{\prime }\cdot V_{\mathit{TTki}}^{\prime }}{f_x\cdot Z_{\mathit{\delta s}}^{\prime }\cdot \left(x_{\mathit{\delta s}}^{\prime }-x_{\mathit{\delta b}}^{\prime }\right)}$$

$${\delta }_{\mathit{bki}}={\delta }_{\mathit{bn}}+\frac{g\cdot L}{u_{\mathit{ki}}^2}\cos \left({\varphi }_{\mathit{ki}}\right)\frac{\left(x_{\mathit{CT}}^{\prime }-x_{\mathit{\delta s}}^{\prime }\right)\cdot V_{\mathit{CTki}}^{\prime }+\mathrm{\Delta }{x}_{\mathit{TT}}^{\prime }\cdot V_{\mathit{TTki}}^{\prime }}{Z_{\mathit{\delta s}}^{\prime }\cdot \left(x_{\mathit{\delta s}}^{\prime }-x_{\mathit{\delta b}}^{\prime }\right)}$$

First, the measured values obtained in steps a) to d) are shown as a function of $\frac{1}{u_{\mathit{ki}}^2}$

evaluated by calculating regression lines. As limit values for u → ∞, the best-fit straight lines result in the rear depth rudder angle δ _sn and front depth rudder angle δ _bn for the so-called lift and torque-free travel. Only the limit values are evaluated here. $${\delta }_{\mathit{ski}}={\delta }_{\mathit{sn}}-\frac{G\cdot \mathrm{L.}}{u_{\mathit{ki}}^2}\cos \left({\varphi }_{\mathit{ki}}\right)\frac{\left(x_{\mathit{CT}}^{\prime }-x_{\mathit{\delta b}}^{\prime }\right)\cdot V_{\mathit{CTki}}^{\prime }+\mathrm{\Delta }{x}_{\mathit{TT}}^{\prime }\cdot V_{\mathit{TTki}}^{\prime }}{f_x\cdot Z_{\mathit{\delta s}}^{\prime }\cdot \left(x_{\mathit{\delta s}}^{\prime }-x_{\mathit{\delta b}}^{\prime }\right)}$$

$${\delta }_{\mathit{bki}}={\delta }_{\mathit{bn}}+\frac{G\cdot \mathrm{L.}}{u_{\mathit{ki}}^2}\cos \left({\varphi }_{\mathit{ki}}\right)\frac{\left(x_{\mathit{CT}}^{\prime }-x_{\mathit{\delta s}}^{\prime }\right)\cdot V_{\mathit{CTki}}^{\prime }+\mathrm{\Delta }{x}_{\mathit{TT}}^{\prime }\cdot V_{\mathit{TTki}}^{\prime }}{Z_{\mathit{\delta s}}^{\prime }\cdot \left(x_{\mathit{\delta s}}^{\prime }-x_{\mathit{\delta b}}^{\prime }\right)}$$

Hierbei ist:
x_CT   die x-Koordinate des Schwerpunkts der Regelzelle,
$x_{\mathit{CT}}^{\prime }=\frac{x_{\mathit{CT}}}{L}$

  ein dimensionsloser Wert,
Δx_TT   der positive Abstand des Schwerpunkts vom vorderen zum hinteren Trimmzellenvolumen,
$\mathrm{\Delta }{x}_{\mathit{TT}}^{\prime }=\frac{\mathrm{\Delta }{x}_{\mathit{TT}}}{L}$

  ein dimensionsloser Wert,
x_δs   die x-Koordinate des vorderen Tiefenruders,
$x_{\mathit{\delta s}}^{\prime }=\frac{x_{\mathit{\delta s}}}{L}$

  ein dimensionsloser Wert,
x_δb   die x-Koordinate des hinteren Tiefenruders,
$x_{\mathit{\delta b}}^{\prime }=\frac{x_{\mathit{\delta b}}}{L}$

  ein dimensionsloser Wert,
V_CT   das Füllvolumen der Regelzelle,
$V_{\mathit{CT}}^{\prime }=\frac{V_{\mathit{CT}}}{\frac{1}{2}{L}^3}$

  ein dimensionsloser Wert,
V_TT   die Trimmzellenfüllung, wobei das Trimmmoment M_TT =- ρ·Δx_TT ·V_TT ist,
$V_{\mathit{TT}}^{\prime }=\frac{V_{\mathit{TT}}}{\frac{1}{2}{L}^3}$

  ein dimensionsloser Wert.Where:
x _{CT is} the x-coordinate of the center of gravity of the control cell,
$x_{\mathit{CT}}^{\prime }=\frac{x_{\mathit{CT}}}{\mathrm{L.}}$

a dimensionless value,
Δ x _{TT is} the positive distance of the center of gravity from the front to the rear trim cell volume,
$\mathrm{\Delta }{x}_{\mathit{TT}}^{\prime }=\frac{\mathrm{\Delta }{x}_{\mathit{TT}}}{\mathrm{L.}}$

a dimensionless value,
x _{δs is} the x-coordinate of the forward depth _rudder ,
$x_{\mathit{\delta s}}^{\prime }=\frac{x_{\mathit{\delta s}}}{\mathrm{L.}}$

a dimensionless value,
x _{δb is} the x-coordinate of the rear depth _rudder ,
$x_{\mathit{\delta b}}^{\prime }=\frac{x_{\mathit{\delta b}}}{\mathrm{L.}}$

a dimensionless value,
V _{CT is} the filling volume of the control cell,
$V_{\mathit{CT}}^{\prime }=\frac{V_{\mathit{CT}}}{\frac{1}{2}{\mathrm{L.}}^3}$

a dimensionless value,
V _{TT is} the trim cell filling, where the trim moment M _TT = - ρ · Δ x _TT · V _TT ,
$V_{\mathit{TT}}^{\prime }=\frac{V_{\mathit{TT}}}{\frac{1}{2}{\mathrm{L.}}^3}$

a dimensionless value.

Wie bereits ausgeführt, werden die Ruderwinkel über $\frac{1}{u_{\mathit{ki}}^2}$

aufgetragen. Die Steigung dieser Geraden ist nicht relevant, entscheidet ist der für null und somit für $u_{\mathit{ki}}^2$

gegen unendlich extrapolierte Grenzwert. Die x-Koordinaten von Trimm- und Regelzellen und Ruderposition sind aus der Bootsgeometrie bekannt.As already stated, the rudder angles are about $\frac{1}{u_{\mathit{ki}}^2}$

applied. The slope of this straight line is not relevant, it is decisive for zero and thus for $u_{\mathit{ki}}^2$

towards infinitely extrapolated limit value. The x-coordinates of trim and control cells and rudder position are known from boat geometry.

Durch Subtraktion der aus den Schritten a) bis d) ermittelten Werten bei verschiedenen Trimm-und Gewichtszuständen gemessenen Ruderwinkel gemäß $$\mathrm{\Delta }{\delta }_{\mathit{si}}\left(u_i\right)={\delta }_{s2i}\left(u_i\right)-{\delta }_{s1i}\left(u_i\right)$$

und $$\mathrm{\Delta }{\delta }_{\mathit{bi}}\left(u_i\right)={\delta }_{b2i}\left(u_i\right)-{\delta }_{b1i}\left(u_i\right)$$

werden die Werte $$Z_{\mathit{\delta si}}^{\prime }=-\frac{g\cdot L}{2}\left(\frac{\cos \left({\varphi }_{\mathit{ki}}\right)}{u_{\mathit{ki}}^2}+\frac{\cos \left({\varphi }_{\mathit{ki}}\right)}{u_{2i}^2}\right)\frac{\left(x_{\mathit{CT}}^{\prime }-x_{\mathit{\delta b}}^{\prime }\right)\cdot \mathrm{\Delta }{V}_{\mathit{CT}}^{\prime }+\mathrm{\Delta }{x}_{\mathit{TT}}^{\prime }\cdot \mathrm{\Delta }{V}_{\mathit{TT}}^{\prime }}{f_x\cdot \mathrm{\Delta }{\delta }_{\mathit{si}}\cdot \left(x_{\mathit{\delta s}}^{\prime }-x_{\mathit{\delta b}}^{\prime }\right)}$$

und $$Z_{\mathit{\delta bi}}^{\prime }=-\frac{g\cdot L}{2}\left(\frac{\cos \left({\varphi }_{\mathit{ki}}\right)}{u_{\mathit{ki}}^2}+\frac{\cos \left({\varphi }_{\mathit{ki}}\right)}{u_{2i}^2}\right)\frac{\left(x_{\mathit{CT}}^{\prime }-x_{\mathit{\delta s}}^{\prime }\right)\cdot \mathrm{\Delta }{V}_{\mathit{CT}}^{\prime }+\mathrm{\Delta }{x}_{\mathit{TT}}^{\prime }\cdot \mathrm{\Delta }{V}_{\mathit{TT}}^{\prime }}{f_x\cdot \mathrm{\Delta }{\delta }_{\mathit{bi}}\cdot \left(x_{\mathit{\delta s}}^{\prime }-x_{\mathit{\delta b}}^{\prime }\right)}$$

ermittelt. Die Koeffizienten $Z_{\mathit{\delta s}}^{\prime }$

und $Z_{\mathit{\delta b}}^{\prime }$

ergeben sich daraus als Mittelwerte.By subtracting the values determined from steps a) to d) in different trim and weight states measured rudder angles according to $$\mathrm{\Delta }{\delta }_{\mathit{si}}\left(u_i\right)={\delta }_{s2i}\left(u_i\right)-{\delta }_{s1i}\left(u_i\right)$$

and $$\mathrm{\Delta }{\delta }_{\mathit{bi}}\left(u_i\right)={\delta }_{b2i}\left(u_i\right)-{\delta }_{b1i}\left(u_i\right)$$

become the values $$Z_{\mathit{\delta si}}^{\prime }=-\frac{G\cdot \mathrm{L.}}{2}\left(\frac{\cos \left({\varphi }_{\mathit{ki}}\right)}{u_{\mathit{ki}}^2}+\frac{\cos \left({\varphi }_{\mathit{ki}}\right)}{u_{2i}^2}\right)\frac{\left(x_{\mathit{CT}}^{\prime }-x_{\mathit{\delta b}}^{\prime }\right)\cdot \mathrm{\Delta }{V}_{\mathit{CT}}^{\prime }+\mathrm{\Delta }{x}_{\mathit{TT}}^{\prime }\cdot \mathrm{\Delta }{V}_{\mathit{TT}}^{\prime }}{f_x\cdot \mathrm{\Delta }{\delta }_{\mathit{si}}\cdot \left(x_{\mathit{\delta s}}^{\prime }-x_{\mathit{\delta b}}^{\prime }\right)}$$

and $$Z_{\mathit{\delta bi}}^{\prime }=-\frac{G\cdot \mathrm{L.}}{2}\left(\frac{\cos \left({\varphi }_{\mathit{ki}}\right)}{u_{\mathit{ki}}^2}+\frac{\cos \left({\varphi }_{\mathit{ki}}\right)}{u_{2i}^2}\right)\frac{\left(x_{\mathit{CT}}^{\prime }-x_{\mathit{\delta s}}^{\prime }\right)\cdot \mathrm{\Delta }{V}_{\mathit{CT}}^{\prime }+\mathrm{\Delta }{x}_{\mathit{TT}}^{\prime }\cdot \mathrm{\Delta }{V}_{\mathit{TT}}^{\prime }}{f_x\cdot \mathrm{\Delta }{\delta }_{\mathit{bi}}\cdot \left(x_{\mathit{\delta s}}^{\prime }-x_{\mathit{\delta b}}^{\prime }\right)}$$

determined. The coefficients $Z_{\mathit{\delta s}}^{\prime }$

and $Z_{\mathit{\delta b}}^{\prime }$

result from this as mean values.

Daraus ergeben sich dann die Koeffizienten zur Beschreibung des Stampfmoments: $$M_{\mathit{\delta s}}^{\prime }=-Z_{\mathit{\delta s}}^{\prime }\cdot x_{\mathit{\delta s}}^{\prime }$$

$$M_{\mathit{\delta b}}^{\prime }=-Z_{\mathit{\delta b}}^{\prime }\cdot x_{\mathit{\delta b}}^{\prime }$$

sowie: $$Z_{\ast }^{\prime }=-f_x\cdot Z_{\mathit{\delta s}}^{\prime }\cdot {\delta }_{\mathit{sn}}-Z_{\mathit{\delta b}}^{\prime }\cdot {\delta }_{\mathit{bn}}$$

$$M_{\ast }^{\prime }=-f_x\cdot M_{\mathit{\delta s}}^{\prime }\cdot {\delta }_{\mathit{sn}}-Z_{\mathit{\delta b}}^{\prime }\cdot {\delta }_{\mathit{bn}}$$

$$V_{\mathit{CTki}}^{\prime }=-\frac{u_i^2}{g\cdot L}\cdot \frac{f_x\cdot Z_{\mathit{\delta s}}^{\prime }\cdot \left({\delta }_{\mathit{ski}}-{\delta }_{\mathit{sn}}\right)+Z_{\mathit{\delta b}}^{\prime }\cdot \left({\delta }_{\mathit{bki}}-{\delta }_{\mathit{bn}}\right)}{\cos \left({\varphi }_{\mathit{ki}}\right)}$$

$$V_{\mathit{TTki}}^{\prime }=\frac{1}{\mathrm{\Delta }{x}_{\mathit{TT}}^{\prime }}\left(\frac{u_i^2}{g\cdot L}\cdot \frac{f_x\cdot M_{\mathit{\delta s}}^{\prime }\cdot \left({\delta }_{\mathit{ski}}-{\delta }_{\mathit{sn}}\right)+M_{\mathit{\delta b}}^{\prime }\cdot \left({\delta }_{\mathit{bki}}-{\delta }_{\mathit{bn}}\right)}{\cos \left({\varphi }_{\mathit{ki}}\right)}-x_{\mathit{CT}}^{\prime }\cdot V_{\mathit{CTki}}^{\prime }\right)$$

This then results in the coefficients for describing the pitching torque: $${\mathrm{M.}}_{\mathit{\delta s}}^{\prime }=-Z_{\mathit{\delta s}}^{\prime }\cdot x_{\mathit{\delta s}}^{\prime }$$

$${\mathrm{M.}}_{\mathit{\delta b}}^{\prime }=-Z_{\mathit{\delta b}}^{\prime }\cdot x_{\mathit{\delta b}}^{\prime }$$

such as: $$Z_{\ast }^{\prime }=-f_x\cdot Z_{\mathit{\delta s}}^{\prime }\cdot {\delta }_{\mathit{sn}}-Z_{\mathit{\delta b}}^{\prime }\cdot {\delta }_{\mathit{bn}}$$

$${\mathrm{M.}}_{\ast }^{\prime }=-f_x\cdot {\mathrm{M.}}_{\mathit{\delta s}}^{\prime }\cdot {\delta }_{\mathit{sn}}-Z_{\mathit{\delta b}}^{\prime }\cdot {\delta }_{\mathit{bn}}$$

$$V_{\mathit{CTki}}^{\prime }=-\frac{u_i^2}{G\cdot \mathrm{L.}}\cdot \frac{f_x\cdot Z_{\mathit{\delta s}}^{\prime }\cdot \left({\delta }_{\mathit{ski}}-{\delta }_{\mathit{sn}}\right)+Z_{\mathit{\delta b}}^{\prime }\cdot \left({\delta }_{\mathit{bki}}-{\delta }_{\mathit{bn}}\right)}{\cos \left({\varphi }_{\mathit{ki}}\right)}$$

$$V_{\mathit{TTki}}^{\prime }=\frac{1}{\mathrm{\Delta }{x}_{\mathit{TT}}^{\prime }}\left(\frac{u_i^2}{G\cdot \mathrm{L.}}\cdot \frac{f_x\cdot {\mathrm{M.}}_{\mathit{\delta s}}^{\prime }\cdot \left({\delta }_{\mathit{ski}}-{\delta }_{\mathit{sn}}\right)+{\mathrm{M.}}_{\mathit{\delta b}}^{\prime }\cdot \left({\delta }_{\mathit{bki}}-{\delta }_{\mathit{bn}}\right)}{\cos \left({\varphi }_{\mathit{ki}}\right)}-x_{\mathit{CT}}^{\prime }\cdot V_{\mathit{CTki}}^{\prime }\right)$$

Die Füllvolumen der Regelzelle V _CT1 und V _CT2 und die Trimmzellenfüllungen V _TT1 und V _TT2 für Trimm- und Gewichtszustände des Unterseebootes, gekennzeichnet durch den Index k = 1 und k = 2 ergeben sich als Mittelwerte der V _CT1i , V _CT2i , V _TT1i bzw. V _TT2i Werte.The filling volumes of the control cell V _{CT 1} and V _{CT 2} and the trim cell fillings V _{TT 1} and V _{TT 2} for trim and weight states of the submarine, characterized by the index k = 1 and k = 2, result as mean values of the V _{CT 1 i} , V _{CT 2 i} , V _{TT 1 i} and V _{TT 2 i} values.

Insbesondere werden durch Auswertung der Versuchsreihe a) die Koeffizienten $Z_{\ast }^{\prime },$

$Z_{\mathit{\delta s}}^{\prime },$

$Z_{\mathit{\delta b}}^{\prime },$

$M_{\ast }^{\prime }$

, $M_{\mathit{\delta s}}^{\prime }$

und $M_{\mathit{\delta b}}^{\prime },$

die Füllvolumen der Regelzelle V _CT1 und V _CT2, die Trimmzellenfüllungen V _TT1 und V _TT2 und die Ruderwinkel δ_sn und δ_bn für auftrieb- und momentfreie Fahrt bestimmt.In particular, by evaluating the test series a) the coefficients $Z_{\ast }^{\prime },$

$Z_{\mathit{\delta s}}^{\prime },$

$Z_{\mathit{\delta b}}^{\prime },$

${\mathrm{M.}}_{\ast }^{\prime }$

, ${\mathrm{M.}}_{\mathit{\delta s}}^{\prime }$

and ${\mathrm{M.}}_{\mathit{\delta b}}^{\prime },$

the filling volume of the control cell V _{CT 1} and V _{CT 2} , the trim cell fillings V _{TT 1} and V _{TT 2} and the rudder angles δ _sn and δ _{bn are determined} for lift and torque-free travel.

Anschließend werden die in den Schritten e) bis l) ermittelten Messwerte für die Fahrten mit achter-oder vorlastig statisch vertrimmten Boot ausgewertet.The measured values determined in steps e) to l) are then evaluated for the trips with a stern or preloaded statically trimmed boat.

Hierbei gilt: $$\left(\begin{array}{ccc}{Z}_W^{\prime }& Z_{W\left|W\right|}^{\prime }& Z_{\mathit{\delta s\eta }}^{\prime }\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\tan \left({\theta }_i\right)\\ \tan \left({\theta }_i\right)\left|\tan \left({\theta }_i\right)\right|\\ f_x\cdot \left({\eta }_i\cdot C-1\right)\cdot {\delta }_{\mathit{si}}\end{array}\right)=-\frac{g\cdot L\cdot V_{\mathit{CTi}}^{\prime }}{u_i^2}\cdot \cos \left({\theta }_i\right)\cdot \cos \left({\varphi }_i\right)-Z_{\mathit{\delta s}}^{\prime }\cdot f_x\cdot \left({\delta }_{\mathit{si}}-{\delta }_{\mathit{sn}}\right)-Z_{\mathit{\delta b}}^{\prime }\cdot \left({\delta }_{\mathit{bi}}-{\delta }_{\mathit{bn}}\right)$$

$$\left(\begin{array}{cccc}{M}_W^{\prime }& M_{W\left|W\right|}^{\prime }& M_{\mathit{\delta s\eta }}^{\prime }& z_{\mathit{GB}}^{\prime }\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\tan \left({\theta }_i\right)\\ \tan \left({\theta }_i\right)\left|\tan \left({\theta }_i\right)\right|\\ f_x\cdot \left({\eta }_i\cdot C-1\right)\cdot {\delta }_{\mathit{si}}\\ -\frac{g\cdot L\cdot V\prime }{u_i^2}\cdot \sin \left({\theta }_i\right)\end{array}\right)=\frac{g\cdot L}{u_i^2}\cdot \left[\left(x_{\mathit{CT}}^{\prime }\cdot V_{\mathit{CTi}}^{\prime }+x_{\mathit{TT}}^{\prime }\cdot V_{\mathit{TTi}}^{\prime }\right)\cdot \cos \left({\theta }_i\right)\cdot \cos \left({\varphi }_i\right)+z_{\mathit{CT}}^{\prime }\cdot V_{\mathit{CTi}}^{\prime }\cdot \sin \left({\theta }_i\right)\right]-M_{\mathit{\delta s}}^{\prime }\cdot f_x\cdot \left({\delta }_{\mathit{si}}-{\delta }_{\mathit{sn}}\right)-M_{\mathit{\delta b}}^{\prime }\cdot \left({\delta }_{\mathit{bi}}-{\delta }_{\mathit{bn}}\right)$$

The following applies here: $$\left(\begin{array}{ccc}{Z}_{\mathrm{W.}}^{\prime }& Z_{\mathrm{W.}\left|\mathrm{W.}\right|}^{\prime }& Z_{\mathit{\delta s\eta }}^{\prime }\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\tan \left({\theta }_i\right)\\ \tan \left({\theta }_i\right)\left|\tan \left({\theta }_i\right)\right|\\ f_x\cdot \left({\eta }_i\cdot \mathrm{C.}-1\right)\cdot {\delta }_{\mathit{si}}\end{array}\right)=-\frac{G\cdot \mathrm{L.}\cdot V_{\mathit{CTi}}^{\prime }}{u_i^2}\cdot \cos \left({\theta }_i\right)\cdot \cos \left({\varphi }_i\right)-Z_{\mathit{\delta s}}^{\prime }\cdot f_x\cdot \left({\delta }_{\mathit{si}}-{\delta }_{\mathit{sn}}\right)-Z_{\mathit{\delta b}}^{\prime }\cdot \left({\delta }_{\mathit{bi}}-{\delta }_{\mathit{bn}}\right)$$

$$\left(\begin{array}{cccc}{\mathrm{M.}}_{\mathrm{W.}}^{\prime }& {\mathrm{M.}}_{\mathrm{W.}\left|\mathrm{W.}\right|}^{\prime }& {\mathrm{M.}}_{\mathit{\delta s\eta }}^{\prime }& z_{\mathit{GB}}^{\prime }\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\tan \left({\theta }_i\right)\\ \tan \left({\theta }_i\right)\left|\tan \left({\theta }_i\right)\right|\\ f_x\cdot \left({\eta }_i\cdot \mathrm{C.}-1\right)\cdot {\delta }_{\mathit{si}}\\ -\frac{G\cdot \mathrm{L.}\cdot V\prime }{u_i^2}\cdot \sin \left({\theta }_i\right)\end{array}\right)=\frac{G\cdot \mathrm{L.}}{u_i^2}\cdot \left[\left(x_{\mathit{CT}}^{\prime }\cdot V_{\mathit{CTi}}^{\prime }+x_{\mathit{TT}}^{\prime }\cdot V_{\mathit{TTi}}^{\prime }\right)\cdot \cos \left({\theta }_i\right)\cdot \cos \left({\varphi }_i\right)+z_{\mathit{CT}}^{\prime }\cdot V_{\mathit{CTi}}^{\prime }\cdot \sin \left({\theta }_i\right)\right]-{\mathrm{M.}}_{\mathit{\delta s}}^{\prime }\cdot f_x\cdot \left({\delta }_{\mathit{si}}-{\delta }_{\mathit{sn}}\right)-{\mathrm{M.}}_{\mathit{\delta b}}^{\prime }\cdot \left({\delta }_{\mathit{bi}}-{\delta }_{\mathit{bn}}\right)$$

Hierbei ist:
z_GB   der Stabilitätshebelarm z_GB = z_Gn - z_B ,
$z_{\mathit{GB}}^{\prime }=\frac{z_{\mathit{GB}}}{L}$

  ein dimensionsloser Wert,
z_Gn   die z-Komponente des Gewichtsschwerpunkts des Bootes einschließlich gefluteter Freiräume für den Zustand der auftriebs- und momentfreien Fahrt,
z_B   die z-Koordinate des Auftriebsschwerpunkts der Formverdrängung im bootsfesten Koordinatensystem.Where:
z _GB the stability _{lever arm} z _GB = z _Gn - z _B ,
$z_{\mathit{GB}}^{\prime }=\frac{z_{\mathit{GB}}}{\mathrm{L.}}$

a dimensionless value,
z _Gn the z-component of the center of gravity of the boat including flooded free spaces for the state of buoyancy and torque-free travel,
z _B the z-coordinate of the center of buoyancy of the shape displacement in the boat-fixed coordinate system.

Die Ermittlung erfolgt aus den gemessenen Daten mittels multilinearer Regression unter Verwendung der bereits aus a) bekannten Größen.
Insbesondere werden hierbei die Koeffizienten $Z_w^{\prime },$

$Z_{w\left|w\right|}^{\prime },$

$Z_{\mathit{\delta s\eta }}^{\prime },$

$M_w^{\prime },$

$M_{w\left|w\right|}^{\prime },$

und $M_{\mathit{\delta s\eta }}^{\prime }$

und der Stabilitätshebelarm z_GB bestimmt.The determination is made from the measured data by means of multilinear regression using the variables already known from a).
In particular, the coefficients $Z_w^{\prime },$

$Z_{w\left|w\right|}^{\prime },$

$Z_{\mathit{\delta s\eta }}^{\prime },$

${\mathrm{M.}}_w^{\prime },$

${\mathrm{M.}}_{w\left|w\right|}^{\prime },$

and ${\mathrm{M.}}_{\mathit{\delta s\eta }}^{\prime }$

and the stability lever arm z _GB determined.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung von hydrodynamischen Koeffizienten werden zusätzlich zu den Schritten a) bis d) die folgenden Schritte ausgeführt:

• n) beschleunigungsfreie Fahrt mit ebenem Kiel bei konstanter Tiefe und bei einer dritten ersten Geschwindigkeit und einer ersten ersten Trimmlage,
• o) beschleunigungsfreie Fahrt mit ebenem Kiel bei konstanter Tiefe und bei einer dritten ersten Geschwindigkeit und einer zweiten ersten Trimmlage.

In a further embodiment of the method for determining hydrodynamic coefficients, the following steps are carried out in addition to steps a) to d):

• n) acceleration-free travel with a level keel at constant depth and at a third first speed and a first first trim position,
• o) Acceleration-free travel with a level keel at constant depth and at a third first speed and a second first trim position.

Besonders bevorzugt werden weitere erste Geschwindigkeiten, insbesondere insgesamt fünf bis acht erste Geschwindigkeiten, besonders bevorzugt sechs erste Geschwindigkeiten, verwendet.Further first speeds, in particular a total of five to eight first speeds, particularly preferably six first speeds, are particularly preferably used.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung von hydrodynamischen Koeffizienten werden zusätzlich zu den Schritten e) bis h) die folgenden Schritte ausgeführt:

• p) beschleunigungsfreie Fahrt mit schrägem Kiel bei konstanter Tiefe und bei einer dritten zweiten Geschwindigkeit und einer ersten vorderen Tiefenruderlage und einer ersten Trimmtankfüllung,
• q) beschleunigungsfreie Fahrt mit schrägem Kiel bei konstanter Tiefe und bei einer dritten zweiten Geschwindigkeit und einer zweiten vorderen Tiefenruderlage und einer ersten Trimmtankfüllung,
• r) beschleunigungsfreie Fahrt mit schrägem Kiel bei konstanter Tiefe und bei einer dritten zweiten Geschwindigkeit und einer ersten vorderen Tiefenruderlage und einer zweiten Trimmtankfüllung,
• s) beschleunigungsfreie Fahrt mit schrägem Kiel bei konstanter Tiefe und bei einer dritten zweiten Geschwindigkeit und einer zweiten vorderen Tiefenruderlage und einer zweiten Trimmtankfüllung.

In a further embodiment of the method for determining hydrodynamic coefficients, the following steps are carried out in addition to steps e) to h):

• p) acceleration-free travel with an inclined keel at constant depth and at a third second speed and a first forward depth rudder position and a first trim tank filling,
• q) Acceleration-free travel with an inclined keel at constant depth and at a third second speed and a second forward depth rudder position and a first trim tank filling,
• r) Acceleration-free travel with an inclined keel at constant depth and at a third second speed and a first forward depth rudder position and a second trim tank filling,
• s) Acceleration-free travel with an inclined keel at constant depth and at a third second speed and a second forward depth rudder position and a second trim tank filling.

Besonders bevorzugt werden weitere zweite Geschwindigkeiten, insbesondere insgesamt vier bis acht zweite Geschwindigkeiten, besonders bevorzugt fünf zweite Geschwindigkeiten, verwendet.Further second speeds, in particular a total of four to eight second speeds, particularly preferably five second speeds, are particularly preferably used.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung von hydrodynamischen Koeffizienten sind die ersten Geschwindigkeiten ausgewählt aus dem Bereich von 4 kn bis 25 kn, bevorzugt aus dem Bereich von 5 kn bis 20 kn, besonders bevorzugt aus dem Bereich von 6 kn bis 15 kn.In a further embodiment of the method for determining hydrodynamic coefficients, the first speeds are selected from the range from 4 kn to 25 kn, preferably from the range from 5 kn to 20 kn, particularly preferably from the range from 6 kn to 15 kn.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung von hydrodynamischen Koeffizienten sind die zweiten Geschwindigkeiten ausgewählt aus dem Bereich von 4 kn bis 25 kn, bevorzugt aus dem Bereich von 5 kn bis 20 kn, besonders bevorzugt aus dem Bereich von 6 kn bis 14 kn.In a further embodiment of the method for determining hydrodynamic coefficients, the second speeds are selected from the range from 4 kn to 25 kn, preferably from the range from 5 kn to 20 kn, particularly preferably from the range from 6 kn to 14 kn.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung von hydrodynamischen Koeffizienten wird als ersten vorderen Tiefenruderlage ein Winkel von + 15° bis + 25°, insbesondere von + 18° bis + 22° gewählt wird und dass als zweite vorderen Tiefenruderlage ein Winkel von - 15° bis - 25°, insbesondere von - 18° bis - 22° gewählt.In a further embodiment of the method for determining hydrodynamic coefficients, an angle of + 15 ° to + 25 °, in particular + 18 ° to + 22 °, is selected as the first forward elevator position and an angle of -15 ° is selected as the second forward elevator position to -25 °, in particular from -18 ° to -22 °.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung von hydrodynamischen Koeffizienten wird das Verfahren derart durchgeführt, dass die Tauchtiefe so gewählt wird, dass wenigstens 25 m, bevorzugt wenigstens 50 m, besonders bevorzugt wenigstes die Länge des Unterseeboots, Wasser über dem Unterseeboot und wenigstens 25 m, bevorzugt wenigstens 50 m, besonders bevorzugt wenigstes die Länge des Unterseeboots, Wasser unter dem Unterseeboot sind.In a further embodiment of the method for determining hydrodynamic coefficients, the method is carried out in such a way that the diving depth is selected so that at least 25 m, preferably at least 50 m, particularly preferably at least the length of the submarine, water above the submarine and at least 25 m , preferably at least 50 m, particularly preferably at least the length of the submarine, are water under the submarine.

Dieses Verfahren bestimmt die hydrodynamischen Koeffizienten im unbeeinflussten Tiefwasserbereich.This procedure determines the hydrodynamic coefficients in the unaffected deep water area.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung von hydrodynamischen Koeffizienten wird das Verfahren derart durchgeführt, dass die Tauchtiefe so gewählt wird, dass weniger als 25 m, bevorzugt weniger als 15 m, Wasser über dem Unterseeboot und wenigstens 25 m, bevorzugt wenigstens 50 m, besonders bevorzugt wenigstes die Länge des Unterseeboots, Wasser unter dem Unterseeboot sind.In a further embodiment of the method for determining hydrodynamic coefficients, the method is carried out in such a way that the diving depth is selected so that less than 25 m, preferably less than 15 m, water above the submarine and at least 25 m, preferably at least 50 m, particularly preferred are at least the length of the submarine, water under the submarine.

Dieses Verfahren bestimmt die hydrodynamischen Koeffizienten im oberflächennahen Bereich und ist zum Beispiel für Schnorchelfahrt wichtig. Dieses Verfahren wird bevorzugt zusätzlich zum Bestimmung im unbeeinflussten Tiefwasserbereich verwendet.This method determines the hydrodynamic coefficients in the near-surface area and is important for snorkeling, for example. This method is preferably used in addition to the determination in the unaffected deep water area.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung von hydrodynamischen Koeffizienten wird das Verfahren derart durchgeführt, dass die Tauchtiefe so gewählt wird, dass wenigstens 25 m, bevorzugt wenigstens 50 m, besonders bevorzugt wenigstes die Länge des Unterseeboots, Wasser über dem Unterseeboot und weniger als 25 m, bevorzugt weniger als 15 m, Wasser unter dem Unterseeboot sind.In a further embodiment of the method for determining hydrodynamic coefficients, the method is carried out in such a way that the diving depth is selected such that at least 25 m, preferably at least 50 m, particularly preferably at least the length of the submarine, water above the submarine and less than 25 m, preferably less than 15 m, of water under the submarine.

Dieses Verfahren bestimmt die hydrodynamischen Koeffizienten im grundnahen Bereich und ist zum Beispiel für getauchte Fahrten im Flachwasser wichtig. Dieses Verfahren wird bevorzugt zusätzlich zum Bestimmung im unbeeinflussten Tiefwasserbereich verwendet.This procedure determines the hydrodynamic coefficients close to the ground and is important, for example, for submerged trips in shallow water. This method is preferably used in addition to the determination in the unaffected deep water area.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung von hydrodynamischen Koeffizienten werden während der beschleunigungsfreien Fahrten jeweils die Geschwindigkeit u des Unterseeboots, der vordere Tiefenruderwinkel δ_s , der hintere Tiefenruderwinkel δ_b , die Volumenänderung der Trimmtanks ΔV_TT und die Volumenänderung der Regelzelle ΔV_CT erfasst.In a further embodiment of the method for determining hydrodynamic coefficients, the speed u of the submarine, the front depth rudder angle δ _s , the rear depth rudder angle δ _b , the change in volume of the trim tanks Δ V _TT and the change in volume of the control cell Δ V _CT are recorded during the acceleration-free journeys detected.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung von hydrodynamischen Koeffizienten werden während der beschleunigungsfreien Fahrten zusätzlich die Umdrehungsgeschwindigkeit n der Schraube und der Trimmwinkel θ erfasst.In a further embodiment of the method for determining hydrodynamic coefficients, the speed of rotation n of the screw and the trim angle θ are also recorded during the acceleration-free journeys.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung von hydrodynamischen Koeffizienten werden während der beschleunigungsfreien Fahrten jeweils zusätzlich der Rollwinkel φ und Volumenänderung des Ballasttanks ΔV_CT erfasst.In a further embodiment of the method for determining hydrodynamic coefficients, the roll angle φ and the change in volume of the ballast tank Δ V _CT are also recorded during the acceleration-free journeys.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung von hydrodynamischen Koeffizienten wird während des Verfahrens die Gewichtsverteilung im Unterseeboot bis auf die gezielten Änderungen konstant gehalten. Insbesondere wird darauf geachtet, dass die Besatzung ihre Position nicht verändert, da dieses zu nicht erfassbaren Masseverschiebungen führt und somit die Messgenauigkeit des Verfahrens verringert.In a further embodiment of the method for determining hydrodynamic coefficients, the weight distribution in the submarine is kept constant except for the targeted changes during the method. In particular, care is taken that the crew does not change their position, as this leads to non-detectable mass displacements and thus reduces the measurement accuracy of the method.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung von hydrodynamischen Koeffizienten werden im Schritt m) die Koeffizienten $Z_{\ast }^{\prime },$

$Z_{\mathit{\delta s}}^{\prime },$

$Z_{\mathit{\delta b}}^{\prime },$

$M_{\ast }^{\prime },$

$M_{\mathit{\delta s}}^{\prime }$

und $M_{\mathit{\delta b}}^{\prime },$

die Füllvolumen der Regelzelle V _CT1 und V _CT2, die Trimmzellenfüllungen V _TT1 und V _TT2 und die Ruderwinkel δ_sn und δ_bn für auftrieb- und momentfreie Fahrt bestimmt.In a further embodiment of the method for determining hydrodynamic coefficients, in step m) the coefficients $Z_{\ast }^{\prime },$

$Z_{\mathit{\delta s}}^{\prime },$

$Z_{\mathit{\delta b}}^{\prime },$

${\mathrm{M.}}_{\ast }^{\prime },$

${\mathrm{M.}}_{\mathit{\delta s}}^{\prime }$

and ${\mathrm{M.}}_{\mathit{\delta b}}^{\prime },$

the filling volume of the control cell V _{CT 1} and V _{CT 2} , the trim cell fillings V _{TT 1} and V _{TT 2} and the rudder angles δ _sn and δ _{bn are determined} for lift and torque-free travel.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung von hydrodynamischen Koeffizienten werden die erste erste Trimmlage und die zweite erste Trimmlage um 500 kNm ± 50 kNm unterschiedlich gewählt.In a further embodiment of the method for determining hydrodynamic coefficients, the first first trim position and the second first trim position are selected to be different by 500 kNm ± 50 kNm.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung von hydrodynamischen Koeffizienten werden in den Schritten e) und l) eine erste zweite Trimmlage und eine zweite zweite Trimmlage gewählt, wobei die erste zweite Trimmlage und die zweite zweite Trimmlage um 1000 kNm ± 100 kNm unterschiedlich gewählt werden.In a further embodiment of the method for determining hydrodynamic coefficients, a first, second trim position and a second second trim position are selected in steps e) and l), the first, second trim position and the second, second trim position being selected to be different by 1000 kNm ± 100 kNm .

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung von hydrodynamischen Koeffizienten werden in Schritt m) die Koeffizienten $Z_w^{\prime },$

$Z_{w\left|w\right|}^{\prime },$

$Z_{\mathit{\delta s\eta }}^{\prime },$

$M_w^{\prime },$

$M_{w\left|w\right|}^{\prime },$

und $M_{\mathit{\delta s\eta }}^{\prime }$

und der Stabilitätshebelarm z_GB bestimmt.In a further embodiment of the method for determining hydrodynamic coefficients, in step m) the coefficients $Z_w^{\prime },$

$Z_{w\left|w\right|}^{\prime },$

$Z_{\mathit{\delta s\eta }}^{\prime },$

${\mathrm{M.}}_w^{\prime },$

${\mathrm{M.}}_{w\left|w\right|}^{\prime },$

and ${\mathrm{M.}}_{\mathit{\delta s\eta }}^{\prime }$

and the stability lever arm z _GB determined.

Bei beschleunigungsfreien Fahrten des Unterseebootes werden durch Änderung von Tankfüllungen aufgebrachte statische Kräfte durch Strömungskräfte an Ruder und Rumpf kompensiert. Da die Strömungskräfte in getauchter Fahrt mit dem Quadrat der Fahrgeschwindigkeit anwachsen, während die statischen Kräfte konstant bleiben, ergibt sich die Möglichkeit, die Strömungskräfte bzw. hydrodynamischen Koeffizienten aus der Kompensation von bekannten statisch eingeleiteten Gewichtskräften mit bisher nicht erreichter Genauigkeit zu bestimmen. Alle Messfahrten werden bei verschiedenen konstanten Geschwindigkeiten und verschiedenen vorgegebenen Trimmwinkeln des Bootes durch entsprechendes Legen von vorderem und hinterem Tiefenruder auf konstanter Tiefe durchgeführt. Damit ergibt sich die Möglichkeit, hydrodynamische Koeffizienten in Abhängigkeit von der Tauchtiefe des Bootes bzw. vom Abstand des Bootes zur Wasseroberfläche zu bestimmen.When the submarine is traveling without acceleration, static forces applied by changing the tank fillings are compensated for by flow forces on the rudder and hull. Since the flow forces increase with the square of the driving speed in submerged travel, while the static forces remain constant, there is the possibility of determining the flow forces or hydrodynamic coefficients from the compensation of known statically introduced weight forces with previously unattained accuracy. All measurement runs are carried out at different constant speeds and different preset trim angles of the boat by placing the front and rear depth rudders at a constant depth. This makes it possible to determine hydrodynamic coefficients as a function of the depth of the boat or the distance between the boat and the water surface.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung ausgebildet während des Betriebs im zweiten Betriebszustand bei geeignetem vorgegebenen Kurs in den ersten Betriebszustand zu wechseln.In a further embodiment of the invention, the device is designed to change to the first operating state during operation in the second operating state with a suitable predetermined course.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur automatischen Steuerung eines Unterwasserfahrzeugs, wobei das Verfahren zur automatischen Steuerung eines Unterwasserfahrzeugs ein Verfahren zur Bestimmung von hydrodynamischen Koeffizienten und ein Verfahren zur Berechnung der Steuermaßnahmen aufweist.In another aspect, the invention relates to a method for automatically controlling an underwater vehicle, the method for automatically controlling an underwater vehicle having a method for determining hydrodynamic coefficients and a method for calculating the control measures.

Das Verfahren zur automatischen Steuerung weist die folgenden Schritte auf:

1. I) Bestimmung von hydrodynamischen Koeffizienten mittels des Verfahrens zur Bestimmung von hydrodynamischen Koeffizienten,
2. II) Steuerung des Unterwasserfahrzeugs unter Verwendung der in Schritt I) ermittelten hydrodynamischen Koeffizienten.

The automatic control procedure consists of the following steps:

1. I) Determination of hydrodynamic coefficients by means of the method for determining hydrodynamic coefficients,
2. II) Control of the underwater vehicle using the hydrodynamic coefficients determined in step I).

Das Verfahren zur Bestimmung von hydrodynamischen weist die folgenden Schritte auf:

1. a) beschleunigungsfreie Fahrt mit ebenem Kiel bei konstanter Tiefe und bei einer ersten ersten Geschwindigkeit und einer ersten ersten Trimmlage,
2. b) beschleunigungsfreie Fahrt mit ebenem Kiel bei konstanter Tiefe und bei der ersten ersten Geschwindigkeit und einer zweiten ersten Trimmlage,
3. c) beschleunigungsfreie Fahrt mit ebenem Kiel bei konstanter Tiefe und bei einer zweiten ersten Geschwindigkeit und der ersten ersten Trimmlage,
4. d) beschleunigungsfreie Fahrt mit ebenem Kiel bei konstanter Tiefe und bei der zweiten ersten Geschwindigkeit und der zweiten ersten Trimmlage,
5. e) beschleunigungsfreie Fahrt mit schrägem Kiel bei konstanter Tiefe und bei einer ersten zweiten Geschwindigkeit und einer ersten vorderen Tiefenruderlage und einer ersten Trimmtankfüllung,
6. f) beschleunigungsfreie Fahrt mit schrägem Kiel bei konstanter Tiefe und bei der ersten zweiten Geschwindigkeit und einer zweiten vorderen Tiefenruderlage und der ersten Trimmtankfüllung,
7. g) beschleunigungsfreie Fahrt mit schrägem Kiel bei konstanter Tiefe und bei der ersten zweiten Geschwindigkeit und der ersten vorderen Tiefenruderlage und einer zweiten Trimmtankfüllung,
8. h) beschleunigungsfreie Fahrt mit schrägem Kiel bei konstanter Tiefe und bei der ersten zweiten Geschwindigkeit und der zweiten vorderen Tiefenruderlage und der zweiten Trimmtankfüllung,
9. i) beschleunigungsfreie Fahrt mit schrägem Kiel bei konstanter Tiefe und bei einer zweiten zweiten Geschwindigkeit und der ersten vorderen Tiefenruderlage und der ersten Trimmtankfüllung,
10. j) beschleunigungsfreie Fahrt mit schrägem Kiel bei konstanter Tiefe und bei der zweiten zweiten Geschwindigkeit und der zweiten vorderen Tiefenruderlage und der ersten Trimmtankfüllung,
11. k) beschleunigungsfreie Fahrt mit schrägem Kiel bei konstanter Tiefe und bei der zweiten zweiten Geschwindigkeit und der ersten vorderen Tiefenruderlage und der zweiten Trimmtankfüllung,
12. l) beschleunigungsfreie Fahrt mit schrägem Kiel bei konstanter Tiefe und bei der zweiten zweiten Geschwindigkeit und der zweiten vorderen Tiefenruderlage und der zweiten Trimmtankfüllung,
13. m) Ermitteln von hydrodynamischen Koeffizienten aus den in den vorhergehenden Schritten ermittelten Messgrößen,

wobei die Schritte a) bis l) in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden. Der Schritt m) wird nach den Schritten a) bis l) durchgeführt.The method for determining hydrodynamic has the following steps:

1. a) Acceleration-free travel with a level keel at constant depth and at a first first speed and a first first trim position,
2. b) Acceleration-free travel with a level keel at constant depth and at the first first speed and a second first trim position,
3. c) Acceleration-free travel with a level keel at constant depth and at a second first speed and the first first trim position,
4. d) Acceleration-free travel with a level keel at constant depth and at the second first speed and the second first trim position,
5. e) Acceleration-free travel with an inclined keel at constant depth and at a first second speed and a first forward depth rudder position and a first trim tank filling,
6. f) Acceleration-free travel with an inclined keel at constant depth and at the first second speed and a second forward depth rudder position and the first trim tank filling,
7. g) Acceleration-free travel with an inclined keel at constant depth and at the first second speed and the first forward depth rudder position and a second trim tank filling,
8. h) Acceleration-free travel with an inclined keel at constant depth and at the first second speed and the second forward depth rudder position and the second trim tank filling,
9. i) acceleration-free travel with an inclined keel at constant depth and at a second second speed and the first forward depth rudder position and the first trim tank filling,
10. j) Acceleration-free travel with an inclined keel at constant depth and at the second second speed and the second forward depth rudder position and the first trim tank filling,
11. k) Acceleration-free travel with an inclined keel at constant depth and at the second second speed and the first forward depth rudder position and the second trim tank filling,
12. l) acceleration-free travel with an inclined keel at constant depth and at the second second speed and the second forward depth rudder position and the second trim tank filling,
13. m) Determination of hydrodynamic coefficients from the measured variables determined in the previous steps,

wherein steps a) to l) are carried out in any order. Step m) is carried out according to steps a) to l).

Die weiter oben ausgeführten weiteren Ausführungsformen des Verfahrens zur Bestimmung von hydrodynamischen Koeffizienten sind hier entsprechend.The further embodiments of the method for determining hydrodynamic coefficients detailed above are corresponding here.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung prüft das Verfahren in Schritt II), ob das mit den hydrodynamischen Koeffizienten vorhergesagte Steuerungsverhalten des Unterwasserfahrzeugs mit dem realen Steuerungsverhalten des Unterwasserfahrzeugs übereinstimmt.In a further embodiment of the invention, the method checks in step II) whether the control behavior of the underwater vehicle predicted with the hydrodynamic coefficients corresponds to the real control behavior of the underwater vehicle.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird bei einer Abweichung im Steuerungsverhalten Schritt I) erneut durchgeführt.In a further embodiment of the invention, step I) is carried out again if there is a discrepancy in the control behavior.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird in Schritt II) geprüft, ob innerhalb einer vorgegebenen Steuervorgabe Schritt I) durchführbar ist.In a further embodiment of the invention, it is checked in step II) whether step I) can be carried out within a predetermined control specification.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann in Schritt II) ein Wechsel zu Schritt I) verhindert werden.In a further embodiment of the invention, a change to step I) can be prevented in step II).

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist Schritt I) des Verfahrens nicht während der Betriebsarten Schleichfahrt und Gefecht einsetzbar ist.In a further embodiment of the invention, step I) of the method cannot be used during the operating modes crawl speed and combat.

Fig. 1 Darstellung der Vektoren und Winkel am Unterseeboot Fig. 1 Representation of the vectors and angles on the submarine

In Fig. 1 sind die Winkel und Größen am Beispiel eines Unterseeboots mit Kreuzruder gezeigt.In Fig. 1 the angles and sizes are shown using the example of a submarine with a cross rudder.

Claims (8)

1. Device for controlling an underwater vehicle, wherein the underwater vehicle comprises at least a front hydroplane and at least a rear hydroplane, wherein the underwater vehicle comprises at least a first ballast tank and at least a first trim tank and at least a second trim tank, wherein the controlling device comprises means for actuating the at least one front hydroplane, the at least one rear hydroplane, the at least one first ballast tank, the at least one first trim tank and the at least one second trim tank, characterized in that the device is configured to implement a first operating state and to implement a second operating state, wherein in the first operating state the device automatically implements a method for determining hydrodynamic coefficients and in the second operating state it controls the underwater vehicle based on a predefined course, wherein in the second operating state the hydrodynamic coefficients determined in the first operating state are used, wherein the method for determining hydrodynamic coefficients comprises the following steps:

   a) acceleration-free travel with an even keel at a constant depth and at a first first speed and a first first trim position,

   b) acceleration-free travel with an even keel at a constant depth and at the first first speed and a second first trim position,

   c) acceleration-free travel with an even keel at a constant depth and at a second first speed and the first first trim position,

   d) acceleration-free travel with an even keel at a constant depth and at the second first speed and the second first trim position,

   e) acceleration-free travel with an uneven keel at a constant depth and at a first second speed and a first front hydroplane position and a first trim tank filling,

   f) acceleration-free travel with an uneven keel at a constant depth and at the first second speed and a second front hydroplane position and the first trim tank filling,

   g) acceleration-free travel with an uneven keel at a constant depth and at the first second speed and the first front hydroplane position and a second trim tank filling,

   h) acceleration-free travel with an uneven keel at a constant depth and at the first second speed and the second front hydroplane position and the second trim tank filling,

   i) acceleration-free travel with an uneven keel at a constant depth and at a second second speed and the first front hydroplane position and the first trim tank filling,

   j) acceleration-free travel with an uneven keel at a constant depth and at the second second speed and the second front hydroplane position and the first trim tank filling,

   k) acceleration-free travel with an uneven keel at a constant depth and at the second second speed and the first front hydroplane position and the second trim tank filling,

   l) acceleration-free travel with an uneven keel at a constant depth and at the second second speed and the second front hydroplane position and the second trim tank filling,

   m) determination of hydrodynamic coefficients from the measuring variables determined in the preceding steps,

   wherein steps a) to l) are carried out in any sequence, wherein step m) is carried out after steps a) to l).
2. Device according to Claim 1, characterized in that the device is configured to switch to the first operating state during operation in the second operating state when on a suitable predefined course.
3. Method for automatically controlling an underwater vehicle, wherein the method for automatically controlling an underwater vehicle comprises a method for determining hydrodynamic coefficients and a method for calculating the control measures, wherein the method comprises the following steps:

   I) determination of hydrodynamic coefficients by means of the method for determining hydrodynamic coefficients,

   II) control of the underwater vehicle using the hydrodynamic coefficients determined in step I),

   wherein the method for determining hydrodynamic coefficients comprises the following steps:

   a) acceleration-free travel with an even keel at a constant depth and at a first first speed and a first first trim position,

   b) acceleration-free travel with an even keel at a constant depth and at the first first speed and a second first trim position,

   c) acceleration-free travel with an even keel at a constant depth and at a second first speed and the first first trim position,

   d) acceleration-free travel with an even keel at a constant depth and at the second first speed and the second first trim position,

   e) acceleration-free travel with an uneven keel at a constant depth and at a first second speed and a first front hydroplane position and a first trim tank filling,

   f) acceleration-free travel with an uneven keel at a constant depth and at a first second speed and a second front hydroplane position and the first trim tank filling,

   g) acceleration-free travel with an uneven keel at a constant depth and at the first second speed and the first front hydroplane position and a second trim tank filling,

   h) acceleration-free travel with an uneven keel at a constant depth and at the first second speed and the second front hydroplane position and the second trim tank filling,

   i) acceleration-free travel with an uneven keel at a constant depth and at a second second speed and the first front hydroplane position and the first trim tank filling,

   j) acceleration-free travel with an uneven keel at a constant depth and at the second second speed and the second front hydroplane position and the first trim tank filling,

   k) acceleration-free travel with an uneven keel at a constant depth and at the second second speed and the first front hydroplane position and the second trim tank filling,

   l) acceleration-free travel with an uneven keel at a constant depth and at the second second speed and the second front hydroplane position and the second trim tank filling,

   m) determination of hydrodynamic coefficients from the measuring variables determined in the preceding steps,

   wherein steps a) to l) are carried out in any sequence, wherein step m) is carried out after steps a) to l).
4. Method according to Claim 3, characterized in that the method in step II) checks whether the control method of the underwater vehicle predicted using the hydrodynamic coefficients agrees with the actual control method of the underwater vehicle.
5. Method according to Claim 4, characterized in that step I) is repeated when there is a deviation in the control method.
6. Method according to one of Claims 3 to 5, characterized in that a check is made in step II) to see whether step I) can be carried out within a predefined control target.
7. Method according to one of Claims 3 to 6, characterized in that a changeover to step I) can be prevented in step II).
8. Method according to one of Claims 3 to 7, characterized in that the method step I) cannot be used in silent running and combat modes.

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