[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation der Blockade eines Ruderblattes
in einer X-Ruderanlage (im folgenden X-Ruder) und somit der Aufrechterhaltung der
Manövrierfähigkeit des Unterseebootes mit einem solchen X-Ruder.
[0002] Moderne Unterseeboote, beispielsweise die deutsche Klasse 212a oder die israelische
Dolphin-Klasse, haben anstelle des konventionellen Kreuzruders ein sogenanntes X-Ruder,
bei welchem die vier Ruderblätter jeweils diagonal zur Horizontalen bzw. Vertikalen
bei Normallage des Unterseeboots angeordnet sind.
[0003] Bei einem X-Ruder werden die Ruderblätter aus Sicht von hinten wie folgt nummeriert.
Ruderblatt 1 ist rechts oben (Steuerbord, oben), Ruderblatt 2 ist links oben (Backbord,
oben), Ruderblatt 3 rechts unten ((Steuerbord, unten) und Ruderblatt 4 ist links unten
(Backbord, unten) angeordnet. Somit liegen Ruderblatt 1 und Ruderblatt 4 sowie Ruderblatt
2 und Ruderblatt 3 sich jeweils gegenüber.
[0004] Durch die Verwendung eines X-Ruders sind neben der Verwendung entsprechend als virtuelles
Seitenruder oder virtuelles Tiefenruder zwei weitere Stellungen möglich. Das virtuelle
Seitenruder oder virtuelle Tiefenruder entspricht dem Seitenruder oder dem Tiefenruder
bei einer konventionellen Anordnung der Ruder in Kreuzform. Beim virtuellen Rollruder
wirken die Ruderblätter derart zusammen, dass das Unterseeboot um seine Längsachse
gedreht wird ohne eine weitere Änderung der Bewegungsrichtung des Unterseeboots zu
bewirken, quasi eine schraubenförmige Bewegung vollzieht. Beim virtuellen Bremsruder
sind die Ruderblätter so gestellt, dass die Bewegungsrichtung des Unterseeboots nicht
verändert wird, die Ruderblätter jedoch einen Strömungswiderstand darstellen und so
eine Bremswirkung aufweisen.
[0005] Die Steuerung erfolgt aus praktischen Gründen auch bei einem X-Ruder durch die Vorgabe
einer Wirkung entsprechend einem virtuellen Seitenruders und virtuellen Tiefenruders,
wobei zusätzlich auch Rollruder und Bremsruder vorgegeben werden. Die Umrechnung zwischen
diesen vorgegebenen Werten und den an den Ruderblättern einzustellenden Winkeln ergibt
sich zu:

mit:
- δr
- Auslenkung bzw. Steuerwinkel des virtuellen Seitenruders (engl.: rudder)
- δs
- Auslenkung bzw. Steuerwinkel des virtuellen Tiefenruders (engl.: sternplane)
- δp
- Auslenkung bzw. Steuerwinkel des virtuellen Rollruders (engl.: roll rudder)
- δu
- Auslenkung bzw. Steuerwinkel des virtuellen Bremsruders (engl.: brake rudder)
- δ1
- Auslenkung bzw. Steuerwinkel des 1. Ruderblattes
- δ2
- Auslenkung bzw. Steuerwinkel des 2. Ruderblattes
- δ3
- Auslenkung bzw. Steuerwinkel des 3. Ruderblattes
- δ4
- Auslenkung bzw. Steuerwinkel des 4. Ruderblattes
[0006] Positive Werte für
δ1,
δ2,
δ3 und
δ4 sowie
δs gehen nach unten, positive Werte für
δr gehen nach backbord.
[0007] δ1,
δ2,
δ3 und
δ4 sind die Steuerwinkel.
[0008] Bei Vorgabe des Seitenruders und des Tiefenruders ergeben sich die Auslenkungen der
Ruderblätter durch Auflösen von Formel 1 entsprechend:

[0009] Als 0° Auslenkung wird die Mittelstellung des Ruders betrachtet. Befinden sich alle
Ruder in Mittelstellung wirkt keine fahrtrichtungsändernde Kraft auf das Ruder.
[0010] Aufgrund des vergleichsweise komplexen Aufbaus des X-Ruders hat ein blockiertes Ruderblatt
automatisch Auswirkung sowohl auf das virtuelle Seitenruder als auch auf das virtuelle
Tiefenruder.
[0011] Aus der
DE 10 2012 222 812 A1 ist ein Verfahren zur Regelung eines Zustand eines Fahrzeugs, insbesondere eines
Unterwasserfahrzeugs bekannt.
[0012] Aus der
JP 2016-88 348 A ist ein Controller für eine Ruderanlage für ein X-Ruder bekannt.
[0014] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches die
Manövrierfähigkeit des Unterseeboots auch mit einem blockierten Ruderblatt ermöglicht.
[0015] Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden
Beschreibung sowie den Zeichnungen.
[0016] Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kompensation der Blockade eines Ruderblattes in
einem X-Ruder weist die folgenden Schritte auf:
a) Prüfen, ob ein Ruderblatt blockiert ist,
b) Feststellen, welches Ruderblatt blockiert ist,
c) Feststellen in welchem Winkel das blockierte Ruderblatt blockiert ist,
d) Kompensieren der Steuerwinkel für die verbleibenden drei Ruderblätter,
m) Ansteuern der Ruderblätter.
[0017] Vorteil des Verfahrens ist es, dass das Unterseeboot auch nach Beschädigung noch
manövrierfähig bleibt. Durch das Verfahren werden unkontrollierte Lage- und Richtungsänderungen
vermieden. Kommt es während eines Gefechtseinsatzes oder bei einer Aufklärungsfahrt
zu einem blockierten Ruderblatt kann insbesondere ein Auftauchen des Unterseebootes
vermieden werden, was die Position und Anwesenheit des Unterseeboots verraten würde.
[0018] Ist ein Ruderblatt blockiert, so ist die Auslenkung durch die blockierte Stellung
vorgegeben und kann nicht mehr variiert werden. Es ergibt sich somit mit einem vorgegebenem
virtuellen Seitenruder und einem vorgegebenem virtuellen Tiefenruder aus Formel 2:

mit:
- δ1,jam
- Auslenkung des blockierten 1. Ruderblattes
- δ2,jam
- Auslenkung des blockierten 2. Ruderblattes
- δ3,jam
- Auslenkung des blockierten 3. Ruderblattes
- δ4,jam
- Auslenkung des blockierten 4. Ruderblattes
- δr,com
- Auslenkung des Seitenruders, vorgegeben
- δs,com
- Auslenkung des Tiefenruders, vorgegeben
[0019] Da das Rollen eines Unterseeboots eine sehr ungünstige Bedingung ist, wird das Rollruder
zunächst in der Neutrallage festgehalten:

[0020] Somit ist die Kompensation in Schritt d) gegeben als:
Für blockiertes 1. Ruderblatt:

Für blockiertes 2. Ruderblatt:

Für blockiertes 3. Ruderblatt:

Für blockiertes 4. Ruderblatt:

[0021] In allen Fällen wird das Bremsruder als Variable frei gegeben, es wird also die Bremswirkung
durch das Ruder in Kauf genommen, um die Steuerfähigkeit des Bootes aufrecht zu erhalten.
Dieses bedeutet die geringste Veränderung des Steuerverhaltens des Unterseebootes.
[0022] Es kann bei der Kompensation jedoch auftreten, dass die maximal mögliche Auslenkung
eines Ruderblattes überschritten wird. Um dieses Problem zu lösen, werden erfindungsgemäß
nach Schritt d) folgende Schritte ausgeführt:
e) Prüfen, ob einer der kompensierenden Steuerwinkel größer als der maximal zulässige
Steuerwinkel ist,
f) Wenn e) positiv, dann Feststellen welcher kompensierenden Steuerwinkel die größte
Auslenkung aufweist,
g) Skalieren der kompensierenden Steuerwinkel,
m) Wenn e) negativ oder nach g) Ansteuern der Ruderblätter.
[0023] Hierbei ist der maximal zulässige Steuerwinkel nicht nur abhängig von der Bauart.
Beispielsweise kann ein Ruderblatt im Bereich von -45° bis 45° bewegbar sein. Zusätzlich
ist der maximal zulässige Steuerwinkel auch von der Geschwindigkeit des Unterseebootes
abhängig. Während bei Stillstand (0 kn) eine Auslenkung im vorgenannten Fall von -45°
bis 45° möglich ist, kann aufgrund des Wasserdrucks, der durch die Strömung auf das
Ruderblatt wirkt, bei schneller Fahrt, beispielsweise 20 kn, die Auslenkung beispielsweise
auf - 30° bis 30° beschränkt sein, da das Drehmoment der Rudermaschine und somit die
maximal zur Verfügung stehende Kraft begrenzt ist.
[0024] Die Skalierung ändert zwar quantitativ das Steuerverhalten, qualitativ bleiben die
Eigenschaften jedoch erhalten. Besonders bevorzugt bleibt das Verhältnis von Tiefenruder
zu Seitenruder konstant. Beispielsweise kann das Unterseeboot auch nach der Skalierung
eine definierte Kurve, zum Beispiel nach Steuerbord, fahren, ohne dass es zu einer
erheblichen Veränderung der Tauchtiefe kommt, es wird lediglich der Kurvenradius bei
extremen Manövern vergrößert. So bleibt das Steuerverhalten auch unter diesen Bedingungen
für die Besatzung vorhersagbar. Eine Verringerung der Genauigkeit der Beibehaltung
der Tiefe muss gegeben falls in Kauf genommen werden.
[0025] Die Skalierung erfolgt derart, dass der Steuerwinkel des Ruderblattes, welcher die
höchste Auslenkung aufweist, auf den maximalen Wert gesetzt wird und die verbleibenden
Auslenkungen der verbleibenden beiden Ruderblätter entsprechend skaliert werden.
[0026] Der Index sc beim Steuerwinkel
δn,sc mit n ausgewählt aus der Gruppe 1, 2, 3 oder 4 bedeutet, dass der Steuerwinkel des
Ruders n auf den maximalen Wert skaliert ist.
[0027] Es wird a definiert zu

[0028] Ist nun das 1. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximaler Auslenkung des
2. Ruderblattes aus Formel 5 und Formel 9:

[0029] Ist nun das 1. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximaler Auslenkung des
3. Ruderblattes aus Formel 5 und Formel 9:

[0030] Ist nun das 1. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximaler Auslenkung des
4. Ruderblattes aus Formel 5 und Formel 9:

[0031] Ist nun das 2. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximaler Auslenkung des
1. Ruderblattes aus Formel 6 und Formel 9:

[0032] Ist nun das 2. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximaler Auslenkung des
3. Ruderblattes aus Formel 6 und Formel 9:

[0033] Ist nun das 2. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximaler Auslenkung des
4. Ruderblattes aus Formel 6 und Formel 9:

[0034] Ist nun das 3. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximaler Auslenkung des
1. Ruderblattes aus Formel 7 und Formel 9:

[0035] Ist nun das 3. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximaler Auslenkung des
2. Ruderblattes aus Formel 7 und Formel 9:

[0036] Ist nun das 3. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximaler Auslenkung des
4. Ruderblattes aus Formel 7 und Formel 9:

[0037] Ist nun das 4. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximaler Auslenkung des
1. Ruderblattes aus Formel 8 und Formel 9:

[0038] Ist nun das 4. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximaler Auslenkung des
2. Ruderblattes aus Formel 8 und Formel 9:

[0039] Ist nun das 4. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximaler Auslenkung des
3. Ruderblattes aus Formel 8 und Formel 9:

[0040] Mit den skalierten virtuellen Auslenkungen
δr,com,sc und
δs,com,sc aus den Formeln 10 bis 37 und den Formeln 5 bis 8 ergeben sich die Steuerwinkel zu:
Für blockiertes 1. Ruderblatt ergibt sich:

Für blockiertes 2. Ruderblatt ergibt sich:

Für blockiertes 3. Ruderblatt ergibt sich:

Für blockiertes 4. Ruderblatt ergibt sich:

[0041] Leider ist es auch damit nicht möglich, alle Richtung anzusteuern, wenn ein Ruder
in der Maximalstellung, beispielsweise ±45° blockiert ist. Um in solchen Fällen dennoch
die Manövrierfähigkeit zu verbessern, kann es notwendig sein, das Rollruder freizugeben
und eine Drehung um die Längsachse zuzulassen. Daher werden erfindungsgemäß die folgenden
Schritte ausgeführt:
h) Prüfen, ob der Betrag des vorgegebenen Tiefenruder größer gleich 1° ist und der
Betrag des skalierten Tiefenruders kleiner 1° ist,
i) Wenn h) negativ, dann Durchführung einer Anpassung mit skaliertem Seitenruder und
skaliertem Tiefenruder gemäß Schritt g) und mit Schritt m) weiterführen,
j) Wenn h) positiv, dann erneutes Skalieren unter Berücksichtigung des Rollruders,
k) Ermitteln des erneut skalierten Seitenruders, des erneut skalierten Tiefenruders
und des erneut skalierten Rollruders,
l) dann Durchführung einer Anpassung mit erneut skaliertem Seitenruder, erneut skaliertem
Tiefenruder und erneut skaliertem Rollruder,
m) Wenn e) negativ oder nach i) oder nach l) Ansteuern der Ruderblätter.
[0042] Da in diesem Fall nicht mehr Tiefe und Kurs gehalten werden können, wird die Priorität
auf die Tauchtiefe und somit auf das Tiefenruder gelegt. Dieses ist bevorzugt, da
sowohl ein Unterschreiten der maximalen Tauchtiefe als auch ein Auftauchen eine große
Gefahr für das Unterseeboot darstellen kann.
[0043] Im Folgenden bezeichnen
δr,ord das erneut skalierte Seitenruder und
δp,ord das erneut skalierte Rollruder, wobei es sich hierbei nicht um vollständig korrekt
skalierte Werte handelt. Die Werte werden derart bestimmt, dass
δs,com erreicht werden kann.
δr,com kann hingegen nicht mehr eingehalten werden, da δ
p als weiterer Freiheitsgrad freigegeben ist. Die Variation wird hierbei so gewählt,
dass
δr,ord minimal ist.
Für blockiertes 1. Ruderblatt ergibt sich:



Für blockiertes 2. Ruderblatt ergibt sich:



Für blockiertes 3. Ruderblatt ergibt sich:



Für blockiertes 4. Ruderblatt ergibt sich:



[0044] In einem alternativen Verfahren wird die Priorität auf den Kurs gelegt, die Tauchtiefe
wird variiert. In diesem alternativen Verfahren werden die folgenden Schritte ausgeführt:
h') Prüfen, ob der Betrag des vorgegebenen Seitenruders größer gleich 1° ist und der
Betrag des skalierten Seitenruders kleiner 1° ist,
i') Wenn h') negativ, dann Durchführung einer Anpassung mit skaliertem Seitenruder
und skaliertem Tiefenruder,
j') Wenn h') positiv, dann erneutes Skalieren unter Berücksichtigung des Rollruders,
k') Ermitteln des erneut skalierten Tiefenruders, des erneut skalierten Seitenruders
und des erneut skalierten Rollruders,
l') dann Durchführung einer Anpassung mit erneut skaliertem Tiefenruder, erneut skaliertem
Seitenruder und erneut skaliertem Rollruder,
m) Wenn e) negativ oder nach i') oder nach l') Ansteuern der Ruderblätter.
[0045] In diesem Fall erfolgt die Berechnung analog zur vorherigen Methode, als die Priorität
auf die Tauchtiefe und somit auf das Tiefenruder gelegt wurde.
[0046] Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Fig. 1 Ablaufdiagramm
Fig. 2 Ruderanordnung
[0047] In Fig. 1 ist ein Ablaufdiagramm für die Ansteuerung von Ruderblättern eines X-Ruders
gezeigt.
[0048] In Schritt A wird der Wert für das Seitenruder
δr,com und der Wert für das Tiefenruder
δs,com vorgegeben.
[0049] In Schritt B werden die Werte in die Steuerwinkel
δi der vier Ruderblätter entsprechend Formel 2 umgerechnet.
[0050] In Schritt C wird geprüft, ob ein Ruderblatt blockiert ist. Ist kein Ruderblatt blockiert,
wird mit Schritt N fortgefahren, ist ein Ruderblatt blockiert, so wird mit Schritt
D fortgefahren.
[0051] In Schritt N wird geprüft, ob einer der Steuerwinkel
δi der vier Ruderblätter größer als der maximale Steuerwinkel ist. Ist dieses der Fall,
so wird mit Schritt 0 fortgefahren, ist dieses nicht der Fall, so wird mit Schritt
K fortgefahren.
[0052] In Schritt 0 werden die Steuerwinkel
δi der vier Ruderblätter so skaliert, dass der höchste Wert der Steuerwinkel
δi der vier Ruderblätter den Wert des maximalen Steuerwinkel annimmt. Anschließend wird
mit Schritt K fortgefahren.
[0053] In Schritt D wird geprüft, welches Ruderblatt blockiert ist und in welchem Winkel
δi das blockierte Ruderblatt blockiert ist.
[0054] In Schritt E werden die Steuerwinkel für die verbleibenden drei Ruderblätter berechnet,
um das blockierte Ruderblatt zu kompensieren. Die Berechnung erfolgt entsprechend
der Formeln 5 bis 8.
[0055] In Schritt F wird geprüft, ob einer der Steuerwinkel
δi der vier Ruderblätter größer als der maximale Steuerwinkel ist. Ist dieses der Fall,
so wird mit Schritt G fortgefahren, ist dieses nicht der Fall, so wird mit Schritt
K fortgefahren.
[0056] In Schritt G wird ermittelt, welches Ruderblatt den größten kompensierenden Steuerwinkel
aufweist.
[0057] In Schritt H werden die Steuerwinkel skaliert, um den größten kompensierenden Steuerwinkel
auf den maximalen Steuerwinkel zu reduzieren. Die Skalierung erfolgt mittels der Formeln
10 bis 33.
[0058] In Schritt I wird geprüft, ob der Betrag des vorgegebenen Tiefenruders größer gleich
1 ist und ob der Betrag des skalierten Tiefenruders kleiner 1 ist. Ist dieses der
Fall, so wird mit Schritt L fortgefahren, ist dieses nicht der Fall, dann wird mit
Schritt J fortgefahren.
[0059] In Schritt J werden die Einzelruderlagen für die in Schritt H skalierten Steuerwinkel
berechnet. Die Berechnung erfolgt entsprechend der Formeln 34 bis 37.
[0060] In Schritt L werden die Steuerwinkel mit variablem Rollruder mittels der Formeln
38 bis 49 berechnet.
[0061] In Schritt M werden die Einzelruderlagen für die skalierten Steuergrößen nach den
Formeln 5 bis 8 bzw. nach den Formeln 34 bis 37 berechnet.
[0062] In Schritt K werden die Ruderblätter angesteuert.
[0063] In Fig. 2 sind die vier Ruderblätter sowie das virtuelle Seitenruder 50 und das virtuelle
Tiefenruder 60 gezeigt, wobei hier in Fahrtrichtung von hinten auf das Unterseeboot
gesehen wird.
[0064] Zu sehen sind Ruderblatt 1 10, Ruderblatt 2 20, Ruderblatt 3 30 und Ruderblatt 4
40 sowie das virtuelle Seitenruder 50 und das virtuelle Tiefenruder 60.