Strömungsadaptive Stabilisatorfinne für Yachtkiele in Integralbauweise und händiger Ausführung

Traktat

über die Beiträge zum Stand der Technik und zu den „Transactions in Suffering Innovations"

Die „Transactions in Suffering Innovations" bilden eine Sammlung von Schriften über Artefakte im Themenfeld Biologie & Technik, die in loser Reihenfolge erscheint. Es besteht durchaus die Absicht, den Stand der Technik zu verändern.

Gegenstand der Beiträge zu den Schriften der „Transactions in Suffering Innovations" sind Artefakte, Problemlösungen, Gestaltungsfragen und die kritische Auseinandersetzung mit Themen der Bionik, also Technik nach Vorbildern aus der belebten und unbelebten Natur und ihre Umsetzung. In ausgesuchten Fällen sind Technische Beschreibungen nach Standards des Deutschen Patent und Markenrechts^[1] verfasst.

Mit den „Transactions in Suffering Innovations" soll der Fortschritt auf dem Gebiet der angewandten Bionik dadurch gefördert werden, dass die dargestellten notleidenden Artefakte, Problem- und Gestaltungslösungen frei von Rechten Dritter sind und mit ausdrücklicher Genehmigung dem Leser zur Nutzung verfügbar werden.

In den „Transactions in Suffering Innovations" werden ausschließlich Artefakte offeriert, die nicht unter das Arbeitnehmererfindungsgesetzes ArbErfG^[2] fallen oder in der Vergangenheit fielen.

Die in den „Transactions in Suffering Innovations" dargestellten Artefakte sind insofern notleidend, da sie einerseits aus materieller Not nicht weiterverfolgt werden, ein Umstand der sich vielleicht wieder ändern mag. Andererseits sind die dargestellten Artefakte notleidend, weil sie möglichweise auftretender oder voranschreitenden geistigen Umnachtung zum Opfer zu fallen drohen; ein Umstand der sich wohl nicht mehr ändern wird.

Als Übergeordneter Absicht gilt es solche Forschung anzustoßen, die Lösungswege der Übertragung biologischer Phänomene untersucht und Fragestellungen betrifft, die im Zusammenhang stehen mit Natur und Technik.

Die Beiträge zum Stand der Technik und den „Transactions in Suffering Innovations" sind in deutscher Sprache verfasst. Dem Text wird gegebenenfalls eine teilweise oder vollständige Übersetzung in englischer Sprache beigestellt. In einer Ausgabe der Schriftensammlung wird jeweils nur ein Werk platziert. Den Ausführungen wird gegebenenfalls ein Prolog vor und ein Epilog nachgestellt.

Mi. Dienst

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Technische Beschreibung

Strömungsadaptive Stabilisatorfinne für Yachtkiele in Integralbau-weise und händiger Ausführung

Die Erfindung betrifft eine Stabilisatorfinne für Yachtkiele, deren Gestalt sich der beaufschlagenden Strömung selbstständig anformt. Die elastische Belastungs-adaption wird über die Gestaltung eines über drei Achsen beweglichen Gelenkgetriebes erreicht.

Das bewegliche Gelenkgetriebe wird als Plattenstruktur mit eingeprägten Fugen realisiert, was einer Integralbauweise entspricht. Die Fugen und die Wahl einer geeigneten Materialkombination für die linksseitige und die rechtsseitige Tragflügelfläche der Stabilisatorfinne für Yachtkiele formulieren elastische Gelenke. Die linksseitige und die rechtsseitige Beweglichkeit ist nicht gleich, was eine „Händigkeit“ der Finne bedeutet. Durch die Gelenke in der Tragflügelfläche entsteht eine belastungsabhängige Wölbverformung der Tragflügelstruktur, die den Kern der erfinderischen Idee einer händigen Stabilisatorfinne für Yachtkiele darstellt.

Die Finne ist zur gestaltkompatiblen Montage an standardisierte Einbauflansche für Yachtkiele diverser Bauart geeignet. Die Yacht und die Einbauflansche (Plugs) für die Stabilisatorfinne für Yachtkiele sind nicht Gegenstand der Erfindung. Das Tragflügelteil der Stabilisatorfinne für Yachtkiele besitzt eine strömungsmechanisch wirksame und bauartbedingt, unter neutraler Strömungsbeaufschlagung eine symmetrische Profilkontur.

Stand der Technik und der Wissenschaft. Profile

Ein Strömungsprofil bezeichnet die Querschnittgeometrie von Kraft- und Arbeitstrag-flügeln in Strömungsrichtung des umgebenden Fluids. Kontur bezeichnet dabei die umhüllende Gestalt eines Strömungskörpers. Dreidimensionale Körperkonturen können eben, konvex oder konkav sein. Elastisch flexible Profilkonturen sind Stand der Technik und der Wissenschaft. Flexible Profilkonturen für Stabilisatorfinnen für Yachtkiele sind Stand der Technik. Elastische Finnen vom Stand der Technik verhalten sich mechanisch orthodox; dies bedeutet, dass die strukturelle Bauteilverformung der Richtung der beaufschlagenden Kraft folgt.

Stand der Technik. Stabilisatorleitflächen.

Bei Seefahrzeugen in Fahrt und beim Manövrieren ist neben der hohen mechanischen Belastung der strömungsmechanisch wirksamen Bauteile im Bereich des Unterwasserschiffes die optimale und an Strömungs­widerständen arme Funktionsweise entscheidend für höchste Fahrleistungen. Grundsätzlich sind bei leistungsoptimierten Segelfahrzeugen, Yachten und Jollen nach Stand der Technik und all ihren Bauteilen Robustheit, Formhaltigkeit, Funktion und Lebensdauer bei geringem Gewicht von Bedeutung. Zu den fluidmechanisch wirksamen Leitflächen im Unterwasserbereich von Segelfahr-zeugen gehören Stabilisatortragflächen. Als Stabilisatoren bezeichnet man Leit- und Steuerflächensysteme mit deren Hilfe durch Wind und Seegang oder durch die Vorwärtsbewegung selbst hervorgerufene, aber als Störung klassifizierte Schiffsbewegungen verringert oder verhindert werden können. Störungs-Schiffsbewegungen können das Manövrieren erschweren und die Fahrzeugstabilität im Seegang beein­trächtigen.

Eine grobe Einteilung der Schiffsbewegungen benennt das Rollen oder Schlingern (ROLL), entsprechend einer Rotation um die X-Achse, das Stampfen (PITCH), entsprechend einer Rotation um die Y-Achse und das Gieren (YAW) entsprechen Rotation um die Z-Achse. Des weiteren die der Fortbewegung überlagerte translatorische Schiffsbewegung in X-Richtung (SURGE), der translatorischen Seitenverschiebung in Y-Richtung (SWAY) und der Hebebewegung in Z-Richtung (HEAVE). Stabilisatoren gegen die rotatorische Schiffsbewegungen in der X-Achse und jene in Y-Richtung (ROLL- und PITCH-Stabilisatoren) werden nach Stand der Technik paarweise in an den Schiffsseiten platziert. Es sind Konzepte mehrerer (paarweiser) Sätze von Stabilisatorflächen bekannt.

In Fahrt bilden fluidmechanisch wirksamen Leitflächen im Unterwas­serbereich mit symmetrischen Profil nach Stand der Technik dann einen fluiddynamisch wirksamen Tragflügel aus, wenn eine nicht axiale Anströmung gegeben ist. Stabilisatortragflächen nach Stand der Technik sind durch die Fahrbewegung des Seefahr-zeuges hydrodynamisch wirksam, aber nicht notwendigerweise mit symmetrischen Profilen ausgeführt. Für die Kontur des vom Schiffskörper abweisenden, freien Stabilisatortragflächenendes sind unterschiedliche Formen bekannt. Die aus dem hydrodynamischen Auftriebsgebaren der Stabilisatortragflächen resultierende Querkraft soll dem ROLL-Moment, bzw. dem PITCH-Moment entgegenwirken. Hierzu sind bei aktiven Schiffsstabilisatorsystemen die Leit- und Steuerflächen in einer Drehachse längs der Tragflügelstreckung beweglich ausgeführt. Bewegliche aktiven Schiffsstabilisatorsysteme nach Stand der Technik sind mit einer Steuerung oder Regelung ausgestattete, so genannte aktive Leit- und Steuerflächen für Seefahrzeuge. Typisch für Stabilisatoren nach Stand der Technik sind paarweise seitlich ausfahrbare gegebenenfalls drehbewegliche Flossen unterhalb der Wasserlinie. Die Drehbeweglichkeit ist nicht obligatorisch für Schiffsstabilisator-systeme nach Stand der Technik.

Die ersten Flossen- oder Flügelstabilisatoren wurden um 1898 patentiert - damals noch als längs zum Schiffsrumpf verlaufende, aufgesetzte starre Flügel. Im Laufe der Entwicklung wurden Flossen- oder Flügelstabilisatoren seitlich am Seefahrzeug und häufig im Rumpf versenkt angebracht. Die Anstellwinkel der Flossen- oder Flügelstabilisatoren können hydraulisch verändert und damit ihre Ausrichtung laufend an die Roll-, Stampf und Gierbewegung des Schiffes angepasst werden. Dazu wird ein von Geschwindigkeit, Winkellage, Winkelgeschwindigkeit, ggf. der Winkelbe­schleunigung des Schiffes abhängiger, der Schiffsstabilität dienlicher Tragflächen-winkel errechnet. Die Steuerparameter hängen dabei von der Größe, dem Gewicht des Seefahrzeugs und der Art, Menge und Verteilung der Zuladung ab. Stand der Technik sind über Absolut- oder Relativmessungen kontrollierte Flossenstabilisatoren. Gyroskop-Instrumente dienen hier als sehr sensible Messzeuge für absolute Schiffsbewegungen. Eine Computersteuerung lässt die Schiffsstabilisator-systeme schnell auf Bewegungsänderungen des Seefahrzeugs reagieren.

Es ist bekannt, dass wölbbare oder flexibel ausgeführte, nichtsymmetrische Leit- und Steuerflächen Gegenstand experimenteller und theoretischer Untersuchungen sind und Stand der Forschung, der Entwicklung und der Technik. Grundsätzlich gilt, dass die Beiträge flexibel, nichtsymmetrischer Leitflächen zur Stabilität und damit zur Leistungs- und Effizienzsteigerung von Seefahrzeugen relevant sind. Den bei Seefahrzeugen bekannt gewordenen Konstruktionen ist gemeinsam, dass die Winkelstellung durch Regelung und Steuerung bestimmt wird. In Fahrt führen die über Steuerung und Regelung getriebenen Stabilisatorsysteme des Seefahrzeugs ständig von außen erzwungene Drehbewegungen aus, welche der Bewegung der See entgegenwirken und somit das Rollen Stampfen des Schiffs mindern.

Hydrodynamische Wirkungsweise aktiver und passiver Stabilisatorsysteme.

Sollen für aktive als auch für passive Stabilisatorensysteme strömungs­beaufschlagte, autoadaptive Konzepte Anwendung finden, muss das Strömungsbeaufschlagungs-Tragflächenprofiländerungsverhalten im Mittelpunkt der Betrachtungen stehen.

Aktive Stabilisatorensysteme. Konstruktionen für Leit- und Steuerflächen von See-fahrzeugen mit Variabilität des Strömungsprofils sind bekannt. Profile mit Gelenk-klappen an der Profilhinterkante finden Verwendung; sie stellen ein Äquivalent zu den Leitwerken aerodynamischer Tragflächensystemen (etwa von Flugzeugen oder Windrädern) dar. Bei aktiven, der Störströmung steuerungs- und regelungs-technisch nachgeführten und der Beauf­schlagungsrichtung entgegenwirkenden Stabilisator-systemen sind hydrodynamisch wirksame Tragflächensysteme mit gelenkigen Klappen Stand der Technik. Hier kann durch eine Auslenkung der beweglichen Flügelhinterkanten ein Zugewinn an hydrodynamischem Auftrieb erzielt werden. Das Strömungsbeaufschlagungs-Tragflächenprofiländerungsver- halten ist wirkungsverstärkend.

Hinsichtlich der schädlichen Schiffsbewegungen (ROLL, PITCH) stellen sie ein (Wieder-) aufrichtendes Moment bereit. Der regelungs- und steuerungstechnische Kontrollaufwand aktiver, der Störströmung nachgeführten Stabilisatorensysteme ist erheblich.

Passive Konzepte für Stabilisatorensysteme mit strömungsbeaufschlagter autonomer flexibler Profilwölbung des Stabilisatorentragflügels sind nicht Stand der Technik.

Stand der Wissenschaft, Biologie und Bionik.

Flossen von Fischen und Meeressäugern dienen der Propulsion, dem Manövrieren und dem Stabilisieren des Lebewesens in Bewegung (in Fahrt). Biologische Flossen sind ihrer Art nach aktive Propulsions-, Leit- und Steuerflächen, können jedoch auch passive und strömungsadaptive Aufgaben erfüllen. Die Flossen mancher Fischarten weisen eine komplexe Konstruktion mit Membranen und mehreren einbeschriebenen Stützstrukturen (Flossenstrahlen) auf.

Bei Wasserlebewesen besitzen die Flossen in der Regel eine in der Tragflächen-wurzel angesiedelte, vielachsig bewegliche Knochengelenk­Kinematik. Eine Vielzahl von Gelenken rezenter Wirbeltierskelette, wie beispielsweise die Mittelhandknochen und die Ellenbogengelenke, bilden komplexe, mehrachsige, räumlich wirksame Getriebesysteme aus. Das Handgelenk rezenter Lebewesen und dessen evolutions-biologisch relevante Frühstadien die als Fossilen vorliegen, können als biologisches Vorbild für eine vielachsige (technische) Kinematik dienen. Das kinematische Wirkprinzip dieser technischen Vielachsen- Scharnier- Kinematik ist jenes von mehreren dreidimensional-räumlich verbundenen, zwangsbewegten Klappen, deren (lokale) Scharnier-Drehachsen gemeinsame, lokale, Schnittpunkte besitzen. Je nach Zuordnung der Freiheitsgrade der im Sinne einer kinematischen Kette ein (lokales) räumliches Getriebe bildenden Scharniere, stellen die zwangskinematischen dreidimensionalen Winkelbewegungen der Plattenebenen des kinematischen Systems eine Untersetzung, eine Übersetzung oder eine Umlenkung dar. Bei mechanischer Beaufschlagung bilden die beschriebenen Gelenkplattenkinematiken abhängig von der Anordnung der Gelenk- und Fixationsebenen (Knick-) Gewölbeformen aus.

Bionik. Die belebte Natur hat in den Jahrmillionen der biologischen Evolution äußerst effiziente und Ressourcen schonende Lösungen hervorgebracht. Aufgabe der Bionik ist es, Prinzipien der belebten Natur zu entschlüsseln, mit dem Ziel, diese auf künstliche Systeme, auf Artefakte, ja letztendlich auf Maschinen zu Übertragen. Die Bionik verbindet die Naturwissenschaften mit den Ingenieurwissenschaften.

Für die näherungsweise zweidimensionale (ebene) Betrachtungsweise hinsichtlich der Gelenke rezenter Wirbeltierskelette ist es möglich, ein sehr einfaches ebenes kinematisches Gelenkplattenschema herzuleiten, mit dem die Übertragung von Prinzipien biologischer vielachsig-belastungsadaptiver Zwangskinematiken (i-mech, intelligente Mechanik) auf technische Systeme, insbesondere Leit- und Steuerflächen für Seefahrzeuge gelingt.

Problembeschreibung

Bei Leit- und Steuerflächen von Seefahrzeugen und anderen fluidmechanisch wirksamen, Querkraft erzeugenden Tragflächen taucht das Problem der beidseitigen fluidischen Beaufschagung auf. Deshalb haben Leit- und Steuerflächen von Seefahrzeugen vom Stand der Technik im Allgemeinen symmetrische Profile.

Auf dem Gebiet der passiven, nicht steuerungs- und regelungstechnisch geführten Leit- und Steuerflächen von Seefahrzeugen und anderen fluidmechanisch wirksamen, Querkraft erzeugenden Tragflächen sind selbstständig beulbare, wölbbare oder scharnierartig ausgeführte Konstruktionen und Bauweisen nicht Stand der Technik. In Fahrt und beim Manövrieren von Seefahrzeugen wären flexible, nichtsymmetrische Profile für Leit- und Steuerflächen wünschenswert.

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^[1] https://www.dpma.de/patent/anmeldune/index.html

^[2] Am 7. Februar 2002 trat die Novellierung des Arbeitnehmererfindungsgesetzes ArbErfG in Kraft.