Nach der erfolgreichen Inbetriebnahme erfolgte die Verifizierung der Funktionen des va-riablen Auftriebstrimmsystems bei der Firma ENITECH GmbH. Sie verf¨ugt ¨uber ein 1 m tiefes und 4 m langes Wasserbecken f¨ur Versuche mit der Versuchsplattform DNS Pegel.
Das Fahrzeug ist statisch so getrimmt, dass der Antennenmast und das akustische Modem vollst¨andig aus dem Wasser ragen, w¨ahrend sich das gesamte Volumen der Trimmfl¨ ussig-keit außerhalb des Druckk¨orpers in der Trimmblase befindet (siehe Abbildung 4-25 a).
Nach dem vollst¨andigen Leeren der Trimmblase liegt die Versuchsplattform sicher auf dem Boden des Wasserbeckens (siehe Abbildung 4-25 b).Im Verlauf der Messung wird die Trimmfl¨ussigkeit vollst¨andig aus der Trimmblase in den Druckk¨orper gepumpt und somit die maximale Abtriebskraft erzeugt.
In einem ersten Experiment wurde die Auftriebskraft bestimmt, die sich mit dem Sys-tem realisieren l¨asst. Dazu wurde die Versuchsplattform DNS Pegel statisch so getrimmt, dass sie eine Abtriebskraft von 50 N besitzt. Mit Hilfe einer Federwaage wurde die Ab-triebskraft vor und w¨ahrend des Pumpvorgangs des Auftriebssystems gemessen (siehe Abbildung 4-26). Es konnte eine maximale Auftriebskraft von 26,98 N nach 12 Minuten erreicht werden. Die rote Gerade in Abbildung 4-26 zeigt die lineare Regression der Mess-werte. Damit ergibt sich eine ¨Anderungsrate des Auftriebs von 2,2 N pro Minute.
Die Funktionsweise des Auftriebstrimmsystems ist in Abbildung 4-27 schematisch darge-stellt. Das System arbeitet sowohl im Stillstand als auch bei Bewegung des Fahrzeugs auf diese Weise. Das variable Auftriebstrimmsystem ist nicht im Massenzentrum des Fahr-zeugs angeordnet, sondern davor. Daher neigt sich der Bug beim Abtauchen nach unten.
Analog richtet der Bug sich beim Auftauchen nach oben.
In einem weiteren Experiment wurden w¨ahrend eines Ab- und Auftauchvorgangs die Be-wegungen und die Orientierung der Versuchsplattform DNS Pegel in allen Raumrichtun-gen mit Hilfe der im Fahrzeug integrierten Sensoren aufRaumrichtun-genommen. Die m¨oglichen Bewe-gungen und Orientierungen des Fahrzeugs im Wasser sind in Abbildung 4-28 dargestellt.
Die Drehung um die vertikale Achse des Fahrzeugs wird als yaw-Winkel bezeichnet. Dieser entspricht ebenfalls dem Kompasskurs. Die Drehung um die L¨angsachse, das Rollen, wird mit dem roll-Winkel angegeben. Das Nicken um die Querachse des Fahrzeugs wird durch den pitch-Winkel beschrieben. Alle drei Winkel yaw, roll und pitch k¨onnen mit Hilfe des druckneutralen Kompasses in der Versuchsplattform DNS Pegel bestimmt werden. Dabei ist allerdings zu beachten, dass der Kompasskurs (yaw-Winkel) nur bis ±30°Abweichung des pitch- und roll-Winkels von der Nulllage hinreichend genau gemessen werden kann.
Die Wassertiefe, die das Fahrzeug erreicht, kann mit Hilfe eines Drucksensors bestimmt werden.
F¨ur die Messungen wurden drei Ab- und Auftauchvorg¨ange in dem Wasserbecken der Fir-ma Enitech durchgef¨uhrt. Da das Fahrzeug in dem Wasserbecken nur ab- und auftauchen
(a) (b)
Abb. 4-25 Die DNS Pegel getrimmt auf (a) maximalen Auftrieb und (b) auf maximalen Abtrieb b)
0 2 4 6 8 10 12 14 -5
0 5 10 15 20 25 30
Zeit [Minuten]
Auftriebskraft [N]
Abb. 4-26 Im Wasserbecken ermittelte Auftriebskraft. Blau - Messwerte, rot - lineare Regression
konnte, wurde der yaw-Winkel, also der Kompasskurs, nicht betrachtet. Das Wasserbe-cken weist eine Wassertiefe von weniger als einem Meter, bedingt durch einen niedrigen Wasserstand, auf. Daher ist die wie in Abbildung 4-29 a zu sehen, die Tauchtiefe auf 0,33 m beschr¨ankt, da die Versuchsplattform DNS Pegel einen Durchmesser von 0,55 m aufweist und der Drucksensor m¨oglichst weit oben in dem Fahrzeug angebracht ist.
Das variable Auftriebstrimmsystem ist nicht im Auftriebsschwerpunkt des Fahrzeugs an-geordnet. Sondern 0,4 m davor. Dies f¨uhrt dazu, dass das Fahrzeug beim Abtauchen eine entsprechende Nickbewegung, also eine negative ¨Anderung des pitch-Winkels, vollf¨uhrt (siehe Abbildung 4-29 b). Dieses Verhalten ist gewollt und dient insbesondere dem aktiven Abtauchvorgang w¨ahrend der Fahrt. Durch die Nickbewegung richtet sich das Fahrzeug
Abb. 4-27 Funktionsweise des variablen Auftriebstrimmsystems bei einem Tauchgang
Abb. 4-28 M¨ogliche Bewegungsrichtungen der Versuchsplattform DNS Pegel bezogen auf das global fixierte Koordinatensystem XG,YG,ZG.
mit dem Bug in Richtung Boden und entlastet dadurch die Tiefenruder, die bei einem solchen von dem Auftriebstrimmsystem unterst¨utzten Tauchvorgang weniger ausgelenkt werden m¨ussen. In dem Wasserbecken erzeugt das Auftriebstrimmsystem einen negativen pitch-Winkel von 7,9 Grad. Durch die beschr¨ankte Tauchtiefe ber¨uhrt der Bug des Fahr-zeugs jedoch schnell den Boden des Wasserbeckens, so dass der pitch-Winkel durch das weitere Abtauchen wieder geringer wird (siehe Abbildung 4-29 b).
Die ¨Anderung des roll-Winkels (vgl. Abbildung 4-29 c) ist in der Anordnung des Druckk¨orpers des Auftriebstrimmsystems an Steuerbord begr¨undet. Bei dem Abtauchvorgang str¨omt die Trimmfl¨ussigkeit zur¨uck in den Druckk¨orper und verursacht somit eine Massenverschie-bung nach Steuerbord. Dieses Verhalten ist nicht gewollt, l¨asst sich allerdings durch den vorgegebenen Einbauraum des Auftriebstrimmsystem in die Versuchsplattform DNS Pegel nicht verhindern. Der maximale roll-Winkel betr¨agt bei den Versuchen im Wasserbecken 3,8 Grad.
W¨ahrend des Auftauchens ist Zunahme des Rauschens der Messwerte des pitch- und des roll-Winkels zu erkennen (siehe Abbildung 4-29). Als Ursache konnten die Vibrationen der Hochdruckpumpe ausgemacht werden. Sie wirken sich hierbei besonders auf die Nei-gungssensoren aus, deren inerte Masse dabei zum Schwingen angeregt wird.
Mit den Versuchen im Wasserbecken konnte gezeigt werden, dass das variable Auftriebs-trimmsystem seine Funktion erf¨ullt. Allerdings zeigte sich w¨ahrend der Versuche, dass die Durchflussensorik fehlerbehaftet ist (siehe Abbildung 4-30). W¨ahrend des Abtauchens misst der zust¨andige Durchflusssensor bis zum Ausl¨osen des oberen F¨ullstandssensors
(a)
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
Zeit [s]
Tiefe [m]
(b)
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2
Zeit [s]
pitch [°]
(c)
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
Zeit [s]
roll [°]
Abb. 4-29 Gemessene Tiefe (a) sowie (b) und (c) Orientierung und des Fahrzeugs bei einem vollst¨andigen Ab- und Auftauchman¨over im Wasserbecken
eine Fl¨ussigkeitsmenge von 2,25 Liter. Beim Auftauchen misst der andere Sensor eine Fl¨ussigkeitsmenge von 3,49 Liter. Obwohl die gleiche Fl¨ussigkeitsmenge zwischen dem Druckk¨orper und der Trimmblase ausgetauscht wurde, unterscheiden sich die Messwerte stark. Dies spiegelt sich ebenfalls durch die Vermessung des Drucks in dem Druckk¨orper nach Ausl¨osen des unteren und des oberen F¨ullstandssensors wie in Abbildung 4-31 wi-der. Die Druckwerte f¨ur das obere und das untere Ausl¨osen der F¨ullstandssensoren, sind sowohl f¨ur das Abtauchen als auch das Auftauchen identisch. Dieses Fehlverhalten
beein-tr¨achtigt jedoch nicht die Funktion des Auftriebstrimmsystems.
Zwar wurde bei diesem Versuch die Auf- bzw. Abtriebskraft nicht gemessen, jedoch ist der Messwert beim Auftauchen von 3,49 Liter realistisch. Um auszuschließen, dass einer der Durchflusssensoren fehlerhaft arbeitet, wurden sie in einem weiteren Versuch gegeneinan-der getauscht. Jedoch f¨uhrte dies zum gleichen Ergebnis, woraus folgt, dass die Sensoren f¨ur die Messung eines geringen Volumenstroms, wie er beim Abtauchen des Fahrzeugs in dem realisierten Auftriebstrimmsystem auftritt, nur bedingt geeignet sind. Da die ¨ Ande-rungsrate des Auftriebstrimmsystem von 2,2 N pro Minute f¨ur eine Tiefenregelung nicht ausreichend ist und die F¨ullstandssensorik sicher funktioniert, werden die Messwerte der Durchflusssensoren nur zum Zweck der ¨Uberwachung genutzt. So l¨asst sich beispielsweise bei einem Tauchgang an der ¨Anderung der Z¨ahlwerte der Durchflussensorik sicher erken-nen, ob das System sicher l¨auft oder einen Ausfall hat.