Torpedo und Untertrieb

Matthias B. · Anmeldungsdatum: 13.09.2008 Beiträge: 8

Hallo alle zusammen,

ich habe ein kleines Problem, dass mir schon ein paar Tage Kopfzerbrechen bereitet und ich hoffe Ihr könnt mir helfen.

Für eine U-Boot Simulation (http://dangerdeep.sourceforge.net) soll die Laufbahn eines Torpedos möglichst realistisch berechnet werden. Das läuft soweit alles ganz gut, jedoch stört nur ein kleines Detail: Die deutschen Weltkriegstorpedos hatten alle einen Untertrieb (negativer statischer Auftrieb) von ca. 21%. Das ergibt für einen G7a so ca. 260Kg. Der diente dazu, dass der Torpedo bei einem Fehlschuss am Ende seiner Laufweite einfach auf den Meeresgrund sank und somit das U-Boot nicht durch eine Explosion verraten wurde.

Wie war es aber möglich diesen Untertrieb auszugleichen, damit der Torpedo waagerecht läuft? Schließlich blieb der Untertrieb ja konstant und er hatte auch keine Auftriebsflächen um irgendeinen statischen Auftrieb zu erzeugen.
Der Torpedo hatte zwar am Heck ein Paar kleiner Flächen und die entsprechenden Tiefenruder.
Wie also war das möglich?

Auf einer Internetseite habe ich folgendes gefunden:

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Untertrieb scheint mir da einfach zu bedeuten, dass das Ding etwas schwerer ist als das von ihm verdrängte Wasser, und dass es deshalb nach unten sinkt, wenn der Antrieb ausgeschaltet ist.

Um sich waagerecht durch Wasser zu bewegen, während sein Antrieb angeschaltet ist, muss das Ding dann einfach nur ein bisschen schräg nach oben steuern, um die Sinkkraft nach unten auszugleichen.

Matthias B. · Anmeldungsdatum: 13.09.2008 Beiträge: 8

Genau, Untertrieb ist negativer statischer Auftrieb.

An eine Neigung des Torpedos dachte ich auch erst, damit die Resultierende aus Vortrieb und Untertrieb waagerecht ist. Jedoch würde das nicht mit den Leistungsdaten übereinstimmen und andererseits liefen die Torpedos (und laufen auch heute noch) waagerecht(Solange sie sich auf Solltiefe befinden)

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Ich würde denken, um ein bisschen schräg nach oben zu steuern (also bei laufendem Antrieb eine Kraft nach oben zu erzeugen, die die Sinkkraft ausgleicht), müssten die Torpedos gar nicht geneigt sein. Reicht dafür nicht einfach eine passende Einstellung der Steuerklappen?

Matthias B. · Anmeldungsdatum: 13.09.2008 Beiträge: 8

Hallo Markus,

auch das hatten wir schon in Erwägung gezogen. Allerdings erzeugt ein Ruder ja eine Linearbeschleunigung und zusätzlich noch ein Drehmoment!
Das Drehmoment würde dann den Torpedo dazu bringen Loopings zu laufen.

Haben wir evtl. irgendein Moment übersehen, dass dem vom Ruder entgegenwirkt?

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Matthias B. · Anmeldungsdatum: 13.09.2008 Beiträge: 8

Hallo Markus,

die Torpedos waren rotationssymmetrisch. Hier findest du eine schematische Zeichnung: http://www.one35th.com/submarine/topedo-E7-1.jpg

Teil 1 auf dem Bild kann für unsere Betrachtungen vernachlässigt werden. Es handelt sich hierbei nur um die Zündpistole für Aufschlagzündung.

Könnte es sein, dass das erzeugte Drehmoment (dürfte wohl so ca bei 9000Nm liegen) zu schwach ist um gegen dasTrägheitsmoment "anzukommen"? Die Torpedos hatten eine Länge von 7153mm, einen Durchmesser von 553mm und eine Masse von etwas über 1500Kg.

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Okay, dann gehen wir mal von rotationssymmetrischen Torpedos aus.

Mit "zu schwach" bin ich nicht einverstanden. Ein kleines Drehmoment, das auf ein großes Trägheitsmoment wirkt, würde eben eine kleine Wnikelbeschleunigung erzeugen, nicht keine. Genauso wie eine kleine Kraft auf eine große Masse eine kleine Beschleunigung zur Folge hat, und nicht keine.

Wie kommst du darauf, dass eine Schrägstellung des Torpedos nicht mit den Leistungsdaten vereinbar sei? Und der horizontalen Bewegung, von der du weißt, widerspreche? Ich würde vermuten, dass so ein Torpedo nicht besonders stark geneigt sein müsste, um damit das Absinken zu verhindern.

(Regelt ein Torpedo nicht sowieso ständig seine Richtung so, dass er nicht von der gewünschten Geradeausrichtung abweicht? Dann muss man ja nur dafür sorgen, dass die Regelung (die Ruder) stark genug ist, um auch das Sinken ausgleichen zu können, und fertig. Denn auch das ganz normale Steuern des Torpedos wird ja so funktionieren, dass die Ruder den Torpedo jeweils so lange drehen, bis er so schräg steht, wie es für die jeweils gewünschte Richtung erforderlich ist.)

Matthias B. · Anmeldungsdatum: 13.09.2008 Beiträge: 8

Wenn wir jetzt davon sprechen, dass der Torpedo geneigt sein muss um den Untertrieb auszugleichen, dann meinen wir ja, dass ein Teil des Vortriebes genutz wird um dem Untertrieb entgegenzuwirken, oder? Jedoch war die Motorleistung des Torpedos bei 30kn 108PS. Das reicht gerade so um den Wasserwiderstand auszugleichen. Die nötige Neigung hatte ich mal auf ca. 30° berechnet, was ja schon ein ganz schönes Stück ist.

Zum Drehmoment: Ja, du hast natürlivh recht. Hab leider etwas zu schnell geschossen. Jedoch bleibt da immer noch das Problem des permanenten Drehmoments bei permanentem Ausschlag. Sieht da jemand eine Möglichkeit?

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Hoppla, 30° erscheinen mir da ein bisschen viel. Bist du sicher, dass du dich da nicht einfach nur verrechnet hast?

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Permanentes Schrägstehen des Torpedos bedeutet natürlich nicht permanentes Einschlagen des Ruders. Denn das Ruder wird ja immer nur kurz eingeschlagen, solange, bis sich der Torpedo in die gewünschte Schrägstellung gedreht hat. Und dann wird das Ruder natürlich wieder gerade gestellt, damit der Torpedo in dieser Richtung schräggestellt bleibt.

Matthias B. · Anmeldungsdatum: 13.09.2008 Beiträge: 8

Hallo erstmal danke für Deinen unermüdlichen Einsatz Augenzwinkern

Die 30° hatte ich, soweit ich jetzt weiß, aus einem Kraftdiagramm ermittelt, welches ich mir zum besseren Verständnis erstellt habe. Ich werd das aber nochmal durchgehen. Bin jetzt eh auf Arbeit und da hab ich massig Zeit smile

Meine letzte Äußerung zum Drehmoment bezog sich auf den zweite Möglichkeit. Vielleicht auch nochmal eine kleine Zusammenfassung als Übersicht und für all jene, die vielleicht noch ihre Ideen beisteuern möchten smile

Möglichkeit 1: Der Torpedo liegt nicht waagerecht im Wasser sonder mit einer kleinen(oder auch größeren) Erhöhung des Bugs, damit der durch die Propeller erzeugte Vortrieb auch etwas in vertikaler Richtung wirkt und damit den Untertrieb ausgleicht.
Problem hierbei: Die Torpedos liefen damals (soweit ich weiß) waagerecht. Außerdem: Reicht die Leistung dafür überhaupt aus?

Möglichkeit 2: Der Torpedo liegt waagerecht im Wasser, jedoch ist das Tiefenruder immer etwas angestellt. (In dem Text aus meinem ersten Posting steht ja sowas in der Art drinne. Also ist dies wohl die wahrscheinlichste Möglichkeit)
Bei Rudern entsteht ja immer eine Linearbeschleunigung und ein Drehmoment. Also stellen sich hier die Fragen, ob zum einen die Linearbeschleunigung ausreicht (das hatte ein Kollege glaube schonmal ausgerechnet und sie sollte wohl reichen) und zum zweiten, ob es ein anderes Moment gibt, welches dem Drehmoment des Ruders entgegenwirkt. Sollte das nicht der Fall sein, ergibt sich das Problem, dass der Torpedo dann Loopings drehen würde.

Desweiteren macht mich noch der im Internet gefundene Text etwas stutzig. Dort wird behauptet, die Schrauben würden Auftrieb erzeugen, was mir aber völlig neu wäre.

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

* Na, wenn der Torpedo ein bisschen schräg nach oben zeigt, dann bedeutet der Antrieb natürlich auch einen Auftrieb.

* Möglichkeit 2 haben wir, nach dem, was du über die Form der Torpedospitze gesagt hast, ja schon beiseite gelegt.

* Was soll das Problem in der Formulierung "Torpedos liefen waagerecht" für Möglichkeit 1 sein? Wenn die Torpedos bei ihrer horizontalen Fortbewegung immer ein bisschen schräg nach oben zeigend im Wasser stehen, sehe ich da keinen Widerspruch.

Matthias B. · Anmeldungsdatum: 13.09.2008 Beiträge: 8

Ja, ich meinte natürlich "Torpedos lagen waagerecht"

Auch könnte, bei entsprechendem cw Wert der Motor den Untertrieb ausgleichen (gerade nochmal durchgerechnet).

Allerdings gibt es da ja noch die Quellen, die besagen, dass der Ausgleich aber anders erzeugt wurde.

Siehe z.B. http://www.u-boot-archiv.de/waffen/tiefenapparat.php?location=uboote (ganz unten am Ende)
oder mein erster Post.

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Danke für den Link smile

Diese Quelle sagt nicht, dass der Ausgleich anders als durch Schrägstellen des Torpedos und/oder seiner Steuerruder erzeugt wurde. Sie sagt

* wie die Regelung funktioniert, die der Steuerung sagt, wohin sie steuern soll. (Das Steuern selbst funktioniert dann einfach durch jeweils passendes Schrägstellen des Torpedos und/oder seiner Steuerruder, solange, bis sowohl die gewünschte Tiefe als auch am Ende der passende Schrägstellwinkel ("freier Winkel") erreicht ist.)

* dass es einen zusätzlichen Effekt gibt, durch den der Torpedo (auch dann schon, wenn er keinen Untertrieb hätte) beim Fahren ein Drehmoment erfährt und daher eine Schiefstellung der Steuerruder erfordert, um sich beim Fahren nicht zu drehen, nämlich der verringerte Auftrieb hinten und der verstärkte Auftrieb vorne "durch die Schrauben".

Ich glaube, mit diesem Effekt könnte gemeint sein, dass die Schrauben das Wasser hinten so schnell strömen lassen, dass der "effektive Wasserdruck" sinkt und damit der Auftrieb verringert wird. Und vielleicht entsprechend vorne sich das Wasser ein bisschen staut, und dass dieser etwas erhöhte effektive Wasserdruck einen stärkeren Auftrieb bedeutet. (Da würde also dann nicht nur der statische Auftrieb, sondern auch der dynamische Auftrieb eine wichtige Rolle spielen.)

Matthias B. · Anmeldungsdatum: 13.09.2008 Beiträge: 8

Ja ok, wenn ich mir die Seite nochmal so durchlese, dann bezieht sich der "freie winkel" eigentlich nur auf den effekt der schrauben. der erzeugt ja auch ein drehmoment und dieses wird einfach nur durch eine gewisse ruderlage ausgeglichen. hat also eigentlich nichts mit dem untertrieb zu tun.

eigentlich ist es auch logisch, dass möglichkeit 2 nicht funktionieren kann. es wäre ja schlimm, wenn dem rudermoment ein ausgleichendes moment entgegenwirken würde... *klick* smile

ich werde zu hause mal ausrechnen in welchem winkel der torpedo laufen müsste und melde mich dann nochmal. evtl. schreibe ich auch mal den verfasser der seite an. vllt. hat der ja noch genauere informationen.

vielen lieben dank bis hierher schonmal smile