Unterwassergleiter der nächsten Generation

StablegeverfahrenUnterwassergleiter der nächsten Generation (OTC Flying Agro)

Laufzeit: 01.10.2023 – 30.09.2024

Förderkennzeichen : 03ZU1107BC

1.    Aufgabenstellung und Stand der Technik

Aufgrund des fortschreitenden Klimawandels und der zunehmend intensiven Nutzung der Ozeane gewinnt die Beobachtung ozeanographischer Prozesse immer mehr an Bedeutung. In diesem Kontext können Unterwassergleiter einen entscheidenden Beitrag leisten.

Alle derzeit etablierten Unterwassergleiter der Legacy-Klasse folgen einem ähnlichen Systemkonzept. Sie bestehen aus einem druckfesten Gleiterkörper mit einer maximalen Länge von 2 m und einem Paar starr befestigter Flügel mit einer Spannweite bis zu 1,2 m. Ein Gesamtgewicht von maximal 60 kg ermöglicht die Handhabung durch wenige Personen, ohne dass ein Kran erforderlich ist. Die typische Tauchtiefe liegt zwischen 1000 m und 1500 m, einige spezialisierte Systeme erreichen sogar Tiefen bis zu 6000 m. Im Gegensatz zu klassischen Gleitern mit starren Flügeln gibt es Ansätze für Hybridgleiter, die durch aktives Flügelschlagen zusätzlichen Vortrieb erzeugen. Diese Systeme sind jedoch bislang nicht kommerziell verfügbar.

Bestehende Gleiter ändern zwischen Tauch- und Aufstiegsphasen ihren Nickwinkel, was den Einsatz neigungsempfindlicher Sensoren einschränkt. Zudem handelt es sich um proprietäre Systeme mit großen Druckhüllen, wodurch Anpassungen am Design, den internen Komponenten oder der Software für den Nutzer erschwert werden. Die Ballastierung und Trimmung gestaltet sich oft kompliziert und ist fehleranfällig, da hierfür die Druckhüllen geöffnet werden müssen. Obwohl Gleiter kostengünstiger als Forschungsschiffe sind, bleiben sie für kleine Forschungseinrichtungen oft zu teuer oder sind nicht in ausreichender Anzahl für globale Überwachungsnetzwerke verfügbar.

Das Projekt OTC-FlyingArgo hatte daher das Ziel, einen neuartigen Unterwassergleiter zu entwickeln, der diese Probleme adressiert. Um Akzeptanz in der Meeresforschung zu schaffen, waren innovative Ansätze von der Methodik bis zur Umsetzung sowie erhebliche Kosteneinsparungen erforderlich. Besonderes Augenmerk lag auf folgenden Aspekten:

• Integration eines neuartigen passive flapping-foil Gleitkonzepts
• Entwicklung eines modularen, drucktoleranten Systemaufbaus zur flexiblen Anpassung an verschiedene Anwendungen und Budgets
• Intelligentes, selbsteinstellendes Navigations- und Regelungssystem mit hoher Autonomie
• Veröffentlichung der Ergebnisse und Förderung eines Open-Innovation-Prozesses

Die Entwicklung eines Unterwassergleiters mit innovativen Ansätzen in der Hardwarearchitektur und im Regelungssystem stellt eine große Herausforderung dar, sodass eine strukturierte Projektdurchführung erforderlich war. Das Projekt gliederte sich in drei Teilvorhaben: A und C konzentrierten sich auf die hardwareseitige Entwicklung bis hin zur Demonstratorfertigung, während Teilvorhaben B regelungstechnische Fragestellungen behandelte. Dieser Bericht dokumentiert die hardwareseitige Systementwicklung in Teilvorhaben A und C; die regelungstechnischen Entwicklungen von Teilvorhaben B sind in einem separaten Abschlussbericht des Projektpartners „Universität Rostock, Institut für Automatisierungstechnik“ dargestellt.

2.    Ablauf des Vorhabens

Für einen strukturierten Entwicklungsprozess wurde ein vordefinierter Zeitplan mit 9 Arbeitspaketen verfolgt. Zunächst erfolgte eine Situationsanalyse bestehender Systeme in

Wissenschaft und Wirtschaft. Darauf aufbauend wurden Systemkonzepte entwickelt, ein Auswahlprozess durchlaufen und das vielversprechendste Konzept zur Umsetzung ausgewählt. Anschließend wurde das gewählte Konzept weiter ausgearbeitet, konstruktiv realisiert und ein erster Demonstrator gefertigt. Erste Komponenten des Demonstrators konnten unter Laborbedingungen erfolgreich getestet werden. Die vollumfängliche Erprobung des montierten Gesamtsystems wird im Rahmen des Folgeprojektes weiter betrieben.

3.    Wesentliche Ergebnisse

Das zentrale hardwareseitige Ergebnis des Projekts ist der in Abbildung 1 dargestellt Demonstrator des Unterwassergleiters.

Abbildung 1 - Entwickleter Gleiterdemonstrator

Das System verfolgt eine teilweise drucktolerante Systemarchitektur und besteht zu einem Großteil aus eigens entwickelten und gefertigten Untersystemen. Die Basis bildet ein Tragrahmen aus seewasserfestem Aluminium, in den ein hydraulischer Volumenmotor, ein Elektronikdruckkörper mit Steuerelektronik, ein Trimmsystem, ein Rudersystem mit Kommunikationseinheit sowie ein innovatives Flügelsystem mit voreinstellbaren Anschlägen zur Umsetzung des passive flapping-foil Gleitkonzepts integriert sind. Um eine energieeffiziente Gleitcharakterisitk zu gewährleisten, wurde zudem eine hydrodynamisch optimierte Strömungshülle auf Basis simulativer und experimenteller Untersuchungen entwickelt. Diese besteht größtenteils aus Glasfaser; der mittlere Teil, hinter dem sich das Payload-Kompartment befindet, wurde im 3D-Druckverfahren gefertigt, um schnelle Anpassungen an neue Nutzlasten zu ermöglichen. Für hybride Antriebstests ist ein Thruster der Firma Blue Robotics am Heck des Demonstrators integriert. Alle weiteren im Wasser befindlichen Aktuatoren wurden im Rahmen des Projektes mitentwickelt. Die Energieversorgung des Testsystems erfolgt über eine Batterie der Firma Blue Robotics. Damit der Gleiter eine auftriebsneutrale Charakteristik aufweist sind zudem Auftriebspakete aus Flachwasserschaum integriert. In seinem aktuellen Ausbauzustand ist der Demonstrator in der Lage, Seeversuche bis zu einer Tiefe von 70 Metern im Küstenbereich der Ostsee durchzuführen.

Neben der Demonstratorentwicklung wurden im Rahmen des Projekts mehrere Veröffentlichungen auf internationalen Konferenzen erzielt und eine Open-Innovation- Austauschplattform eingerichtet. Diese ist unter https://github.com/COE-Rostock/FlyingArgo erreichbar.