Luftkammerschiff

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Schiff mit Luftblase unter dem Rumpf

Bei all den Schiffen wird stillschweigend vorausgesetzt, das die gesamte Schiffsoberfläche unterhalb der Wasserlinie vom Wasser umflossen wird. Doch dies ist kein Naturgesetz, denn bei Seevögeln und Robben befinden sich zwischen den Federn bzw. Haaren kleine Lufteinschlüsse, die den Strömungswiderstand herabsetzen. Hier setzt meine Idee an und konzipiert einen Schiffsrumpf, bei dem sich zwischen dem Schiffsboden und dem Wasser eine Luftblase befindet, die den direkten Kontakt des Wassers mit der Bordwand vermeidet und somit die umströmte Fläche (um bis zu 80%) und damit den Strömungswiderstand verringert. Der Reibungswiderstand an der Grenzfläche Wasser-Luft beträgt weniger als ein Prozent des Reibungswiderstandes an der Grenzfläche Wasser-Festkörper und ist daher praktisch vernachlässigbar.

Die folgende Skizze zeigt, dass die umströmte Fläche bei solch einem Luftkammerschiff weit geringer ist als bei einem herkömmlichen Schiff.

Die umströmte Fläche kann bis zu 80% verringert werden. Der Strömungswiderstand sollte sich so um 30-40% vermindern lassen. Fachleute werden jetzt einwenden, dass die Luftblase bei den üblichen Schiffsbewegungen - Schlingern, Kränken und Stampfen - nicht stabil gehalten werden kann. Dieser Einwand ist berechtigt, daher habe ich auch für diese Luftkammerschiffe (Konzept Lukas) einen Luftstrahlantrieb vorgesehen, der einen gewaltigen Luftstrahl unter den Schiffsboden bläst und somit die auftretenden Verluste in kurzer Zeit wieder auffüllt.

Wenn man für den Antrieb ein Triebwerk einsetzt, ähnlich dem für die Jets A 380, so würde solch ein Triebwerk in jeder Sekunde ca. 800 m⊃3; Luft ausstoßen und dabei einen Schub von 320 kN erzeugen. Die Austrittsgeschwindigkeit des Luftstrahls kann hier aber sehr stark gesenkt werden, was die Lärmbelastung und den Kraftstoffverbrauch deutlich reduziert, der „Nebenluftanteil“ sollte dagegen maximale Werte erreichen. Leider habe ich keine Angaben gefunden, wie effizient solch ein Triebwerk arbeitet, wenn es den Strahl ins Wasser leitet. Prinzipiell funktioniert so etwas, sonst könnte man keine Raketen von U-Booten starten. Für die Betrachtungen zur Treibstoffeinsparung bin ich daher von einen um 50% geringeren Wirkungsgrad gegenüber einem üblichen Schraubenantrieb ausgegangen. Der geringere Strömungswiderstand sollte so den verminderten Wirkungsgrad des Antriebes kompensieren. Bei hohen Geschwindigkeiten sinkt der Wirkungsgrad der Schiffsschraube und die Gefahr von Kavitation wird größer. Diese Gefahr tritt beim Luftstrahlantrieb nicht auf, so dass bei hohen Geschwindigkeiten sich der Luftstrahlantrieb sogar noch günstiger als der Schraubenantrieb erweisen könnte. Wenn die Effizienz sehr viel geringer als bei einem Schraubenantrieb ist, so wäre ein „Hybridantrieb“ denkbar, der Hauptantrieb erfolgt mittels Schiffsschrauben und ein Luftstrahl-Hilfsantrieb füllt die Luftblase immer wieder auf

Auch bezüglich der „Verdrängungsarbeit“ ist das Luftkammerschiff herkömmlichen Schiffen mindstens gleichwertig. Der Verdrängungsquerschnitt ist hier etwas geringer als bei konventionellen Schiffen, da der Querschnitt über die gesamte Länge gleich ist und nicht wie bei herkömmlichen Schiffen ein Maximum in der Schiffsmitte aufweist. Die Wasserverdrängung erfolgt hier am Bug nach unten, so dass kaum eine Bugwelle entsteht und das Schiff auf diese Bugwelle „auffährt“, womit sich die Wasserverdrängung und die umströmte Fläche weiter verringern. Auch der Weg, um den das Wasservolumen verschoben werden muss, ist deutlich geringer. So wird auch die „Verdrängungsarbeit“ hier geringer ausfallen als bei konventionellen Schiffen. Am Heck von konventionellen Schiffen tritt eine starke Sogwirkung ein, da hier ein Unterdruck herrscht. Diese Kraft wirkt dem Vortrieb entgegen. Beim Konzept LUKAS treten die Luftblasen am Heck aus, die beim Auftauchen sich entspannen und den Sog vermindern, wenn nicht gar kompensieren.  

Bei meinen Überlegungen ist der Schiffsboden viel breiter als bei den gebräuchlichen Schiffen, dafür ist der Tiefgang geringer. Am Beispiel der „Queen Mary 2“ möchte ich dies aufzeigen.

Die „Queen Mary 2“ hat eine Länge von ca. 340 m, eine Breite in Wasserhöhe von 41 m  und einen Tiefgang von 10 m bei einer Wasserverdrängung von ca. 70.000 t. Dies ergibt eine umströmte Fläche von mehr als 15.000 m⊃2;. Ein Luftkammerschiff gleicher Länge und Wasserverdrängung hätte bei einer Breite von 80 m nur einen Tiefgang von 3 m und eine umströmte Fläche von ca. 3.000 m⊃2;. Der Strömungswiderstand sollte drastisch sinken.

Wenn der Austritt der Luft unter der hinteren Hälfte des Schiffsbodens erfolgt, kann mit einem leicht nach unten gerichteten Strahl ein Auftrieb erzeugt werden, der das Heck etwas anhebt. So kann die Lage des Schiffes getrimmt und eine optimale waagerechte Lage erreicht werden. Durch ein horizontales Schwenken der Luftdüse erfolgt die Steuerung des Schiffes

Neben der Kraftstoffeinsparung haben diese Schiffe weitere Vorteile, wie den geringen Tiefgang, die höhere Kenterfestigkeit, den Wegfall einer Ruderanlage, keine Ballasttanks und leichtere Antriebsaggregate.

Damit bei den Schlinger- und Stampfbewegungen nur wenig Luft entweicht, sollte der Raum unter dem Schiffsboden längs und quer in Zellen aufgeteilt werden. Diese „Wabenstruktur“ lefert auch günstige Festigkeitswerte für den breiten Schiffsboden. Wichtig dabei ist, dass in jeder Zelle eine Luftblase gehalten werden kann, die den Schiffsboden von der Wasseroberfläche trennt. Die seitlichen Bordflächen sind glatte, nach innen geneigte Flächen, die etwas unter den Schiffsboden heruntergezogen sind. Wie bei einem Düsentriebwerk erzeugt der Luftstrahl einen Schub, hier aber im Wasser und nicht in der Luft. Die aufsteigenden Luftblasen sammeln sich unter dem Schiffsboden und entweichen dann am Heck, wo die untere Heckkante Schlitze aufweist, durch welche die Luft kontrolliert entweichen kann. Die Steuerung des Schiffes erfolgt über die Geschwindigkeit und Stärke des Luftstrahls.  Werden auch an den Längsseiten Luftaustrittsdüsen angeordnet, so sind An- und Ablegemanöver einfach auszuführen. Auf eine separate Ruderanlage kann verzichtet werden.

Die Wasserverdrängung bei der Fahrt erfolgt hier unter das Schiff, deshalb wird man kaum eine Bugwelle sehen. Auf diese Bugwelle fährt das Schiff auf und wird dabei etwas angehoben, es entsteht ein dynamischer Auftrieb, der vermindert die zu verdrängende Wassermenge und den Strömungswiderstand. Bei hohen Geschwindigkeiten wirkt die Bugplatte wie eine „Tragfläche“. Solch ein Schiff ist leichter zu beschleunigen als ein Tragflächenboot, da auch bei geringer Fahrt die Luftblase den Schiffsboden vom Wasser trennt und der geringere Tiefgang ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber einem Tragflächenboot.

Besondere Vorteile sehe ich bei folgenden Schiffen:

ï‚·- Für Fähren und Kreuzfahrtschiffe sehe ich große Vorteile des Luftkammerkonzeptes: Der geringe Tiefgang erlaubt das Anlaufen kleinerer Häfen auch für große Fähren. Ebenso können die Fähren Flüsse über weitere Strecken nutzen. Die breite Grundfläche bietet mehr Platz für Fahrzeuge, die dann in einer Ebene stehen. Die Kenterfestigkeit und die „Unsinkbarkeit“ durch die Wabenstruktur unter dem Schiffsboden erhöhen die Sicherheit

-  Flußschiffe, der besondere Vorteil ist hier der geringe Tiefgang. Da auf Flüssen selten hohe Wellen auftreten, werden die Luftverluste gering sein und die Luftkammer kann flach gehalten werden.

ï‚·- Segelboote, durch den breiten Rumpf kann hier eine hohe Kenterfestigkeit bei geringem Gewicht erreicht werden. Die Gefahr, dass bei einem Katamaran eine Böe den Bug des lee-seitigen Rumpfs unter Wasser drückt, ist hier kaum gegeben, da der halbe Rumpf (Diagonale) unter Wasser gedrückt werden müsste.

ï‚·-Flugzeugträger, hier ist die große Breite bei vermindertem Strömungswiderstand und dadurch höheren Geschwindigkeiten ein besonderer Vorteil. Die breite Grundfläche bietet Platz für zwei unabhängige Startbahnen. Die Kenterfestigkeit und die „Unsinkbarkeit“ durch die Wabenstruktur unter dem Schiffsboden erhöhen die Sicherheit. Eine Aufteilung des Antriebs auf 8-12 Gebläseeinheiten (Flugzeug-Triebwerke mit geringerer Drehzahl aber hohem Nebenluftdurchsatz) ermöglicht ein Manövrieren auch beim Ausfall von einigen Systemen.

Die Vorteile bei Fähren sind:

Der geringe Tiefgang erlaubt das Anlaufen kleinerer Häfen auch für große Fähren. Ebenso können die Fähren Flüsse über weitere Strecken nutzen.

Die breite Grundfläche bietet mehr Platz für Fahrzeuge, die dann in einer Ebene stehen.

Die Kenterfestigkeit und die „Unsinkbarkeit“ durch die Wabenstruktur unter dem Schiffsboden erhöhen die Sicherheit

Sollte doch einmal durch ein Leck Wasser in das Maschinendeck fließen, so können die Kammern entlang der Bordwand abgeschottet werden. Die Einfließgeschwindigkeit iszt viewl geringer als bei einem Schiff mit größerem Tiefgang, da der Druck knapp unterhalb der Wasseroberfläche geringer ist.

 

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