14.08.2015

Alles muss irgendwann einmal erklärt werden.
Was da nachstehend ausgeführt ist, sind eigentlich Selbstverständlichkeiten, wenn man aber die diversen Foren im Internet durchgeht, wundert man sich immer wieder, was es dort für Fragen und Erläuterungen gibt. Aber jeder muss einmal anfangen zu lernen und daher habe ich einige Dinge zusammengetragen, die für den, der schon länger auf diesem Gebiet tätig ist, nichts neues sind, für andere kann es aber doch hilfreich sein. Wer es also schon kennt, muss sich das nicht unbedingt durchlesen, anderen ist es vielleicht eine Hilfe.

Um U-Boote dazu zu bringen, die Wasseroberfläche in Richtung Gewässergrund zu verlassen, müssen sie entweder schwer genug sein oder man muss sie mit mehr oder weniger Gewalt unter Wasser drücken. Den ersten Fall nennt man statisches Tauchen, für den zweiten hat man den Begriff dynamisches Tauchen geprägt, weil immer mit Bewegung verbunden.

Bevor nun aber darauf näher eingegangen wird, ist es erfahrungsgemäß erforderlich, sich einmal gründlich mit dem Phänomen "Auftrieb" auseinanderzusetzen. Was findet man da alles für Begriffe : Auftrieb (richtig), Restauftrieb (schon nicht mehr), Abtrieb (völliger Quatsch). Das geht nicht nur bei Modellbauern so durcheinander rum, sondern auch bei Tauchern, von denen ich ja eigentlich stamme, und die sollten es eigentlich besser wissen.
Schon der alte Archimedes hatte festgestellt, dass der Auftrieb eines Körpers dem Gewicht der Menge des verdrängten Mediums entspricht. Ein Würfel mit einer Kantenlänge von 10 cm hat also im Wasser bei Normbedingungen immer einen Auftrieb von 9,81 N (Newton), also ca. 1 Kp. Ob der Körper dann schwimmt, schwebt oder versinkt hängt von dem Material ab aus dem er besteht. Ist das Gewicht des Körpers kleiner als das des verdrängten Wassers, dann schwimmt er, bei Gleichheit stellt sich der Schwebezustand ein und ist er schwerer, dann geht er unter. Es ist also immer eine Frage der Kräfteverhältnisse. Aus diesem Grund gibt es auch keinen "Restauftrieb" (in diesem Fall ist einfach das Gewicht des Körpers geringer als die maximal zu vergrängende Menge des umgebenden Mediums und der Körper schwimmt und auch keinen Abtrieb (hier ist das Gewicht größer als der Auftrieb und der Körper geht unter). Die Begriffe scheinen umgangssprachlich ganz nützlich zu sein, will man aber mal was berechnen und sich dafür eine Formel zusammenstellen, dann geht das mit Sicherheit schief. Bei Überwasserschiffen, die Lasten befördern sollen, kann man von Tragfähigkeit sprechen, also von der Last, die zusätzlich geladen werden kann, ohne dass die zulässige Eintauchtiefe überschritten wird.

Die obenstehende Skizze zeigt die auf das Boot wirkenden Kräfte und die Berechnung der resultierenden Kraft. Ist diese >0, dann schwimmt das Objekt, bei <0 geht es unter.
Das wird beim statischen Tauchen eines U-Bootes ausgenutzt. An der Wasseroberfläche ist das Gewicht geringer als die maximal mögliche verdrängte Wassermenge. Zum Tauchen wird Ballastwasser in dass Innere des Bootes gepumt, es wird schwerer und sinkt, wenn das Gesamtgewicht den Auftrieb überschreitet. Zum Auftauchen werden die Tanks gelenzt, das Boot wird leichter und damit dann wieder schwimmfähig. Der Schwebezustand, also das Gleichgewicht zwischen Gewicht und Auftrieb, ist nur sehr schwer herzustellen. Schon Veränderungen der Wassertemperatur und damit der Dichte führen zu dazu, dass das Boot entweder aufsteigt oder absinkt. Große U-Boote machen sich diesen Effekt zu nutze, indem das Boot so tariert wird, dass es verhältnismäßig stabil auf dem kälteren Tiefenwasser "geparkt" wird.

Nun zum dynamischen Tauchen. Die Voraussetzung dafür ist ebenfalls, dass der Auftrieb durch eine entgegengesetzt wirkende Kraft kompensiert wird, damit das Boot tauchen kann. Auch hier wirkt zuerst einmal das Gewicht des Bootes, was dazu führt, dass sich nur noch ein geringer Teil des Bootes über Wasseroberfläche befindet. Der Rest wird dann durch das Anströmen des Tiefenruders bei der Vorwärtsbewegung des Bootes erledigt, wie aus der zweiten Skizze zu ersehen ist. Da das nur bei aufgenommener Fahrt erfolgen kann, heißt das Ganze dann "dynamisches Tauchen".
Das Boot wird also durch den Hauptantrieb vorwärts bewegt, dabei werden die schräg angestellten Tiefenruder angeströmt und es entstehen zwei Kraftkomponenten. Eine wirkt waagerecht gegen das Tiefenruder und bremst das Boot, die andere wirkt senkrecht und lässt es tauchen oder wieder aufsteigen, jenachdem, in welcher Richtung es angestellt wurde. Der Vorteil ist, dass das Boot bei Systemausfall automatisch aufsteigt, der Nachteil ist, dass alles nur in der Bewegung klappt. Das reine dynamische Tauchen wird meist nur bei einfachen Modellen benutzt, oft Nachbauten militärischer U-Boote, die wenig Wasserwiderstand bieten und dadurch genug Fahrt aufnehmen können. Bei anspruchsvollen Modellen wird wird hauptsächlich statisch getaucht und die dynamische Komponente zur Feintarierung während der Fahrt genutzt. Hierzu muss dann aber auch ein erheblicher Regelungsaufwand getrieben werden. Für den Notfall ist eine vernünftige Fail-Safe-Schaltung erforderlich, um das Boot automatisch aufsteigen zu lassen.

Als Sonderform des dynamischen Tauchens könnte man die Nutzung von Vertikalantrieben bezeichnen. Hier wird das fehlende Gewicht durch die Kraft vertikal angeordneter Propeller ersetzt. Damit ist ein Tauchen auf der Stelle möglich und auch die Steuerung ist ein überschaubares Problem. Bei Systemausfall taucht das Boot automatisch auf, da bei Motorstillstand die zusätzliche vertikale Kraft entfällt.

Für ROV´s ist die zuletzt dargestellte Variante aus meiner Sicht die beste Wahl. Man kann auch noch einen Tauchtank verwenden, um das Boot nach Anfahrt an den Punkt des Abtauchens so zu tarieren, dass es fast vollständig ins Wasser eintaucht, damit nur noch ein kleiner Kraftanteil durch die Vertikalpropeller aufgebracht werden muss. Das spart Energie. Will man darauf verzichten, dann sollte man die Möglichkeit haben, das Boot vor dem Tauchgang sorgfältig auszutarieren. Das wird auch bei professionellen Booten gemacht - wiegen der Passagieren und anpassen der Ballastmenge.

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