Marine testet Modelle in großen Anlagen

Der William B Morgan-Kanal für große Kavitation (LCC) ist ein geschlossener Wassertunnel mit veränderlichem Druck, der seit 1991 von der US-Marine in Memphis betrieben wird. Diese Anlage ist für eine Vielzahl von hydrodynamischen und hydroakustischen Tests geeignet. Seine Gesamtgröße und -fähigkeiten erlauben es, Reynolds-Zahlen des Testmodells denen von luft- oder wassergetragenen Transportsystemen zu nähern oder sie sogar zu erreichen. (Foto: US Navy)

Der wellenbetriebene Einzelpunktgenerator von AquaHarmonics wird im Rahmen einer Innovationsschau im Manöver- und Seegangbecken in Carderock, Maryland (US Navy Foto von Heath Zeigler) vorgestellt.

Jessica McElman, Elektroingenieurin am Naval Surface Warfare Centre in der Carderock Division, stellt einen Magnetfeldsensor in der Modellspur im Magnetic Fields Laboratory in West Bethesda, Maryland, ein. (Foto: US Navy von Nicholas Malay)

Ein Modell-Eisbrecher demonstriert seine Manövrierbarkeit während eines Tests am National Research Council von Kanada in St. Johns, Neufundland. Der Test zeigte die Fortschritte bei der Erprobung und Evaluierung von Designmodellen für das Eisbrecher-Akquisitionsprogramm der US-Küstenwache, das von einem internationalen Multi-Nationen-Team mit Ingenieuren des Naval Surface Warfare Center der Carderock Division unterstützt wird. (US Navy Foto von Steven Ouimette)

Ein an einem Hochgeschwindigkeitsschlitten befestigtes Schiffsrumpfmodell bewegt sich während der vom ONR gesponserten Forschung durch Wellen im David Taylor Model Basin am Naval Surface Warfare Center in Carderock. (US Navy Foto von John F. Williams)

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Innerhalb der Marineoberfläche Warfare Center, Carderock Division

Das Naval Surface Warfare Center, Carderock Division in West Bethesda, Maryland, ist eines der weltweit führenden Zentren für hydrodynamische Oberflächen- und Unterwasserexpertise, Forschung und Design mit erstklassigen Einrichtungen für Experimente, Tests, Evaluierungen und Validierungen.

"Wir bauen maßstabsgetreue Modelle von Schiffsentwürfen und können diese Rumpfformen in unseren Anlagen testen, um die hydrodynamische Belastung der Struktur zu messen oder die Seegangsfähigkeiten zu bewerten", sagte Mike Brown, Leiter der Abteilung für Marine Architektur und Ingenieurbau von Carderock. "Dies hilft uns, die Leistung unserer Plattformen zu charakterisieren und vorherzusagen."

Carderocks Campus entlang des Potomac River beherbergt den Abschlepptank, um Oberflächenschiffe, U-Boot- und unbemannte Fahrzeugmodelle zu testen, sowie das 240 x 360 Fuß große Manövrier- und Seetauchbecken (MASK), das jede Art von Wellen- und Wellenmuster erzeugen kann kommt überall auf der Welt vor, ebenso wie Wellen, die nicht natürlich vorkommen, in einer kontrollierbaren und wiederholbaren Umgebung.

Mit detaillierten, ferngesteuerten U-Boot-Modellen können Kontrollkräfte an Gliedmaßen und Ruderlagen präzise gemessen werden. "Wir sind in der Lage, die Schiffsleistung so genau zu charakterisieren, dass wir Fly-by-Wire-Algorithmen für ein komplettes U-Boot schreiben können", sagte Brown.

Das rotierende Armbecken des Zentrums dreht sich um ein Zentrum für die Auswertung von Antriebssystemen in Kurven und die Stabilität und Kontrollexperimente von Modellen. Das Zentrum hat auch Zugang zu einem Reservoir in Maryland, wo maßstabsgetreue Modelle von Schiffen und U-Booten getestet werden.

Aber einige der beeindruckendsten Fähigkeiten Carderocks liegen weit entfernt, in Einrichtungen von Alaska bis zu den Bahamas und von Tennessee bis Idaho.

Die Combat Craft Division von Carderock in Little Creek, Virginia, verwaltet eine Reihe von kleinen Handwerksprojekten, die Design, Konstruktion, Beschaffung und Erhaltung umfassen.

Die South Tongue der Ocean Acoustic Measurement Facility (STAFAC) auf den Bahamas und die Southeast Alaska Acoustic Measurement Facility (SEAFAC) in der Nähe von Ketchikan, Alaska, verfügen über Unterwasser-Arrays zur Durchführung akustischer Signaturmessungen mit hoher Wiedergabetreue.

Carderocks Acoustic Research Detachment (ARD) liegt weit entfernt vom Ozean in Idaho. Dank dem tiefen und ruhigen Lake Pend Oreille verfügt die Navy über eine hervorragende kontrollierte Umgebung für akustische Tests mit großen Modell-U-Booten. Die ARD unterhält selbstfahrende Großraumfahrzeuge (LSV), wie die 90 Fuß lange Kokanee (LSV-1), ein maßstabsgetreues Modell eines U-Boots der Seawolf-Klasse, und die 110-ft. Cutthroat (LSV-2) Modell eines Bootes der Virginia-Klasse, zur Bewertung von Designänderungen und neuen Technologien, um sicherzustellen, dass die Boote so leise wie möglich sind.

Der William B. Morgan-Kanal für große Kavitation (LCC) befindet sich am Ufer des Mississippi in Memphis, Tennessee. Der LCC ist wie ein Windkanal, aber mit 1,5 Millionen Gallonen Süßwasser gefüllt. So wie ein Windkanal dazu beiträgt, aerodynamische Eigenschaften verschiedener Formen zu verstehen, kann der LCC Formen wie maßstabsgetreue Modelle von Überwasserschiffen, U-Booten oder sogar Full-Size-Torpedos und Unterwasserfahrzeugen testen und enorme Datenmengen sammeln, um extrem kleine Störungen der hydrodynamischen Leistung zu messen.

"Im LCC wird das Modell in der Testsektion gehalten und wir kontrollieren den Fluss des Wassers um ihn herum", sagte Dave Foster, LCC Operations Manager. Der Strom wird von einem 14.000 PS starken Elektromotor erzeugt. "Durch Variation der Drehzahl des großen Motors, der den LCC-Propeller mit 18 Fuß Durchmesser antreibt, kann die Geschwindigkeit des Wasserflusses durch den Testabschnitt genau gesteuert werden, um den Testparametern zu entsprechen", sagte Foster.

Die Testobjekte sind in einer 10 × 10 × 43 Fuß langen Kammer aufgehängt. Die Kammer kann entleert und geöffnet werden, um Zugang zu dem Testobjekt zu erhalten, das geändert werden kann, um unterschiedliche Formen und Konfigurationen zu testen. "Wir können verschiedene Steuerflächen durch 3D-Druck erstellen", sagte Brown.

Zur Zeit wird der LCC verwendet, um die Leistung des Antriebs für das U-Boot der Columbia-Klasse zu charakterisieren, den Ersatz für die U-Boote der Ohio-Klasse. "Wir haben ein maßstabsgetreues Modell des gesamten U-Bootes und des gesamten Antriebssystems gebaut, um alles von instationären Kräften bis hin zu Kavitation zu messen. Es ist das ausgefeilteste Modell, das Carderock jemals gebaut hat ", sagte Brown. "Wir können die Testbedingungen variieren und sehr kleine Leistungsstörungen messen."

Und im Gegensatz zum Ozean besteht ein großer Vorteil des LCC darin, dass das Team den LCC-Fluss und -Druck ändern und Modellparameter wie Steuerfläche und Modellwinkel variieren kann. "Wir können Testbedingungen stundenlang unter präzisen Bedingungen aufrechterhalten, so dass große Datenmengen im Laufe eines Tages erfasst werden können", sagte Foster.

"Kürzlich haben wir das Minehunting-Schleppsystem in vollem Umfang getestet. Die LCC war die einzige Einrichtung, in der wir aktuelle Daten erhalten konnten, ohne sie auf den Ozean zu bringen ", sagte Brown.

"Und im Gegensatz zum Ozean verfügt der LCC-Testbereich über Fenster, mit denen das Testobjekt während der Läufe beobachtet und aufgezeichnet werden kann", fügte Foster hinzu.

Die Tests können in vielen Iterationen ausgeführt werden, um die Computermodellierungsfunktion bei Carderock zu validieren und zu verbessern.

Eine erhebliche Menge an Tests wird durchgeführt, bevor Sie zum LCC kommen. "Wir können unsere rechnergestützte Fluiddynamik rechnerisch modellieren und dann ein physikalisches Modell für den Test in unserem Abschlepptank erstellen. Dann können wir dieses oder ein größeres Modell im LCC testen. Schließlich kann unsere Unterschriftenabteilung akustische Tests bei der ARD in Idaho durchführen.

Mit Hilfe von Daten, die durch das Testen von Modellen in den Carderock-Einrichtungen erhalten wurden, werden die Computermodelle verbessert, um bessere Vorhersagen zu liefern, und dann können diese Computermodelle Millionen von Variationen ausführen, um die Eigenschaften und das Verhalten verschiedener Designs vollständig zu charakterisieren.

Die Marine hat auch das Labor der US Army Corps des Ingenieurs-Forschungs- und Entwicklungs-Zentrums Cold Regions Research & Engineering Lab (CRREL) in Hanover, NH, benutzt, das Weltklassenanlagen hat, zum der Prüfung und der Forschung in den extrem kalten Klimas, wie Unterseeboot durchzuführen Operationen in arktischen Gewässern.

Akademische Institutionen und kommerzielle Unternehmen nutzen Carderocks Einrichtungen auch, um Tests mit komplexen Strömungsdynamiken, Strömungsmustern und Kavitation zu unterstützen.

"Wir arbeiten über CRADAs zusammen, bei denen es sich um gegenseitige Vereinbarungen handelt, von denen alle Beteiligten profitieren", sagte Brown.

Kooperative Forschungs- und Entwicklungsabkommen (CRADAs) sind rechtliche Vereinbarungen zwischen einem Forschungs- und Entwicklungslabor der Regierung und einem Nicht-Navy-Partner, um Forschung und Entwicklung in einem bestimmten technischen Bereich kooperativ zu betreiben und an den technischen Ergebnissen der gemeinsamen Anstrengungen teilzuhaben.


(Wie in der Mai 2018 Ausgabe von Marine Technology Reporter veröffentlicht )