Verdränger und Gleiter

miniatur|Verdränger miniatur|Gleiter miniatur|Halbgleiter Unter einem Verdränger versteht man im Schiffbau ein Boot, das sich zu jeder Zeit mit dem kompletten Unterwasserschiff im Wasser befindet und dieses verdrängt. Das Gegenteil von Verdrängern sind Gleiter, die sich mit zunehmender Geschwindigkeit aus dem Wasser heben und anfangen, darauf zu gleiten. Für das Gleiten sind eine geeignete Rumpfform, ein mäßiges Gewicht und eine starke Antriebsleistung nötig. Halbgleiter befinden sich bezüglich Rumpfform, Gewicht und Antriebsleistung zwischen Verdrängern und Gleitern.

Ein Rumpf mit Verdrängerform kann auch durch eine beliebige Erhöhung der Antriebsleistung nicht zum Gleiter werden.

Grundlagen Jedes Wasserfahrzeug, gleich ob Boot, Schiff, Floß, Flugboot oder Amphibienfahrzeug, ist im Ruhezustand ein Verdränger, da jeder auf dem Wasser schwimmende Körper aufgrund des archimedischen Prinzips eine Wassermenge gleichen Gewichts verdrängt. Die Unterschiede zwischen Verdränger, Halbgleiter und Gleiter zeigen sich in der Bewegung.

Verdränger Jedes Wasserfahrzeug fährt bei geringer Geschwindigkeit in Verdrängerfahrt. Mit steigender Geschwindigkeit hängt das weitere Verhalten von der Rumpfform und dem Gewicht ab. Bei Verdränger-Rümpfen steigt die bewegte Wassermenge mit der Geschwindigkeit an und damit auch die Höhe und der Widerstand der Bugwelle. Dadurch ist diese Art der Fortbewegung nur bis zur sogenannten Rumpfgeschwindigkeit möglich. Klassische Verdränger finden sich in der gesamten Spanne vom Einbaum über Tretboote und Fischkutter bis hin zur Queen Mary 2 und Frachtschiffe.

Rumpfgeschwindigkeit

Kein Verdränger kann mit seinem Heck die Welle überholen, die durch seinen Bug während der Fahrt gebildet wird. In der Praxis macht sich das Problem bereits bemerkbar, wenn die dem Heck vorauseilende Heckwellenvorderseite die dem Bug nacheilende Bugwellenrückseite erreicht, also die Bug- und die Heckwellensysteme sich addieren. Der Bug wird durch die Bugwelle angehoben, während das Heck in ein immer tieferes Wellental sinkt, was den Wasserwiderstand weiter steigert. Diese spezifisch für jede Rumpflänge existierende maximale Endgeschwindigkeit nennt man Rumpfgeschwindigkeit, sie ist näherungsweise berechenbar. Wird die Rumpfgeschwindigkeit mittels Schleppen durch ein wesentlich schnelleres und stärkeres Schiff oder durch widrige Umstände (z. B. in einem Sturm auf dem Weg von einem Wellenkamm in ein Wellental) dennoch überschritten, so kommt es zum gefährlichen Surfen, das Schiff liegt extrem steil im Wasser und sinkt schließlich mit dem Heck voran, sofern nicht vorher die mechanische Stabilität versagt und das Schiff auseinanderbricht.

Bei schlanken Rümpfen interagieren die Wellensysteme von Bug und Heck zwar weniger, aber das Heck kann dennoch die Bugwelle nicht überholen. In der Praxis bedeutet das, dass man bei einem breiten Rumpf mehr Antriebsleistung benötigt als mit einem gleich langen schmalen Rumpf. Beide Rümpfe haben aber die gleiche Höchstgeschwindigkeit, denn bei einem Verdränger ist die erreichbare Höchstgeschwindigkeit ausschließlich von der Länge der Wasserlinie des Rumpfes abhängig, nicht jedoch von seiner Breite.

Gleiter

Gleiter sind durch ihre Rumpfkonstruktion dazu geeignet, sich mittels eines starken Antriebes gegen den Wasserwiderstand aus dem Wasser zu heben. Während der Fahrt befindet sich also der überwiegende Teil des Rumpfes oberhalb der Wasserlinie. Bei jenen Teilen des Rumpfs, die sich aus dem Wasser heben, reduziert sich der Widerstand vom hohen Wasserwiderstand auf den geringen Luftwiderstand. Bei weiterer Erhöhung der Geschwindigkeit kann sich sogar das Heck aus dem Wasser heben, so dass der Rumpf auf der Welle zu gleiten scheint. Durch den viel geringeren Widerstand und die viel höhere Antriebsleistung wird im Vergleich zur Verdrängerfahrt ein Mehrfaches an Geschwindigkeiten erreicht. Den Moment, in dem die Gleitfahrt einsetzt, nennt man Angleiten, er hängt auch von der Gewichtsverteilung und dem Seegang ab. Vorteilhaft für ein frühes Angleiten ist ein langer, flacher Rumpf mit breitem Heck.

Der Übergang von der Verdrängerfahrt zur Gleitfahrt ist das Äquivalent auf dem Wasser zum Durchbrechen der Schallmauer in der Luft, bei dem ein Flugzeug seine eigene Schallwelle überholt. Gleitertypen War die Gleitfahrt früher nur auf kleine Boote beschränkt, gibt es inzwischen sogar ultraleichte 30-Meter-Yachten als Gleiter. Wird allerdings in solch einer Yacht durch nachträgliche Einbauten das Gewicht erhöht oder der Schwerpunkt verlagert, lässt sie sich nicht mehr in die Gleitfahrt bringen, da das Gewicht mit der Antriebsleistung und Rumpfform abgestimmt sein muss.

Auch militärische Anwendungen von Gleitern haben inzwischen erstaunliche Größen erreicht. Es gibt sogar ein US-amerikanisches Ein-Mann-U-Boot, das aufgetaucht in Gleitfahrt übergehen kann.

Konstruktionsaspekte

Der konstruktive und betriebstechnische Haken ist bei jedem Gleiter die Fähigkeit, überhaupt erst einmal in das Gleiten zu kommen. Diese Fähigkeit ist nicht nur von der Rumpfform, sondern vor allem vom Leistungsgewicht des Schiffes abhängig. Wenn der Gleiter jedoch erst einmal gleitet, dann könnte man theoretisch sein Gewicht, zum Beispiel durch Zuladung per Hubschrauber, auch über das Maximum des Gewichtes erhöhen, mit dem die Gleitfahrt noch erreicht werden konnte.

Ein Problem ist, dass, sehr vereinfacht dargestellt, die Geschwindigkeit, ab der ein Schiffsrumpf auf seiner Fahrt durch das Wasser in das Gleiten übergeht, mit zunehmendem Gewicht steigt. Um diese Mindestgleitgeschwindigkeit zu erreichen, ist mit zunehmendem Gewicht daher auch eine zunehmende Antriebsleistung nötig.

Da jeder Gleiter bis zu dem Moment des Gleitens hydrodynamisch ein Verdränger ist und es das Phänomen der Kavitation gibt, ist der Konstruktion des Gleiters nach oben hin eine Gewichtsgrenze gesetzt, die selbst mit hydrodynamischen Kniffen, wie sie bei einem Tragflügelboot angewandt werden, oder durch den aerodynamischen Effekt bei einem Flugboot nach oben begrenzt ist. Daher gibt es keine wirklich großen Wasserfahrzeuge, die konstruktiv als Gleiter unterwegs sind.

Das Phänomen des Klebens

Wenn es einem Gleiter gelingt, anzugleiten, also seine Bugwelle einzuholen (indem die Vorderseite des Heckwellensystems die Rückseite des Bugwellensystems erreicht), aber nicht mit der Abrisskante am Heck die Bugwelle zu überholen, dann nennt man das Kleben. Beim Kleben gilt – wenn auch aus einem etwas anderen Grund – dieselbe Geschwindigkeitsgrenze wie bei einem Verdränger in Verdrängungsfahrt. Asymptotisch angenähert liegt die Grenze bei 50 Knoten. Auf See kann man das „Kleben“, d. h., dass ein Boot auf seiner eigenen Bugwelle über das Wasser rast, vor allem bei kleineren Booten beobachten. Grund für das Kleben eines Gleiterrumpfs ist immer eine falsche Rumpfform, also ein Konstruktionsfehler. Für kleine Boote (die als Verdränger deutlich niedrigere Rumpfgeschwindigkeiten hätten) bedeutet das Kleben aber immer noch eine schnelle Gleitfahrt, die allerdings wesentlich ruppiger ausfällt als eine echte Gleitfahrt, bei der die Bugwelle nicht nur eingeholt, sondern auch überholt wird.

miniatur|Sichtbare Abrisskante auf der Unterseite beider Schwimmer eines Wasserflugzeugs

Bei Flugbooten und vom Wasser aus startenden Bodeneffektfahrzeugen kann bei falscher Rumpfkonstruktion das Kleben ebenfalls auftreten, benennt aber nicht den Umstand, im Angleiten stecken zu bleiben, sondern aus dem Gleiten heraus auch bei höchsten Geschwindigkeiten nicht vom Wasser abheben zu können. Oft beobachtet und dokumentiert ist das Kleben in der Fliegerei allerdings vor allem bei besonders großen Flugbooten und Bodeneffektfahrzeugen, wenn diese von spiegelglatten Wasseroberflächen aus zu starten versuchen. Bei einem Startversuch auf einer durch Wind und Wellen angerauten Wasseroberfläche tritt das Kleben bei großen Flugbooten und Bodeneffektfahrzeugen praktisch nicht auf.

Bei rauer See ist es auch Booten, die als Gleiter zum Kleben neigen, möglich, das Kleben zu überwinden und in die echte Gleitfahrt zu gelangen, sofern aufgrund der Gegebenheiten kleinen Booten überhaupt noch eine Fahrt durch das Wasser möglich ist.

Ein beliebter Trick, mit einem klebenden Gleiterrumpf das Kleben zu überwinden, ist, die Hecksee eines anderen Bootes oder Schiffes zu schneiden, da hierdurch der Abriss der Bugwelle vom Heck vollzogen werden kann. Ein Flugboot oder Bodeneffektfahrzeug kann analog hierzu aus dem Gleiten heraus in den Flug gelangen. So gelang z. B. dem Flugboot Dornier Do X auf seinem Weltumflug nach 27 vergeblichen Versuchen im Juni 1931 nur dadurch doch noch in Rio de Janeiro der Start, dass die Hecksee eines Frachters geschnitten wurde.

Wird bereits bei einem Prototyp eines Bootes/Flugbootes/Bodeneffektfahrzeuges der Effekt des Klebens bemerkt, genügt es oft, in der Serienfertigung den Rumpf mit einer weiteren Abrisskante, im Flugzeugbau als Stufe bezeichnet, zu modifizieren. Bei kleinen Booten gibt es dazu jedoch oft keinen Platz, da zusätzliche Abrisskanten im Verhältnis zur Rumpfbreite auch gewisse Mindestrumpflängen verlangen. Andere Lösungen, die Grenzschicht (die für den Effekt des Klebens verantwortlich ist) positiv im Sinne des Gleitens zu beeinflussen, sind bei kleinen Booten meist unwirtschaftlich. Dadurch kommt es dazu, dass trotz des Wissens um die hydrodynamischen Vorgänge Boote produziert und vertrieben werden, die als Gleiter zum Kleben neigen.

Luftkissenfahrzeuge

Luftkissenfahrzeuge sind keine Gleiter, da sie während der Fahrt auf einem Druckluftkissen schweben und deshalb nicht in Berührung mit der Wasseroberfläche stehen. Ein Gleiter erfährt sogenannten dynamischen Auftrieb durch den Anprall des Wassers während der Fahrt, ein Luftkissenfahrzeug erfährt statischen Auftrieb durch den Überdruck auf seiner Unterseite.

Halbgleiter Da ein Gleiter in Gleitfahrt bei gleicher Geschwindigkeit wesentlich weniger Energie benötigt, um seine Geschwindigkeit zu halten, als ein gleich großer Verdränger, steckt hinter der Halbgleiterkonstruktion die Idee, Energie zu sparen, also weniger Kraftstoff zu verbrauchen oder mit einem Segelboot schon bei weniger Wind schneller unterwegs zu sein.

Die Halbgleiter können in mehrere Untergruppierungen aufgeteilt werden:

Klassische Halbgleiter Als klassische Halbgleiter werden folgende zwei Untergruppen bezeichnet:

Verdrängertyp Ein Verdränger, den man per Konstruktion dazu gebracht hat, mit einem Teil des Rumpfes in Gleitfahrt zu gehen, während der Großteil desselben Rumpfes weiterhin als Verdränger unterwegs ist. Große Trawleryachten sind so unterwegs. In den 70ern sind viele Hersteller von kleinen Verdrängerbooten (etwa bis 9 m) dazu übergegangen, den Heckbereich der Boote zu verbreitern und abzuflachen, sodass man mit diesem Teil des Rumpfes in die Gleitphase gehen kann. Dies wird zusätzlich dadurch erreicht, dass der Bug so geformt ist, dass er bei schneller Fahrt das Wasser zur Seite wirft, damit der unter der Wasseroberfläche liegende Gleitbereich des Rumpfes überhaupt gleiten kann.

Gleitertyp Ein Gleiter mit Kiel, welcher das Wasser verdrängt, also nicht vollständig aus ihm hervorsteigt. Große, seegehende Rennsegelboote sind so unterwegs. Theoretisch gehören auch Tragflügelboote in diese Gruppe.

Moderne Halbgleiter Es gibt auf dem Markt verschiedene Rumpfformen moderner Halbgleiter, welche nach unterschiedlichen Methoden funktionieren.

Parametric Fast Hull

miniatur|Ein mit pfh-Rumpf ausgestattetes Lotsenversetzboot