Electric Boat Corporation: Underwater Express

Im Frühjahr 2010 sollen Testfahrten einer Modellversion dieses Bootes erfolgreich abgeschlossen worden sein. Mehr Informationen sind zur Zeit nicht erhältlich. Im Folgenden soll versucht werden die Problematik superkavitierender Uboote zu erläutern und Berechnungen unter gewissen Annahmen durchzuführen.

Durchmesser und Gestalt.

Es wird ein Maximaldurchmesser von 3 m und eine kavitationsblasenförmige Gestalt des Ubootes angenommen. Aus dem Längen-Durchmesser-Verhältnis von 10:1 und einer angenommenen Lauftiefe von 10 m ergibt sich die Kavitationszahl   σ = 0,036. Während des kavitierenden Laufes muß diese Zahl konstant gehalten werden.

Voll-umströmter konventioneller Unterwasserlauf.

Ein Körper mit Kavitationsblasen-Gestalt hat die geringstmögliche Reibung im Wasser, da auf der gesamten Körperfläche das Wasser mit gleicher Geschwindigkeit strömt (unter Vernachlässigung der Grenzschichtbildung). Sein Widerstand könnte bei einer Geschwindigkeit von 30 Knoten ( ca. 46,5 km/h) im Bereich von 60 - 80 kN liegen.

Da das Uboot auch voll-kavitierend laufen soll, muß der Kopf des Bootes entsprechend verändert werden. Für die folgenden Rechnungen wird vereinfachend angenommen, dass der Kopfbereich quer zur Körperachse abgeschnitten ist, sodass eine flache Stirnfläche vom Durchmesser 0,63 m entsteht. Diese Änderung würde natürlich eine wesentliche Erhöhung des Widerstandes im voll-umströmten Zustand bedeuten. Zudem sind Steuerungsorgane erforderlich, die zusätzlichen Widerstand bewirken. Im voll-umströmten Zustand wird deshalb bei einer Geschwindigkeit von 30 Knoten mit einem geschätzten Widerstand von 100 kN gerechnet.
Die erforderliche Antriebsleistung wird auf 1500 kW geschätzt.

Druckluftausstoß zur Blasenbildung.

Das Ziel eines Druckluftausstosses ist, eine möglichst gleichdicke Luftschicht um des Uboot zu legen. Zudem sollte die Schichtdicke möglichst dünn sein, um die benötigte Luftmenge gering zu halten; denn am Heck des Ubootes ist mit ständigem Luftverlust zu rechnen. Da die mitführbare Druckluftmenge begrenzt ist, wäre auch die Strecke, die kavitierend zurückgelegt werden kann, begrenzt.

Es wird angenommen, dass der vordere Bodenbereich des Ubootes mit einer Vielzahl von Austrittsöffnungen versehen ist, aus denen jeweils ein konstanter Luftstrom austritt. Diese Luft wird durch das strömende Wasser zum Heck hin beschleungt. Im Heckbereich würde sich die Gasschicht zudem aus geometrischen Gründen verdicken. Nach oben findet wegen des abnehmenden Wasserdruckes ebenfalls eine Verdickung der Schicht statt. Um eine gleichmäßig dicke Schicht um das gesamte Uboot zu legen, muß die überschüssige Luft oberhalb des Ubootes und im Heckbereich abgesaugt werden. Die Regelung der Schichtdicke um das gesamte Uboot auf einen annähernd gleichen Wert ist sicher eine schwierige aber technisch lösbare Aufgabe.

Superkavitierender Lauf.

Der Kopfwiderstand der Stirnplatte von 0,63 m Durchmesser beträgt bei 100 Knoten ca. 350 kN. Geht man von einem Impulsrückgewinn von 70 % aus (siehe Hydrodynamisches Paradoxon) hat das Uboot den gleichen Widerstand wie im vollumströmten Zustand bei 30 Knoten Geschwindigkeit. Da anzunehmen ist, dass bei geschickter Heckausführung ein höherer Impulsrückgewinn möglich sein sollte, erscheint die geplante Laufgeschwindigkeit des amerikanischen Test-Ubootes eher zu niedrig angesetzt.