Композиты позволяют создавать новые летающие скоростные катера

Глобальная электрификация транспорта - это неравномерный процесс, которому одновременно способствуют и препятствуют бесчисленные силы, которые управляют развитием технологий и влияют на все, от автомобилей и беспилотных самолетов до железнодорожного транспорта и морских судов. Эти стимулирующие / сдерживающие силы включают быстро созревающие, но тяжелые батареи, государственный надзор, который иногда медленно адаптируется, принципы силы тяжести и трения, строгие требования безопасности пассажиров, обеспокоенные страховщики и неравномерная разработка легких материалов.

Тем не менее, инновации в области материалов, обработки, оборудования и программного обеспечения делают возможными продукты, которые всего несколько лет назад были немыслимы, и нет лучшего примера этого, чем Семь , новый полностью электрический скоростной катер большой дальности и полностью композитный фольгированный катер, производимый Candela Boats (Лидинго, Швеция) с использованием растворов на основе полимерных матриц, предоставленных Sicomin Epoxy Systems (Шатонеф-ле-Мартиг, Франция).

Как мы сюда попали

Компания Candela Boats была основана в 2014 году генеральным директором Густавом Хассельскогом, который, хотя и был инженером по образованию, ранее работал консультантом на рынке потребительской химии. По его собственному признанию, Хассельскому «наскучил» мир корпоративной работы, и он решил, что хочет найти более значимую работу. Он оставил свою корпоративную работу в 2014 году и тем летом переехал со своей семьей в дом, расположенный на одном из архипелагов, окружающих Стокгольм, Швеция.

«У нас была 25-футовая лодка с двигателем V-8», - вспоминает Хассельског, добавляя, что для того, чтобы добраться куда угодно и получить что-нибудь, требовалась поездка на лодке в Стокгольм, которая стоила не менее 50 долларов за поездку. «Было немного странно тратить столько денег на лодку, - говорит он. Хассельског начал заниматься математикой, размышляя о том, что нужно сделать, чтобы прогулка на лодке стала более эффективной. «Я обнаружил, - говорит он, - что эта тема не была затронута, чтобы сделать лодки более эффективными и электрическими».

Хассельског продолжил изучение морского рынка отдыха. Он изучил аккумуляторную батарею и технологию электрического движения, определив, что потребуется для обеспечения дальности полета глиссирующего катера не менее 50 морских миль - цель, которую он считал разумной. До сих пор применение полностью электрической силовой установки в глиссирующем судне ограничивалось отсутствием мощности и дальности полета, в первую очередь из-за трения о поверхность воды, которое лодка должна была преодолеть. Кроме того, для увеличения дальности или мощности глиссирующего катера требуется добавление аккумуляторов, что также увеличивает вес и, как следствие, сопротивление. Короче говоря, Хассельског обнаружил, что глиссирующую лодку невозможно сделать более эффективной. «Глиссирующий катер - это тупик. «Вы не можете сделать его более эффективным», - говорит он. «Срыв - единственный способ». Итак, Хассельског продал семейный летний дом на архипелаге, и в 2014 году родилась компания Candela Boats.

Фольгирование по своей природе нестабильно из-за сложной термодинамики. Компания Candela Boats разработала сложную систему датчиков и элементов управления для управления фольгой и обеспечения плавной и безопасной езды. Источник | Кандела Лодки

Лепешка не для слабонервных

Основная проблема при столкновении с препятствиями заключается в нестабильности, присущей лодке, движущейся и над вода, но не на поверхности воды. Фольга - или, точнее, судно на подводных крыльях - это крылообразная конструкция, прикрепленная к днищу корпуса лодки. Пленка проходит через воду перпендикулярно направлению движения и, используя те же принципы полета самолета, на определенной скорости обеспечивает достаточную подъемную силу, чтобы полностью поднять лодку над водой. Таким образом устраняется трение корпуса, и единственными сопротивлениями остаются сопротивление фольги и воздух.

Пленки могут принимать самые разные формы, но во всех случаях они должны обеспечивать плоскую плоскую поверхность, проходящую через воду кромкой вперед. И, как крыло самолета, угол атаки крыла в воде можно регулировать для увеличения или уменьшения подъемной силы. Крылья также могут быть развернуты на различной глубине воды, но глубина влияет на эффективность. Например, относительно неглубокая фольга с прокалыванием поверхности более устойчива, но менее эффективна. Более глубокое фольгирование более эффективно, но менее стабильно.

В любом случае «полет» над водой представляет собой совершенно иную гидродинамическую среду по сравнению с той, с которой сталкивается глиссирующая лодка на поверхности воды. Вне воды и при езде на рапирах лодка ведет себя совершенно по-разному - необходимо тщательно контролировать распределение веса, поворот, сопротивление ветру и турбулентность на воде.

Технология фольгирования, несмотря на то, что ей более 100 лет, до сих пор использовалась в основном на больших гоночных яхтах и ​​некоторых пассажирских паромах. Гоночные яхты на подводных крыльях, как правило, укомплектованы большими командами, хорошо обученными управлять динамичной, быстро движущейся структурой, ведущей на подводных лодках. Паромы с фольгой полагаются на фольгу, проникающую через поверхность, которая, как уже отмечалось, более устойчива.

Хассельског решил сделать свой катер максимально эффективным и выбрал глубокие крылья . Задача состояла в том, чтобы заставить лодку с глубоким фольгированием работать легко, плавно и безопасно, независимо от того, кто находится за штурвалом. Для этого потребовалась бы разработка беспрецедентной системы контроля срыгивания и конструкция лодки, которая была бы не только легкой, но и спроектированной специально . для фольгирования.

Создание идеальной фольги

Семь имеет длину 7,7 метра, ширину 2,4 метра, вес 1300 кг и вмещает шесть человек. Он использует две рапиры, самая большая из которых развернута примерно в 2 метрах от носа лодки. Конструкция основной фольги относительно проста:две стойки проходят через корпус в воду и прикрепляются под прямым углом к ​​фольге длиной 2,35 метра, шириной 200 миллиметров и толщиной 25 миллиметров. Фольга, также называемая перевернутой ∏-образной фольгой, ориентирована перпендикулярно направлению движения. Стойки из фольги приводятся в действие двигателем для перемещения вверх и вниз для опускания и подъема пленки. Когда лодка не срывается, фольга полностью втягивается заподлицо с корпусом лодки. При скорости фольги фольга погружается в воду на максимальную глубину 550 миллиметров.

Когда Семь не находится в режиме фольгирования, две оранжевые распорки, которые соединяются с фольгой и приводят ее в действие, притягивая ее к корпусу заподлицо. Бело-оранжевая фольга видна здесь чуть ниже корпуса и чуть выше уровня воды. Источник | Кандела Лодки

В задней части лодки находится вторая Т-образная пленка меньшего размера, которая также действует как руль направления. Он прикреплен к электродвигателю мощностью 55 киловатт, который приводит в действие карданный вал руля направления, который вращает гребной винт на конце руля. Мотор приводится в действие аккумуляторными батареями, расположенными в самой передней части корпуса, для обеспечения баланса при срыве лодки. Семь начинает срываться на скорости 14-15 узлов, курсирует со скоростью 22 узла, развивает максимальную скорость 30 узлов и дальность полета 50 морских миль.

Теодор Хелестранд, менеджер по продукции Candela Boats, говорит, что распорки из фольги и фольга представляют собой композиты из углеродного волокна и эпоксидной смолы и представляют собой серьезную конструкторскую проблему. Чтобы обеспечить контроль, необходимый для плавной езды, Candela должна была иметь возможность настраивать рагу под меняющиеся условия лодки. Для этого требуется высокодинамичная сенсорная система / система управления в сочетании с очень чувствительной пленкой. «Пленка прямая, но мы хотели иметь возможность крутить ее в воде в зависимости от скорости, угла крена, угла наклона и угла рыскания», - говорит Хелестранд. «Мы можем понять, как расположена лодка, и затем отрегулировать ориентацию, чтобы поездка была как можно более плавной». Это достигается с помощью системы управления, которая динамически регулирует стойки, чтобы либо изменить угол атаки фольги, либо скрутить фольгу, особенно при повороте.

Хассельског говорит:«Нам нужно иметь возможность крутить переднюю фольгу или обеспечивать другой угол атаки». По его словам, все эти действия происходят под нагрузкой, «поэтому нам нужен материал с низкой жесткостью на кручение, но с высокой жесткостью на изгиб». В результате получился «довольно продуманный план укладки», в котором используются однонаправленные (UD) ленты из углеродного волокна (в основном ± 45 градусов) для обеспечения необходимой жесткости и гибкости. В фольге используется углеродное волокно со стандартным модулем упругости от различных поставщиков и пропитано эпоксидной смолой SR1710, поставляемой Sicomin Epoxy Systems. Фольга отверждается при комнатной температуре с последующим отверждением при 40 ° C.

Не средний корпус

Нигде не Семь Отход от стандартов проектирования глиссирующих лодок более очевиден, чем в корпусе - как в дизайне, так и в проектировании. Наиболее примечателен тот факт, что, хотя он имеет стандартный V-образный, разрушающий волны корпус в передней части лодки, он плоский от передних крыльев до кормы. Хассельског указывает на несколько причин для этого.

Интерьер Семерки На корпусе показаны стрингеры и нервюры, вырезанные из композитного ламината из углеродного волокна и эпоксидной смолы, а затем приклеенные на место с помощью клея и механических креплений. Эта архитектура позволяет Candela Boats быстро собирать корпуса и обеспечивает гибкость для адаптации к изменениям конструкции. Источник | Кандела Лодки

Во-первых, говорит он, нам «нужна только V-образная форма, чтобы пробивать волны». Он также защищает рапиры, когда лодка не мешает. Во-вторых, сплющивание половины корпуса упрощает производство и значительно снижает вес. В-третьих, по его словам, плоское дно делает лодку невероятно устойчивой в доке для посадки и высадки. «Это похоже на баржу», - отмечает он.

Однако внутри корпуса Кандела работал над созданием Seven не только структурно безупречно, но и адаптируется к эффективному, относительно высокопроизводительному производству. Хеллестранд говорит, что корпус по конструкции сравним с фюзеляжем самолета - обшивка, окружающая решетку из стрингеров и нервюр. Как и фольга, корпус наплавлен с использованием того же углеродного волокна UD и эпоксидной смолы SR1710, изготовленной на композитной оснастке, также изготовленной из SR1710. Толщина корпуса ниже ватерлинии - 3 миллиметра; Толщина корпуса над ватерлинией составляет 2 миллиметра.

Марк Денжан, менеджер по экспорту Sicomin, говорит, что SR1710 - это эпоксидная система с высокими эксплуатационными характеристиками, которая обеспечивает «механические свойства намного выше средних». Sicomin также предлагает формованную эпоксидную грунтовку с высоким содержанием строения, что означает, что корпус демонтирован и готов к покраске.

Чтобы построить стрингеры и нервюры, Candela начинает с трехмиллиметровых панелей из сплошного ламината, пропитанных углеродным волокном / эпоксидной смолой, а затем обрабатывает их с ЧПУ для придания им формы, в зависимости от того, где в корпусе размещается ламинат. Для создания конструкции корпуса - стрингеров и нервюр - эти вырезанные формы затем собираются и прикрепляются друг к другу и к корпусу с помощью клеевого соединения и механических креплений.

Батарейный блок семерки расположен в передней части корпуса, чтобы обеспечить столь необходимый баланс, когда лодка находится в режиме ловушки на крыльях.

Источник | Кандела Лодки

По словам Хассельскога, этот процесс проектирования / производства ламината «разрезать и собрать» оказался очень эффективным и позволяет Candela Boats построить конструкцию корпуса всего за 40 часов. Это также позволяет компании легко корректировать внутренние конструкции для внесения изменений в конструкцию без затрат и времени, необходимых для модификации пресс-форм. «Легко масштабировать, вносить изменения или создавать новую структуру, просто изменяя код обработки», - говорит он.

Итог

В соответствии с первоначальным видением Хассельского, эффективность семерки его сложно превзойти - он в 4-5 раз более энергоэффективен, чем сопоставимый глиссирующий катер с газовым двигателем, и преобразует 90% своей химической энергии в механическую. Кроме того, стоимость владения семеркой по словам Канделы, на 95% меньше, чем у глиссирующего катера с газовым двигателем.

У компании 190 заказов на Семь, и планирует собрать 40 лодок в 2020 году. Хассельског говорит, что в настоящее время Candela занимается только проектированием и сборкой лодок. Изготовлением композитных конструкций занимаются третьи стороны, но Хассельског говорит, что Candela может провести эту работу собственными силами, поскольку она стремится оптимизировать производственные процессы и, в конечном итоге, уменьшить углеродный след компании. «Мы должны снизить наши затраты, а это означает более эффективное производство», - говорит Хассельског. «Мы еще не достигли цели, но движемся в правильном направлении».