Продвинутые композитные материалы обеспечили революционный летающий катер

Глобальная электрификация транспорта — это неравномерная эволюция, одновременно возможная и препятствуемая множеством сил, управляющих развитием технологий и влияющих на все — от автомобилей и беспилотников до ж/д транспорта и морских судов. Эти возможные/препятствующие силы включают быстро зрелые, но тяжелые батареи, государственный надзор, иногда медленно адаптирующийся, принципы гравитации и трения, строгие требования безопасности пассажиров, обеспокоенные страховщики и неравномерное развитие легких материалов.

Тем не менее, инновации в материалах, обработке, аппаратном и программном обеспечении делают возможными продукты, которые всего несколько лет назад были невообразимы, и не может быть лучшего примера этого, чем Seven — новый полностью электрический, большой дальности, полностью композитный фойлинг-катер, производимый Candela Boats (Лидинё, Швеция) с использованием смольных матричных решений, предоставляемых Sicomin Epoxy Systems (Шатонеф-ле-Мартиг, Франция).

Как мы пришли к этому

Candela Boats была основана в 2014 году CEO Густавом Хассельскогом, который, будучи инженером по образованию, ранее работал консультантом и в рынке потребительской химии. По его собственному признанию, Хассельског «стал скучать» корпоративным миром и решил найти более значимую работу. Он уволился с корпоративной работы в 2014 году и в то лето ушел с семьей в дом на одном из архипелагов, окружающих Стокгольм, Швеция.

«У нас была 25-футовая лодка с V8-двигателем», — вспоминает Хассельског, добавляя, что поездка куда-либо и получение чего-либо требовала поездки на лодке в Стокгольм, которая стоила минимум 50 долларов за поездку. «Это казалось немного странным, тратить столько денег на лодку», — говорит он. Хассельског начал делать расчеты, спрашивая, что нужно, чтобы сделать рекреативное парусное дело более эффективным. «Что я обнаружил», — говорит он, — «это что тема не была адресована, чтобы сделать лодки более эффективными и сделать их электрическими».

Хассельског начал изучать рынок рекреативных морских судов дальше. Он изучал батарейные и электрические пропульсивные технологии, определяя, что потребуется для того, чтобы дать планерной лодке дальность не менее 50 морских миль — цель, которую он считал разумной. Доселе применение полностью электрической пропульсии в планерных малых судах страдало от нехватки мощности и дальности, в основном из-за трения водной поверхности, которое лодка должна преодолеть. Более того, для увеличения дальности или мощности в планерной лодке требуется добавление батарей, что также добавляет вес и, по расширению, лобовое сопротивление. Короче, Хассельског обнаружил, что нельзя сделать планерную лодку более эффективной. «Планерная лодка — тупик. Нельзя сделать её более эффективной», — говорит он. «Фойлинг — единственный путь». Так Хассельског продал летний дом семьи на архипелаге, и в 2014 году родилась Candela Boats.

Фойлинг по своей природе нестабилен из-за сложной гидродинамики. Candela Boats разработала сложную систему датчиков и управления для манипулирования фойлями и обеспечения плавной, безопасной поездки.

Фойлинг — не для слабонервных

Основная проблема фойлинга кроется в его нестабильности лодки, движущейся сквозь и над водой, но не по поверхности воды. Фойль — или, точнее, гидрофойль — это крылообразная структура, прикрепленная к дну корпуса лодки. Фойль проходит через воду перпендикулярно направлению движения и, используя те же принципы полета самолета, на определенной скорости обеспечивает достаточно подъемной силы, чтобы поднять лодку полностью над водой. Трение корпуса таким образом устраняется, оставляя лобовое сопротивление фойля и воздух как единственные резисторы.

Фойли могут принимать различные формы, но во всех случаях они должны обеспечивать плоскую планарную поверхность, проходящую через воду кромкой вперед. И, как крыло самолета, угол атаки фойля в воде можно регулировать для увеличения или уменьшения подъемной силы. Фойли также могут разворачиваться на различных глубинах, но глубина влияет на эффективность. Например, относительно мелкое поверхностно-пробивающее фойлинг более стабильно, но менее эффективно. Более глубокое фойлинг более эффективно, но менее стабильно.

В любом случае, «полет» над водой представляет совсем иную гидродинамическую среду по сравнению с той, с которой сталкивается планерная лодка на поверхности воды. Вне воды и едущая на фойлях, лодка ведет себя совсем иначе — распределение веса, повороты, ветровое сопротивление и турбулентные воды должны быть тщательно управляемы.

Фойлинг-технология, хотя старше 100 лет, доселе использовалась в основном в больших гоночных яхтах и некоторых пассажирских паромах. Гоночные фойлинг-яхты обычно управляются большими экипажами, хорошо обученными управлять динамичной, быстрой фойлинг-структурой. Фойлинг-паромы полагаются на поверхностно-пробивающее фойлинг, которое, как отмечалось, более стабильно.

Хассельског решил сделать свой катер максимально эффективным и поэтому выбрал глубокие фойли. Вызовом было сделать глубоко-фойлинговую лодку работающей легко, бесшовно и безопасно, независимо от того, кто за рулем. Для этого требовалась разработка беспрецедентной системы управления фойлингом и структуры лодки, которая не только легка, но спроектирована специально для фойлинга.

Построение идеального фойля

Seven имеет длину 7,7 м, ширину 2,4 м, вес 1300 кг и вместимость 6 человек. Она использует два фойля, больший из которых развернут примерно в 2 метрах от носу лодки. Дизайн основного фойля относительно прост: две стойки проходят через корпус в воду и крепятся под прямым углом к фойлю длиной 2,35 м, шириной 200 мм и толщиной 25 мм. Фойль — также называемый инвертированным Π-фойлем — ориентирован перпендикулярно направлению движения. Стойки фойля моторизованы для движения вверх и вниз для опускания и подъема фойля. Когда лодка не на фойлях, фойль полностью убран во флюс с корпусом лодки. На фойлинг-скоростях фойль разворачивается в воду до максимальной глубины 550 мм.

На корме лодки находится второй, меньший Т-фойль, который также служит рулем. Он прикреплен к 55-киловаттному электрическому мотору, который приводяет вал в руле, вращающий пропеллер на конце руля. Мотор питается перезаряжаемыми батареями, расположенными в самом переднем секции корпуса, для обеспечения баланса, когда лодка на фойлях. Seven начинает фойлинг на 14–15 узлах, крейсерствует на 22 узла, имеет максимальную скорость 30 узлов и дальность 50 морских миль.

Теодор Хэллестранд, менеджер продукта в Candela Boats, говорит, что стойки фойля и фойли — композиты из углеродного волокна/эпоксидной смолы и представляли значительный вызов конструкторского инжиниринга. Чтобы обеспечить контроль, необходимый для плавной поездки, Candela должна была иметь возможность регулировать фойль под меняющимися условиями лодки. Это требует высокодинамичную сенсорную/систему управления, соединенную с высокоотзывчивым фойлем. «Фойль прямой, но мы хотели иметь возможность крутить его в воде в зависимости от скорости, угла крена, тангажа и рыскания», — говорит Хэллестранд. «Мы можем понять, как лодка позиционирована, и затем корректировать ориентацию, чтобы сделать поездку максимально плавной». Это осуществляется системой управления, которая динамически регулирует стойки для изменения угла атаки фойля или скручивания фойля, особенно для поворотов.

Хассельског говорит: «Нам нужно иметь возможность скручивать передний фойль или давать другой угол атаки». Все эти действия происходят под нагрузкой, говорит он, «так что нам нужен материал с низкой крутильной жесткостью, но с высокой изгибной жесткостью». Результат — «довольно изощренный план укладки», использующий униправляющие (UD) ленты углеродного волокна (в основном ±45 градусов) для обеспечения требуемой жесткости и изгибных возможностей. Фойль использует стандартномодульное углеродное волокно от различных поставщиков и инфузируется смолой SR1710, поставляемой Sicomin Epoxy Systems. Фойль отверждается при комнатной температуре, за чем следует 40 °C пост-отверждение.

Не обычный корпус

Нигде отход Seven от стандартов дизайна планерных лодок не так очевиден, как в корпусе — и в дизайне, и в инженерии. Самое заметное — то, что хотя он имеет стандартный V-образный волноломный корпус в носовой части, корпус плоский от передних фойлей до ахтера. Хассельског указывает на несколько причин этого.

Во-первых, говорит он, «нам нужна V-форма только для пробивания волн». Она также защищает фойли, когда лодка не на фойлях. Во-вторых, выпрямление половины корпуса упрощает производство и экономит много веса. В-третьих, говорит он, плоское дно делает лодку невероятно стабильной на причале для посадки/высадки. «Это как баржа», — отмечает он.

Внутри корпуса, однако, Candela работала, чтобы сделать Seven не только структурно надежной, но и приспособленной к эффективному, относительно высокотемповому производству. Хэллестранд говорит, что корпус по дизайну сравним с фюзеляжем самолета — обшивка, окружающая решетку стрингеров и ребер. Как и фойль, корпус инфузируется, используя то же UD-углеродное волокно и эпоксидную смолу SR1710, изготовленная на композитном инструменте, также сделанном с SR1710. Толщина корпуса под водной линией — 3 мм; над водной линией — 2 мм.

Марк Денжон, экспорт-менеджер в Sicomin, говорит, что SR1710 — это высокопроизводительная эпоксидная система, обеспечивающая «значительно выше среднего механические свойства». Sicomin также обеспечивает внутриформенный эпоксидный высокослойный грунт, что означает, что корпус извлекается готовым к покраске.

Для изготовления стрингеров и ребер Candela начинает с 3-мм твердых ламинированных панелей из углеродного волокна/эпоксидной смолы, инфузированных, а затем ЧПУ-обрабатывает их в форму в зависимости от того, где в корпусе помещается ламинат. Для построения корпуса — стрингеров и ребер — эти вырезанные формы затем собираются и крепятся друг к другу и к корпусу клеевым связыванием и механическими крепежами.

Этот дизайн/процесс производства по раскрою и сборке ламинатов, говорит Хассельског, оказался высокоэффективным и позволяет Candela Boats строить структуру корпуса всего за 40 часов. Он также позволяет компании легко адаптировать внутренние структуры к изменениям дизайна без затрат и времени, необходимых для модификации форм. «Легко масштабировать, вносить изменения или строить новую структуру просто меняя ЧПУ-код», — говорит он.

Итог

В соответствии с первоначальным видением Хассельскога, эффективность Seven трудно превзойти — она в 4–5 раз более энергоэффективна, чем сопоставимая бензиновая планерная лодка и конвертирует 90% химической энергии в механическую. Более того, стоимость владения Seven, по словам Candela, на 95% меньше, чем у бензиновой планерной лодки.

У компании 190 заказов на Seven, и она ожидает собрать 40 лодок в 2020 году. Хассельског говорит, что сейчас Candela — только дизайнер и сборщик лодок. Фабрикация композитных структур выполняется третьими сторонами, но Хассельског говорит, что Candela может перенести эту работу в-house по мере того, как стремится оптимизировать производственные процессы и в конечном итоге снизить углеродный след компании. «Нам нужно снизить наши затраты, а это значит производить более эффективно», — говорит Хассельског. «Мы еще не там, но движемся в правильном направлении».