Komposit memungkinkan speedboat terbang baru

Elektrifikasi transportasi global adalah evolusi yang tidak merata, secara bersamaan diaktifkan dan dihalangi oleh banyak sekali kekuatan yang mengatur perkembangan teknologi dan mempengaruhi segala sesuatu mulai dari mobil dan pesawat tanpa awak hingga transportasi kereta api dan kapal laut. Kekuatan yang mendukung/menghambat ini termasuk baterai yang cepat matang tetapi berat, pengawasan pemerintah yang terkadang lambat untuk beradaptasi, prinsip gravitasi dan gesekan, persyaratan keselamatan penumpang yang ketat, perusahaan asuransi yang cemas, dan pengembangan material ringan yang tidak merata.

Namun, inovasi bahan, pemrosesan, perangkat keras, dan perangkat lunak memungkinkan produk yang beberapa tahun lalu tidak terbayangkan, dan mungkin tidak ada contoh yang lebih baik dari ini selain Tujuh , speedboat all-composite all-electric, high-range, all-composite baru yang diproduksi oleh Candela Boats (Lidingö, Swedia) menggunakan larutan matriks resin yang disediakan oleh Sicomin Epoxy Systems (Châteauneuf les Martigues, Prancis).

Bagaimana kami sampai di sini

Candela Boats didirikan pada tahun 2014 oleh CEO Gustav Hasselskog yang, meskipun seorang insinyur dengan pendidikan, telah bekerja sebelumnya sebagai konsultan dan di pasar bahan kimia konsumen. Menurut pengakuannya sendiri, Hasselskog “telah bosan” dengan dunia kerja korporat dan memutuskan bahwa dia ingin mencari pekerjaan yang lebih bermakna. Dia berhenti dari pekerjaan perusahaannya pada tahun 2014 dan selama musim panas itu dia pergi bersama keluarganya ke sebuah rumah yang terletak di salah satu kepulauan yang mengelilingi Stockholm, Swedia.

“Kami memiliki perahu sepanjang 25 kaki dengan mesin V-8,” kenang Hasselskog, menambahkan bahwa pergi ke mana pun dan mendapatkan apa pun memerlukan perjalanan perahu ke Stockholm, yang menelan biaya setidaknya $50 per perjalanan. “Rasanya agak aneh, menghabiskan begitu banyak uang di kapal,” katanya. Hasselskog mulai mengerjakan beberapa matematika, bertanya-tanya apa yang diperlukan untuk membuat berperahu rekreasi lebih efisien. “Apa yang saya temukan,” katanya, “adalah bahwa topiknya belum ditujukan untuk membuat kapal lebih efisien dan membuatnya bertenaga listrik.”

Hasselskog mulai mempelajari pasar rekreasi laut lebih lanjut. Dia mempelajari baterai dan teknologi propulsi listrik, menentukan apa yang diperlukan untuk membuat kapal perencana memiliki jangkauan setidaknya 50 mil laut — tujuan yang menurutnya masuk akal. Sampai saat ini, penerapan penggerak semua-listrik di perahu perencanaan telah terganggu oleh kurangnya daya dan kurangnya jangkauan, terutama karena gesekan permukaan air kapal harus diatasi. Selanjutnya, untuk meningkatkan jangkauan atau kekuatan di kapal planing memerlukan penambahan baterai, yang juga menambah berat dan, dengan ekstensi, drag. Singkatnya, Hasselskog menemukan, tidak mungkin membuat kapal perencana lebih efisien. “Perahu perencanaan adalah jalan buntu. Anda tidak bisa membuatnya lebih efisien, ”katanya. "Menggagalkan adalah satu-satunya cara." Jadi, Hasselskog menjual rumah musim panas keluarga di nusantara, dan pada tahun 2014 Candela Boats lahir.

Foiling secara inheren tidak stabil karena termodinamika kompleks yang terlibat. Candela Boats mengembangkan sistem sensor dan kontrol yang canggih untuk memanipulasi foil dan memastikan perjalanan yang mulus dan aman. Sumber | Perahu Candela

Menggagalkan bukan untuk menjadi lemah hati

Tantangan utama menggagalkan terletak pada ketidakstabilan yang melekat pada kapal yang bergerak melewati dan melewati air, tetapi tidak di permukaan air. Foil - atau, lebih tepatnya, hidrofoil - adalah struktur seperti sayap yang menempel di bagian bawah lambung kapal. Foil melewati air tegak lurus terhadap arah perjalanan dan, dengan menggunakan prinsip yang sama dari penerbangan pesawat, pada kecepatan tertentu memberikan daya angkat yang cukup untuk mengangkat kapal sepenuhnya bersih dari air. Gesekan lambung dengan demikian dihilangkan, meninggalkan hambatan foil dan udara sebagai satu-satunya resistor.

Foil dapat mengambil berbagai bentuk, tetapi dalam semua kasus mereka harus menyediakan permukaan planar datar yang melewati tepi air terlebih dahulu. Dan, seperti sayap pesawat, sudut serang foil di dalam air dapat disesuaikan untuk menambah atau mengurangi daya angkat. Foil juga dapat digunakan pada berbagai kedalaman air, tetapi kedalaman berpengaruh pada efisiensi. Misalnya, foil penusuk permukaan yang relatif dangkal lebih stabil, tetapi kurang efisien. Menggagalkan lebih dalam lebih efisien tetapi kurang stabil.

Bagaimanapun, "terbang" di atas air menghadirkan lingkungan hidrodinamika yang sangat berbeda dibandingkan dengan yang dihadapi oleh kapal yang sedang terbang di permukaan air. Saat keluar dari air dan mengendarai foil, kapal berperilaku sangat berbeda — distribusi berat, putaran, hambatan angin, dan perairan yang bergejolak harus dikelola dengan hati-hati.

Teknologi menggagalkan, meskipun berusia lebih dari 100 tahun, sampai sekarang telah digunakan terutama di yacht balap besar dan beberapa feri penumpang. Kapal pesiar balap yang menggagalkan biasanya diawaki oleh kru besar yang terlatih dengan baik untuk mengelola struktur menggagalkan yang dinamis dan bergerak cepat. Feri menggagalkan mengandalkan foil yang menembus permukaan, yang, seperti disebutkan, lebih stabil.

Hasselskog memutuskan untuk membuat speedboatnya seefisien mungkin sehingga memilih foil dalam . Tantangannya adalah membuat kapal deep-foiling beroperasi dengan mudah, mulus dan aman, terlepas dari siapa yang mengemudikan. Melakukannya akan membutuhkan pengembangan sistem kontrol penggagalan yang belum pernah terjadi sebelumnya, dan struktur perahu yang tidak hanya ringan, tetapi juga dirancang khusus untuk menggagalkan.

Membuat foil yang sempurna

Tujuh memiliki panjang 7,7 meter, lebar 2,4 meter, berat 1.300 kilogram dan berkapasitas enam orang. Ini menggunakan dua foil, yang terbesar dikerahkan sekitar 2 meter dari depan perahu. Desain foil utama relatif sederhana:Dua struts melewati lambung ke dalam air dan menempel di sudut kanan ke foil yang panjang 2,35 meter, lebar 200 milimeter dan tebal 25 milimeter. Foil — juga disebut -foil terbalik — berorientasi tegak lurus terhadap arah perjalanan. Struts foil digerakkan oleh motor untuk bergerak ke atas dan ke bawah untuk menurunkan dan menaikkan foil. Ketika perahu tidak gagal, foil ditarik sepenuhnya rata dengan lambung perahu. Pada kecepatan menggagalkan, foil disebarkan ke dalam air hingga kedalaman maksimum 550 milimeter.

Ketika Tujuh tidak dalam mode menggagalkan, dua struts oranye yang terhubung ke dan menggerakkan foil untuk menariknya rata ke lambung. Foil putih dan oranye terlihat di sini tepat di bawah lambung kapal dan tepat di atas permukaan air. Sumber | Perahu Candela

Di bagian belakang perahu ada foil T kedua yang lebih kecil yang juga berfungsi sebagai kemudi. Itu terpasang ke motor listrik 55 kilowatt yang menggerakkan poros penggerak di kemudi yang memutar baling-baling di ujung kemudi. Motor ini ditenagai oleh baterai isi ulang, yang terletak di bagian paling depan dari lambung kapal, untuk memberikan keseimbangan saat kapal gagal. Tujuh mulai menggagalkan pada 14-15 knot, berlayar pada 22 knot, memiliki kecepatan maksimum 30 knot dan jangkauan 50 mil laut.

Teodor Hällestrand, manajer produk di Candela Boats, mengatakan bahwa strut dan foil foil adalah komposit serat karbon/epoksi dan merupakan tantangan rekayasa desain yang signifikan. Untuk memberikan kontrol yang diperlukan untuk perjalanan yang mulus, Candela harus dapat menyesuaikan foil untuk mengubah kondisi perahu. Ini membutuhkan sistem sensor/kontrol yang sangat dinamis yang dipasangkan dengan foil yang sangat responsif. “Foilnya lurus, tetapi kami ingin dapat memutarnya di dalam air, tergantung pada kecepatan, sudut roll, sudut pitch, dan sudut yaw,” kata Hällestrand. “Kami dapat memahami bagaimana perahu diposisikan dan kemudian menyesuaikan orientasi untuk membuat perjalanan semulus mungkin.” Hal ini dicapai dengan sistem kontrol, yang secara dinamis menyesuaikan struts untuk mengubah sudut serang foil atau untuk memutar foil, terutama untuk memutar.

Hasselskog mengatakan, "Kita harus mampu memutar foil depan atau memberikan sudut serangan yang berbeda." Semua tindakan ini terjadi di bawah beban, katanya, "jadi kita membutuhkan material dengan kekakuan torsi yang rendah, tetapi dengan kekakuan lentur yang tinggi." Hasilnya adalah “rencana tata letak yang cukup rumit” yang menggunakan pita serat karbon searah (UD) (terutama ±45 derajat) untuk memberikan kekakuan dan kemampuan lentur yang diperlukan. Foil menggunakan serat karbon modulus standar dari berbagai pemasok dan diresapi dengan resin epoksi SR1710 yang dipasok oleh Sicomin Epoxy Systems. Foil diawetkan dengan suhu ruangan, diikuti dengan post-cure 40°C.

Bukan lambung rata-rata Anda

Tidak ada Tujuh Keberangkatan dari standar desain perahu perencanaan lebih jelas daripada di lambung — baik dalam desain dan rekayasa. Yang paling mencolok adalah kenyataan bahwa meskipun fitur lambung standar berbentuk V, pemecah gelombang di bagian depan kapal, lambungnya rata dari foil depan ke belakang. Hasselskog menunjukkan beberapa alasan untuk ini.

Interior Tujuh 's hull menunjukkan stringer dan ribs yang dipotong dari serat karbon/laminasi komposit epoksi dan kemudian diikat ke tempatnya dengan perekat dan pengencang mekanis. Arsitektur ini memungkinkan Candela Boats untuk merakit lambung dengan cepat, dan memberikan fleksibilitas untuk beradaptasi dengan perubahan desain. Sumber | Perahu Candela

Pertama, katanya, kita “hanya perlu bentuk V untuk menembus ombak.” Ini juga melindungi foil ketika perahu tidak menggagalkan. Kedua, meratakan setengah lambung menyederhanakan pembuatan dan menghemat banyak bobot. Ketiga, katanya, dasar yang rata membuat kapal sangat stabil di dermaga untuk naik/turun. “Ini seperti tongkang,” catatnya.

Di dalam lambung, bagaimanapun, adalah tempat Candela bekerja untuk membuat Tujuh tidak hanya sehat secara struktural, tetapi dapat beradaptasi dengan manufaktur yang efisien dan relatif tinggi. Hällestrand mengatakan lambungnya sebanding dalam desain dengan badan pesawat — kulit yang mengelilingi kisi stringer dan tulang rusuk. Seperti foil, lambung diinfuskan, menggunakan serat karbon UD yang sama dan epoksi SR1710, dibuat pada perkakas komposit yang juga dibuat dengan SR1710. Ketebalan lambung di bawah permukaan air adalah 3 milimeter; ketebalan lambung di atas permukaan air adalah 2 milimeter.

Marc Denjean, manajer ekspor di Sicomin, mengatakan SR1710 adalah sistem epoksi kinerja yang memberikan "sifat mekanik jauh di atas rata-rata." Sicomin juga menyediakan primer epoksi dalam cetakan, yang berarti lambung dibongkar dan siap untuk dicat.

Untuk membuat stringer dan ribs, Candela memulai dengan panel serat karbon/epoksi laminasi padat setebal 3 milimeter dan kemudian mesin CNC untuk membentuknya, tergantung di mana laminasi ditempatkan di lambung. Untuk membangun struktur lambung — stringer dan rusuk — bentuk potongan ini kemudian dirakit dan dilekatkan satu sama lain dan lambung dengan ikatan perekat dan pengencang mekanis.

Paket baterai Tujuh terletak di bagian depan lambung, untuk memberikan keseimbangan yang sangat dibutuhkan saat kapal dalam mode menggagalkan.

Sumber | Perahu Candela

Proses desain/manufaktur potong dan rakitan laminasi ini, kata Hasselskog, telah terbukti sangat efisien dan memungkinkan Candela Boats membangun struktur lambung hanya dalam 40 jam. Hal ini juga memungkinkan perusahaan untuk dengan mudah menyesuaikan struktur internal untuk merancang perubahan tanpa biaya dan waktu yang dibutuhkan untuk memodifikasi cetakan. “Sangat mudah untuk meningkatkan, membuat perubahan, atau membangun struktur baru hanya dengan mengubah kode pemesinan,” katanya.

Intinya

Sesuai dengan visi asli Hasselskog, efisiensi Tujuh sulit dikalahkan — kapal ini 4-5 kali lebih hemat energi daripada kapal perencanaan bertenaga gas yang sebanding dan mengubah 90% energi kimianya menjadi energi mekanik. Selanjutnya, biaya kepemilikan Tujuh , menurut Candela, 95% lebih rendah dari kapal perencanaan bertenaga gas.

Perusahaan memiliki 190 pesanan untuk Seven, dan diharapkan untuk merakit 40 kapal pada tahun 2020. Hasselskog mengatakan bahwa saat ini Candela adalah seorang perancang dan perakit kapal saja. Fabrikasi struktur komposit sedang dilakukan oleh pihak ketiga, tetapi Hasselskog mengatakan Candela dapat membawa pekerjaan itu sendiri karena berupaya mengoptimalkan proses manufaktur dan, pada akhirnya, mengurangi jejak karbon perusahaan. “Kami harus menurunkan biaya, dan itu berarti manufaktur lebih efisien,” kata Hasselskog. “Kami belum sampai di sana, tetapi kami menuju ke arah yang benar.”