Geavanceerde composietmaterialen maken revolutionaire vliegende speedboot mogelijk

De wereldwijde elektrificatie van transport is een onevenredige evolutie, tegelijkertijd mogelijk gemaakt en belemmerd door de menigte krachten die technologieontwikkeling sturen en alles beïnvloeden van auto's en onbemande vliegtuigen tot spoorvervoer en maritieme schepen. Deze faciliterende/belemmerende krachten omvatten snel rijpende maar zware batterijen, overheezicht dat soms langzaam aanpast, zwaartekracht en wrijving principes, strikte passagiersveiligheidseisen, onrustige verzekeraars en onevenredige ontwikkeling van lichte materialen.

Toch maken materialen, verwerking, hardware en software innovaties producten mogelijk die maar een paar jaar geleden ondenkbaar waren, en er is misschien geen betere voorbeeld hiervan dan de Seven, een nieuwe volledig elektrisch, groot bereik, volledig composiet foiling speedboot die geproduceerd wordt door Candela Boats (Lidingö, Zweden) met harsmatrix oplossingen geleverd door Sicomin Epoxy Systems (Châteauneuf les Martigues, Frankrijk).

Hoe we hier zijn gekomen

Candela Boats werd in 2014 opgericht door CEO Gustav Hasselskog die, hoewel ingenieur door opleiding, eerder werkte als consultant en in de consumentenchemie markt. Volgens zijn eigen zeggen, had Hasselskog "zich verveld" met de corporate werkwereld en besloot dat hij meer betekenisvol werk wilde vinden. Hij stopte met zijn corporate baan in 2014 en tijdens die zomer vluchtte hij met zijn gezin naar een huis gelegen op een van de archipelagen die Stockholm, Zweden omringen.

"We hadden een 25-voet boot met een V-8 motor," herinnert Hasselskog zich, toevoegend dat overal heen gaan en alles krijgen een boottocht naar Stockholm vereist, wat ten minste $50 per rit kostte. "Het voelde een beetje raar, om zoveel geld uit te geven aan een boot," zegt hij. Hasselskog begon wat wiskunde te doen, zich afvragend wat het zou kosten om recreatief varen efficiënter te maken. "Wat ik ontdekte," zegt hij, "is dat het onderwerp niet is aangepakt om boten efficiënter te maken en ze elektrisch te maken."

Hasselskog begon de recreatieve mariene markt verder te bestuderen. Hij bestudeerde batterij en elektrische aandrijvingstechnologie, bepalend wat vereist zou zijn om een planende boot een bereik van ten minste 50 zeemijlen te geven – een doel dat hij redelijk vond. Tot nu toe is toepassing van volledig elektrische aandrijving in planende watervoertuigen geplagd door gebrek aan vermogen en gebrek aan bereik, voornamelijk vanwege de wateroppervlakte wrijping die een boot moet overwinnen. Verder, om bereik of vermogen te verhogen in een planende boot vereist de toevoeging van batterijen, wat ook gewicht toevoegt en, daardoor, wrijping. Kortom, Hasselskog ontdekte, was het niet mogelijk om een planende boot efficiënter te maken. "Een planende boot is een dood spoor. Je kunt het niet efficiënter maken," zegt hij. "Foiling is de enige manier." Dus, Hasselskog verkocht het zomerhuis van het gezin op de archipel, en in 2014 werd Candela Boats geboren.

Foiling is niet voor zwakke hartstochten

De primaire uitdaging van foiling ligt in de inherent instabiliteit van een boot die door en boven het water beweegt, maar niet op het wateroppervlak. Een foil – of, nauwkeuriger, een hydrofoil – is een vleugel-achtige structuur bevestigd aan de bodem van een boothul. De foil gaat door het water loodrecht op de bewegingsrichting en, gebruikmakend van dezelfde principes van vliegtuigvlucht, biedt op een bepaalde snelheid genoeg lift om de boot volledig vrij van het water te tillen. Hulwrijping wordt dus geëlimineerd, wat foilwrijping en lucht als enige weerstand overlaat.

Foils kunnen diverse vormen aannemen, maar in alle gevallen moeten ze een vlak planair oppervlak bieden dat de rand-eerst door het water gaat. En, zoals een vliegtuigvleugel, kan de aanvalshoek van een foil in het water aangepast worden om lift te verhogen of te verlagen. Foils kunnen ook op diverse waterdiepten geactiveerd worden, maar de diepte heeft een effect op de efficiëntie. Bijvoorbeeld, relatief ondiepe, oppervlakte-doorbrekende foiling is stabieler, maar minder efficiënt. Diepere foiling is efficiënter maar minder stabiel.

In elk geval, "vliegen" over water presenteert een heel ander hydrodynamisch milieu vergeleken met dat wat een planende boot op het wateroppervlak tegenkomt. Uit het water en rijzend op foils, gedraagt een boot zich heel anders – gewichtsverdeling, draaien, windweerstand en turbulente wateren moeten zorgvuldig beheerd worden.

Foiling technologie, hoewel meer dan 100 jaar oud, is tot nu toe voornamelijk gebruikt in grote racejachten en sommige passagiersboten. Foiling racejachten zijn meestal bemand door grote bemanningen goed getraind om een dynamische, snel bewegende foiling structuur te managen. Foiling boten steunen op oppervlakte-doorbrekende foiling, wat, zoals opgemerkt, stabieler is.

Hasselskog besloot zijn speedboot zo efficiënt mogelijk te maken en koos daarom voor diepe foils. De uitdaging zou zijn om een diep-foilende boot gemakkelijk, naadloos en veilig te laten opereren, ongeacht wie aan het roer zit. Dit zou ontwikkeling van een ongekend foiling controlsysteem vereisen, en een bootstructuur die niet alleen licht is, maar specifiek ontworpen voor foiling.

De perfecte foil bouwen

De Seven is 7,7 meter lang, 2,4 meter breed, weegt 1.300 kilogram en heeft een capaciteit van zes personen. Het gebruikt twee foils, de grootste van welke ongeveer 2 meter van de voorsteven van de boot geactiveerd wordt. Het ontwerp van de primaire foil is relatief simpel: Twee stutten gaan door de hul in het water en bevestigen op rechte hoeken aan een foil die 2,35 meter lang, 200 millimeter breed en 25 millimeter dik is. De foil – ook een geïnverteerde Π-foil genoemd – is georiënteerd loodrecht op de bewegingsrichting. De foil stutten gemotoriseerd om omhoog en omlaag te bewegen om de foil te laten zakken en te tillen. Wanneer de boot niet foilt, is de foil volledig ingetrokken flush met de boothul. Bij foil snelheden wordt de foil in het water geactiveerd tot een maximum diepte van 550 millimeter.

Achteraan de boot zit een tweede, kleinere T-foil die ook als roer fungeert. Het is bevestigd aan een 55-kilowatt elektrisch motor die een aandrijfas in het roer activeert die een schroef aan het einde van het roer draait. De motor wordt gevoed door herlaadbare batterijen, gelegen in het voorste deel van de hul, om balans te bieden wanneer de boot foilt. De Seven begint foilen bij 14-15 knopen, cruist bij 22 knopen, heeft een maximaal snelheid van 30 knopen en een bereik van 50 zeemijlen.

Teodor Hällestrand, productmanager bij Candela Boats, zegt dat de foil stutten en foils koolstofvezel/epoxy composieten zijn en een significante ontwerpuitdaging vormden. Om de controle te bieden die vereist is voor een soepel rit, had Candela in staat moeten zijn om de foil aan te passen aan veranderende bootcondities. Dit vereist een hoogdynamisch sensor/controlsysteem gekoppeld aan een hoogresponsieve foil. "De foil is recht, maar we wilden in staat zijn om het in het water te wringen, afhankelijk van snelheid, rolhoek, stamphoek en gierhoek," zegt Hällestrand. "We kunnen begrijpen hoe de boot gepositioneerd is en dan aanpassen voor oriëntatie om de rit zo soepel mogelijk te maken." Dit wordt bereikt door het controlsysteem, dat dynamisch de stutten aanpast om de aanvalshoek van de foil te veranderen of de foil te wringen, met name voor draaien.

"We moeten in staat zijn de voorste foil te wringen of een andere aanvalshoek te bieden." Al deze acties gebeuren onder belasting, zegt hij, "dus we hebben een materiaal nodig met lage torsiestijfheid, maar met hoge buigstijfheid." Het resultaat is een "redelijk uitgebreid legplan" dat unidirectionele (UD) koolstofvezel banden (voornamelijk ±45 graden) gebruikt om de stijfheid en buigmogelijkheden te bieden die vereist zijn. De foil gebruikt standaard modulus koolstofvezel van diverse leveranciers en geïnfuseerd met SR1710 epoxyhars geleverd door Sicomin Epoxy Systems. De foil wordt bij kamertemperatuur gecureerd, gevolgd door een 40°C na-curing.

Geen gemiddelde hul

Nergens is Seven's afwijking van planende boot ontwerpstandaards meer duidelijk dan in de hul – zowel in ontwerp als engineering. Meest opvallend is het feit dat hoewel het een standaard V-vormige, golfbrekende hul aan de voorzijde van de boot heeft, de hul plat is van de voorste foils tot de achtersteven. Hasselskog wijst op verschillende redenen hiervoor.

Eerst, zegt hij, "hebben we alleen de V-vorm nodig om de golven te doorbreken." Het beschermt ook de foils wanneer de boot niet foilt. Tweedens, het plattelen van de helft van de hul vereenvoudigt productie en bespaart veel gewicht. Derdens, zegt hij, maakt de platte bodem de boot ongelooflijk stabiel aan de kade voor in-/uitstappen. "Het is als een schuit," merkt hij op.

Binnenin de hul is waar Candela heeft gewerkt om de Seven niet alleen structureel stevig te maken, maar aanpasbaar aan efficiënte, relatief hoge-volume productie. Hällestrand zegt dat de hul vergelijkbaar is in ontwerp met een vliegtuig fuselages – een huid omringend een rooster van stringers en ribben. Net als de foil, wordt de hul geïnfuseerd, met dezelfde UD koolstofvezel en SR1710 epoxy, geproduceerd op composiet tooling ook gemaakt met SR1710. Hul dikte onder de waterlijn is 3 millimeter; hul dikte boven de waterlijn is 2 millimeter.

Marc Denjean, exportmanager bij Sicomin, zegt dat de SR1710 een prestatie epoxy systeem is dat "ver boven gemiddelde mechanische eigenschappen" biedt. Sicomin levert ook een in-mol epoxy high-build primer, wat betekent dat de hul gedemold klaar is voor schilderen.

Om de stringers en ribben te bouwen, begint Candela met 3-millimeter dik massive laminaat koolstofvezel/epoxy geïnfuseerde panelen en CNC machineert ze dan naar vorm, afhankelijk van waar in de hul het laminaat geplaatst wordt. Om de hulstructuur te bouwen – stringers en ribben – worden deze gesneden vormen dan gemonteerd en aan elkaar en de hul bevestigd met lijmbinding en mechanische bevestigingen.

Dit laminaat snij-en-monteer ontwerp/productieproces, zegt Hasselskog, heeft zich als hoogst efficiënt bewezen en stelt Candela Boats in staat de hulstructuur in slechts 40 uur te bouwen. Het stelt het bedrijf ook in staat om interne structuren gemakkelijk aan te passen aan ontwerpwijzigingen zonder de kosten en tijd die nodig zijn om malen te wijzigen. "Het is makkelijk om op te schalen, wijzigingen aan te brengen of nieuwe structuur te bouwen door alleen de machineercode te wijzigen," zegt hij.

De kern

In lijn met Hasselskog's oorspronkelijke visie, is de efficiëntie van de Seven moeilijk te battelen – het is 4-5 keer energie-efficiënter dan een vergelijkbare gas-aangedreven planende boot en converteert 90% van zijn chemische energie naar mechanische energie. Verder is de bezitkosten van de Seven, volgens Candela, 95% minder dan een gas-aangedreven planende boot.

Het bedrijf heeft 190 bestellingen voor de Seven, en het verwacht 40 boten in 2020 te monteren. Hasselskog zegt dat momenteel Candela een bootontwerper en monteur is. Productie van composietstructuren wordt gedaan door derden, maar Hasselskog zegt dat Candela dat werk in huis kan brengen naarmate het zoekt om productieprocessen te optimaliseren en, uiteindelijk, de CO2-voetafdruk van het bedrijf te verminderen. "We moeten onze kosten omlaag krijgen, en dat betekent efficiënter produceren," zegt Hasselskog. "We zijn er nog niet, maar we gaan in de goede richting."