复合材料使新型飞行快艇成为可能
全球交通电气化是一个不平衡的演变，同时受到控制技术发展的无数力量的推动和阻碍，影响着从汽车和无人驾驶飞机到铁路运输和船舶的方方面面。这些促成/阻碍力量包括快速成熟但很重的电池、有时适应缓慢的政府监管、重力和摩擦原理、严格的乘客安全要求、焦虑的保险公司和轻质材料的不平衡发展。
尽管如此，材料、加工、硬件和软件创新正在使几年前无法想象的产品成为可能，并且可能没有比 7 更好的例子 ，一种新型全电动、高航程、全复合箔快艇，由 Candela Boats（瑞典利丁厄）使用 Sicomin Epoxy Systems（法国 Châteauneuf les Martigues）提供的树脂基质解决方案制造。
我们是如何来到这里的
Candela Boats 由首席执行官 Gustav Hasselskog 于 2014 年创立，他虽然是受过教育的工程师，但之前曾担任顾问和消费品市场的工作人员。哈塞尔斯科格自己承认，他对企业工作世界“感到厌烦”，并决定寻找更有意义的工作。他于 2014 年辞去了公司工作，并在那个夏天与家人一起撤退到位于瑞典斯德哥尔摩周围群岛之一的家中。
“我们有一艘配备 V-8 发动机的 25 英尺长的船，”Hasselskog 回忆说，并补充说，去任何地方并得到任何东西都需要乘船前往斯德哥尔摩，每次旅行至少要花费 50 美元。 “在一艘船上花这么多钱感觉有点奇怪，”他说。 Hasselskog 开始做一些数学运算，想知道如何提高休闲划船的效率。 “我发现，”他说，“这个话题并没有被解决，以提高船只的效率并使其电动化。”
Hasselskog 开始进一步研究休闲海洋市场。他研究了电池和电力推进技术，确定了让滑翔艇航程至少为 50 海里所需的条件——他认为这个目标是合理的。到目前为止，全电力推进在滑行船只中的应用一直受到动力不足和航程不足的困扰，这主要是因为船只必须克服水面摩擦。此外，要增加滑行艇的航程或功率需要增加电池，这也会增加重量，进而增加阻力。简而言之，Hasselskog 发现，不可能使刨船更有效率。 “滑行船是一条死胡同。你不能让它更有效率，”他说。 “挫败是唯一的办法。”于是，Hasselskog 卖掉了家人在群岛上的避暑别墅，2014 年 Candela Boats 诞生了。
由于涉及复杂的热力学，箔片本质上是不稳定的。 Candela Boats 开发了一套复杂的传感器和控制系统来操纵水翼并确保平稳、安全的航行。来源 |坎德拉船
挫败不适合胆小的人
挫败的主要挑战在于船的固有不稳定性 水，但不在水面上。水翼——或者更准确地说，是水翼——是一种附着在船体底部的翼状结构。箔片垂直于行进方向穿过水面，并使用与飞机飞行相同的原理，以一定的速度提供足够的升力以将船完全抬离水面。因此消除了船体摩擦，只留下箔阻力和空气作为阻力。
箔可以采用多种形状，但在所有情况下，它们都必须提供一个平坦的平面，该表面首先通过水边。而且，就像飞机机翼一样，可以调整水翼在水中的迎角来增加或减少升力。箔也可以部署在各种水深，但深度会影响效率。例如，相对较浅的表面刺穿箔更稳定，但效率较低。更深的挫败效率更高，但稳定性较差。
无论如何，与水上滑行船相比，“飞越”水面呈现出截然不同的水动力环境。离开水面和在水翼上航行，一艘船的行为非常不同——必须仔细管理重量分布、转弯、风阻和湍流。
箔片技术虽然已有 100 多年的历史，但迄今为止主要用于大型赛艇和一些客运渡轮。挫败赛艇通常由训练有素的大型船员操纵，以管理动态、快速移动的挫败结构。箔片渡轮依靠表面穿刺箔片，如前所述，它更稳定。
Hasselskog 决定让他的快艇尽可能高效，因此选择了深水翼 .面临的挑战是让深底船轻松、无缝和安全地运行，而不管谁在掌舵。这样做需要开发一种前所未有的挫败控制系统，以及一种不仅重量轻而且专门设计的船结构 用于挫败。
打造完美的陪衬
七个 长7.7米，宽2.4米，重1300公斤，可容纳6人。它使用两个水翼，其中最大的一个部署在距船前约 2 米处。主翼的设计相对简单：两个支柱穿过船体进入水中，并以直角连接到长 2.35 米、宽 200 毫米、厚 25 毫米的箔上。箔片 - 也称为倒置的 ∏ 箔片 - 垂直于行进方向。箔支柱由电机驱动以上下移动以降低和升高箔。当船没有用箔纸时，箔纸完全收回，与船体齐平。以水翼速度，水翼在水中展开的最大深度为 550 毫米。
当七 未处于箔纸模式，两个橙色支柱连接并驱动箔片以将其拉到船体上。在船体下方和水位上方可以看到白色和橙色箔片。来源 |坎德拉船
在船的后部是第二个较小的 T 型水翼，也用作舵。它连接到一个 55 千瓦的电动机上，该电动机驱动舵中的驱动轴，使舵末端的螺旋桨转动。电机由位于船体最前部的可充电电池供电，以在船失水时提供平衡。 七个 以 14-15 节的速度开始挫败，以 22 节的速度巡航，最大速度为 30 节，航程为 50 海里。
Candela Boats 的产品经理 Teodor Hällestrand 说，箔支柱和箔是碳纤维/环氧树脂复合材料，这对设计工程提出了重大挑战。为了提供平稳航行所需的控制，Candela 需要能够根据不断变化的船况调整水翼。这需要一个高度动态的传感器/控制系统和一个高度响应的箔片。 “箔是直的，但我们希望能够在水中扭曲它，这取决于速度、滚动角、俯仰角和偏航角，”Hällestrand 说。 “我们可以了解船的定位方式，然后调整方向，使航行尽可能顺畅。”这是由控制系统完成的，该系统动态调整支柱以改变翼的迎角或扭转翼，特别是在转弯时。
Hasselskog 说：“我们需要能够扭转前翼或提供不同的迎角。”他说，所有这些动作都是在负载下发生的，“所以我们需要一种具有低扭转刚度但具有高弯曲刚度的材料。”结果是一个“相当复杂的铺层计划”，它使用单向 (UD) 碳纤维带（主要为 ±45 度）来提供所需的刚度和弯曲能力。该箔使用来自各种供应商的标准模量碳纤维，并注入由 Sicomin Epoxy Systems 提供的 SR1710 环氧树脂。箔在室温下固化，然后进行 40°C 后固化。
不是一般的船体
无处是七 比船体更明显地偏离了滑行船设计标准——无论是在设计还是工程方面。最引人注目的是，虽然它在船的前部采用标准的 V 形破浪船体，但船体从前翼到船尾都是平的。 Hasselskog 指出了造成这种情况的几个原因。
七的内部 船体展示了从碳纤维/环氧树脂复合层压材料上切割下来的纵梁和肋骨，然后用粘合剂和机械紧固件粘合到位。这种架构使 Candela Boats 能够快速组装船体，并提供适应设计变化的灵活性。来源 |坎德拉船
首先，他说，我们“只需要 V 形就可以穿透波浪。”当船没有被挫败时，它还可以保护箔。其次，将船体的一半压平可以简化制造并减轻很多重量。第三，他说，平底使船在码头上船/下船时非常稳定。 “这就像一艘驳船，”他指出。
然而，在船体内部，Candela 一直致力于制造 Seven 不仅结构合理，而且适用于高效、相对高速的制造。 Hällestrand 说，该船体在设计上可与飞机机身相媲美 - 围绕纵梁和肋骨的格子的蒙皮。与铝箔一样，船体也采用相同的 UD 碳纤维和 SR1710 环氧树脂灌注，并在同样由 SR1710 制成的复合工具上制造。吃水线以下的船体厚度为3毫米；水线以上船体厚度为2毫米。
Sicomin 的出口经理 Marc Denjean 表示，SR1710 是一种高性能环氧树脂系统，可提供“远高于平均机械性能”。 Sicomin 还提供模内环氧厚浆底漆，这意味着船体已脱模，准备上漆。
为了建造纵梁和肋骨，Candela 从 3 毫米厚的实心层压碳纤维/环氧树脂灌注板开始，然后根据层压板放置在船体中的位置，对它们进行 CNC 加工成型。为了建造船体结构——纵梁和肋骨——然后将这些切割形状组装起来，并用粘合剂和机械紧固件将它们相互连接起来，并连接到船体。
七的电池组 位于船体的前部，以在船处于挫败模式时提供急需的平衡。
来源 |坎德拉船
Hasselskog 说，这种层压板的切割和组装设计/制造过程已被证明是高效的，并且让 Candela Boats 能够在短短 40 小时内建造船体结构。它还允许公司轻松调整内部结构以进行设计更改，而无需花费和修改模具所需的时间。 “只需更改加工代码，就可以轻松扩大规模、进行更改或构建新结构，”他说。
底线
为了与 Hasselskog 的原始愿景保持一致，7 的效率 很难被击败——它的能源效率是可比的气动刨船的 4-5 倍，并将其 90% 的化学能转化为机械能。此外，7 的拥有成本 据 Candela 称，它比汽油动力的滑艇小 95%。
该公司有 190 个 7、 的订单 并预计在 2020 年组装 40 艘船。 Hasselskog 说，目前 Candela 只是一名船设计师和组装商。复合结构的制造由第三方完成，但 Hasselskog 表示，Candela 可能会在内部完成这项工作，因为它寻求优化制造流程并最终减少公司的碳足迹。 “我们必须降低成本，这意味着生产效率更高，”Hasselskog 说。 “我们还没有到那里，但我们正朝着正确的方向前进。”
树脂