Los compuestos permiten una nueva lancha rápida voladora

La electrificación global del transporte es una evolución desigual, habilitada y obstaculizada simultáneamente por la miríada de fuerzas que gobiernan el desarrollo de la tecnología y afectan todo, desde automóviles y aviones no tripulados hasta transporte ferroviario y embarcaciones marinas. Estas fuerzas habilitadoras / obstaculizadoras incluyen baterías pesadas pero de rápida maduración, supervisión gubernamental que a veces se adapta lentamente, principios de gravedad y fricción, estrictos requisitos de seguridad para los pasajeros, aseguradoras ansiosas y desarrollo desigual de materiales livianos.

Aún así, las innovaciones en materiales, procesamiento, hardware y software están haciendo posibles productos que hace solo unos años eran inconcebibles, y puede que no haya mejor ejemplo de esto que los Siete , una nueva lancha rápida totalmente eléctrica, de gama alta y totalmente compuesta, fabricada por Candela Boats (Lidingö, Suecia) utilizando soluciones de matriz de resina proporcionadas por Sicomin Epoxy Systems (Châteauneuf les Martigues, Francia).

Cómo llegamos aquí

Candela Boats fue fundada en 2014 por el director ejecutivo Gustav Hasselskog, quien, aunque era ingeniero de formación, había trabajado anteriormente como consultor y en el mercado de productos químicos de consumo. Según él mismo admitió, Hasselskog “se había aburrido” del mundo del trabajo corporativo y decidió que quería encontrar un trabajo más significativo. Dejó su trabajo corporativo en 2014 y durante ese verano se retiró con su familia a una casa ubicada en uno de los archipiélagos que rodean Estocolmo, Suecia.

“Teníamos un bote de 25 pies con un motor V-8”, recuerda Hasselskog, y agregó que ir a cualquier parte y conseguir cualquier cosa requería un viaje en bote a Estocolmo, que costaba al menos $ 50 por viaje. “Se sentía un poco extraño gastar tanto dinero en un barco”, dice. Hasselskog comenzó a hacer algunas matemáticas, preguntándose qué se necesitaría para que la navegación recreativa fuera más eficiente. “Lo que descubrí”, dice, “es que no se ha abordado el tema de hacer los barcos más eficientes y eléctricos”.

Hasselskog comenzó a estudiar más el mercado de la marina de recreo. Estudió la tecnología de propulsión eléctrica y de baterías, determinando qué se necesitaría para darle a un barco de planeo un alcance de al menos 50 millas náuticas, una meta que consideró razonable. Hasta ahora, la aplicación de la propulsión totalmente eléctrica en las embarcaciones de planeo se ha visto afectada por la falta de potencia y la falta de alcance, principalmente debido a la fricción de la superficie del agua que debe superar una embarcación. Además, para aumentar el alcance o la potencia en una embarcación de planeo se requiere la adición de baterías, lo que también agrega peso y, por extensión, resistencia. En resumen, descubrió Hasselskog, no era posible hacer que un barco de planeo fuera más eficiente. “Un barco de planeo es un callejón sin salida. No se puede hacer más eficiente ", dice. "Frustrar es la única forma". Entonces, Hasselskog vendió la casa de verano de la familia en el archipiélago, y en 2014 nació Candela Boats.

El frustrado es inherentemente inestable debido a la compleja termodinámica involucrada. Candela Boats desarrolló un sofisticado sistema de sensores y controles para manipular las láminas y garantizar un viaje suave y seguro. Fuente | Barcos Candela

Frustrar no es para los débiles de corazón

El desafío principal de frustrar radica en la inestabilidad inherente de un barco que se mueve a través y sobre agua, pero no en la superficie del agua. Una lámina, o, más exactamente, una hidroala, es una estructura en forma de ala unida a la parte inferior del casco de un barco. La lámina pasa a través del agua perpendicular a la dirección de viaje y, utilizando los mismos principios del vuelo de un avión, a una cierta velocidad proporciona suficiente sustentación para elevar la embarcación completamente fuera del agua. De este modo se elimina la fricción del casco, dejando el arrastre de la lámina y el aire como las únicas resistencias.

Las láminas pueden tomar una variedad de formas, pero en todos los casos deben proporcionar una superficie plana plana que atraviese el borde del agua primero. Y, como el ala de un avión, el ángulo de ataque de una lámina en el agua se puede ajustar para aumentar o disminuir la sustentación. Las láminas también se pueden desplegar en una variedad de profundidades de agua, pero la profundidad tiene un efecto en la eficiencia. Por ejemplo, el laminado que perfora la superficie relativamente poco profundo es más estable, pero menos eficiente. El frustrado más profundo es más eficiente pero menos estable.

En cualquier caso, "volar" sobre el agua presenta un entorno hidrodinámico muy diferente al que enfrenta un barco de planeo en la superficie del agua. Fuera del agua y montando sobre foils, un barco se comporta de manera muy diferente:la distribución del peso, los giros, la resistencia al viento y las aguas turbulentas deben manejarse con cuidado.

La tecnología de foiling, aunque tiene más de 100 años, hasta ahora se ha utilizado principalmente en grandes yates de carreras y algunos transbordadores de pasajeros. Los yates de carreras con foiling suelen estar tripulados por grandes tripulaciones bien capacitadas para gestionar una estructura de foiling dinámica y de rápido movimiento. Los transbordadores frustrados se basan en el laminado perforante de la superficie, que, como se señaló, es más estable.

Hasselskog decidió hacer que su lancha rápida fuera lo más eficiente posible y, por lo tanto, optó por láminas profundas . El desafío consistiría en hacer que una embarcación con foil profundo funcione de manera fácil, fluida y segura, independientemente de quién esté al timón. Hacerlo requeriría el desarrollo de un sistema de control de foiling sin precedentes y una estructura de barco que no solo sea liviana, sino que esté diseñada específicamente para frustrar.

Construyendo la lámina perfecta

Los siete Mide 7,7 metros de largo, 2,4 metros de ancho, pesa 1.300 kilogramos y tiene capacidad para seis personas. Utiliza dos láminas, la mayor de las cuales se despliega a unos 2 metros de la parte delantera del barco. El diseño de la lámina principal es relativamente simple:dos puntales pasan a través del casco hacia el agua y se unen en ángulo recto a una lámina de 2,35 metros de largo, 200 milímetros de ancho y 25 milímetros de grosor. La lámina, también llamada lámina ∏ invertida, está orientada perpendicular a la dirección de desplazamiento. Los puntales de la lámina están accionados por motor para moverse hacia arriba y hacia abajo para bajar y subir la lámina. Cuando el barco no está frotando, el foil se retrae completamente al ras del casco del barco. A velocidades de frustrar, la lámina se despliega en el agua a una profundidad máxima de 550 milímetros.

Cuando los Siete no está en modo frustrar, los dos puntales naranjas que se conectan y activan la lámina para tirar de ella al ras del casco. La lámina blanca y naranja es visible aquí, justo debajo del casco y justo por encima del nivel del agua. Fuente | Barcos Candela

En la parte trasera del barco hay una segunda lámina en T más pequeña que también actúa como timón. Está conectado a un motor eléctrico de 55 kilovatios que acciona un eje de transmisión en el timón que hace girar una hélice al final del timón. El motor está alimentado por baterías recargables, ubicadas en la sección muy delantera del casco, para proporcionar equilibrio cuando el barco está navegando. Los siete comienza a frustrar a 14-15 nudos, navega a 22 nudos, tiene una velocidad máxima de 30 nudos y un alcance de 50 millas náuticas.

Teodor Hällestrand, gerente de producto de Candela Boats, dice que los puntales y las láminas de aluminio son compuestos de fibra de carbono / epoxi y plantean un importante desafío de ingeniería de diseño. Para proporcionar el control necesario para un viaje suave, Candela necesitaba poder ajustar el foil a las condiciones cambiantes de la embarcación. Esto requiere un sensor / sistema de control altamente dinámico emparejado con una lámina de alta respuesta. “La lámina es recta, pero queríamos poder girarla en el agua, dependiendo de la velocidad, el ángulo de balanceo, el ángulo de cabeceo y el ángulo de guiñada”, dice Hällestrand. "Podemos entender cómo está posicionado el barco y luego ajustar la orientación para que el viaje sea lo más suave posible". Esto se logra mediante el sistema de control, que ajusta dinámicamente los puntales para cambiar el ángulo de ataque de la lámina o para torcer la lámina, particularmente para girar.

Hasselskog dice:"Necesitamos poder girar la lámina frontal o proporcionar un ángulo de ataque diferente". Todas estas acciones ocurren bajo carga, dice, "por lo que necesitamos un material con baja rigidez a la torsión, pero con alta rigidez a la flexión". El resultado es un "plan de laminado bastante elaborado" que utiliza cintas de fibra de carbono unidireccionales (UD) (principalmente ± 45 grados) para proporcionar la rigidez y las capacidades de flexión necesarias. La lámina utiliza fibra de carbono de módulo estándar de una variedad de proveedores e infundida con resina epoxi SR1710 suministrada por Sicomin Epoxy Systems. La lámina se cura a temperatura ambiente, seguida de un poscurado a 40 ° C.

No es el casco promedio

En ninguna parte hay siete La desviación de los estándares de diseño de embarcaciones de planeo es más evidente que en el casco, tanto en diseño como en ingeniería. Lo más notable es el hecho de que, aunque cuenta con un casco estándar en forma de V que rompe olas en la parte delantera del barco, el casco es plano desde las aletas delanteras hasta la popa. Hasselskog señala varias razones para esto.

El interior de Seven El casco muestra los largueros y nervaduras que se cortan de laminados compuestos de fibra de carbono / epoxi y luego se unen en su lugar con adhesivos y sujetadores mecánicos. Esta arquitectura permite a Candela Boats ensamblar cascos rápidamente y proporciona flexibilidad para adaptarse a los cambios de diseño. Fuente | Barcos Candela

Primero, dice, "solo necesitamos la forma de V para perforar las olas". También protege las láminas cuando el barco no está frotando. En segundo lugar, aplanar la mitad del casco simplifica la fabricación y ahorra mucho peso. En tercer lugar, dice, el fondo plano hace que el barco sea increíblemente estable en el muelle para embarcar / desembarcar. "Es como una barcaza", señala.

Sin embargo, dentro del casco es donde Candela ha trabajado para hacer los Seven no solo estructuralmente sólida, sino también adaptable a una fabricación eficiente y de tasa relativamente alta. Hällestrand dice que el diseño del casco es comparable al del fuselaje de un avión:una piel que rodea una celosía de largueros y nervaduras. Al igual que la lámina, el casco está infundido, utilizando la misma fibra de carbono UD y epoxi SR1710, fabricado con herramientas compuestas también hechas con SR1710. El espesor del casco por debajo de la línea de flotación es de 3 milímetros; el grosor del casco por encima de la línea de flotación es de 2 milímetros.

Marc Denjean, gerente de exportaciones de Sicomin, dice que el SR1710 es un sistema epoxi de rendimiento que proporciona "propiedades mecánicas muy por encima del promedio". Sicomin también proporciona una imprimación epoxi de alto espesor en molde, lo que significa que el casco está desmoldado y listo para pintar.

Para construir los largueros y las nervaduras, Candela comienza con paneles infundidos de fibra de carbono / epoxi laminado sólido de 3 milímetros de espesor y luego los mecaniza CNC para darles forma, dependiendo de en qué parte del casco se coloque el laminado. Para construir la estructura del casco (largueros y nervaduras), estas formas cortadas se ensamblan y unen entre sí y al casco con adhesivos y sujetadores mecánicos.

La batería del Seven está ubicado en la sección delantera del casco, para proporcionar el equilibrio que tanto se necesita cuando el barco está en modo foiling.

Fuente | Barcos Candela

Este proceso de diseño / fabricación de laminado cortado y ensamblado, dice Hasselskog, ha demostrado ser altamente eficiente y permite a Candela Boats construir la estructura del casco en solo 40 horas. También permite a la empresa ajustar fácilmente las estructuras internas para diseñar cambios sin el gasto y el tiempo necesarios para modificar los moldes. "Es fácil escalar, hacer cambios o construir una nueva estructura simplemente cambiando el código de mecanizado", dice.

El resultado final

De acuerdo con la visión original de Hasselskog, la eficiencia de los Seven es difícil de superar:es de 4 a 5 veces más eficiente energéticamente que un barco de planeo a gas comparable y convierte el 90% de su energía química en energía mecánica. Además, el costo de propiedad de los Seven , según Candela, es un 95% menos que un barco de planeo a gas.

La empresa tiene 190 pedidos de Seven y espera montar 40 barcos en 2020. Hasselskog dice que actualmente Candela es solo diseñador y ensamblador de barcos. La fabricación de estructuras compuestas está a cargo de terceros, pero Hasselskog dice que Candela puede llevar ese trabajo internamente, ya que busca optimizar los procesos de fabricación y, en última instancia, reducir la huella de carbono de la empresa. “Tenemos que reducir nuestros costos, y eso significa fabricar de manera más eficiente”, dice Hasselskog. "No hemos llegado todavía, pero vamos en la dirección correcta".