Bärplansbåd: Från koncept till konstruktion

Abstract

Bärplansbåtar har funnits under en lång tid, men på grund av begränsade kontrollsystem har de varit för komplicerade och dyra. Parallellt med utvecklingen av bärplansbåtar går utvecklingen av elbåtar snabbt framåt. Många problem med elbåtar gällande batteristorlek och vikt gör dem icke-hållbara på grund av deras begränsade körsträcka. Men idén att kombinera dessa tekniker kan revolutionera sjöfartsindustrin på grund av den betydande mängd energi som kan sparas vid flygande körning. Denna kandidatuppsats syftar till att bygga en bärplansbåt med målet att förbättra ett tidigare projekt med liknande mål. Målet är att skapa en ej skalenlig prototyp av en bärplansbåt, vilket möjliggör slutsatser och rekommendationer för framtida forskning inom detta område. Rapporten fokuserar främst på systemets design, den använda metoden och associerade utmaningar. Systemets design omfattar flera komponenter: ett kontrollsystem, vingkonfiguration, vingdesign, skrovdesign och slutligen hur de är sammanlänkade. Kontrollsystemets uppgift är att reglera stigning och roll för att bibehålla båtens stabilitet vid flygning. För reglering användes ett autopilotprogram kallat ArduPilot. Vingkonfigurationen och vingdesignen är relaterade till varandra med målet att ge tillräckligt med lyftkraft för att lyfta båten. Den valda konfigurationsdesignen är ett trevingat system, med två vingar placerade framtill och en bak. De främre vingarna ansvarar för att ge 80% av vingarnas lyftkraft samtidigt som de reglerar roll, medan den bakre vingens uppgifter innebär styrning, reglering av stigning (och därmed höjd). Designen av vingarna resulterade i en T-formad konfiguration, med vingöron på de främre vingarna och rundade kanter på den bakre vingen. Dessutom placerades båtens propellrar något ovanför vingen på de främre stagen. Regleringen av dessa vingar sker ovanför vattenytan, där vingarna och stagen ändrar sin vinkel för att reglera lyftkraften. Skrovdesignen anpassades från ett tidigare projekt som fokuserade på att designa en bärplansfärja. Detta skrov valdes eftersom det tidigare arbetet ansågs ha optimerat formen för ett liknande ändamål. Systemdesignen testades sedan för att analysera konstruktionen trots avsaknaden av en höjdsensor. En höjdsensor ska mäta avståndet från båten till vattenytan, vilket tillåter autopiloten att reglera detta avstånd. Utan sensorn måste avståndet regleras manuellt vilket är komplicerat. Det visade sig dock att båten både kunde flyta och flyga, vilket bekräftar att propellrarna kan leverera tillräckligt med drivkraft och vingarna kan producera den nödvändiga lyftkraften. Ett problem som upptäcktes var en lätt baktung vikt-fördelning. Det resulterade i att fören lyfte från vattenytan innan aktern hade lyft. Följaktligen, när vingarna och propellrarna på de främre vingarna nådde vattenytan minskade deras effektivitet, vilket fick båten att sjunka mot vattnet igen. Genom att lägga till extra vikt på fören flyttades den longitudinella tyngdpunkten framåt och därmed närmare den resulterande lyftkraften från vingarna, vilket resulterade i en bättre dynamisk jämvikt av krafter och moment i systemet. Det möjligtgjorde att båten kunde flyga i några sekunder. De primära slutsatserna som dras för den fortsatta utvecklingen av båten är att uppnå rätt balans när det gäller båtens tyngdpunkt och lyftkraftsrelationen mellan den bakre vingen och de främre vingarna, samt att implementera en höjdsensor.