첨단 복합소재가 혁신적인 비행 고속정을 구현하다

전 세계적인 운송 수단의 전동화는 기술 개발을 지배하는 수많은 힘에 의해 동시에 가능해지고 방해받고 있습니다. 자동차와 무인 항공기부터 철도 운송과 해양 선박까지 모든 것에 영향을 미칩니다. 이러한 가능/방해 요인에는 빠르게 성숙하지만 무거운 배터리, 때로는 느리게 적응하는 정부 감독, 중력과 마찰의 원리, 엄격한 승객 안전 요구사항, 불안한 보험사, 불균형한 경량 소재 개발 등이 포함됩니다.

그럼에도 불구하고 소재, 가공, 하드웨어, 소프트웨어 혁신은 불과 몇 년 전만 해도 상상할 수 없었던 제품을 가능하게 하고 있으며, 이보다 더 좋은 예는 Sicomin Epoxy Systems(프랑스 샤토뇌프 레 마르티그)가 제공하는 수지 매트릭스 솔루션을 사용하여 Candela Boats(스웨덴 리디외)에서 제조하는 새로운 완전 전기, 장거리, 전복합소재 포일링 고속정 Seven일 것입니다.

여기까지 온 과정

Candela Boats는 2014년 CEO Gustav Hasselskog에 의해 설립되었습니다. 그는 엔지니어 교육을 받았지만 이전에는 컨설턴트와 소비자 화학 시장에서 일했습니다. 본인 인정하기를 기업 업무 세계에 "지루해졌고" 더 의미 있는 일을 찾고 싶었습니다. 2014년 기업 일을 그만두고 여름 동안 스톡홀름 주변 군도 중 한 곳에 있는 가족 별장으로 물러났습니다.

"V8 엔진을 단 25피트 보트가 있었죠." Hasselskog는 회상합니다. 어디를 가든 무엇을 하든 스톡홀름까지 보트 여행이 필요했는데, 편도 최소 50달러가 들었습니다. "보트에 그렇게 많은 돈을 쓰는 게 좀 이상하게 느껴졌어요."라고 말합니다. Hasselskog는 레저 보트를 더 효율적으로 만들려면 무엇이 필요한지 계산해 보기 시작했습니다. "제가 발견한 건," 그가 말합니다, "보트를 더 효율적으로 만들고 전동화하는 주제가 다뤄지지 않았다는 겁니다."

Hasselskog는 레저 해양 시장을 더 연구했습니다. 배터리와 전기 추진 기술을 연구하여 플래닝 보트에 최소 50해리 항속거리를 주는 데 필요한 것을 파악했습니다. 이는 그가 합리적이라고 생각한 목표였습니다. 지금까지 플래닝 선박에 완전 전기 추진을 적용하는 것은 보트가 극복해야 할 수면 마찰 때문에 전력 부족과 항속거리 부족에 시달려 왔습니다. 게다가 플래닝 보트에서 항속거리나 출력을 늘리려면 배터리를 추가해야 하는데, 이는 무게를 늘리고 결과적으로 항력을 증가시킵니다. 요컨대, Hasselskog는 플래닝 보트를 더 효율적으로 만드는 것이 불가능하다는 것을 발견했습니다. "플래닝 보트는 막다른 골목입니다. 더 효율적으로 만들 수 없어요."라고 그는 말합니다. "포일링이 유일한 길입니다." 그래서 Hasselskog는 군도의 여름 별장을 팔고 2014년 Candela Boats를 설립했습니다.

포일링은 마음이 약한 이를 위한 게 아니다

포일링의 주요 과제는 물 속을 통과하고 물 위를 날지만 물 표면 위에는 있지 않은 보트의 본질적 불안정성에 있습니다. 포일(정확히는 하이드로포일)은 보트 선체 바닥에 부착된 날개 같은 구조물입니다. 포일은 진행 방향에 수직으로 물을 통과하며, 항공기 비행과 같은 원리로 일정 속도에서 보체를 물 밖으로 완전히 들어 올릴 만큼 충분한 양력을 제공합니다. 선체 마찰이 제거되어 포일 항력과 공기만 저항으로 남습니다.

포일은 다양한 형태를 취할 수 있지만, 모든 경우 물살을 가르는 평평한 평면 표면을 제공해야 합니다. 항공기 날개처럼 포일의 물속 공격각을 조절하여 양력을 늘리거나 줄일 수 있습니다. 포일은 다양한 수심에서 전개할 수 있지만 수심은 효율에 영향을 줍니다. 예를 들어 상대적으로 얕은 표면 관통 포일링은 더 안정적이지만 효율이 낮습니다. 깊은 포일링은 더 효율적이지만 덜 안정적입니다.

어떤 경우든 물 표면 위를 달리는 플래닝 보트와는 완전히 다른 유체역학적 환경에서 물 위를 '날게' 됩니다. 물 밖으로 나와 포일 위를 달리면 보트는 매우 다르게 행동합니다. 중량 분배, 회전, 풍랑, 난류를 신중하게 관리해야 합니다.

포일링 기술은 100년 이상 되었지만 지금까지 주로 대형 레이싱 요트와 일부 여객 페리에 사용되었습니다. 포일링 레이싱 요트는 일반적으로 동적, 고속 포일링 구조물을 관리하는 데 잘 훈련된 대규모 승무원이 탑승합니다. 포일링 페리는 표면 관통 포일링을 사용하며, 앞서 언급했듯 더 안정적입니다.

Hasselskog는 자신의 고속정을 가능한 한 효율적으로 만들기로 결정하고 깊은 포일을 선택했습니다. 도전 과제는 조종사가 누구든 깊은 포일링 보트를 쉽고 매끄럽고 안전하게 조작할 수 있게 하는 것이었습니다. 이를 위해서는 전례 없는 포일링 제어 시스템 개발과, 단순히 경량일 뿐만 아니라 포일링을 위해 특별히 설계된 보트 구조가 필요했습니다.

완벽한 포일 제작

Seven은 길이 7.7미터, 폭 2.4미터, 중량 1,300kg, 정원 6명입니다. 두 개의 포일을 사용하며, 가장 큰 포일은 보트 앞쪽에서 약 2미터 떨어진 곳에 전개됩니다. 주 포일의 설계는 비교적 단순합니다: 두 개의 스트럿이 선체를 관통하여 물속으로 들어가 직각으로 길이 2.35미터, 폭 200mm, 두께 25mm의 포일에 부착됩니다. 포일(역 Π-포일이라고도 함)은 진행 방향에 수직으로 배치됩니다. 포일 스트럿은 모터로 작동하여 포일을 올리고 내립니다. 포일링 모드가 아닐 때는 포일이 선체와 평행하게 완전히 접힙니다. 포일링 속도에서는 포일이 최대 550mm 깊이까지 물속에 전개됩니다.

선미에는 더 작은 T자형 포일이 있으며 이는 러더 역할도 합니다. 55kW 전기 모터에 부착되어 러더의 드라이브샤프트를 작동시키고 러더 끝의 프로펠러를 회전시킵니다. 모터는 선체 최전방에 위치한 충전식 배터리로 구동되며, 포일링 시 균형을 제공합니다. Seven은 14~15노트에서 포일링을 시작하고, 22노트로 순항하며, 최대 속도 30노트, 항속거리 50해리를 가집니다.

Candela Boats의 제품 관리자인 Teodor Hällestrand에 따르면 포일 스트럿과 포일은 탄소섬유/에폭시 복합소재로 상당한 설계 엔지니어링 과제였습니다. 부드러운 승차감을 위한 제어를 위해 변화하는 보트 조건에 따라 포일을 조정할 수 있어야 했습니다. 이는 고도로 동적인 센서/제어 시스템과 고도로 반응성이 좋은 포일을 필요로 합니다. "포일은 직선이지만 속도, 롤 각도, 피치 각도, 요 각도에 따라 물속에서 비틀 수 있어야 했습니다."라고 Hällestrand는 말합니다. "보트가 어떻게 위치하는지 이해하고 방향을 조정하여 승차감을 최대한 부드럽게 만들 수 있습니다." 이는 제어 시스템이 스트럿을 동적으로 조정하여 포일의 공격각을 변경하거나 특히 회전 시 포일을 비틀어 달성합니다.

Hasselskog는 "전방 포일을 비틀거나 다른 공격각을 제공할 수 있어야 합니다."라고 말합니다. 이 모든 동작이 하중 하에서 발생한다고 합니다. "그래서 비틀림 강성은 낮지만 굽힘 강성은 높은 소재가 필요했습니다." 결과적으로 주로 ±45도 단방향(UD) 탄소섬유 테이프를 사용하여 필요한 강성과 굽힘 능력을 제공하는 "상당히 정교한 적층 계획"이 나왔습니다. 포일은 다양한 공급업체의 표준 모듈러스 탄소섬유를 사용하고 Sicomin Epoxy Systems가 공급한 SR1710 에폭시 수지로 인퓨즈되었습니다. 포일은 실온 경화 후 40°C 후경화를 거쳤습니다.

평범하지 않은 선체

Seven이 플래닝 보트 설계 기준에서 벗어난 점은 선체에서 가장 명확하게 드러납니다. 디자인과 엔지니어링 모두에서 그렇습니다. 가장 눈에 띄는 점은 보트 앞부분에 표준 V자형 파도 절단 선체가 있지만, 전방 포일부터 선미까지 선체가 평평하다는 것입니다. Hasselskog는 몇 가지 이유를 지적합니다.

첫째, "파도를 뚫기 위해 V자형만 필요합니다." 포일링하지 않을 때 포일을 보호하기도 합니다. 둘째, 선체 절반을 평평하게 하면 제조가 단순화되고 무게를 크게 절감합니다. 셋째, 평평한 바닥은 선착장에서 승하선 시 보트를 믿을 수 없을 정도로 안정적으로 만듭니다. "바지선 같죠."라고 그는 말합니다.

그러나 선체 내부에서 Candela는 Seven을 구조적으로 건전할 뿐만 아니라 효율적인 상대적 고속 제조에 적응할 수 있게 만들기 위해 노력했습니다. Hällestrand에 따르면 선체는 항공기 동체와 설계가 유사합니다. 스트링거와 리브의 격자를 둘러싼 스킨입니다. 포일과 마찬가지로 선체도 인퓨즈 방식으로 제작되며, 동일한 UD 탄소섬유와 SR1710 에폭시, SR1710으로 만든 복합 툴링을 사용합니다. 수면 아래 선체 두께는 3mm, 수면 위는 2mm입니다.

Sicomin의 수출 관리자인 Marc Denjean에 따르면 SR1710은 "평균 이상의 기계적 물성을 훨씬 뛰어넘는" 고성능 에폭시 시스템입니다. Sicomin은 인몰드 에폭시 고빌드 프라이머도 제공하여 선체가 탈형 즉시 도장 준비가 됩니다.

스트링거와 리브를 만들기 위해 Candela는 3mm 두께의 솔리드 라미네이트 탄소섬유/에폭시 인퓨즈 패널로 시작한 후, 선체 내 위치에 따라 CNC 가공하여 형상을 만듭니다. 선체 구조(스트링거와 리브)를 만들기 위해 이 절단된 형상들을 조립하여 서로와 선체에 접착 본딩과 기계적 체결로 부착합니다.

Hasselskog에 따르면 이 라미네이트 절단-조립 설계/제조 공정은 매우 효율적임이 입증되어 Candela Boats가 선체 구조를 단 40시간 만에 제작할 수 있게 했습니다. 또한 금형 수정의 비용과 시간 없이 설계 변경에 맞춰 내부 구조를 쉽게 조정할 수 있습니다. "가공 코드만 변경하면 확장이 쉽고, 변경하거나 새로운 구조를 만들기 쉽습니다."라고 그는 말합니다.

결론

Hasselskog의 원래 비전에 부합하게, Seven의 효율성은 따라잡기 어렵습니다. 동급 가스 동력 플래닝 보트보다 4~5배 더 에너지 효율적이며 화학 에너지의 90%를 기계 에너지로 변환합니다. 또한 Candela에 따르면 Seven의 소유 비용은 가스 동력 플래닝 보트보다 95% 적습니다.

회사는 Seven에 대한 190건의 주문을 보유하고 있으며, 2020년에 40대를 조립할 것으로 예상합니다. Hasselskog에 따르면 현재 Candela는 보트 설계자와 조립자 역할만 합니다. 복합 구조물 제작은 제3자가 수행하지만, 제조 공정 최적화와 궁극적으로 회사의 탄소 발자국 감소를 위해 해당 작업을 내재화할 수 있다고 합니다. "비용을 낮춰야 하고, 그건 더 효율적으로 제조하는 것을 의미합니다."라고 Hasselskog는 말합니다. "아직 그곳에 도달하진 않았지만, 올바른 방향으로 가고 있습니다."