Artykuły
Belki WIngFoX Nano
Przy projektowaniu WingFoX Nano najwyższym priorytetem była maksymalizacja osiąganych prędkości, a więc po raz kolejny rozpoczęła się walka o sztywność platformy przy zachowaniu minimalnej masy.
I tu zaowocowało nasze doświadczenie zdobyte przy budowie masztów. Zaprojektowaliśmy zupełnie nowe belki, które charakteryzują się zmiennym profilem przekroju poprzecznego dostosowanym do działających na nie sił.
Choć przednia belka nie różni się zupełnie kształtem zewnętrznym od tylnej to są to zupełnie inne konstrukcje. Ułożenie i ilość włókien węglowych, tzw. plan laminowania, jest dla każdej belki inny, ponieważ przenoszą one zupełnie inne siły. Wykonujemy je oczywiście z prepregu węglowego i wypiekamy w autoklawie z zastosowaniem wysokiego ciśnienia.
Pomimo zmiennego przekroju poprzecznego belki dostosowanego do specyficznego rozkładu naprężeń, jej powierzchnia po rozwinięciu daję prostokąt, co umożliwia poprowadzenie nieprzerwanych włókien jednokierunkowych na całej długości belki.
Ma to podstawowe znaczenie dla jej sztywności poprzecznej. Dla porównania wytrzymałość na zrywanie dla włókien węglowych wynosi od 2700 do 3500 MPa, a wydłużenie do zerwania to odpowiednio 0,6 do 1,4 %. Dla typowej żywicy epoksydowej wytrzymałość na zrywanie wynosi około 80 MPa przy wydłużeniu do zerwania o wartości 5% ( 1 MPa= 1 N/mm2). Dlatego tak ważnym jest aby działające siły były przenoszone bezpośrednio przez włókna węglowe, a nie żywicę.
Kolejnym ważnym elementem jest wstępne naprężenie włókien węglowych przed etapem polimeryzacji żywicy. Wysokotemperaturowe wygrzewanie prepregu węglowego w autoklawie w specjalnej formie gwarantuje odpowiednie wstępne napięcie włókien. Dzięki tej technologii i zmiennemu przekrojowi belki uzyskaliśmy dużo wyższą sztywność, niż w przypadku zastosowania kołowego przekroju poprzecznego belki i użycia tradycyjnej formy.
Brak delfiniaka w WingFoX Nano jest oczywisty.
Właściwości użytych materiałów trzeba dokładnie znać już na etapie projektowania, aby można było skutecznie maksymalizować sztywność i wytrzymałość. Nie ma tu miejsca na ukrywanie bąbli powietrza i innych niedoskonałości pod grubą warstwą topkotu, jak to często ma miejsce przy zastosowaniu tradycyjnej technologii.
Odpowiedni kształt belek powoduje, że ich końce całkowicie chowają się w kadłubach, a jednocześnie same belki są prowadzone wysoko nad linią wody. Głębokie całkowite wklejenie belek w kadłuby maksymalizuje sztywność całej platformy.
Kadłuby Nano. Materiał i technologia wykonania.
Ostatni rok dobitnie pokazał że żeglarze korzystający z nowszych konstrukcji zaczęli osiągać bardzo dobre wyniki. Kadłub współczesnego A-cata jest konstrukcją w której nie wystarczy użyć najlepszych materiałów. Równie ważne jest aby użyć ich właściwie, tak, aby maksymalnie wykorzystać ich właściwości.
Zwykłe „mokre” laminowanie, czy użycie technologii vacuum już nie wystarcza. Należy zadbać oto aby najlepsze materiały zostały odpowiednio użyte i odpowiednio przetworzone.
Kadłuby WingFoX Nano są wykonane z wysoko temperaturowego epoksydowego prepregu węglowego. Dzięki wypiekaniu ich w autoklawie w temperaturze 140o C przy ciśnieniu 6 bar uzyskujemy nieosiągalny innymi metodami laminat o najwyższej jakości. Tylko kilku producentów na świecie dysponuje odpowiednio dużymi autoklawami aby zmieściły się w nich całe kadłuby łodzi. Nasz sześciometrowy autoklaw został specjalnie przygotowany do wypiekania całych kadłubów.
Jako przekładki użyliśmy aramidowy plaster miodu Nomex o grubości 10 mm. Nomex w połączeniu z prepregiem węglowym pozwala uzyskać niespotykaną sztywność konstrukcji przy zachowaniu minimalnej wagi. We wszystkich miejscach, które tego wymagają, kadłub jest specjalnie wzmacniany dodatkowymi warstwami włókien węglowych. Wzmocnienia dotyczą na przykład okolic skrzynki mieczowej, która jest zaprojektowana tak, aby mogła przenosić w całości generowaną siłę nośną.
Sztywność kadłuba jak i całej platformy jest podstawowym parametrem decydującym o szybkości katamaranu. Kadłub o niewystarczającej sztywności po uderzeniu bocznej fali w dzioby może wpadać w drgania. Powstający rezonans poprzeczny dziobów rozprasza znaczną część energii ruchu i powoduje gwałtowny wzrost oporów. Aby jeszcze bardziej zwiększyć sztywność dodatkowo wzmocniliśmy kadłub poprzez zastosowanie na jego powierzchni dodatkowej warstwy węglowych włókien jednokierunkowych.
Kadłuby pokryte są natryskowo bardzo twardym i odpornym na UV lakierem. Model kadłuba (kopyto) wykonany został w technologii frezowania CNC co zapewnia wysoką dokładność i symetrię wykonania sięgającą 0,1 mm. Frezowanie nastąpiło po zakończeniu laminowania i obejmowało cały kadłub jako jedną bryłę.
Na wysoką sztywność całej platformy składa się również głębokie osadzenie belek w kadłubie.
No i oczywiście konstrukcja samych belek ale o tym w następnym artykule.
Kadlub WingFoX Nano Ksztalt.
Projektując nowy kształt kadłuba, korzystaliśmy z doświadczeń zdobytych przy eksploatacji poprzedniej konstrukcji jak i doświadczeń innych zawodników korzystających z konstrukcji, które pojawiły się w ostatnim roku.
Kształt nowego kadłuba jest zupełnie zmieniony, jednak żeby dać obraz tych zmian użyjemy kilku porównań do poprzedniej konstrukcji.
Część dziobowa otrzymała większą smukłość i duży kąt pochylenia krawędzi natarcia. Górna część kadłuba w przestrzeni od dziobu do przedniej belki została „zaostrzona” tak, aby zmniejszyć do minimum opory pojawiające się podczas przebijania się przez wierzchołek fali.
Dennica w WingFoX Nano zaczyna się łagodnie wypłaszczać już przy przedniej belce i przechodzi w zupełnie płaską dennicę w okolicy rufy. Dennica w części rufowej jest szersza i opuszczona w dół o prawie 5 cm. Kadłub został przystosowany do szybkiego osiągania dużych prędkości i lepszej współpracy z zakrzywionymi mieczami.
Wszystko po to aby kadłub jak najszybciej wyszedł z wody.
Zmiana kształtu kadłuba i belek zaowocowała podniesieniem tylnej belki o około 10cm.
Pozycja przedniej belki została zmieniona i jest ona teraz przesunięta do tyłu względem poprzedniego położenia.
Pomimo zaprojektowania zupełnie nowego kształtu, nowy kadłub ma podobne parametry wypornościowe jak poprzednia konstrukcja. W stosunku do poprzedniego kadłuba WingFoX Nano ma o 5% mniejszą objętość i o 3,5% mniejsze pole powierzchni. Przednia i tylna belka jest głęboko wklejona w kadłub dzięki czemu pozostawia wolną przestrzeń pokładu dla balastującego zawodnika.
Położenie tylnej belki też zostało zmienione jest ona teraz przesunięta do tyłu tak aby zawodnik mógł wykorzystać do maksimum osiągi łodzi przy żegludze z wiatrem.
Szyna wózka grota została całkowicie zagłębiona w kadłub tak aby nie przeszkadzała przy wychodzeniu na trapez.
Położenie skrzynki mieczowej w związku z zastosowaniem zakrzywionych mieczy zostało zmienione, jest ona teraz przesunięta bardziej do przodu. Część pokładu znajdująca się pomiędzy belkami została tak zaprojektowana aby zapewniała jak najwydajniejsze balastowanie zawodnikowi znajdującemu się na trapezie bez konieczności „doklejania” do kadłuba dodatkowych elementów.
Kadłub został tak zaprojektowany aby nie stwarzał ograniczeń przy planowanym dalszym rozwoju nowej konstrukcji. Zastosowanie odpowiednich rozwiązań konstrukcyjnych umożliwia dowolną zmianę położenia belek jak i skrzynki mieczowej.
Prowadzimy w tej chwili prace nad nowym typem „ożaglowania”. W przypadku zastosowania żagloskrzydła zmianie ulegnie położenie środka ożaglowania, co będzie wymagało korekty położenia przedniej belki i położenia skrzynki mieczowej, aby zachować idealną neutralność łodzi.
WingFoX Nano został przygotowany do tych zmian już na etapie projektowania kształtu i zastosowanej technologii.
Miecze Nano. Profil.
Przy projektowaniu nowych mieczy główną uwagę skupiliśmy na doborze odpowiedniego profilu.
Biorąc pod uwagę fakt że miecze pracują głównie w warunkach nie ustalonego przepływu zdecydowaliśmy się zastosować sprawdzone profile, które przy niskich oporach w całym zakresie prędkości dają dużą sprawność i są bardzo odporne na zerwanie strugi.
W części „pionowej” miecza zastosowaliśmy profil symetryczny NACA 63-012, który zapewnia generowanie odpowiedniej siły bocznej zarówno w zakresie małych i dużych prędkości dając jednocześnie możliwość zachowania odpowiedniej sztywności.
W części noszącej profil ten płynnie przechodzi w niesymetryczny NACA 63-412. Przechodząc kolejno przez wszystkie pośrednie: NACA 63-112; NACA 63-212; NACA 63-312. Należy zwrócić uwagę na fakt iż profil ten jest zdolny do generowania odpowiedniej siły nośnej już przy trymie 0 stopni.
Zastosowany profil NACA 63-412 oprócz wysokiej sprawności potwierdzonej symulacjami komputerowymi sprawdza się również doskonale w dużych jak i w super lekkich jednostkach wyposażonych w hydroskrzydła. Wybór profilu NACA 63-412 jest idealnym konsensusem niskich oporów przy dużych prędkościach i generowania dużej siły nośnej w całym zakresie prędkości.
Miecze Nano. Ksztalt.
WingFoX Nano został wyposażony w płetwy mieczowe o zmiennej krzywiźnie i o zmiennym profilu.
Ponieważ przepisy klasowe ograniczają obszar, który możemy wykorzystać na generowanie siły nośnej do 40 cm kształt mieczy został zaprojektowany tak aby do maksimum wykorzystać to pole.
Geometria miecza została tak zaplanowana aby część wynosząca generowała siłę nośną nawet w momencie częściowego wysunięcia miecza.
Zastosowany w dolnej części miecza profil niesymetryczny generuje siłę nośną już przy trymie zerowym. Skrzynka mieczowa i umieszczone w niej elementy umożliwiają uzyskanie trymu miecza w zakresie +/- 5 stopni kąta natarcia dolnej części płata.
Miecze mają zwiększoną długość tak aby mogły pracować głębiej tam, gdzie panują bardziej stabilne warunki przepływu. W warstwie powierzchniowej mamy do czynienia z prądami wirowymi, rotacją mas wody, co powoduje spadek sprawności płata.
Zakładając generowanie przez miecz odpowiedniej siły nośnej zadbaliśmy o to, aby wyniesiony do góry miecz mógł nadal generować odpowiednią siłę oporu bocznego tak, aby łódź nie traciła tak ważnej przecież ostrości pływania na wiatr.
W przypadku mieczy o stałym promieniu krzywizny many do czynienia ze znaczną utratą bocznej powierzchni oporu co powoduje zwiększony dryf i uniemożliwia odpowiednio ostrą żeglugę. W skrajnym przypadku utrata ostrości może być nie do skompensowania przez większą prędkość.
Specjalna konstrukcja skrzynki mieczowej umożliwia bezproblemowe wsunięcie miecza z góry przy jednoczesnym zachowaniu ciasnego pasowania w każdej pozycji.