Vesipropulsiojärjestelmät vesilentokoneissa ja WIG-aluksissa : Vesipropulsion suunnittelukriteerit, tekninen tarkastelu sekä vesisuihkujärjestelmän implementointi WIG-alukseen

Abstract

Tässä kandidaatintyössä tutkitaan vesipropulsiojärjestelmien suunnittelua sekä soveltuvuutta erityisesti vesilentokoneisiin ja maaefektialuksiin (WIG). Työn tavoitteena on tunnistaa tekniset ja operatiiviset perusteet ja haasteet erillisten vesipropulsioratkaisujen hyödyntämiselle sekä kehittää suunnittelukriteerit, joiden avulla vesipropulsiojärjestelmien soveltuvuutta voidaan tapauskohtaisesti arvioida. Työssä tarkastellaan kirjallisuuteen pohjautuen muun muassa vesipropulsion aerodynaamisia ja hydrodynaamisia vaikutuksia, rakenteellista integraatiota, huollettavuutta, kestävyyttä sekä turvallisuus- ja ympäristönäkökohtia.

Työn ensimmäisessä osassa muodostetaan viisitoista suunnittelukriteeriä kattava arviointikehys, joka soveltuu vesipropulsiojärjestelmien alustavaan tarkasteluun erilaisissa konteksteissa. Kriteeristöä sovelletaan neljään esimerkkitapaukseen, joiden avulla havainnollistetaan ratkaisujen soveltuvuutta eri konetyypeille ja operatiivisiin tarpeisiin.

Työn toisessa osassa suunnitellaan ja toteutetaan muodostettuja suunnittelukriteerejä hyödyntäen lentoonlähdössä avustava vesisuihkupropulsiojärjestelmä Euroopan unionin rahoittaman AIRSHIP-hankkeen A0SV2 -maaefektialusprototyyppiin. Järjestelmä perustuu erilliseen vesisuihkuyksikköön, joka integroidaan modulaariseksi osaksi prototyypin runkorakennetta. Tekninen ratkaisu optimoidaan huomioiden sen aerodynaaminen vaikutus, rakenteellinen kiinnitys, modulaarisuus sekä huollettavuus. Järjestelmä validoidaan kokeellisesti simuloidussa koeympäristössä, jossa arvioidaan muun muassa työntövoimaa sekä järjestelmän yleistä toiminnallisuutta ja suorituskykyä.

Kokeellisen validoinnin perusteella järjestelmä täyttää sille asetetut suorituskykyvaatimukset ja muodostaa lähtökohdan suuremman A1-prototyyppiin soveltuvan vesisuihkujärjestelmän kehittämiselle. Tämän työn tulokset osoittavat, että erillinen vesipropulsio voi tietyissä käyttösovelluksissa parantaa vesilentokoneiden ja WIG-alusten suorituskykyä, hallittavuutta sekä turvallisuutta. Muodostettu suunnittelukriteeristö toimii käyttökelpoisena työkaluna erilaisten vesipropulsiojärjestelmien suunnitteluun vesilentokoneisiin sekä maaefektialuksiin tulevaisuudessa.

This bachelor’s thesis investigates the design and applicability of water propulsion systems, with a particular focus on seaplanes and Wing-In-Ground effect (WIG) vehicles. The objective is to identify the technical and operational foundations and challenges associated with implementing separate water propulsion solutions, and to develop a set of design criteria for evaluating the suitability of such systems on a case-by-case basis. The study is based upon literature and examines key aspects, such as the aerodynamic and hydrodynamic effects of water propulsion, structural integration, maintainability, durability, as well as safety and environmental considerations.

In the first part of the thesis, a framework of fifteen design criteria is established to support the preliminary assessment of water propulsion systems in various operational contexts. These criteria are then applied to four example cases to illustrate the applicability of different solutions to various aircraft configurations and use scenarios.

The second part of the thesis applies the developed criteria in the design and implementation of a waterjet propulsion system used to assist in takeoffs of the A0SV2 ground-effect prototype, developed for the EU-funded AIRSHIP project. The system is based on a separate waterjet unit, which is integrated as a modular component into the prototype’s fuselage. The technical solution is optimized with consideration for aerodynamic impact, structural attachment, modularity, and maintainability. The system is experimentally validated in a simulated testing environment, where key parameters such as thrust generation, operational functionality, and overall performance are evaluated.

Based on the experimental validation, the system meets the defined performance requirements and serves as the basis for developing a more powerful waterjet system for the larger A1 prototype. The results of this thesis demonstrate that separate water propulsion can enhance the performance, maneuverability, and safety of seaplanes and WIG vehicles. The developed design criteria offers a practical tool for the future design and assessment of water propulsion systems in these types of aircraft.