Kaksoisvesisuihkujärjestelmän suunnittelu maaefektialukseen

Abstract

Maaefektialukset toimivat vedenpinnan läheisyydessä aerodynaamista maaefektiä hyödyntäen, mutta niiden hallinta vedessä matalilla nopeuksilla sekä siirtymätilanteissa asettaa erityisiä vaatimuksia propulsio- ja ohjausjärjestelmälle. Tässä työssä suunniteltiin, toteutettiin ja arvioitiin AIRSHIP-hankkeen A1-maaefektialukseen tarkoitettu sähköinen kaksoisvesisuihkujärjestelmä, jonka tehtävänä on tuottaa sekä aluksen etenemiseen tarvittava työntövoima että matalien nopeuksien ohjaukseen tarvittava voimavektorin suuntaus. Työn tavoitteena oli toteuttaa järjestelmän mekatroninen prototyyppi, muodostaa sen toimintaa kuvaavat ohjaus- ja voimantuottomallit sekä arvioida järjestelmän suorituskykyä ja keskeisiä vikaantumistapoja kokeellisesti.

Työssä muodostettiin vesisuihkuyksikön työntövoimaa, suuntausta ja tehontarvetta kuvaavat yksinkertaistetut matemaattiset mallit, joiden perusteella rakennettiin hakutaulupohjainen ohjausratkaisu. Prototyyppijärjestelmä toteutettiin kahdella rinnakkaisella sähköisellä vesisuihkuyksiköllä, joita voidaan ohjata suihkukohtaisesti kierrosnopeuden, suuntaussuuttimen ja peruutuskauhan avulla.

Järjestelmää arvioitiin staattisissa moduulitason kokeissa. Suuntaussuutin mahdollisti voimavektorin hallitun poikkeuttamisen sivuttaissuuntaan. Kalibroidut työntövoima- ja suuntausmallit vastasivat mittausaineiston vasteen pääpiirteitä riittävällä tarkkuudella, minkä perusteella hakutaulupohjainen ohjaus on perusteltu ratkaisu eteenpäin suuntautuvaan voimantuottoon ja suuntausohjaukseen.

Peruutuskauhan osalta tulokset poikkesivat tavoitteista merkittävästi. Käytetty kauharatkaisu ei tuottanut hallittua peruutusvoimaa, vaan aiheutti vedenoton häiriintymisen ja epävakaan virtaustilan. FMEA-tarkastelun perusteella järjestelmän keskeiset riskit liittyvät vedenoton ja virtauksen häiriöihin, yksittäisten osajärjestelmien toimintakyvyn menetykseen sekä toimilaitteiden tai tilatiedon poikkeamiin. Tulosten perusteella sähköinen kaksoisvesisuihkujärjestelmä on teknisesti käyttökelpoinen pohja maaefektialuksen matalien nopeuksien propulsio- ja ohjausjärjestelmäksi, mutta lopullinen käyttöönotto edellyttää peruutuskauhan uudelleensuunnittelua, integroitua aluskokeilua sekä diagnostiikan ja vikatilanteiden jatkovalidointia.