先進複合材が革命的なフライングスピードボートを実現

輸送の世界的な電動化は、自動車、無人機、鉄道、船舶まであらゆる分野で、技術開発を支配する無数の力によって同時に可能にされ、また妨げられてもいます。これらの力には、急速に成熟しつつあるが重いバッテリー、時として適応の遅い政府の監督、重力と摩擦の原理、厳格な乗客安全要件、慎重な保険会社、軽量材料の不均一な開発などが含まれます。

それでも、材料、加工、ハードウェア、ソフトウェアの革新により、わずか数年前には想像もできなかった製品が可能になっています。その最良の例の一つが、Candela Boats（スウェーデン・リディンゴ）が製造する新型全電動・長距離・全複合材フォイルスピードボート「Seven」です。Sicomin Epoxy Systems（フランス・シャトーヌフ・レ・マルティーグ）が提供するレジンマトリックスソリューションを使用しています。

ここまでの道のり

Candela Boatsは2014年、CEOのGustav Hasselskog氏によって設立されました。技術者としての教育を受けつつ、以前はコンサルタントや消費者向け化学品市場で働いていました。自ら認める通り、Hasselskog氏は「企業の仕事に飽きてしまい」、より意義のある仕事を求めて2014年に企業勤めを辞め、その夏、ストックホルム周辺の群島にある自宅で家族と過ごしました。

「V8エンジン搭載の25フィートボートを持っていました」とHasselskog氏は振り返ります。「どこへ行くにも、ストックホルムへのボート移動が必要で、1回あたり少なくとも50ドルかかりました。『ボートにこんなにお金をかけるのはおかしい』と感じました。」Hasselskog氏は計算を始め、レジャーボートをより効率的にし、電動化するには何が必要かを考えました。「分かったのは、ボートをより効率的に、電動化するというテーマに取り組んだ人がいなかったということです。」

Hasselskog氏はレジャーマリン市場をさらに研究しました。バッテリーと電気推進技術を研究し、プラニングボート（滑走型ボート）に50海里以上の航続距離を与えるために必要なものを検討しました。これは妥当な目標だと考えていました。これまで、プラニング艇への全電動推進の適用は、ボートが克服しなければならない水面摩擦のため、動力不足と航続距離不足に悩まされてきました。さらに、プラニング艇で航続距離や動力を増やすにはバッテリーの追加が必要ですが、それは重量増加、ひいては抗力増加を招きます。要するに、Hasselskog氏は「プラニングボートをより効率的にすることは不可能だ。フォイル（水中翼）が唯一の道だ」と結論付けました。そこで家族の群島の別荘を売却し、2014年にCandela Boatsを設立しました。

フォイルは臆病者向けではない

フォイルの主な課題は、水面上ではなく水中を、そして水面の「上を」移動するボートの本質的な不安定性にあります。フォイル、より正確には水中翼は、ボート船体の底部に取り付けられた翼のような構造です。フォイルは進行方向に垂直に水を貫き、航空機の飛行と同じ原理で、一定速度で船体を完全に水面から浮き上がらせる十分な揚力を生み出します。船体摩擦はこうして排除され、フォイル抗力と空気抵抗のみが抵抗となります。

フォイルはさまざまな形状を取り得ますが、すべての場合、水を先端から通過する平面を提供する必要があります。航空機の翼と同様、フォイルの水中での迎角を調整して揚力を増減できます。フォイルはさまざまな水深で展開可能ですが、水深は効率に影響します。例えば、比較的浅い表面貫通型フォイルはより安定ですが効率は低く、深いフォイルはより効率的ですが不安定です。

いずれにせよ、水面から「飛行」することは、プラニングボートが水面で直面する環境とは全く異なる流体力学的環境を呈します。水面から離れフォイル上を走行すると、ボートは全く異なる振る舞いを示します。重量配分、旋回、風の抵抗、荒れた海面を慎重に管理する必要があります。

フォイル技術は100年以上の歴史がありますが、これまで主に大型レーシングヨットと一部の旅客フェリーで使用されてきました。フォイルレーシングヨットは通常、動的で高速なフォイル構造を管理する訓練を受けた大規模なクルーによって操縦されます。フォイルフェリーは、前述の通りより安定した表面貫通型フォイルを採用しています。

Hasselskog氏はスピードボートを可能な限り効率的にするため、深いフォイルを採用することを決めました。課題は、誰が操縦しても深いフォイルボートを容易に、シームレスに、安全に操作できるようにすることでした。そのためには前例のないフォイル制御システムの開発と、軽量であるだけでなくフォイル専用に設計されたボート構造が必要でした。

完璧なフォイルの構築

「Seven」は全長7.7m、全幅2.4m、重量1,300kg、定員6名です。2枚のフォイルを使用し、最大のものは船首から約2mの位置に展開されます。主フォイルの設計は比較的シンプルで、2本のストラットが船体を貫いて水中に伸び、直角に全長2.35m、幅200mm、厚さ25mmのフォイルに接続されています。フォイル（逆Π字型フォイルとも呼ばれる）は進行方向に垂直に配向されています。フォイルストラットはモーター駆動で上下動し、フォイルの昇降を行います。フォイル非使用時は船体にフラッシュに完全格納され、フォイル速度では最大550mmの深さまで展開されます。

船尾には第2の小型T字フォイルがあり、これが舵も兼ねています。55kWの電気モーターに接続され、舵内のドライブシャフトを駆動して舵端のプロペラを回転させます。モーターは船体最前部に配置された充電式バッテリーで駆動され、フォイル走行時のバランスを取ります。「Seven」は14〜15ノットでフォイル走行を開始、巡航速度22ノット、最高速度30ノット、航続距離50海里です。

Candela BoatsのプロダクトマネージャーTeodor Hällestrand氏によると、フォイルストラットとフォイルは炭素繊維/エポキシ複合材で、重要な設計エンジニアリング課題を提示しました。滑らかな走行に必要な制御を提供するため、Candelaは変化するボート状況に合わせてフォイルを調整できる必要がありました。これには高度に動的なセンサー/制御システムと、高応答性のフォイルが必要です。「フォイルは真っ直ぐですが、速度、ロール角、ピッチ角、ヨー角に応じて水中でねじれるようにしたかったのです」とHällestrand氏は言います。「ボートの姿勢を理解し、走行を可能な限り滑らかにするために向きを調整できます。」これは制御システムによって実現され、ストラットを動的に調整してフォイルの迎角を変更したり、特に旋回時にフォイルをねじったりします。

「フロントフォイルをねじるか、異なる迎角を与える必要があります」とHasselskog氏は言います。これらすべての動作は荷重下で起こるため、「ねじり剛性は低いが、曲げ剛性は高い材料が必要です。」結果として、「かなり精巧な積層計画」が生まれ、主に±45度の単方向（UD）炭素繊維テープを使用して必要な剛性と曲げ能力を提供しています。フォイルは複数のサプライヤーからの標準弾性率炭素繊維を使用し、Sicomin Epoxy Systems供給のSR1710エポキシレジンでインフュージョン成形されています。フォイルは室温硬化後、40℃でポストキュアされます。

普通ではない船体

「Seven」がプラニングボートの設計標準から最も大きく逸脱しているのは、船体です。設計とエンジニアリングの両面で顕著です。最も目立つのは、船首に標準的なV字型の波切り船体を持つものの、フロントフォイルから船尾にかけて船体がフラットになっていることです。Hasselskog氏はいくつかの理由を挙げます。

第一に、「波を切るためにV字形状が必要なだけです。」フォイル非使用時にはフォイルを保護します。第二に、船体の半分をフラットにすることで製造がシンプルになり、大幅な軽量化が可能です。第三に、フラットボトムにより桟橋での乗降時にボートが信じられないほど安定します。「バージ（平底船）のようです。」と同氏は言います。

しかし船体内部こそが、Candelaが「Seven」を構造的に健全にするだけでなく、効率的で比較的高レートな製造に適応させるために工夫した部分です。Hällestrand氏によると、船体は航空機胴体に近い設計で、ストリンガーとリブの格子を皮で覆った構造です。フォイルと同様、船体もインフュージョン成形で、同じUD炭素繊維とSR1710エポキシを使用し、SR1710で作られた複合材工具で製造されています。水面下の船体厚は3mm、水面上は2mmです。

Sicominの輸出マネージャーMarc Denjean氏によると、SR1710は「平均を大きく上回る機械的特性」を提供する高性能エポキシシステムです。Sicominはまた、金型内エポキシ高膜厚プライマーも提供しており、脱型時点で塗装準備完了状態になります。

ストリンガーとリブの製造では、Candelaは3mm厚のソリッドラミネート炭素繊維/エポキシインフュージョンパネルから始め、船体内での配置場所に応じてCNC加工で形状を切り出します。船体構造（ストリンガーとリブ）を構築するには、これらの切り出し形状を組み立て、接着と機械的ファスナーで互いに、および船体に取り付けます。

このラミネート切断・組み立て設計/製造プロセスにより、Candela Boatsは船体構造をわずか40時間で構築できるとHasselskog氏は言います。また、金型修正に伴う費用と時間なしに、内部構造を設計変更に容易に適応させられます。「加工コードを変更するだけで、容易にスケールアップ、変更、新構造の構築が可能です。」

結論

Hasselskog氏の元々のビジョンに忠実に、「Seven」の効率性は並外れています。同クラスのガソリンエンジン搭載プラニングボートと比較して4〜5倍のエネルギー効率を達成し、化学エネルギーの90%を機械エネルギーに変換します。さらに、Candelaによると「Seven」の所有コストはガソリンプラニングボート比で95%削減されます。

同社は「Seven」の受注を190件抱え、2020年に40隻の組み立てを予定しています。Hasselskog氏によると、現在Candelaはボートの設計と組み立てのみを行っており、複合材構造の製造はサードパーティに委託していますが、製造プロセスの最適化と最終的なカーボンフットプリント削減を目指し、将来的には内製化も検討しています。「コストを下げなければなりません。つまり、より効率的に製造することです。まだそこまで到達していませんが、正しい方向に向かっています。」