Development of an Internally Actuated GFRP Rigid Wing Sail for an Autonomous Surface Vesse

• Main Author: Gauden, Sverre
• Other Authors: Echtermeyer, Andreas T.
• Format: Master Thesis
• Language: English
• Published: NTNU 2021
• Subjects: Nøkkelen; Sjøen; Orca
• Online Access: https://hdl.handle.net/11250/2787204

Autonome overflatefartøy vert stadig meir velfungerande og kan nyttast som verdifulle verktøy til innsamling av data i verdas store havområde. Skal dei operere over lang tid må fartøya vere sjølvforsynte med energi, og å nytte vind til framdrift er nøkkelen for å oppnå dette. Ved automatisert styring er rigide vingesegl betre eigna enn tradisjonell seglduk, men desse har vist seg å vere krevjande å byggje sterke og lette til ein fornuftig kostnad . Denne utfordinga er forsøkt handtert i denne oppgåva, som er ein del av Oceanographic Research Craft Autonomous ORCA prosjektet som har til hensikt å utvikle ein slik farkost. Eit rigid vingesegl av glassfiberforsterka plast GFRP har blitt utvikla og ein fullskala prototype er produsert ved hjelp av vakuumassistert resinstøyping VARTM. Vinga roterer ubegrensa rundt ei mast, ved hjelp av innvendig motor og drivverk. Overføringa skjer gjennom eit snekkegir som gjev tilstrekkeleg utveksling medan ingen straum krevst for å halde vinga fast i ein posisjon. På det opne havet kan vêrforholda bli ekstreme, og vinga er konstruert for å fungere i vind opp til 20 m/s. Gjennom komparativ testing opp mot ei karbonfibervinge med same storleik og profil, vart det kome fram til at denne glassfibervinga er mellom 1/2 og 1/3 så stiv og 36 % tyngre. Innsparinga i materialkostnader vil vere mellom 55 % og 75 %. Vinga lot seg aktuere under last opp til 140 Nm. Dimensjonerande last er 211 Nm, og testdata tyder på at dette vil bli nådd når den delvis dysfunksjonelle motoren bytes ut med ein ny. Prototypa er fungerande og klar til å samanføyast med skroget for testing på sjøen. Samanstillingstesting har vist at produktet er brukarvenleg, og ei detaljert samanstillingsrettleiing vil forsikre at personar som ikkje er kjende med vinga kan handtere henne. Autonomous surface vessels ASVs are growing in their capabilities and can serve as valuable tools in oceanographic data acquisition. For long term missions complete energy self sufficiency is key, and propulsion by wind is an excellent contributor to this. Rigid wing sails are much better suited for automated control than traditional fabric sails, but they have been difficult to build rigid and light at a reasonable cost. This challenge is targeted in this thesis, as part of the Oceanographic Research Craft Autonomous ORCA project which entails the development of such a vessel. A glass fibre reinforced polymer GFRP rigid wing sail has been developed and a full scale prototype manufactured by means of vacuum assisted resin transfer moulding VARTM. The wing sits on a fixed mast, and a drive unit situated within the wing facilitates unlimited rotation for enhanced manoeuvrability. The transmission through a worm and worm gear reducer allows the wing to maintain its position without any power consumption. Weather conditions in the open ocean are rough, and the wing has been designed to operate in 20 m/s winds. Through comparative testing against a carbon fibre reinforced polymer CFRP wing of equal external size and shape, it is found and concluded that this GFRP wing is between 1/2 and 1/3 as stiff with an added mass of 36 %. Material costs are reduced by between 55 % and 75 %. Actuation under loads up to 140 Nm is achieved during testing, but it is evident that with a replacement actuator the design load of 211 Nm will be reached. The prototype is left fully functional and ready to be mounted on the vessel hull for sea trials. Through assembly tests the design was shown to be user friendly, and a comprehensive assembly guide ensures that persons unfamiliar with the product may handle it.