Examensarbetet utvärderar undervattensfarkosten Stursk som byggts av studenter på Linköpings universitet och förbättrar sedan ett flertal komponenter på farkosten, samt lämnar förslag på framtida förbättringar. Rapporten behandlar motorkapslingen, lyftpunkterna, strömbrytaren, elektroniken, tryckskrovet, varvtalsmätning, tryckgivare och viktigast av allt, granskar farkostens manövreringsförmåga närmare.

Avdelningen Marina System på Kungliga Tekniska Högskolan har designat och konstruerat en autonom undervattensfarkost (AUV). I dagsläget drivs farkosten drivs av ett litiumpolymerbatteri. Ett bränslecellssystem bestående utav PEM-bränslecellsstackar (Polymerelektrolytbränslecell), metallhydrid och trycksatt syrgas har designats för att byta ut det befintliga litiumpolymerbatteriet. För att få ett säkert system är det utrustat med vätgassensor, trycksensor, voltmätare samt temperatursensor. Eftersom både syrgas och vätgas måste medföras i farkosten, jämfört med landgående fordon som kan utnyttja syret från omgivande atmosfär, har olika bränslelagringsmetoder undersökts. För att lagra syrgas har trycksatt gas valts, denna lagras i en tank gjord av kolfiber och ett har ett tryck på 300 bar. Vätgasen väljs att lagras i en FeTi-metallhydrid på grund av dess volymmässiga fördel. Metallhydrid är en volymeffektiv men viktineffektiv lagringsmetod, vilket gör att den är perfekt till en undervattensfarkost. Metallhydriden förvaras i en tank gjord av aluminium. Eftersom bränslecellerna producerar vatten har olika sätt att fånga upp detta undersökts. Regenerad cellulosa (disktrasa) har hög absorptionsförmåga och har därför valts för systemet. De bränslecellesstackar som införskaffades har testats med hjälp av programvaran Labview. De presterade något under vad tillverkaren hävdade, något som antas bero på effektbehov hos kontroller och fläktar. Olika driftbetingelser har undersökts för att kunna använda bränslecellsstackarnas fulla potential. Det slutgiltiga systemet får ej plats i farkosten. En teoretisk studie för när bränsleceller blir mer volymeffektiva än batterier visar att för ett helt optimerat system går gränsen vid 3 liter, vilket motsvarar att 822 normalliter vätgas måste tas med. I framtiden skulle en kemisk lagringsmetod av syrgas vara att föredra, exempelvis väteperoxid. Metallhydrid är ett bra sätt att lagra vätgas men tankmaterialet skulle kunna vara exempelvis rostfritt stål istället för aluminium så att tanken blir mer volymeffektiv på grund av den högre brottgränsen hos stålet. Ett syrgasflöde till bränslecellen istället för ut i farkostens atmosfär skulle kunna öka verkningsgraden och därmed räckvidden.

Rapporten avhandlar en konceptstudie för omvandling av termisk energi till elektrisk samt mekanisk energi, i den autonoma undervattensfarkosten SAPPHIRES. Inledningsvis utreds vilka förväntningar och krav som finns på konceptet för energiomvandling samt om där finns någon publicerad litteratur som redan gjort ansträngningar för att lösa det aktuella problemet. Allmän teori kring värmemotorer och en bred, systematisk litteratursökning inkluderas även i det arbetet. Energiomvandlingen antas kunna ske enligt två fall kallade ”hög-prestanda” och ”låg/medel-prestanda”, vilka innebär att mekanisk samt elektrisk effekt, respektive endast elektrisk effekt ska kunna levereras av konceptet. De mekaniska samt elektriska effekterna ska, vidare, kunna levereras om maximalt 600, respektive 6 kW, och konceptet ska åtminstone kunna uppfylla ett av energiomvandlingsfallen. Den faktiska konceptstudien utgörs av två iterationer av konceptgenereringar, -utvärderingar och -val och de visar att ett koncept kallat ”Öppet system inspirerat av nukleär värmeframdrivning” förefaller vara det bästa sättet att omvandla termisk energi i SAPPHIRES. Därtill indikerar en mer detaljerad analys, bestående av bland annat matematisk modellering och konceptuell konstruktion, att konceptet möjligen skulle kunna uppfylla så kallad ”hög-prestanda” och sedermera leverera både mekanisk och elektrisk effekt om 600, respektive 6 kW. Mer specifikt visar en matematisk analys, med hjälp av vissa antaganden rörande konceptets funktion, att ett ”Öppet system inspirerat av nukleär värmeframdrivning” skulle kunna leverera en mekanisk effekt om 1025 kW samt en elektrisk effekt om 141 kW. En grov, konceptuell konstruktion bekräftar också att konceptets vitala, ingående komponenter faktiskt kan rymmas inom de specificerade dimensionskraven (en cylinderformad volym med en längd och diameter om 1,7, respektive 0,5 m.). Det står dock klart att de möjliga koncepten för energiomvandling kraftigt begränsas av deras möjligheter att leverera tillräcklig mekanisk effekt, för att uppnå ”hög-prestanda”. Om endast ”låg/medel-prestanda” ska uppfyllas tillåts fler av de möjliga koncepten och i ett sådant fall skulle faktorer som underhåll, miljöpåverkan och SAPPHIRES signatur kunna prioriteras i högre utsträckning. / The report discusses a concept study regarding the conversion of thermal energy into electrical and mechanical energy, in the autonomous underwater vehicle SAPPHIRES. First, the requirements and expectations regarding the concept of energy conversion are investigated and efforts are made to identify any published literature, which has already made attempts of solving the issue. General theory regarding heat engines and an extensive literature study are also included in this work. The energy conversion is assumed to perform according to two cases called "high-performance" and "low/medium-performance", meaning mechanical and electrical energy or electrical power should be delivered by the concept, respectively. More specifically, the mechanical and electrical powers should be delivered of a maximum of 600 and 6 kW, respectively and the concept should at least fulfill one of the performance settings. The actual concept study comprises of two iterations of concept generations, evaluations and selections and shows that a concept called "Open system inspired by nuclear thermal propulsion" seems to be the best way of converting thermal energy on-board SAPPHIRES. Moreover, a more detailed analysis, comprising of, inter alia, mathematical modelling and conceptual design, indicates that the concept possibly can meet the so-called "high-performance" and thus, deliver both mechanical and electrical powers of 600 and 6 kW, respectively. More specifically, a mathematical analysis, based on some assumptions regarding the concept's functionality, shows that an "Open system inspired by nuclear thermal propulsion" could deliver a mechanical power of 1025 kW and an electrical power of 141 kW. Rough conceptual design also shows that the vital parts of the concept could fit within the specified maximal dimensions (a cylinder-shaped volume with a length and diameter of 1.7 and 0.5 m, respectively). However, it is clear the possible concepts of energy conversion are severely limited by their capacities of delivering enough mechanical energy, to meet the "high-performance" demands. Assuming only the "low/medium-performance" has to be met, more possible concepts becomes available and in that case, factors such as maintenance, environmental impact and signature of SAPPHIRES could be considered to a greater extent.