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.

This work is focusing on a buoyancy system in anautonomous underwater vehicle, and the purpose is topresent a theoretical proposal on how the system indetail and in general can be changed to improve theaccessibility to its internal components and to make itmore robust. The largest part in this work is to simplify thehydraulic system, not only to make it more accessiblebut also to mitigate the risk of leakage due todifficulty of handling pipes and couplings. To reacha solution, interviews as well as litterature studieshas been made to identify specific problems. Thecollected data has then been discussed in order tocombine each specific solution to a final construction.The construction is presented with motivation, calculationsand 3Dmodels. The logical thoughts behind the finalconstruction are also presented for easy understanding ofthe choices being made. The design proposal differs from the earlier, two of themajor changes are that the old single direction the pump isreplaced with a new dual directional pump, and the valvemanifold is replaced with a single valve. In addition, allcomponents are now mounted in a chassis that can be easilylifted out from the hull, making the mounting and servicework on the system easier

Vid årsskiftet 2013-2014 lanserade Ocean Robotics International en undervattensfarkost med främsta syfte att filma och samla in data under ytan. För att farkosten ska kunna operera tyngdlöst i vattnet används ett flytmaterial vars utformning uppnår väldigt höga tillverkningskostnader. Därför finns det efterfrågan ifrån företaget att utveckla en farkost bättre anpassad för produktion, för att på så sätt möjliggöra minskade produktionskostnader.  Dessutom har företagets huvudsakliga kunder angett nya krav och önskemål på produkten, som kräver ett nytt utförande på farkosten för att uppnå kravuppfyllelse. Syftet med detta arbete är att göra en vidareutveckling av undervattensfarkosten som uppfyller nya krav och önskemål, samt är produktionsanpassad. Målet är att ta fram produktionsunderlag till den framtagna farkosten. Arbetet följde en generell, etablerad produktutvecklingsmodell av Ulrich och Eppinger (2008), som innefattade upprätthållande av en kravspecifikation, en konceptgeneringsfas med kombinerade strukturerade och fria metoder samt konceptval. Arbetsmodellen kompletterades med DFMA (Design for Manufacturing and Assembly); teori kring hur produkter kan tas fram för att anpassas för produktion. I arbetet undersöktes olika sätt att skapa flytkraft varvid de flesta tekniker bygger på principen inkapslad luft. På 3000 meters djup, som farkosten är utformad att operera på, är trycket ungefär 300 gånger atmosfärstrycket. Detta skapar problem för många sådana konstellationer på grund av den höga tryckskillnad som bildas mellan den inkapslade luften och det omgivande vattnet. Därför föll valet på syntaktiskt skum som företaget använder sedan tidigare, ett material med lägre densitet än vatten och som därmed avger flytkraft. Materialet är väl lämpat för avsett djup. Stabilitet i farkosten är ytterligare en faktor som är av viktigt att ta hänsyn till vid utformning, eftersom det starkt påverkar hur enkel den är att operera med. Rätt förutsättningar fås av när flytmaterial är väl utspritt i farkosten, stora avstånd mellan motorerna och farkostens form då en avlång konstruktion är att föredra. En långsmal farkost med avrundade kanter ger även fördelar i strömningsförmåga. Arbetet resulterade i ett koncept i detaljutförande och produktionsunderlag. För att uppfylla de nya kraven är farkosten större än föregående modell. Formerna på flytblocken är kraftigt förenklade för att på så sätt undvika maskinbearbetning som är en kostsam process. Där det är önskvärt med dubbelkrökta ytor har dessa istället skapats med hjälp av kåpa bestående av glasfiber, som tillverkas genom kompositlaminering som är en metod väl lämpad för att skapa organiska former. / At the turn of 2013-2014, Ocean Robotics International launched an underwater vehicle with the main purpose of filming and collecting data under the surface. In order to make the vehicle operate weightlessly in the water, buoyant material is used but unfortunately the manufacturing costs to produce the shape in this material is very high. Therefore, there is a request from the company to develop a vehicle which will enhance the manufacturing and expectantly reduce the production cost. In addition, the company's main customers have expressed new requirements of the product, which entail a new version of the vehicle in order to meet those requests. The purpose of this work is to make a further development of the underwater vehicle that meet the new demands and requirements, and is adapted for production. The goal is to provide production documentation for the developed vehicle. The work structure followed a general, established model of product development by Ulrich and Eppinger (2008), and included the maintenance of a requirements specification, concept generation including structured as well as unstructured methods and concept selection. The working model was complemented with DFMA (Design for Manufacturing and Assembly); theory regarding designing products suited for production. In the project an investigation was made of different ways to create buoyancy; most techniques are based on the principle of encapsulated air. The vehicle is designed to operate at the depth of 3000 meters under the surface of the water, where the pressure is approximately 300 times the atmospheric pressure.  This creates problems for several of such techniques due to the high pressure difference between the encapsulated air and the ambient water. Therefore, syntactic foam was chosen for the purpose which the company already uses, a material with a lower density than water which therefore creates buoyancy. The material is well suited for the intended depth. Stability of the vehicle is another factor that is important in design consideration, since it strongly influences the easiness of the operation. Right conditions are obtained by buoyant material well spread out around the vehicle, a large distance between the thrusters and furthermore an elongated form of the vehicle is preferable. A long and narrow vehicle with rounded edges also offers advantages in flow capacity. The work resulted in detail design of a concept and production documentation. To meet the new requirements, the vehicle is larger than the previous model. The shapes of the floating blocks are to a great extent simplified to avoid machining, which is a manufacturing process of high cost. Where it is desirable with double curved surfaces, bodywork of glass fiber is used, made by composite lamination – a method well suited for creating organic shapes.

<p>This master thesis work was done at Saab Underwater Systems AB, a company at the cutting edge of underwater technology. Here torpedoes and other underwater vehicles are developed and manufactured. The major customers are navies of different countries, mostly the Swedish navy. </p><p>The aim of this master thesis is to develop, construct and evaluate an automatic Trim System for Unmanned Underwater Vehicles. The task of the system is to change the position of the centre of mass and the vehicle’s total mass or volume. A system like this gives more opportunities like improved low speed properties, manoeuvre ability and energy consumption. </p><p>Different ways to make this change of total mass and position of centre of mass has been discussed and a choice has been done. A system of chosen concept has then been developed, constructed and evaluated. A part of big importance in this report is the work with simulations to predict the performance of the system and its behaviour. Other big parts has been to find suiting components and to develop the control electronics of the system.</p>

This master thesis work was done at Saab Underwater Systems AB, a company at the cutting edge of underwater technology. Here torpedoes and other underwater vehicles are developed and manufactured. The major customers are navies of different countries, mostly the Swedish navy. The aim of this master thesis is to develop, construct and evaluate an automatic Trim System for Unmanned Underwater Vehicles. The task of the system is to change the position of the centre of mass and the vehicle’s total mass or volume. A system like this gives more opportunities like improved low speed properties, manoeuvre ability and energy consumption. Different ways to make this change of total mass and position of centre of mass has been discussed and a choice has been done. A system of chosen concept has then been developed, constructed and evaluated. A part of big importance in this report is the work with simulations to predict the performance of the system and its behaviour. Other big parts has been to find suiting components and to develop the control electronics of the system.

Det här arbetet omfattar en produktutveckling av ett mekaniskt manövreringssystem för en dykgruppbåt. Farkosten är en typ av ubåt som används av dykare för transport ovan och under vattnet. Till skillnad från en konventionell ubåt sitter dykarna i dykgruppbåten i klädda dykarutrustning eftersom den vattenfylls i samband med dykning. För att manövrera farkosten i ett mellanläge, precis i vattenytan, och i undervattensläge används bland annat ett mekaniskt manövreringssystem i form av två djuproder (ett på vardera sida) i fören. Syftet med det här projektet är att analysera de laster som uppstår på djuprodersystemet i samband med användande av farkosten och utifrån de analytiska lasterna dimensionera en del av systemets komponenter, då tidigare system visat sig haft möjligheter till förbättring. De komponenter som arbetet fokuserat på och dimensionerat är axeln som sammanbinder de båda rodren och möjliggör vridning av dessa, samt en brytmekanism. Brytmekanismens syfte är att i samband med eventuell överbelastning på djuprodren haverera och på så vis skydda andra komplexare delar från haveri. Arbetet ledde fram till att systemet dimensionerades utefter användandet av farkosten. Där belastningen som systemet dimensionerades utifrån erhölls av ett approximativt körfall av farkosten där den framförs i 15 knop och samtidigt anträffar en våg som djuprodren skär genom.Genom användning av en mindre säkerhetsfaktor för brytmekanismen än för axeln har brytmekanismen kunnat demoniseras som den ”svagaste länken” i systemet och på så viss skydda komplexare komponenter i system ifrån oönskat haveri vid eventuell överbelastning.

Arbetet undersöker vilken militär nytta en obemannad autonom undervattensfarkost med syntetisk apertursonar tillför vid sökning efter sjöminor. Genom systemanalys jämförs obemannad autonom undervattensfarkost och syntetisk apertursonar mot ett referenssystem för minsökning som finns i försvarsmakten. Referenssystemet är en fjärrstyrd undervattensfarkost med minjaktsonar. Resultatet med arbetet redovisas som slutsatser och rekommendationer utifrån de grundläggande förmågorna; verkan, uthållighet, rörelse och skydd samt systemets effektivitet vid minsökning. / This thesis studies the military benefits of autonomous underwater vehicle equipped with synthetic aperture sonar conducting mine reconnaissance. The autonomous underwater vehicle and synthetic aperture sonar are compared through system analysis using a reference system within the Swedish Armed Forces. The reference system is a remote operated underwater vehicle with mine hunting sonar. The result is presented as conclusions and recommendations based on the basic capabilities; effect, mobility, endurance, protection as well as the theoretical effectiveness of the system conducting mine reconnaissance.

Detta arbete har utförts i samarbete med Saab Seaeye och rör deras undervattensfarkost Sabertooth. En lokal GPS (global positioning system) genererar en PPS-signal (pulse per second) som används till att synkronisera klockor runtom i farkosten. Om denna signal har för hög överlagrad störning så kommer inte enheter fungera önskvärt. Farkosten ska klara djup ner till 3000 m, varför elektroniken placeras tätt i en tryckbehållare, vilket leder till en störande miljö. Dessutom ska inte redan existerande delar av systemet störas ut om farkosten expanderas genom att koppla in fler enheter. Arbetets syfte var att hitta källan till störningar på PPS-signalen samt undersöka och verifiera metoder som skyddar mot dessa störningar. De metoder som har undersökts är differentiell signalering (RS-422), optoisolering samt buffersteg. De kabeltyper som har undersökts är koaxialkabel, tvinnade kablar utan skärm (UTP) och tvinnade kablar med skärm (STP) som jordas endast hos sändare eller hos både sändare och mottagare. Den störande miljön är fortfarande ett problem i farkosten, men genom användning av antingen koaxialkabeln eller STP så lyckades störningarna reduceras markant. Att även isolera kommunikationsenheten med resterande system och implementera kraftfulla drivkretsar ger möjligheten till expandering utan att påverka redan existerande enheter.

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.

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.