„Prześcignąć wiatr”: latanie po oceanie

Pewne idee, pomysły i wynalazki rodzą się przedwcześnie i to niekiedy o kilka wieków przed realną możliwością wprowadzenia ich do powszechnego użytku. Dobrą tego egzemplifikacją są pomysły Leonarda da Vinci zrealizowane dopiero w XX wieku. Podobnie rzecz się ma z ideą pozbycia się oporu kadłuba przez wyniesienie go nad wodę za pomocą hydroskrzydeł. I w tym przypadku na przeszkodzie realizacji stanęła dostępna ówcześnie technologia…

Tekst Jerzy Pieśniewski
zdjęcia mat. pras. AC i VG

Jak zwykle inspiracji należy szukać w rozwijającym się w początkach XX wieku lotnictwie. Skoro można wytworzyć siłę nośną dzięki skrzydłom poruszającym się w powietrzu, to tym bardziej da się to zrobić w 800 razy gęstszym ośrodku, jakim jest woda, i to przy wielokrotnie mniejszej prędkości. Pierwsze pomysły tego rodzaju przeniesione na papier wyglądały dość pokracznie z perspektywy współczesnej wiedzy i nie doczekał się realizacji – tak jak projekt braci McIntyre (rys. 1). I to nie tylko dlatego, że ówczesne materiały nie dawały gwarancji budowy odpowiednio lekkiej jednostki, ale i z powodu niedostatków samego projektu.

Hydroskrzydła w układzie „V” przez nich zaproponowane wykazują się bowiem niewielką smukłością i zarazem dużą powierzchnią, a w konsekwencji, czego można się spodziewać, ich niską efektywnością przy sporych oporach. Samo ożaglowanie o tak mizernej powierzchni i smukłości wymagałoby sztormowego wiatru, by wytworzyć odpowiednią siłę napędową.

Kiedy można „latać”?

Te trzy podstawowe parametry: masa, efektywność hydroskrzydeł i siła napędowa decydują o tym, kiedy i czy w ogóle pojazd uniesie się nad wodę. Potwierdzają to szacunkowe symulacje oporów, jakie wykonałem dla jachtu o długości 6,5 m (Skippi 650 Racer) przy tej samej powierzchni hydroskrzydeł, ale o różnych wypornościach (rys. 2).

Wyniki zgadzają się z regułami obowiązującymi w innych dziedzinach techniki: lżejszy wariant okazuje się korzystniejszy. Nie tylko „startuje” do „lotu” przy mniejszej prędkości (krzywa oporów załamuje się wcześniej), lecz także żegluje szybciej przy identycznych oporach równoważonych przez siłę napędową. Problemy te częściowo rozwiązano parę dekad później w jachcie Monitor II na hydroskrzydłach w układzie piętrowym (fot. 1).

Ten eksperymentalny monomaran skonstruowany w USA przez Gordona Bakera już z uwzględnieniem powyższych uwarunkowań udowodnił, że „latanie” nad wodą na żaglach ma przyszłość – jednostka ta osiągała w testach nawet 30 węzłów. Trzeba jednak było wielu kolejnych dekad nieustannego doskonalenia konstrukcji hydropłatów i pędników z wykorzystaniem do ich budowy superwytrzymałych i lekkich materiałów (laminaty węglowo-epoksydowe), by jachty z hydroskrzydłami mogły bez awarii pokonać trasę regat non stop dookoła świata. Wciąż jednak przelot „nad” Oceanami pozostaje w sferze pobożnych życzeń i jeszcze trochę wody w rzekach upłynie do mórz i oceanów, zanim to nastąpi naprawdę.

Nie zrażają się tym dwaj wynalazcy z przeciwnych brzegów kanału La Manche: francuski projektant Guillaume Verdier i brytyjski inżynier Dan Bernasconi. Dzisiaj bowiem ich jachty „latają” niemal w pełni, choć na razie głównie na spokojnych wodach zatok, jak np. podczas 36. Regat o Puchar Ameryki w Auckland. Niekiedy nawet usiłują wystartować niczym samolot, wzlatując nad wodę jak amerykańska jednostka „American Magic” (fot. 2). Lot nie trwał długo i zakończył się wywrotką (nieuchronną, gdy jacht straci prędkość) oraz wieloma uszkodzeniami. Za wypadek odpowiada załoga i skiper, który podjął fatalną w skutkach decyzje – w porę nie zdołano zredukować za pomocą „flying control system” błyskawicznie rosnącej siły hydrodynamicznej na zawietrznym hydropłacie wskutek szkwału i gwałtownego przyspieszenia. Nie zadziałała automatyka regulująca wychylenie klap hydropłatów i statecznika poziomego na płetwie sterowej. Nie zredukowano też w porę kąta trymu grota.

Jak widać, nawet w regatach na płaskiej wodzie jeszcze nie uporano się do końca ze stabilizacją ruchu jachtu mimo zastosowania najwyższych dostępnych technologii. Można więc sobie wyobrazić, co by się działo na otwartych wodach, przy fali nie zawsze regularnej. Takie „wzloty”, jaki wykonał amerykański challenger, mogłyby mieć jeszcze groźniejsze konsekwencje.

Skrzydła wspomagające

I dlatego na razie nie można mówić o „lataniu” po oceanach na hydroskrzydłach, choć wciąż czynione są takie próby np. w klasach IMOCA 60 lub Mini 650. Bardziej adekwatne byłoby określenie „podpieranie się” hydropłatami podczas żeglowania. Wyrażając się ściślej, na razie można mówić o systemie dynamicznego wspomagania stateczności (w skrócie DWS), który wykorzystano w większości jachtów ścigających się w regatach samotników dookoła świata Vendee Globe Challenge (fot. 3).

Początkowo system ów miał ograniczone zastosowanie, głównie ze względu na komplikacje mechaniczne i w konsekwencji koszty jego implementacji. Należało bowiem zbudować w kadłubie poziomą, szczelną skrzynkę (rodzaj szuflady), w której umieszczono hydropłat wysuwany na zawietrzną burtę (rys. 4).

Skrzynka musiała być szczelna, a jednocześnie zawierać sterowany i napędzany z zewnątrz zespół rolek przemieszczających poziomy hydropłat z burty na burtę przy zmianie halsu. Siła dynamicznego wyporu wytwarzana przez tak wysuwane hydroskrzydło powiększała moment prostujący i zarazem zmniejszała powierzchnię zmoczoną kadłuba. Teoretycznie – same korzyści, gdyby nie komplikacje z mechaniką tego rodzaju dynamicznego wspomagania stateczności (w skrócie – DWS), przyprawiającą o ból głowy i suchoty portfela armatorów. O tym, jak technologicznie trudne to wyzwanie przekonał się Marian Bełbot, instalując ten system na jednym ze swych Bingo 930.

System DWS, jaki obecnie obowiązuje, choć nie pozbawiony wad, ma jednak tę przewagę, że czynna część hydroskrzydła pozostaje na zewnątrz jachtu. Nawietrzne hydroskrzydło, nieczynne na aktualnym halsie, przeważnie jest podnoszone obrotowo. Na dodatek jego ukształtowanie pozwala mu spełniać rolę powierzchni przeciwdryfowej, zastępując miecze (rys. 5).

Upraszcza to znacznie konstrukcję i obniża jej koszt, choć samo hydroskrzydło, by spełnić tę podwójną funkcje, powyginane prawie w „chiński paragraf”, wygląda jak rzeźba abstrakcyjna. W istocie jest dziełem nauki i sztuki inżynierskiej. Tego rodzaju koncepcja wygrywa z innymi rozwiązaniami ruchomych hydroskrzydeł również z koncepcją płatów wygiętych w łuk, wysuwanych ze skrzynek o takim samym kształcie (rys. 6). Opracowałem taki system przed kilku laty z zamiarem zainstalowania na Skippi 650, jednak projekt porzuciłem głównie ze względu na koszty.

Wyniki ostatnich regat Vendee Globe jednoznacznie wskazują projektantom i budowniczym kierunek rozwoju konstrukcji jednostek do regat morskich i oceanicznych. Nawet tak znakomici żeglarze jak Jean Le Cam startujący na konwencjonalnych ślizgowych jachtach nie mieli szans z konkurentami na identycznych przecież, ale „uskrzydlonych” jednostkach. Efekt wyporu dynamicznego na zawietrznym hydroskrzydle prowadzi do redukcji sumarycznego oporu, i to zarówno jego składnika falowego jak i tarcia. Jachty „podparte” hydropłatem, podczas żeglugi bajdewindem, stają się zdecydowanie smuklejsze w części podwodnej, niekiedy tylko ledwo muskając wodę częścią rufową, która częściowo pełni rolę stabilizatora kąta natarcia całości, a więc i hydropłata (rys. 6). A przecież im smuklejszy i mniej wypierający wody kadłub – tym mniejsze opory, zatem prędkość większa przy identycznej sile napędowej jaką generują żagle.

Nie ma więc odwrotu od „latania po oceanach”, mimo awaryjności nowych konstrukcji wynikającej głównie z większego ich potencjału jako trałowców śmieci oceanicznych. Stąd wiele awarii hydroskrzydeł w trakcie regat, nieuniknionych, gdyż oceany zaśmiecone są niczym jeziorko Czerniakowskie. Oczywiście, nie zniechęci to regatowców do podjęcia prób „latania” nad falami oceanów. Zapewne nie obędzie się bez wspomożenia się w tym dziele sztuczną inteligencją, tylko czy nadal będzie można to nazwać to żeglarstwem?

Zainteresowanych bliżej „lataniem” na hydroskrzydłach i innymi sposobami na szybkie żeglowanie polecam książkę mego autorstwa „Szybciej niż wiatr”, dostępną za pośrednictwem Allegro oraz mej strony internetowej www.piesniewski.pl