„Prześcignąć wiatr”: tylko latanie – ale jakie?!

Odbywające się obecnie najważniejsze regaty światowego jachtingu wyczynowego (America’s Cup oraz Vendee Globe) wskazują jednoznacznie, w jakim kierunku podąża świat regatowy, a właściwie jaki jest trend w projektowaniu i konstruowaniu współczesnych jachtów. I chyba nie ma od niego odwrotu, choć na razie (z naciskiem na „na razie”) nie dotyczy to zwykłego cruisingu.

Tekst i rysunki Jerzy Pieśniewski

PRZECZYTAJ TAKŻE “Prześcignąć wiatr”: ile żagli, ile płetw?

Jeszcze kilka lat temu wydawało się, że kadłuby o kształcie żelazka z wychylnym kilem i balastem wodnym, zdwojonymi mieczami szybrowymi oraz podwójnymi urządzeniami sterowymi na długo zdominują regaty jachtów morskich (rys. 1).

Wszystkie te rozwiązania, a zwłaszcza nowa koncepcja kadłuba i poprawa stateczności (wychylny kil, balast wodny) przydały jednostkom prędkości nieosiągalnych dla tych budowanych według poprzednich standardów. Nie było odwrotu od kadłubów o obrysie tzw. żelazka z charakterystycznymi szerokimi rufami, o płaskich jak deska podwodziach. U miłośników klasycznych linii kadłuba wzbudzają wprawdzie odruch wymiotny, lecz, niestety, tak musi wyglądać kadłub jachtu do żeglowania w ślizgu. Same nowe kształty jednak nic by nie pomogły, gdyby nie postęp technologiczny (kompozyty epoksydowo węglowe), który sprawił, że jachty morskie stały się odpowiednio lekkie, by mogły przekroczyć barierę prędkości w żegludze wypornościowej. Udowodniono to najpierw w klasach bezpokładowych jachtów regatowych, np. w słynnym skiffie 49er, w których ekstremalne wykorzystanie lekkości, mocy żagli (olbrzymi genaker) oraz stateczności pozwala załodze ścigać się z motorówkami.

Jeszcze cztery dziesięciolecia temu, żeglarze morscy mogli pomarzyć o takim żeglowaniu. Dziś jednokadłubowce ścigające się w regatach samotników bez problemu przekraczają nieosiągalną kiedyś barierę 20 węzłów.

Postęp z żeglarskiego poligonu

Rewolucja nastąpiła za sprawą najmniejszej morskiej klasy regatowej, czyli Mini Transat 6.50. Stała się bowiem swego rodzaju poligonem doświadczalnym do testowania innowacyjnych rozwiązań. To właśnie w regatach Mini Transat zastosowano po raz pierwszy takie patenty jak np. wychylny kil z bulbem, zdwojone stery i miecze czy też, ostatnio, rewolucyjne kształty kadłuba typu „ponton” zaprojektowanego przez Davida Raisona dla jego mini 6.50 o nazwie „747”. Jacht przypomina napompowanego optimista, tyle że z zaokrągloną dziobnicą (fot. 1). Taka koncepcja kadłuba dostosowana została z założenia do żeglugi w ślizgu.

Niemal wszystkie te patenty, łącznie z pontonowym kadłubem, trafiły szybko do większych morskich jachtów regatowych, jednakże z ograniczeniem tego ostatniego, gdyż stowarzyszenie regat oceanicznych IMOCA limituje „krągłość” części dziobowej kadłuba.

Ekspresowy pociąg postępu technicznego jednak nie zatrzymuje się na przystankach. Przedsmak nowości mieliśmy już w poprzednich regatach o Puchar Ameryki rozgrywanych na katamaranach, które przestały pływać a zaczęły latać nad wodą dzięki hydroskrzydłom. Ich pędniki też bardziej przypominały skrzydła samolotów aniżeli żagle: nie dość, że sztywne, to jeszcze dzielone na osobno trymowane segmenty. Do podnoszenia i opuszczania hydroskrzydeł (rys. 2) trzeba jednak było użyć sporej mocy, zgodnie z przepisami PA generowanej wyłącznie przez załogę. Jeden z zespołów zamiast grinderów (młynkowych) wytwarzających ciśnienie dla siłowników zwerbował do tego celu zawodowych kolarzy.

Nienowy pomysł w nowej formie

Kształty i obrysy hydroskrzydeł zwanych z angielska foilami nie przypominały tych znanych z wcześniejszych wersji. Integrowały bowiem w sobie dwie funkcje: wytwarzanie siły (rys. 2) hydrodynamicznej oraz przeciwdziałanie dryfowi. Samo hydroskrzydlo nie jest bowiem wynalazkiem ostatnich lat. Znane jest od prawie wieku i stosowane wcześniej w jednostkach motorowych, tzw. wodolotach. Dopiero jednak niesamowita wytrzymałość współczesnych materiałów (kompozyty epoksydowo-węglowe) pozwoliły na pełne wykorzystanie efektu wytworzenia siły nośnej generowanej przez profilowany płat poruszający się w wodzie do jednostek z napędem żaglowym. Wprawdzie już w latach 30. ubiegłego wieku twórcy katamaranu Monitor II zbudowanego w Ameryce z drewna z żaglami bawełnianymi dowiedli, że najszybciej żegluje się lecąc nad wodą, ale ich wyczyn przeszedł bez echa, choć rozpędzili katamaran do kosmicznej wówczas prędkości 30 węzłów. Uzyskano to dzięki oryginalnemu zestawowi hydroskrzydeł w układzie „piętrowym” (rys. 3). Eksperyment, jakkolwiek udany, nie wywołał rewolucji. Był jaskółką wiosny, która zjawiła się wiele dziesięcioleci później.

Katamarany wydawały się szczególnie predestynowane do wyposażenia w nowy „patent”. Początkowo, bo już w latach siedemdziesiątych, hydroskrzydła pełniły funkcję swoistego wspomaganie redukującego opór kadłuba Pierwsze próby m.in. słynnego francuskiego żeglarza Erica Tabarly zastosowane w trimaranie „Pen Duick VI” nie były zbyt udane, Dopiero później, gdy technologia dojrzała do zbudowania samonośnego wytrzymałego hydroskrzydła o odpowiednim profilu, osiągnięto efekt całkowitego uniesienia kadłuba nad wodę. Początkowo, największą popularnością spośród różnych systemów hydropłatów cieszył się ten w układzie „V” (rys.4).

Implementowany w trimaranie „l’Hydroptere” (fot. 3) – do niedawna rekordziście prędkości jednostek napędzanych żaglami – system w najprostszy sposób gwarantował automatyczną stabilność.

Żeglowanie „na jednej nodze” …

…, czyli na zawietrznym hydroskrzydle wymaga większej precyzji w nastawach kąta natarcia trymu wzdłużnego. Osiąga się to dzięki zastosowaniu statecznika poziomego na płetwie sterowej (rys. 5), który podobnie jak w samolocie poprzez wychylenie klap unosi lub opuszcza rufę jachtu, tym samym zmieniając kąt natarcia zintegrowanych z kadłubem hydroskrzydeł względem wody. Ten system „kontroli lotu” (flight control system) zastosowano już w innych mniejszych latających nad wodą jachtach, na przykład w klasie Moth. Wyróżnia się ona innowacyjnymi, dwuczęściowymi hydroskrzydłami zamocowanymi na końcu płetwy balastowej (mieczowej) i podobnie jak w samolocie czy szybowcu wymaga odpowiedniej „automatyki”.

Podobny system wykorzystano w jednokadłubowcach (czy to jeszcze jachty?) klasy AC 75 ścigających się aktualnie w 36. regatach o najsłynniejszy chyba kubek na świecie: o Puchar Ameryki. Różnica jest taka, że foile umieszczono na końcach podnoszonych lub opuszczanych wysięgników (fot. 4).

Hydropłaty te zresztą wyposażono, podobnie jak skrzydła samolotów, w klapy, czyli powierzchnie odchylane. Cel także identyczny jak w lotnictwie: odchylenie klapy w dół bardziej odchyla strugi wody, dzięki czemu rośnie siła hydrodynamiczna (rys. 6). W samolotach klapy oraz dodatkowo sloty (powierzchnie na krawędzi natarcia skrzydeł) wychyla się przy starcie i lądowaniu, by powiększyć siłę nośna przy mniejszych prędkościach, co pozwala skrócić start i lądowanie. W hydroskrzydłach odchylenie klapy przy słabym wietrze zwiększa siłę nośną utrzymującą kadłub nad wodą. Każde bowiem jego zanurzenie oznacza gwałtowne wyhamowanie do prędkości wypornościowych, do których te jednostki nie są projektowane. W jachtach wszystkich zespołów rywalizujących w regatach AC te tzw. foile mają obrys eliptyczny zakończony wingletami (rys. 6, fot. 4).

Daje to gwarancję redukcji tzw. oporu indukowanego, wynikającego z różnicy ciśnień na obu stronach tego podwodnego skrzydła. Generuje ona bowiem na jego końcach pochłaniające energię opływu wiry, zwane brzegowymi. Najmniej korzystny pod tym względem jest obrys najprostszy, czyli prostokątny.

Ale o tym, kto zdobędzie to bezcenne trofeum zdecyduje suma wszystkich niuansów w konstrukcji jachtów nie wspominając o decydującym czynniku ludzkim, czyli załodze. W następnym odcinku cyklu spróbuję odpowiedzieć, jak załoga amerykańskiego „Patriota” doprowadziła do jego „odlotu” i, w konsekwencji, niemal zatopienia wielu milionów dolarów. Czy ten czynnik w wydaniu jednoosobowym decydował też o wygranej w innych regatach, a mianowicie Vendee Globe Challenge – wyścigu samotnych żeglarzy dookoła świata non stop? Czy jachty z hydroskrzydłami miały przewagę już na starcie?

Bardziej szczegółowe informacje o hydroskrzydłach, oporze indukowanym i innych aspektach hydro- i aerodynamiki jachtów można znaleźć w mojej książce pt. „Szybciej niż wiatr” dostępnej przez Internet (Allegro oraz strona www.piesniewski.pl)