Prześcignąć wiatr: żagle na hydroskrzydłach?
Nowozelandczycy, tryumfatorzy ostatnich regat o Puchar Ameryki, ogłosili, że 36. edycja tej najstarszej na świecie imprezy sportowej i eliminacje do niej mają być rozgrywane jednak na jachtach jednokadłubowych. Wreszcie wracamy do żeglarstwa – powiedziałby ktoś, komu nie przypadło do gustu latanie nad wodą z prędkościami niewiele tylko mniejszymi niż dopuszczalne na drogach. Tradycjonalistów musimy zmartwić: jachty wprawdzie będą miały jeden kadłub, ale… z hydroskrzydłami.
Czy oznacza to, że wkraczamy w erę żagli na hydroskrzydłach, porzucając zasady żeglowania sformułowane przed ponad dwudziestoma wiekami przez Archimedesa? A więc latanie nad wodą zamiast unoszenia się na niej? Przyznajmy, ruch klasycznego jachtu nie jest ekonomiczny ze względu na opory, jakie stawia woda. Zdawano sobie z tego sprawę od dawna, ale dopiero przeszczepy patentów z lotnictwa pozwoliły na eksperymenty z lataniem nad wodą.
Ideał jachtu żaglowego?
Już w latach 30. ubiegłego wieku armia amerykańska testowała doświadczalny katamaran „Monitor II” wyposażony w podwodne skrzydła działające dokładnie jak skrzydła samolotu, tyle że w wodzie, a więc ośrodku osiemset razy gęstszym od powietrza. Wyposażono go w podobny do drabiny zestaw hydroskrzydeł na każdym z kadłubów (rys. 1), co pozwoliło na „automatyczną” regulację siły wyporu hydrodynamicznego, dostosowując ją do prędkości jednostki i siły wiatru. Większa siła przechylająca przegłębiała zawietrzną drabinkę, zwiększając sumaryczną powierzchnię skrzydeł, które generując dodatkową siłę hydrodynamiczną powiększały moment prostujący. Efekt, jak na ówczesne technologie (drewno, bawełniane żagle), był imponujący. Prędkość jachtu przekraczała 30 węzłów.
Monitor II zbliżył się do zaproponowanego kiedyś przez prof. Czesława Marchaja ideału jachtu żaglowego, który polega na całkowitej rezygnacji z kadłuba. Unika się wówczas szkodliwych oporów ruchu w wodzie, jak i tych wynikających z oddziaływania wiatru na kadłub. Redukcja jachtu do żagli i powierzchni przeciwdryfowej (rys. 2) jest kusząca, ale niezbyt realna. W końcu coś powinno wytwarzać moment prostujący.
Ten problem ze statecznością został przynajmniej częściowo rozwiązany w jachtach wielokadłubowych z hydroskrzydłami. Kadłuba, czy też kadłubów nie da się jednak całkowicie wyeliminować, ponieważ wypór hydrostatyczny jest niezbędny, aby jacht unosił się na wodzie i mógł rozwinąć prędkość, przy której siłą wytwarzana przez hydroskrzydła wyniesie go nad wodę. Wówczas z fazy pływania przechodzi do latania. Do niedawna sądzono, że tylko wielokadłubowce nadają się do tego celu, ze względu na swą naturalną lekkość konstrukcji i możliwość niesienia odpowiednio dużych żagli. Mozolnie dopracowano się też odpowiednich form hydropłatów. Porzucono eksperymenty z drabinkami jak w Monitorze, koncentrując się na ich konfiguracji w układzie „V” (rys. 3) jak w słynnym francuskim „l’Hydropter”. Ma on wiele zalet na czele z automatyczną kompensacją momentu przechylającego. Przyrost tego momentu powoduje przegłębienie zawietrznego hydroskrzydła powiększając jego powierzchnię czynną. Rośnie więc wypór hydrodynamiczny generujący moment prostujący, ustalając w ten sposób nowy stan równowagi.
Hydroskrzydła nie bez wad
Zbudowano wiele katamaranów i trimaranów z hydroskrzydłami w układzie „V”. Nie jest to jednak, mimo wielu zalet, rozwiązanie idealne. Hydroskrzydło poruszające się na granicy powietrza i wody podlega zjawisku wentylacji redukującej siłę wyporu hydrodynamicznego. Rzecz w tym, że przy dużych prędkościach, na grzbietowej stronie płata (foila) ciśnienie spada na tyle, że nie tylko obniża poziom wody, ale i zasysa powietrze. W efekcie jeszcze bardziej obniża to sprawność hydroskrzydła (rys. 4a).
Z wentylacją poradzono sobie, stosując coś w rodzaju płyt zaporowych na grzbietowej stronie płata, zapobiegających zasysaniu pęcherzyków powietrza (rys. 4b). Te kierownice strug likwidują wentylację, ale nie są w stanie zapobiec innemu szkodliwemu zjawisku powstającemu przy bardzo wysokich prędkościach ruchu płata w wodzie. Wówczas to, na grzbietowej jego stronie, wskutek gwałtownego spadku ciśnienia woda wrze, zamieniając się w parę. To zjawisko zwane kawitacją nie tylko rujnuje charakterystykę hydrodynamiczną, ale też może uszkadzać powierzchnię hydroskrzydła. Konstruktorzy ratują się przed tym, stosując specjalne profile antykawitacyjne.
Sterowanie lotem
Oczywiście to nie jedyne problemy. Rzadko kiedy żegluje się po spokojnej wodzie, a nawet i wówczas tor jachtu mógłby przypominać sinusoidę, gdyby nie „usterzenie poziome”. Dzięki czujnikowi śledzącemu odległość od powierzchni wody zmienia się kąt natarcia statecznika (odpowiednik płetw poziomych) zamocowanego na sterze bądź kąt klap deformujących profil hydroskrzydła jak w znanej klasie Moth (rys. 5). Jachty tej klasy zresztą najbardziej zbliżyły się do ideału prof. Czesława Marchaja. Wąziutki kadłub o masie zaledwie 30 kg ma tyle wyporności, by nie zatonąć pod ciężarem żeglarza. Moment prostujący wytwarzający przez sternika balastującego na wysięgniku wystarcza do utrzymania jachtu w pionie.
O próbach uskrzydlenia jachtów jednokadłubowych już tu wielokrotnie wspominaliśmy. Teoretycznie rzecz jest do wykonania, zwłaszcza z zastosowaniem układu hydroskrzydeł typu „V” (rys. 6). Takie wersje już testowano z powodzeniem. Trudno przewidzieć, na jaką koncepcję zdecydują się Nowozelandczycy, formułując przepisy kolejnych, 36. regat o słynny srebrny dzbanek. Z pewnością będzie to najnowocześniejsze rozwiązanie, na jakie pozwala technologia. I nie będą to jednostki dużo wolniejsze od latających katamaranów o napędzie pedałowym z Pucharu. Żeglarstwo gwałtownie przyśpieszyło i to w sensie dosłownym, ignorując tradycję opartą na starym tolerancyjnym prawie Archimedesa (panta rei – co ma gęstość mniejszą od wody). Czy rewolucja ta obejmie również żeglarstwo rekreacyjne? To pewne – choć nieprędko.
