船帆的作用(帆船帆的作用是什么)

自从Sailrocket创造了世界上最快帆船的新纪录以来，将近十年过去了。现在有两个团队希望用他们的激进设计创造新的速度记录。

2012年11月24日，澳大利亚水手保罗·拉森(Paul Larsen)和他的Sailrocket团队改写了我们对航海物理的认识。当他们创造了世界上最快帆船的新纪录时，他们的名字在记录簿上留下了不可磨灭的印记。

保罗·拉森和他身后的破纪录帆船

当时，一个多星期前，在纳米比亚海岸一个叫沃尔维斯湾的地方，“Sailrocket 2”将帆船的航行速度纪录提高了最大的差距——从55.65节提高到59.23节。然而24号的表现超出了所有人的预期。风平浪静的一天，它以平均65.45节的速度正式成为世界上最快的帆船。

这是一项非凡的人类成就，以以前认为不可能的速度驾驶帆船航行500米。“你的工作是100%完成这项任务，不要半途而废，”保罗·拉森在差不多十年后说。“当你有一个庞大的团队，项目的所有动力都在进行的时候，你最大的担心就是进度不够快。”

世界上最快帆船的成长

为了将Sailrocket2的性能放入上下文中，我们需要考虑帆船速度记录的轨迹。它始于1972年，当时蒂姆·科尔曼和他的“弩”创造了第一个26.30节的记录。

“十字弓”

1973年10月10日，在韦茅斯举行的世界帆船速度系列赛中，弩创下了29.2节的世界纪录。

1993年黄页:frederick clement/dppi media/alamy

到1993年，“黄页”将这一速度一路提高到46.52节——平均每年提高近1节。但后来发生了一些变化，进步停滞了十几年。帆板和风筝冲浪者最终提高了他们的速度，直到16年后，另一艘帆船，阿兰·波特的水翼船“L & # 39Hydroptère”创造了新纪录。甚至比《黄页》还快5节。

认为帆船的速度正在达到一个上限，这个上限是由空的熔点定义的物理极限。如果你曾经在高海拔地区泡过一杯茶，那么你就会知道沸点随着压力的变化而变化。压力越低，水沸腾所需的温度就越低。所以在珠穆朗玛峰顶，水的沸点大约是68℃。

帆或水翼的背风面也有低压。由于一侧和另一侧之间的压力差，水翼提供了升力。当水翼试图平衡压力时，就会产生不同的力。

“L & # 39Hydroptère”打破了2009年的记录。摄影:克里斯托夫·劳奈

如果水翼的速度足够快，那么背风压力将下降到足以使水开始“沸腾”或蒸发的水平。当平稳的流动变得混乱时，就会造成升力损失和不稳定性。气泡会顺着水翼流向压力较高的区域，并在那里崩溃。

正是因为这个速度限制，我们才能看到美洲杯和SailGP游艇的速度已经到了极限。一旦速度达到50节以上，为尽可能长时间抑制空融化而设计的水翼艇最终开始融化空，帆船无法再快了。

为了克服这一点，需要一种完全不同类型的水翼。这个水翼艇不是想消灭空，而是想稳住它。这就是Sailrocket 2的65节速度的秘密。拉森说，“在Aerotrope和Chris Hornzee Jones的大力帮助下，我们最终决定了一个非常优秀的水翼艇设计。克里斯在项目的幕后工作做得非常出色，包括设计最终的水翼艇。”

研究小组意识到，为了抑制和避免空，水翼不需要太薄。相反，他们可以鼓励它，然后用水翼推动它通过空熔点，使它以稳定的方式形成空熔点。

拉森解释说:“打个小快艇的比方，就像当你穿过那个驼峰时，船首有一种飞行状态。我们都知道，当水流从船的后部分开时，你不会希望你的船尾在后部受到这么大的阻力时嘎嘎作响。”

目前的速度纪录保持者保罗·拉森驾驶着Vestas Sailrocket 2。

同理，Sailrocket 2的水翼可以在空前期摆脱湍流和阻力流，当空气体从表面吸出时，可以在水翼周围形成光滑的气泡。拉森称之为基本通风水翼艇，有时也被称为超级通风水翼艇。

他解释说，“所以你最终得到的是这些弧度很浅、底部通风的水翼。他们效率不高，但没有极限。”。“他们一直在工作。就像喷气式战斗机的翅膀。它们的效率很低，但如果你在它们后面放一个巨型喷气式发动机，它们会一直前进，直到水翼艇达到最大飞行高度。”

共线力

喷气发动机是问题的另一部分。如何从翼帆产生足够的能量，将效率极低的水翼船推进到产生空所需的速度，然后突破障碍？

答案就在几十年前的一个想法里——共同势力线。在传统帆船中，无论是小舢板、多体帆船还是单体帆船，船帆产生的空空气动力都在推动船前进，推动船体侧翻。

这个力被水动力和水翼在水中的重量(船员或龙骨的重量)所抵抗。这两个力作用在离风帆形成相反杠杆的作用中心一定距离处，质量力和水动力升力与风帆(或翼帆)产生的空气动力相反。

为了利用这些力产生推进力，需要具有相称的尺寸和强度的结构。因此，为了跑得更快，需要更大的力和/或更轻的总重量，但也需要更强的结构。70年代、80年代、90年代大幅度提高速度的，是材料强度和重量特性的大幅度提高。

利用共线力达到惊人的速度。

但还有另一种方法:抵消力量并进行调整。“因此，[你]有空气动力的作用中心，即帆或翼帆，它与水翼的反作用力直接共线，”拉森解释道。换句话说，通过使来自帆的力与来自水翼的力直接相反来移除操纵杆。

“我们没有提出这个概念，这是伯纳德·史密斯在20世纪60年代写在他的书《40节帆船》中的，”拉森补充道。史密斯的洞察力远远领先于他的时代，以至于他们花了近五年的时间才在Sailrocket 2的记录中完全实现。

Sailrocket 2通过安装在背风船体上的帆翼实现了力的共线性，帆翼在背风船体上倾斜了30°。它产生的力推动船只前进，并试图将迎风的船体托出水面。

这个力被迎风船体下的水翼所抵抗。所以水翼艇是被拉下来而不是被推上去的。这是Sailrocket 2和美洲杯或SailGP使用的水翼艇型的关键区别。在那些帆船上，是逆风翼对船帆的作用力，也是将整艘船托出水面的力量。

这两个突破性的想法——力共享和超通风水翼艇——以及“没有勇气就没有荣耀”的态度，让拉森和他的Sailrocket 2团队超过了65节，这个纪录保持了近十年。但是这个记录是时候被打破了吗？

拉森说，“我认为我们在这个问题上停留的时间够长了。现在是挑战它的时候了。”“有一段时间，我非常保护它，我为此感到自豪。我想在王位上多待一会儿。但现在我想看看其他人能做些什么，看看他们的解决方案可能是什么。我想看看这是否足以激励自己重返赛场！”

新的最快帆船挑战者

在挑战Sailrocket团队的记录方面将面临巨大的挑战，它们都将在今年晚些时候或2023年初下水。Syroco项目之一是由Alex Caizergues开发的，他是第一个以超过100公里/小时的速度在水上航行的人。他的风筝板保持了两次航行速度的记录。另一个是SP80项目，来自瑞士工程学院EPFL洛桑联邦理工学院。

风帆驱动的SP80挑战赛使用超级通风的水翼，穿透水面。

两个团队都在使用拉森确立的原则，都认为自己不仅会打破记录，还会创造新的记录。Syroco的目标是150公里/小时，即惊人的80.99节。SP80也在追80节关口。

“事实上，我喜欢这两个项目的目标，”拉森说。"他们肯定是在使用力的共线性概念."SP80和Syroco团队都将使用风筝帆，它们的空空气动力将与来自水翼的水动力共线。这可以在相对较轻的结构上产生巨大的驱动力。他们需要所有能得到的能量来推动空熔点。

SP80项目也使用了类似Sailrocket的超级通风透水水翼艇。SP80的三位创始人之一贝诺特·高迪奥特(benot Gaudiot)表示，“‘维斯塔斯风帆火箭’和保罗·拉森(Paul Larsen)及其团队所做的工作是我们开发这艘船的主要灵感。”

SP80

自2017年以来，他们提出了各种想法，为风筝板制作超级通风鳍。高迪奥特是一名经验丰富的风筝板水手，他很快将速度提高到41节。但是他们需要一种不同的方式来打破记录。

“船体无法承受超过60节的动力，”高迪奥特说。

SP80的联合创始人Xavier Lepercq、Mayeul van den Broek和benot Gaudiot

另一位创始人Xavier Lepercq建立了一个模拟工具，并开始开发设计。他们想出了一个由风筝帆驱动的三体船，它的共线力由一个穿透水面的水翼来平衡。

这个计划制定出来后，团队迅速壮大，EPFL承诺提供支持和赞助。“在这个团队中，我们有6名全职员工和近40名来自EPFL的学生，”团队的项目经理Mayeul van den Broek解释说。他们于2020年在日内瓦湖测试了一个原型，并于2021年6月开始在Persico Marine建造全尺寸船体。

SP80团队的一些成员

过渡到风筝帆意味着两队面临的最大挑战是控制——精确平衡空气动力和水动力。SP80用他们所谓的“动力模块”解决了这个问题。“这背后的想法是为了平衡权力。我们设计这艘船的方式，主要是为了实现稳定性，”高迪奥特说。

动力模块的确切机制是保密的，但可以在船尾的可视化和动画中看到。它提供了风筝帆和水翼之间的直接连接，并且似乎根据来自风筝帆的力矢量来“修整”水翼。水翼的形状及其与动力模块的连接是飞机飞行稳定性的关键。

瑞士SP80团队一直在日内瓦湖测试其原型。

高迪奥特说，“它完全是机械的，可以自己调节平衡。”“对于驾驶员来说，控制非常简单。我不需要控制高度，船的升降高度，只需要控制方向。以及风筝帆的力量。”风筝与驾驶舱相连，由手控制，而船的方向将由脚控制。

SP80团队计划在2023年初从法国南部的一个基地挑战这一纪录，拉森对此充满期待。“我觉得SP80是更实用的方案，在实用性上做了妥协。而且我觉得我可以多了解一下这个问题。我觉得SP80可能更接近出成绩。我想看看风筝帆将如何对抗[Sailrocket]帆，因为从历史上看，帆的速度更快。”

sp80效果演示

在水上飞。

想要打破瑞士盛宴的是法国公司Syroco project，该公司凭借其镀金证书打破了世界帆船速度纪录。联合创始人兼首席执行官Alex Caizergues已经在他的风筝板上保持了一项记录。

“自从保罗·拉森打破了帆船速度记录，我知道我们必须改变软件和在水上快速移动的方式。Caizergues回忆说:“我知道我必须组建一个团队来制造这种船。

Caizergues不仅是一名运动员，还是一名拥有创业经历的商学院毕业生。Syroco公司成立于2019年，有四位联合创始人，以及科技企业家和风险投资家的支持。

赛罗科飞行状态的渲染

他们想做的不仅仅是打破记录，更是围绕这个尝试建立一个科技企业。团队里大概有15个人在马赛工作。都是流体力学、结构、软件、数据分析方面的专家。

“我们的概念有点像& # 39；Sailrocket & # 39没有，”凯撒勒苟斯说。这个概念很简单；水翼艇会在水下“飞行”，它会被连接在上面飞行的风筝帆上的绳子空牵引。

悬挂在他们之间的是阿泰空舱，里面有司机亚历克斯·凯泽格和一名副驾驶。空气动力和水动力方向相反，几乎完美的代表了共线力驱动Sailrocket 2的概念。

它应该有最大的速度潜力，因为没有多余的。机舱Tai 空之所以有，是因为空空气动力和水动力的帆必须控制，力要由飞行员来平衡(不是自动)。

正在测试的原型Syroco由RIB拉动。

这是最难的部分，控制它，尤其是保持水翼在水中。Syroco的水翼不穿透水面。它在水面下运行，仅通过电缆连接到太空舱船体和风筝帆。

它不依赖于从表面拖曳空气体来稳定水翼周围的空编队。而是会依靠空在水翼周围制造出自己稳定的气泡——这叫super 空。当这种情况发生时，水就会像固体一样在气泡周围流动，只要空稳定，就可以显著提高水翼的性能。

问题是保持气泡完整。保罗·拉森(Paul Larsen)指出，该电缆在空中提供了通往超级空水翼的通道。“他们如何阻止空气体从地表吸入并破坏气泡才是真正的诀窍。这是一个非常需要解决的动态问题。看看他们的模拟在多大程度上符合他们将被束缚的现实，这将是很有趣的……”

最终飞机的控制机制仍在研究中，但他们已经测试了一个原型，由配备5米高桅杆的肋骨牵引，模拟风筝的力量。该团队希望完成最终设计，并在春天开始建设。

人为因素

当然，还有当天实施计划的问题。拉森回忆说，“如果你已经完成了数学和工程工作，并进行了彻底的研究，当你在重要的一天处于这门课程的顶端，而你不确定接下来会发生什么时，这会给你信心。”

风筝冲浪者和商人亚历克斯·凯泽格斯领导着Syroco项目。

“你知道它可能比你的最大风速范围略高，但所有的摄像头都在运行，无人机在空，所有人都拿着秒表在等待。这让你感到自信，说‘是的，我要完成它。’"

他说:“我发生过几次碰撞事故，如果我们再次使用‘Sailrocket’，那么安全性会更加突出。我不会再登上那艘船，以那样的速度前进。我们侥幸逃脱是因为我们不得不这样做。”

“安全对我们来说非常重要，”benot Gaudiot表示同意。他们建造了一个由凯夫拉尔纤维制成的驾驶舱来保护驾驶员，安装了六点式安全带和F1风格的座椅。高迪奥特将戴上一个装有氧气的头盔。如果头盔检测到水接触到面罩，氧气就会打开。“我可以在水里呆几分钟，让潜水员打开。”

“船的要害是水翼艇。如果水翼断裂，船就会起飞，”高迪奥特说。

他们对这个项目的热情是有感染力的，没有人希望飞船起飞。他们有一个拉森没有的优势，就是可以释放能源。“风筝帆只有几根线，你可以很快剪断它，”高迪奥特说。

“我认为这两个人(Caizergues和Gaudiot)，他们都有这种心态，”拉森说。“他们不会害怕自己正在做的事情，也不会被这艘飞船吓到。”

如果他们真的打破了保罗·拉森和他的团队保持了近十年的记录呢？

“我们已经为一个充满潜力的新世界打开了大门。所以我有点好奇这条路后面还会有什么。我们验证了一些概念，可以超越人们认为的空极限和速度极限。我们证明了你可以超越它。它们可以把你带到一个新的物理学水平。

“‘风帆火箭2号’完好无损地在那里。它被设计成可以永久使用...我们可以安装它，并在一两周内以65节的速度行驶。”如果他的记录被打破，他可能会重新开始。