距離“Sailrocket”号創下世界最快帆船的新紀錄已經過去了近十年。現在有兩個團隊希望用他們的激進設計創造新的速度紀錄。
在2012 年 11 月 24 日，澳洲水手保羅·拉森（Paul Larsen） 和他的 Sailrocket團隊改寫了我們對帆船實體學的了解，在他們創造了世界上最快帆船的新紀錄時，他們的名字在紀錄簿上留下了不可磨滅的印記。
保羅·拉森（Paul Larsen）和他身後的破紀錄帆船
彼時一個多星期前，在那密比亞海岸一個叫沃爾維斯灣的地方，“Sailrocket 2”号把帆船的航行速度紀錄提高了一個最大的差距——從55.65節提高到59.23節。然而，24日的表現超出了所有人的預期，在一個風平浪靜的日子裡，它以65.45節的平均速度正式成為世界上最快的帆船。
這是一項非凡的人類成就，駕駛一艘帆船在500米的航程中以以前認為不可能的速度航行。“你的工作就是100%地完成這項任務，沒有半途而廢，”保羅·拉森在差不多十年後稱。“當你擁有一支龐大的團隊，項目的所有動力都在進行時，你最大的擔心就是進展速度不夠快。”
世界上最快的帆船的增長
要将“Sailrocket2”号的表現放在上下文中，我們需要考慮帆船航行速度紀錄的軌迹。它始于 1972 年，當時 Tim Colman 和他的“Crossbow ” 号設定了 26.30 節的首開紀錄。
“Crossbow ” 号
1973 年 10 月 10 日 ，在韋茅斯舉行的世界航行速度系列比賽中，“Crossbow ” 号又創下了29.2節的世界紀錄。
1993年的“Yellow Pages”号 照片：Frederick Clement/DPPI Media/Alamy
到 1993 年，“Yellow Pages”号将這一速度一路提高到 46.52 節——平均每年提高近 1 節。但随後發生了一些變化，進展停滞了十多年。帆闆運動員和風筝沖浪者最終将速度提高，直到16年後另一艘帆船——Alain Thebault 的水翼帆船“ L'Hydroptère ”号創造了新的紀錄，它甚至比“Yellow Pages”号快 5 節。
人們認為帆船這種航行器的速度正在達到一個上限，這是一個由空化點定義的實體極限。如果你曾經在高海拔地區泡過一杯茶，那麼你就會知道沸點随壓力而變化。壓力越低，水沸騰所需的溫度就越低。是以，在珠穆朗瑪峰頂部，水的沸點約為 68°C。
帆翼或水翼的背風側也有低壓。由于一側和另一側之間的壓力差，水翼闆提供了升力。當水翼闆試圖平衡壓力時，不同的力就産生了。
“L'Hydroptère ”在 2009 年打破了紀錄。照片：Christophe Launay
如果水翼船的速度足夠快，那麼背風壓力就會下降到足以使水開始“沸騰”或氣化的程度。當平滑的流動變的混亂時，就會造成升力損失和不穩定，汽泡會沿着水翼闆向下流動到壓力較高的區域，并在那裡坍塌。
正是這一速度限制，我們看到美國杯和SailGP帆船賽賽船的速度達到了極限。一旦速度達到50節以上，設計用來盡可能長時間抑制空化的水翼闆最終開始空化，帆船就不能再更快了。
為了克服這一點，需要一種完全不同類型的水翼版，這種水翼闆不是試圖消除空化，而是試圖穩定它，這就是“Sailrocket 2”号65節速度的秘密。拉森說：“在Aerotrope和Chris Hornzee Jones等公司的大力幫助下，我們最終确定了一個非常出色的水翼設計。Chris在該項目的幕後做了非常出色的工作，包括設計最終的水翼闆。”
研究小組意識到，為了抑制和避免空化，水翼闆不需要太薄。相反，他們可以鼓勵它，然後用水翼闆将它推過空化點，使其以穩定的方式形成空化。
拉森解釋說：“做一個小快艇的類比，就像當你越過那個駝峰，船頭就有了飛行狀态。我們都知道，當水流從船的後部分離出來時，你不希望你的船尾在後面有那麼大的阻力而咯咯作響。”
目前速度紀錄保持者 Paul Larsen 駕駛者“Vestas Sailrocket 2” 号
以類似的方式，“Sailrocket 2”号的水翼闆能夠擺脫早期空化時的湍流和阻力流，當空氣從表面吸入時，它能在水翼闆周圍形成一個平穩的氣泡。拉森稱其為基礎通風水翼，有時也被稱為超級通風水翼。
他解釋說：“是以你最終得到的是這些非常淺的弧度、底部通風的水翼闆，它們效率不高，但沒有限制。”。“它們一直在工作。就像噴氣式戰鬥機的機翼。它們效率不高，但如果你把一台大型噴氣式發動機放在它們後面，它們就會繼續前進，直到水翼的最大飛行高度。”
力共線
噴氣發動機是問題的另一部分。如何從翼帆中産生足夠的能量，将效率極低的水翼船推進到産生空化所需的速度，然後沖破障礙?
答案在于一個幾十年前的想法——力共線。在傳統的帆船中，無論是小舢闆、多體船帆船還是單體帆船，船帆産生的空氣動力都在推動船隻前進，又能推動船體側翻。
這種力是由水中的水翼闆流體動力和重量(船員的體重或龍骨的重量)共同抵抗的。這兩種力作用在距離船帆的作用力中心一定距離的地方——形成相反的杠杆，品質力和水動力升力與帆(或翼帆)産生的空氣動力相反。
要使用這些力來産生推進力，就需要一種大小和強度相稱的結構。是以，為了跑得更快，需要更多的力和/或更輕的總重量，但也需要更堅固的結構。正是材料的強度和重量特性的巨大改進，才使得上世紀70年代、80年代和90年代的速度大幅提高。
利用力共線實作了驚人的速度
但還有另一種方式：通過抵消力量并調整它們。“是以，[你] 擁有空氣動力的作用中心，即帆或翼帆，與水翼闆的反作用力直接共線，”拉森解釋道。換言之，通過讓來自帆的力與來自水翼闆的力直接相反來移除操縱杆。
“我們沒有提出這個概念，這是伯納德·史密斯在 1960 年代在《40 節帆船》一書中所寫的，”拉森充道。史密斯的洞察力遠遠領先于他的時代，以至于他們花了将近 5 年的時間才在“Sailrocket 2” 号的紀錄中完全實作。
“Sailrocket 2”号通過安裝在背風船體上的一個帆翼實作了力共線，該帆翼在背風船體上傾斜了30°。它産生的力推動着船向前，并試圖将迎風的船體從水中提出來。
這股力量被迎風船體下方的水翼闆抵抗。是以水翼闆是往下拉而不是往上推。這是 “Sailrocket 2”号與美洲杯或 SailGP 中使用的水翼類型之間的關鍵差別。在那些帆船上，是背風水翼頂着船帆的力，它還将整艘船從水中擡起。
這兩個突破性的想法——力共線和超級通風的水翼——以及“沒有勇氣就沒有榮耀”的态度，使拉森和他的 Sailrocket 2 團隊超過了 65 節，這個紀錄已經保持了近十年。但是這個紀錄被打破的時候到了嗎?
拉森說:“我認為我們已經在這個問題上停留了足夠長的時間，現在是時候挑戰它了。”“有一段時間，我非常保護它，并為此感到自豪，想在那個寶座上多待一段時間。但現在我想看看其他人可以用它做什麼，看看他們的解決方案可能是什麼。我要看看這是否足以激勵我自己重返賽場!”
新的最快帆船挑戰者
挑戰 Sailrocket 團隊的紀錄将面臨很大的挑戰，它們都将在今年晚些時候或2023年年初下水。其中之一Syroco項目是由Alex Caizergues開發，他是第一個在水上以超過100公裡/小時的速度航行的人，他的風筝闆兩次保持了航行速度的紀錄。另一個是SP80項目，來自瑞士工程學院École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)。
風筝帆驅動的SP80挑戰賽使用超級通風的穿透水面的水翼闆
兩支隊伍都在使用拉森建立的原則，而且都認為他們不僅會打破紀錄，而且會創造新紀錄。Syroco的目标是150公裡/小時，即驚人的80.99節。SP80也在追趕80節屏障。
“我實際上很喜歡這兩個項目的目标，”拉森說。“他們肯定在使用力共線概念。” SP80 和 Syroco 團隊都将使用風筝帆，将其空氣動力與來自水翼闆的水動力共線。這可以在相對較輕的結構上産生巨大的驅動力。他們需要所有能得到的能量來推動空化點。
SP80項目也使用了一種像“Sailrocket”号那樣的超強通風、穿透水面的水翼闆。SP80的三位創始人之一Benoît Gaudiot說:“‘Vestas Sailrocket’ 号和保羅·拉森及其團隊所做的工作是我們開發這艘船的主要靈感來源。”
SP80
他們從2017年開始提出各種想法，為風筝闆制作超通風的鳍片。Gaudiot 是一位經驗豐富的速度風筝闆水手，他很快将速度提高到41節。但他們需要一種不同的方法來打破紀錄。
“船身無法承受超過60節的動力，”Gaudiot 說。
SP80 聯合創始人 Xavier Lepercq、Mayeul van den Broek 和 Benoît Gaudiot。
另一位創始人 Xavier Lepercq 建構了一個模拟工具，并開始開發設計。他們想出的是由風筝帆驅動的三體船，其共線力由穿透水面的水翼闆來平衡。
一旦制定了這個方案，這個團隊就迅速成長起來，EPFL承諾将提供支援和贊助商。“在這個團隊中，我們有6名全職員工和近40名來自EPFL的學生，”團隊的項目經理Mayeul van den Broek解釋說。他們于2020年在日内瓦湖測試了一個原型，并于2021年6月開始在Persico Marine公司建造全尺寸的船體。
SP80團隊部分成員
向風筝帆的過渡意味着兩支隊伍面臨的最大挑戰是控制——準确地平衡空氣動力和水動力。SP80 用他們所謂的“動力子產品”解決了這個問題。“這背後的想法是平衡力量。我們設計這艘船的方式，主要實作的是穩定性，”Gaudiot說。
動力子產品的确切機制是保密的，但在船尾的可視化和動畫中可以看到。它提供了風筝帆和水翼闆之間的直接聯系，并且似乎根據來自風筝帆的力矢量來“修剪”水翼闆。水翼闆的形狀和與動力子產品的連接配接是航行器飛行穩定性的關鍵。
瑞士 SP80 團隊一直在日内瓦湖上測試其原型
Gaudiot說：“它完全是機械的，完全可以自行調整平衡。”“對駕駛員來說，控制非常簡單。我不需要控制高度，船的提升高度，隻需要控制方向。還有風筝帆的力量。”風筝線連接配接到駕駛艙，用手控制，而船的方向将用腳控制。
SP80 團隊計劃在 2023 年初從法國南部的一個基地挑戰這一紀錄，拉森對此充滿期待。“我認為 SP80 是一個更實用的解決方案，在實用性上做出了妥協。而且我想我可以更深入地了解這個問題。我認為SP80可能更接近獲得結果。我想看看風筝帆會如何對抗 [Sailrocket] 帆翼，因為從曆史上看，帆翼更快。”
sp80效果示範
在水面上飛行
想要打破瑞士這場盛宴的是Syroco項目，這家法國公司憑借鍍金證書打破了世界航行速度紀錄。聯合創始人兼首席執行官 Alex Caizergues 已經在他的風筝闆上保持着紀錄。
“自從保羅·拉森打破了帆船速度紀錄後，我知道我們必須改變軟體和在水上快速前進的方法。我知道我必須在我周圍組建一支能夠制造這種船隻的團隊，”Caizergues 回憶道。
Caizergues不僅是一名運動員，他還是一名商學院畢業生，有過創業經曆。Syroco公司成立于2019年，有四位聯合創始人，并得到了科技企業家和風險投資家的支援。
Syroco飛行狀态的渲染圖
他們想做的不僅僅是打破紀錄，而是建立一個圍繞該嘗試的技術型企業。該團隊約有15人在馬賽工作，他們都是流體力學、結構、軟體和資料分析方面的專家。
“我們的概念有點像'Sailrocket' 号，”Caizergues 說。這個概念很簡單；水翼闆将在水下“飛行”，由連接配接到在其上方空中飛行的風筝帆的繩索牽引。
懸浮在兩者之間的是一個太空艙，裡面有駕駛員 Alex Caizergues 和一名副駕駛。空氣動力和流體動力互相對立，幾乎完美地代表了驅動“Sailrocket 2” 号的力共線概念。
它應該有最大的速度潛力，因為沒有多餘的東西。太空艙之是以在那裡，是因為空氣動力和水動力帆翼都必須被控制，而且作用力要由駕駛員來平衡(不是自動的)。
正在測試的 Syroco 原型由 RIB 牽引
這是最困難的部分，控制它，特别是把水翼闆保持在水中。Syroco的水翼不是穿透水面，它在水面下方運作，僅通過線纜連接配接到膠囊船體和風筝帆。
它不依賴于從表面拖曳空氣來穩定水翼闆周圍的空化。相反，它将依靠空化在水翼闆周圍創造自己的穩定的氣泡——這被稱為超空化。當這種情況發生時，水會像固體一樣繞着氣泡流動，隻要空化保持穩定，就能顯著提高水翼闆的性能。
問題是保持氣泡完好無損。保羅·拉森指出，線纜在空中提供了一條通往超空化水翼闆的通道。“他們将如何阻止空氣從表面吸入并破壞氣泡，這才是真正的訣竅。這是一個需要解決的非常動态的問題。看看他們的模拟在多大程度上符合他們将要束縛的現實将會很有趣……”
最終航行器的控制機制仍在研究中，但他們已經試飛一個原型，由一個裝有 5米高桅杆的 RIB 牽引，該桅杆模拟風筝的力量。該團隊希望緻力于最終設計，并在春季開始施工。
人為因素
當然，還有當天執行計劃的問題。拉森回憶說：“如果你已經完成了數學，工程工作，并做了徹底的研究，當你在某個重要的日子裡站上了這門課程的頂端，而你又不确定接下來會發生什麼時，這就會給你信心。”
風筝沖浪者兼商人 Alex Caizergues 上司 Syroco 項目
“你知道它可能略高于你的最高風速範圍，但所有的錄影機都在運轉，無人機在空中，每個人都拿着秒表在等待。這讓你有信心說：‘是的，我要去完成它。’”
他說：“我遇到過幾次撞擊事故，如果我們再次使用 ‘Sailrocket’号時，那麼安全性将更加突出。我不會再上那條船，再以那樣的速度前進。我們僥幸逃脫，因為我們不得不這樣做。”
“安全對我們來說真的很重要，”Benoît Gaudiot 表示同意。他們建造了一個凱夫拉爾纖維的駕駛艙來保護駕駛員，安裝了一個六點式安全帶和一個F1風格的座椅。Gaudiot 會戴上一個帶氧氣的頭盔，如果頭盔檢測到有水接觸到面罩，氧氣就會打開。“我可以在水裡呆上幾分鐘，讓潛水員來打開它。”
“船的關鍵點是水翼闆。如果水翼斷裂，船将會起飛，”Gaudiot說。
他們對這個項目的熱情是有感染力的，沒人想讓船起飛。他們有一個拉森沒有的優勢，那就是他們可以釋放能量源。“風筝帆隻有幾根線，你可以快速地剪斷它，”Gaudiot說。
“我認為這兩個人 [Caizergues 和 Gaudiot]，他們都有這種心态，”拉森說。“他們不會害怕他們正在做的事情，也不會被這飛船吓到。”
如果他們真的打破了保羅拉森和他的團隊擁有近十年的紀錄呢？
“我們打開了一個充滿潛力的全新世界的大門。是以我有點好奇，在這條路的後面還會有什麼。我們驗證了一些概念，這些概念可以超越人們所認為的空化極限和速度極限。我們證明了你可以超越它。它們可以把你帶到實體學的新水準。
“‘Sailrocket2’号完好無損地放在那裡。它被設計成可以永遠持續下去……我們可以在一兩個星期内把它安裝起來并以 65 節的速度行駛。”如果他的紀錄被打破，他很可能會再次出發。