Trzeci wiek hydroskrzydeł

Autor:
Michał Stankiewicz

Co ma wspólnego telefon, lądowanie Apollo na księżycu i hydroskrzydła? Wymyśli je ci sami ludzie. XIX wieczny wynalazca Aleksander Bell, jako jeden z pierwszych zamontował hydroskrzydła na swojej łodzi, a Robert Gilruth, który wysłał 25 załogowych misji w kosmos jako pierwszy popłynął jachtem na foilach. Szturmujące dzisiaj regatowe żeglarstwo hydroskrzydło wkrótce będzie obchodzić swoje…  120 urodziny.

50 stopowy katamaran pędzi z prędkością blisko 50 węzłów. Na jednym z wiszących nad wodą pływaków widać sześcioosobową załogę. Za boją katamaran robi szybki zwrot. Skręt jest tak dynamiczny, że można odnieść wrażenie jakby robił go przy pomocy tajemniczego ręcznego hamulca. To jednak nie wszystko, po błyskawicznym zwrocie jednostka równie błyskawicznie nabiera prędkości, a jej dwa pływaki nieustannie unoszą się nad wodą. Po chwili przecina linię mety. Po wyścigu jednostka zwalnia, a jej kadłuby zniżają się niczym lądujący samolot, by po chwili osiąść na powierzchni wody. Tak wyglądały wyścigi tegorocznego finału Pucharu Ameryki, najsłynniejszej imprezie świata. Wszystko dzięki hydrofoilom, czyli zamontowanym w kadłubie specjalnym skrzydłom. Jacht unosząc się na nich niczym wodolot zmniejsza siłę oporu jaki daje kadłub, dzięki czemu uzyskuje znacznie większe prędkości.

Dzisiaj hydrofoile wdzierają się do coraz większej liczby klas. W zakończonych wiosną wokółziemskich Vendee Globe – miało je aż siedem jednostek. Latają na nich katamarany, są na kajtach, a nawet w… optymiście. Żeglarski świat oszalał na punkcie foili. Zajęło mu to blisko … 120 lat! 

Najpierw był śmigłowieci telefon

Choć słowo foil robi dzisiaj zawrotną karierę to jego historia zaczyna się jeszcze XIX wieku. I bynajmniej nie jest związana bezpośrednio z żeglarstwem, ale po prostu łodziami i lotnictwem. W epoce wielkich odkryć i wynalazków wielu uczonych łączyło te dziedziny. Jako pierwszego naukowca, który rozpoczął pracę nad tym czym dzisiaj znamy jako foil wskazuje się Enrico Forlaniniego, włoskiego wynalazcę. Ferlanini – jak każdy szanujący się wynalazca XIX wieku pracował nad wieloma projektami. W 1877 roku opracował wczesny helikopter napędzany silnikiem parowym. Pojazd wzbił się na 13 metrów i utrzymał w powietrzu 20 sekund. Włoch pracował też nad samolotami, a w 1898 roku rozpoczął prace nad hydrofoilami. Swoją pierwszą łódź ze skrzydłami, które przypominały drabinki wybudował w 1906 roku. Podczas testów na jeziorze Maggiore 60 - konny silnik umożliwił jego łodzi rozwinięcie prędkości 68 km/h. Kości zostały zatem rzucone. Pływanie na foliach stało się faktem.

Mniej więcej w tym samym czasie jeden z najsławniejszych Szkotów – Alexander Graham Bell, znany jako twórca telefonu - wymyślał swoje kolejne wynalazki. Oprócz sztandarowego swojego dzieła, czyli telefonu – Bell miał na koncie także 16 innych patentów związanych z telefonią, czy gramofonami. Wśród nich m.in. photophone, dosłownie tłumacząc – fototelefon. To telefon bezprzewodowy, który przekazywał dźwięk przy pomocy wiązki światła. Można więc uznać, że Bell był prekursorem także komunikacji światłowodowej. Genialny Szkot pochylał się też nad lotnictwem, a także hydroplanami. Gdy William E. Meacham zamieścił w Scientific American artykuł z opisem teorii wodolotów i wodnosamolotów Bell zainteresował się tematem. Razem ze swoim asystentem Frederickiem Baldwinem rozpoczął prace nad foilami. W międzyczasie obydwaj panowie wybrali się w podróż do Europy, gdzie odwiedzili Ferlaniniego i obejrzeli jego łódź. Po powrocie do Kanady rozpoczęli budowę własnego hydrofoila. W ten sposób w 1919 roku powstała HD4, zasilana slinikami Renault. 9 września 1919 roku łódź Bella i Balwdina, z zamontowanymi hydroskrzydłami uzyskała rekordową prędkość 114.04 km/h. Kariera foili zaczęła nabierać rozpędu.

Rakietą do ŚWinoujścia

W kolejnych latach coraz więcej naukowców rozpoczęło prace nad łodziami z użyciem foili. Pierwotnie wyglądające niczym metalowe drabinki urządzenia zaczęły nabierać różnych kształtów. Foili używano do łodzi mających bić rekordy prędkości. Rozwijano je też w branży przewozów pasażerskich, czyli po prostu wodolotów. Pierwszy komercyjny wodolot powstał w 1952 roku. Był dziełem firmy Supramar, należącej do niemieckiego inżyniera - Hansa von Schertela, który swoje badania nad hydrofoilami rozpoczął jeszcze podczas wojny. Wodolot PT 10 zabierał na pokład 32 pasażerów i płynął z prędkością 65 km/h. Szybko powstawały kolejne modele. Równolegle swoją działalność rozwijali inni producenci. W ZSRR pierwszym wodolotem była Raketa, produkowana od 1957 do wczesnych lat 70. Rakety trafiły także do Polski, na trasę Szczecin – Świnoujście i do Gdańska. Statki o długości 26,9 m, szerokości 5 m, zabierały 64 albo 66 pasażerów i rozwijały prędkość do 70 km/h. W Polsce pierwszy wodolot powstał w 1965 roku w Gdańsku. Nazywał się Zryw. Pływał na linii Szczecin – Świnoujściu, a potem w Gdańsku. Tak więc lecące na hydrofoilach statki stały się dość powszechnych widokiem. 

NajpierW foile, potem Apollo

Wobec tak powszechnych eksperymentów z foilami trudno się dziwić, że hydroskrzydła pojawiły się również w żeglarstwie. I to niezwykle szybko. Skoro jednym z ojców foila okazał się wynalazca telefonu to trudno się dziwić, że prekursorem użycia w żeglarstwie został facet, który wysłał człowieka na księżyc. Mowa o Robercie Gilruth. Ten amerykański uczony już w latach 30. rozpoczął pracę w laboratorium lotniczym NACA, poprzedniku NASA. W 1943 roku awansował na szefa badań lotnicznych. Sukcesy jego ekipy spowodowały, że został szefem nowopowołanej grupy zadaniowej ds. Przestrzeni kosmicznej w Langley. Gilruth współtworzył Centrum Kosmiczne w Houston i w 1961 roku stał się pierwszym szefem programu kosmicznego NASA. Osobiście doradzał prezydentowi Kennedy’emu, by wysłać ludzi w kosmos. W trakcie swojej kariery kierował 25 lotami załogowymi, łącznie z pierwszym lotem Iana Sheparda w 1961, lotem Apollo 11, czyli pierwszym lądowaniem na księżycu w 1969 roku czy dramatycznym ratowaniem Apollo 13 w 1970 roku. Do dzisiaj uznawany jest za ojca amerykańskiego programu kosmicznego. 

Gilruth zanim jednak wysłał ludzkość w kosmos, dał żeglarstwu foila. W 1938 roku zbudował 12 stopowy kataraman Catafoil. Zamontował w nim skrzydła. I poleciał. Po wojnie mimo obowiązków związanych z wysyłaniem kolejnych misji kosmicznych Gilruth nie zapomniał o żeglarstwie. Zbudował kolejny jacht, tym razem 15 metrowy trimaran.

W poszukiWaniu 20 tysięcy dolaróW

W latach 50. rolę pionierów przejęli jednak już inni. W 1954 Amerykanin Arthur Locke, producent katamaranów wykonał jeden prototyp z foilami. Nazwał go Skid. Jednym z najbardziej znanych projektów jest pionierska konstrukcja Gordona Bakera z 1955 roku. To Monitor, jednokadłubowiec wybudowany w Baker Manufacturing Company. Baker pracował przy wojskowych konstrukcjach i postanowił testować hydroskrzydła także na jachcie. Pierwsze testy łodzi odbyły się w październiku 1955 roku na jeziorze Mendola koło Winsconsin w USA. Jacht miał długość około 21 stóp i po bokach dwie drabinki wykonane z nierdzewnej stali. Trzecia była na rufie, służąc jednocześnie jako ster, a czwarta na dziobie. Początkowo Bakerowi udało się popłynąć z prędkością 25 węzłów, rok później już ponad 30, a wg niektórych źródeł - czasami pomiary wskazywały nawet 40 węzłów. 

W latach 60. o konstrukcji rozmawiał z nim David A. Keiper, również pionier foili.

- Na początku lat 60. usłyszałem o Monitorze i zadzwoniłem do Bakera – wspominał póżniej Keiper. - Rozmawiałem z nim prawie godzinę. Wysłał mi wydruk z gazety o łodzi. Na pierwszej stronie był tytuł „Odkrycia naukowe”. W tamtym czasie zbierałem wszelkie informacje o hydrofoliach w żeglarstwie jakie tylko mogłem zdobyć. Zapytałem jakie ma foile, powiedział, że ze stali nierdzewnej. Komentował, że są bardzo drogie. Omówiliśmy szczegóły budowy – opowiadał Keiper.

Keiper wspomina, że słyszał o tym, że Baker próbował zainteresować konstrukcją inwestorów, by w 1963 roku wprowadzić swoją jednostkę do sprzedaży za cenę 20 tys. USD. Nie znalazł jednak chętnych.

Trimaran z Kaliforni

Prace Gordona pomogły jednak bardzo Keiperowi, który już wtedy mocno interesował się w hydrofoilami. Ten amerykański inżynier prace nad swoim jachtem rozpoczął już w 1966 roku w Black Point w Kalifornii. W 1967 ponad 30 stopowy trimaran o nazwie Williwaw był już gotowy.

- Uczyłem się fizyki, jak i inżynierii. Miałem doświadczenie też w zakresie aerodynamiki, mechaniki płynów i konstrukcji. Lubiłem tworzyć rzeczy, które nigdy wcześniej nie istniały. Przyzwyczaiłem się do samodzielnego przeprowadzania projektów inżynierskich – opowiadał o tym co pomogło mu w konstrukcji w wywiadzie na łamach Multihull World w latach 90. 

Jak wspominał Keiper początkowo łódź miała za małe boczne pływaki, więc z czasem je powiększył. Zamontował cztery foile – dziobowy, rufowy i po jednym na bocznych pływakach. Jacht był niezwykle stabilny, boczne foile i rufowy dynamicznie stawiały opór w sytuacji zbytniemu podnoszeniu się dziobowego foila. Choć Williwaw była stosunkowo wąska, powód był dość prozaiczny, jacht musiał zmieścić się pomiędzy dwoma drzewami na posesji Keipera. Jak szybko odkrył Keiper - łódź potrzebowała jednak więcej wiatru, by rozpocząć lot niż początkowo zakładał. Stąd stale poprawiał foile, by były bardziej opływowe. Skrzydła miały też inne zalety - nawet jak nie wiało i trimaran nie leciał to Keiper opuszczał w dół foile. Dzięki temu – jak wspominał – jacht lepiej się prowadziło. 

Keiper konsultował swoje dzieło m.in. z Arthurem Piverem, legendarnym już wtedy żeglarzem i konstruktorem kataramanów i trimaranów. Ten brał udział nawet w pierwszych testach jachtu, zanim w 1968 roku zaginął na oceanie podczas próby uzyskania kwalifikacji do regat Ostar. 

Na przełomie lat 60. i 70. Keiper wyruszył swoim jachtem w rejs po Pacyfiku. Przepłynął 20 tys. mil, z zachodniego wybrzeża, poprzez Hawaje, Samoa, Wyspy Cooka dotarł aż do Nowej Zelandii. Szukał wiatru, by móc polecieć. Z racji tego, że próg prędkości wiatru, by łódź popłynęła na foilach był stosunkowo wysoki większość rejsu przepłynął, a nie przeleciał. Najdłuższy lot odbył z Hawajów na Samoa, trwał aż 10 dni, w trakcie których pokonał 1650 mil morskich! Niestety Williwaw został na Hawajach, zniszczony przez cyklon 1977 roku.

Magiczne 50 węzłów

Oprócz wyżej wymienionych – lata 50. i 60 były pełne bardziej lub mniej udanych konstrukcji ze skrzydłami. Można wręcz uznać, że kreatywność inżynierów i żeglarzy w latach 50. była imponująca. Dzisiaj może to brzmieć wręcz niewiarygodnie, ale jachty, w tym szczególnie katamarany z foilami powstawały jak grzyby po deszczu. Wydane w 1970 roku przez angielskie The Amateur Yacht Research Society obszerne opracowanie pod nazwą Sailing Hydrofoils opisuje nie tylko szczegółowo dziesiątki projektów, ale stanowi podsumowanie mocno już wówczas zaawansowanej technologii hydroskrzydeł. William Prior i jacht Gizmo z 1958 roku, John Modwood i jacht Parang z 1959 – to tylko nieliczne przykłady udanych konstrukcji. Lata 60. to kontynuacja i ciągłe ulepszanie technologii. W 1964 roku Claude Tisserand zbudował katamaran Veliplane, z kolei w 1968 rok powstał jacht Pen Duick IV, Erica Tabarly’ego. Ten słynny francuski żeglarz wśród długiej listy osiągnięć ma na koncie m.in. rekord Atlantyku z 1980 roku, który pobił na trimaranie z foilami. Zajęło mu to 10 dni, 5 godzin i 3 minuty. Zaledwie kilka lat później niespełna wówczas dwudziestoletni Alain Thebault zaczął marzyć o budowie najszybszego trimaranu na świecie. Tak zaczęła się rodzić idea Hydroptere. Marzenie zaczęło dość szybko przybierać realne kształty. Już w 1985 roku Thebault zbudował pierwszy model przyszłego Hydroptere, a dwa lata później powstał model w skali 1:3. Przy pracach pomagał mu m.in. Eric Tabarly. W 1994 roku ta superszybka i supernowoczesna jednostka była już gotowa. Długość 18 metrów, maszt o wysokości 28 metrów, waga 7,5 ton i maksymalna powierzchnia żagli 560 m. kw. Załoga liczyła od 5 do 11 osób. Swój pierwszy lot Hydrpotere odbył 1 października 1994 roku. Od tego czasu trwało testowanie jednostki i przygotowanie jej do bicia rekordów świata – m.in. na dystansie 500 metrów oraz 1 mili morskiej. Na pokładzie znalazło się blisko 100 czujników, które mierzyły dosłownie wszystko. Od 2007 Hydroptere rozpoczął sukcesywnie bić kolejne rekordy, by ostatecznie 4 września 2009 roku jako pierwszy jacht w historii przekroczyć magiczną barierę prędkości 50 węzłów z wynikiem 51,36 węzła na dystansie 500 m oraz 50,17 na dystansie mili morskiej.

Dzisiaj obydwa rekordy (65,45 węzłów na 500 m i 55,32 na 1 milę) należą do Australijczyka Paula Larsena i jego Vestas Sailrocket, maszynie opartej także na technologii hydroskrzydeł. Z tą jednak różnicą, że Vestas Sailrocket został zbudowany w zasadzie wyłącznie do bicia rekordów, a Hydroptere jest po prostu jachtem. „Kiedy prędkość przekracza 50 węzłów, woda wokół foili zaczyna się dosłownie gotować. Przyśpieszenie jest szybsze niż motorówka z dwoma silnikami o mocy 250 KM każdy. Tylko 2,5 m. kw jachtu ma kontakt z wodą. Cała reszta leci 5 metrów nad wodą” – opisywał swoje wrażenia z rejsów zespół Hydroptere. W 2015 jednostka została sprzedana, ale już wcześniej zespół Thebaulta zapowiedział prace nad Hydroptere 2, które ma pokonać barierę 150 km/h. Póki co nie jednak żadnych wieści, a sam Thebault skupił się na innym projekcie – Sea Bubbles. To bardzo małe jednostki z napędem elektrycznym, zasilane baterią słoneczną, również oparte na hydroskrzydłach. Okrzyknięte przez Francuzów taksówkami przyszłości zostały pokazane po raz pierwszy w ub. roku, a w tym mają trafić na Sekwanę. Póki co Thebault ogłosił, że szuka 100 mln euro, by rozwinąć ich produkcję na masową skalę.

Najlepsze jachty XXI wieku

Choć foile szturmem zdobywają dzisiaj żeglarstwo regatowe to patrząc z perspektywy czasu to pytanie nasuwa się samo: czemu dopiero teraz? 

- Lata 60. to były burzliwe czasy jeżeli chodzi o ekonomię. Kolejne lata również - odpowiedział pytany o to ponad 20 lat temu David A. Keiper. - Tymczasem potrzeba stałego, stabilnego wzrostu gospodarczego, by ludzie mogli zainteresować się tak nowym produktem. Oczywiście tamte lata pomogły trimaranom, by mogły w ogóle zaistnieć. A także wielu osobom tak jak ja, by uciec z wyścigu szczurów i poczuć radość pływania po oceanach. Teraz wygląda na to, że idą dobre czasy dla tego wynalazku – oceniał Keiper.

Zdaniem dr hab Andrzeja Banaszka, szefa Zakładu Projektowania Jachtów i Statków na Zachodniopomorskim Uniwersytecie Technologicznym powodów zatrzymania rozwoju foili w żeglarstwie jest wiele. Pierwszy z nich to problemy z organizatorami regat.

-  Zbyt ich duży konserwatyzm w myśleniu - przepisy regatowe nie dopuszczające hydrofoili do wyposażania jachtów regatowych w wielu podstawowych klasach regatowych – wyjaśnia dr Banaszek. I podaje kolejne powody: - Brak reklamy i pokazów powszechnych pokazujących możliwości hydrofoili. Wielu dzisiaj sądzi, że hydrofoile to dzisiejsza innowacja, a nie 100-letnia historia. Trzeci powód to problemy materiałowe hydrofoili, problemy z pękaniem zmęczeniowym. Dopiero rozwój nowoczesnych, lekkich i wytrzymałych materiałów jak np. włókna węglowe itp. potrafi ograniczyć ww. problemy. No i problemy z bezpieczeństwem i wymaganiami od żeglarzy.

Wydaje się, że większość z tych przyczyn została zniwelowana. Jaka jest więc przyszłość hydroskrzydeł w żeglarstwie? Ponad 20 lat temu wypowiedział się o niej David A. Keiper: - Głęboko wierzę, że foile będą zyskiwać popularność. To będą najlepsze jachty w XXI wieku – zapowiedział konstruktor.