帆船能有多快（技术贴最快的帆船）

距离“Sailrocket”号创下世界最快帆船的新纪录已经过去了近十年。现在有两个团队希望用他们的激进设计创造新的速度纪录。

在2012 年 11 月 24 日，澳大利亚水手保罗·拉森（Paul Larsen） 和他的 Sailrocket团队改写了我们对帆船物理学的理解，在他们创造了世界上最快帆船的新纪录时，他们的名字在纪录簿上留下了不可磨灭的印记。

保罗·拉森（Paul Larsen）和他身后的破纪录帆船

彼时一个多星期前，在纳米比亚海岸一个叫沃尔维斯湾的地方，“Sailrocket 2”号把帆船的航行速度纪录提高了一个最大的差距——从55.65节提高到59.23节。然而，24日的表现超出了所有人的预期，在一个风平浪静的日子里，它以65.45节的平均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，驾驶一艘帆船在500米的航程中以以前认为不可能的速度航行。“你的工作就是100%地完成这项任务，没有半途而废，”保罗·拉森在差不多十年后称。“当你拥有一支庞大的团队，项目的所有动力都在进行时，你最大的担心就是进展速度不够快。”

世界上最快的帆船的增长

要将“Sailrocket2”号的表现放在上下文中，我们需要考虑帆船航行速度纪录的轨迹。它始于 1972 年，当时 Tim Colman 和他的“Crossbow ” 号设定了 26.30 节的首开纪录。

“Crossbow ” 号

1973 年 10 月 10 日 ，在韦茅斯举行的世界航行速度系列比赛中，“Crossbow ” 号又创下了29.2节的世界纪录。

1993年的“Yellow Pages”号 照片：Frederick Clement/DPPI Media/Alamy

到 1993 年，“Yellow Pages”号将这一速度一路提高到 46.52 节——平均每年提高近 1 节。但随后发生了一些变化，进展停滞了十多年。帆板运动员和风筝冲浪者最终将速度提高，直到16年后另一艘帆船——Alain Thebault 的水翼帆船“ L'Hydroptère ”号创造了新的纪录，它甚至比“Yellow Pages”号快 5 节。

人们认为帆船这种航行器的速度正在达到一个上限，这是一个由空化点定义的物理极限。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压力而变化。压力越低，水沸腾所需的温度就越低。因此，在珠穆朗玛峰顶部，水的沸点约为 68°C。

帆翼或水翼的背风侧也有低压。由于一侧和另一侧之间的压力差，水翼板提供了升力。当水翼板试图平衡压力时，不同的力就产生了。

“L'Hydroptère ”在 2009 年打破了纪录。照片：Christophe Launay

如果水翼船的速度足够快，那么背风压力就会下降到足以使水开始“沸腾”或气化的程度。当平滑的流动变的混乱时，就会造成升力损失和不稳定，汽泡会沿着水翼板向下流动到压力较高的区域，并在那里坍塌。

正是这一速度限制，我们看到美国杯和SailGP帆船赛赛船的速度达到了极限。一旦速度达到50节以上，设计用来尽可能长时间抑制空化的水翼板最终开始空化，帆船就不能再更快了。

为了克服这一点，需要一种完全不同类型的水翼版，这种水翼板不是试图消除空化，而是试图稳定它，这就是“Sailrocket 2”号65节速度的秘密。拉森说：“在Aerotrope和Chris Hornzee Jones等公司的大力帮助下，我们最终确定了一个非常出色的水翼设计。Chris在该项目的幕后做了非常出色的工作，包括设计最终的水翼板。”

研究小组意识到，为了抑制和避免空化，水翼板不需要太薄。相反，他们可以鼓励它，然后用水翼板将它推过空化点，使其以稳定的方式形成空化。

拉森解释说：“做一个小快艇的类比，就像当你越过那个驼峰，船头就有了飞行状态。我们都知道，当水流从船的后部分离出来时，你不希望你的船尾在后面有那么大的阻力而咯咯作响。”

目前速度纪录保持者 Paul Larsen 驾驶者“Vestas Sailrocket 2” 号

以类似的方式，“Sailrocket 2”号的水翼板能够摆脱早期空化时的湍流和阻力流，当空气从表面吸入时，它能在水翼板周围形成一个平稳的气泡。拉森称其为基础通风水翼，有时也被称为超级通风水翼。

他解释说：“所以你最终得到的是这些非常浅的弧度、底部通风的水翼板，它们效率不高，但没有限制。”。“它们一直在工作。就像喷气式战斗机的机翼。它们效率不高，但如果你把一台大型喷气式发动机放在它们后面，它们就会继续前进，直到水翼的最大飞行高度。”

力共线

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

答案在于一个几十年前的想法——力共线。在传统的帆船中，无论是小舢板、多体船帆船还是单体帆船，船帆产生的空气动力都在推动船只前进，又能推动船体侧翻。

这种力是由水中的水翼板流体动力和重量(船员的体重或龙骨的重量)共同抵抗的。这两种力作用在距离船帆的作用力中心一定距离的地方——形成相反的杠杆，质量力和水动力升力与帆(或翼帆)产生的空气动力相反。

要使用这些力来产生推进力，就需要一种大小和强度相称的结构。所以，为了跑得更快，需要更多的力和/或更轻的总重量，但也需要更坚固的结构。正是材料的强度和重量特性的巨大改进，才使得上世纪70年代、80年代和90年代的速度大幅提高。

利用力共线实现了惊人的速度

但还有另一种方式：通过抵消力量并调整它们。“因此，[你] 拥有空气动力的作用中心，即帆或翼帆，与水翼板的反作用力直接共线，”拉森解释道。换言之，通过让来自帆的力与来自水翼板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 1960 年代在《40 节帆船》一书中所写的，”拉森充道。史密斯的洞察力远远领先于他的时代，以至于他们花了将近 5 年的时间才在“Sailrocket 2” 号的纪录中完全实现。

“Sailrocket 2”号通过安装在背风船体上的一个帆翼实现了力共线，该帆翼在背风船体上倾斜了30°。它产生的力推动着船向前，并试图将迎风的船体从水中提出来。

这股力量被迎风船体下方的水翼板抵抗。所以水翼板是往下拉而不是往上推。这是 “Sailrocket 2”号与美洲杯或 SailGP 中使用的水翼类型之间的关键区别。在那些帆船上，是背风水翼顶着船帆的力，它还将整艘船从水中抬起。

这两个突破性的想法——力共线和超级通风的水翼——以及“没有勇气就没有荣耀”的态度，使拉森和他的 Sailrocket 2 团队超过了 65 节，这个纪录已经保持了近十年。但是这个纪录被打破的时候到了吗?

拉森说:“我认为我们已经在这个问题上停留了足够长的时间，现在是时候挑战它了。”“有一段时间，我非常保护它，并为此感到自豪，想在那个宝座上多待一段时间。但现在我想看看其他人可以用它做什么，看看他们的解决方案可能是什么。我要看看这是否足以激励我自己重返赛场!”

新的最快帆船挑战者挑战 Sailrocket 团队的纪录将面临很大的挑战，它们都将在今年晚些时候或2023年年初下水。其中之一Syroco项目是由Alex Caizergues开发，他是第一个在水上以超过100公里/小时的速度航行的人，他的风筝板两次保持了航行速度的纪录。另一个是SP80项目，来自瑞士工程学院École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)。

风筝帆驱动的SP80挑战赛使用超级通风的穿透水面的水翼板

两支队伍都在使用拉森建立的原则，而且都认为他们不仅会打破纪录，而且会创造新纪录。Syroco的目标是150公里/小时，即惊人的80.99节。SP80也在追赶80节屏障。

“我实际上很喜欢这两个项目的目标，”拉森说。“他们肯定在使用力共线概念。” SP80 和 Syroco 团队都将使用风筝帆，将其空气动力与来自水翼板的水动力共线。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化点。

SP80项目也使用了一种像“Sailrocket”号那样的超强通风、穿透水面的水翼板。SP80的三位创始人之一Benoît Gaudiot说:“‘Vestas Sailrocket’ 号和保罗·拉森及其团队所做的工作是我们开发这艘船的主要灵感来源。”

SP80

他们从2017年开始提出各种想法，为风筝板制作超通风的鳍片。Gaudiot 是一位经验丰富的速度风筝板水手，他很快将速度提高到41节。但他们需要一种不同的方法来打破纪录。“船身无法承受超过60节的动力，”Gaudiot 说。

SP80 联合创始人 Xavier Lepercq、Mayeul van den Broek 和 Benoît Gaudiot。

另一位创始人 Xavier Lepercq 构建了一个模拟工具，并开始开发设计。他们想出的是由风筝帆驱动的三体船，其共线力由穿透水面的水翼板来平衡。

一旦制定了这个方案，这个团队就迅速成长起来，EPFL承诺将提供支持和赞助商。“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公司建造全尺寸的船体。

SP80团队部分成员

向风筝帆的过渡意味着两支队伍面临的最大挑战是控制——准确地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。“这背后的想法是平衡力量。我们设计这艘船的方式，主要实现的是稳定性，”Gaudiot说。

动力模块的确切机制是保密的，但在船尾的可视化和动画中可以看到。它提供了风筝帆和水翼板之间的直接联系，并且似乎根据来自风筝帆的力矢量来“修剪”水翼板。水翼板的形状和与动力模块的连接是航行器飞行稳定性的关键。

瑞士 SP80 团队一直在日内瓦湖上测试其原型

Gaudiot说：“它完全是机械的，完全可以自行调整平衡。”“对驾驶员来说，控制非常简单。我不需要控制高度，船的提升高度，只需要控制方向。还有风筝帆的力量。”风筝线连接到驾驶舱，用手控制，而船的方向将用脚控制。

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。“我认为 SP80 是一个更实用的解决方案，在实用性上做出了妥协。而且我想我可以更深入地了解这个问题。我认为SP80可能更接近获得结果。我想看看风筝帆会如何对抗 [Sailrocket] 帆翼，因为从历史上看，帆翼更快。”

sp80效果演示

在水面上飞行

想要打破瑞士这场盛宴的是Syroco项目，这家法国公司凭借镀金证书打破了世界航行速度纪录。联合创始人兼首席执行官 Alex Caizergues 已经在他的风筝板上保持着纪录。

“自从保罗·拉森打破了帆船速度纪录后，我知道我们必须改变软件和在水上快速前进的方法。我知道我必须在我周围组建一支能够制造这种船只的团队，”Caizergues 回忆道。

Caizergues不仅是一名运动员，他还是一名商学院毕业生，有过创业经历。Syroco公司成立于2019年，有四位联合创始人，并得到了科技企业家和风险投资家的支持。

Syroco飞行状态的渲染图

他们想做的不仅仅是打破纪录，而是建立一个围绕该尝试的技术型企业。该团队约有15人在马赛工作，他们都是流体力学、结构、软件和数据分析方面的专家。

“我们的概念有点像'Sailrocket' 号，”Caizergues 说。这个概念很简单；水翼板将在水下“飞行”，由连接到在其上方空中飞行的风筝帆的绳索牵引。

悬浮在两者之间的是一个太空舱，里面有驾驶员 Alex Caizergues 和一名副驾驶。空气动力和流体动力相互对立，几乎完美地代表了驱动“Sailrocket 2” 号的力共线概念。

它应该有最大的速度潜力，因为没有多余的东西。太空舱之所以在那里，是因为空气动力和水动力帆翼都必须被控制，而且作用力要由驾驶员来平衡(不是自动的)。

正在测试的 Syroco 原型由 RIB 牵引

这是最困难的部分，控制它，特别是把水翼板保持在水中。Syroco的水翼不是穿透水面，它在水面下方运行，仅通过线缆连接到胶囊船体和风筝帆。

它不依赖于从表面拖曳空气来稳定水翼板周围的空化。相反，它将依靠空化在水翼板周围创造自己的稳定的气泡——这被称为超空化。当这种情况发生时，水会像固体一样绕着气泡流动，只要空化保持稳定，就能显著提高水翼板的性能。

问题是保持气泡完好无损。保罗·拉森指出，线缆在空中提供了一条通往超空化水翼板的通道。“他们将如何阻止空气从表面吸入并破坏气泡，这才是真正的诀窍。这是一个需要解决的非常动态的问题。看看他们的模拟在多大程度上符合他们将要束缚的现实将会很有趣……”

最终航行器的控制机制仍在研究中，但他们已经试飞一个原型，由一个装有 5米高桅杆的 RIB 牵引，该桅杆模拟风筝的力量。该团队希望致力于最终设计，并在春季开始施工。

人为因素

当然，还有当天执行计划的问题。拉森回忆说：“如果你已经完成了数学，工程工作，并做了彻底的研究，当你在某个重要的日子里站上了这门课程的顶端，而你又不确定接下来会发生什么时，这就会给你信心。”

风筝冲浪者兼商人 Alex Caizergues 领导 Syroco 项目

“你知道它可能略高于你的最高风速范围，但所有的摄像机都在运转，无人机在空中，每个人都拿着秒表在等待。这让你有信心说：‘是的，我要去完成它。’”

他说：“我遇到过几次撞击事故，如果我们再次使用 ‘Sailrocket’号时，那么安全性将更加突出。我不会再上那条船，再以那样的速度前进。我们侥幸逃脱，因为我们不得不这样做。”

“安全对我们来说真的很重要，”Benoît Gaudiot 表示同意。他们建造了一个凯夫拉尔纤维的驾驶舱来保护驾驶员，安装了一个六点式安全带和一个F1风格的座椅。Gaudiot 会戴上一个带氧气的头盔，如果头盔检测到有水接触到面罩，氧气就会打开。“我可以在水里呆上几分钟，让潜水员来打开它。”

“船的关键点是水翼板。如果水翼断裂，船将会起飞，”Gaudiot说。

他们对这个项目的热情是有感染力的，没人想让船起飞。他们有一个拉森没有的优势，那就是他们可以释放能量源。“风筝帆只有几根线，你可以快速地剪断它，”Gaudiot说。

“我认为这两个人 [Caizergues 和 Gaudiot]，他们都有这种心态，”拉森说。“他们不会害怕他们正在做的事情，也不会被这飞船吓到。”

如果他们真的打破了保罗拉森和他的团队拥有近十年的纪录呢？

“我们打开了一个充满潜力的全新世界的大门。所以我有点好奇，在这条路的后面还会有什么。我们验证了一些概念，这些概念可以超越人们所认为的空化极限和速度极限。我们证明了你可以超越它。它们可以把你带到物理学的新水平。

“‘Sailrocket2’号完好无损地放在那里。它被设计成可以永远持续下去……我们可以在一两个星期内把它安装起来并以 65 节的速度行驶。”如果他的纪录被打破，他很可能会再次出发。

,