Båtar med vingar

October 19, 2013 @ 21:09:42   Foto Jonas Danielsson & Jørgen Strømquist

Dominique Wavre - Mirabaud 1819

 

FOILING

 

Text Jonas Danielsson & Jørgen Strømquist

 

#2 2012

De senare åren har varit rekordår för snabb segling. Speciellt L’Hydroptère, den flygande franska trimaranen, har slagit några extrema hastighetsrekord, även i skvalpig sjö. Bland annat innehar de hastighetsrekordet över en sjömil på 50,17 knop. De var även första segelbåt att spräcka både 50 knops- och 100 km/h-barriärerna. I kölvattnet från dessa extrema farkoster ligger många frågetecken för en vanlig seglare. Därför kan en närmare titt på bärplanskonceptet som möjliggör dessa rekord vara intressant.

 

TEORI    

Ett flygplan flyger för att vingarna genererar lyftkraft. Denna kraft motverkar gravitationen och lyfter planet från marken. Lyftkraften som skapas är beroende av vingarean, flygplanets hastighet och vingens anfallsvinkel i förhållande till ankommande luft. Då en vingprofil sätts i en luftström skapas ett undertryck på ovansidan och ett övertryck på undersidan. Detta förklaras ofta med att luftpartiklarna färdas längre väg på ovansidan, får högre hastighet och därigenom lägre tryck. Tryckskillnaden skapar ett sug uppåt för att försöka utjämna obalansen. Kraften som uppstår kallas lyftkraft och är den viktigaste kraften när man pratar om vingar, segel, bärplan, kölar eller roder. Flygplan behöver tillräcklig lyftkraft för att övervinna gravitationen, lyfta och flyga på 10 000 meters höjd. Många har nog sett detta fenomen när ni har tittat på en flygplansvinge på startbanan. Först hänger vingen ned men när planet accelererar böjer sig den stora aluminiumvingen sakta uppåt. Man börjar då förstå hur stora dessa tryckskillnader är som skapar lyftkraft och till slut lyfter det 100 ton tunga planet från marken. En köl skapar också lyft för att motverka sidkraften från seglen och förhindra att segelbåten glider åt lä.

 

Emma Aspington 

Emma Aspington seglar Moth, en jolle med brärplan eller foils. Foto Search Magazine

 

Vad man mer sällan tänker på är varför båten behöver vara i vattnet. Vattnet har, trots att det är nästan tusen gånger tyngre än luft, liknande dynamiska egenskaper som luft. Saltvatten har en densitet på 1025 kg/m3 jämfört med luft som väger ungefär 1,2 kg/m3. Vatten är inte heller kompressibelt vilket gör beräkningarna något enklare än för luft.

 

Så bärplan är praktiskt taget en vinge som ”flyger” i vatten. De bär vikten av båten och lyfter den ur vattnet och därigenom minskar de motståndet för båten radikalt. Framförallt är det vågbildningsmotståndet som minskar då skrovet, som genererar vågor, inte längre är i vattnet. Samtidigt som ett flygplan kan variera sin höjd med 10 000 meter är en bärplansbåt begränsad till längden på armarna till bärplanen under båten. Om båten lyfter för högt kommer bärplanen för nära ytan och förlorar lyftkraft och båten kommer störta ned i vattnet igen. På grund av att vattnet är så mycket tätare än luften krävs bara en liten vinge och endast en bråkdel av farten för att båten ska kunna ”flyga” i vattnet.

 

FÖRDELAR    

Genom att lyfta båten ur vattnet och bara ha små vingar under ytan kommer båten få mycket lägre motstånd. Detta möjliggör högre toppfart, minskad bränsleförbrukning, vågbildning och mindre buller. En ”flygande” båt kan också färdas ovanför vågor som annars skulle slå i båten. Det skapar en mjukare gång där bärplanen bara skär igenom vågorna eller båten bara smeker vågtopparna. Detta är uppenbarligen bekvämt i normala förhållanden men med högre fart kommer högre risker. Vid 50+ knop kan en jättevåg göra stor skada på en bärplansbåt, något som seglarna på l’Hydroptère fick erfara i en framåtkapsejsning i 61 knops fart. Bärplansbåtar har alltså övergett Arkimedes princip om flytkraft och använder istället en vinge liksom flygplan, och kan därför nå tidigare otänkbara hastigheter på vatten.

 

HISTORIA 

Vingprofiler under vattnet har funnits länge i form av roder och kölar som genererar sidkrafter och svänger båten. På senare tid har dock horisontella undervattensvingar blivit allt vanligare på allt från passagerarfärjor till segeljollar. Men idén och konceptet om bärplan är faktiskt gammal. Så tidigt som 1869 tog fransmannen Emmanuel Denis Farcott patent på en snabb motorbåt som skulle flyga parallellt med vattenytan med hjälp av bärplan undertill. Idén var född och 1919 nådde den motordrivna bärplansbåten HD-4 farten 114 km/h på platt vatten. Rekordet hölls flera år och mannen bakom detta projekt var den välkända Alexander Graham Bell som kanske är mer känd för att uppfinna telefonen.

 

HISTORIA

En av föregångarna från tidigt 1900-tal.  

 

Utvecklingen av bärplan kom från observationen från planande båtar där det är uppenbart att båten lyfter sig själv allt högre med ökande fart. Detta insåg också Alain Thébault, mannen bakom l’Hydroptère, som fick idén till en flygande trimaran redan 1985 och sedan dess försökt förverkliga den.

 

KONFIGURATION 

Bärplansbåtar finns i många olika varianter. Huvudskillnaden är var den största lyftvingen sitter placerad. De flesta båtar åker med positivt trim med fören något uppåt för att minska risken för nosdyk. En båt med tyngdpunkten långt fram behöver sin största vinge långt fram och vice versa. En lika stor vinge bak som fram brukar benämnas ”tandem”. Att ha den största vingen fram är den konventionella konfigurationen medan en mindre vinge i fören brukar kallas ”canard”. Canardvarianten har på senare tid blivit mer vanligt på motorbåtar för att den gör det möjligt för snabbare reglering av trimmet, vilket i sin tur leder till enklare reglersystem. Den är också mer hydrodynamiskt effektiv. Vi kommer återkomma till reglersystem längre fram.

 

I tillägg till konfigurationerna har bärplan två grundläggande skillnader som illustreras bäst med exempel från seglingsvärldens snabbaste båtar. De flesta har hört talas om International Moth, den flygande minijollen som kan segla i nära tre gånger vindens fart och l’Hydroptère som satte två världsrekord den 4:e september 2009. 51,36 knop på 500 meter och 50,17 knop på en sjömil. Rekorden sattes på vågig sjö i Medelhavet utanför Hyères i Frankrike. I skrivande stund innehar dock amerikanen Rob Douglas 500-metersrekordet på 55,65 knop med sin kitebräda. Dessa två seglingsfarkoster, tillsammans med kiteboarding och vindsurfing, är de snabbaste sätten att segla på vatten. Likheten är att de har extremt liten våt yta jämfört med segelyta och vikt. L’Hydroptère och moth-jollen klarar detta tack vare bärplanen.

 

Dock har de två båtarna väldigt olika bärplan. Moth-jollen har en helt nedsänkt vinge på centerbordsfenan och ytterligare en på rodret. Dessa vingar är vad som lyfter båten. Resten av båten ser ut som en mycket smal jolle med burkvingar och en vindsurfingliknande rigg. Denna typ av bärplanskonfiguration förutsätter ett reglersystem för att justera lyftkraften. Detta görs genom att justera anfallsvinkeln på en klaff på huvudvingen, precis som klaffarna på en flygplansvinge.

 

Att anfallsvinkeln påverkar lyftkraften har nog de flesta upplevt. När man i en bil i hög fart sträcker ut handen genom fönstret (försiktigt) märker man hur armen flyger uppåt eller nedåt beroende på hur handen är vinklad. Precis samma sak händer med vingar och bärplan.

 

Både centerbordet och rodret på moth-jollen har trimbara vingar. För att båten ska börja lyftas ur vattnet krävs en större anfallsvinkel för att farten är lägre. När sedan båten flyger ökar farten dramatiskt för att skrovmotståndet försvinner helt. På grund av att lyftkraften är proportionell mot hastigheten i kvadrat behövs bara en fjärdedel av anfallsvinkeln när hastigheten dubbleras. Rodervingen, och därigenom hela båtens anfallsvinkel, justeras manuellt genom att vrida rorkultsförlängaren som via tunna linor vrider vingen. På centerbordet är systemet lite mer invecklat. Den justeras automatiskt med hjälp av en Magic Wand eller Hydrofin. Denna Hydrofin är en böjlig kolfiberpinne som är fäst vid fören. Överdelen är fäst vid en tunn lina som leds akterut ned genom centerbordet ut till vingen. Nederdelen flyter på vattnet och vinkeln på pinnen blir då ett mått på hur högt moth-jollen flyger. Ju högre fart, desto mer böjs pinnen, drar mer i linan och reducerar effektivt anfallsvinkeln på vingen. Helt enkelt en genial och praktisk lösning på ett ganska komplicerat problem! Ju mer fart desto mindre anfallsvinkel krävs. Titta på en flygplansvinge nästa gång du landar. Du kommer märka att piloten ökar anfallsvinkeln genom att justera klaffarna och luta flygplanet uppåt för att få mer lyftkraft vid lägre fart. Detta gör att piloten kan landa flygplanet mjukare vid så låg fart som möjligt genom att förändra luftflödet över vingarna.

 

Hydroptere Kiel

L’Hydroptère.

 

På större båtar med nedsänkta vingar som på militära bärplansbåtar, skulle Hydrofin-systemet vara för ömtåligt. Istället används mer avancerade system med sensorer som mäter höjden och automatiskt justerar trimklaffar. Ett annat framgångsrikt system för att kontrollera lyftkraften är att använda så kallat Airbleeding. Luft släpps in på sugsidan av vingen för att reducera tryckskillnaden och därigenom lyftkraften.

 

L’Hydroptère använder en helt annan variant av bärplan. Båten är en ombyggd Orma 60-trimaran med nya pontoner som hjälper till med stabiliteten innan den flyger, samtidigt som de hjälper till att skapa stor bredd mellan de ytskärande bärplansvingarna. Vingarna sitter fast på pontonerna och är sedan vinklade ned i vattnet och inåt mittskrovet. Vingarna benämns ytskärande för att den faktiska lyftvingen skär vattenytan med en vinkel och sträcker sig nedåt i vattnet med samma vinkel. Detta har vissa fördelar men är troligen mer passande på flerskrov än på andra båtar.

 

Ju snabbare en båt seglar desto mer lyftkraft genereras av bärplansvingarna. I fallet med moth-jollen justeras anfallsvinkeln, med vinklade vingar justeras istället vingens yta i vattnet. När l’Hydroptère ökar farten åker läskrovet högre ur vattnet, därmed även lä bärplan, varför ytan minskas och lyftkraften är automatiskt justerad. Detta resulterar i en sänkt våt yta, därigenom sänkt friktion och därför högre fart. Anfallsvinkeln är alltså konstant och lyftet regleras istället automatiskt genom att vingarna lyfter med ökad fart vilket innebär mindre våt yta. Vid l’Hydroptères toppfart, just nu mer än 50 knop, balanserear den 4 ton tunga trimaranen på mindre än 2 m2 våt yta. Den accelererar även från 20 till 45 knop på ungefär 10 sekunder. Inte så konstigt att den är snabb…

 

På bilderna kan man se precis hur bärplanen sitter fast på båten. Det finns också en liten fena på rodret som har till uppgift att hålla aktern nere för att motverka nosdyk. Notera också hur båten seglar så gott som utan krängning. Det är det mest geniala med båten. Momentet som vill kränga båten genererar mer tryck, därmed mer lyft på läpontonen och därför håller den sig i samma höjd som lovartspontonen och utjämnar lutningen. Det här betyder attpå grund av krängningsmomentet kommer l’Hydroptère flyga högre under segling än om hon skulle bli bogserad med samma fart. Effekten skapar också ett enormt rätande moment och är en annan orsak till varför l’Hydroptère är så snabb. Även utan flytkraften i läpontonen, som är källan till det rätande momentet på hennes Orma 60-systrar, har hon tillräcklig kraft till att bära segel för samma rigg. Ha dock i åtanke att det rätande momentet är mycket beroende av bredden mellan bärplansvingarna, längst ut på pontonerna. Lyftkraften som induceras av bärplanen är proportionellt mot längden vinge i vattnet, vilket betyder att ju snabbare båten seglar desto högre kommer den flyga över vattnet. På bilden kan man se att bärplansvingen är fäst med hydrauliska armar på varje sida. De fungerar delvis som stötdämpare, men är också justerbara för att ändra vinkeln som vingen skär genom vattnet med. Ju brantare vinkel desto mindre lyft kommer genereras. Detta kan jämföras med en planande motorbåts bottenresningsvinkel som är vinkeln på undervattenskroppen, eller i dagligt tal, hur mycket V-botten skrovet har. För att undvika att seglingshöjden pendlar upp och ned sitter små längsgående steglister på huvudbärplanen. Dessa minskar sprayet precis som på en motorbåt och minskar den våta ytan. De hjälper också båten till att bli mer stabil under segling så att vissa oväntade överraskningar kan undvikas. Fenorna förhindrar också att båten lyfter sig för högt över vatten ytan och motverkar även ventilation.

 

Utmaningar och nackdelar

Nackdelarna med att ha bärplan, och anledningen till varför designen bakom en sådan måste vara extremt noggrann, är fenomenen ventilation och kavitation. Kavitation uppstår när trycket på sugsidan av en bärplansvinge eller ett propellerplad sjunker under gasbildningstrycket så att vattnet börjar koka. Det kan vara svårt att föreställa sig kokande vatten i vanlig sjötemperatur men tänk dig att du ska koka ägg på Mount Everest där trycket är cirka en fjärdedel jämfört med havsnivå. Utan tryckkokare kan du bara få upp vattentemperaturen till cirka 70 grader innan det börjar koka och av den temperaturen stelnar inte ägget.

 

När kavitation uppstår skapas små bubblor med vattenånga och när dessa imploderar tillbaka till vatten blir det sådan kraft att skador, oftast i form av små kratrar likt ett månlandskap, kan uppstå både på metallpropellrar och inte minst en vinge av komposit. När kavitationen verkar kommer också lyftkraften reduceras kraftigt och båten kraschar ned i vattnet. Kavitation kan hanteras genom att noga analysera flödet och designa bärplanet därefter.

 

Ventilation är ett liknande fenomen men ändå ganska annorlunda. Det uppstår när sugsidan på vingen kommer för nära vattenytan så att luft kan sugas ned till lågtrycksområdet på vingen och utjämna tryckskillnaden. Tvärt försvinner lyftkraften och båten kraschar ned i vattnet. Denna typ av fel händer oftare på ytskärande bärplan såsom l’Hydroptère och är anledningen till varför hon kappsejsade i 61 knop för ett par år sedan.

 

Enligt l’Hydroptères webbsida www.hydroptere.com har de ny sponsor, uppdaterade bärplan och efter röntgenundersökning på hela båten tränar de hårt i La Ciotate för att slå nya rekord i år. Härnäst ska de i maj till Los Angeles för att försöka sig på rekordet LA till Honolulu vilket inte lär bli någon match i bra förhållanden.

 

Författarna tror personligen att bärplan kommer bli allt vanligare i framtiden. På motorbåtssidan kan fartdårar använda bärplan till att åka ännu fortare med mindre bränsle och mycket längre räckvidd. Däremot är det viktigt att komma ihåg att liksom ett flygplan, som använder det mesta av sitt bränsle under starten och inte så mycket under själva flygningen, kommer en bärplansbåt göra samma sak. Det är inte förrän båten flyger och motståndet sjunker som konsumtionen går ned och farten upp. Flera kommersiella fartyg runt om i världen såsom små passagerarfärjor flyger redan runt på bärplan. Även om vi seglare inte vill, kunde Waxholmsbåtarna i Stockholms skärgård vara ännu snabbare på bärplan…

 

KAJAK

 

I seglingsvärlden har International Foiling Moth redan blivit en stor klass med över 100 båtar på VM (2011). Den är ganska dyr, men det är de flesta andra jollar också, och prestanda kostar. Det är inte så svårt att segla dem som man kan tro genom bilderna. En av författarna själv flög vid första försöket att segla en bärplans-Moth. Klassen kommer fortsätta växa. Runt om i världen experimenterar folk med att sätta bärplan på befintliga båtar. Första 49:ern har flugit tack vare Frank & Julian Bethwaite och på Genevesjön flyger en ombyggd 18-fotsskiff, Mirabaud runt framgångsrikt. Killarna bakom Mirabaud bestämde sig att skippa skrovet och istället använda uppblåsbara bojar för att hålla henne flytande vid låg fart. Strukturen på båten består istället av kolfiberrör för att spara vikt.

 

Bärplansbåtar är båtvärldens nästa stora utvecklingssteg och om du någonsin får chansen att prova en mothjolle eller prova att bygga något eget i garaget, gör det! Tänk på att en ensam kajakpaddlare kan paddla lika fort som en 8-mans olympisk roddbåt och på Maui surfar folk på enorma vågor med bärplanssurfbrädor.




LÄS SENASTE NUMRET

page1

DE FEM MEST LÄSTA

Veckans övning v 48

Dags att bygga upp armstyrkan! Denna vecka och nästa kommer tips på två bra armövningar som går att variera på mängder med sätt. &nbs...

JULKLAPPSTIPS TILL SEGLARE - SEGELS...

Det börjar bli dags att tänka på julklappar och här kommer ett tips f...

Franska flottan möter Sébastien Jos...

På natten mellan torsdag och fredag (1 - 2 december) besökte franska flottan yt...

Dongfeng är tillbaka (video)

Martin Strömbergs gamla lag Dongfeng Race Team är tillbaka för att en andra...

Svenska möjligheter i Carlos Aguila...

Carlos Aguilar Match Race pågår för fullt på St. Thomas. igår...

















































x