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美洲杯赛船的秘密武器-水翼的设计

   人气: 2322    日期: 2021/3/13

本文是通过对我们的头,新西兰环球水上运动发展有限公司Global Water Sports Ltd 的创始人蓝一伦先生的访谈整理而成。大家如果对美洲杯帆船赛和我一样感兴趣,但又是小白一枚,或者也有很多问题或者疑问想多去探索和了解下美洲杯帆船赛或者美洲杯赛船的各种问题,都可以给我们留言。我们也希望可以为大家解惑。蓝一伦先生表示虽然这些年他对美洲杯帆船赛有很深入的了解和探究,但是这个领域不断在推陈出新,学无止境。如果大家的问题他有不了解的地方,他也可以通过他在ETNZ新西兰美洲杯船队的设计师朋友那来进一步了解并给大家解答。欢迎大家多留言,言归正传!


作为美洲杯帆船赛的小白,我特别好奇现在的美洲杯赛船是怎么“飞”出水面的。

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这主要得益于这几年科技理论和材料科学的进步。其实水翼船的理论概念并不是这几年才有了,早在1869就已经存在了理论,它是由一个巴黎人在英国提出的并申请了当年的专利,目的就是减少船只在水中的摩擦力进而减少拖拽。然后是意大利发明家法兰尼尼(Forlanini)在1898年开始深入实践研究并提出和使用“梯”式水翼系统,且于1906在意大利的第二大湖玛姬儿湖进行测试,之后在英国和美国都申请的专利。后来一战和二战美军和德军都对水翼船进行了研究测试。继续这个话题故事就长了。我们在这里想要说明的是水翼其实不是什么新玩意儿,只不过以前的水翼都只是用于带引擎的动力船上。

现在的水翼是被运用到帆船上面,这就是一个技术跃进。我们都知道帆船是靠风作用于帆产生推力而运动的,没风就没有了动力。但是转化率太低,主要是因为为了保持帆船的平衡,帆船的船体加上帆坠(keel)的重量太沉,所以速度也就犹如老牛拖破车,普通休闲帆船6-8节(1节=1.852公里),高性能赛船能突破10节,传统美洲杯单体赛船勉强可以达到15节就已经是极限了。而近些年几乎所有赛事都在追求更高的速度和挑战更大的难度,船越造越轻,技术越来越先进,特别是摇摆帆坠(canting keel)的运用,算是帆船运动技术的一次革新,所以沃尔沃环球帆船赛就曾经创造了时速39节的单体船记录,那是2012年由新西兰队Camper船队从葡萄牙的里斯本到法国洛里昂赛段创造的纪录,当时风力超过50节,而且是顺水的情况下(海流和风向相同)。据当年Camper的船长Chris Nicholson说,“在那种情况下,你已经不会去考虑比赛结果了,你就希望你的船还能保持完整,人能好好活着,黑夜请赶紧过去”。Allan也深有体会的说起他当年和东风队一起穿越大西洋的时候,35-45节风力,20来节的船速就已经让人感觉在洗衣机里面一样了,那种颠簸让在船舱底部工作的他感受到极其痛苦,那时候你可能更希望呆在甲板上。又跑题了。

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水翼,顾名思义的和飞翼有点像,一个是用于空气中,一个是用于水中。所以其形状也很类似。一个是属于空气动力学科,一个属于流体力学方面的范畴。现在的美洲杯帆船赛的设计师团队,既要有空气动力学的专家,又要有流体力学的专家。一组是设计船帆和船体,一组是对水翼进行设计。看看当年甲骨文船队,不但有宝马,还有空客助阵。如下图宝马团队在宝马公司对甲骨文船队的赛船船体进行空气动力测试和优化设计。同样,水翼也是要通过水桶的流体测试。还要考虑风力范围的状况,因此水翼的长短,大小,形状等等都是关乎船速的重要一环。

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上一届2017年新西兰船队凭一己之力,终于再次赢得美洲杯,说明新西兰的技术储备和创新精神是值得佩服的。每支船队允许配两副水翼,一副适用于在小风天,一副适用于在大风天。如下图新西兰队的不同水翼。

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抱歉继续绕远了,直接上主菜了。水翼的目的是把船体推离水面,就如飞机的机翼要把整架飞机推离地面的原理是一样的。把船体推离水面就可以让船体减少和水的摩擦力。我们都知道水的阻力是空气阻力的800倍,因此当船体被推离水面后的阻力就骤然减少,船就可以进行高速运动,这就是设计水翼的目的。而水翼的控制又涉及帆船高速运动产生的平衡问题,这个话题我们下期再讲。这就对设计师团队如何对水翼进行最佳的优化,既要保持足够的升力,又不能升力过大,否则船就失去平衡。既要尽可能的提高船速,又不能产生过多的拖拽,这就对水翼的面积和形状进行各种优化设计。所以这是每支美洲杯参赛设计团队面临的最大挑战。这届美洲杯从上两届的双体水翼帆船,改成单体水翼帆船,蓝一伦先生说可以将之称为帆船4.0版。西方水翼帆船届把上两届的双体水翼帆船称为帆船3.0版,或称为帆船运动的第三模式。被誉为如人类从地球到月球的技术跃升。

而单体水翼帆船的概念一提出,也是一种颠覆式的技术和设计变革。蓝一伦先生给我举了一个深入浅出的例子,“双体船就如人类的两只脚走路,配上水翼就如人的两只脚在跑步。而单体船就是一只脚走路,保持平衡都难了,你还要让一只脚跑起来,还要和两只脚跑到一样快,这也就算了,你竟然要比两只脚跑还要快,这就有点难上加难了。” 

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新西兰队(上图)

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英国队(上图)

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意大利队(上图)

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美国队(上图)

从上面四支船队目前在测试所展现出来的水翼设计,我们可以看出新西兰队还是有别于其他三支船队的设计。这里面又有什么技术差别呢?说明新西兰队目前还是技高一筹。为什么这么说呢???Allan在这卖了一个关子。 当然这些都还都只是测试版,也许各支船队还有许多藏着掖着的技术还不想这么早就示众。Allan说每艘美洲杯帆船上都有几百上千个不为人知的秘密。他还给我展示下面这张图,外行看热闹,魔鬼在细节,我看半天也没发现什么细节,他让我一比较,就可以看出不同,两个不同颜色的翼臂和形状略有不同的水翼设计,说明新西兰队同时在用两种水翼进行测试。当然其他的船队肯定也是同理可证。

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另外我们还要特别说下这个翼臂。翼臂的强度是关乎整艘船和人员的安全问题。因此这届美洲杯为了降低开发成本和周期,避免各自为战的局面,各派技术团队共同攻关翼臂的难题。最终还是到2019年的5月才完成测试并通过安全检测,这根4.5米长的碳纤维翼臂整体强度可以承受超过30吨的受力,差不多是6倍船体重量。这个翼臂的设计可以说严重拖延了所有船队的进度。

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离明年三月还有不到一年的时间就是美洲杯帆船赛了,奥克兰人都翘首以待。但是今年新冠肺炎在全球肆虐,让所有船队都停顿了,英,美,意三国更是染疫严重,原本定的世界系列赛意大利站和英国站都被取消了。相比之下新西兰的疫情算轻多了,但也还是处于封国状态。年底的Prada杯和明年的美洲杯帆船赛能否如期举行,也只能看疫情的发展了。


来源: 新西兰环球水上运动俱乐部



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