难以打破的人力水翼船速度

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1991年10月寒冷的一天,由物理学家马克·德雷拉(Mark Drela)率领的麻省理工学院(MIT)的一个团队创下了人力舰船的最高时速纪录。他们的水翼船"Decavitator"号在流经波士顿的查尔斯河(Charles River)上的一段长100米(330英尺)的河道上达到了18.5节(时速21.3英里/34公里)的速度。

Decavitator看起来和穿梭在希腊岛屿之间的水翼船很不一样。它更像是双体船,有两个薄的船体,后面绑了一个巨大的飞机螺旋桨。一名自行车骑手——德雷拉本人——在两条船体之间用力踩踏板。

1993年春天,Decavitator团队获得了杜邦人力舰船最高速度奖。在创下纪录的那次航行之后,这艘船在波士顿科学博物馆(Boston's Museum of Science)的入场大厅展出。

经过二十五年,尽管有很多次尝试,但是这一纪录仍然无人能破。

不过,由动物学家阿德里安·托马斯(Adrian Thomas)共同创立的牛津大学创业孵化器产物“Animal Dynamics”公司正投入20万英镑(26万美元),希望打破该纪录。他们的Malolo号像Decavitator一样是水翼船。不同之处是Malolo的设计灵感来自于鲸鱼游泳的方式——不是用螺旋桨,而是设计了一条拱形大尾巴,就像鲸鱼潜入水下时,有时会露在水上的尾巴。

在项目开始两年后,该团队已经开始在英格兰南海岸测试第三艘原型船。据托马斯的说法,他们已经达到了约12节(时速13.8英里/22公里)的速度。

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Image caption Malolo号设计利用了类似鲸鱼尾巴的原理(图片来源:David Hills)

他们预期在明年打磨至少三艘新的原型船之后再冲击纪录,每艘原型都会比之前的更小、更轻。

问题是,他们能否打破Decavitator以后无人能超过的纪录?

人力交通工具只能以人的肌肉力量为动力。对于我们大多数人来说,那就是自行车。然而,自行车也可用于空中飞行,在海下潜水,甚至在铁轨上骑行。

自行车是许多人的日常交通方式,但人力交通工具的原理也可以开发成供游客使用的全新交通方式,或者像测试新技术那样用来做更重要的事情——打破记录,赢下大奖或者建立声誉。

在冲击水中航行纪录之前,德雷拉曾参与过人力飞机的设计,并创下纪录,这使得很少有团队拥有他如此丰富的经验。他在人力飞机方面最大的成就是1988年的以希腊神话人物代达洛斯(Daedalus)命名的人力飞行器,完成从克里特岛到圣托里尼岛的飞行。这次飞行在速度和持久力方面创下了人力飞机的纪录。

在回到美国的时候,德雷拉的团队注意到赢得杜邦大奖的纪录是1988年创下的。只要在百米航线上达到20节的船速,或者在1992年12月31日之前达到最快速度,即可赢得该奖。

德雷拉发现,他们团队获奖唯一的办法就是设计人力水翼。

水翼船部分是船,部分是飞机。它们通常用于联系偏远的岛屿或实现快速通勤。随着船开始加速,船体下面的像滑雪板一样的机翼会把船托出水面,就像机翼帮助飞机升空一样。

第一个水翼是在19世纪末发明的。然后,直至1955年,德国工程师朱利叶斯·沙克(Julius Schuck)才向公众展示第一台人力水翼船。他称之为Wasserlaufer(滑水机)。

从那时起,人们建造了许多不同种类的单座乃至双座水翼船,有的叫AquaSkipper,有的称为Foiled Again,还有叫Mutiny on the Boundary Layer。这些船有的使用水下螺旋桨,有的使用水上螺旋桨,有的会拍打翅膀乃至桨,使它们快到足以起飞。飞鱼号(Flying Fish)的初版甚至是从弹射器上发射的。日本举行了很多壮观的比赛。

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Image caption 这个速度记录可能看起来不是那么快,但是在水上高速移动需要付出巨大的努力(图片来源:David Hills)

对德雷拉等工程师的吸引力是人力水翼船是水上速度最快的人力交通工具。牛津和剑桥的赛艇比赛所使用的狭长的八人船仍然无法击败许多年前Decavitator的记录。

"我以为我的纪录最终会被打破,"德雷拉说, "我们带着大量其他人力交通工具项目的经验来做这个项目,但这仍然是一个巨大的难题。

"这比建造飞机要困难得多。如果你坐在飞机上遇到颠簸,这不是一个问题,甚至是落差一英尺都没事。但是对水翼船而言,漂移几英寸也可能会酿成一场灾难。"

"有许多团队进行了尝试,但是未能打破纪录,因为有能力做到这一点的人很少,他们没有足够的时间完成,而且成本也很高,"Animal Dynamics的联合创始人阿德里安·托马斯说, "你需要有充足的资金,亲自去试错。"

他补充道:"现在这个阶段对爱好者来说太烧钱了,需要许多不同的技能才能做到。这可能是麦克·德雷拉能够成功的原因。他有非常不错的技能组合,并得到麻省理工学院的支持。"

然而,在这个小圈子里,一些人认为,Decavitator的胜利归根到底是尾部气流的功劳。

"杜邦奖规则允许利用较小的、约每小时3英里(4.8公里)的尾部气流。"对手Flying Fish 20(飞鱼20号)的联合设计师艾伦·阿伯特(Allan Abbott)说。1987年,自行车奥运金牌得主史蒂夫·黑格(Steve Hegg)在长滩海洋体育场2000米的奥林匹克赛道上,通过飞鱼2号创造了世界纪录5分48.54秒(11.15节)。虽然这个纪录并不十分耀眼,但至今仍屹立不倒。

"Decavitator在设计上利用了这一规则并采用空气螺旋桨。与水中螺旋桨的助推力相比,尾风带来的推进力要大得多。

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Image caption Malolo预计将在2018年尝试打破纪录(图片来源:David Hills)

随后,1992年12月在加利福尼亚州的布丁斯通水库(Puddingstone Reservoir)进行了一场势均力敌的比赛,在风速几乎可以忽略不计的情况下,Decavitator的速度比飞鱼稍慢。

"高速冲刺纪录需要专为高速度设计的水翼,"他说,"这是不切实际的,因为如果达不到冲刺的速度,它根本就不可能起飞。"

"对目前想要打破纪录的人,我有什么建议吗?那就是找到项目的赞助商。在一场极速比赛中不太可能找到任何值得推向市场的东西。

然而,Animal Dynamics的联合创始人兼首席执行官托马斯和亚历克斯·卡齐亚(Alex Caccia)都有信心将以20节以上的速度打破纪录——而且他们将获得一些能够推向市场的东西。

Animal Dynamics是一家具有差异优势的高科技公司。其技术灵感来源于大自然。它正在开发一种口袋大小的无人机,被英国国防部称为Skeeter,其灵感来自蜻蜓,并使用扑翼来飞行。该公司刚刚拿下了一项合同,要开发一个自带动力降落伞的原型,未来可以帮助给前线士兵提供补给。

根据托马斯和卡齐亚的说法,这个项目的经验教训帮助解决了Malolo的工程中遇到的挑战。

"现在我们有机会打破纪录是因为鲸鱼尾翼的推动方式比螺旋桨增加了20-30%的效率,"阿德里安•托马斯说。"只是做起来很难。"

"很多人都研究过,尝试过,但都没有实际开发出来。我认为这是因为开发一个高效的驱动机制很困难。"

该设计的挑战是将自行车手的圆周运动转换成翅片的上下摆动,同时不损失太多的效率。

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Image caption 大型轮船所占的世界温室气体排放量的比重相当大(图片来源:Alamy)

"有一些办法来做尾翼,我们现在有不少专利了,"托马斯补充道, "但这是一个大问题。"

"对于许多团队来说,让螺旋桨和自行车手配合比较容易,"卡齐亚说。

托马斯和卡齐亚的目光远远超过了创下新纪录:这项技术将清理全球污染最严重的行业之一——船运业——以帮助清洁空气,降低全球气温。

研究表明,一艘世界上最大的集装箱船排放出的污染物相当于大约5000万辆汽车。此外,世界上16艘最大轮船排放的氮氧化物和硫氧化物相当于世界7.6亿辆汽车的排放总量。

托马斯说:"我们真正感兴趣的是使用鲸鱼尾巴作为船舶推进的一种形式。我们不必建造像鲸鱼一样的船;我们只需要用上下摆动的尾翼替代螺旋桨。

"其流体力学和机械原理与Malolo是一样的。好的一点是,已经有液压机制可以像鲸鱼的尾巴一样工作。

在牛津北部的实验室附近的一个水箱里,他们将很快开始测试一个由上下摆动的尾翼而非螺旋桨推进的舷外马达。

"鲸尾推进器可以为航运业节约20%到30%的燃油消耗。行业正在向自动驾驶船舶转型,现在正是推出更有效的推进系统的时候。

亚历克斯·卡齐亚说:"最后,我们想要打破记录,因为它将让这种新颖的技术获得公众认可。"

这才是值得赢取的大奖。

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