難以打破的人力水翼船速度

馬克·皮埃辛

1991年10月寒冷的一天，由物理學(xué)家馬克·德雷拉率領(lǐng)的麻省理工學(xué)院的一個(gè)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)下了人力艦船的最高時(shí)速紀(jì)錄。他們的水翼船“Decavitator（劊子手）”號(hào)在流經(jīng)波士頓的查爾斯河上的一段長(zhǎng)100米的河道上達(dá)到了18.5節(jié)（時(shí)速21.3英里/34公里）的速度。

Decavitator看起來(lái)和穿梭在希臘島嶼之間的水翼船很不一樣。它更像是雙體船，有兩個(gè)薄的船體，后面綁了一個(gè)巨大的飛機(jī)螺旋槳。一名自行車騎手，德雷拉本人，在兩條船體之間用力踩踏板。

1993年春天，Decavitator團(tuán)隊(duì)獲得了杜邦人力艦船最高速度獎(jiǎng)。在創(chuàng)下紀(jì)錄的那次航行之后，這艘船在波士頓科學(xué)博物館的入場(chǎng)大廳展出。

經(jīng)過(guò)25年，盡管有很多次嘗試，但是這一紀(jì)錄仍然無(wú)人能破。

不過(guò)，由動(dòng)物學(xué)家阿德里安·托馬斯共同創(chuàng)立的牛津大學(xué)創(chuàng)業(yè)孵化器產(chǎn)物“Animal Dynamics”公司正投入20萬(wàn)英鎊（26萬(wàn)美元），希望打破該紀(jì)錄。他們的Malolo號(hào)像Decavitator一樣是水翼船。不同之處是Malolo的設(shè)計(jì)靈感來(lái)自于鯨魚游泳的方式，不是用螺旋槳，而是設(shè)計(jì)了一條拱形大尾巴，就像鯨魚潛入水下時(shí)，有時(shí)會(huì)露在水上的尾巴。

在項(xiàng)目開始兩年后，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始在英格蘭南海岸測(cè)試第三艘原型船。據(jù)托馬斯的說(shuō)法，他們已經(jīng)達(dá)到了約12節(jié)（時(shí)速13.8英里/22公里）的速度。

他們預(yù)期在明年打磨至少三艘新的原型船之后再?zèng)_擊紀(jì)錄，每艘原型都會(huì)比之前的更小、更輕。

問(wèn)題是，他們能否打破Decavitator以后無(wú)人能超過(guò)的紀(jì)錄？

人力交通工具只能以人的肌肉力量為動(dòng)力。對(duì)于我們大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，那就是自行車。然而，自行車也可用于空中飛行，在海下潛水，甚至在鐵軌上騎行。

自行車是許多人的日常交通方式，但人力交通工具的原理也可以開發(fā)成供游客使用的全新交通方式，或者像測(cè)試新技術(shù)那樣用來(lái)做更重要的事情，打破記錄，贏下大獎(jiǎng)或者建立聲譽(yù)。

在沖擊水中航行紀(jì)錄之前，德雷拉曾參與過(guò)人力飛機(jī)的設(shè)計(jì)，并創(chuàng)下紀(jì)錄，這使得很少有團(tuán)隊(duì)擁有他如此豐富的經(jīng)驗(yàn)。他在人力飛機(jī)方面最大的成就是1988年的以希臘神話人物代達(dá)洛斯命名的人力飛行器，完成從克里特島到圣托里尼島的飛行。這次飛行在速度和持久力方面創(chuàng)下了人力飛機(jī)的紀(jì)錄。

在回到美國(guó)的時(shí)候，德雷拉的團(tuán)隊(duì)注意到贏得杜邦大獎(jiǎng)的紀(jì)錄是1988年創(chuàng)下的。只要在百米航線上達(dá)到20節(jié)的船速，或者在1992年12月31日之前達(dá)到最快速度，即可贏得該獎(jiǎng)。

德雷拉發(fā)現(xiàn)，他們團(tuán)隊(duì)獲獎(jiǎng)唯一的辦法就是設(shè)計(jì)人力水翼。

水翼船部分是船，部分是飛機(jī)。它們通常用于聯(lián)系偏遠(yuǎn)的島嶼或?qū)崿F(xiàn)快速通勤。隨著船開始加速，船體下面的像滑雪板一樣的機(jī)翼會(huì)把船托出水面，就像機(jī)翼幫助飛機(jī)升空一樣。

第一個(gè)水翼是在19世紀(jì)末發(fā)明的。然后，直至1955年，德國(guó)工程師朱利葉斯·沙克才向公眾展示第一臺(tái)人力水翼船。他稱之為Wasserlaufer（滑水機(jī)）。

從那時(shí)起，人們建造了許多不同種類的單座乃至雙座水翼船，有的叫AquaSkipper，有的稱為Foiled Again，還有叫Mutiny on the Boundary Layer。這些船有的使用水下螺旋槳，有的使用水上螺旋槳，有的會(huì)拍打翅膀乃至槳，使它們快到足以起飛。飛魚號(hào)的初版甚至是從彈射器上發(fā)射的。日本舉行了很多壯觀的比賽。

對(duì)德雷拉等工程師的吸引力是人力水翼船是水上速度最快的人力交通工具。牛津和劍橋的賽艇比賽所使用的狹長(zhǎng)的八人船仍然無(wú)法擊敗許多年前Decavitator的記錄。

“我以為我的紀(jì)錄最終會(huì)被打破，”德雷拉說(shuō)，“我們帶著大量其他人力交通工具項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)來(lái)做這個(gè)項(xiàng)目，但這仍然是一個(gè)巨大的難題?！?/p>

“這比建造飛機(jī)要困難得多。如果你坐在飛機(jī)上遇到顛簸，這不是一個(gè)問(wèn)題，甚至是落差一英尺都沒(méi)事。但是對(duì)水翼船而言，漂移幾英寸也可能會(huì)釀成一場(chǎng)災(zāi)難?！?/p>

“有許多團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了嘗試，但是未能打破紀(jì)錄，因?yàn)橛心芰ψ龅竭@一點(diǎn)的人很少，他們沒(méi)有足夠的時(shí)間完成，而且成本也很高，”Animal Dynamics的聯(lián)合創(chuàng)始人阿德里安·托馬斯說(shuō)，“你需要有充足的資金，親自去試錯(cuò)?！?/p>

他補(bǔ)充道：“現(xiàn)在這個(gè)階段對(duì)愛好者來(lái)說(shuō)太燒錢了，需要許多不同的技能才能做到。這可能是麥克·德雷拉能夠成功的原因。他有非常不錯(cuò)的技能組合，并得到麻省理工學(xué)院的支持?！?/p>

然而，在這個(gè)小圈子里，一些人認(rèn)為，Decavitator的勝利歸根到底是尾部氣流的功勞。

“杜邦獎(jiǎng)規(guī)則允許利用較小的、約每小時(shí)3英里（4.8公里）的尾部氣流。”對(duì)手Flying Fish 20（飛魚20號(hào)）的聯(lián)合設(shè)計(jì)師艾倫·阿伯特說(shuō)。1987年，自行車奧運(yùn)金牌得主史蒂夫·黑格在長(zhǎng)灘海洋體育場(chǎng)2000米的奧林匹克賽道上，通過(guò)飛魚2號(hào)創(chuàng)造了世界紀(jì)錄5分48.54秒（11.15節(jié)）。雖然這個(gè)紀(jì)錄并不十分耀眼，但至今仍屹立不倒。

Decavitator在設(shè)計(jì)上利用了這一規(guī)則并采用空氣螺旋槳。與水中螺旋槳的助推力相比，尾風(fēng)帶來(lái)的推進(jìn)力要大得多。

隨后，1992年12月在加利福尼亞州的布丁斯通水庫(kù)進(jìn)行了一場(chǎng)勢(shì)均力敵的比賽，在風(fēng)速幾乎可以忽略不計(jì)的情況下，Decavitator的速度比飛魚稍慢。

“高速?zèng)_刺紀(jì)錄需要專為高速度設(shè)計(jì)的水翼，”他說(shuō)，“這是不切實(shí)際的，因?yàn)槿绻_(dá)不到?jīng)_刺的速度，它根本就不可能起飛?！?/p>

對(duì)目前想要打破紀(jì)錄的人，我有什么建議嗎？那就是找到項(xiàng)目的贊助商。在一場(chǎng)極速比賽中不太可能找到任何值得推向市場(chǎng)的東西。

然而，Animal Dynamics的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官托馬斯和亞歷克斯·卡齊亞都有信心將以20節(jié)以上的速度打破紀(jì)錄——而且他們將獲得一些能夠推向市場(chǎng)的東西。

Animal Dynamics是一家具有差異優(yōu)勢(shì)的高科技公司。其技術(shù)靈感來(lái)源于大自然。它正在開發(fā)一種口袋大小的無(wú)人機(jī)，被英國(guó)國(guó)防部稱為Skeeter，其靈感來(lái)自蜻蜓，并使用撲翼來(lái)飛行。該公司剛剛拿下了一項(xiàng)合同，要開發(fā)一個(gè)自帶動(dòng)力降落傘的原型，未來(lái)可以幫助給前線士兵提供補(bǔ)給。

根據(jù)托馬斯和卡齊亞的說(shuō)法，這個(gè)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)幫助解決了Malolo的工程中遇到的挑戰(zhàn)。

“現(xiàn)在我們有機(jī)會(huì)打破紀(jì)錄是因?yàn)轹L魚尾翼的推動(dòng)方式比螺旋槳增加了20-30%的效率，”阿德里安·托馬斯說(shuō)?！爸皇亲銎饋?lái)很難。”

“很多人都研究過(guò)，嘗試過(guò)，但都沒(méi)有實(shí)際開發(fā)出來(lái)。我認(rèn)為這是因?yàn)殚_發(fā)一個(gè)高效的驅(qū)動(dòng)機(jī)制很困難。”

該設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)是將自行車手的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成翅片的上下擺動(dòng)，同時(shí)不損失太多的效率。

“有一些辦法來(lái)做尾翼，我們現(xiàn)在有不少專利了，”托馬斯補(bǔ)充道，“但這是一個(gè)大問(wèn)題?！?/p>

“對(duì)于許多團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，讓螺旋槳和自行車手配合比較容易，”卡齊亞說(shuō)。

托馬斯和卡齊亞的目光遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了創(chuàng)下新紀(jì)錄：這項(xiàng)技術(shù)將清理全球污染最嚴(yán)重的行業(yè)之一，船運(yùn)業(yè)，以幫助清潔空氣，降低全球氣溫。

研究表明，一艘世界上最大的集裝箱船排放出的污染物相當(dāng)于大約5000萬(wàn)輛汽車。此外，世界上16艘最大輪船排放的氮氧化物和硫氧化物相當(dāng)于世界7.6億輛汽車的排放總量。

托馬斯說(shuō)：“我們真正感興趣的是使用鯨魚尾巴作為船舶推進(jìn)的一種形式。我們不必建造像鯨魚一樣的船；我們只需要用上下擺動(dòng)的尾翼替代螺旋槳?！?/p>

其流體力學(xué)和機(jī)械原理與Malolo是一樣的。好的一點(diǎn)是，已經(jīng)有液壓機(jī)制可以像鯨魚的尾巴一樣工作。

在牛津北部的實(shí)驗(yàn)室附近的一個(gè)水箱里，他們將很快開始測(cè)試一個(gè)由上下擺動(dòng)的尾翼而非螺旋槳推進(jìn)的舷外馬達(dá)。

鯨尾推進(jìn)器可以為航運(yùn)業(yè)節(jié)約20%～30%的燃油消耗。行業(yè)正在向自動(dòng)駕駛船舶轉(zhuǎn)型，現(xiàn)在正是推出更有效的推進(jìn)系統(tǒng)的時(shí)候。

亞歷克斯·卡齊亞說(shuō)：“最后，我們想要打破記錄，因?yàn)樗鼘⒆屵@種新穎的技術(shù)獲得公眾認(rèn)可。”

這才是值得贏取的大獎(jiǎng)。

（編輯/費(fèi)勒萌）