Hydroptère: razendsnel over de oceaan

De Hydroptère is ontwikkeld in de periode 1976 tot 2009 via een aantal modellen en echt zeilende schepen op steeds grotere schaal. De laatste versie (zie foto's) was 60 voet lang en 72 voet breed. Dat schip bereikte ooit een topsnelheid van 104.3 km/h - dat is sneller dan de gemiddelde snelheid op Nederlandse autowegen, en dat met alleen maar wind als drijvende kracht. Wie in de energie transitie naar duurzame oplossingen zoekt zou daarom serieus naar geavanceerd zeilen moeten kijken.

Het basis idee achter de Hydroptère is om een schip te laten vliegen boven het water en op die manier de weerstand door waterverplaatsing te minimaliseren. Het schip komt boven het water uit doordat draagvleugels (hydrofoils) onder de romp het schip optillen. Deze draagvleugels werken net zoals de vleugels van een vogel:  het langsstromende medium (hier water) wordt door de vorm van de draagvleugel gedwongen een beetje van richting te veranderen en dit veroorzaakt een kracht naar boven - deze lift kracht tilt de draagvleugel naar boven, en daarmee komt het schip grotendeels boven water. De weerstand wordt een stuk kleiner en het schip gaat veel sneller varen.

Het specifieke idee van de Hydroptère is hoe je een draagvleugel moet ontwerpen om de vlucht stabiel te laten zijn. Als het schip te ver boven water komt kan het gelanceerd worden (helemaal uit het water komen), waardoor het een fractie van een seconde later zal crashen (omdat de krachtenbalans in op de draagvleugels totaal anders is dan in lucht. Het tegenovergestelde moet ook vermeden worden: als de romp daalt mag het schip niet crashen door tegen een golftop te komen. Er is dus een vrij kleine band in vlieghoogte waarbinnen het schip moet opereren. Omdat alles bij hoge snelheid razendsnel gaat, moet het balanceren van het schip automatisch geschieden - menselijke controle is te traag of niet betrouwbaar genoeg om ongelukken te voorkomen,

De hier gekozen oplossing voor deze problematiek zijn draagvleugels die onder een hoek met het horizontale vlak staan, en smaller worden naar grotere diepte. Door het smaller worden zal het draagvlak minder lift genereren naarmate het schip verder uit het water komt (dit voorkomt te hoog vliegen). Wanneer het schip overhelt naar bakboord of stuurboord zal de scheve vorm van de draagvleugels een kracht veroorzaken die het schip weer in balans zal brengen (de vleugel die het diepst in het water zit levert de grootste lift kracht).

Dit zelf-balancerende principe was goed bedacht door de initiator van het Hydroptère concept, Éric Tabarly. Er was flink wat modelwerk, engineering en proefondervindelijk verbeteren nodig om het helemaal goed te krijgen. Er is een leuke korte documentaire over de geschiedenis van de Hydroptère (1).

De zeilen van de Hydroptère zijn conventioneel: een mast met grootzeil en fok. Dit is een degelijke en betrouwbare keuze, ingegeven door de noodzaak in zeer harde wind te kunnen zeilen (dus reefbaarheid van het zeil is vereist, en onder alle omstandigheden een goed zeil profiel is zeer wenselijk). 

De krachten op de constructie zijn enorm - wie bij 100 km/h frontaal tegen een golf aankomt krijgt een enorme klap te verduren. Dat is ook wel een paar keer misgegaan (1).

Wat verder opvalt bij de Hydroptère is dat de draagvleugels het volledige gewicht van de boot moeten dragen. Een twee keer zo zwaar schip heeft dus twee keer zoveel lift nodig. Omdat voor een vleugelprofiel de verhouding tussen lift en weerstand ongeveer constant is (beter dan de optimum waarde krijg je het niet), betekent dit dat een zwaar schip ook evenredig meer weerstand zal hebben; je kunt zeilende draagvleugel schepen daarom alleen werkend krijgen als het gewicht laag genoeg is. Hier komt nog bij dat de draagvleugels ook de dwarskrachten moeten opvangen (de wind kracht op het zeil wil de boot laten kantelen, en de draagvleugels moeten dit voorkomen, anders slaat het schip om). Het lijkt erop dat de Hydroptère wel ongeveer het maximale gewicht heeft waarvoor je een vliegende boot praktisch nog te realiseren is. Immers, gewicht gaat met de derde macht van de lineaire afmetingen, dus een schip wat twee keer groter zou zijn is acht keer zo zwaar, terwijl het zeil maar vier keer zo groot wordt (als je geometrisch gelijkvormig opschaalt).  Waar de grenzen precies liggen is alleen proefondervindelijk te bepalen - en grenzen kunnen altijd wat worden opgerekt door goed te engineering.

Een uniek aspect van de Hydroptère is dat het, anders dan de meeste andere record boten (zie 6), voor lange afstanden gebruikt kan worden en zelfs geschikt is voor de oceaan. Je kunt er alle koersen mee varen en zelfs mee laveren. Bij lagere snelheden is het gewoon een trimaran in verdringersvaart, met de zeileigenschappen die daarbij horen.

Onder zeil enthousiasten heeft de Hydroptère een welhaast mythische status behaald - dat was te merken toen het schip na een lange afstandstocht van Los Angelos (Californië) naar Honolulu (Hawaii) in een financieel fiasco geraakt was - alle gelden waren op en nieuwe sponsors kwamen niet. In een discussie forum op internet vergeleek een zeiler de Hydroptère toen met de Lockheed SR 71 Blackbird, het legendarische Amerikaanse vliegtuig dat meer dan drie keer sneller dan het geluid kon vliegen op enorme hoogte (3), (7).