Vuoden 2013 America’s Cup toi foilipurjehduksen ryminällä suuren yleisön tietoisuuteen. 72-jalkaisten kattien Emirates Team New Zealandin ja Oracle Team USA:n huima kamppailu esitteli veneitä ja nopeuksia, jollaisia ei ennen ollut nähty.

Sen jälkeen kantosiiville ponnistavien pursien kisaluokkia vaikuttaa syntyneen kuin sieniä sateella. Aivan viime aikoina ovat huomiota keränneet myös tavallisemmille purjehtijoille tarkoitetut foiliprojektit, kuten Helsingin messuilla esitelty Gunboat G4, vaikka itse venettä ei valitettavasti nähtykään.

Äkillinen foiliveneiden runsaus on kuitenkin osin vain vaikutelmaa. Katsaus kantosiipien historiaan ja fysiikkaan selittää, miksi ne juuri nyt nousivat pintaliitoon. Se paljastaa myös hieman yllättävästi, etteivät isot AC-katit oikeastaan edusta foilauksen viimeisintä kärkeä eivätkä suuntaa tulevaisuuteen – tähän tosin pitää tehdä suuri varaus, sillä America’s Cup on usein lähtenyt kehityksessään aivan arvaamattomaan suuntaan.

C-luokan katamaraanit ovat olleet tärkeä laboratorio muotoiltujen kölien ja foilien kehityksessä.

Yli vuosisata foileja

Tiettävästi jo 1860-luvulla Ranskassa haettiin patenttia soutuveneeseen liitettävälle kantosiivelle. Sitä paremmin tunnetaan italialaisen Enrico Forlanin vuonna 1906 rakentama moottorivene, joka ajoi kantosiipien varassa silloisen nopeusennätyksen 36,9 solmua. Veneen tikapuumallinen siipi käy hyvin esimerkiksi ongelmista, joiden kanssa kamppaillaan vielä tänäkin päivänä.

Kantosiiven tarkoitus on tuottaa noste, jolla veneen runko irtoaa vedestä. Silloin märkäpinnan kitka poistuu. Vielä merkittävämpää on, että uppoaman synnyttämästä keula-aallosta ja siten runkonopeuden rajoituksesta päästään eroon.

Nosteen määrä riippuu siiven pinta-alasta, kohtauskulmasta ja nopeudesta. Vertauskuvaksi voi ajatella soutajaa, joka antaa aironsa viistää veden halki. Pinnan suuntainen lapa seuraa keveästi, mutta ilman nostetta. Lapaa kääntämällä noste lisääntyy, mutta niin jarrutuskin. Mitä kovempaa mennään, sitä vähemmän kulmaa ja pinta-alaa tarvitaan samaan nosteeseen.

Forlanin tikapuumallissa jokainen ”puola” oli siipi. Vauhdin kasvaessa vene nousi ylemmäs, jolloin nostava – ja samalla jarruttava – pinta-ala väheni aina puolan noustessa vedestä. Saman periaatteen toteutti yksinkertaisemmalla rakenteella muotonsa ansiosta V-mallinen siipi. Se oli toinen varhainen ratkaisu ja toimi etenkin moottoriveneissä erinomaisesti.

Moottoriveneissä vauhdin säätö oli yksinkertaista ja tehoa lisäämällä oli helppo kompensoida siipiviritysten perusongelmat: jykevän rakenteen tuottama painon kasvu ja siipien suuri vastus ennen liitoon nousua. Purjeveneissä nuo kaksi tekijää olivat jarruja, joista vapautuminen kiteytyy kahteen sanaan: hiilikuitu ja jollapurjehtijat.

Pienistä pajoista vauhtia

Nykyisen Moth-luokan esi-isiksi laskettavat kantosiipijollat olivat hyvässä kiidossa Australiassa ja Yhdysvalloissa jo 1930-luvulle tultaessa, ja pian kokeilut virisivät Euroopassakin. Juuri näissä jollissa tehtiin suuri osa innovaatioista, joiden tuloksia nyt niitetään laajemmin.

Jollat olivat riittävän yksinkertaisia soveltuakseen kokeilunhaluisten harrastajien yksityisiksi rakennuskohteiksi. Niissä myös purjealan eli tehon suhde painoon oli riittävän suuri alkuvastuksen voittamiseen, eivätkä siipien tukirakenteet kasvaneet kohtuuttomiksi.

Hyvin varhain jollaväki päätyi siihen, että hiljaisen vauhdin pienin vastus ja siten alhaisin nopeus liitoon nousulle saavutettiin siivellä, joka oli sijoitettu kölin pohjaan. Nosteen oikea määrä syntyi säätämällä kohtauskulmaa siiven takareunaa kääntämällä. Nykyisten Mothien järjestelmä on yksinkertaisuudessaan nerokas, ja oikeastaan koko siipiteknologian huippukohta.

Keulassa on pystysuuntainen, veteen ulottuva sauva. Siitä on johdettu vaijeri siiven takareunaan. Mitä syvemmällä ja hitaammin vene kulkee, sitä enemmän vaijeri kääntää siipeen nostetta. Veneen ja vauhdin noustessa sauva oikenee ja vetää vaijerillaan siipeä vähemmän jarruttavaksi.

Perusoivalluksen jälkeen loppu on ollut oikeastaan ”vain” viimeistelyä ja painon vähentämistä. Komposiittimateriaalien saatavuuden paraneminen, halpeneminen ja kehittyminen helpommin käytettäviksi ovat kaikki ruokkineet juuri pienten nyrkkipajojen pysymistä kehityksen kärjessä. Hiilikuiturakenteiden valmistus autotalleissa tuli ensin mahdolliseksi, nyt se on jo yleistä.

Tasapainokysymys

Mutta mikä toimii jollassa, ei kuitenkaan tepsinyt suuremmissa yksirunkoisissa. Pienempi ongelma on tehopainosuhde, joka monissa kilpapursissa on periaatteessa jo riittävä. 2000-luvun puolivälistä on tieto ainakin yhdestä suunnitelmasta, jossa Open 60 -luokan purteen suunniteltiin yhden foilin järjestelmää.

Vaikea kysymys koskee tasapainoa. Keskisiipi ei anna oikaisevaa momenttia lainkaan. Jollissa miehistön paino suhteessa veneen massaan on niin suuri, että se riittää vastapainoksi purjeiden kallistavalle momentille. Suuremmissa veneissä tilanne on toinen, eikä painokölistä voida kokonaan luopua.

Monirunkoisissa veneissä ja erityisesti katamaraaneissa oikaisevaa momenttia antaa veneen leveys, eikä köli ole painorasitteena. Niinpä ne ovat vallanneet ykkösaseman kantosiipien soveltamisessa avomeripurjehdukseen.

Jo 1970-luvulla David Keiperin trimaraani Williwaw kierteli pitkin, poikin eteläistä Tyyntämerta V-siipi keskirungon keulassa ja tikapuusiipi perässä. Se oli puhdas matkapursi, mutta jo seuraavalla vuosikymmenellä alkoi nopeusennätysten rikkomiseen rakennettujen foilaavien monirunkoveneiden esiinmarssi.

Kaikki niistä eivät suinkaan pyrkineet kokonaan irti vedestä. Siipien ylöspäin suuntautuvalla nosteella kyllä vähennettiin uppoamaa, mutta yhtä tärkeää oli sivuttaisen nosteen hyödyntäminen parempaan nousukulmaan.

Alain Thébaultin L’Hydroptère oli vuonna 1994 varustettu sivurungoista lähtevillä, viistosti keskelle suunnatuilla siivillä, jotka muodostivat tavallaan kärjestä katkaistun V:n. Merkittävä osa alkuvastuksesta oli näin saatu pois. Siivet myös lisäsivät automaattisesti oikaisevaa momenttia: veneen kallistuessa suojanpuoleisen siiven noste kasvoi.

Videolla Alain Thébault esittelee L’Hydroptèren

Kiemuroita nostoköleihin

Seuraava askel oli sivuttaisen ja ylöspäin suuntautuvien nosteiden tarkempi hallinta siipiä muotoilemalla. Tämäkin kehitys tapahtui pienemmissä monirunkoluokissa harrastajien voimin. Iso poikkeus ovat ORMA 60 -luokan trimaraanit, joiden suuret kisat Atlantilla ovat erityisesti ranskalaisille ja briteille merkittäviä tapahtumia.

Näissä luokissa alkoi fuusioituminen, jonka lopputuloksista on vaikea sanoa täsmällisesti, onko kyseessä muotoiltu nostoköli vai nostettava kantosiipi.

Pääjako muodoissa on C-, S- ja L-profiilit. Kaikissa tarkoitus on sama, mutta tavoitteen painopiste erilainen: foilin syvyyttä muuttamalla säädetään sitä, missä suhteessa se kullakin nopeudella tuottaa nostetta ylös ja sivulle – haetaanko parasta nousukulmaa vai suurinta vauhtia. Tarve on luonnollisesti erilainen sen mukaan, purjehditaanko rataa, matkaa vai ennätystestiä.

Juuri nostokölin ja kantosiiven eron vähäisyys toi foilauksen America’s Cupiin. Vuoden 2013 kisoihin valmistauduttaessa kantosiivet eivät olleet sallittuja. Sen sijaan nostokölien L-muoto oli. Kun uusseelantilaiset kehittivät L-kölin, joka käytännössä toimi foilina, muiden oli pakko lähteä pinkomaan samasta ”porsaanreiästä”.

AC-säännöt eivät salli vieläkään liikkuvia eviä foileihin. Jos sääntö pysyy ennallaan, sovellukset kehittyvät edelleen muissa luokissa. Kuten AC-veneistä on nähty, ilman eväsäätöä foiliveneet ovat huippuvauhdikkaita, mutta samalla erittäin epävakaita.

Massojen ratkaisuksi ei sovellu, että veneen käsittelyyn palkataan bussilastillinen kypäräpäisiä ammattilaisia, ja silti kuolemanpelko on aina läsnä.

ORMA 60 -trimaraania ei nosteta foileilla kokonaan siipien varaan. Avomerikisoissa kulun vakaus on tärkeämpää kuin hetkellinen huippunopeus.

Jokamiehen tulevaisuus

Yksi ratkaisu säätöihin voisi löytyä tietokoneohjauksesta. Hävittäjälentokoneet tekevät bittien hallitsemina sellaisia manöövereitä, että ohjelmistoja pystytään varmasti kehittämään veneisiinkin. Niiden ja laitteistojen kehittämisen hinta kuitenkin siirtää toteutuksen tavallisen purjehtijan ulottuvilta arvaamattoman kauas.

Mothin halpa ja toimiva säätö on käytössä myös muun muassa Formula Whisperissä. Katamaraanina se ei vaadi yhtä aktiivista tasapainottelua, mutta yhteistä veneille on, että niillä purjehditaan verrattain tasaisissa oloissa lähellä rantaa. Sauvasäädön toimivuus heikkenee meriaallon kasvaessa, sitä nopeammin, mitä painavammasta veneestä on kyse.

Laajempi sovellusalue foileille löytyykin lähempää nostokölejä kuin kantosiipiä. Silloin ei päästä nopeushuippuihin, mutta muut edut saavutetaan. Pienempi uppoama parantaa vauhtia ja vähentää veneeseen sekä miehistöön aalloista kohdistuvia iskuja. Nousukulmat paranevat ja suojanpuolelle lisätty noste vakauttaa kulkua, kun jäykkyys kasvaa.

Yksirunkoisissa näitä etuja on hyödynnetty jo avomeripursissa – kääntyvä kölikin toimii osin foilin lailla. Muun muassa Open 60 ja Volvo 65 -veneiden nostokölit ovat ajatukseltaan jo pitkällä foilien suuntaan.

Mielenkiintoinen sovellus on DSS-kantosiipi (Vene 5/2009). Siinä vaakasuuntainen foili liu’utetaan veneessä olevaa tunnelia pitkin aina suojanpuolelle, jossa sen nostetta hyödynnetään juuri jäykkyyden ja vakauden lisäämiseen. Vielä mielenkiintoisemmaksi asian tekee, että järjestelmää tarjotaan asennettavaksi myös vanhoihin veneisiin.

Vastaus kysymykseen, onko sinun veneessäsi foili jo ensi kesänä, kuuluu siis näin: Saattaa ollakin, mutta lentoon sillä tuskin nouset.