Un hidroplano es una superficie sustentadora, o ala , que opera en el agua. Son similares en apariencia y propósito a los perfiles aerodinámicos utilizados por los aviones . Las embarcaciones que utilizan tecnología de hidroplano también se denominan simplemente hidroplanos. A medida que una embarcación hidroplano gana velocidad, los hidroplanos levantan el casco de la embarcación fuera del agua, lo que disminuye la resistencia y permite mayores velocidades.
El hidroplano suele constar de una estructura similar a un ala montada sobre puntales debajo del casco o sobre las quillas de un catamarán en una variedad de embarcaciones (ver ilustración). A medida que una embarcación equipada con hidroplano aumenta la velocidad, los elementos del hidroplano debajo del casco desarrollan suficiente sustentación para levantar el casco fuera del agua, lo que reduce en gran medida la resistencia del casco . Esto proporciona un aumento correspondiente en la velocidad y la eficiencia del combustible .
La creciente complejidad de su construcción y mantenimiento impide la adopción generalizada de hidroalas. Por lo general, los hidroalas son prohibitivamente más caros que las embarcaciones convencionales por encima de un cierto desplazamiento, por lo que la mayoría de las embarcaciones hidroalas son relativamente pequeñas y se utilizan principalmente como transbordadores de pasajeros de alta velocidad, donde las tarifas relativamente altas para los pasajeros pueden compensar el alto costo de la embarcación en sí. Sin embargo, el diseño es lo suficientemente simple como para que haya muchos diseños de hidroalas propulsados por humanos . La experimentación y el desarrollo del concepto por parte de aficionados es popular. [1]
Dado que el aire y el agua se rigen por ecuaciones de fluidos similares (aunque con diferentes niveles de viscosidad , densidad y compresibilidad) , el hidroplano y el aeroplano (ambos tipos de lámina ) crean sustentación de manera idéntica. La forma de la lámina se mueve suavemente a través del agua, desviando el flujo hacia abajo, lo que, siguiendo las ecuaciones de Euler , ejerce una fuerza ascendente sobre la lámina. Este giro del agua crea una mayor presión en la parte inferior de la lámina y una presión reducida en la parte superior. Esta diferencia de presión va acompañada de una diferencia de velocidad, a través del principio de Bernoulli , por lo que el campo de flujo resultante alrededor de la lámina tiene una velocidad promedio más alta en un lado que en el otro.
Cuando se utiliza como elemento de elevación en un hidroplano, esta fuerza ascendente eleva el cuerpo de la embarcación, lo que disminuye la resistencia y aumenta la velocidad. La fuerza de elevación finalmente se equilibra con el peso de la embarcación, llegando a un punto en el que el hidroplano ya no se eleva fuera del agua, sino que permanece en equilibrio. Dado que la resistencia de las olas y otras fuerzas obstaculizadoras, como varios tipos de resistencia (física) sobre el casco, se eliminan a medida que el casco se eleva, la turbulencia y la resistencia actúan cada vez más sobre la superficie mucho más pequeña del hidroplano y de manera cada vez menor sobre el casco, lo que crea un marcado aumento de la velocidad. [2]
Los primeros hidroplanos utilizaban perfiles en forma de V. Los hidroplanos de este tipo se conocen como "superficie perforante" porque partes de los hidroplanos en forma de V se elevan por encima de la superficie del agua cuando están suspendidos sobre los perfiles. Algunos hidroplanos modernos utilizan perfiles en forma de T invertida totalmente sumergidos. Los hidroplanos totalmente sumergidos están menos sujetos a los efectos de la acción de las olas y, por lo tanto, son más estables en el mar y más cómodos para la tripulación y los pasajeros. Sin embargo, este tipo de configuración no es autoestabilizante. El ángulo de ataque de los hidroplanos debe ajustarse continuamente a las condiciones cambiantes, un proceso de control realizado por sensores, una computadora y superficies activas.
La primera evidencia de un hidroplano en un barco aparece en una patente británica otorgada en 1869 a Emmanuel Denis Farcot, un parisino. Afirmaba que "adaptar a los costados y al fondo del barco una serie de planos inclinados o piezas en forma de cuña, que a medida que el barco avanza, tendrán el efecto de elevarlo en el agua y reducir el calado". [3] El inventor italiano Enrico Forlanini comenzó a trabajar en hidroplanos en 1898 y utilizó un sistema de hidroplanos en "escalera". Forlanini obtuvo patentes en Gran Bretaña y Estados Unidos para sus ideas y diseños. [4] [5]
Entre 1899 y 1901, el diseñador de barcos británico John Thornycroft trabajó en una serie de modelos con un casco escalonado y un solo foil de proa. En 1909, su empresa construyó el Miranda III , un barco a escala real de 22 pies (6,7 m) de largo . Impulsado por un motor de 60 hp (45 kW), navegaba sobre un foil de proa y una popa plana. Al Miranda IV posterior se le atribuyó una velocidad de 35 nudos (65 km/h; 40 mph). [6]
En mayo de 1904 se describió un hidroplano que se estaba probando en el río Sena "en las cercanías de París ". [7] Este barco fue diseñado por el conde de Lambert . [8] Este tenía 5 aletas de paso variable en el casco debajo del agua, tan inclinadas que cuando el barco comienza a moverse "el barco se eleva y los planos salen a la superficie" con el resultado de que "se desliza sobre la superficie con poco más que las hélices debajo de la superficie". El barco tenía cascos gemelos de 18 pies de largo conectados por una sola cubierta de 9 pies de ancho, y estaba equipado con un motor De Dion-Bouton de 14 HP ; se informó que el barco alcanzó 20 mph. Se afirmó que "El barco que se mueve prácticamente sobre sus aletas se parece a un aeroplano".
En un artículo de marzo de 1906 publicado en Scientific American , William E. Meacham, pionero estadounidense en hidroalas, se explicaba el principio básico de los hidroplanos. Alexander Graham Bell consideró que la invención del hidroplano (ahora considerado un tipo distinto, pero que también emplea sustentación) era un logro muy significativo y, tras leer el artículo, empezó a esbozar conceptos de lo que ahora se denomina hidroplano. Con su ingeniero jefe Casey Baldwin , Bell comenzó a realizar experimentos con hidroplanos en el verano de 1908. Baldwin estudió el trabajo del inventor italiano Enrico Forlanini y empezó a probar modelos basados en esos diseños, lo que condujo al desarrollo de las embarcaciones con hidroplanos. Durante la gira mundial de Bell de 1910-1911, Bell y Baldwin se reunieron con Forlanini en Italia, donde viajaron en su hidroplano sobre el lago Maggiore . Baldwin lo describió como algo tan suave como volar.
Al regresar al gran laboratorio de Bell en su finca de Beinn Bhreagh cerca de Baddeck, Nueva Escocia , experimentaron con una serie de diseños, que culminaron en el HD-4 de Bell . Usando motores Renault , se logró una velocidad máxima de 87 km/h (47 nudos; 54 mph), acelerando rápidamente, tomando olas sin dificultad, gobernando bien y mostrando buena estabilidad. El informe de Bell a la Marina de los Estados Unidos le permitió obtener dos motores de 260 kW (350 hp). El 9 de septiembre de 1919, el HD-4 estableció un récord mundial de velocidad marina de 114 km/h (62 nudos; 71 mph), que se mantuvo durante dos décadas. [9] Una réplica a escala real del HD-4 se puede ver en el museo del Sitio Histórico Nacional Alexander Graham Bell en Baddeck, Nueva Escocia.
A principios de la década de 1950, una pareja inglesa construyó el White Hawk , un hidroplano propulsado por chorro, en un intento de batir el récord absoluto de velocidad en el agua. [10] Sin embargo, en las pruebas, el White Hawk apenas pudo superar el récord de velocidad del HD-4 de 1919. Los diseñadores se habían enfrentado a un fenómeno de ingeniería que limita la velocidad máxima incluso de los hidroplanos modernos: la cavitación altera la sustentación creada por los alerones cuando se mueven a través del agua a una velocidad superior a los 60 nudos (110 km/h; 69 mph), doblando el alerón sustentador. [11]
El ingeniero alemán Hanns von Schertel trabajó en hidroplanos antes y durante la Segunda Guerra Mundial en Alemania . Después de la guerra, los rusos capturaron al equipo de Schertel. Como Alemania no estaba autorizada a construir lanchas rápidas, Schertel se fue a Suiza , donde estableció la empresa Supramar. En 1952, Supramar lanzó el primer hidroplano comercial, PT10 "Freccia d'Oro" (Flecha de Oro), en el lago Maggiore, entre Suiza e Italia . El PT10 es de tipo perforante de superficie, puede transportar 32 pasajeros y viajar a 35 nudos (65 km/h; 40 mph). En 1968, el banquero nacido en Bahréin Hussain Najadi adquirió Supramar AG y expandió sus operaciones a Japón, Hong Kong, Singapur, el Reino Unido, Noruega y los EE. UU. General Dynamics de los Estados Unidos se convirtió en su licenciataria, y el Pentágono le otorgó su primer proyecto de investigación naval de I+D en el campo de la supercavitación . Hitachi Shipbuilding de Osaka, Japón, fue otro licenciatario de Supramar, así como de muchos armadores y astilleros líderes en los países de la OCDE.
Entre 1952 y 1971, Supramar diseñó muchos modelos de hidroalas: PT20, PT50, PT75, PT100 y PT150. Todos son del tipo de perforación de superficie, excepto el PT150, que combina una lámina de perforación de superficie en la parte delantera con una lámina completamente sumergida en la parte trasera. Se construyeron más de 200 diseños de Supramar, la mayoría de ellos por Rodríguez (dirigido en ese momento por el ingeniero Carlo Rodríguez en Sicilia , Italia).
Durante el mismo período, la Unión Soviética experimentó ampliamente con hidroalas, construyendo barcos fluviales y transbordadores con diseños aerodinámicos durante el período de la guerra fría y en la década de 1980. Tales buques incluyen el tipo Raketa (1957), seguido por el tipo Meteor más grande y el tipo Voskhod más pequeño . Uno de los diseñadores / inventores soviéticos más exitosos en esta área fue Rostislav Alexeyev , a quien algunos consideran el "padre" del hidroala moderno debido a sus diseños de hidroalas de alta velocidad de la década de 1950. [ cita requerida ] Más tarde, alrededor de la década de 1970, Alexeyev combinó su experiencia en hidroalas con el principio del efecto de superficie para crear el Ekranoplan . La amplia inversión en este tipo de tecnología en la URSS dio como resultado la flota de hidroalas civiles más grande del mundo y la fabricación del tipo Meteor, el hidroala más exitoso en la historia, con más de 400 unidades construidas.
En 1961, SRI International publicó un estudio sobre "La viabilidad económica de los hidroplanos de pasajeros en el comercio interior y exterior de los Estados Unidos". [12] El uso comercial de los hidroplanos en los Estados Unidos apareció por primera vez en 1961, cuando Harry Gale Nye, Jr. encargó a North American Hydrofoils dos buques de cercanías para cubrir la ruta desde Atlantic Highlands, Nueva Jersey, hasta el distrito financiero del Bajo Manhattan. [13]
En 1940 se diseñó y construyó un hidroplano alemán de 17 toneladas , el VS-6 , que se terminó de construir en 1941 para su uso como minador. Se probó en el mar Báltico y alcanzó velocidades de 47 nudos. Durante los tres años siguientes se probó contra un hidroplano estándar , pero no se puso en producción. Al ser más rápido, podía transportar una mayor carga útil y era capaz de atravesar campos minados, pero era propenso a sufrir daños y era más ruidoso. [14]
En Canadá, durante la Segunda Guerra Mundial, Baldwin trabajó en un hidroplano experimental para la producción de humo (posteriormente llamado Comox Torpedo), que luego fue reemplazado por otra tecnología de producción de humo y un hidroplano experimental para remolcar objetivos. Los dos conjuntos de aletas delanteras de lo que se cree que es este último hidroplano fueron rescatados a mediados de la década de 1960 de un casco abandonado en Baddeck, Nueva Escocia, por Colin MacGregor Stevens. Estos fueron donados al Museo Marítimo de Halifax, Nueva Escocia.
Las Fuerzas Armadas canadienses construyeron y probaron varios hidroplanos (por ejemplo, el Baddeck y dos buques llamados Bras d'Or ), que culminaron con el hidroplano antisubmarino de alta velocidad HMCS Bras d'Or a fines de la década de 1960. Sin embargo, el programa se canceló a principios de la década de 1970 debido a que el ejército canadiense se alejó de la guerra antisubmarina . El Bras d'Or era un tipo de hidroplano de superficie que tuvo un buen desempeño durante sus pruebas, alcanzando una velocidad máxima de 63 nudos (117 km/h).
La URSS introdujo en su armada varias naves de ataque rápido basadas en hidroalas , principalmente:
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La Armada de los Estados Unidos comenzó a experimentar con hidroplanos a mediados de la década de 1950 al financiar un velero que usaba hidroplanos para alcanzar velocidades en el rango de 30 mph. [15] El XCH-4 (oficialmente, Experimental Craft, Hydrofoil No. 4 ), diseñado por William P. Carl, superó velocidades de 65 mph (56 nudos; 105 km/h) y fue confundido con un hidroavión debido a su forma. [16]
La Armada de los EE. UU. implementó una pequeña cantidad de hidroplanos de combate, como la clase Pegasus , entre 1977 y 1993. Estos hidroplanos eran rápidos y estaban bien armados. [17]
La Marina italiana utilizó seis hidroplanos de la clase Sparviero a partir de finales de la década de 1970. Estaban armados con un cañón de 76 mm y dos misiles y eran capaces de alcanzar velocidades de hasta 50 nudos (93 km/h). Se construyeron tres barcos similares para la Fuerza de Autodefensa Marítima de Japón .
Varias ediciones de la America's Cup se han disputado con yates con foils. En 2013 y 2017, respectivamente, con los catamaranes de las clases AC72 y AC50 , y en 2021, con los monocascos con foils y brazos pivotantes de la clase AC75 .
El hidroplano experimental francés propulsado por velas Hydroptère es el resultado de un proyecto de investigación que involucra habilidades y tecnologías de ingeniería avanzadas. En septiembre de 2009, el Hydroptère estableció nuevos récords mundiales de velocidad en la categoría de 500 m, con una velocidad de 51,36 nudos (95,12 km/h) y en la categoría de 1 milla náutica (1852 m) con una velocidad de 50,17 nudos (92,91 km/h). [18] [19]
El récord de velocidad de 500 m para veleros lo ostenta actualmente el Vestas Sailrocket , un diseño exótico que funciona como un hidroplano. [20]
Otro velero trimarán es el Windrider Rave. [21] El Rave es un trimarán hidroplano de 17 pies (5,2 m) para dos personas, disponible comercialmente, capaz de alcanzar velocidades de 40 nudos (74 km/h). El barco fue diseñado por Jim Brown.
El bote Moth ha evolucionado hacia algunas configuraciones de foil radicales. [22]
Hobie Sailboats produjo un trimarán con foils , el Hobie Trifoiler, el velero de producción más rápido. Los trifoilers han alcanzado velocidades de más de treinta nudos.
Un nuevo diseño de kayak, llamado Flyak , tiene hidroalas que elevan el kayak lo suficiente como para reducir significativamente la resistencia, lo que permite velocidades de hasta 27 km/h (17 mph). Algunos surfistas han desarrollado tablas de surf con hidroalas llamadas foilboards , específicamente diseñadas para surfear olas grandes más alejadas del mar. [23]
Quadrofoil Q2 es una hidroala eléctrica de recreo de dos plazas y cuatro alas. Su diseño inicial se fijó en 2012 y está disponible comercialmente desde finales de 2016. Está propulsada por una batería de iones de litio de 5,2 kWh y un motor de 5,5 kW, alcanza una velocidad máxima de 40 km/h y tiene una autonomía de 80 km. [24] [25]
La Manta5 Hydrofoiler XE-1 es una bicicleta eléctrica Hydrofoil diseñada y fabricada en Nueva Zelanda que está disponible comercialmente para pedidos anticipados desde fines de 2017. [26] Impulsada por un motor de 400 vatios, puede alcanzar velocidades superiores a 14 km/h con un peso de 22 kg. Una sola carga de la batería dura una hora para un ciclista que pesa 85 kg. [27]
Candela, una empresa sueca, está produciendo un hidroplano recreativo y hace fuertes promesas de eficiencia, rendimiento y autonomía. [28]
Los hidroplanos se utilizan ahora ampliamente en el kitesurf , [29] es decir, cometas de tracción sobre el agua. Los hidroplanos son una nueva tendencia en el windsurf , [30] incluida la nueva clase olímpica de verano, el IQFoil , [31] y más recientemente en el Wing Foil , que es esencialmente una cometa sin cuerdas o una vela sostenida con la mano. [32]
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Los Voskhods de fabricación soviética son uno de los diseños de hidroalas de pasajeros de mayor éxito. Fabricados en la Crimea soviética y, posteriormente, en la ucraniana, se encuentran en servicio en más de 20 países. El modelo más reciente, el Voskhod-2M FFF , también conocido como Eurofoil, se construyó en Feodosia para el operador de transporte público holandés Connexxion . [35]
A mediados de la década de 2010, se lanzó un programa gubernamental ruso destinado a restablecer la producción de hidroalas de pasajeros. El Kometa 120M , basado en los modelos anteriores Kometa , Kolhida y Katran, se convirtió en el primero en entrar en producción, [36] inicialmente en la fábrica Vympel en Rybinsk, y más tarde en el astillero More en Feodosiya. [37] Desde 2018, los barcos operan Sebastopol-Yalta y Sochi-Gelenzhik-Novorossiysk, con una conexión Sebastopol-Sochi en los planes inmediatos en 2021. [38] Al mismo tiempo, la Oficina Alekseyev comenzó a construir hidroalas Valday 45R más ligeras y pequeñas , basadas en un modelo Polesye de gran éxito , en su propia planta en Nizhny Novgorod, [39] los barcos de calado relativamente poco profundo utilizados en el Ob y el Volga. El Meteor 120R , un desarrollo del Meteor , se convirtió en el hermano mayor del Valday, el primer barco lanzado en Nizhny Novgorod en agosto de 2021. [40]
El Boeing 929 se utiliza ampliamente en Asia para servicios de pasajeros, entre Hong Kong y Macao y entre las numerosas islas de Japón , también en la península de Corea . El principal usuario es la corporación privada de Hong Kong.
Los operadores actuales de hidroalas incluyen:
En la actualidad, el principal operador de hidroplanos en Italia es Liberty Lines, que opera conexiones entre las islas menores de Sicilia con Sicilia y Calabria y entre Trieste y algunas ciudades de la costa croata. SNAV opera conexiones entre Nápoles y las islas menores de Campania y, en el período de verano, entre Nápoles y las Islas Eolias. En verano, Aliscost opera una conexión entre Salerno y algunas ciudades costeras de Campania y las Islas Eolias.
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