Foilende Katamarane: Wie funktioniert das?

Revolution mit Schwert

Dario Valenza aus Sydney/AUS hat auf seinem Blog carbonicboats das Basiswissen sehr anschaulich zusammengefasst. Andreas Borrink hat es entdeckt und für SR übersetzt und ergänzt.

Foilende Katamarane: Wie funktioniert das?

Beim AC72 vom Team New Zealand kam bei ihren ersten Flugversuchen vor Aukland/NZL ein S-förmiges L-Steckschwert zum Einsatz © AC Media

Alle reden über foilende Katamarane, aber die meisten haben kaum eine Vorstellung, wie das überhaupt funktioniert. Gut, dass da irgendwelche Bretter durch’s Wasser gezogen werden, die Auftrieb erzeugen, ist uns schon klar. Den Effekt kennt ja jeder, der schon mal bei ordentlich Fahrt die Hand in’s Wasser gehalten und ein bißchen mit dem Anstellwinkel gespielt hat. Aber wie ist es möglich, dass ein tonnenschweres Segelgerät von so einer kleinen Flosse komplett aus dem Wasser geliftet wird? Und dann noch in – naja, mehr oder weniger – stabiler Lage?

Zum Thema Foils darum hier eine kurze, vergleichende Betrachtung der verschiedenen Konfigurationen für Katamarane oder Trimarane mit ihren spezifischen Vor- und Nachteilen. Kleinere Holprigkeiten und wiederholte Anglizismen bei der Übersetzung bitte ich nachzusehen …

Vertikale Schwerter

Zunächst einmal ist festzustellen, dass eine vertikal gestellte Tragfläche (Schwert, Ruder) bei Bewegung durch ein flüssiges Medium (Wasser) in Abhängigkeit ihres Profils und der Geschwindigkeit eine seitlich zur Fahrtrichtung wirkende Kraft erzeugt. Bei einem symmetrischem Pofil wirkt diese Kraft zu beiden Seiten gleichstark, z.B. gegen die unerwünschte Abdrift. Asymmetrische Profile erzeugen mehr Kraft in eine Richtung. Um diesen Effekt auf einem Kat ohne Nachteile nutzen zu können, darf dann natürlich jeweils nur ein Schwert eingetaucht sein, da sich die Wirkung sonst aufhebt.

Die Geometrien der Profile im Einzelnen soll hier nicht betrachtet werden. Nur soviel: es gibt eine große Vielfalt symmetrischer und asymmetrischer Standardprofile, z.B. die berühmten NACA (nicht Nacra!) Profile der Nasa, die inzwischen kommerziell nutzbar zur Verfügung stehen. Auf Basis dieser Geometrien wird viel experimentiert, u.a. auch von den Seglern.

Wie erzeugt ein Schwert nun aber eigentlich Auftrieb, also „lift“!?

Angewinkelte Schwerter

Foilende Katamarane: Wie funktioniert das?

Das angewinkelte Schwert verhindert die Abdrift und sorgt für Auftrieb © Dario Valenza, carbonicboats

Der einfachste Weg, “lift” mit einem Schwert zu erzeugen, ist eine mehr oder weniger ausgeprägte Schrägstellung zur Vertikalen. So wird ein Teil der vom Schwert erzeugten Kraft (die normalerweise nur seitlich gegen die Abdrift wirkt) für den Auftrieb des Bootes genutzt. Für die meisten Klassen kommt diese Variante aber nicht in Frage, da die maximal erlaubte Breite des Bootes durch den bei aufgeholtem Schwert entstehenden, seitlichen Überhang überschritten würde. Versetzt man deswegen die Schwerter Richtung Bootsmitte, verringert sich der Hebel des aufrichtenden Moments und damit wird das Verhältnis von Lift zu Widerstand immer schlechter.

Foilende Katamarane: Wie funktioniert das?

Mit den angewinkelten Schwertern hat die Hydroptère verschiedene Speedrekorde aufgestellt © Dario Valenza, carbonicboats

Bei dieser Variante trägt die gesamte Länge des Schwerts linear zum Auftrieb bei, was in Abhängigkeit vom Speed zu einem ziemlich schwer kontrollierbaren Auf und Ab führen würde. Recht gut funktioniert das ganze z.B. bei Hydroptère, wo an beiden Schwimmern des Tris nach innen angewinkelte Schwerter zu finden sind; beide Auftriebsmomente stabilisieren sich gegenseitig und der Auftrieb lässt mit der Höhe nach, so dass es zu einer sehr stabilen Lage kommt. Diese Konfiguration benötigt auch keine anfällige Verstellung des Winkels und ist damit robust genug, um sogar Speedrekorde einzufahren!

C-, J- und L-Formen

C-Schwerter

Foilende Katamarane: Wie funktioniert das?

Gängige Varianten der Foil Schwerter © Dario Valenza, carbonicboats

Ein C-förmig gebogenes Schwert (mit konstantem Radius) kombiniert die Wirkung gegen die Abdrift mit dem Auftrieb; je weiter der Rumpf aus dem Wasser kommt, desto größer wird dabei die Auftriebskomponente im Verhältnis zur seitlichen Kraft, durch Aufholen des Schwerts lässt sich der Auftrieb kontinuierlich reduzieren, gleichzeitig wird aber auch die Abdrift größer. Aufgrund ihres Radius kollidieren C- Schwerter nicht mit BüA-Limits.

Ein C-Schwert ist recht einfach in einem Schwertkasten mit ebenfalls konstantem Radius zu installieren. Verringert man den Radius der Konstruktion, nimmt die Auftriebskomponente beim Steigen noch schneller zu. Der Auftrieb wird dann im Extremfall zu stark (größer als das Gewicht des Bootes), die Strömung reißt ab und der Auftrieb geht schlagartig gegen Null – die Folge ist meistens ein Überschlag.

C-Schwerter eignen sich sehr gut als zusätzliche, dynamische Auftriebskraft, deren Maximum immer deutlich unter dem Bootsgewicht liegen sollte. Diese Technik ist augenblicklich Status Quo beim Artemis AC72 und beispielsweise auch beim neuen Nacra-Olympiakat zu finden.

J-Schwerter

Im Gegensatz zum C, kann man ein J-Schwert nur aufholen bis der gebogene Bereich am Schwertkasten anschlägt; die vertikale Auftriebskraft bleibt also immer gleich. Der Vorteil gegenüber dem C-Schwert besteht im geringeren Widerstand auf raumen Kursen, denn hier kann das Schwert aufgeholt werden (orange Kontur in der Zeichnung), ohne dabei den Auftrieb zu reduzieren. Dabei verringert sich natürlich die Wirkung gegen Abdrift, was auf raumen Kursen aber nicht nachteilig ist. J-Schwerter haben eine ähnliche Auftriebscharakteristik wie die C-Variante und eignen sich daher ebenfalls am besten für das „foil-assisted“ (etwa: „tragflächenunterstützte“) Sailing. Wenn man bei einem J-Schwert den Radius zur Ende hin progressiv vergrößert, nähert man sich einem reinen L-Schwert an.

Sowohl C- als auch J-Schwerter erzeugen bei hohen Geschwindigkeiten und damit großer Auftriebskraft am Ende des Schwerts einen hohen, induzierten Widerstand, was wiederum bremst. Man kann diesem Effekt mit Winglets oder veränderten Profilen an der Schwertspitze entgegenwirken; derartige Maßnahmen erzeugen dann aber in anderen Fahrsituationen wieder einen unvorteilhaft großen Widerstand.

Spitzwinklige L-Schwerter

Sie sind eine elegante Lösung, um den Lift beim Fahren auf nur einer (der leewärtigen) Fläche kontinuierlich zu regulieren, auf die zuerst TNZ gekommen ist. Hier waren die Konstrukteure aufgrund von Regeleinschränkungen gezwungen, „seitwärts“ zu denken, was ja bekanntlich oft zu bemerkenswerten Innovationen führt.

Mit zunehmender Fahrhöhe (oder besser Flughöhe!?) nimmt die seitliche Wirkung (gegen Abdrift) ab und damit ändert sich auch die Anströmung des angewinkelten „Schenkels“.  Um das zu verstehen, eignet sich die gedankliche Übersteigerung: man stelle sich nur vor, dass bei extremer Abdrift (90° Fahrwinkel zur Bootrichtung) der nach oben angewinkelte Schenkel sogar Abtrieb erzeugen würde! In der Praxis führt dieser Effekt bei eine vergleichsweise geringen Erhöhung der Abdrift (ca. 5%) zu einer kontinuierlichen Regulierung des Auftriebs und verhindert so wirksam die gefährlichen „Luftsprünge“, die man anfangs besonders bei OR beobachten konnte.

Foilende Katamarane: Wie funktioniert das?

Die spitzwinkligen L-Schwerter sind eine elegante Lösung, um den Lift beim Fahren auf nur einer (der leewärtigen) Fläche kontinuierlich zu regulieren. Bei Team New Zealand hat man das zuerst entdeckt © Dario Valenza, carbonicboats

Der Ablauf geht also etwa so: Boot steigt –  Lateralfläche wird kleiner – Boot beginnt zu driften – die Auftriebsfläche gerät zunehmend in ihren eigenen Wirbelbereich – Auftrieb wird reduziert – Boot sinkt – Lateralfläche vergrößert sich – Abdrift wird geringer – Boot steigt wieder usw. usw.

Je höher die innere Spitze der Auftriebsfläche im Verhältnis zur Basis der Lateralfläche liegt, umso enger wird die Wechselwirkung zwischen Auftrieb und Abdrift.

Bei extremer Fahrhöhe arbeitet das spitzwinklige L-Schwert zunehmend wie eine konventionelle V-Fläche, z.B. bei einem Hydrofoil-Motorboot: Sobald die innere Spitze der Fläche austaucht, reduziert sich der Auftrieb unabhängig von den Seitenkräften. Dieser Effekt ist sehr wichtig bei hohen Geschwindigkeiten und niedrigen Seitenkräften, z.B. beim radikalen Abfallen in Böen oder an der Luvmarke; er ist sozusagen das „Sicherheitsventil“, das den Überschlag verhindert.

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2 Kommentare zu „Foilende Katamarane: Wie funktioniert das?“

  1. avatar Sven sagt:

    Danke für den sehr interessanten und erklärenden Artikel.

    Super Beitrag, mehr davon! Like or Dislike: Daumen hoch 32 Daumen runter 0

  2. avatar Breithaupt sagt:

    guter artikel. Hab zwar schon einen aenlichen bei sailing anarchy gelesen, ich finds aber gut dass er jetzt auch auf Deutsch erhaeltlich ist, da ja nicht jeder super gut englisch liest 🙂

    Super Beitrag, mehr davon! Like or Dislike: Daumen hoch 17 Daumen runter 4

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