有一句俗话“只要有足够的推力,石头也能飞上天”,动力对速度的提升是至关重要的。由于蒸汽机和蒸汽轮机都是外燃机,产生蒸汽需要庞大的锅炉,蒸汽机或蒸汽轮机的重量功率比就会很高。虽然大型蒸汽轮机单机功率已经可以超过1万马力,但由于当时的锅炉蒸汽参数低,体积十分庞大,只有在大型远洋邮轮或大型军舰(战列舰、战列巡洋舰)上才能采用。这些舰艇的动力系统往往占用大量舱室,战列巡洋舰就是明显的例子,虽然速度快,但不得不牺牲装甲防护,也注定成为其阿喀琉斯之踵。
要想在一艘小艇上装上功率强大的蒸汽机不仅当时无法实现,就是科技高度发达的现代也不可能。好在一种新型发动机的出现改变了这种局面,它就是内燃机。内燃机通过在密闭的气缸内注入油气混合气体,然后点燃,气缸的温度和压力瞬间迅速增加,推动活塞做功从而产生强大的动力。内燃机结构紧凑、重量轻、输出动力强大的特点给交通工具的发展带来了新的曙光,内燃机(特别是汽油机)的使用极大的推动了汽车工业的发展,汽车公司如雨后春笋一般涌现,这又极大的促进了内燃机的技术进步。
人们也开始尝试将内燃机用于船舶推进。1903年,英国报业大亨阿弗雷德.亨斯沃斯爵士(Sir Alfred Harmsworth)创办了一项赛艇比赛,史称“亨斯沃斯”杯。比赛规定参赛的船只必须以用内燃机推进,长度不得大于40英尺。比赛还同时要求参赛船只必须由某一国家独立设计,材料和零部件也必须由该国制造,并由本国赛手进行驾驶,因此这项比赛也被称为英国国际杯(British International Trophy)。“亨斯沃斯”杯对摩托艇和摩托艇运动的发展起到了巨大的推动作用。
第一届“亨斯沃斯”杯的冠军是由英国的“纳皮尔I”号(Napier I)获得,她长35英尺,装备一台75马力的纳皮尔型发动机,驾驶她的是著名的女赛手多萝西.列维特(Dorothy Levitt),夺冠的平均速度是23英里/小时。
多萝西.列维特驾驶“纳皮尔I”号在第一届“亨斯沃斯”杯上夺冠
此后几年,法国人和英国人轮流夺冠。1906年,著名美国船艇设计师克林顿.克莱恩(Clinton Crane)设计的“迪克西I”号(Dixie I)第一次为美国人夺得了“亨斯沃斯”杯。次年他又设计了“迪克西II”号。这艘艇十分轻巧,克莱恩对其结构进行了精密的计算,大大降低了结构重量。她装有一台220马力的发动机,最高速度可以达到35节。在1908年亨斯沃斯杯中,她以31.35英里/小时的速度夺冠,次年“迪克西III”号又捍卫了这一荣誉。
“迪克西II”号模型
无论是高速蒸汽艇还是早期高速内燃机动力快艇,她们的外形都有共同的特点,那就是长宽比很大(一般达到10以上),艇体纤细,艇体横截面呈U型。虽然看起来非常具有速度感,但其实并不然。首先这些艇都是常规的排水型艇体,
在航行时水线以下部分的船体没入水中,浸水面积很大,因此粘滞阻力较大。其次,艇艏和艇尾会掀起巨大的波浪,兴波阻力增加。因此想进一步提高船艇的航速就显得极其困难了。
人们早就从打水漂中得到了启示,当一枚扁平的鹅卵石或一块碎瓦片被以合适的角度高速扔向水面时,它不会马上下沉,而是弹跳前进,直到速度逐渐减弱才停止跳动沉入水中。基于这一原理人们发明了滑行艇(Hydroplane),滑行艇依靠航行时艇体产生的流体动压力支托大部分艇体重量。滑行艇外型较排水型艇短而宽,底部较平坦,底和舷交接处呈尖角,形成尖舭,亦称尖舭艇。滑行艇在高速航行时艇体被托起,舷部离水,艇首微抬,贴水滑行。平滑的艇底也有很好的压浪效果,使兴波阻力减小。按艇体形状分,滑行艇又分为无断阶滑行艇、单断阶滑行艇、多断阶滑行艇、三点式滑行艇等。
要使艇能滑行起来必须首先保证有足够的速度,动力当然是必不可少的,而在早期发动机于动力不足,滑行的梦想无法实现,但内燃机的出现使这种设想成为可能。克林顿.克莱恩的新艇“迪克西IV”号就采用了滑行艇原理,她的重量功率比为20磅/马力,甚至比当时的一些飞机的推重比还高,这使她有足够的速度可以在水面上滑行。1910年“迪克西IV”号再次将亨斯沃斯杯留在了美国。在之后的测试中,她达到了45.21节,超越了最快的蒸汽动力快艇“箭”号,成为世界上最快的船舶。尽管如此,“迪克西IV”号的航海性能并不佳,非常容易受到风浪的影响,这可以说是滑行艇的通病。在一次比赛中“迪克西IV”号为了避让拖轮产生的波浪而冲上了河岸,压断了岸边正在观赛的一名小男孩的腿,克莱恩深感自责,从此以后他再也没有设计过滑行艇。
1912-1913年“亨斯沃斯”杯冠军属于英国赛艇“枫叶IV”号(Maple Leaf),她由英国设计师桑德斯(S. E. Saunders)设计和建造,采用的也是滑行艇型,底部呈轻微的V型。艇长40英尺,宽8英尺5英寸,重5.35吨,动力为2台奥斯汀汽油机,总功率800马力。她还是第一艘超过50节的船, 不过由于第一次世界大战爆发,“亨斯沃斯”杯只得中断,直到1920年才得以恢复。
“枫叶IV”号在水面高速滑行
除了滑行艇外,一些人也在进行另一种尝试,那就是水翼艇(Hydrofoil)。意大利人恩里克.佛兰尼尼(Enrico Forlanini)是水翼艇的先驱。他建造了第一艘水翼艇,采用梯状的水翼。在1906年的测试中,这艘艇的航速达到42.5英里/小时。
佛兰尼尼的水翼艇
1906年3月,科学美国杂志发表了威廉.米查姆(Willian Meacham)的一篇论述水翼艇原理的论文。电话的发明人亚历山大.贝尔看过后认为这是一项了不起的发明成就。基于文中的原理,贝尔开始构想建造一艘水翼艇。1908年夏天起贝尔和助手佛雷德利克.鲍德温(Frederick Baldwin)开始进行水翼艇可行性试验。在1910-1911年的环球旅行过程中,贝尔、鲍德温与佛兰尼尼在巴黎会面。他们乘坐了佛兰尼尼建造的水翼艇,航行异常平稳舒适。这次会面对美国人大有启发,经过几年的努力,他们终于建造完成了一艘实用的水翼艇-HD4号。她由雷诺引擎驱动,可以达到54英里/小时,即使在风浪中行驶也能表现出良好的稳定性、加速性以及操纵性。1919年,这艘艇换装了两台350马力汽油发动机。1919年9月9日,HD-4刷新了水面航速的世界记录,成绩为70.86英里/小时。只可惜贝尔去世后,这项成果很久无人问津。
HD-4号水翼艇