Tàu cánh ngầm

Tàu cánh ngầm là một chiếc tàu có cánh giống như những chiếc lá lắp trên các giằng phía dưới thân. Khi tàu tăng tốc các cánh ngầm tạo ra lực nâng nâng thân tàu lên khỏi mặt nước. Điều này giúp làm giảm rất nhiều lực cản với thân tàu và lại giúp gia tăng tốc độ.

Thủy động lực học

Bởi nước và không khí cùng tuân theo các định luật của chất lưu, không kể tới sự khác biệt về độ nhớt và tính nén, tàu cánh ngầm và cánh tạo ra lực nâng theo những cách khác nhau (xem Cánh (cơ học chất lỏng)). Cánh được tạo hình để di chuyển nhẹ nhàng trong nước với dòng chảy nhanh hơn ở mặt trên làm áp suất giảm và nhờ thế tạo ra lực nâng trên cánh. Lực nâng nhấc thân tàu lên, làm giảm lực cản và tăng tốc độ. Lực nâng cuối cùng cân bằng với trọng lượng tàu, đạt tới một điểm mà tại đó tàu cánh ngầm không thể còn được nâng ra khỏi nước nữa, mà trở nên ổn định. Bởi lực của sóng tác động trên một diện tích nhỏ hơn của tàu cánh ngần, lực cản do rối động được giảm đáng kể.

Cấu trúc cánh

Những chiếc tàu cánh ngầm đầu tiên sử dụng cánh hình chữ V. Các tàu cánh ngầm kiểu này được gọi là cắt bề mặt bởi các phần của tàu cánh ngầm chữ V sẽ nổi lên trên bề mặt nước khi cánh hoạt động. Một số tàu cánh ngầm hiện đại sử dụng cánh vòm chữ T hoàn toàn chìm trong nước. Cánh hoàn toàn chìm trong nước ít bị tác động bởi các hiệu ứng của sóng, và vì thế ổn định hơn và dễ chịu hơn trên biển cho thuỷ thủ đoàn và hành khách. Tuy nhiên, kiểu cấu hình này không tự ổn định. Góc tấn trên các tàu cánh ngầm phải được chỉnh sửa liên tục để tương ứng với các điều kiện thay đổi, một quá trình kiểm soát được các cảm biến, máy tính và các bề mặt hoạt động thực hiện.
Các tàu cánh ngầm hiện đang được áp dụng nhiều cải tiến hàng hải.

Các nguyên mẫu

Từ năm 1899 đến năm 1901, nhà thiết kế tàu người Anh John I Thornycroft đã làm việc trên một loạt mô hình với một thân nghiêng và một cánh hình cung duy nhất. Năm 1909 công ty của ông chế tạo một con tàu đúng tỷ lệ dài 22m, Miranda III, sử dụng động cơ 60 hp, tàu nằm trên một cánh ngầm hình cung và phần đuôi phẳng. Chiếc Miranda IV sau đó đã đạt tốc độ 35 kn.
Một bài báo vào tháng 3 năm 1906 trên tờ Scientific American của người tiên phong trong lĩnh vực tàu cánh ngầm là William E. Meacham, người Mỹ, đã giải thích các nguyên lý của tàu cánh ngầm. Alexander Graham Bell coi việc phát minh ra thuỷ phi cơ là một thành tựu rất đáng chú ý. Sau khi đọc bài báo này Bell bắt đầu phác thảo ra các ý tưởng của cái hiện gọi là tàu cánh ngầm. Cùng với Casey Baldwin, ông bắt đầu tiến hành thực nghiệm tàu cánh ngầm vào mùa hè năm 1908. Baldwin đã nghiên cứu công việc của nhà phát minh người Italia Enrico Forlanini và bắt đầu thử nghiệm các mô hình trên thiết kế của riêng ông. Điều này dẫn ông và Bell phát triển tàu cánh ngầm chạy trên mặt nước. Trong chuyến đi vòng quanh thế giới của Bell năm 1910-1911 ông cùng Baldwin gặp Forlanini ở Italia. Họ đã cùng đi trên chiếc tàu cánh ngầm của Forlanini trên Hồ Maggiore. Baldwin đã miêu tả đó là một chuyến đi êm ả như bay. Khi quay trở lại Baddeck một số thiết kế đã được thử nghiệm và dẫn tới chiếc HD-4. Sử dụng các động cơ Renault tốc độ tối đa 87 km/h (54 mph) đã đạt được, tăng tốc nhanh chóng, lướt dễ dàng qua sóng, dễ điều khiển và có độ ổn định tốt. Báo cáo của Bell tới Hải quân Hoa Kỳ đã cho phép ông có được hai động cơ 260 kW (350 sức ngựa). Ngày 9 tháng 9 năm 1919 chiếc HD-4 đã lập một kỷ lục tốc độ trên biển 114 km/h (70.86 mph). Kỷ lục này tồn tại trong mười năm. Một phiên bản đúng kích thước của chiếc HD-4 có trong bảo tàng tại Địa điểm Lịch sử Quốc gia Alexander Graham Bell ở Baddeck.

Những con tàu chở khách đầu tiên

Baron von Schertel đã làm việc với các con tàu cánh ngầm trước và sau Thế chiến II tại Đức. Sau cuộc chiến, đội của Schertel bị người Nga bắt giữ. Bởi Đức không được phép chế tạo những con tàu chạy nhanh, Schertel phải sang Thuỵ Sĩ, nơi ông thành lập công ty Supramar. Năm 1952, Supramar đưa ra chiếc tàu cánh ngầm thương mại đầu tiên, PT10 "Freccia d'Oro" (Mũi tên Vàng), trên Hồ Maggiore, giữa Thuỵ Sĩ và Italia. Chiếc PT10 theo kiểu cắt bề mặt, có thể chở 32 hành khách và di chuyển với tốc độ 35kn/h. Năm 1968,  Hussain Najadi một nhà ngân hàng người Bahrain, đã mua lại Supramar AG và mở rộng hoạt động của nó tới Nhật Bản, Hồng Kông, Singapore, Anh Quốc, Na Uy và Mỹ. General Dynamics của Mỹ là công ty được Supramar cấp giấy phép, và Lầu Năm Góc đã trao cho công ty này dự án nghiên cứu hải quân R&D đầu tiên về lĩnh vực supercavitation. Hãng đóng tàu Hitachi tại Osaka, Nhật Bản, là một đối tác được cấp phép khác của Supramar, cũng như nhiều công ty đóng tàu hàng đầu khác tại các nước thuộc khối OECD.
Từ năm 1952 đến năm 1971, Supramar đã thiết kế nhiều mẫu tàu cánh ngầm: PT20, PT50, PT75, PT100 và PT150. Tất cả đều theo kiểu cắt bề mặt, ngoại trừ PT150 phối hợp một cánh ngầm cắt bề mặt ở phía trước và một cánh ngầm hoàn toàn phía sau. Hơn 200 thiết kế của Supramar đã được chế tạo, hầu hết bởi Rodriquez tại Italia.
Năm 1961, SRI International đưa ra một bài nghiên cứu về "Tính khả thi kinh tế của tàu cánh ngầm chở khách thương mại ở Hoa Kỳ và nước ngoài." Việc sử dụng tàu cánh ngầm trong thương mại lần đầu diễn ra ở Mỹ năm 1961 khi hai chiếc tàu được North American Hydrofoils của Harry Gale Nye, Jr. đặt hàng để hoạt động trên tuyến đường từ Atlantic Highlands, New Jersey tới khu vực tài chính Hạ Manhattan.

Thuyền buồm và thể thao

Chiếc thuyền buồm cánh ngầm thực nghiệm của Pháp Hydroptère là kết quả của một dự án nghiên cứu liên quan tới các kỹ năng ứng dụng và kỹ thuật hiện đại. Tháng 1 năm 2007, Hydroptère đã đạt tới tốc độ tối đa 47.2 knots.
Một thiết kế thuyền kayak mới, được gọi là Flyak, có các cánh ngần nhấc thuyền kayak đủ cao để làm giảm lực cản, cho phép thuyền đạt đến tốc độ 27 km/h.
Năm 2001, xuồng cao su bơm hoi Moth cũng đã được lắp đặt cấu hình cánh ngầm căn bản (Moth Foiler).
Những người lướt sóng cũng có những ván trượt có cánh ngầm, thích hợp hơn với các con sóng lớn và có thể đi xa hơn ra ngoài khơi.

Những chiếc tàu chở khách hiện nay

Sydney Ferries sử dụng một tàu cánh ngầm hoạt động giữa Cirular Quay và Manly. Từ năm 1967 đến năm 1991, một dịch vụ tàu cánh ngầm tốc độ cao đã hoạt động bên cạnh những chiếc phà lớn và chậm hơn. Chúng được chế tạo bởi Rodriquez Cantieri Navali  và các kiểu đang sử dụng trong khoảng từ PT20 tới RHS160F  Các tàu cánh ngầm nói chung bị coi là không đáng tin cậy, bởi các model được lựa chọn thích hợp hơn với các chuyến đi dài trái ngược với những quãng đường ngắn từ Circular Quay tới Manly.
SeaWorld San Diego (California) Adventure Park đã bắt đầu sử dụng tàu cánh ngầm ngay sau khi mở cửa. Các du khách có thể thực hiện một chuyến đi vòng quanh dài 10 phút vượt qua 4 dặm tới Mission Bay trên một hạm đội tàu cánh ngầm bề mặt nhỏ. Hoạt động này đã gặp trở ngại hồi giữa những năm 1980, bởi sự lo ngại về việc gia tăng tàu cá nhân trong Vịnh.