2022, Vol. 44
2. 江苏海事职业技术学院，江苏 南京 211170
2. Jiangsu Maritime Institute, Nanjing 211170, China
风帆作为一种非动力推进装置，具有操纵便捷、结构简单、成本低廉、节能环保等诸多优点，一直是江河湖海内船舶航行的重要辅助推进装置。近年来随着船舶碳减排、碳中和工作的不断推进，风帆助航以更加多样的形式应用到远洋商船、油轮、游艇等船艇的动力推进中，对于节省燃油消耗、减少环境污染、促进海运发展等都起到重要作用，是世界各海洋大国关注研究的热点。在风能开发领域，风帆助航无需将风能发电进行二次开发，能源利用率高，非常符合远洋船舶对航行速度、风场分布、节能环保等应用条件的要求。国际油价的持续上升以及国际海事组织对于气体排放要求的严格限制[1]是风帆助航船舶设计的持续推动力，传统造船强国如日本、韩国、美国、英国等早已着手开展风帆助航船舶的模型设计、实验和应用。
船用翼帆一般指的是船上出于节能目的装设的、直接借助海上风能产生推进力的机翼形风帆，一般包括风帆结构、操帆装置、操帆装置控制系统、监测报警、安全系统、帆/桨联合控制系统等，如图1所示。2020年中国船级社发布的《船用硬质翼面帆评估与检验指南》对船用翼帆的设计、布置、控制监测、制造、安装试验 检验、操作等方面做出规定，旨在为船舶和风帆装置设计、建造检验/试验、操作等提供指导[2]。翼帆工作原理类似机翼理论，如图2所示。气流流过翼帆时在其压力面和吸力面产生压差，机翼结构获得升力和阻力，根据攻角的不同转化为相应的推进力和侧推力，推动船舶航行。
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图 2 翼型帆工作原理 Fig. 2 Working principle of wingsail |
通过船用翼帆直接将风能转化为推进力是远洋船舶主要的辅助推进形式。除此之外还有几种其他类型的风帆可以利用风能获得船舶推进力。首先是桅式传统阻力帆[3]，这是最早的风帆助航形式，已有几千年历史，随着内燃机动力的发展逐步被淘汰，应用领域仍在不断缩小，目前主要应用在小型内河船、滚装船以及竞技体育运动中。其次是富莱特纳旋筒帆[4]，它利用气流通过高速转的圆筒时，产生压力差的马格努斯效应产生推进力，因此需要外界提供动力。风筝帆又称天帆[5]，它利用风筝在天空中飞行拉动海面船舶航行，由于帆在空中难以控制，紧急情况下风筝帆的应急操纵成为难题。
船用翼帆与桅式传统阻力帆、富莱特纳旋筒帆以及风筝帆相比，在用作船舶辅助推进时具有以下突出特点：
1）升力特性好，气动性能稳定。在失速角范围内，翼帆可以获得稳定升阻力，可以保证帆—机—桨配合时对船舶主机功率输出的影响最小，船舶获得的横倾力矩最小，船舶安全性更高。
2）可利用风向范围广。相比桅式传统阻力帆，翼帆可以通过调整安装角角度利用船舶两侧来风，持续获得辅助推进力，保证辅助推进效果。
3）无需额外动力、结构简单。相比富莱特纳旋筒帆，翼帆不需要船舶提供额外动力，翼面多采用质量较轻的复合纤维制作，只需要保证结构强度，结构相对简单。
4）操纵灵活。船用翼帆大多采用液压操纵方式，便于翼帆操纵回转。
VLCC、散货船等大型远洋商船的甲板面积大、航区风向稳定，完全适合应用翼帆展开船舶辅助航行，未来将成为船舶碳减排的发展方向之一。瑞典造船厂Wallenius Marine率先宣布了设计的Oceanbird风翼概念帆[6]，（见图3），预计比传统的内燃机货船减少高达90%的碳排放。该船的船体顶部有5个伸缩的“翼帆”，每个帆高79.3 m。帆可以旋转360°而不会彼此接触，并可回收至59.4 m，以清理桥梁或抵御恶劣的天气。
1 船用翼帆技术研究现状
随着碳中和、碳减排成为国际热点，国际海事组织（IMO）制定了一系列关于船舶温室气体排放和能效方面的法规，自船舶能效设计指数（EEDI）要求强制生效以来，业界从航速优化、机桨配合、节能装置等多方面进行优化设计，使得EEDI值和船舶能耗不断降低。但同时常规的船舶设计技术手段的节能潜力正在逐步减小，很多船型要满足EEDI第3阶段指标要求还存在较大困难[7]。为此，必须寻找新的提高船舶设计能效的替代方法。
风帆助航技术作为船舶最原始的驱动方式，人类有着丰富的经验积累，在寻找新的方法提高船舶能效设计指数时，船用翼帆技术自然而然地进入研究的视野。为了提升 EEDI，降低温室气体排放，在船用翼帆技术研究主要是在新型翼帆的设计和翼帆能效分析方面。
1.1 圆弧形翼帆设计技术圆弧形帆借鉴传统阻力帆的工作原理如图4所示。将风帆的两端设计成机翼形状，以减小气流流过端面时的波动。其推进性能和空气动力学特性比传统阻力帆提升较大。在顺风时可较大程度地利用来风，辅助推进效果最明显，然而其利用的风向范围较小，不太适合应用于风向变化的风场当中[8]。在圆弧形翼帆应用中最具代表性的是由大船集团牵头承担的国家高技术船舶科研计划“风帆技术示范应用开发”项目[9]，创新性地提出了基于圆弧形风帆的“U型结构翼形风帆”概念，并成功安装在招商轮船的30万吨VLCC“凯力”号上。2018年10月该船进行了为期5天的海上实船试验，据测算，“凯力”轮每天可减少3%左右的油耗，证明了该风帆方案在超大型船舶节能减排方面的有效性，这是风帆助推节能技术在国内大型船舶上的首次推广应用。然而圆弧形翼帆在大型船舶设计中的载荷分布不均、风向利用范围小、控制系统复杂等难题，是制约圆弧形翼帆进一步应用和发展的主要障碍。
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图 4 圆弧形翼帆工作原理 Fig. 4 Working principle of arc wingsail |
日本名村造船联手日本船东NS United Shipping共同开发了一种用于183000载重吨好望角型散货船的风帆动力节能系统[10]，也是这种“U型结构翼形风帆”。该系统的特点包括可以在没有风力或处理货物时收回到甲板下，能够横向展开以便从风力中获得最大推进力，通过设置多种标准来确定风帆形状并采用不同形状的风帆，从而保障船桥上的能见度符合法规要求。
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图 6 名村造船开发的散货船风帆动力系统[10] Fig. 6 Sail power system of bulk carrier developed by Mingcun shipbuilding[10] |
翼帆在船舶上的应用技术尚不成熟，目前多集中于翼帆模型设计和空气动力性能研究。然而由于单机翼升力系数和失速特性的限制，单个机翼通常很少直接应用到翼帆设计中。国内外设计者为了提升机翼形帆的推进性能，先后对机翼形帆进行优化设计，出现了一系列的多元素翼帆，如双元素翼帆[11]、三元素翼帆[12]以及五元素翼帆[13]等。
双元素翼帆主要指带襟翼的机翼形帆（见图7），其形状对称，可利用双侧来风，且升力系数较大，通过调节襟翼偏转角可利用较大范围的来风，产生的横倾力矩也小，辅助推进性能远好于传统的风帆。双元素翼帆首次在第33届“美洲杯”帆船赛中应用，就赢得了冠军，其优异的空气动力性能得到了航运界的广泛关注[14]。2017年，法国AYRO公司借鉴宝马甲骨文船队的这种双元素翼帆设计理念设计了Oceanwings[15]，其已被证明可将货船的油耗降低多达45%。张绍清等[16]在20世纪90年代也开展过双元素翼帆的设计和试验研究，通过与单翼帆性能对比发现双元素翼帆的升力系数大大提高，然而由于没有后续实船应用，双元素翼帆的发展也因此中断。
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图 7 双元素翼帆工作原理 Fig. 7 Working principle of two-elements wingsail |
三元素翼帆类似于飞机机翼（见图8），是在襟翼帆模型的前缘增添了一个缝翼，以增大失速角、提升翼帆的推进性能。1996年，Daniel博士[12]首次将缝翼应用在风帆的设计中。试验结果表明，三元素翼帆的最大升力系数提高了68%，在翼帆最有效的风向角时推力增加了83%，翼帆性能提升明显。2000年，丹麦Rosander和Bloch提出并设计了一种非对称的三元素翼帆，其结构由缝翼、主翼和襟翼组成，结构非常复杂，制作困难，经济性较差[17]。2014年，Windship推出了被称为辅助帆推进系统（ASPS）的帆动力新概念[18]，采用三元素翼帆的设计理念，将三元素翼帆整体固定安装在船舶甲板上，通过调整翼帆的角度充分利用风力能源，以降低发动机功率，可最大限度地节省燃料。
1.3 混合式翼帆设计技术
在翼帆研究的基础上，国内外设计者为提升风帆的推进性能，对翼帆进行改型设计，逐渐出现一些新型混合式翼帆，也可称为组合式翼帆，如walker式帆[19]、翼-板混合帆[20]等。
Walker帆翼是一种H平面结构帆翼（见图9），它是英国工程师J. Walker于20世纪80年代初提出的。Walker翼帆采用了对称翼剖面，翼帆后部安装有导流翼用于调整风帆迎角，提高了空气动力学性能。2010年，A Burden等[19]将该Walker式多翼帆系统设计安装在集装箱班轮甲板上，并对该帆-船模型运动进行数值和实验研究，预测到了翼帆系统对船舶运动较好的推力增益和推进效率，然而Walker式帆由于导流翼减小了失速角，极易发生翼帆失速现象，是否适用于远洋商船尚需进一步论证。
翼-板混合帆是指采用机翼和平板等组合起来的风帆（见图10），Nojiri等[20]在丹麦的Rosander和Bloch[17]设计的三元素翼帆模型基础上提出了一种襟翼为平软帆的混合式帆，它由缝翼、刚性翼帆和三角形软帆组成，这种混合帆的结升力系数有所提高。商船三井[21]正在研发的在1艘20万吨营运散货船上安装风力推进系统就是借鉴这种混合式翼帆的设计理念（见图11）。2005年Toshifumi Fujiwam[22-23]将三角形软帆改成矩形软帆，其推进性能比Nojiri设计的混合式帆还有提升。2015年，他与Qiao Li[24]合作对混合式帆的主翼进行改型，用刚性平板代替襟翼，用双回转桅杆分别控制主翼和平板转动，以改变风帆的拱角，因此这种帆也被成为可变拱角帆（VCS），经仿真和试验验证，该帆的综合推进性能优于NACA0021帆和平板帆。
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图 11 日本商船三井设计的风力推进系统[21] Fig. 11 Wind propulsion system designed by Japanese merchant ship Mitsui[21] |
为了避免翼帆因结构材料坚硬而无法快速收缩以应对紧急情况的问题，2021年米其林公司的研发部门和2位瑞士发明家已经联合推出了Wing sail mobility (WISAMO)系统[25]，如图12所示，即充气翼帆技术。WISAMO系统的翼帆为一种可自动伸缩、充气的翼帆系统，翼帆底部设置有空气压缩机，在使用翼帆时保持充气状态，以保证足够的强度。在紧急情况时，通过快速释放翼帆内部的空气保证翼帆和船舶的安全。其主要缺点是充气翼帆工作时需要消耗船舶能量，翼帆的操作性和灵活性也受到限制。
目前翼帆辅助推进技术仍然主要处于实验室阶段。翼帆失速行为的影响机理研究尚不充分，翼帆的安装对船舶原有结构及稳性可能带来不确定性的影响，并对机-帆-船的协调配合提出了更高的要求，这些都是影响翼帆实船应用的重要因素。根据现有文献的统计，目前圆弧形翼帆已在远洋商船上开展了示范性应用，且取得了良好的节能减排效果。而多元素翼帆和混合式翼帆由于空气动力学研究[26]、能效分析研究[27]以及船舶稳性分析[25]等诸多因素在理论分析和试验研究方面仍在探索当中。
2 双元素翼帆研究的关键技术 2.1 双元素翼帆最大推力系数的配置风帆的空气动力学性能好坏直接决定了风帆助航技术在船舶航行中的推进效果。鉴于双元素翼帆模型与带襟翼的机翼在结构上相似，当前的双元素翼帆模型多类似于带襟翼的对称机翼形式，以保证在船舶辅助推进中能充分利用左右两侧来风。
在进行双元素翼帆最大推力系数的配置时，首先要根据风向角确定双元素翼帆的工作状态[28]。为了获得最大推力系数，在可利用风向角（45°~315°）范围内，双元素翼帆可分为3种作用状态，如图13~图15所示。根据受力分析，在风向角为45°~90°或270°~315°范围内需获得最大升阻比，既可以增加推进力，又可以控制侧向力。在风向角为90°~135°或225°~270°范围内阻力系数也存在推力分量，为了获得最大推力系数，可选择失速发生前的最大升力系数角，然而需避免由于前缘失速引起的升力系数陡降，此时需要对翼帆前缘结构进行改型设计例如涡发生器、前缘凸起设计等。在风向角为135°~225°范围内，翼帆配置需借鉴圆弧形风帆的配置方式，采用大攻角、小间隙的安装方式才能获得最大的推力系数。
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图 13 风向角为45°~90°时的翼帆安装配置 Fig. 13 Wingsail installation configuration when wind direction is 45°~90° |
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图 14 风向角为90°~135°时的翼帆安装配置 Fig. 14 Wingsail installation configuration when wind direction is 90°~135° |
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图 15 风向角为135°~180°时的翼帆安装配置 Fig. 15 Wingsail installation configuration when wind direction is 135°~180° |
翼型帆的空气动力特性主要包括阻力特性、升力特性、推力特性、侧向力特性、失速特性以及横倾力矩特性等，这些特性的变化机理与其气流的压力、速度以及载荷等的流场分布密切相关，翼型帆流场环境复杂，流动变化较快，能否在快速变化的流场中对翼型帆进行失速控制直接决定了翼型帆的推进性能。通过对翼型帆结构进行分析，可知双元素翼型帆的失速主要发生在大攻角、高襟翼偏转角时的翼帆外缘和帆-船结合部。为了在动态波动的风场中获得稳定的推进力以及尽量延迟翼帆失速，就需要对翼帆攻角和襟翼偏转进行合理的控制。当双元素翼帆正常工作时，船舶会左右摇摆，横摇运动将使二元素翼帆处于动态失速环境当中。另外近地面空气流动的梯度风，也会造成不同高度的翼型截面发生失速，特别是在翼型帆外缘，由于端部气体绕流，不可避免地存在流动分离现象。由于翼型的失速特性，如果翼型帆的攻角过小，船舶将不能获得足够大的推进力。而攻角过大时，轻微的风向变化就会引起失速，这会造成翼型帆推进性能的下降。这些都给翼型帆的失速控制工作带来了很大困难。
为了解决上述问题，借鉴飞机机翼中应用的流动分离控制技术。为了提高飞机机翼的升力系数并延迟失速，研究设计了各式各样的失速控制技术[29]，可分为主动控制和被动控制。主动控制方法是通过人为操作控制双元素翼帆的流体流动，使翼帆受力按照需求变化，已经应用的有可控环量机翼、喷射流体、后缘襟翼、前缘缝翼等。被动方法是通过双元素翼帆结构的改变来改善翼帆表面流体的运动形态，从而延缓附面层流动分离，推迟失速发生，如涡发生器、变形襟翼和前缘凸起等。
2.3 机-帆-船的协调配合船舶运动的目标是使船舶沿设定的航向航行。它有2个功能：航向保持和航向改变，前者是使船舶在受到各种扰动时以最小的控制力保持在设定航向上；后者希望以最小的超调迅速准确地跟踪新的设定航向。对于翼帆助航船舶，翼帆推进增加了船舶运动的不确定性和干扰性，这对机-帆-船的协调配合提出了更高的要求[30]。另外，船舶在航行时航线方向与风向并不是保持一致的，这会导致作用在翼帆上的推力与船舶受力的不平衡，造成船舶的漂移。所以，为了保证船舶航向的准确，就需要在船舶航行中不断调整翼帆的攻角和改变舵机的舵角。甚至为了航速的稳定，需要调整主机的转速以维持受力的平衡。这对机-船结合部的结构设计也提出了新的考验，不断变化的应力大小和方向会增加翼帆的安装难度。
由于船舶航行时的风速和风速变化，引起翼帆产生的推进力和侧推力发生改变，打破了原有的机-帆-船配合状态，为了降低主机能耗并保证船舶稳定航行，需要及时改变双元素翼帆的工作状态，通过改变攻角、调整襟翼偏转角等形式实现机-帆-船的协调配合。
3 结 语风能作为没有任何污染的清洁能源，通过翼帆直接转换为船舶推进力，可以起到节能减排的效果，有助于实现航运碳达峰、碳中和的目标。从IMO海洋环境保护委员会（MEPC）第74次会议到第76次会议提出的温室气体减排目标所推荐的中长期减排措施看[31]，包括风帆助航在内的船舶新能源开发利用位列其中，风能推进系统等能效技术对EEXI的影响正在纳入IMO MEPC会议讨论的范围。
尽管由于多方面原因，目前船用翼帆还未在远洋商船取得实质性应用，多为翼帆助航船的概念设计。由于翼帆助航技术与其他风帆助航技术相比，具有气动性能稳定、升力特性好、无需额外动力、操纵灵活等优点，采用对称性翼型还可以实现对船舶双侧来风的利用，采用带襟翼的双元素翼帆可以实现对翼帆失速行为和紧急情况的处置，日本、英国、美国、新西兰等国目前正在开展利用翼帆助航技术实现船舶辅助推进，计划应用在VLCC等远洋商船上。
智能船舶技术的飞速发展，为翼帆助航技术在远洋商船的应用也提供了条件，翼帆助航的智能化控制不仅减轻了船员的工作压力，更有利于保证船舶安全。IMO及国际标准化组织（ISO）等将智能船舶列为重要议题，国际主要船级社先后发布了有关智能船舶的规范或指导性文件[32]。翼帆助航的智能化控制也将成为智能船舶研究中不可缺少的部分，如翼帆安装角的自动调整、紧急情况的自动卸荷、帆-机-船能效的自动分配等智能控制，有助于降低船舶能效、减少温室气体排放、提升船舶运营效率、改善船员工作环境。
尽管翼帆助航技术尚不成熟，其实船应用安全性和可靠性影响未充分评估，然而其技术发展始终紧贴经济社会的需求。相信翼帆助航技术凭借其节能环保、结构简单的优势，以及智能控制等新方向的发展，在未来二三十年将成为远洋船舶辅助推进动力的首选。
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