風帆助航與天帆系統(tǒng)

大連海事大學輪機工程學院 李 斌

風帆作為船舶推進裝置已有幾千年的歷史，歷史上曾出現(xiàn)大型遠洋帆船的極盛時期。但由于風力和風向的不穩(wěn)定，使得航行存在著很多不確定因素。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，風帆船已逐漸被動力船所代替。

近年來由于能源危機、油價上漲和排放的控制等諸多方面的原因，風帆船被重新提上議事日程。而現(xiàn)代水動力學、空氣動力學、自動控制及計算機應用、材料與建造學、氣候監(jiān)測與預報等學科的迅速發(fā)展，也為現(xiàn)代風帆船的研制和應用提供了條件。

一、采用風帆助航的優(yōu)點及應用

從初投資、所需空間、危險性、能源有效性、環(huán)境友好性、目前可行性、未來可行性、目前能源成本以及未來能源成本幾個方面對各種能源的使用進行了綜合評估，其結(jié)果如表1所示。從表1中可以看到，風能很顯然是民用船舶動力中最具有吸引力的替代方式。盡管風力可能讓航行增加不確定因素，但是受石油危機、環(huán)境污染、全球氣候變暖等問題的影響，越來越多的國家又開始考慮將風能作為輔助動力，發(fā)展風能助推船舶。

根據(jù)海上航行條件，許多國家很早就開始了風帆助航研究。其研究領(lǐng)域主要包括新型風帆的研究和風帆助航規(guī)劃、技術(shù)經(jīng)濟的論證工作。如法國開發(fā)研制的吸氣式渦輪帆、英國開發(fā)的Walker帆型、前蘇聯(lián)開發(fā)的轉(zhuǎn)子-風帆組合體以及日本開發(fā)的卷折式纖維增強塑料風帆等，并在此基礎上成功研制了一批大型風帆助推運輸船。我國也在1 9 8 0年代成功開發(fā)出了圓弧形翼帆助航船。這些船舶的共同特點是利用電子計算機自動操帆，并已證實采用風帆助航可以達到既節(jié)約能源，又降低污染的效果。

表1 不同能源的比較

二、風帆助航存在的問題

盡管利用風帆助航可以節(jié)能，但仍存在著許多問題需要認真研究和解決。這里主要包括風帆助航的實際效果問題、節(jié)能與安全的相互關(guān)系問題、風帆對船舶航行性能的影響問題等。

1. 風帆助航的實際效果

風帆助航的實際節(jié)能效果與船舶的航線和航區(qū)有關(guān)，有時實際的節(jié)能效果可能并非我們想象的那樣好。首先是風力資源問題，如針對我國沿海典型航線采用風帆助航技術(shù)后的年均節(jié)能效果的計算（計算船型為800t沿海貨船），結(jié)果表明在中國沿海風帆船具有一定的推廣應用前景。其次是風向問題，為了獲得風能增加航速，有時需要不斷改變航向和傾側(cè)航行，可能偏離預定航線多走一段距離而增加航行時間，柴油機也會運轉(zhuǎn)更長時間而燃燒更多的燃油。

2. 節(jié)能與安全的相互關(guān)系

風帆助航與船舶安全是一對互相對立又可以互相優(yōu)化的矛盾體。從盡可能多地利用風能、節(jié)約能源的角度來看，希望有足夠強的風力吹動風帆，產(chǎn)生足夠強的力推進船舶。然而，如果風力過大，則會對船舶安全造成威脅，也不利于船上人員對船舶的操縱和控制。

為了達到節(jié)能與安全的最優(yōu)，風帆助航既要考慮空氣流體動力，又要兼顧安全性（強度、穩(wěn)性、自動化操縱等）。船舶采用何種方式，需要針對航線的氣候條件，因地制宜。

3. 風帆對船舶航行性能的影響

船舶安裝風帆，風帆所增加的傾側(cè)力矩會改變船舶的穩(wěn)性、浮態(tài)等各種性能，并可能引起船舶的偏航及操縱性的改變。由于風速和風向不穩(wěn)定，風帆提供的輔助推力也不穩(wěn)定，要保證風帆和螺旋槳獲得最佳的綜合推進效率，需分析機、帆、槳的配合特性，實現(xiàn)機、帆、槳三者的最佳匹配，以獲得理想的節(jié)能效果。

三、新型風帆助航系統(tǒng)——天帆系統(tǒng)

天帆系統(tǒng)是德國工程師瑞格發(fā)明的新型高科技風帆，它是由一個巨大的、充滿氦氣的天帆，也叫風箏帆及相應的索具組成，利用上層最穩(wěn)定而強勁的風力驅(qū)動船舶前進，天帆系統(tǒng)的組成及工作原理如圖1所示。

1. 天帆系統(tǒng)

天帆，也稱為風箏帆，其形狀類似于滑翔機的機翼，由紡織品構(gòu)成，面積可達2000m2，工作時充滿氦氣，由充氣骨架支撐結(jié)構(gòu)提供必要的機械強度。由于它比空氣輕，即使一點風也沒有，風箏帆也可以穩(wěn)定上升。風箏帆最高能夠升至500m，根據(jù)不同高度風的方向和強度，帆的高度可在100～500m內(nèi)調(diào)整，以最大限度地利用風能，確?？梢垣@取足夠的推進能量。

天帆向船上傳遞力是通過一根牽引纜?？刂评|位于牽引纜和帆之間，控制和平衡天帆。風箏帆的所有纜繩采用強度高、重量低的現(xiàn)代尼龍纖維。

牽引纜與船體之間的連接裝置采用滑車方式，它可以在軌道上移動，軌道固定在船的外板上，由一臺纜車控制牽引索的長度。它將牽引纜的力傳遞到船體并推動船前進，每條船的連接系統(tǒng)都不相同。牽引纜作用點的位置是變化的。因為牽引力需要同橫向阻力在同一條線上，這取決于船體的形狀和船速。

在天帆上使用了一個經(jīng)改裝后的飛機自動導航儀。自動導航儀和船上的計算機相連?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)風向、風速、船的航向和船速自動調(diào)整天帆的位置。

收放帆系統(tǒng)用于收回和放出天帆的牽引索，它由控制機構(gòu)、索收放系統(tǒng)以及氦氣的填充和放泄系統(tǒng)組成。由于風箏完全是由紡織品構(gòu)成的，這使得它易于存放，在船上只占很小的空間。充放氣機構(gòu)控制將氦氣充入天帆的氣囊或?qū)⒑夥懦?。氦氣系統(tǒng)由高壓氦氣瓶和泵組成。

2. 航線優(yōu)化設計

系統(tǒng)航線優(yōu)化設計由四個模塊組成：天氣預報，性能計算，決策制定和航線建議。即在現(xiàn)代天氣預報的幫助下，獲得一個恒定的、能量充沛的驅(qū)動力，充分利用風力優(yōu)勢，完成快速、準確的航次。

現(xiàn)代氣象預測可以精確預測5 d內(nèi)的天氣狀況，還可以預測更長時間的宏觀天氣狀況和氣象形勢，即使短期的氣象情況，也可以在半天之前預測出來，這就為航線確定起到了關(guān)鍵作用，確保了船舶的安全。

輸入天氣預報的數(shù)據(jù)可進行天帆性能計算，預測通過天帆推進系統(tǒng)可獲得的風力，并考慮到不同船舶的特性參數(shù)，然后計算出使用天帆系統(tǒng)的船速和預計到港時間。

船公司可以設定船的某些參數(shù)，諸如最大燃油消耗率和最遲到達時間等都可輸入系統(tǒng)，然后計算優(yōu)化航線。

3. 系統(tǒng)安全措施

為了確保船舶的安全，天帆系統(tǒng)由6級的安全措施來保證：（1）通過定期的天氣預報避免不利的天氣情況，并對下降風和陣風進行預警；（2）改變機翼的空氣動力降低牽引力；（3）改變力的作用點和牽引角減少力對于船的作用；（4）主絞車對于極限陣風風力主動作出反應并通過船舶動力系統(tǒng)進行補償；（5）收回牽引天帆；（6）在緊急情況下牽引風箏急速放氣。

2007年12月15日，全球第一艘用巨大的風箏提供部分動力的貨船“白鯨天帆”號（Beluga Sky Sails），在德國漢堡的一個港口下水，以風力輔助發(fā)動機運轉(zhuǎn)。德國Beluga公司確認每平方米風箏帆面積的平均功率是0.5kW，使用風力優(yōu)化航線每平方米風箏面積的平均功率可達到1kW，采用該技術(shù)能減少10%～35%的耗油量，目前已獲得多個訂單。

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