船用翼帆輔助推進(jìn)技術(shù)發(fā)展綜述

李 臣，孫培廷

(1.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026；2.江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211170)

0 引言

風(fēng)帆作為一種非動(dòng)力推進(jìn)裝置，具有操縱便捷、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，一直是江河湖海內(nèi)船舶航行的重要輔助推進(jìn)裝置。近年來(lái)隨著船舶碳減排、碳中和工作的不斷推進(jìn)，風(fēng)帆助航以更加多樣的形式應(yīng)用到遠(yuǎn)洋商船、油輪、游艇等船艇的動(dòng)力推進(jìn)中，對(duì)于節(jié)省燃油消耗、減少環(huán)境污染、促進(jìn)海運(yùn)發(fā)展等都起到重要作用，是世界各海洋大國(guó)關(guān)注研究的熱點(diǎn)。在風(fēng)能開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，風(fēng)帆助航無(wú)需將風(fēng)能發(fā)電進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，能源利用率高，非常符合遠(yuǎn)洋船舶對(duì)航行速度、風(fēng)場(chǎng)分布、節(jié)能環(huán)保等應(yīng)用條件的要求。國(guó)際油價(jià)的持續(xù)上升以及國(guó)際海事組織對(duì)于氣體排放要求的嚴(yán)格限制[1]是風(fēng)帆助航船舶設(shè)計(jì)的持續(xù)推動(dòng)力，傳統(tǒng)造船強(qiáng)國(guó)如日本、韓國(guó)、美國(guó)、英國(guó)等早已著手開(kāi)展風(fēng)帆助航船舶的模型設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用。

船用翼帆一般指的是船上出于節(jié)能目的裝設(shè)的、直接借助海上風(fēng)能產(chǎn)生推進(jìn)力的機(jī)翼形風(fēng)帆，一般包括風(fēng)帆結(jié)構(gòu)、操帆裝置、操帆裝置控制系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)報(bào)警、安全系統(tǒng)、帆/槳聯(lián)合控制系統(tǒng)等，如圖1 所示。2020年中國(guó)船級(jí)社發(fā)布的《船用硬質(zhì)翼面帆評(píng)估與檢驗(yàn)指南》對(duì)船用翼帆的設(shè)計(jì)、布置、控制監(jiān)測(cè)、制造、安裝試驗(yàn) 檢驗(yàn)、操作等方面做出規(guī)定，旨在為船舶和風(fēng)帆裝置設(shè)計(jì)、建造檢驗(yàn)/試驗(yàn)、操作等提供指導(dǎo)[2]。翼帆工作原理類似機(jī)翼理論，如圖2 所示。氣流流過(guò)翼帆時(shí)在其壓力面和吸力面產(chǎn)生壓差，機(jī)翼結(jié)構(gòu)獲得升力和阻力，根據(jù)攻角的不同轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的推進(jìn)力和側(cè)推力，推動(dòng)船舶航行。

圖1 風(fēng)帆裝置構(gòu)架框圖[2]Fig.1 Frame diagram of wingsail device[2]

圖2 翼型帆工作原理Fig.2 Working principle of wingsail

通過(guò)船用翼帆直接將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為推進(jìn)力是遠(yuǎn)洋船舶主要的輔助推進(jìn)形式。除此之外還有幾種其他類型的風(fēng)帆可以利用風(fēng)能獲得船舶推進(jìn)力。首先是桅式傳統(tǒng)阻力帆[3]，這是最早的風(fēng)帆助航形式，已有幾千年歷史，隨著內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力的發(fā)展逐步被淘汰，應(yīng)用領(lǐng)域仍在不斷縮小，目前主要應(yīng)用在小型內(nèi)河船、滾裝船以及競(jìng)技體育運(yùn)動(dòng)中。其次是富萊特納旋筒帆[4]，它利用氣流通過(guò)高速轉(zhuǎn)的圓筒時(shí)，產(chǎn)生壓力差的馬格努斯效應(yīng)產(chǎn)生推進(jìn)力，因此需要外界提供動(dòng)力。風(fēng)箏帆又稱天帆[5]，它利用風(fēng)箏在天空中飛行拉動(dòng)海面船舶航行，由于帆在空中難以控制，緊急情況下風(fēng)箏帆的應(yīng)急操縱成為難題。

船用翼帆與桅式傳統(tǒng)阻力帆、富萊特納旋筒帆以及風(fēng)箏帆相比，在用作船舶輔助推進(jìn)時(shí)具有以下突出特點(diǎn)：

1）升力特性好，氣動(dòng)性能穩(wěn)定。在失速角范圍內(nèi)，翼帆可以獲得穩(wěn)定升阻力，可以保證帆—機(jī)—槳配合時(shí)對(duì)船舶主機(jī)功率輸出的影響最小，船舶獲得的橫傾力矩最小，船舶安全性更高。

2）可利用風(fēng)向范圍廣。相比桅式傳統(tǒng)阻力帆，翼帆可以通過(guò)調(diào)整安裝角角度利用船舶兩側(cè)來(lái)風(fēng)，持續(xù)獲得輔助推進(jìn)力，保證輔助推進(jìn)效果。

3）無(wú)需額外動(dòng)力、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。相比富萊特納旋筒帆，翼帆不需要船舶提供額外動(dòng)力，翼面多采用質(zhì)量較輕的復(fù)合纖維制作，只需要保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。

4）操縱靈活。船用翼帆大多采用液壓操縱方式，便于翼帆操縱回轉(zhuǎn)。

VLCC、散貨船等大型遠(yuǎn)洋商船的甲板面積大、航區(qū)風(fēng)向穩(wěn)定，完全適合應(yīng)用翼帆展開(kāi)船舶輔助航行，未來(lái)將成為船舶碳減排的發(fā)展方向之一。瑞典造船廠Wallenius Marine 率先宣布了設(shè)計(jì)的Oceanbird 風(fēng)翼概念帆[6]，（見(jiàn)圖3），預(yù)計(jì)比傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)貨船減少高達(dá)90%的碳排放。該船的船體頂部有5 個(gè)伸縮的“翼帆”，每個(gè)帆高79.3 m。帆可以旋轉(zhuǎn)360°而不會(huì)彼此接觸，并可回收至59.4 m，以清理橋梁或抵御惡劣的天氣。

圖3 瑞典公司設(shè)計(jì)的風(fēng)翼概念帆Oceanbird[6]Fig.3 Wing concept sail Oceanbird designed by Swedish company[6]

1 船用翼帆技術(shù)研究現(xiàn)狀

隨著碳中和、碳減排成為國(guó)際熱點(diǎn)，國(guó)際海事組織（IMO）制定了一系列關(guān)于船舶溫室氣體排放和能效方面的法規(guī)，自船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）要求強(qiáng)制生效以來(lái)，業(yè)界從航速優(yōu)化、機(jī)槳配合、節(jié)能裝置等多方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得EEDI 值和船舶能耗不斷降低。但同時(shí)常規(guī)的船舶設(shè)計(jì)技術(shù)手段的節(jié)能潛力正在逐步減小，很多船型要滿足EEDI 第3 階段指標(biāo)要求還存在較大困難[7]。為此，必須尋找新的提高船舶設(shè)計(jì)能效的替代方法。

風(fēng)帆助航技術(shù)作為船舶最原始的驅(qū)動(dòng)方式，人類有著豐富的經(jīng)驗(yàn)積累，在尋找新的方法提高船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)時(shí)，船用翼帆技術(shù)自然而然地進(jìn)入研究的視野。為了提升 EEDI，降低溫室氣體排放，在船用翼帆技術(shù)研究主要是在新型翼帆的設(shè)計(jì)和翼帆能效分析方面。

1.1 圓弧形翼帆設(shè)計(jì)技術(shù)

圓弧形帆借鑒傳統(tǒng)阻力帆的工作原理如圖4 所示。將風(fēng)帆的兩端設(shè)計(jì)成機(jī)翼形狀，以減小氣流流過(guò)端面時(shí)的波動(dòng)。其推進(jìn)性能和空氣動(dòng)力學(xué)特性比傳統(tǒng)阻力帆提升較大。在順風(fēng)時(shí)可較大程度地利用來(lái)風(fēng)，輔助推進(jìn)效果最明顯，然而其利用的風(fēng)向范圍較小，不太適合應(yīng)用于風(fēng)向變化的風(fēng)場(chǎng)當(dāng)中[8]。在圓弧形翼帆應(yīng)用中最具代表性的是由大船集團(tuán)牽頭承擔(dān)的國(guó)家高技術(shù)船舶科研計(jì)劃“風(fēng)帆技術(shù)示范應(yīng)用開(kāi)發(fā)”項(xiàng)目[9]，創(chuàng)新性地提出了基于圓弧形風(fēng)帆的“U 型結(jié)構(gòu)翼形風(fēng)帆”概念，并成功安裝在招商輪船的30 萬(wàn)噸VLCC“凱力”號(hào)上。2018 年10 月該船進(jìn)行了為期5 天的海上實(shí)船試驗(yàn)，據(jù)測(cè)算，“凱力”輪每天可減少3% 左右的油耗，證明了該風(fēng)帆方案在超大型船舶節(jié)能減排方面的有效性，這是風(fēng)帆助推節(jié)能技術(shù)在國(guó)內(nèi)大型船舶上的首次推廣應(yīng)用。然而圓弧形翼帆在大型船舶設(shè)計(jì)中的載荷分布不均、風(fēng)向利用范圍小、控制系統(tǒng)復(fù)雜等難題，是制約圓弧形翼帆進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展的主要障礙。

圖4 圓弧形翼帆工作原理Fig.4 Working principle of arc wingsail

圖5 U 型結(jié)構(gòu)翼形風(fēng)帆[9]Fig.5 U-shaped structure wingsail[9]

圖6 名村造船開(kāi)發(fā)的散貨船風(fēng)帆動(dòng)力系統(tǒng)[10]Fig.6 Sail power system of bulk carrier developed by Mingcun shipbuilding[10]

日本名村造船聯(lián)手日本船東NS United Shipping 共同開(kāi)發(fā)了一種用于183 000 載重噸好望角型散貨船的風(fēng)帆動(dòng)力節(jié)能系統(tǒng)[10]，也是這種“U 型結(jié)構(gòu)翼形風(fēng)帆”。該系統(tǒng)的特點(diǎn)包括可以在沒(méi)有風(fēng)力或處理貨物時(shí)收回到甲板下，能夠橫向展開(kāi)以便從風(fēng)力中獲得最大推進(jìn)力，通過(guò)設(shè)置多種標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定風(fēng)帆形狀并采用不同形狀的風(fēng)帆，從而保障船橋上的能見(jiàn)度符合法規(guī)要求。

1.2 多元素翼帆設(shè)計(jì)技術(shù)

翼帆在船舶上的應(yīng)用技術(shù)尚不成熟，目前多集中于翼帆模型設(shè)計(jì)和空氣動(dòng)力性能研究。然而由于單機(jī)翼升力系數(shù)和失速特性的限制，單個(gè)機(jī)翼通常很少直接應(yīng)用到翼帆設(shè)計(jì)中。國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)者為了提升機(jī)翼形帆的推進(jìn)性能，先后對(duì)機(jī)翼形帆進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，出現(xiàn)了一系列的多元素翼帆，如雙元素翼帆[11]、三元素翼帆[12]以及五元素翼帆[13]等。

雙元素翼帆主要指帶襟翼的機(jī)翼形帆（見(jiàn)圖7），其形狀對(duì)稱，可利用雙側(cè)來(lái)風(fēng)，且升力系數(shù)較大，通過(guò)調(diào)節(jié)襟翼偏轉(zhuǎn)角可利用較大范圍的來(lái)風(fēng)，產(chǎn)生的橫傾力矩也小，輔助推進(jìn)性能遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)的風(fēng)帆。雙元素翼帆首次在第33 屆“美洲杯”帆船賽中應(yīng)用，就贏得了冠軍，其優(yōu)異的空氣動(dòng)力性能得到了航運(yùn)界的廣泛關(guān)注[14]。2017 年，法國(guó)AYRO 公司借鑒寶馬甲骨文船隊(duì)的這種雙元素翼帆設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)了Ocea－nwings[15]，其已被證明可將貨船的油耗降低多達(dá)45%。張紹清等[16]在20 世紀(jì)90 年代也開(kāi)展過(guò)雙元素翼帆的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究，通過(guò)與單翼帆性能對(duì)比發(fā)現(xiàn)雙元素翼帆的升力系數(shù)大大提高，然而由于沒(méi)有后續(xù)實(shí)船應(yīng)用，雙元素翼帆的發(fā)展也因此中斷。

圖7 雙元素翼帆工作原理Fig.7 Working principle of two-elements wingsail

三元素翼帆類似于飛機(jī)機(jī)翼（見(jiàn)圖8），是在襟翼帆模型的前緣增添了一個(gè)縫翼，以增大失速角、提升翼帆的推進(jìn)性能。1996 年，Daniel 博士[12]首次將縫翼應(yīng)用在風(fēng)帆的設(shè)計(jì)中。試驗(yàn)結(jié)果表明，三元素翼帆的最大升力系數(shù)提高了68%，在翼帆最有效的風(fēng)向角時(shí)推力增加了83%，翼帆性能提升明顯。2000 年，丹麥Rosander 和Bloch 提出并設(shè)計(jì)了一種非對(duì)稱的三元素翼帆，其結(jié)構(gòu)由縫翼、主翼和襟翼組成，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，制作困難，經(jīng)濟(jì)性較差[17]。2014 年，Windship 推出了被稱為輔助帆推進(jìn)系統(tǒng)（ASPS）的帆動(dòng)力新概念[18]，采用三元素翼帆的設(shè)計(jì)理念，將三元素翼帆整體固定安裝在船舶甲板上，通過(guò)調(diào)整翼帆的角度充分利用風(fēng)力能源，以降低發(fā)動(dòng)機(jī)功率，可最大限度地節(jié)省燃料。

圖8 三元素翼帆結(jié)構(gòu)模型[12]Fig.8 Three-elements wingsail model[12]

1.3 混合式翼帆設(shè)計(jì)技術(shù)

在翼帆研究的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)者為提升風(fēng)帆的推進(jìn)性能，對(duì)翼帆進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，逐漸出現(xiàn)一些新型混合式翼帆，也可稱為組合式翼帆，如walker 式帆[19]、翼-板混合帆[20]等。

Walker 帆翼是一種H 平面結(jié)構(gòu)帆翼（見(jiàn)圖9），它是英國(guó)工程師J.Walker 于20 世紀(jì)80 年代初提出的。Walker 翼帆采用了對(duì)稱翼剖面，翼帆后部安裝有導(dǎo)流翼用于調(diào)整風(fēng)帆迎角，提高了空氣動(dòng)力學(xué)性能。2010 年，A Burden 等[19]將該Walker 式多翼帆系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝在集裝箱班輪甲板上，并對(duì)該帆-船模型運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究，預(yù)測(cè)到了翼帆系統(tǒng)對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)較好的推力增益和推進(jìn)效率，然而Walker 式帆由于導(dǎo)流翼減小了失速角，極易發(fā)生翼帆失速現(xiàn)象，是否適用于遠(yuǎn)洋商船尚需進(jìn)一步論證。

圖9 walker 式帆[19]Fig.9 Walker sail[19]

翼-板混合帆是指采用機(jī)翼和平板等組合起來(lái)的風(fēng)帆（見(jiàn)圖10），Nojiri 等[20]在丹麥的Rosander和Bloch[17]設(shè)計(jì)的三元素翼帆模型基礎(chǔ)上提出了一種襟翼為平軟帆的混合式帆，它由縫翼、剛性翼帆和三角形軟帆組成，這種混合帆的結(jié)升力系數(shù)有所提高。商船三井[21]正在研發(fā)的在1 艘20 萬(wàn)噸營(yíng)運(yùn)散貨船上安裝風(fēng)力推進(jìn)系統(tǒng)就是借鑒這種混合式翼帆的設(shè)計(jì)理念（見(jiàn)圖11）。2005 年Toshifumi Fujiwam[22–23]將三角形軟帆改成矩形軟帆，其推進(jìn)性能比Nojiri 設(shè)計(jì)的混合式帆還有提升。2015 年，他與Qiao Li[24]合作對(duì)混合式帆的主翼進(jìn)行改型，用剛性平板代替襟翼，用雙回轉(zhuǎn)桅桿分別控制主翼和平板轉(zhuǎn)動(dòng)，以改變風(fēng)帆的拱角，因此這種帆也被成為可變拱角帆（VCS），經(jīng)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，該帆的綜合推進(jìn)性能優(yōu)于NACA0021 帆和平板帆。

圖10 襟翼為平板的混合式帆[24]Fig.10 Hybrid sail with flat flap[24]

圖11 日本商船三井設(shè)計(jì)的風(fēng)力推進(jìn)系統(tǒng)[21]Fig.11 Wind propulsion system designed by Japanese merchant ship Mitsui[21]

1.4 充氣翼帆設(shè)計(jì)技術(shù)

為了避免翼帆因結(jié)構(gòu)材料堅(jiān)硬而無(wú)法快速收縮以應(yīng)對(duì)緊急情況的問(wèn)題，2021 年米其林公司的研發(fā)部門和2 位瑞士發(fā)明家已經(jīng)聯(lián)合推出了Wing sail mobility(WISAMO)系統(tǒng)[25]，如圖12 所示，即充氣翼帆技術(shù)。WISAMO 系統(tǒng)的翼帆為一種可自動(dòng)伸縮、充氣的翼帆系統(tǒng)，翼帆底部設(shè)置有空氣壓縮機(jī)，在使用翼帆時(shí)保持充氣狀態(tài)，以保證足夠的強(qiáng)度。在緊急情況時(shí)，通過(guò)快速釋放翼帆內(nèi)部的空氣保證翼帆和船舶的安全。其主要缺點(diǎn)是充氣翼帆工作時(shí)需要消耗船舶能量，翼帆的操作性和靈活性也受到限制。

圖12 Wing sail mobility(WISAMO)系統(tǒng)[25]Fig.12 Wing Sail Mobility (WISAMO) system[25]

目前翼帆輔助推進(jìn)技術(shù)仍然主要處于實(shí)驗(yàn)室階段。翼帆失速行為的影響機(jī)理研究尚不充分，翼帆的安裝對(duì)船舶原有結(jié)構(gòu)及穩(wěn)性可能帶來(lái)不確定性的影響，并對(duì)機(jī)-帆-船的協(xié)調(diào)配合提出了更高的要求，這些都是影響翼帆實(shí)船應(yīng)用的重要因素。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)，目前圓弧形翼帆已在遠(yuǎn)洋商船上開(kāi)展了示范性應(yīng)用，且取得了良好的節(jié)能減排效果。而多元素翼帆和混合式翼帆由于空氣動(dòng)力學(xué)研究[26]、能效分析研究[27]以及船舶穩(wěn)性分析[25]等諸多因素在理論分析和試驗(yàn)研究方面仍在探索當(dāng)中。

2 雙元素翼帆研究的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 雙元素翼帆最大推力系數(shù)的配置

風(fēng)帆的空氣動(dòng)力學(xué)性能好壞直接決定了風(fēng)帆助航技術(shù)在船舶航行中的推進(jìn)效果。鑒于雙元素翼帆模型與帶襟翼的機(jī)翼在結(jié)構(gòu)上相似，當(dāng)前的雙元素翼帆模型多類似于帶襟翼的對(duì)稱機(jī)翼形式，以保證在船舶輔助推進(jìn)中能充分利用左右兩側(cè)來(lái)風(fēng)。

在進(jìn)行雙元素翼帆最大推力系數(shù)的配置時(shí)，首先要根據(jù)風(fēng)向角確定雙元素翼帆的工作狀態(tài)[28]。為了獲得最大推力系數(shù)，在可利用風(fēng)向角（45°～315°）范圍內(nèi)，雙元素翼帆可分為3 種作用狀態(tài)，如圖13～圖15所示。根據(jù)受力分析，在風(fēng)向角為45°～90°或270°～315°范圍內(nèi)需獲得最大升阻比，既可以增加推進(jìn)力，又可以控制側(cè)向力。在風(fēng)向角為90°～135°或225°～270°范圍內(nèi)阻力系數(shù)也存在推力分量，為了獲得最大推力系數(shù)，可選擇失速發(fā)生前的最大升力系數(shù)角，然而需避免由于前緣失速引起的升力系數(shù)陡降，此時(shí)需要對(duì)翼帆前緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行改型設(shè)計(jì)例如渦發(fā)生器、前緣凸起設(shè)計(jì)等。在風(fēng)向角為135°～225°范圍內(nèi)，翼帆配置需借鑒圓弧形風(fēng)帆的配置方式，采用大攻角、小間隙的安裝方式才能獲得最大的推力系數(shù)。

圖13 風(fēng)向角為45°～90°時(shí)的翼帆安裝配置Fig.13 Wingsail installation configuration when wind direction is 45°～90°

圖14 風(fēng)向角為90°～135°時(shí)的翼帆安裝配置Fig.14 Wingsail installation configuration when wind direction is 90°～135°

圖15 風(fēng)向角為135°～180°時(shí)的翼帆安裝配置Fig.15 Wingsail installation configuration when wind direction is 135°～180°

2.2 翼型帆的失速控制

翼型帆的空氣動(dòng)力特性主要包括阻力特性、升力特性、推力特性、側(cè)向力特性、失速特性以及橫傾力矩特性等，這些特性的變化機(jī)理與其氣流的壓力、速度以及載荷等的流場(chǎng)分布密切相關(guān)，翼型帆流場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，流動(dòng)變化較快，能否在快速變化的流場(chǎng)中對(duì)翼型帆進(jìn)行失速控制直接決定了翼型帆的推進(jìn)性能。通過(guò)對(duì)翼型帆結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可知雙元素翼型帆的失速主要發(fā)生在大攻角、高襟翼偏轉(zhuǎn)角時(shí)的翼帆外緣和帆-船結(jié)合部。為了在動(dòng)態(tài)波動(dòng)的風(fēng)場(chǎng)中獲得穩(wěn)定的推進(jìn)力以及盡量延遲翼帆失速，就需要對(duì)翼帆攻角和襟翼偏轉(zhuǎn)進(jìn)行合理的控制。當(dāng)雙元素翼帆正常工作時(shí)，船舶會(huì)左右搖擺，橫搖運(yùn)動(dòng)將使二元素翼帆處于動(dòng)態(tài)失速環(huán)境當(dāng)中。另外近地面空氣流動(dòng)的梯度風(fēng)，也會(huì)造成不同高度的翼型截面發(fā)生失速，特別是在翼型帆外緣，由于端部氣體繞流，不可避免地存在流動(dòng)分離現(xiàn)象。由于翼型的失速特性，如果翼型帆的攻角過(guò)小，船舶將不能獲得足夠大的推進(jìn)力。而攻角過(guò)大時(shí)，輕微的風(fēng)向變化就會(huì)引起失速，這會(huì)造成翼型帆推進(jìn)性能的下降。這些都給翼型帆的失速控制工作帶來(lái)了很大困難。

為了解決上述問(wèn)題，借鑒飛機(jī)機(jī)翼中應(yīng)用的流動(dòng)分離控制技術(shù)。為了提高飛機(jī)機(jī)翼的升力系數(shù)并延遲失速，研究設(shè)計(jì)了各式各樣的失速控制技術(shù)[29]，可分為主動(dòng)控制和被動(dòng)控制。主動(dòng)控制方法是通過(guò)人為操作控制雙元素翼帆的流體流動(dòng)，使翼帆受力按照需求變化，已經(jīng)應(yīng)用的有可控環(huán)量機(jī)翼、噴射流體、后緣襟翼、前緣縫翼等。被動(dòng)方法是通過(guò)雙元素翼帆結(jié)構(gòu)的改變來(lái)改善翼帆表面流體的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，從而延緩附面層流動(dòng)分離，推遲失速發(fā)生，如渦發(fā)生器、變形襟翼和前緣凸起等。

2.3 機(jī)-帆-船的協(xié)調(diào)配合

船舶運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)是使船舶沿設(shè)定的航向航行。它有2 個(gè)功能：航向保持和航向改變，前者是使船舶在受到各種擾動(dòng)時(shí)以最小的控制力保持在設(shè)定航向上；后者希望以最小的超調(diào)迅速準(zhǔn)確地跟蹤新的設(shè)定航向。對(duì)于翼帆助航船舶，翼帆推進(jìn)增加了船舶運(yùn)動(dòng)的不確定性和干擾性，這對(duì)機(jī)-帆-船的協(xié)調(diào)配合提出了更高的要求[30]。另外，船舶在航行時(shí)航線方向與風(fēng)向并不是保持一致的，這會(huì)導(dǎo)致作用在翼帆上的推力與船舶受力的不平衡，造成船舶的漂移。所以，為了保證船舶航向的準(zhǔn)確，就需要在船舶航行中不斷調(diào)整翼帆的攻角和改變舵機(jī)的舵角。甚至為了航速的穩(wěn)定，需要調(diào)整主機(jī)的轉(zhuǎn)速以維持受力的平衡。這對(duì)機(jī)-船結(jié)合部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也提出了新的考驗(yàn)，不斷變化的應(yīng)力大小和方向會(huì)增加翼帆的安裝難度。

由于船舶航行時(shí)的風(fēng)速和風(fēng)速變化，引起翼帆產(chǎn)生的推進(jìn)力和側(cè)推力發(fā)生改變，打破了原有的機(jī)-帆-船配合狀態(tài)，為了降低主機(jī)能耗并保證船舶穩(wěn)定航行，需要及時(shí)改變雙元素翼帆的工作狀態(tài)，通過(guò)改變攻角、調(diào)整襟翼偏轉(zhuǎn)角等形式實(shí)現(xiàn)機(jī)-帆-船的協(xié)調(diào)配合。

3 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)能作為沒(méi)有任何污染的清潔能源，通過(guò)翼帆直接轉(zhuǎn)換為船舶推進(jìn)力，可以起到節(jié)能減排的效果，有助于實(shí)現(xiàn)航運(yùn)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)。從IMO 海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)（MEPC）第74 次會(huì)議到第76 次會(huì)議提出的溫室氣體減排目標(biāo)所推薦的中長(zhǎng)期減排措施看[31]，包括風(fēng)帆助航在內(nèi)的船舶新能源開(kāi)發(fā)利用位列其中，風(fēng)能推進(jìn)系統(tǒng)等能效技術(shù)對(duì)EEXI 的影響正在納入IMO MEPC 會(huì)議討論的范圍。

盡管由于多方面原因，目前船用翼帆還未在遠(yuǎn)洋商船取得實(shí)質(zhì)性應(yīng)用，多為翼帆助航船的概念設(shè)計(jì)。由于翼帆助航技術(shù)與其他風(fēng)帆助航技術(shù)相比，具有氣動(dòng)性能穩(wěn)定、升力特性好、無(wú)需額外動(dòng)力、操縱靈活等優(yōu)點(diǎn)，采用對(duì)稱性翼型還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶雙側(cè)來(lái)風(fēng)的利用，采用帶襟翼的雙元素翼帆可以實(shí)現(xiàn)對(duì)翼帆失速行為和緊急情況的處置，日本、英國(guó)、美國(guó)、新西蘭等國(guó)目前正在開(kāi)展利用翼帆助航技術(shù)實(shí)現(xiàn)船舶輔助推進(jìn)，計(jì)劃應(yīng)用在VLCC 等遠(yuǎn)洋商船上。

智能船舶技術(shù)的飛速發(fā)展，為翼帆助航技術(shù)在遠(yuǎn)洋商船的應(yīng)用也提供了條件，翼帆助航的智能化控制不僅減輕了船員的工作壓力，更有利于保證船舶安全。IMO 及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）等將智能船舶列為重要議題，國(guó)際主要船級(jí)社先后發(fā)布了有關(guān)智能船舶的規(guī)范或指導(dǎo)性文件[32]。翼帆助航的智能化控制也將成為智能船舶研究中不可缺少的部分，如翼帆安裝角的自動(dòng)調(diào)整、緊急情況的自動(dòng)卸荷、帆-機(jī)-船能效的自動(dòng)分配等智能控制，有助于降低船舶能效、減少溫室氣體排放、提升船舶運(yùn)營(yíng)效率、改善船員工作環(huán)境。

盡管翼帆助航技術(shù)尚不成熟，其實(shí)船應(yīng)用安全性和可靠性影響未充分評(píng)估，然而其技術(shù)發(fā)展始終緊貼經(jīng)濟(jì)社會(huì)的需求。相信翼帆助航技術(shù)憑借其節(jié)能環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，以及智能控制等新方向的發(fā)展，在未來(lái)二三十年將成為遠(yuǎn)洋船舶輔助推進(jìn)動(dòng)力的首選。