风帆助航与天帆系统

大连海事大学轮机工程学院 李 斌

风帆作为船舶推进装置已有几千年的历史，历史上曾出现大型远洋帆船的极盛时期。但由于风力和风向的不稳定，使得航行存在着很多不确定因素。随着科学技术的发展，风帆船已逐渐被动力船所代替。

近年来由于能源危机、油价上涨和排放的控制等诸多方面的原因，风帆船被重新提上议事日程。而现代水动力学、空气动力学、自动控制及计算机应用、材料与建造学、气候监测与预报等学科的迅速发展，也为现代风帆船的研制和应用提供了条件。

一、采用风帆助航的优点及应用

从初投资、所需空间、危险性、能源有效性、环境友好性、目前可行性、未来可行性、目前能源成本以及未来能源成本几个方面对各种能源的使用进行了综合评估，其结果如表1所示。从表1中可以看到，风能很显然是民用船舶动力中最具有吸引力的替代方式。尽管风力可能让航行增加不确定因素，但是受石油危机、环境污染、全球气候变暖等问题的影响，越来越多的国家又开始考虑将风能作为辅助动力，发展风能助推船舶。

根据海上航行条件，许多国家很早就开始了风帆助航研究。其研究领域主要包括新型风帆的研究和风帆助航规划、技术经济的论证工作。如法国开发研制的吸气式涡轮帆、英国开发的Walker帆型、前苏联开发的转子-风帆组合体以及日本开发的卷折式纤维增强塑料风帆等，并在此基础上成功研制了一批大型风帆助推运输船。我国也在1 9 8 0年代成功开发出了圆弧形翼帆助航船。这些船舶的共同特点是利用电子计算机自动操帆，并已证实采用风帆助航可以达到既节约能源，又降低污染的效果。

表1 不同能源的比较

二、风帆助航存在的问题

尽管利用风帆助航可以节能，但仍存在着许多问题需要认真研究和解决。这里主要包括风帆助航的实际效果问题、节能与安全的相互关系问题、风帆对船舶航行性能的影响问题等。

1. 风帆助航的实际效果

风帆助航的实际节能效果与船舶的航线和航区有关，有时实际的节能效果可能并非我们想象的那样好。首先是风力资源问题，如针对我国沿海典型航线采用风帆助航技术后的年均节能效果的计算（计算船型为800t沿海货船），结果表明在中国沿海风帆船具有一定的推广应用前景。其次是风向问题，为了获得风能增加航速，有时需要不断改变航向和倾侧航行，可能偏离预定航线多走一段距离而增加航行时间，柴油机也会运转更长时间而燃烧更多的燃油。

2. 节能与安全的相互关系

风帆助航与船舶安全是一对互相对立又可以互相优化的矛盾体。从尽可能多地利用风能、节约能源的角度来看，希望有足够强的风力吹动风帆，产生足够强的力推进船舶。然而，如果风力过大，则会对船舶安全造成威胁，也不利于船上人员对船舶的操纵和控制。

为了达到节能与安全的最优，风帆助航既要考虑空气流体动力，又要兼顾安全性（强度、稳性、自动化操纵等）。船舶采用何种方式，需要针对航线的气候条件，因地制宜。

3. 风帆对船舶航行性能的影响

船舶安装风帆，风帆所增加的倾侧力矩会改变船舶的稳性、浮态等各种性能，并可能引起船舶的偏航及操纵性的改变。由于风速和风向不稳定，风帆提供的辅助推力也不稳定，要保证风帆和螺旋桨获得最佳的综合推进效率，需分析机、帆、桨的配合特性，实现机、帆、桨三者的最佳匹配，以获得理想的节能效果。

三、新型风帆助航系统——天帆系统

天帆系统是德国工程师瑞格发明的新型高科技风帆，它是由一个巨大的、充满氦气的天帆，也叫风筝帆及相应的索具组成，利用上层最稳定而强劲的风力驱动船舶前进，天帆系统的组成及工作原理如图1所示。

1. 天帆系统

天帆，也称为风筝帆，其形状类似于滑翔机的机翼，由纺织品构成，面积可达2000m2，工作时充满氦气，由充气骨架支撑结构提供必要的机械强度。由于它比空气轻，即使一点风也没有，风筝帆也可以稳定上升。风筝帆最高能够升至500m，根据不同高度风的方向和强度，帆的高度可在100～500m内调整，以最大限度地利用风能，确保可以获取足够的推进能量。

天帆向船上传递力是通过一根牵引缆。控制缆位于牵引缆和帆之间，控制和平衡天帆。风筝帆的所有缆绳采用强度高、重量低的现代尼龙纤维。

牵引缆与船体之间的连接装置采用滑车方式，它可以在轨道上移动，轨道固定在船的外板上，由一台缆车控制牵引索的长度。它将牵引缆的力传递到船体并推动船前进，每条船的连接系统都不相同。牵引缆作用点的位置是变化的。因为牵引力需要同横向阻力在同一条线上，这取决于船体的形状和船速。

在天帆上使用了一个经改装后的飞机自动导航仪。自动导航仪和船上的计算机相连。控制系统根据风向、风速、船的航向和船速自动调整天帆的位置。

收放帆系统用于收回和放出天帆的牵引索，它由控制机构、索收放系统以及氦气的填充和放泄系统组成。由于风筝完全是由纺织品构成的，这使得它易于存放，在船上只占很小的空间。充放气机构控制将氦气充入天帆的气囊或将氦气放出。氦气系统由高压氦气瓶和泵组成。

2. 航线优化设计

系统航线优化设计由四个模块组成：天气预报，性能计算，决策制定和航线建议。即在现代天气预报的帮助下，获得一个恒定的、能量充沛的驱动力，充分利用风力优势，完成快速、准确的航次。

现代气象预测可以精确预测5 d内的天气状况，还可以预测更长时间的宏观天气状况和气象形势，即使短期的气象情况，也可以在半天之前预测出来，这就为航线确定起到了关键作用，确保了船舶的安全。

输入天气预报的数据可进行天帆性能计算，预测通过天帆推进系统可获得的风力，并考虑到不同船舶的特性参数，然后计算出使用天帆系统的船速和预计到港时间。

船公司可以设定船的某些参数，诸如最大燃油消耗率和最迟到达时间等都可输入系统，然后计算优化航线。

3. 系统安全措施

为了确保船舶的安全，天帆系统由6级的安全措施来保证：（1）通过定期的天气预报避免不利的天气情况，并对下降风和阵风进行预警；（2）改变机翼的空气动力降低牵引力；（3）改变力的作用点和牵引角减少力对于船的作用；（4）主绞车对于极限阵风风力主动作出反应并通过船舶动力系统进行补偿；（5）收回牵引天帆；（6）在紧急情况下牵引风筝急速放气。

2007年12月15日，全球第一艘用巨大的风筝提供部分动力的货船“白鲸天帆”号（Beluga Sky Sails），在德国汉堡的一个港口下水，以风力辅助发动机运转。德国Beluga公司确认每平方米风筝帆面积的平均功率是0.5kW，使用风力优化航线每平方米风筝面积的平均功率可达到1kW，采用该技术能减少10%～35%的耗油量，目前已获得多个订单。

[1]WRAGE S,PFEIFFER W.Skysails power-propulsion for merchant ships of the future[J].The Scandinavian Shipping Gazette,2003(10):62-65.

[2]孟维明,赵俊豪,黄连忠.风帆助航节能船的应用前景[J].船舶,2009(4):1-3.

[3]徐华.全球第1艘“风筝船”首航大西洋[J].中国船检,2008(3):77.