作者 | 陈俊宇，清华大学机械工程系博士研究生
现如今的远洋货运，常常是单程上万海里，载着几十万吨的油、矿石和集装箱在世界上的不同港口之间穿梭，装载量巨大、成本低廉的远洋货运船舶承担着这个蓝色星球上繁忙又激动人心的物料流动，世界上90%以上的国际贸易货物要通过船舶来运输。
（全球港口热力图 图片来源：船期网）
（一）从帆船到轮船，人类海运事业都经历了什么？
在蒸汽机用于轮船以前，船舶的动力来源于人力和自然力，大型船舶上都配备着巨大的风帆，在不同的风速、风角情况下，通过调整风帆的角度和船舵，使得船舶在有风的天气下获得前进的动力。
在动力上，我们多数人所熟知的古代传统方形船帆只有一种作用力，就是风直接吹在帆面上形成的推力，而随着船速的增加，帆与风之间的速度差逐渐减少，推力也就越来越小，直至与航行中水的阻力相平衡，加速度变为零进入匀速行驶状态；风向与船的航行方向有夹角时，船会发生一定的侧倾，但是因为阻力较大的原因，并不会直接横向运动；也做不到直接逆风行驶，只能采用斜顺风方式，在大范围内用“Z”字形路线缓慢迂回来实现逆风前进。
（郑和宝船复原模型）
（哥伦布使用的帆船）
而随着蒸汽机、燃气轮机在船舶上的应用，船舶动力发生了革命性的变化，1807年8月18日，美国发明家富尔顿制造、明轮推进的蒸汽机船“克莱蒙特”号在美国纽约州的哈得逊河上做了历史性的航行，这也标志了帆船时代的结束，汽船时代的开始，“轮船”的名字也由来于此，风帆也逐渐从大船必备的装备变成了难得一见的稀罕玩意。
（克莱蒙特号上依然装备了风帆）
（二）现代船舶上风帆没用了？不，它能帮大油轮节能
全球约70000多条商船正在运营，以30万吨级巨型油轮为例，一艘满载的30万吨油轮以15节的航速航行一天下来，光燃油就要消耗70-90吨左右。远洋运输行业是名副其实的碳排放大户，其二氧化碳排放量占当前全球二氧化碳排放总量的3%以上，因此，降低航运业二氧化碳排放量的呼声日益提高。
风能作为一种可再生无污染的绿色能源，将其利用在船舶航行推进、降低营运能耗也是近年来的研究重点之一。风帆在被主流的运输船只弃用多年后再次回到了人们的视野，风帆的这一次旧曲新唱，能唱出来什么样的新内容呢？
风帆的种类主要包括翼型帆、转筒帆和天帆等，其中研究最多的是翼型帆。总的来说，翼型帆就是利用机翼的原理（伯努利原理），即空气流过翼型上下面时的速度不同而产生压差力，再通过调整风翼的迎风角度，利用压差力来推动船舶前进的风帆。翼型帆又分为普通型、层流型、U 型和圆弧型等，不同种类的帆空气动力特性各不相同。
（伯努利原理）
这个伯努利原理产生的力量，我们可以通过以下实验来感受：拿一张纸条放在嘴前，吹气的时候纸张会被抬升，这就是因为空气流速导致的压力差，最终形成了举升纸张的力量。
这种力量在风帆的应用中，有时候要比风正面推动帆的时候的力量都要大。将长得像机翼的风帆竖起来插在帆船上，侧风航行时，这种“升力”就会推动帆船前进。这也是现代的风帆一般由硬质刚性材料制成的原因——靠风把风帆吹满形成“翼型”还是不太可靠。
（翼型风帆的前进原理，来源见水印）
传统的帆船上，风帆更像是一个展开的大型的受风面。随着人们对船帆技术研究的不断加深，新型船帆以其高效能的特点逐渐取代了传统帆型，现代船舶开始逐渐使用翼型风帆。翼型风帆多采用金属框架结构，并在其外部采取铆接的复合材料蒙皮结构，其特点为强度高、耐腐蚀以及能够提供较传统阻力帆较为大的推力，工作效率较高。
（现代帆板比赛所使用的风帆已经不再是阻力帆，而是翼型帆）
利用风帆原理助力航行在全球已经有一些船只采用了，其中比较著名的几条船包括：
2008年德国制造的“白鲸天帆号”，这艘船可以采用类似风筝的帆提供动力，该帆的帆面积约为160平方米，由超轻合成纤维制成，最高可升至350米高空，在风帆提供推力最大的情况下可节省近50%的燃料。
（世界上第一艘用“风筝”拉动的货轮——白鲸天帆号）
2010年德国的风帆公司将铝制风筒结构装置于“E-Ship 1”号船舶，该船舶为载重量12800吨的集装箱滚吊船，使用布置于船首、船尾的四个旋转式转筒帆结构，可以为其船舶航行节能30%。
（转筒帆船“E-Ship 1”号）
此外，还有不少国家给出了风帆助力船舶的概念方案，日本东京大学的研究项目“风挑战者”项目研究并试制了刚性U型翼型风帆，这种U形的刚性风帆有可伸缩的钢梁和复合材料制造的全封闭翼型，还有垂直伸缩帆和风帆旋转机构，以应对不同的风速和风向。
按照研究结果，4个刚性船帆可以产生足够的正向推力，以14节的巡航速度驱动8.4万吨级散货船。
（日本“风挑战者”研究项目的概念效果图）
中国在上世纪80年代开始进行风帆助力航船的研究，近年来，随着节能减排问题的日益突出，中国于2015年启动了国家高技术船舶科研计划项目——“风帆技术示范应用开发”，在此基础上，中国在风帆助力航船进行了大量研究。
（三）国产水麒麟“凯力”轮，靠“拉风”每天节油3%
2018年11月13日，中国建造的全球首艘安装风帆装置的30.8万吨超大型原油船“凯力”轮成功交付。
这是中国于2015年启动的“风帆技术示范应用开发”项目在VLCC（very large crude carrier，巨型油船）实船上的国内首次应用，该项目不论从风帆样机的尺寸，还是所安装船舶的吨位，均属国内和国际业界的创新和填补空白项目，标志着国内研发团队成功掌握了翼型风帆研发、设计、制造与应用关键技术，高质量完成了风帆装置在超大型油船上的工程化应用。
（凯力轮“扬帆”远航）
通过对“凯力”号相关海试数据分析，翼型风帆助推效果符合设计预期，节能效果显著，依靠“拉风”，可以降低船舶发动机的负载功率，进而平均每天可以实现节省3%的油耗，被誉为“水麒麟”。
（“凯力”轮风帆外形）
“凯力”轮依靠风帆来实现节能减排降耗，风帆是船上最关键的设备之一，风帆装备是集机械加工、液压、电气、结构焊接等多个专业于一体的特种装备，“凯力”轮采用的是U形结构翼型风帆，风帆由回转机构、桅杆和帆翼等几部分组成。
风帆高39.68米，宽14.8 米，回转底座最大外径5.3米，底座中间圆筒直径4.5米，风帆结构尺度大，而且其是空气动力学部件，对于外形加工精度的要求要高于一般的船体分段，此外，用于回转底座加工的数控重型卧式车床甚至采用的是目前国内加工能力最大的车床，其加工工件的最大直径达到5.6米，最大长度为15米。
风帆角度的控制是一大难点问题，风帆助航装置需要根据风向风速及时调整帆位角，使风帆处于最佳操帆位置，另一方面风帆的存在使得船体重心升高的同时，在大风情况下会受到较大的横风的推力，导致船体侧倾，对风帆角度的调整也对船的稳定至关重要。
船舶采用的风帆的设计也跟其目标航线中的风场情况息息相关，两个帆对称布置，一定程度上也可以提高船舶的稳定性。
结语
巨大的油轮满载时重量达到30多万吨，如此庞大的油船只靠风力推动显然还不太靠谱，但是风力作为远洋货船的补充动力却是足够的，有了风帆助力，不但降低了船只远洋的能耗成本，减少了对环境的碳排放，而且可以降低船舶发动机的负载功率，从而有效的延长设备的使用寿命。
中国造船工程师打破现代巨型油船的动力限制，把风帆这一古老的装置旧曲新唱，放在大型远洋油轮上，是奇思妙想，更是超级工程。
