| 单词 | 风帆助航船 |
| 释义 | 【风帆助航船】 拼译：sail assistance ships 20世纪70年代，随着最新科学技术成果的应用，操纵帆的机械化和电脑化以及新材料、新工艺的利用，已能完全克服古帆船的种种弊端。至80年代，掀起了一次研制现代风帆助航船的热潮。 1980年，日本钢管公司设计研制的第1艘现代风帆航船“新爱德丸”号下水试航运行。船上前后装置两个硬帆(由金属框架和帆布制作)，帆剖面采用改进的层流翼型，其拱度比为14%。它们由微电脑液压传动控制，根据风速和风向随时保证风帆处于最佳帆向角位置，并可自由收拢和伸张。风帆提供的推进功率，可以自动地与主机输出功率匹配，使船舶在恒定的航速下行驶。现代风帆助航船的帆翼，从传统的软帆改为刚性帆，升力系数从软帆的0．8～1．1提高到1．5～1．7。在实践中，帆艇使用前后两帆相互作用的装置，使船的推进力获得提高。通过前后两帆，后帆(主帆)对前帆(副帆)的作用，能使前帆负荷加重，提高前帆的推进力；前帆对后帆的作用，使后翼背上吸力面风速降低，则后帆能在更大的攻角下工作，从而提高后帆的推进力。早期的风洞试验表明，当副翼尾缘位于帆翼上离前缘15%主帆弦长处，副帆翼弦线位于主帆翼弦线以上距离为12%主帆弦长时，其最大升力系数可达1．8左右。武汉水运工程学院所发表的风洞试验(1990)，使两帆垂直距离为主帆弦长的20%，副帆弦长为主帆弦长的15%左右时，通过两帆合理的相互作用，使最大升力系数提高到2．33。80年代初期，英国J．Walker提出三平面结构的所谓Walker帆翼，这是一种三平面多元素帆翼装置，采用对称机翼剖面，总升力系数可达3．0。1985年国际风帆船学术会议上，英国南安普敦大学提出一种杂交型多元素帆翼的设想，通过诸帆翼元素在操纵时位置上巧妙组合，使其最大升力系数达到4．0左右。1989年，俄罗斯人提出一种5元素帆翼，设计最大升力系数达到2．86，不仅具有很好的气动性能，在结构上特别适用于大船上安装，而且只要转动5个帆翼中第2和第4个帆，就很容易释放风的负荷。类似的5元素帆翼也在武汉水运工程学院研究成功，其最大升系数达到2．87，这是一种比较有实用意义的帆装置。80年代以来，世界各国研究者还纷纷提出一些完全不同于普通帆翼的风力船。1983年，美国风力发展中心的一艘18t“追踪号”船上安装了一个直径1．159m和高7．323m的转柱，转柱材料为铝合金，重仅81．72kg(当年两个F1ettner转柱净重为7t)。实船测试表明，在完全关闭发动机和在8m／s左右的微风条件下，利用转柱便可获得6节航速。转柱所需功率约为其输出功率的10%。此后，利用这一原理的其他形式的转柱帆也相继出现。前苏联列宁格勒中央设计院研制的空气动力推进组合体，由两个转柱和刚性翼帆所组成，两个转柱位于帆翼两侧边缘，通过转柱作用，可使普通帆翼获得更高空气动力性能。1987年武汉水运工程学院研制的转带帆，也属同一原理的应用，它由于转带的作用，能获得更好的气动性能。采取强力控制边界层分离的措施提高帆具的气动性能，这是开发现代新帆具的又一方向。法国人提出的涡轮风帆船，它是利用圆柱两侧吸气的方法，可使柱体升力系数提高到5．5～6．0。圆柱表面吸气由圆柱顶部处安装一台涡轮风机产生的，故有涡轮风帆之名称。在法国建造一艘涡轮风帆船。据实船测试表明：该涡轮风帆船在大约25节的有利风的作用下，可获得55%～60%的节能效果，1991年武汉水运工程学院发表了可控环量帆翼试验装置，它可利用船舶动力装置废气在帆翼尾部壁面切向喷流产生的Coanda效应来移动帆翼尾缘分离点位置，获得比普通帆翼更大的推力系数，特别在微小风速和顺风航行时，仍能获得较大的风帆助航推力。80年代初，新西兰Bates(1981)研制一条小型风车船。船上安装一个直径为7．93m的三叶风车。通过传动装置与水下螺旋浆相连。据试验表明：当风速为12节时，获得航速为7节；真风为10节时，获得航速为6节。风车叶片螺距可调节控制，在航行时能承受60节大风而不被倾覆。但由于经济和结构上的原因，风车船并未受到普遍欢迎。风筝船或空中帆船(帆在空中的船)是一个大胆的设想，利用空中风筝拉动船舶航行有不少优点：高空中风更大，能提供更大动力；帆在空中很少需要占用船上甲板空间；帆在空中还能加强船舶稳性和安全。但尚有一系列问题有待解决，如风筝的设计、高度控制、风筝的着落和放出等等。为此，英国南安普敦大学制定一项长期开发研究风筝船的计划，这将使风筝船的前景可能会有进一步的发展。现代风帆助航船，均指有辅助动力配合的帆船，有风时可不用或少用动力，无风或微风以及进出港口时使用动力。风帆助航舶所配动力应保证在无风时有一定航速。每当航速低于设计航速时，应有足够的动力维持最低航速值。由于现代风帆助航船是以节能为其主要目标，故最合理的设计航速的确定涉及到航运费用，是一个经济学和船舶流体力学相结合的问题。探讨这个问题分两个步骤：第一步是根据风帆船提供的空气和水动力特性资料，预报航速和调节所需动力，应用数学模型计算动力和风帆配合下船舶最佳性能；第二步是经济上最优化考虑，即考虑经济因素后，最优化的目标函数是每单位费用使船舶迎风增益速度为最大，或在给定方向(相对于真风)航行每单位距离的费用为最小。利用以上两组求解方程的结合，求出动力和风帆配合下船舶最佳性能。船舶的航向、航速、操帆和操舵角。通过计算机模拟器控制但最大的困难是风帆船的空气动力和水动力模型的建立和求解。发展和建造风帆船可行性研究，在技术方面的研究重点和热点有：(1)利用风能的帆翼，采用多元素帆的设计是必然的趋势。多元素帆翼诸特征参数的配合，一方面要便于实船安装使用，另方面又要有更好的气动特性。因此，进一步提出新设计或新的结构设想都会受到欢迎。对于优化多元素帆设计，除必要的风洞试验外，配合完善的数值模拟计算已是必不可少。(2)在风帆船综合节能中，研制更先进的帆具是关键；研究阻力更小和稳性更好的帆船船型十分必要，风帆船稳性标准(规范)也应及早研究解决。(3)在电脑和液电控制操作系统的研究中，对风帆助航船最佳操帆性能的计算程序，以及动力和风帆配合下的船舶最佳性能模拟器的研制，应更完善地解决。【参考文献】：1 Wind Ship Development Corporation．Wind Propulsion for Ship of the American Merchant Marin，PB 81－162455．2 Letcher J S．J．Ship Research，1982，26(3)∶209～2183 武汉水运工程学院内部资料．风帆和风帆船研究文集，1982，26(3)∶209～218，1983(1)；1986(2)；1987(3)4 Bergeson L，Greenwald C K．Journal of wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1985，19∶45～1145 Walker J G．Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1985，20∶83～966 Charrier B，Costans J，et al．Journal of wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1985，20∶39～60(武汉交通科技大学王献孚教授撰) |
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