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)帆作為一種非動力推進(jìn)裝置，具有操縱便捷、結(jié)構(gòu)簡單、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、游艇等船艇的動力推進(jìn)中，對于節(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，是世界各海洋大國關(guān)注研究的熱點(diǎn)。在風(fēng)能開發(fā)領(lǐng)域，風(fēng)帆助航無需將風(fēng)能發(fā)電進(jìn)行二次開發(fā)，能源利用率高，非常符合遠(yuǎn)洋船舶對航行速度、風(fēng)場分布、節(jié)能環(huán)保等應(yīng)用條件的要求。國際油價的持續(xù)上升以及國際海事組織對于氣體排放要求的嚴(yán)格限制[1]是風(fēng)帆助航船舶設(shè)計的持續(xù)推動力，傳統(tǒng)造船強(qiáng)國如日本、韓國、美國、英國等早已著手開展風(fēng)帆助航船舶的模型設(shè)計、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)測報警、安全系統(tǒng)、帆/槳聯(lián)合控制系統(tǒng)等，如圖1 所示。2020年中國船級社發(fā)布的《船用硬質(zhì)翼面帆評估與檢驗(yàn)指南》對船用翼帆的設(shè)計、布置、控制監(jiān)測、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、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。氣流流過翼帆時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、滾裝船以及競技體育運(yùn)動中。其次是富萊特納旋筒帆[4]，它利用氣流通過高速轉(zhuǎn)的圓筒時，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力。風(fēng)箏帆又稱天帆[5]，它利用風(fēng)箏在天空中飛行拉動海面船舶航行，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)時具有以下突出特點(diǎn)：

1）升力特性好，氣動性能穩(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)—槳配合時對船舶主機(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，翼帆可以通過調(diào)整安裝角角度利用船舶兩側(cè)來風(fēng)，持續(xù)獲得輔助推進(jìn)力，保證輔助推進(jìn)效果。

3）無需額外動力、結(jié)構(gòu)簡單。相比富萊特納旋筒帆，翼帆不需要船舶提供額外動力，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)相對簡單。

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)用翼帆展開船舶輔助航行，未來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)計的Oceanbird 風(fēng)翼概念帆[6]，（見圖3），預(yù)計比傳統(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 個伸縮的“翼帆”，每個帆高79.3 m。帆可以旋轉(zhuǎn)360°而不會彼此接觸，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、碳減排成為國際熱點(diǎn)，國際海事組織（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)計指數(shù)（EEDI）要求強(qiáng)制生效以來，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，使得EEDI 值和船舶能耗不斷降低。但同時常規(guī)的船舶設(shè)計技術(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)計指數(shù)時，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)計和翼帆能效分析方面。

1.1 圓弧形翼帆設(shè)計技術(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)計成機(jī)翼形狀，以減小氣流流過端面時的波動。其推進(jìn)性能和空氣動力學(xué)特性比傳統(tǒng)阻力帆提升較大。在順風(fēng)時可較大程度地利用來風(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)的國家高技術(shù)船舶科研計劃“風(fēng)帆技術(shù)示范應(yīng)用開發(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 萬噸VLCC“凱力”號上。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 名村造船開發(fā)的散貨船風(fēng)帆動力系統(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 共同開發(fā)了一種用于183 000 載重噸好望角型散貨船的風(fēng)帆動力節(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)包括可以在沒有風(fēng)力或處理貨物時收回到甲板下，能夠橫向展開以便從風(fēng)力中獲得最大推進(jìn)力，通過設(shè)置多種標(biāo)準(zhǔn)來確定風(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度符合法規(guī)要求。

1.2 多元素翼帆設(shè)計技術(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)計和空氣動力性能研究。然而由于單機(jī)翼升力系數(shù)和失速特性的限制，單個機(jī)翼通常很少直接應(yīng)用到翼帆設(shè)計中。國內(nèi)外設(shè)計者為了提升機(jī)翼形帆的推進(jìn)性能，先后對機(jī)翼形帆進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，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（見圖7），其形狀對稱，可利用雙側(cè)來風(fēng)，且升力系數(shù)較大，通過調(diào)節(jié)襟翼偏轉(zhuǎn)角可利用較大范圍的來風(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)異的空氣動力性能得到了航運(yùn)界的廣泛關(guān)注[14]。2017 年，法國AYRO 公司借鑒寶馬甲骨文船隊的這種雙元素翼帆設(shè)計理念設(shè)計了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 年代也開展過雙元素翼帆的設(shè)計和試驗(yàn)研究，通過與單翼帆性能對比發(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（見圖8），是在襟翼帆模型的前緣增添了一個縫翼，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)計了一種非對稱的三元素翼帆，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）的帆動力新概念[18]，采用三元素翼帆的設(shè)計理念，將三元素翼帆整體固定安裝在船舶甲板上，通過調(diào)整翼帆的角度充分利用風(fēng)力能源，以降低發(fā)動機(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)計技術(shù)

在翼帆研究的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外設(shè)計者為提升風(fēng)帆的推進(jìn)性能，對翼帆進(jìn)行改型設(shè)計，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（見圖9），它是英國工程師J.Walker 于20 世紀(jì)80 年代初提出的。Walker 翼帆采用了對稱翼剖面，翼帆后部安裝有導(dǎo)流翼用于調(diào)整風(fēng)帆迎角，提高了空氣動力學(xué)性能。2010 年，A Burden 等[19]將該Walker 式多翼帆系統(tǒng)設(shè)計安裝在集裝箱班輪甲板上，并對該帆-船模型運(yùn)動進(jìn)行數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究，預(yù)測到了翼帆系統(tǒng)對船舶運(yùn)動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的風(fēng)帆（見圖10），Nojiri 等[20]在丹麥的Rosander和Bloch[17]設(shè)計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 萬噸營運(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)計理念（見圖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)計的混合式帆還有提升。2015 年，他與Qiao Li[24]合作對混合式帆的主翼進(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，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)計技術(shù)

為了避免翼帆因結(jié)構(gòu)材料堅硬而無法快速收縮以應(yīng)對緊急情況的問題，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)，在使用翼帆時保持充氣狀態(tài)，以保證足夠的強(qiáng)度。在緊急情況時，通過快速釋放翼帆內(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，翼帆的安裝對船舶原有結(jié)構(gòu)及穩(wěn)性可能帶來不確定性的影響，并對機(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，目前圓弧形翼帆已在遠(yuǎn)洋商船上開展了示范性應(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)來風(fēng)。

在進(jìn)行雙元素翼帆最大推力系數(shù)的配置時，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，此時需要對翼帆前緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行改型設(shè)計例如渦發(fā)生器、前緣凸起設(shè)計等。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分布密切相關(guān)，翼型帆流場環(huán)境復(fù)雜，流動變化較快，能否在快速變化的流場中對翼型帆進(jìn)行失速控制直接決定了翼型帆的推進(jìn)性能。通過對翼型帆結(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)角時的翼帆外緣和帆-船結(jié)合部。為了在動態(tài)波動的風(fēng)場中獲得穩(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，船舶會左右搖擺，橫搖運(yùn)動將使二元素翼帆處于動態(tài)失速環(huán)境當(dāng)中。另外近地面空氣流動的梯度風(fēng)，也會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分離現(xiàn)象。由于翼型的失速特性，如果翼型帆的攻角過小，船舶將不能獲得足夠大的推進(jìn)力。而攻角過大時，輕微的風(fēng)向變化就會引起失速，這會造成翼型帆推進(jìn)性能的下降。這些都給翼型帆的失速控制工作帶來了很大困難。

為了解決上述問題，借鑒飛機(jī)機(jī)翼中應(yīng)用的流動分離控制技術(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)計了各式各樣的失速控制技術(shù)[29]，可分為主動控制和被動控制。主動控制方法是通過人為操作控制雙元素翼帆的流體流動，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。被動方法是通過雙元素翼帆結(jié)構(gòu)的改變來改善翼帆表面流體的運(yùn)動形態(tài)，從而延緩附面層流動分離，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)動的目標(biāo)是使船舶沿設(shè)定的航向航行。它有2 個功能：航向保持和航向改變，前者是使船舶在受到各種擾動時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。對于翼帆助航船舶，翼帆推進(jìn)增加了船舶運(yùn)動的不確定性和干擾性，這對機(jī)-帆-船的協(xié)調(diào)配合提出了更高的要求[30]。另外，船舶在航行時航線方向與風(fēng)向并不是保持一致的，這會導(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。這對機(jī)-船結(jié)合部的結(jié)構(gòu)設(shè)計也提出了新的考驗(yàn)，不斷變化的應(yīng)力大小和方向會增加翼帆的安裝難度。

由于船舶航行時的風(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，需要及時改變雙元素翼帆的工作狀態(tài)，通過改變攻角、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

風(fēng)能作為沒有任何污染的清潔能源，通過翼帆直接轉(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（MEPC）第74 次會議到第76 次會議提出的溫室氣體減排目標(biāo)所推薦的中長期減排措施看[31]，包括風(fēng)帆助航在內(nèi)的船舶新能源開發(fā)利用位列其中，風(fēng)能推進(jìn)系統(tǒng)等能效技術(shù)對EEXI 的影響正在納入IMO MEPC 會議討論的范圍。

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。由于翼帆助航技術(shù)與其他風(fēng)帆助航技術(shù)相比，具有氣動性能穩(wěn)定、升力特性好、無需額外動力、操縱靈活等優(yōu)點(diǎn)，采用對稱性翼型還可以實(shí)現(xiàn)對船舶雙側(cè)來風(fēng)的利用，采用帶襟翼的雙元素翼帆可以實(shí)現(xiàn)對翼帆失速行為和緊急情況的處置，日本、英國、美國、新西蘭等國目前正在開展利用翼帆助航技術(shù)實(shí)現(xiàn)船舶輔助推進(jìn)，計劃應(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 及國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）等將智能船舶列為重要議題，國際主要船級社先后發(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調(diào)整、緊急情況的自動卸荷、帆-機(jī)-船能效的自動分配等智能控制，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估，然而其技術(shù)發(fā)展始終緊貼經(jīng)濟(jì)社會的需求。相信翼帆助航技術(shù)憑借其節(jié)能環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢，以及智能控制等新方向的發(fā)展，在未來二三十年將成為遠(yuǎn)洋船舶輔助推進(jìn)動力的首選。