湖北省国防科学技术工业办公室

人类利用风力推动船舶前进已有上千年的历史，风力曾是工业革命以前远洋船舶的主要动力。然而，随着蒸汽机的发明，帆船逐渐被各方面性能更加优越的轮船所取代，逐渐从远洋运输船舶中消失。不过，1973年爆发的世界石油危机促使世界各主要国家重新考虑利用海洋风能的问题，上世纪七十年代末，西方各国相继重启了风帆推进的研究工作。随着国际海事组织（IMO）关于船舶能效设计指数（EEDI）强制要求的全面生效，采用风帆作为现代船舶的推进动力再次成为国际航运界关注的热点。

风帆动力的原理与特点

风压原理与机翼原理是风帆推动船舶前进的两大主要原理。风是空气流动的型式，当流动的空气被物体挡住时，在被挡住的物体表面产生的压力称为风压。人类历史上最早期的帆船正是利用了风的这一特性将风能用于船舶推进，这类帆通常被称为横帆，即帆与风向垂直时效果最好。然而，这类横帆船只有在顺风时才能航行，在风向不定的地区难以适用。纵帆的发明有效地解决了这个问题，纵帆利用机翼原理以帆骨支持帆面，通过调节帆与风向的夹以实现在“八面风”的状态下航行，在逆风时通过调整船头方向将当头逆风转变成侧斜风，这样，风帆就能推动船舶在逆风条件下以“之”字形前进。

风能是目前最为环保的能源型式之一。从本质上说，风能是太阳能与地球自转运动结合所形成的能源，因此这种能源取之不尽，用之不竭。另外，风能在使用的过程中不会污染环境，对生态的影响也可忽略不计。人类在利用风能的过程中，除初始设备投资外，后续设备维护方面的支出很小，因此风能又是一种非常廉价、经济的能源。

然而，由于其固有的特点，风能也不可避免地存在一些使用上的局限性。即便是在季风或信风盛行的地区，风向及风力都在不断发生变化，因此风能是一种非常不稳定的能源。这一特点在很大程度上限制了风能的使用范围。另外，风能还具有非常明显的地域性特点，全球不同位置的风能分布差异很大，因此古代帆船主要航行于季风或信风盛行的海域。可以说，风能的这一特点也是限制其在全球范围内使用的一个重要原因。相比之下，轮船受地域影响较小，理论上可以实现全球航行。

现代船舶上运用的局限性

尽管风帆是目前船舶推进最经济、最环保的能源，然而真正将其运用在现代船舶上还将存在不少技术方面的问题。风帆动力装置对于现代船舶稳性、快速性以及船舶布置方面的影响还是非常明显的。

船舶稳性难以满足稳性衡准要求

通常而言，风帆的总面积越大其所提供的推进动力也越充足。然而，过大的风帆面积必然会导致船舶侧面受风面积的增加，进而使得船舶的风倾力矩迅速增大。根据传统帆船的型式估算，现代排水量为10000吨左右的船舶，如完全采用风帆作为推进动力其受风面积将增加4-5倍，这将直接导致船舶稳性方面的富裕度大大减少。与此同时，由于安装风帆而导致的船舶重心位置的升高也会对船舶稳性造成不利的影响。因此，目前世界范围内帆船主要在近海遮蔽航区航行。同时，为确保航行安全，这些船舶都配备其他类型的推进系统，一旦天气状况不理想就不再采用风帆而改用柴油机进行推进。

古代欧洲帆船通常采用尖底船的型式解决船舶稳性方面的问题，这种船型可以在船舶横摇时提供额外的回复力矩从而在型宽相同的条件下改善船舶的稳性。然而相对同样船厂及排水量的平底船而言尖底船吃水更深，因此航区限制也更大。另外，尖底船的型线更加复杂，建造难度也更大。古代中国帆船多为平底船，主要通过增加船舶型宽并在舱底采用固定压载降低船舶重心的方法解决船舶的稳性问题。然而，采用固定压载将导致船舶损失一定的载重量，还可能引发额外的局部强度问题。不过无论采用何种方法，古代帆船都难以满足目前IMO关于船舶稳性要求。因此现代船舶如果考虑采用风帆动力，首先要解决的就是采用何种稳性衡准的问题。

推进动力无法满足现代大型船舶需要

从现有的统计资料来看，古代帆船最高航速可达到20节。然而由于帆船航行受海上天气情况影响较大，其平均航速只能维持在12-16节，这与现代采用内燃机作为推进动力的船舶相比存在一定的差距。古代帆船船型较为瘦削，因此船舶阻力性能较好。而现代船舶为提高经济性并简化建造工艺，多采用非常丰满的船型，其航行阻力相对古代帆船而言更大，仅采用风帆动力可能无法满足船舶推进的要求。根据目前可以掌握的资料显示，欧洲最大的帆船“普鲁士”号船长131.9米，型宽16.4米，吃水8.3米，满载排水量11330吨，据此估算其方形系数为0.63，在现代属于非常瘦削的船型。“普鲁士”号载重量8100吨，采用5桅风帆推进，海上平均航速16节。现代集装箱船方形系数一般为0.63-0.68，而散货船、油船等载重型船舶方形系数可达0.84-0.89，在排水量相同时其航行阻力将远大于“普鲁士”号。根据估算，一艘载重量为8000吨左右的现代货船如果采用类似“普鲁士”号的风帆推进型式，其在海上的平均航速可能只有7-9节。

古代快速帆船“普鲁士”号

据了解，我国明朝所建的郑和宝船长约137米、宽约56米，采用9桅12帆的动力型式，是当时世界上最大的风帆海船。根据古代文献估算郑和宝船排水量约为22848吨，载重量约为9824吨。相对“普鲁士”号而言，郑和宝船的排水量增加了近万吨，而载重量仅增加了2000吨左右。可见现代船舶如果完全采用风帆作为推进动力，随着船舶尺度的增加所需风帆及配套设备将占用大量的空船重量，这对于船舶经济性而言十分不利。从历史上中西方帆船的技术参数来看，载重量8000吨、排水量12000吨应当是全风帆海船的极限。因此，仅采用风帆作为推进动力无法满足现代大型船舶的推进需求。

风帆设施占用甲板面积过大，使用范围受到限制

为确保船舶航行安全，帆船在航行时需要根据风向及航向不断调整风帆的高度和角度，这些风帆的控制装置将占用大量的甲板面积。与传统的货船相比，现代干货船为了提高货物装卸效率通常采用较大的舱口型式，因此需要大量的甲板面积来布置舱口设施。这些舱口设施与风帆在布置上很可能发生冲突。对于配备起重机的船舶，风帆的桅杆也将在一定程度上影响起重机的操作。可见风帆动力装置的布置需要占用大量的甲板面积也是限制其在现代船舶上使用的一个重要原因。现代船舶中，风帆动力也在甲板面积相对富裕的液货船上采用。

船舶操作及管理更为复杂，航运风险更高

帆船航行需要不断根据风向调整航向以获得最大的推进动力，因此帆船的操纵比轮船更为复杂，航行时的风险也更大。通常古代载重量在6000吨左右的5桅大型帆船需要150人操作，即便是采用了蒸汽动力进行风帆操作的“普鲁士”号也需要45名水手同时作业，而一艘现代轮船仅需22人即可完成操作。由此可见帆船的操作及管理相对轮船而言复杂很多，现代船舶如果全面采用风帆动力人力资源成本的增加将不可避免。另外，由于风力是一种非常不稳定的推进动力，帆船航行过程中的风险远高于轮船，这点将直接导致船舶货损及保险方面的费用增加。因此，现代船舶如完全采用风帆动力装置其他方面成本将大幅提升，船舶总体经济性的提高未必明显。

“机主帆从”联合动力装置前景广阔

风帆动力装置本身所固有的局限性决定了现代船舶无法单独采用风帆作为其动力装置，因此未来帆船很可能采用风帆与其他动力装置相结合的模式。液货船甲板面积相对富裕且稳性条件较好，可安装的风帆数量较多，因此在条件允许的航线上有可能采用“帆主机从”的联合动力装置。即船舶主要依靠风帆推进，当风帆动力不足或天气条件不允许时，采用其他动力装置进行推进。然而，干货船等甲板布置面积受限制的船舶，则可采用“机主帆从”的动力装置型式。即船舶主要依靠其他动力装置进行推进，在天气条件允许时采用风帆辅助推进以节约能源。

相对而言，“机主帆从”的联合动力装置应用前景可能更为广阔，这是由于所有风帆动力装置的局限性主要源于安装风帆所导致的船舶侧向受风面积增大。“机主帆从”这种模式中风能只是辅助推进能源，风帆的数量可以适当的减少，这样由于风帆而导致的船舶侧向受风面积扩大的问题也不再突出了。1980年日本成功建造了世界上第一艘现代风帆动力油船“新爱德丸”号。该船采用“机主帆从”的设计思想将古代风帆推进原理与现代流体力学技术相结合。“新爱德丸”号安装了两面流线型风帆，并采用计算机技术根据航向与风向的关系自动调整风帆角度。经过营运实践证明，这种柴油风帆联合动力船在沿海地区采用风力推进可以为船东节约至少20%的燃油。

采用“机主帆从”联合动力装置的另一个原因在于这种类型的动力装置可以有效地解决新能源动力装置能源密度过小，单机功率不足的问题。随着新能源技术的不断成熟，气体发动机、燃料电池、太阳能电池、电位能转换等新能源动力装置用于船舶推进将不再遥远。然而这些新能源动力装置目前都存在一个共同的问题就是单机功率过小，不足以推动远洋船舶航行。如果将这些新能源动力装置与风帆结合起来，完全有可能达到取长补短的目的，使更多的新能源应用在远洋船舶上。

然而，无论是“机主帆从”还是“帆主机从”，风帆的增加都将导致船舶设计、建造以及检验理念方面发生革命性的变化，这对于我国造船业而言是一次非常难得的机遇。加快现代船舶风帆动力装置理论及实践方面的研究将是我国船舶工业在目前市场低迷的条件下厚积薄发、转型发展的有效途径之一。目前国内对于现代船舶风帆动力装置理论及时间方面的研究与欧洲和日本等发达造船国家尚存在较大的差距，特别是对于风帆动力装置的计算、控制以及制造方面缺乏实践经验。为此，我国船舶业可以充分利用目前国际造船形势低迷这一有利时机，尽早研发具有自主知识产权的产品，迎接风动力船舶市场机遇的到来。（转自《船舶经济贸易》,作者：辛吉诚）