【睡前消息293】三十万吨“帆船”上海设计！

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巴西上海船舶研究设计院旋翼帆

大家好，2021年6月27日星期日，欢迎收看293期睡前消息，请静静介绍新闻。

5月份，巴西淡水河谷公司的船队到中国接收一艘32.5万吨的货轮，上海船舶研究设计院给货轮设计了五根圆柱，预计能提高8%的驱动效率。这几根柱子看起来结构很简单，是怎么给几十万吨的轮船提供辅助动力的？

圆柱体的正式名字是旋翼帆，英文名称是rotor，。这个词一般直译成转子。在这里如果要给rotor做一个准确的中文翻译，可以称为转筒帆。

转筒帆的截面很小，还不如古代一两千吨木船的帆面积大，不能指望风力直接推动几十万吨的货船。但是，让圆筒转动起来，侧面风就能沿着船只前进方向产生明显的驱动力，这是因为马格努斯效应发挥了作用。

中学课本介绍过伯努利定律，流体运动速度增加时，压强一般会降低，如果能在一个物体两侧制造出不同的流体速度，就会出现压强差。比如说，在两张纸中间吹气，气流不仅不会把纸推开，反而会因为低气压让两张纸相互靠拢。

1672年，牛顿在剑桥看网球比赛，发现有人能打出弧线球，很快意识到空气流速差异会产生压力差，让球侧向移动。后来德国物理学家马格努斯在1852年正式提出了这个原理。（今天我在办公室录节目，可以让休假的马督工演示一下马格努斯效应弧线球技术）。

具体到中国刚刚制造的货船，旋转的圆柱有摩擦力，可以带动附近的空气跟着自己旋转，如果这个时候有侧风吹过来，圆柱表面就可以分成两部分，一个半圆带动的气流旋转方向和风向大致相同，另一个半圆的旋转方向和风向基本相反。显然，气流旋转方向相同的一侧空气流速更大，压强更小，就会受到来自另一侧的相对压力。形象一点，可以理解为侧风压力通过“反击”逆向旋转气流对圆柱体间接做功，给货船一个推力，所以安装旋翼帆的货轮也是风力推进的帆船。

足球通过自身前进来制造相对的逆风，而帆船要利用自然风，马格努斯效应发挥作用的细节有一定差异，马督工前面做的试验说服力还不太够，所以我又设计了一个实验，验证风可以对旋转圆筒施加横向推力。上海船舶研究设计院设计的大轮船，就是我这个模型的放大版。

（实验视频）

古代人类深入海洋，主要靠帆船，但是过去一个多世纪，大多数船并不利用风力，现在几十万吨的货船又用上了新型的船帆，为什么会有这样的变化？

帆船消失又出现，是技术和资本交替作用的结果。一种技术进入发展平台期，资本就会投资另一种技术，降低海运成本。

19世纪之前，人类找不到合适的船舶发动机，只能想办法充分利用风力，所以布置了复杂的桅杆与帆缆，代价是占满了甲板空间，影响船舶视野。老式帆船在风太小的时候跑不动，风太大的时候会因为桅杆大幅度倾斜，影响安全。所以，成熟蒸汽机一出现，立刻就开始取代风力，到了20世纪，只有少数小船和慢速货船还会使用船帆。

蒸汽机后来换成了内燃机，从烧煤改成烧油。从全寿命周期看，民船运行总成本只有10%是造价，剩下90%基本是燃料费用，所以船舶改进的主要方向是提升发动机效率。但是，工程师的努力必须服从流体力学和基本机械原理，最近几十年，该做的改进都做了，发动机技术已经进入了平台期。睡前消息第174期介绍过柴油机发展史，金东寒院士说，国内用了50年，把船用柴油机每千瓦时油耗降低了25克，进一步改善的空间非常有限。所以资本重新开始考虑投资风能驱动技术。

金东寒院士：国产发动机目前达到了什么水平，与强国之间的差距在哪儿？_搜狐汽车_搜狐网open in new window

利用风能有很多选择，最基本的方案当然是传统的帆船，但这首先要占用甲板空间，其次还要对甲板上几十个高大的受风面进行精确控制，就算可以用计算机替代人力，也很很容易出差错，不适合要规避风险的远洋海运。

如果不希望占用甲板空间，我们可以在货轮上栓一个巨型风筝，只需要栓个绳放飞就可以。过去人类做不出足够结实的风筝和风筝线，现代能制作降落伞的薄膜材料出现之后，风筝帆船也具备了一定可行性。2007年德国人开始实际测试这种“天帆”系统。但是，和传统风帆系统相比，“天帆”面积小，只能在顺风时利用风能，不适合作为常规辅助动力，所以到现在也很少有大型船只正式应用。

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下一个方案，就是我们前面介绍的旋翼帆或者说转筒帆，占用很少的甲板空间，恶劣天气危害不大，而且只要不是完全逆风就有一定作用，开发潜力比较大。18世纪微积分与流体力学开始成熟，人类已经能设计转筒帆，但是机械设备不够精密，造不出可用的设备。到了1925年，应用最新的工业加工能力，有人做出了转筒帆船的验证船，但当时各国都在努力开发新型的发动机，对这点新增动力不感兴趣。