发布日期 2021-06-27 | B站 | YouTube
正文
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。
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。
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。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，我们可以在货轮上拴一个巨型风筝，只需要拴个绳放飞就可以。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。
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。
美国第一艘转筒帆船，《科学月刊》，1925年9月，第27页
Alcyone号涡轮帆船
1983年3月10日《新科学家》，第656-659页
到了21世纪，发动机技术停滞，计算机技术进步，可以随时根据风向调整转筒的速度和方向，充分利用风力，转筒帆作为船舶辅助推进力的可行性越来越大。而且转筒帆系统构造简单、自重小、只需要很小的电机就能产生明显的推力，所以适合叠加到现有船型上，降低大宗物资的海运成本。这次新闻中的船，设计方是上海船舶研究设计院。上船院之前在2016年设计了全世界最大的散货船，有40万吨，专门用来运输巴西淡水河谷的矿石。经过全方位的技术革新，油耗降低了19%。现在他们给32.5万吨的货船设计了5个转筒帆，每个帆直径4米，高24米。我们没法跟着货轮出海，但还是想深入了解这种外貌奇特的现代帆船，所以联系了上海船舶研究设计院的负责工程师，接下来我们去现场请教一下！起身，走。
上船院访谈
我现在在中国船舶集团上海船舶研究设计院门口。今天请到有关专家，讲一讲这艘船背后的故事。今天有幸请到上海船舶研究设计院的两位专家，解答这艘船背后的一些技术背景。吴小康：我是上海船舶研究设计院的吴小康，目前担任技术经理，主要负责超大型干散货船项目。陈康：我是上海船舶研究设计院创新中心的陈康，2008年加入设计院，主要从事船舶基础性能研发工作。
问：转筒帆已经出现几十年，过去也没有很多船使用，为什么这艘船会安装转筒帆？
陈康：实际上是利用马格努斯效应。旋转风筒的角速度矢量在垂直方向，相对风速在水平方向；在这种情况下，会在风速与角速度矢量所成平面的垂直方向产生一个力。如果这个力指向船舶前进方向，船就会受到助推力。转筒帆对船舶能耗的贡献，能达到4%到7%。
问：这艘船本来已经设计完成，后来才提出加装转筒帆的要求，是否给设计方增加了很多麻烦？
吴小康：船舶总体设计已经完成，增加这个设备一定会影响建造周期，也要改变原有布置和功能要求。无论设计还是加装，都要花很大精力；包括前期设计依据、空气吃水限制、会不会影响原有结构，以及怎样重新满足各项法规要求。巴西三个港口的装货都使用装船机，一台装船机的装船臂要覆盖三四个货舱，通常有两台装船臂。转筒帆如果固定在这个位置，装船臂为装满货舱就会与风筒相碰；即使把风筒放倒，风筒直径和后来为满足功能要求增加的底座也会带来新的高度问题。为此我们开了几次会，淡水河谷也委托专门公司，把船、码头、装船臂以及港口吃水等实际情况做模拟，最后验证满足要求。
问：上船院此前已有40万吨散货船设计，为什么现在又做32.5万吨的船？
吴小康：这艘船是为瓜伊巴港的特点量身定制的，瓜伊巴港有21.4米的吃水限制。另一个原因是，目前世界运营的40万吨矿砂船总共68艘，目的地主要在东亚，中国占绝大多数。中国开放的40万吨泊位近年增加，从最初7个，到去年增加4个、今年再增加1个，共12个泊位。中国沿海港口基本都有停靠30万吨级散货船的能力，但30万吨级泊位对载重量有32.5万吨的限制，因此确定了这个船型。如果造得比32.5万吨更大，就要占用40万吨泊位；68艘矿砂船今后靠港、等待的周期都会很长。
问：近年中国船舶业进步很快，现在中国的散货船设计技术已经是世界第一的水平了？
吴小康：可以这样说。在国外提到上船院，首先想到的就是散货船。上船院从2006、2007年间的5.7万吨散货船开始，后来又开发6.4万吨、6.35万吨、8万吨等很有竞争力的船型；大型PCTC汽车运输船在国内和全球也处在领先水平。另一位工程师介绍，自己1997年来到上船院，见证了中国船舶行业由低到高的发展。设计院早年只能做一万多吨、附加值较低的散货船和干货船，逐步发展到今天，除少数特种船型外，基本可以设计所有船型。中国船厂的建造水平和体量也迅速提高，按每年交船吨位或总数计算，中国约占全球50%。即使经历2009年金融危机、许多民营或小船厂倒闭，行业仍发展到现在的水平。原来一些国外大船级社的中心也转移到东亚或中国，大多在中国设立分支中心。上船院自1964年成立以来，先后为国内外船东开发约1200种船型；每个船型都有不同的艰辛和困难。
接下来，工程师带大家到展厅看一看设计院的船型成果。
问：这艘船看起来像直升机航母，能简单介绍一下吗？
工程师：这是很特别的小众船型，叫汽车运输船，英文是PCTC，主要装载家用小型轿车、工程车和重型卡车。常规船舶使用重油，烟囱会冒黑烟；这艘船使用相对清洁的LNG，主尺度约200米，内部甲板约13层。二战以后，日本工业尤其汽车制造业发展很快，汽车出口欧美、中国和世界各地，因此建造了一批汽车运输船；当时船东、建造厂和入籍的NK船级社都是日本的。后来随着中国汽车工业发展，也有汽车出口；此前国内没有PCTC船型，需要向日本船东租船。国内第一型汽车运输船大概是5000 PCTC，即装载5000辆车的汽车运输船，由上船院设计、中国船东订造、国内船厂建造。经过多年发展，中国汽车运输船已从小到大全覆盖，最小约2000辆，最大达到8500辆；这一系列船的设计和建造，为中国汽车制造业作出了应有贡献。
问：这艘船看起来很奇怪，为什么一半运货，另一半像邮轮？
工程师：这是400客位客货船，船东是法国华裔，主要用于南太平洋大溪地岛屿之间的运输和补给。另一艘是很特殊的船型，主要运输海洋平台、大型基础设施设备及大型或多艘小船。这艘船由上船院为美国船东设计、黄埔文冲建造，刚刚交付，主要服务美国和墨西哥港口；最大的特点是两个小时内可装载136节火车车厢，能有效降低两国港口之间的物流成本。展厅还有一艘3.7万吨沥青船，是全球最大的；通常沥青船都在2万吨以下。另有刚才谈到的40万吨矿砂船，船长约362米、船宽65米，称为智能矿砂船。除这些产品外，近年上船院还做了很多创新研究，例如船舶智能化、无人自主船舶算法模拟测试设备和软件。7月10日上海将举办世界人工智能大会，上船院将承办其中的智能船舶创新论坛，欢迎继续关注。今天探访上船院，本来只是想了解转筒帆背后的故事，没想到这只是上船院众多项目中的沧海一粟。
期待未来的上船院和中国各大船厂不断带来新的惊喜，不断刷新人类技术史。好，今天的睡前消息到此结束，我们下期节目再见。
附录
信息来源
- 经检索核实（澎湃新闻/国际船舶网等），「32.5万吨 Guaibamax 型矿砂船、5 个旋翼帆、每个直径 4 米、高 24 米、能效提高 8%」均与报道一致
本文链接
已核对
- 定案：链接经核为《大众科学》（Popular Science，Google Books 卷号 wicDAAAAMBAJ）第 27 页，并非《科学美国人》——「应为 Scientific American」的猜测不成立；Popular Science 1925 年确刊载过 Flettner 转筒船报道（该刊百年回顾专文自引 1925 年转筒船插图），图注日期页码与链接指向一致；《科学月刊》系视频字幕对该刊的译称（Popular Science 旧名 Popular Science Monthly）。图注文字属视频画面内容，正文不订正。（来源 books.google.co.jp）
- 定案（复核通过）：第二代 40 万吨 VLOC 由上海船舶研究设计院设计、2016 年 10 月开工（2016 年 3 月外高桥签订 10+4 艘订单），为当时世界最大散货船；公开报道称其「耗油量降低近 20%、单位重量铁矿石运输成本降低 30%」，文稿「油耗降低19%」与之相容；正文所载船长 362 米、型宽 65 米亦与官方报道一致。（来源 中国建造全球最大散货船 长度超世界最大航母25米）
待核对
- 「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……」一段：说话人以第三人称称呼马督工，疑为静静（或现场嘉宾）发言，或应标 indigo 颜色，需对照音频确认
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