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睡前消息293期：三十万吨“帆船”上海设计！
2021年6月27日睡前消息文字版第293期
【睡前消息293】三十万吨“帆船”上海设计！
大家好，2021年6月27日星期日，欢迎收看第293期睡前消息，请静静介绍新闻。
5月份韩国船东PanOcean到中国接收一艘32.5万吨的货轮，由上海船舶研究设计院设计，租方是巴西淡水河谷。这艘货轮配备了5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呢？
圆柱体的正式名字是旋翼帆，英文名称是rotor，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，反而会因为气压降低让两张纸互相靠拢。
1672年牛顿在剑桥看网球比赛，发现有人能打出弧线球，很快就意识到这是空气流速差异产生的压力差，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，一个半圆带动了气流旋转方向和风向大致相同，另一个半圆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，马格努斯效应发挥的作用细节还有一定的差异。马督工前面做的实验说服力还不太够，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。
我用一次性水杯与A4纸做了一个转子，有风环境下转子不转，悬臂不发生偏转。无风环境下转子旋转，旋臂也不发生偏转。此时开启风扇则悬臂发生偏转。改变转子旋转方向则旋臂向反方向偏转。
上海船舶研究设计院设计的大轮船，就是我模型的放大版。
古代人类深入海洋主要靠帆船，但是在过去的一个多世纪里面，大多数船并不利用风力，现在几十万吨货船又用上了新型的船帆。那为什么会有这样的变化呢？
帆船消失又出现，是技术和资本交替作用的结果。一种技术进入发展的平台期，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能，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，从烧煤改成了烧油。从全寿命周期看，民船运行成本只有10%是造价，剩下90%基本都是燃料费用。所以船舶改进的主要方向就是提升发动机效率。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。
税前消息174期介绍过柴油机发展史。金东寒院士说过，国内用了50年才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，就算可以用计算机代替人力，也很容易出错，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使用。
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，人类已经能够设计转筒帆，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发动机，对这点新增动力不感兴趣。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设备的可行性越来越大。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。2016年上船院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负责项目的工程师。接下来我们一起去现场请教一下。
我现在在中国船舶集团上海船舶研究设计院的门口，今天我们请到了有关专家来给我们讲一讲这艘船背后的故事。接下来我们进去看一看。
今天我们有幸请到上海船舶研究设计院的两位专家来给我们解答一下这艘船背后的一些技术相关的背景。
吴小康：我是上海船舶设计院的吴小康，目前的职务是技术经理，主要负责一些超大型干散货船的一些项目。这位是我们的陈康博士，他主要是做一些基础研究。
陈康：是上海船舶研究设计院创新中心陈康，我是08年加入设计院，主要从事船舶基础技术性能研发工作。
高流：两位老师，转筒帆已经出现了几十年了，然后之前也没有看到很多船会用，为什么我们这艘船突然间用到了。
陈康：在船上安装转筒帆实际上是利用了马格努斯效应。根据马格努斯效应，旋转的风筒，它的角速度的矢量是垂直方向上的，然后相对风速它是水平方向的。在这种情况下，它会在风速和角速度矢量的平面的垂直方向上产生一个力。如果力是指向船舶前进方向上的，那么船它会受到一个助推力。转筒帆对于船舶能耗的贡献差不多能达到4%到7%这样的一个效果。
高流：我们船实际上已经设计完，才突然间收到了加装转筒帆的要求。然后作为设计方，我们是不是因此被增加了很多的麻烦？
吴小康：因为船整个一个方向设计它都已经完成了，如果再加这样东西势必会，一个影响建造周期，还一个它会使得原有的布置、一些功能方面要求、要怎么来改变，那无论从设计方面、建造方面都会花很大的精力来做方面的工作，包括我前期设计的一些依据，空气吃水限制，包括会不会把原有的那些地方破坏掉，我怎么再来满足之类的等等，包括满足一些法规的要求。
吴小康：巴西这三大港口他们装货都是一个装卸机，相当于装卸臂，我这样扫到舱，然后再扫到那个舱来装。一个装卸臂管3到4个舱。因为通常它是有两个装卸臂。
吴小康：如果说你风筒制定的人在这里，放在位置，我的装卸臂因为它要覆盖我，基本上我一个舱的一半范围，舱中间再过去一点我才能装满。所以这样势必会碰到我风筒。如果我把风筒倒下来，我的风筒直径比较高，后来我们为了满足这些功能性的要求，又加了一个座子，那使得它更高。这样扫的时候会不会碰到呢？就这块我们大概是通过几次会议，包括那个巴西淡水河谷，他也找了一个专门的公司，把船把它的码头把它的装卸臂，包括我到港口，我的吃水怎么样的实际情况做了一些模拟，最后才验证下来满足要求。
高流：我们之前做的已经有40万吨的设计，然后现在为什么又倒回来要做32.5万吨的船？
吴小康：你这问题问得很好，当初我们也有疑问，在项目开始前的一些交流认识到了它主要是针对瓜伊巴港的一个特征量身定制的。瓜伊巴港有一个吃水的限制，在21.4米。另外还一个原因，目前在世界运营的40万吨船总共有65艘，它这65艘主要每年的目的地都是在东亚，中国占了绝大多数。中国目前开放的40万吨泊位近几年逐渐增加，从最开始的7个到了去年加了4个，再加今年又加了一个，总共是12个泊位。我们国家其实在沿海港口基本上都能达到停靠30万吨级的矿砂船的水平。
吴小康：国家要对30万吨级泊位有一个限制，你的载重量不能超过32.5万吨，所以说就导致了船型定为32.5万吨。那如果说我造的这批船比32.5万吨要大，那可能我就得抢占40万吨泊位，如果这样的话，我65艘40万吨矿砂船以后靠港等待周期都会很长。
高流：这些年中国船舶业的进步速度很快，那现在散货船在设计技术方面，我们院已经是世界第一的水平了，是吧？
吴小康：可以这么说，为什么呢？尤其在国外，只要国外提到SDARI，肯定是散货船竖大拇指的。我可以举两个例子，我们现在做的一个应该是在2006年2007年的时候做的一个57,000吨散货船，然后后来我们做的有一个64,000，最近我们开发的63500吨、80000吨。设计院还有很多具有竞争力的船型，比如说我们的大型PCTC汽车运输船，在国内包括全球来讲，整个水平实际上也是处于领先水平的。
吴小康：我97年来的咱们SDARI参加工作，整个经历了咱们船舶行业从低向高发展的整个历程。因为从我们设计院来讲，我们最早是做了一些很小的船，大概在一万几千吨这样的一个小船，而且都是一些比较低附加值的船，这种散货船啦、干货船之类的，就是慢慢的成长发展起来，一直做到今天。设计院可以讲基本上能够设计所有的船型，当然除了一些特种的船型。而且现在的整个的一个设计水平都是非常高的，包括咱们国家的船厂的建造水平，建造的体量都是在迅猛发展。
吴小康：你看每年的交船的吨位或者总数，基本上中国已经占到全球的50%左右，你没有提高，你不可能在这么短时间内每年交这么多船。而且你现在知道中国2009年金融危机，已经很多这种民营的或者小的船厂倒闭的情况下，还能到现在这种水平。
吴小康：由于变化，其实很多原来国外的一些几大船级社，他们的中心都是在他们原有的国家。现在逐渐已经把他们的中心移到了东亚或者中国，大部分在中国设立了它的分支中心。设计院从1964年成立以来，先后为国内外船东开发了大概有1200种的船型。可以讲这一路走来非常不容易。每一个船型都有不同的艰辛，融合了不同的艰辛和困难。接下来我会带大家去展厅看一下我们的一些船型的成果。
高流：吴老师，这艘船看起来像直升机航母一样，你能简单介绍一下吧？
吴小康：这是一个非常特别的小众的船型，它是一个我们叫汽车运输船，英文叫PCTC(pure car and truck carrier)，它主要是为了用来装载家用的小型轿车，还有工程车，还有一些中型的卡车。你要知道我们常规的船舶烧的是重油，你可能看到它烟筒冒出来的全是黑烟，但这条船它用的是一个目前现阶段相对来说比较清洁的能源，是LNG，它的船的一个主尺度大概是个200米左右，里面的甲板总共大概13层。
吴小康：我们都知道，一开始因为日本它是自从二战以后，随着它的一个工业的发展，尤其它汽车制造工业的水平是非常先进的。它的汽车很多都是出口到欧美包括中国的世界各地。那个时候他们就建造了一批汽车运输船，也就是说汽车运输船当初船东是日本的，建造厂也是日本的，包括入籍入到NK船级社也是日本的。
吴小康：当然后来随着我国汽车的工业的发展，最后我们也有一些汽车出口。这时候因为我们没有pctc这种船型，所以说我们需要向日本船东租一些船。我记得是我们国内第一型的汽车产船应该是5000pctc也就是5000车的一个汽车运输船，它是由我们设计院设计，中国的船东，然后建造应该是国内的一个船厂。经过这么多年的发展，我们的整个汽车运输船已经从小到大已经全覆盖了，最小的我们大概将近2000车左右，最大已经到了8500车。可以讲这一系列汽车船的设计和建造，为我国的汽车制造行业做出了应有的贡献。
高流：吴老师，这艘船看起来很奇怪，为什么一半是运货的，还有一半是像游轮一样？
吴小康：对，你说对了，这是一个我们叫400客的一个客货船。船的船东它是那个法国的一个华裔。这艘船它主要是用于南太平洋岛的那个大溪地，岛屿与岛屿之间的。它为什么还多了一个装货呢？因为它可能就是为了用于岛屿之间的补给用的。
吴小康：这个是一个非常特殊的船型，它主要是为了运大型的构件，比如说海洋平台啦，还有大型的基建设备啦，还有或者你装几个大型的船啦，或者很多那种我们小的驳船。
吴小康：这艘船是我们SDARI为美国船东设计的，黄埔文冲建造的，因为应该是刚刚交付的，它主要的服务于美国和墨西哥的港口。他的最大的特点可以在两个小时之内装136节火车车厢，所以说效率还算比较高的，它能够有效降低美国和墨西哥港口之间的物流的成本。
高流：那这边这个？
吴小康：这边这是一个37,000的沥青船，应该来讲是全球最大的，因为正常的话我们的沥青船一般在2万吨以下。这个是非常特殊的，最主要它就是大，最大的一个沥青船。
吴小康：还有可能大家看到这个。这个就是我们刚才也谈到了，就是40万吨矿砂船，它的整个船长大概是362米，宽度是65米，我们叫它成为智能矿砂船。
高流：除了我们刚才看到的这些产品，这些年上船院还做了很多创新研究，比如船舶的智能化，无人自主船舶算法模拟测试设备和软件。接下来的7月10号，上海将举办世界人工智能大会，到时候上船院将承办其中的智能船舶创新论坛，欢迎大家继续保持关注。
高流：今天我们来探访的上船院，本来只是想来了解一下转筒帆背后的故事，没有想到这只是上船院众多项目中的沧海一粟，期待未来的上船院以及中国各大船厂能够不断给我们带来新的惊喜，不断刷新人类的技术史。
好，今天的睡前消息到此结束，我们下期节目再见。
