【船舶】混合復合材料結構為船舶脫碳提供剛性風力推進方案
圖片來源：GT Wings
Carisbrooke Shipping船上的20米長AirWing裝置,確保了對貨運業務的兼容性，在英國-加拿大-英國的航程中節省了8.3%的燃料消耗.
隨著減少溫室氣體排放監管壓力的加劇，全球海運業正在經歷一個轉型期。目前，全球海運業每年的燃料消耗量約為3億噸，占全球碳排放量的2.5%，這使得航運運營商面臨著嚴峻的合規性挑戰。國際海事組織(IMO)已提出了越來越嚴格的能源效率設計指數(EEDI)和現有船舶能源效率指數(EEXI)要求，同時，歐盟正準備將航運納入其碳排放交易體系(EU ETS)并實施 FuelEU Maritime法規。這些進展，迫使船舶運營商采取脫碳戰略，以平衡好環境合規性和運營可行性。
雖然風力輔助推進系統是一項極具前景的技術，能通過免費使用可無限使用的能源來減少燃料消耗，但問題是，傳統的系統通常會給運營帶來重大挑戰，特別是對甲板空間的要求過高，從而干擾貨物作業，以及推力/尺寸比不足，從而限制節油潛力。
GT Wings（英國利物浦）開發了一種新的海運風力推進方法，解決了這些限制性問題。AirWing 系統是一種市售的翼帆，它整合了從美洲杯和一級方程式賽車中借鑒而來的空氣動力學原理，并采用了一種特殊的針對大規模制造技術而優化的復合材料結構。這些特點組合在一起，使得AirWing系統能以緊湊的占地面積提供卓越的推力，即使對于甲板空間有限的船舶，也能實現風力推進。
翼帆設計
海運風力推進面臨的根本性挑戰是開發一種系統，該系統能以緊湊的裝置提供巨大的推力，同時還能兼容船舶作業。
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AirWing在其部署配置中的可視化渲染圖。GT Wings 開發了多種尺寸的AirWing,包括AirWing20、AirWing28和AirWing40，每一種都針對不同的船舶尺寸而量身訂制
“傳統思維認為，更大的帆面積等同于更大的推力。”GT Wings的制造專家 Martin Harrop 解釋說，“我們的方法通過先進的氣流控制最大程度地提高了推力效率，從而顛覆了這種范式。”
AirWing 技術的基礎源于該公司創始人 George Thompson 開發的專業的空氣動力學智能。Thompson的背景包括與美洲杯賽車隊的合作，他發現了一個機會，可以將高性能賽車中常用的邊界層控制技術應用到商用船舶的推進系統中。
“AirWing控制氣流的方式在以前的航運業中從未使用過。”Thompson 解釋說，“我們不是簡單地擴大傳統的翼帆設計，而是設計了一個系統，從根本上重新考慮了空氣與翼表面的相互作用。”
最終的設計采用了多元件實心翼結構，由兩個空氣動力學表面（一個主元件和一個襟翼）組成，它們共同產生推力。與軟帆不同，這種剛性垂直翼的功能類似于飛機機翼，當空氣流過其彎曲的表面時，通過壓差產生升力。主元件提供主要的升力表面，而位于后緣的較小襟翼元件則充當高升力裝置，可以通過調整來優化系統的整體空氣動力學性能。
多元件配置的主要優勢在于，能夠在比單元件設計更高的攻角下保持附著的氣流。如果配置得當，主元件和襟翼之間的槽會加速氣流從高壓（迎風）側流到低壓（背風）側，從而為邊界層提供能量并延遲流動分離。這種槽效應使翼帆在失速前能產生更大的驅動力，這對于在逆風或微風條件下航行尤為重要。由于襟翼角度可以獨立于主元件進行調整，因此它可以對組合系統的外傾角和總升力系數進行精確控制。一個由一系列傳感器和執行器組成的自動控制系統，不斷地調整主翼組件的攻角和襟翼元件的相對位置。該系統能自動進行配平優化，以應對不斷變化的風況、船速和航向。
混合材料的結構
將這種空氣動力學智能轉化為實用的船運解決方案，需要復雜的設計工程和材料制造專業知識。AirWing系統通過多級有限元分析測試協議得到了全面的設計驗證，并在各種載荷下的結構設計中驗證了適當的安全系數，特別注意了海運條件下的動態力。
GT Wings 與 KS Composites（英國梅爾頓莫布雷）和 A2O Manufacturing（英國利物浦）合作，為20米長的 AirWing 原型開發了一個訂制的生產系統，該原型于2024年年底被安裝到Carisbrooke Shipping 船上。
工程團隊做出了一項戰略設計決策，采用混合材料結構來平衡性能、可制造性和認證要求。中央的鋼翼梁提供主承重結構，并附有復合材料的空氣動力學表面，以為系統的氣流控制技術創造必要的翼型。
“對于第一個演示器，考慮到12個月的項目時間表和認證要求，我們決定將鋼梁用作主結構元件。”Harrop 解釋說，“這簡化了認證過程，并使我們能夠將復合材料的開發重點放到空氣動力學表面上，這對我們的氣流技術至關重要。”
材料選擇過程優先考慮性能和可制造性。對于主要的空氣動力學結構，KS Composites 選擇了SHD Composites（英國斯利福德）的MTC510LV-EBX1200 玻璃纖維預浸料，它采用±45°的雙軸織物，面重為1200克/平方米。
“我們特別選擇了這種厚度的材料，以減少人工操作時間，同時提供最佳的表面光潔度。”KS Composites的項目經理 Dan Newham 解釋道，“高克重使我們能夠用更少的層來實現必要的結構性能，從而提高生產效率。”
對于跨度20米的高應力襟翼梁，該團隊采用了SHD Composites的 MTC510LV-CBX800-35%RW 碳纖維預浸料，該預浸料使用了Zoltek（美國密蘇里州布里奇頓市）的PX35 50K 碳纖維，這種材料提供了這一關鍵結構部件所需的強度/重量比，同時能兼容生產工藝。
該結構采用了夾芯板設計，該夾芯板使用了3A Composites Core Materials（美國北卡羅來納州科爾法克斯）的Baltek SB 50 輕木芯，取決于具體的局部結構要求，厚度為9.5毫米和31.8毫米。這種標稱密度為109千克/立方米的輕木芯，憑借性能和可持續性而被選中，用以取代合成泡沫。
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AirWing復合材料結構的橫截面圖顯示了使用 Baltek SB 50 輕木芯的夾芯板設計，厚度為9.5毫米和31.8毫米。玻璃纖維預浸料的外表皮提供了結構完整性，而空隙中可見的白色電纜則支持系統的自動控制機制
“輕木芯提供了所需的機械性能，同時提供了顯著的環境效益。”Newham表示，“它在生長階段封存碳，在加工過程中耗費的能源要比合成的替代品少，而且報廢后可提供更好的回收性和生物降解性。”
制造智能
KS Composites 開發了一種復雜的生產工藝，用來生產AirWing 系統所需的大型復合材料部件。生產流程從使用Assyst Bullmer（英國韋克菲爾德）的滾床切割機精密切割套料開始，以創建優化的材料布局，確保一致的鋪層形狀并最大程度地提高材料利用率。
層壓過程由人工完成，將成套切割的預浸料層鋪放到專用模具中。“在制造設計階段，我們設計了內置叉車通道的模具，以便能夠輕松地將模具放到熱壓罐中。”Newham 解釋說，“該模具工裝的背面集成了多個交叉結構，以確保加工過程中的尺寸穩定性。”
固化過程使用可編程的熱壓罐，遵循符合材料制造商規范要求的精確的固化周期，消除了潛在的工藝變化。該系統的設計可確保在80-120℃的溫度范圍內固化，這確保了生產的靈活性，并在后固化后可實現高達125℃的玻璃化轉變溫度。
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為在不同的風況下實現最佳性能，正在對AirWing裝置的自動調節系統進行測試。它在風速超過45節時進入“安全模式”，以便在產生推力變得不切實際時能最大程度地減小阻力.
一個關鍵的制造挑戰是，管理好部件尺寸帶來的約束，同時確保整個20米跨度的結構具有完整性。該團隊認定，以4米為一段能夠在制造能力與結構性能之間達到最佳平衡。
“4米為一段的尺寸主要是由我們的熱壓罐容量決定的。”Newham說道，“這種模塊化方法還改善了操作物流，并簡化了到安裝現場的運輸。”
需要特別注意的是，要確保襟翼梁20米長的組裝跨度的結構連續性。該團隊開發了一種專門的連接技術，使用1.5米的粘接“套筒”，向每一個使用3M（美國明尼蘇達州圣保羅）的DP490粘合劑鄰接的4米段中延伸750毫米，以創建應用所需的高強度粘接。
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GT Wings工程團隊和制造合作伙伴在KS Composites 的工廠中審查3D仿真和性能數據。協作開發過程結合了美洲杯賽車技術和一級方程式空氣動力學的專業知識，創造了一種船舶推進解決方案，能以緊湊的占地面積最大程度地提升推力。
通過對連接點和載荷傳遞區的詳細設計，制造過程還解決了復合材料組件與鋼結構之間的界面問題。大多數的復合材料段以2米長的分段直接由螺栓固定到鋼結構上，額外的層與輕木芯的邊緣重疊，可以防止在這些關鍵連接處出現分層。
采用環保的專用涂層系統，即PPG（美國賓夕法尼亞州匹茲堡）的Sigmacover 280 底漆和Sigmadur 550 面漆，可以保護復合材料結構免受紫外照射而降解以及避免暴露在鹽水中，同時可以減輕金屬-復合材料界面處的潛在電偶腐蝕。
材料測試包括搭接剪切測試，以驗證復合材料層壓板的粘接強度和機械性能。完成的組件經過尺寸驗證和超聲波檢查，確保了制造質量和結構完整性。
“通過搭接剪切測試，我們確定了可確保結構完整性的最低粘接強度要求，規定最小粘接比為75%，并在制造過程中額外實施5%的安全系數。”Newham 解釋道，“使用接觸式超聲檢測進行的無損檢測，驗證了所有的粘接接頭都滿足或超越了這些要求。”
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為實現AirWing的旋轉功能，軸承組件得到了精確設計，正在進行安裝前的檢查。精心設計的連接點和載荷傳遞區實現了鋼構件與復合材料結構的連接。額外的層與輕木芯的邊緣重疊，可以防止在這些關鍵連接處出現分層。
性能驗證
安裝在Carisbrooke Shipping 船上的20米長的AirWing 裝置，預計可為該船在英國-加拿大-英國的航程中降低8.3%的燃料消耗和碳排放，相當于每年可節省超過13.9萬英鎊的成本。在25年的使用壽命中，單獨一個AirWing裝置就能減少大約14250噸的碳排放。
“我們的模擬表明，AirWing可節省高達30%的燃料，同時可兼容船舶的運營需求。”Harrop表示，“它處在船舶的吃水范圍內，對貨物運輸的影響最小化，消除了采用此類風力推進技術而面臨的主要障礙。”
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在港口安裝AirWing的鳥瞰圖。在開啟處女航之前，將20米長的裝置小心地放到Carisbrooke帶著翼帆裝置的Vectis Progress 船上。
該系統還可實施復雜的控制自動化，通過自動調節，可以在不同的風況下實現最佳性能，并在風速超過45節時切換到“安全模式”，以便在推力產生變得不切實際時最大程度地減小阻力。
GT Wings最近與巴斯大學合作，獲得了由英國交通部智能航運加速基金提供的22.5萬英鎊的額外贈款，以通過AI和強化學習來進一步增強控制系統。這一進展將通過自學習算法實現 AirWing 性能的實時優化。
未來發展和行業影響
AirWing 技術在第一艘商用船舶上的成功實施，代表著海運脫碳努力達到一個重要里程碑。該技術的可擴展性在GT Wings的多種尺寸型號開發中顯而易見：AirWing20、AirWing28 和 AirWing40，每一種型號都是針對不同的船舶尺寸而量身訂制的。
制造合作伙伴已經在為未來的制造確定工藝改善措施。KS Composites正在與 SHD Composites 合作，通過使用100-150米的更大料卷而不是標準的25-50米料卷來優化材料，以減少生產浪費并提高生產效率。
“更大的料卷將消除大量的襯紙浪費并縮短設置時間。”Newham 解釋說，“我們還在研究少量減少樹脂含量對性能帶來的影響，以進一步優化成本和可持續性。”
該團隊還在評估在未來的迭代中增加復合材料占比的機會，有可能用先進的復合材料結構取代鋼梁。這將進一步減輕重量并提高系統性能，同時保持結構完整性。
“當前的混合方法在性能與認證要求和項目限制之間取得了平衡。”Harrop表示，“隨著技術成熟度以及對監管熟悉程度的提高，我們預計能有機會實施更先進的復合材料解決方案。”
對于更廣泛的海運業而言，AirWing技術代表了一條實現減排的實用途徑，可以在不影響運營的情況下在現有船舶上實施。在全球，大約有2萬艘船舶適合采用風力推進，但迄今為止只有大約35套裝置，因此市場潛力巨大。
