方澤江，譚俊哲*,2，紀光英，袁鵬,2，孫澤，王樹杰,2

1 中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100

2 山東省海洋工程重點實驗室，山東 青島 266100

0 引 言

人類已有數(shù)千年的帆船航海史，隨著完全自主航行的無人帆船的研發(fā)成功[1-2]，帆船又煥發(fā)了新的生機。無人帆船可以利用幾乎無限的能源（如風(fēng)能、太陽能和波浪能），是一種集綠色環(huán)保、智能、新能源等概念于一身的先進海洋技術(shù)平臺[3]。各類無人帆船在結(jié)構(gòu)、運動機理和航行控制等方面具有相似性。目前，無人帆船可采用的推進裝置包括柔性風(fēng)帆、剛性翼帆、水輪機[4]、牽引風(fēng)箏[5]。其中，柔性風(fēng)帆主要采用薄紡織物制作，是最常用的一種風(fēng)帆類型[6]，具有收放方便、維護簡單、質(zhì)量輕和價格低等優(yōu)點[7-8]。作為為帆船提供航行動力而在船體上安裝的風(fēng)帆系統(tǒng)，其氣動特性對帆船動力性能起著重要作用。無人帆船的小型化、自主調(diào)帆特性決定了風(fēng)帆的氣動性能結(jié)果需要更精確，同時需要發(fā)揮柔性風(fēng)帆的最佳動力性能。然而，學(xué)者們對于柔性風(fēng)帆的研究大多集中于其在逆風(fēng)和順風(fēng)條件下的氣動性能方面，對于無人帆船的柔性風(fēng)帆系統(tǒng)及其氣動性能的全面研究則非常少。

鑒此，本文將首先介紹國際上具有代表性的柔性風(fēng)帆無人帆船，總結(jié)及分析柔性風(fēng)帆的空氣動力學(xué)性能研究方法。最后，展望無人帆船及柔性風(fēng)帆未來發(fā)展需要的幾項關(guān)鍵技術(shù)。

1 柔性風(fēng)帆無人帆船的發(fā)展現(xiàn)狀

無人帆船的發(fā)展得益于國際賽事和會議的推動，如國際機器人帆船賽[9]、橫跨大西洋挑戰(zhàn)賽[10]、世界機器人帆船錦標賽（WRSC）和國際機器人航行大會（IRSC）[11]等，這些專業(yè)賽事及會議很大程度上促進了無人帆船各項技術(shù)的進步[12-13]。目前，國外有許多機構(gòu)從事無人帆船的研究。本節(jié)將梳理近年來最具代表性的柔性風(fēng)帆無人帆船，對其設(shè)計特點及性能進行歸納。

德國富特旺根應(yīng)用科學(xué)大學(xué)（HFU）是最早開展柔性風(fēng)帆無人帆船研究的機構(gòu)，其在1995 年即開展了RelationShip 研究項目[14]。此后，許多研究機構(gòu)也開展了類似研究，設(shè)計出了許多獨具特色的柔性風(fēng)帆無人帆船。圖1（a）為奧地利創(chuàng)新計算機科學(xué)學(xué)會（INNOC）設(shè)計的Roboat I 無人帆船。該船長1.38 m，高1.73 m，總排水量17.5 kg，風(fēng)帆總面積0.855 m2。其后，INNOC 又設(shè)計了一種抗橫傾能力很強的ASV Roboat 自主無人帆船[15]（圖1 （b））。該船長3.75 m，重300 kg（其中龍骨和壓載重60 kg，可搭載50 kg 的科學(xué)儀器），風(fēng)帆總面積4.5 m2，甲板上裝有285 W 峰值功率的太陽能電池板，以甲醇燃料電池（功率65 W）為備用能源，由皮帶傳動滑軌組成的線性驅(qū)動器調(diào)帆，可降低繩索打結(jié)的可能性[16]。Stelzer 等[17]以ASV Roboat 帆船為對象，對傳統(tǒng)和平衡兩種軟帆系統(tǒng)的耗能進行了仿真分析，結(jié)果表明，后者可節(jié)省約三分之二的調(diào)帆功率；該團 隊還針對ASV Roboat帆船平臺進行了航行路徑規(guī)劃、避障算法的開發(fā)與試驗[18]。

圖1 具有代表性的柔性風(fēng)帆無人帆船F(xiàn)ig. 1 Representative design of unmanned sailboats with flexible sail

圖1 （c）為美國海軍學(xué)院（USNA）設(shè)計的一種2 m 長的Gill the Boat 無人帆船，采用傳統(tǒng)軟帆，風(fēng)帆面積3 m2[14]。圖1（d））為Miller 等[19]在Gill the Boat 基礎(chǔ)上推出的SOA 無人帆船，采用平衡軟帆，風(fēng)帆面積1.9 m2，具有活動部件少、結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、可操縱性能好的特點。USNA 以Gill the Boat 為基準船，還設(shè)計出了Sea Quester，如圖1（e）所示[20]。該船重25 kg，龍骨長1.5 m，采用傳統(tǒng)軟帆系統(tǒng)，桅桿由外徑17 mm、厚度1.75 mm的OTS 碳管制作，橫桿和吊桿使用外徑5 mm 厚度1 mm 的不銹鋼管，由90 g/m2dynac 材料制作輕質(zhì)風(fēng)帆，主帆和前帆面積分別為2.12 和0.91 m2。在Sea Quester 基礎(chǔ)上，USNA 又研發(fā)了如圖1（f）所示的MF 無人帆船，該船長2 m，桅高3.4 m，主帆和前帆的面積分別為1.904 和0.989 m2。Miller 等[21]對MF 無人帆船進行了速度預(yù)測程序（VPP）[22]測試和水上測試，結(jié)果表明，在較高風(fēng)速下VPP 對船速的預(yù)測置信度低，總體預(yù)測值偏高。

圖1（g）為英國亞伯大學(xué)與USNA 聯(lián)合研制的ARRTOO 無人帆船。該船原型船長2 m， 采用V 型底船體、雙桅桿、雙三角帆的設(shè)計，桅桿由外徑25 mm 的OTS 管制作，螺旋槳驅(qū)動，螺旋槳推進時通過齒形皮帶傳動降帆，在4.85 m 的甲板上安裝有峰值功率260 W 的光伏太陽能電池板和平均功率45 W 的Forgen 1 000 NT 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機[23]。

USNA 和亞伯大學(xué)還聯(lián)合研制了一種小型、廉價和易于制造的MaxiMOOP 無人帆船[24]，用于海洋學(xué)研究和自主航行系統(tǒng)的開發(fā)。該船基本船長1.2 m，重約20 kg，有多種風(fēng)帆樣式，面積為0.24 ～1 m2，可搭載多種有效載荷，穩(wěn)定性好，耐用性高。

此外，USNA 在MaxiMOOP 基礎(chǔ)上又推出了ABoat Time 和Trawler Bait 兩種無人帆船，如圖1（h）和圖1（i））所示。兩船均采用1.2 m 的基本船長，由連桿機構(gòu)調(diào)整單面風(fēng)帆，面積分別為0.27 和0.3 m2。甲板均安裝有太陽能電池板為船載鋰電池充電，安裝傾角約15°，最遠航程分別為477 和2 113 km[10,25]。前者安裝有兩種平均功率為15 和3 W的太陽能電池板，后者安裝有平均功率為20 W的太陽能電池板。英國亞伯大學(xué)的設(shè)計則采用了1.3 m 船長方案，推出了采用傳統(tǒng)軟帆、帆高2 m 的Dewi 無人帆船，如圖1（j）所示。

Miller 等[25]以MaxiMOOP 無人帆船作為風(fēng)帆系統(tǒng)測試平臺，進行了不同展弦比（AR）及帆邊條數(shù)的風(fēng)帆性能的VPP 測試和水上測試。VPP 測試結(jié)果表明高展弦比（AR= 6）的風(fēng)帆性能較好，水上測試結(jié)果表明低展弦比（AR= 3）的風(fēng)帆性能較好。

Schr?der 等[26]基 于MaxiMOOP 船 的1.2 m 基本船體，設(shè)計了一種低成本無人帆船，船體材料為泡沫聚苯乙烯，重13 kg。采用平衡軟帆，桅高1.65 m，橫桿長1.15 m，兩面帆面積分別為0.287 5和0.2 m2。

圖1（k）和圖1 （l）分別為瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH ） 推出的Avalon 和Aeolus 無人帆船。前者最初是作為自主穿越大西洋而設(shè)計[27-28]，船長3.95 m，采用平衡軟帆，桅高5.7 m，風(fēng)帆面積8.4 m2，由安裝在甲板上的回轉(zhuǎn)軸承支撐和驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單、可靠。后者為一種自主控制的微型無人帆船，船長1 m，船頭安裝有AIRMAR WS-200WX氣象站，可獲取更準確的風(fēng)數(shù)據(jù)[29-30]。

圖1 （m）為法國國立高等先進技術(shù)學(xué)校和海洋開發(fā)研究院共同研制的Vaimos 無人帆船。該船長4 m，采用平衡軟帆，搭載有溫度傳感器，可進行兩種深度的溫度測量[31]。

圖1 （n）為Anthierens 等[32]設(shè)計的Marius 無人帆船，船長2 m，桅高2.4 m，主帆和前帆面積分別為2.2 和0.7 m2。該船創(chuàng)新性設(shè)計主要體現(xiàn)在控帆方案，采用了甲板安裝的圓形導(dǎo)軌滑塊作為調(diào)帆機構(gòu)，并配有旋轉(zhuǎn)電位計，能夠?qū)χ鞣姆唤沁M行絕對角度的測量。

葡萄牙波爾圖大學(xué)設(shè)計的FSAt 自主無人帆船船長2.5 m，桅高3.4 m，桅桿、橫桿和吊桿采用碳纖維管，風(fēng)帆總面積3.7 m2。甲板安裝的太陽能電池板平均功率為45 W，可為兩節(jié)97 Wh 鋰電池充電（船載電源）[33]。

圖1（o）為德國呂貝克大學(xué)面向算法開發(fā)而設(shè)計的rrMM 微型柔性風(fēng)帆無人帆船。該船船長0.53 m，總重1.03 kg，小巧輕便，成本低[34]。Neumann等[35]以rrMM 為試驗平臺，在船頭搭載攝像頭，基于圖像航行策略進行了地平線、浮標等檢測。Hertel 等[36]以rrMM 為試驗平臺，搭載各類傳感器，在55 天中航行了110 余小時，采集到200 余萬條航行時的風(fēng)況、帆船航行狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

綜上所述，柔性風(fēng)帆無人帆船項目主要以學(xué)術(shù)研究為目的，首先是為了滿足教學(xué)需要，使學(xué)習(xí)者能夠?qū)⒃齑拖到y(tǒng)工程技術(shù)運用到實際項目之中，其次是參加競賽以收獲經(jīng)驗和發(fā)展小型自主無人帆船技術(shù)，再就是力求使項目得到進一步發(fā)展，作為水上移動監(jiān)測和探測平臺。

目前，柔性風(fēng)帆無人帆船大多采用單體龍骨型的船體，整體阻力小、重量輕、扶正力矩大是此類無人帆船龍骨和壓載的設(shè)計目標，且還具有如下特點：

1） 一般在船艉安裝單個艉舵，但也有例外，如Avalon 無人帆船采用了2 個艉舵，以實現(xiàn)各種航向的轉(zhuǎn)向效果；

2） 采用太陽能電池板為船載電池充電，作為船載電池的能量來源；

3） 控制系統(tǒng)軟硬件、傳感器具有可擴展性；

4） 著力研究獲能效率高、耗能低、調(diào)帆容易的柔性風(fēng)帆系統(tǒng)作為無人帆船的主要動力裝置，從風(fēng)帆樣式、調(diào)帆機構(gòu)等方面進行柔性風(fēng)帆系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計，如平衡軟帆、ABoat Time 的連桿機構(gòu)調(diào)帆、Marius 的圓形導(dǎo)軌滑塊機構(gòu)調(diào)帆等。

2 柔性風(fēng)帆系統(tǒng)

風(fēng)帆系統(tǒng)是帆船研究者關(guān)注的焦點，對于能源自給自足及船載能源有限的無人帆船而言，研究獲能效率高和耗能低的風(fēng)帆系統(tǒng)至關(guān)重要[12]。脫胎于現(xiàn)代帆船的柔性風(fēng)帆無人帆船，二者在獲能機理、風(fēng)帆樣式、帆布材料等方面的區(qū)別并不大。然而，后者更加小型化，可自主調(diào)帆，這就要求其柔性風(fēng)帆系統(tǒng)具備輕質(zhì)、控制功耗低、風(fēng)帆易于收放等特點。

無人帆船的柔性風(fēng)帆系統(tǒng)主要由舵機、繩索、支索、桅桿、布帆、橫桿和吊桿等部分組成。無人帆船的風(fēng)帆系統(tǒng)從材料上可分為柔性風(fēng)帆和剛性翼帆，從平衡性上又可分為不平衡風(fēng)帆和平衡風(fēng)帆，絕大多數(shù)剛性翼帆都被視為平衡風(fēng)帆。本節(jié)將分析的是柔性不平衡風(fēng)帆（如傳統(tǒng)軟帆）和柔性平衡風(fēng)帆（如平衡軟帆）系統(tǒng)，其中使用傳統(tǒng)軟帆的歷史最悠久，也最常用。圖2 為柔性風(fēng)帆的基本樣式，圖中所示的平衡軟帆系統(tǒng)的桅桿可繞底部旋轉(zhuǎn)，調(diào)整主帆和前帆的尺寸（L2＞L1），使主帆受力略大于前帆受力，整個風(fēng)帆的受力中心（CE）位于桅桿后面，具有很大的節(jié)能潛力[17]。

圖2 柔性風(fēng)帆基本樣式Fig. 2 Basic styles of flexible sail

2.1 形狀、尺寸和材料特點

隨著無人帆船技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者們開發(fā)出了多種不同的風(fēng)帆和形狀，如ASV Roboat 無人帆船使用的是最常用的傳統(tǒng)軟帆。平衡軟帆是一種新的風(fēng)帆形式，其因具有許多優(yōu)點而得到了廣泛使用，如IBOAT[37]，Avalon，Vaimos 等。帆面的樣式通常為三角形（如Dewi），也有四邊形（如ABoat Time）和形狀不規(guī)則的多邊形（如SOA）。

風(fēng)帆尺寸應(yīng)根據(jù)船長來選取，以保證無人帆船獲得足夠的動力及穩(wěn)定航行能力。圖3 為針對柔性風(fēng)帆無人帆船繪制的船長和風(fēng)帆面積統(tǒng)計圖。圖中統(tǒng)計的柔性風(fēng)帆無人帆船船長均不超過4 m，柔性風(fēng)帆的類型多為傳統(tǒng)軟帆。其中，帆船船長為1～1.2 m 的，風(fēng)帆面積多為0.27～0.6 m2；船長1.3～1.5 m 的，風(fēng)帆面積多為0.8～1.2 m2；船長為2 m 的，風(fēng)帆面積多為1.7 ～3 m2；船長超過2 m的，風(fēng)帆面積一般在2 m2以上。

圖3 柔性風(fēng)帆無人帆船長度和風(fēng)帆面積統(tǒng)計Fig. 3 Statistical diagram of length and sail area of unmanned sailboat with flexible sails

采用棉和亞麻天然纖維作為帆的制作材料始于19 世紀。在紫外線照射下，這兩種材料會退化，其吸水性也很強。隨著生產(chǎn)技術(shù)的進步，各類型風(fēng)帆的制作材料轉(zhuǎn)向了低成本的合成纖維，如尼龍、聚酯、芳綸等。Calì等[43-45]通過拉伸試驗獲得了常用帆布的材料特性，如表1 所示。通過纖維在經(jīng)、緯度方向的不同楊氏模量值可知材料的正交各向異性，這為研究者選擇帆布材料，或進行柔性風(fēng)帆材料對無人帆船空氣動力學(xué)性能影響的研究提供了有價值的參考數(shù)據(jù)。表1 中Ewarp，Eweft分別為經(jīng)、緯度方向的楊氏模量值。

表1 常用帆布的材料特性Table 1 Characteristics of commonly-used sail cloths

2.2 安裝和固定方案

一般方案是將桅桿插入在船體內(nèi)部預(yù)先加工好的套筒內(nèi)，從甲板延伸至船底，桅桿頂部通過3 根左右的支索固定在甲板上，使風(fēng)帆系統(tǒng)具有更高的剛度。風(fēng)帆與桅桿、橫桿等之間的連接一般是在帆面上制作扣眼并通過繩索捆綁。圖4 所示為幾種風(fēng)帆安裝方法及固定的實例。

圖4 風(fēng)帆安裝與固定實例Fig. 4 Installation and fixing example of sails

2.3 調(diào)帆方案

根據(jù)已有的文獻和實際運用案例可知，絕大多數(shù)柔性風(fēng)帆無人帆船都采用絞盤繩索調(diào)帆系統(tǒng)，如圖5 所示。圖5 中主帆和前帆使用的調(diào)帆繩共用一個結(jié)點。有的調(diào)帆繩在兩側(cè)各用一個結(jié)點（如Sea Quester），這是為了降低繩索打結(jié)的可能性。盡管各用一個結(jié)點方式的技術(shù)相對成熟，使用最廣泛，但是復(fù)雜且還是存在繩索打結(jié)的可能性。還有一小部分無人帆船采用了連桿機構(gòu)（如ABoat Time）或直接由回轉(zhuǎn)軸承支撐和驅(qū)動來進行調(diào)帆（如Avalon）。采用這兩種調(diào)帆方式的無人帆船其主桅桿可轉(zhuǎn)動，結(jié)構(gòu)簡單，機械效率高，更容易在同一艘無人帆船上兼容使用柔性風(fēng)帆和剛性翼帆，但調(diào)帆機構(gòu)較重，會增加帆船的負載。

圖5 絞盤繩索調(diào)帆系統(tǒng)Fig. 5 Sail trim system using winches and ropes

為了避免繩索纏繞，INNOC 研究小組為ASV Roboat 無人帆船研制了由皮帶傳動的滑軌組成的線性驅(qū)動器，如圖6 所示。該無人帆船的主帆驅(qū)動繩的減速比為2:1，滑軌的最大行程75 cm，主帆和前帆驅(qū)動繩分別被收緊和放松了150 和75 cm。調(diào)整前帆的第1 個導(dǎo)向輪安裝在固定于桅桿前的橫桿上，導(dǎo)向輪可在橫桿上左右滑動，帶動前帆向左右兩側(cè)擺動，使前帆調(diào)整更容易且獲能更大[16]。

圖6 ASV Roboat 無人艇線性驅(qū)動器[16]Fig. 6 Linear actuator on ASV Roboat[16]

3 柔性風(fēng)帆空氣動力學(xué)性能研究方法

風(fēng)帆是無人帆船航行的推進器，風(fēng)帆空氣動力學(xué)性能對無人帆船的動力性能起著關(guān)鍵作用。柔性風(fēng)帆研究的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在：

1） 柔性風(fēng)帆薄而柔軟，在風(fēng)載荷作用下其形狀變化無常且變形較大，屬于非線性大變形問題，同時需要不斷調(diào)整風(fēng)帆角度以獲取持續(xù)的航行動力。

2） 帆船與兩種流體相互作用，既要考慮水動力學(xué)特性又要考慮空氣動力學(xué)特性[46]。柔性風(fēng)帆的形狀可以用關(guān)鍵截面的帆形參數(shù)表征，如圖7所示。柔性風(fēng)帆空氣動力學(xué)性能通常用力系數(shù)等無量綱系數(shù)來表征，攻角是空氣動力學(xué)分析的主要參數(shù)，氣動力系數(shù)隨著攻角的變化而變化。

圖7 帆形參數(shù)和形狀模型Fig. 7 Geometric parameters and shape of sail

3.1 影響因素

風(fēng)帆氣動性能受風(fēng)速、風(fēng)向等外界環(huán)境因素和風(fēng)帆調(diào)整的影響，同時柔性風(fēng)帆的材料、帆布的面板布置和纖維取向、設(shè)計形狀也是影響柔性風(fēng)帆性能的重要因素。采用具有合理的帆面板布置、纖維方向的高性能輕質(zhì)材料[44]制作風(fēng)帆能夠顯著提高帆船的動力性能。Calì等[43-44]通過試驗測試獲得了10 種常用帆布的材料特性，先后研究了帆布的材料特性和帆面板布置、纖維方向?qū)θ嵝燥L(fēng)帆空氣動力學(xué)性能的影響。Miller 等[25]通過比較不同展弦比、帆邊條數(shù)的單面風(fēng)帆的VPP 測試結(jié)果與水上測試結(jié)果，評估了不同設(shè)計形狀的風(fēng)帆性能。在柔性風(fēng)帆無人帆船航行過程中，由于柔性風(fēng)帆的材料特性和對風(fēng)帆的調(diào)整，其帆形參數(shù)會發(fā)生變化，從而力系數(shù)和受力中心位置也會發(fā)生變化，最終導(dǎo)致風(fēng)帆的氣動性能發(fā)生變化。

3.2 柔性風(fēng)帆飛行形狀測量

帆在航行過程中的真實形狀，也稱為飛行形狀[47]。帆的設(shè)計形狀和飛行形狀具有很大差異，采集帆的飛行形狀很有必要[48]，這是因為其可為數(shù)值模擬提供特定風(fēng)況下風(fēng)帆的真實形狀，為準確預(yù)測空氣動力學(xué)性能和驗證數(shù)值模擬結(jié)果提供寶貴信息。

學(xué)者們已經(jīng)使用坐標測量機[48]、光學(xué)輪廓測量技術(shù)[49]、雷達檢測系統(tǒng)[50]、攝影測量法[45-47,51-52]（圖8（a））和飛行時間（time of flight, TOF)技術(shù)[53-55]（圖8（b））來測量柔性材料的形狀。其中攝影測量法被認為是相對準確和快速的測量方法，但存在需進行大量的數(shù)據(jù)后處理、遮擋以及需要大量照相機等缺點。而新出現(xiàn)的基于TOF 的測量方法，采用的是激光掃描儀對整個風(fēng)帆飛行形狀進行測量，具有無接觸、范圍廣、對環(huán)境光線不敏感且適用于室內(nèi)室外等優(yōu)點。

圖8 飛行形狀測量方法[54]Fig. 8 Solutions for flying sail shape reconstruction[54]

3.3 研究方法

當前用于無人帆船柔性風(fēng)帆空氣動力學(xué)性能的研究方法包括數(shù)值模擬[56]、風(fēng)洞試驗[57-59]和水上試驗。其中，水上試驗是指無人帆船在真實水上環(huán)境下的試驗，此方法費時、費力，成本較高，但試驗結(jié)果最可靠。 風(fēng)洞試驗是指運用比例模型或原型在風(fēng)洞中進行的試驗，其試驗結(jié)果較可靠，但成本也很高，且還會受試驗條件的限制。風(fēng)洞循環(huán)水槽試驗是目前采用的最新試驗研究方法，試驗水槽由多功能風(fēng)洞和分層流循環(huán)水槽兩部分構(gòu)成，二者既可獨立使用，也可相互關(guān)聯(lián)，可形成風(fēng)浪流及分層流環(huán)境條件下船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的流體動力性能試驗?zāi)芰?，同時，還可對無人帆船進行水動力學(xué)特性和空氣動力學(xué)特性試驗研究。運用仿真軟件（如計算流體力學(xué)（CFD））進行數(shù)值模擬則是應(yīng)用最廣泛的方法，該方法使用方便、成本較低，但通常需要試驗驗證，模擬結(jié)果才具備可靠性。圖9 所示為柔性風(fēng)帆空氣動力學(xué)性能研究基本技術(shù)路線框圖。

圖9 柔性風(fēng)帆空氣動力學(xué)性能研究基本技術(shù)路線Fig. 9 Basic technical route for research on aerodynamic performance of flexible sails

通過CFD 數(shù)值模擬，研究者可以得到風(fēng)帆的最優(yōu)設(shè)計方案[60]。在優(yōu)化設(shè)計中，考慮到柔性風(fēng)帆非常薄，可將風(fēng)帆結(jié)構(gòu)模型視為無厚度面或殼體的結(jié)構(gòu)。在研究低雷諾數(shù)下湍流模型對空氣動力學(xué)性能預(yù)測方面，Aftab 等[61]研究了湍流模型對低雷諾數(shù)機翼的影響，Persson 等[60]研究了湍流模型對低雷諾數(shù)柔性風(fēng)帆的影響，二人得出了相似的結(jié)論：Spalart-Allmaras 模型能更準確地預(yù)測風(fēng)帆的升力和阻力，與實驗數(shù)據(jù)吻合較好；k-ω SST模型預(yù)測顯示流動分離現(xiàn)象會提前發(fā)生，在大攻角下對升力和阻力的預(yù)測不佳，而采用AVANTI無黏性流體模型[52,62]的計算量小，常被用于風(fēng)帆設(shè)計的初步階段。

Bak 等[63]將風(fēng)帆視為殼體結(jié)構(gòu)，運用CFX 和LS-DYNA 軟件進行了柔性風(fēng)帆變形的流固耦合分析。Fossati 等[46]對柔性風(fēng)帆的1:10 比例模型進行風(fēng)洞試驗研究，由紅外攝像系統(tǒng)采集飛行形狀，測量了逆風(fēng)條件下的風(fēng)帆性能。Calì等[44]通過CFD-CSM 方法對大三角帆進行流固耦合分析，評估了順風(fēng)條件下風(fēng)帆的性能，通過水上試驗，使用載荷傳感器測力及攝影測量法采集飛行形狀，然后對比驗證數(shù)值模擬結(jié)果。Fossati 等[53]和Bayati 等[55]在逆風(fēng)條件下進行柔性風(fēng)帆的風(fēng)洞試驗研究，在帆面上粘貼薄而軟的壓力條紋進行力和壓力分布的測量，基于TOF 技術(shù)，采用激光掃描儀測量柔性風(fēng)帆的飛行形狀，將飛行形狀用于CFD 數(shù)值模擬，更準確地預(yù)測了風(fēng)帆的空氣動力學(xué)性能。

為準確評估風(fēng)帆性能或優(yōu)化風(fēng)帆設(shè)計，在柔性風(fēng)帆空氣動力學(xué)研究中，飛行形狀及其力和壓力分布的測量是需要解決的3 個要素。從前文可知，當前用于無人帆船柔性風(fēng)帆空氣動力學(xué)性能的研究方法包括數(shù)值模擬、風(fēng)洞試驗和水上試驗。試驗研究結(jié)果的可靠性高。風(fēng)洞試驗或水上試驗的作用在于，通過將測得的特定工況下柔性風(fēng)帆的飛行形狀、力和壓力分布與在相同工況下數(shù)值模擬的相應(yīng)結(jié)果進行比較，可全面評估風(fēng)帆性能，驗證數(shù)值模擬的準確性；此外，測得的在特定工況下柔性風(fēng)帆的飛行形狀，還可為數(shù)值模擬提供真實的形狀模型，從而更準確地預(yù)測風(fēng)帆性能。風(fēng)洞試驗是運用得較為普遍的方法。在試驗中，目前主要采用攝影測量法或TOF 技術(shù)捕獲柔性風(fēng)帆在特定工況下的飛行形狀，使用力傳感器和壓力條紋來測量力和壓力分布。然而，在現(xiàn)有的研究中仍主要關(guān)注的是順風(fēng)或逆風(fēng)條件下風(fēng)帆的氣動性能，并未考慮實際航行下的各種工況，而即使是帆船水上試驗，考慮到高昂的成本和條件受限等因素，也僅是固定在岸邊進行研究。

在無人帆船柔性風(fēng)帆的空氣動力學(xué)性能研究中，數(shù)值模擬方法方便、成本低。目前，用于空氣動力學(xué)性能預(yù)測的計算平臺主要有CFX，F(xiàn)LUENT和STAR-CCM+。柔性風(fēng)帆的形狀模型是性能預(yù)測的關(guān)鍵。由于柔性風(fēng)帆本身的材料特性，在實際航行時，風(fēng)帆形狀隨不同工況的變化而改變，難以對其進行捕獲和測量，故通常假設(shè)風(fēng)帆在各個工況下均為不變形的剛性帆面，如此則難以準確預(yù)測風(fēng)帆性能，無法發(fā)揮不同類型風(fēng)帆的最優(yōu)性能。針對柔性風(fēng)帆在風(fēng)載荷下的非線性大變形問題，用非線性有限元分析程序（如LS-DYNA 和AUTODYN），可以相對較好地計算柔性風(fēng)帆的變形，近似地構(gòu)建出風(fēng)帆變形的形狀。

總之，研究無人帆船動力性能需要結(jié)合運用空氣動力學(xué)和水動力學(xué)技術(shù)，而目前在研究中采用的數(shù)值模擬和試驗方法都未系統(tǒng)地研究風(fēng)帆與船體的耦合作用，在此方面仍需進一步研究。

4 總結(jié)與展望

本文介紹了國際上具有代表性的柔性風(fēng)帆無人帆船，總結(jié)和分析了柔性風(fēng)帆的空氣動力學(xué)性能研究方法。在無人帆船中，柔性風(fēng)帆是運用得較廣泛的風(fēng)帆，具有剛性翼帆無法替代的優(yōu)點。風(fēng)帆系統(tǒng)和風(fēng)帆空氣動力學(xué)性能是決定無人帆船性能的重要因素。目前，無人帆船領(lǐng)域中的一些技術(shù)仍未達到期望的目標，有待進一步提高，例如堅固的船體、耗能低和獲能效率高的風(fēng)帆、魯棒性和可靠性強的軟硬件、具有長航時和在各種海洋環(huán)境下的適航性，以及可搭載的海洋監(jiān)測儀器。展望無人帆船及柔性風(fēng)帆的未來發(fā)展，需在如下方面開展關(guān)鍵技術(shù)的研究。

1） 柔性風(fēng)帆的氣動性能。

柔性風(fēng)帆因形狀多變而給其氣動性能的研究帶來了困難，運用試驗或數(shù)值模擬方法測量得到與不同工況相適應(yīng)的風(fēng)帆飛行形狀尤為重要。目前，對于在逆風(fēng)條件或順風(fēng)條件下現(xiàn)代帆船的風(fēng)帆氣動性能研究已取得重要進展，但針對無人帆船柔性風(fēng)帆氣動性能的研究案例極少。事實上，上述兩種帆船的研究方法和原理是相通的。無人帆船柔性風(fēng)帆尺寸較小，隨著試驗條件的完善，結(jié)合數(shù)值模擬與試驗，未來可進一步探究不同工況下風(fēng)帆的性能、帆裝與空氣的耦合以及帆裝與船體的耦合作用，建立較為全面的風(fēng)帆形狀與風(fēng)帆性能的數(shù)據(jù)庫，這對指導(dǎo)制定控帆策略、提高帆船操縱性都具有重要意義。

2） 可靠和高效的風(fēng)帆技術(shù)。

風(fēng)帆類型?，F(xiàn)有的風(fēng)帆有多種類型，既有傳統(tǒng)軟帆、平衡軟帆，也有剛性翼帆。平衡軟帆的節(jié)能潛力很大，剛性翼帆絕大多數(shù)被視為平衡風(fēng)帆。柔性風(fēng)帆的材料特性、展弦比、固定和調(diào)帆方案對風(fēng)帆性能影響很大，一般使用的絞盤繩索系統(tǒng)驅(qū)動方式容易造成繩索打結(jié)，若主帆和前帆的調(diào)帆繩各用一個結(jié)點，則可減少繩索打結(jié)的可能性，而有些無人帆船采用的機械調(diào)帆（如Marius的圓形導(dǎo)軌滑塊機構(gòu)、ASV Roboat 的皮帶傳動線性驅(qū)動器和ABoat Time 的連桿機構(gòu)）又會增加機械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和帆船負載。因此，有必要提出更具創(chuàng)新性的調(diào)帆方案，設(shè)計出與航行要求相適應(yīng)（如競賽側(cè)重速度，遠洋航行側(cè)重耐疲勞性），可兼顧使用柔性風(fēng)帆和剛性翼帆的支撐以及驅(qū)動方案并共享一套軟硬件的風(fēng)帆類型，如此既能夠滿足不同航行的要求，又可以節(jié)約開發(fā)成本。

風(fēng)帆快速收放技術(shù)。對于風(fēng)帆-螺旋槳混合驅(qū)動的無人帆船，在螺旋槳驅(qū)動模式下，可以收帆降阻；對于水下、水面兩用的剛性翼帆無人帆船，在執(zhí)行水下作業(yè)時，需能夠?qū)⒁矸焖偈杖氪w中； 在強風(fēng)航行條件下，可以調(diào)整風(fēng)帆尺寸，以達到顯著減小帆船航行阻力的目的。

3） 船載能源管理策略。

若要保證無人帆船既可長期滯留海上執(zhí)行任務(wù)，又可為種類繁多、用途各異的船載傳感器的運行提供充足能量，則需要設(shè)計出合理的船載能源管理策略。例如，船載的風(fēng)速儀、姿態(tài)儀慣性測量單元（IMU）、伺服電機編碼器等傳感器可在不同工況下采集大量的數(shù)據(jù)，用于優(yōu)化控制無人帆船航行的設(shè)置參數(shù)，從而優(yōu)化航行性能；溫度傳感器、水質(zhì)監(jiān)測儀器、水聽器等船載傳感器可以將采集的數(shù)據(jù)用于科學(xué)研究。

總之，船載能源管理策略的研究需要重點考慮獲能和耗能這兩個問題。前者的關(guān)鍵是解決航行時蓄電池的充電問題。目前，船載太陽能電池板組、小型風(fēng)力發(fā)電機、水輪發(fā)電機均可實時為蓄電池充電。 后者需要解決機械自動駕駛系統(tǒng)（如風(fēng)向標自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)）在不消耗功率的情況下使無人帆船保持期望航向的問題。

為了保持無人帆船的內(nèi)在方向穩(wěn)定性（即無論初始航向如何，都無需頻繁控帆或使用復(fù)雜的機械操縱系統(tǒng)而能夠返回到期望的航向），可利用的理想方案有：直接將尾翼附著在風(fēng)帆上；優(yōu)化調(diào)帆機構(gòu)的設(shè)計，使其質(zhì)量輕、可靠性和操縱效率高；合理規(guī)劃各類船載儀器的工作與休眠策略。

混合驅(qū)動技術(shù)（例如風(fēng)帆-螺旋槳混合驅(qū)動）對長期航行有著重要作用，但螺旋槳電機運轉(zhuǎn)需要耗能，因此，流體獲能-驅(qū)動關(guān)鍵技術(shù)的研究可成為潛在的解決方案，目標是使安裝在帆船下的水輪機在風(fēng)帆驅(qū)動模式下能夠作為水輪發(fā)電機為電池充電，而在螺旋槳驅(qū)動模式下，水輪機作為螺旋槳推動帆船航行。

4） 避險研究。

主要針對無人帆船航行、自身設(shè)備的安全性和可靠性而提出。無人帆船航行時難免會受到大的風(fēng)浪流影響，因此有必要研究出帆船的自保功能（例如風(fēng)帆快速收放技術(shù)），這在一定程度上可以起到保護帆船的作用。另外，自檢功能可以用于監(jiān)測和診斷船載設(shè)備的運行狀態(tài)，如將冗余的執(zhí)行器、傳感器等引入無人帆船，當組件出現(xiàn)故障時可以自啟動冗余組件，以保證無人帆船持續(xù)航行。

5) 航行控制算法研究。

通過路徑規(guī)劃確定起始點與目標點間的最佳路線和轉(zhuǎn)向點。無人帆船路徑規(guī)劃需要解決的關(guān)鍵技術(shù)包括：可靠地檢測和規(guī)避障礙物，在地圖上預(yù)先標出靜態(tài)障礙物（例如暗礁、島嶼等）；實時檢測動態(tài)障礙物（例如航行船、流動浮標等）；同時，還要考慮風(fēng)浪流、航行目的等條件。

通過路徑跟蹤計算出執(zhí)行器所需輸入，以跟蹤預(yù)先確定的路徑，并優(yōu)化航速，縮短航行耗時。控舵（航向控制與航跡保持）和控帆的策略研究需要解決的問題是路徑跟蹤。通常，在操縱過程中，舵和帆是分開控制的，舵控制采用模糊PID 控制方法，帆控制多采用經(jīng)驗公式。研究控帆策略需要基于風(fēng)帆的氣動性能研究結(jié)果。在控帆策略方面，現(xiàn)代帆船的使用歷史悠久，積累了豐富的經(jīng)驗，可以通過采集船員在控舵和控帆方面的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫并借助機器學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)船員的帆-舵控制策略，對帆-舵進行耦合控制，以此提升無人帆船的路徑跟蹤性能。

綜上，低成本、長航時、多功能、安全可靠、全自主航行是無人帆船各項關(guān)鍵技術(shù)的研究目標。