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Carisbrooke Shipping船上的20米长AirWing装置,确保了对货运业务的兼容性，在英国-加拿大-英国的航程中节省了8.3%的燃料消耗.

随着减少温室气体排放监管压力的加剧，全球海运业正在经历一个转型期。目前，全球海运业每年的燃料消耗量约为3亿吨，占全球碳排放量的2.5%，这使得航运运营商面临着严峻的合规性挑战。国际海事组织(IMO)已提出了越来越严格的能源效率设计指数(EEDI)和现有船舶能源效率指数(EEXI)要求，同时，欧盟正准备将航运纳入其碳排放交易体系(EU ETS)并实施 FuelEU Maritime法规。这些进展，迫使船舶运营商采取脱碳战略，以平衡好环境合规性和运营可行性。

虽然风力辅助推进系统是一项极具前景的技术，能通过免费使用可无限使用的能源来减少燃料消耗，但问题是，传统的系统通常会给运营带来重大挑战，特别是对甲板空间的要求过高，从而干扰货物作业，以及推力/尺寸比不足，从而限制节油潜力。

GT Wings（英国利物浦）开发了一种新的海运风力推进方法，解决了这些限制性问题。AirWing 系统是一种市售的翼帆，它整合了从美洲杯和一级方程式赛车中借鉴而来的空气动力学原理，并采用了一种特殊的针对大规模制造技术而优化的复合材料结构。这些特点组合在一起，使得AirWing系统能以紧凑的占地面积提供卓越的推力，即使对于甲板空间有限的船舶，也能实现风力推进。

翼帆设计

海运风力推进面临的根本性挑战是开发一种系统，该系统能以紧凑的装置提供巨大的推力，同时还能兼容船舶作业。

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AirWing在其部署配置中的可视化渲染图。GT Wings 开发了多种尺寸的AirWing,包括AirWing20、AirWing28和AirWing40，每一种都针对不同的船舶尺寸而量身订制

“传统思维认为，更大的帆面积等同于更大的推力。”GT Wings的制造专家 Martin Harrop 解释说，“我们的方法通过先进的气流控制最大程度地提高了推力效率，从而颠覆了这种范式。”

AirWing 技术的基础源于该公司创始人 George Thompson 开发的专业的空气动力学智能。Thompson的背景包括与美洲杯赛车队的合作，他发现了一个机会，可以将高性能赛车中常用的边界层控制技术应用到商用船舶的推进系统中。

“AirWing控制气流的方式在以前的航运业中从未使用过。”Thompson 解释说，“我们不是简单地扩大传统的翼帆设计，而是设计了一个系统，从根本上重新考虑了空气与翼表面的相互作用。”

最终的设计采用了多元件实心翼结构，由两个空气动力学表面（一个主元件和一个襟翼）组成，它们共同产生推力。与软帆不同，这种刚性垂直翼的功能类似于飞机机翼，当空气流过其弯曲的表面时，通过压差产生升力。主元件提供主要的升力表面，而位于后缘的较小襟翼元件则充当高升力装置，可以通过调整来优化系统的整体空气动力学性能。

多元件配置的主要优势在于，能够在比单元件设计更高的攻角下保持附着的气流。如果配置得当，主元件和襟翼之间的槽会加速气流从高压（迎风）侧流到低压（背风）侧，从而为边界层提供能量并延迟流动分离。这种槽效应使翼帆在失速前能产生更大的驱动力，这对于在逆风或微风条件下航行尤为重要。由于襟翼角度可以独立于主元件进行调整，因此它可以对组合系统的外倾角和总升力系数进行精确控制。一个由一系列传感器和执行器组成的自动控制系统，不断地调整主翼组件的攻角和襟翼元件的相对位置。该系统能自动进行配平优化，以应对不断变化的风况、船速和航向。

混合材料的结构

将这种空气动力学智能转化为实用的船运解决方案，需要复杂的设计工程和材料制造专业知识。AirWing系统通过多级有限元分析测试协议得到了全面的设计验证，并在各种载荷下的结构设计中验证了适当的安全系数，特别注意了海运条件下的动态力。

GT Wings 与 KS Composites（英国梅尔顿莫布雷）和 A2O Manufacturing（英国利物浦）合作，为20米长的 AirWing 原型开发了一个订制的生产系统，该原型于2024年年底被安装到Carisbrooke Shipping 船上。

工程团队做出了一项战略设计决策，采用混合材料结构来平衡性能、可制造性和认证要求。中央的钢翼梁提供主承重结构，并附有复合材料的空气动力学表面，以为系统的气流控制技术创造必要的翼型。

“对于第一个演示器，考虑到12个月的项目时间表和认证要求，我们决定将钢梁用作主结构元件。”Harrop 解释说，“这简化了认证过程，并使我们能够将复合材料的开发重点放到空气动力学表面上，这对我们的气流技术至关重要。”

材料选择过程优先考虑性能和可制造性。对于主要的空气动力学结构，KS Composites 选择了SHD Composites（英国斯利福德）的MTC510LV-EBX1200 玻璃纤维预浸料，它采用±45°的双轴织物，面重为1200克/平方米。

“我们特别选择了这种厚度的材料，以减少人工操作时间，同时提供最佳的表面光洁度。”KS Composites的项目经理 Dan Newham 解释道，“高克重使我们能够用更少的层来实现必要的结构性能，从而提高生产效率。”

对于跨度20米的高应力襟翼梁，该团队采用了SHD Composites的 MTC510LV-CBX800-35%RW 碳纤维预浸料，该预浸料使用了Zoltek（美国密苏里州布里奇顿市）的PX35 50K 碳纤维，这种材料提供了这一关键结构部件所需的强度/重量比，同时能兼容生产工艺。

该结构采用了夹芯板设计，该夹芯板使用了3A Composites Core Materials（美国北卡罗来纳州科尔法克斯）的Baltek SB 50 轻木芯，取决于具体的局部结构要求，厚度为9.5毫米和31.8毫米。这种标称密度为109千克/立方米的轻木芯，凭借性能和可持续性而被选中，用以取代合成泡沫。

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AirWing复合材料结构的横截面图显示了使用 Baltek SB 50 轻木芯的夹芯板设计，厚度为9.5毫米和31.8毫米。玻璃纤维预浸料的外表皮提供了结构完整性，而空隙中可见的白色电缆则支持系统的自动控制机制

“轻木芯提供了所需的机械性能，同时提供了显著的环境效益。”Newham表示，“它在生长阶段封存碳，在加工过程中耗费的能源要比合成的替代品少，而且报废后可提供更好的回收性和生物降解性。”

制造智能

KS Composites 开发了一种复杂的生产工艺，用来生产AirWing 系统所需的大型复合材料部件。生产流程从使用Assyst Bullmer（英国韦克菲尔德）的滚床切割机精密切割套料开始，以创建优化的材料布局，确保一致的铺层形状并最大程度地提高材料利用率。

层压过程由人工完成，将成套切割的预浸料层铺放到专用模具中。“在制造设计阶段，我们设计了内置叉车通道的模具，以便能够轻松地将模具放到热压罐中。”Newham 解释说，“该模具工装的背面集成了多个交叉结构，以确保加工过程中的尺寸稳定性。”

固化过程使用可编程的热压罐，遵循符合材料制造商规范要求的精确的固化周期，消除了潜在的工艺变化。该系统的设计可确保在80-120℃的温度范围内固化，这确保了生产的灵活性，并在后固化后可实现高达125℃的玻璃化转变温度。

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为在不同的风况下实现最佳性能，正在对AirWing装置的自动调节系统进行测试。它在风速超过45节时进入“安全模式”，以便在产生推力变得不切实际时能最大程度地减小阻力.

一个关键的制造挑战是，管理好部件尺寸带来的约束，同时确保整个20米跨度的结构具有完整性。该团队认定，以4米为一段能够在制造能力与结构性能之间达到最佳平衡。

“4米为一段的尺寸主要是由我们的热压罐容量决定的。”Newham说道，“这种模块化方法还改善了操作物流，并简化了到安装现场的运输。”

需要特别注意的是，要确保襟翼梁20米长的组装跨度的结构连续性。该团队开发了一种专门的连接技术，使用1.5米的粘接“套筒”，向每一个使用3M（美国明尼苏达州圣保罗）的DP490粘合剂邻接的4米段中延伸750毫米，以创建应用所需的高强度粘接。

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GT Wings工程团队和制造合作伙伴在KS Composites 的工厂中审查3D仿真和性能数据。协作开发过程结合了美洲杯赛车技术和一级方程式空气动力学的专业知识，创造了一种船舶推进解决方案，能以紧凑的占地面积最大程度地提升推力。

通过对连接点和载荷传递区的详细设计，制造过程还解决了复合材料组件与钢结构之间的界面问题。大多数的复合材料段以2米长的分段直接由螺栓固定到钢结构上，额外的层与轻木芯的边缘重叠，可以防止在这些关键连接处出现分层。

采用环保的专用涂层系统，即PPG（美国宾夕法尼亚州匹兹堡）的Sigmacover 280 底漆和Sigmadur 550 面漆，可以保护复合材料结构免受紫外照射而降解以及避免暴露在盐水中，同时可以减轻金属-复合材料界面处的潜在电偶腐蚀。

材料测试包括搭接剪切测试，以验证复合材料层压板的粘接强度和机械性能。完成的组件经过尺寸验证和超声波检查，确保了制造质量和结构完整性。

“通过搭接剪切测试，我们确定了可确保结构完整性的最低粘接强度要求，规定最小粘接比为75%，并在制造过程中额外实施5%的安全系数。”Newham 解释道，“使用接触式超声检测进行的无损检测，验证了所有的粘接接头都满足或超越了这些要求。”

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为实现AirWing的旋转功能，轴承组件得到了精确设计，正在进行安装前的检查。精心设计的连接点和载荷传递区实现了钢构件与复合材料结构的连接。额外的层与轻木芯的边缘重叠，可以防止在这些关键连接处出现分层。

性能验证

安装在Carisbrooke Shipping 船上的20米长的AirWing 装置，预计可为该船在英国-加拿大-英国的航程中降低8.3%的燃料消耗和碳排放，相当于每年可节省超过13.9万英镑的成本。在25年的使用寿命中，单独一个AirWing装置就能减少大约14250吨的碳排放。

“我们的模拟表明，AirWing可节省高达30%的燃料，同时可兼容船舶的运营需求。”Harrop表示，“它处在船舶的吃水范围内，对货物运输的影响最小化，消除了采用此类风力推进技术而面临的主要障碍。”

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在港口安装AirWing的鸟瞰图。在开启处女航之前，将20米长的装置小心地放到Carisbrooke带着翼帆装置的Vectis Progress 船上。

该系统还可实施复杂的控制自动化，通过自动调节，可以在不同的风况下实现最佳性能，并在风速超过45节时切换到“安全模式”，以便在推力产生变得不切实际时最大程度地减小阻力。

GT Wings最近与巴斯大学合作，获得了由英国交通部智能航运加速基金提供的22.5万英镑的额外赠款，以通过AI和强化学习来进一步增强控制系统。这一进展将通过自学习算法实现 AirWing 性能的实时优化。

未来发展和行业影响

AirWing 技术在第一艘商用船舶上的成功实施，代表着海运脱碳努力达到一个重要里程碑。该技术的可扩展性在GT Wings的多种尺寸型号开发中显而易见：AirWing20、AirWing28 和 AirWing40，每一种型号都是针对不同的船舶尺寸而量身订制的。

制造合作伙伴已经在为未来的制造确定工艺改善措施。KS Composites正在与 SHD Composites 合作，通过使用100-150米的更大料卷而不是标准的25-50米料卷来优化材料，以减少生产浪费并提高生产效率。

“更大的料卷将消除大量的衬纸浪费并缩短设置时间。”Newham 解释说，“我们还在研究少量减少树脂含量对性能带来的影响，以进一步优化成本和可持续性。”

该团队还在评估在未来的迭代中增加复合材料占比的机会，有可能用先进的复合材料结构取代钢梁。这将进一步减轻重量并提高系统性能，同时保持结构完整性。

“当前的混合方法在性能与认证要求和项目限制之间取得了平衡。”Harrop表示，“随着技术成熟度以及对监管熟悉程度的提高，我们预计能有机会实施更先进的复合材料解决方案。”

对于更广泛的海运业而言，AirWing技术代表了一条实现减排的实用途径，可以在不影响运营的情况下在现有船舶上实施。在全球，大约有2万艘船舶适合采用风力推进，但迄今为止只有大约35套装置，因此市场潜力巨大。