2020船舶未來發展趨勢

       未來，將會誕生哪些船型？這些船型對航運將會有怎樣的幫助？讓我們共同走進未來新型船舶。

 　   低能耗船舶

  　  與材料科學、阻力降低和推進系統相關的哪些技術發展，會為面向2020年研發的低能耗概念船研發做出貢獻？

　    市場力量、技術進步、安全考慮和法規修改是激發創新的主要驅動因素。目前燃料價格高企、市場不確定性增加、競爭激勵、氣候變化和全社會的環保壓力都要求全球船舶在未來十年採用新技術和新概念。

　    混合材料。通過降低船體重量可以降低污染排放，節約燃料。小型船舶和二級結構採用輕質材料，例如玻璃鋼、鋁和鈦。可以採用多層金屬板和高分子複合材料層壓板製造複合材料。纖維-金屬層壓板具有金屬性能（高抗衝擊性、耐用性、生產靈活）以及複合材料的性能（強、硬度/重量比例高、抗疲勞和腐蝕性能高）。金屬層可以是鋁或鋼板，而高分子夾心層可採用碳纖維或玻璃纖維強化。這些材料在航空業和特種船中的應用為航運界做了示範。

  　  無壓載水船舶。壓載水保證船舶在空載時的吃水、強度和穩定性。但如果壓載水在排放時未經處理，那麼壓載水中含有的入侵物種會威脅到海洋生態系統。採用梯形船體和橫向傾斜船底可以保證空載時的穩定性和吃水，不需要壓載水。

　    組合推進系統。螺旋槳的效率受到單一設計速度、大槳葉、二衝程柴油發動機和直驅推進的限制。組合推進系統概念綜合採用了螺旋槳、吊艙和增效設備（例如前渦旋翅和後渦旋翅）。通過流體動力優化，可以把反轉吊艙螺旋槳布置在螺距可調整的主螺旋槳後面，在飛羽化中心線螺旋槳旁設置可轉向吊艙，提高能效。這些系統利用了各部分的流體動力優點，通過優化發動機負荷，擴大了有效操作範圍。

      極地級船舶

   　 北極地區未來夏季可能會出現積冰消融，這個地區的海運量會增加。除了新型船舶之外，北極航運還需要哪些新系統和新軟體？

  　  未來10年夏季海冰規模會減少，隨著碳氫化合物燃料價格不斷升高，各國將勘探開發新資源，北極航運交通量也會增加，與北極相關的技術會迅猛發展，例如冰區路線優化軟體，船體負荷監控系統以及新的破冰概念。經驗不豐富的船員可以通過冰區培訓模擬裝置針對冰區航行做好準備。傳統船舶救生艇或救生筏不是針對極地冰區條件下的安全逃生而設計的，未來會開發出新型雙棲逃生船。

　    新型破冰船。被護衛船舶的船首兩側區域比破冰船寬，會遇到未破碎的冰塊，導致冰塊阻力增加。採用為側向破冰而特殊設計的斜型船體的破冰船可以開拓寬一些的航道，通過採用多個可360度旋轉的Z推進器可實現側向操作。這種破冰船在護衛小型船舶時首先採用船首部分破冰，在護衛較寬的船舶時會採用側向破冰。採用這種設計允許寬度為20m的破冰船開出40米寬的航道。這樣未來一艘破冰船就可以護衛較寬的船舶，而到目前為止還是需要兩艘傳統的破冰船。通過測試表明在採用傾斜操作模式時，速度是正常速度的一半。在未來10年，這種新型破冰概念將廣泛地應用於北極航運操作。

    　北極救生船。北極救生艇針對冰區航行進行了強化，並採用了防凍措施。救生艇需要穿越冰區（例如冰脊），還要穿越開闊水面。到2020年，這類船舶將採用阿基米德的螺旋式運動概念。在船舶兩側會設計兩個大型螺旋式浮筒。設計難關包括浮筒材料及其連接，必須承受極端溫度條件下的碰撞負荷。北極船舶的常規防凍措施應該考慮救生艇的防凍，例如防止結冰，預熱發動機。

   　 虛擬船舶

    　從生命周期角度來評估船舶的技術和經濟性能的先進模型技術能更好地管理設計的複雜性和不確定性。那麼如何來實現呢？

  　  現代船舶設計要求謹慎地考慮技術不確定性、市場特徵、未來能源價格、當前和未來的法律規範和氣候變化預測。這些因素針對解決不確定性和風險管理構成了很嚴峻的挑戰。先進的建模方法和工具可以開發和評估新型船體設計、推進器和複雜機械系統，為應對這些風險提供技術解決方案。

  　  整合船舶設計工具。鑑於未來設計和風險的複雜性，會加速採用先進的建模方法和工具，實現新船體設計、推進器和船機系統的開發和評估。這種設計方法依據的是各種軟體環境，包括多目標優化算法。由設計人員完全控制個案所採用的數學方法、目標、限制條件和分析軟體。在計算過程中，將針對船舶每個子系統採用模塊化工具，例如機械設備或船體外形。不同的模塊通過集成設計平台連接到一起。為了保證及時評估，軟體會設計多尺寸，多物理和多解析度的物理模型。

   　 模型化船機設計大型示範項目。隨著燃料電池、其他電池和可再生輔助動力等動力系統的出現，系統配置也越來越複雜。而傳統的設計關注於通過優化每個組件來提高效率。隨著當今設備技術的成熟，需要從集成系統角度來考慮船機和能源系統，提出創新的開發模式。到2020年將可以採用模塊化計算機工具對現實工況下的船機系統進行建模、模擬和優化。

      模塊化船體設計。傳統的船體設計優化通常局限在靜水情況、設計載貨能力和設計速度條件。採用這種方法建造的船舶在偏離設計條件時性能不良。到2020年，船體設計工具將實現計算機輔助工程設計組件，例如CAD、CFD和FEM與多目標優化的無縫整合。

  　  綠色燃料船舶

   　 隨著環保法規的實施和燃油價格的上漲，天然氣和混合生物燃料會成為可行的解決方案。但風能和核能是否能夠為航運提供航運動力？

  　  綠色燃料船舶標誌著傳統燃料逐漸終結。隨著海運面臨著越來越嚴格的環境法規要求以及燃油價格的攀升，天然氣和可再生能源越來越被認為是可行的替代性能源。液化天然氣、混合生物燃料或更激進的能源（例如風能或核能）都有開發潛力。

 　   天然氣。儘管天然氣與燃油相比，二氧化碳減排量只有到25%，但存在釋放未燃甲烷的問題。航運所面臨的挑戰之一是液化天然氣儲罐占用空間一般是柴油儲罐的2到3倍。天然氣必須以液態或壓縮狀態儲存，儲罐成本也更高。根據我們近期積累的經驗，以液化天然氣為燃料的船舶的新建成本比同等的以柴油為燃料船舶高10-20%。預計在未來10年中，很大一部分新船將採用天然氣作為燃料，特別是近海航運。另外可以預計的是在未來有些船舶會改造為採用液化天然氣作為燃料。

 　   生物燃料。這是一種可再生能源，可極大地降低生命周期的二氧化碳排放量。原則上現有的柴油發動機都可以使用混合生物燃料。生物柴油有很多問題需要解決，包括燃料不穩定性、腐蝕性、容易生長微生物、對管路和儀表有負面影響，低溫流動性不良等問題。儘管在2020年之前可以解決這些技術問題，但在航運中廣泛採用生物燃料還取決於價格、刺激政策和供給能力。

　    核能。核電站在操作過程中沒有溫室氣體排放，特別適合於動力需求變化慢的船舶。商用核能動力船需要使用低濃縮鈾。開發的陸地原型是一個小反應堆（與大型船用柴油發動機相比），功率輸出可達到25MW。生命周期以10年左右計算，能源價格為2百萬美元/MW。這項技術要求進行廣泛測試和嚴格的質量認證，意味著到2020年之前民用航運還不能實現商用。

  　  電動船

   　 綜合了多種可再生能源的混合型電動船概念將在特種船上實現。岸電供應計劃、船用燃料電池和高溫超導體也會得到發展麼？

   　 引入電動船概念會提高船舶的整體效率，綜合採用各種可再生能源。採用大量嵌入組件會提高系統的複雜程度，要求更謹慎的設計、性能監控和動力管理。混合概念首先將引入到特種船中，例如海工補給船和渡輪。

　    混合動力船舶。當船舶在單一的規定條件下操作時發電效率最高，動力需求或供應的波動會降低發電效率。切換到電力推進系統和動力供應，使用多個動力源，可以提高靈活性和效率。到2020年混合電動船可能採用各種傳統和超導電動機和發電機、燃料電池和其他電池。混合動力概念把各種可再生能源的動力組合到一起，例如太陽能板或伸縮式風力發電機。性能監控、動力管理和冗餘是關鍵因素。這些概念在未來10年將應用於工作船、客船和小型貨船。對於大型貨船，只能用作輔助動力。

　    船用燃料電池。為了提高動力生產效率，可以考慮燃料燃燒之外的其他措施。燃料電池通過一系列的電化學反應把化學能直接轉換為電能，理論效率可以達到80%（氫）。可以採用天然氣、生物燃氣、甲烷、乙烷、柴油或氫氣作為燃料。液化天然氣燃料電池與柴油發動機相比，每千瓦可實現最高50%的二氧化碳減排。隨著污染排放控制區的建立，會傾向於採用液化天然氣燃料電池，目前的船用燃料電池原型可提供0.3MW的動力。

 　   高溫超導體。電阻會造成發電機、電動機、變壓器和傳輸電纜的能量損失。高溫超導體（HTS）的電阻（在-160℃時）為零，超導體電纜與相同尺寸的銅電纜相比可允許150倍的電流通過，大大縮小電動機和發電機的尺寸。超導體線圈還可以用於儲存電能。但是，這些材料需要通過液態氮和特殊熱屏蔽等進行低溫冷卻。主要風險是低溫冷卻發生故障，導致喪失超導性能。冗餘是採用高溫超導技術進行船舶設計所面臨的主要問題。

　    數字船舶

　    將廣泛採用E-航行解決方案來提高安全性能和優化保安、經濟和環保性能，但哪些是關鍵技術？

  　  航運界的領袖企業目前正在積極應用E-航運技術，到2020年很多船舶都將跟隨這個潮流。E-航運技術把準確的位置數據、氣候和監控數據、船上和遠程傳感數據、船舶具體特徵和響應模式組合到一起，能夠預防事故，優化安全、經濟和環境性能。船上電子海圖是電子船舶的統一平台，匯集並直觀呈現與船舶安全、航海風險、駛入港口和氣候導航等領域相關應用程式的信息。

 　   ECDIS。船舶觸礁事故經常發生，會造成嚴重的財產損失、人員傷亡甚至石油污染事故。電子海圖展示和信息系統（ECDIS）採用電子導航圖（ENC），把觸礁可能性減低了30%。IMO新規則要求大部分船舶在2020之前採用ECDIS。ECDIS是一項關鍵的e-導航技術。通過與非導航系統結合，它的優勢就會不僅僅局限於保證安全導航，還會延伸到港口排期和清關系統。

  　  先進的氣候導航系統。從傳統上來說，氣候導航主要關注與安全導航、避免惡劣的氣候。氣候導航也可以優化燃料消耗（可節省10%左右）和到達時間，提高船員和乘客舒適度，降低船舶疲勞度。預計在2020年之前通過遠程和船上傳感器的數據收集，將會提高海洋實時信息和預報數據的空間-時間解析度。

 　   海盜偵測與震懾船舶。保險費率提高反應了以船員和船舶為目標的武裝搶劫、海盜和恐怖主義的猖獗。在未來10年這些威脅不會減弱。成功減低威脅要求及早偵測，並採取有效的遠程控制的震懾措施（例如水、聲音和電擊）。商船高性能雷達的偵測範圍是標準導航雷達的四倍，可以偵測到4海里以外的小物體，到2020年可以提高到10海里。將來的船上報警系統會處理雷達、聲納、攝像頭以及遠程衛星採集的實時數據。在未來10年，預計反海盜服務商會通過衛星提供海盜預警服務，這個系統可以集成到船上系統中。

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