西洋帆简单的分法,就是纵帆 和横帆。
横帆很好理解,帆用横桁挂在桅杆上,横跨船身。这样挂起来帆就是方形的,有时又叫这种帆船叫 横方帆 帆船。
西方的大帆船,所谓的tall ship,通常特指横帆的。这种帆船基本可以视为没有横风行驶能力,只能顺风行驶。不过外观看起来威武壮观是真的。
这主要是这种tall ship的桅杆拉索构造上存在多个高度的拉索位置,结果帆是断开成上下很多截。从气动力学上说,就是个破了一连串大洞的飞机机翼,没多少升力可以产生。
不但侧风难以产生足够的前进力,就是顺风也因为破了多个大洞而力量减弱。解决的办法是多弄些桅杆多装点帆,前面的帆漏气了,后面的再接着受风,所以这类帆船通常都是多桅杆的。
相对之下中国帆船的帆是上下连成一体的,不存在这个问题。但中国帆船的问题也因此产生:桅杆没得到良好的固定,不能做太高。
现代设计的一个突破是马耳他之鹰号帆船,这艘三桅帆船外观类似传统的横方帆帆船。但桅杆采用无拉索的独立桅,这样就不存在需要上下截断风帆的拉索了。所以这艘船的帆上下连续没有破口。另外也没有烦人的拉索结构来限制风帆的转向角度,所以它可以向各个方向转动风帆以适应各种风向。
另一类是纵帆船。帆在桅杆后面。这种帆船最大的优点是横风利用率很高,在单桅的时候,通常侧风行驶速度比自己的顺风行驶速度大。
顺风下没有横方帆帆船快。这个很好理解,因为帆展开后在后视图中的投影面积比横帆船小(只有一半)。
当桅杆的数量增多的时候(通常也意味着船体变细长),纵帆船的纵帆阵列只要偏离中轴较小的角度就可以获得很大的整体顺风受风面积。这样顺风航速也可以接近横帆船。
另外2桅杆以上的纵帆船可以采用蝴蝶帆的张开方式左右展开帆而不是同侧展开,这样可以获得和横帆近乎同等大的顺风受风面积。
现代帆船基本全部是纵帆船。百慕大三角帆船是其中体型较小的,力学结构和空气动力特性以及使用简便性得到了良好的统一,因此被广泛使用。
当然也有特别巨型的三角帆船,比如Mirabella V,桅杆高达90m。从空气动力学上说,桅杆数量越少,高度越高,帆船越有效率。
不过大型帆船上一般还是做成多桅杆的,这样制造成本上比较低,特别是吃水深度不会太大(这会制约大型帆船的入港和停泊的范围)。
顺风速度慢这个问题有别的办法可以解决。就是增加辅助用帆。
百慕大是三角帆船是一个杆索力学结构体系(直立的桅杆用前后左右4组拉索固定,现代逐渐把后拉索去掉改成前拉索和后方两侧的侧拉索3组拉索固定),在这个结构上,前方的拉索可以挂一个三角帆。这样在不增加桅杆的时候,获得和双桅纵帆船同样的可以左右展开风帆以增大顺风受风面积。
当然,由于这个体系中,纵帆并不能完全左右90度展开(被左右的桅杆拉索给限位了)。
不能向左右完全展开纵帆的一个解决之道是在两侧直接安装专用的横向展开的风帆。
在百慕大三角帆船上采用了一个简易的办法就是再前方拉索之前,放出个专门用来顺风航行的巨帆:球帆。
阿拉伯的那种三角斜桁帆 古代西欧也出现过,一般都用在很小的帆船上。
中国的帆虽然外观上和三角斜桁帆没啥关联的,但在内在的空气动力学上却有相通的地方。
中国的帆和西方横帆的最大差异在于它不是挂在帆的中间,而是在帆的前1/4之前处。
这样在空气动力学上,帆的侧风受力点会落到桅杆上。
这样做的主要好处是在风压下调整帆的方向比较省力。
三角帆虽然斜桁是挂在中间,但很明显,桅杆之前的那部分帆占总面积的1/4,后面占3/4,侧风下受力点依然在桅杆哪里。
另外中国帆船通常是双桅的,帆可以做蝴蝶状左右展开,而且展开的角度比西方的纵帆船要大,展开的面积也更大。在顺风条件下航行效果更好。
这种优点在于,不用搞那么多各式各样的备用帆,始终用两个巨大的帆就可以干成百慕大帆船上那样要搞多个不同的帆一样的事情。
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