JP2004314830A

JP2004314830A - 帆船

Info

Publication number: JP2004314830A
Application number: JP2003112875A
Authority: JP
Inventors: Michio Ueno; 道雄上野; Tadashi Futamura; 正二村; Toshifumi Fujiwara; 敏文藤原
Original assignee: National Maritime Research Institute
Current assignee: National Maritime Research Institute
Priority date: 2003-04-17
Filing date: 2003-04-17
Publication date: 2004-11-11
Anticipated expiration: 2023-04-17
Also published as: JP3882040B2

Abstract

【課題】風のエネルギーを推進エネルギーに高効率で変換し、帆走の推進力を最大化することのできる帆船を提供する。
【解決手段】帆船に搭載された演算制御装置２０の演算部２１には、帆のポールの頂部に取り付けられた風速計から、ポール頂部の相対風速Ｕ_{ｗｒ（ｈ１）}と相対風向ψ_{ｗｒ（ｈ１）}とが入力される。さらに、帆船に通常装備されているＧＰＳ等から、帆船の船体の対地速度Ｕ_ｓと進行方向ψ_ｓとが入力される。演算部２１は、高さ方向の相対風向・風速を算出して指令部２２へと出力し、指令部２２は、帆の角度の高さ方向最適分布を算出して帆のアクチュエータ２５へと出力する。帆船の受ける風の相対風向・風速の高さ方向の分布を取得し、その相対風速風向分布に応じて、帆の高さ方向各部の最適迎角を演算した結果に基づき帆の角度を調整することで、最大の推進力を得ることができる。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、帆の受ける風のエネルギーを推力として航行する帆船に関する。特には、風のエネルギーを推進エネルギーに高効率で変換し、帆走の推進力を最大化することのできる帆船に関する。
【０００２】
【従来の技術】
帆船は、帆の受ける風の力を推力として航行する船舶である。帆船の推進効果を充分に確保するためには、当然のことながら、風の向き・速度に応じて帆の船体首尾線に対する角度（以下、単に帆の角度ともいう）を適切に制御する必要がある。従来、帆船の帆の制御手法としては、以下（１）〜（３）に列挙するものが知られている。
【０００３】
（１）布製等からなる軟帆を乗船者が手動で調整する方法。
これは、乗船者が、風の状態と風に対する帆全体の形状の変化を見ながら、帆の風に対する角度等の調整を手動で行う方法である。この場合、乗船者は、帆の高さ方向（上下方向）に応じて変化する風向・風速を経験的に判断しつつ、軟帆を動かしている。
しかし、この方法は、帆の調整が乗船者の熟練度・個人差に左右され易く、必ずしも最適な調整を行うことができるとは限らない。さらに、布製等からなる軟帆は人手でも操作可能であるが、鋼製等からなる硬帆は人手による操作が極めて困難である。そのため、この方法を適用できる帆船の形態も限られ、汎用度が低いという難点がある。
【０００４】
（２）従来の一般的な帆（軟帆又は硬帆）を自動制御する方法。
従来の一般的な帆は、高さ方向（上下方向）の角度調整が不能であるものが多い。この種の帆を自動制御する場合は、風速あるいは帆にかかる力等のデータに基づき、帆の角度の調整が行われる。
しかし、この方法では、風速あるいは帆にかかる力等のデータに基づいて制御しているため、単に高さ方向の風の変化に対する（平均的な意味での）最適制御を行っているにすぎない。そのため、風のエネルギーを帆船の推進エネルギーに充分に変換しきれているとはいえず、改良の余地を残している。
【０００５】
（３）特開昭５９−１８４０９６号公報（特許文献１）に開示された方法。
この特許文献１には、商用大型帆船の帆の角度を高さ方向（上下方向）で変えることのできる複合帆が開示されている。
しかし、この特許文献１には、その帆の角度を、高さ方向の位置に応じてどのように調整すれば最大の推進力が得られるかについては触れられていない。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭５９−１８４０９６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであって、航行状態や絶対風速により変化する相対風向・風速の高さ方向分布を考慮して帆の角度の最適制御を行い、風のエネルギーを推進エネルギーに高効率で変換し、帆走の推進力を最大化することのできる帆船を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するため、本発明の帆船は、帆の船体首尾線に対する角度を帆の高さ方向の各部で各別に調整可能な帆と、船の受ける風の相対風向・風速の高さ方向の分布を得る風向・風速分布取得手段と、得られた相対風向・風速の高さ方向分布に応じて、帆の高さ方向の各部における最適迎角を演算する演算手段と、を具備することを特徴とする。
【０００９】
水上における対地鉛直方向風速分布は、水面付近の境界層によって摩擦抵抗が存在するので、高さ方向（上下方向）に一様とはならない。このような風速分布は、水面位置で風速がゼロであり、上方に向かって徐々に一様風速に近づくと考えられており、観測結果もこれを裏付けるものが得られている。
【００１０】
停止している船上での風の観測結果は、一般に、鉛直方向の風速分布が存在していたとしても、高さ方向の位置にかかわらず同じ風向を示す。しかしながら、航行中の船上では、一般に、高さに応じて相対風向が変化するため、３次元的にねじれた相対風向風速分布となる。これは、航行中の船上においては、高さ方向に一様な風速分布（船の航行そのものによって生ずる風速分布）と、高さ方向に変化する風速分布（一様な風速分布に対しある角度をなす風速分布）とが合成され、相対風として観測されるためである。
【００１１】
このように、進行している船上から見た風（相対風）の風向・風速は、高さ方向で異なる。本発明では、分布取得手段で船の受ける風の相対風向・風速の高さ方向の分布を取得し、その相対風速風向分布に応じて、帆の高さ方向各部の最適迎角を演算手段で演算する。そして、この演算結果に基づき帆を調整することで、最大の推進力を得ることができる。
【００１２】
本発明の帆船においては、前記風向・風速分布取得手段が、前記帆の頂部近傍の相対風向・風速を測定する風向・風速計と、前記船の対地進行方向・速度を測定する測定手段と、水上の高さ方向の絶対風速分布をシミュレーションするシミュレーション手段と、を有することができる。
この場合、風向・風速計の数が少なくても、高さ方向の相対風速分布を推定できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る帆船の模式図である。
図２は、同帆船に装備される帆の例を示す模式図である。（Ａ）は自由度５の帆を示す図であり、（Ｂ）は自由度２の帆を示す図である。
図３は、同帆船の帆の制御を行う制御装置の構成を示すブロック図である。
【００１４】
図１に示す帆船１は、図の左側が船首１Ａであり、図の右側が船尾１Ｂである。この帆船１の船体３において、水没している下部が浸水部である。船体３の浸水部の船尾１Ｂ側には、プロペラ５や操舵装置７が取り付けられている。プロペラ５は、プロペラシャフト９を介して、船体３内の図示せぬエンジンに接続されている。プロペラ５は、帆船１の補助的な推進動力を得る際に用いられる。
【００１５】
帆船１の船体３上には、この例では３本の帆１０が立ち上げられている。図２（Ａ）にわかり易く示すように、各帆１０は、船体３に固定されたポール１１を備えている。このポール１１には、横方向に延びる複数（図２（Ａ）では５本）のブーム１３ａ〜１３ｅが取り付けられている。各ブーム１３ａ〜１３ｅは、基端側（ポール１１への取り付け端部）に設けられたアクチュエータ（図３の符号２５）により、それぞれ独立に水平方向に旋回可能となっている。
【００１６】
ポール１１及び隣り合うブーム１３ａ〜１３ｅの間には、帆本体１５（１５Ａ〜１５Ｄ）が張られている。この帆本体１５には硬帆あるいは布製等からなる軟帆を用いることができる。各帆本体１５Ａ〜１５Ｄは、各ブーム１３ａ〜１３ｅの旋回に応じて、それぞれ独立に船体３の首尾線に対する角度（帆の角度）を変えることができる。ポール１１の頂部には、風速計１７が取り付けられている。
【００１７】
なお、図２（Ａ）には５本のブーム１３ａ〜１３ｅを有する５自由度の帆１０が描かれているが、図２（Ｂ）に示すように、ポール１１´の上下に２本のブーム１３ａ´、１３ｂ´を有する２自由度の帆１０´を用いることもできる。この帆１０´においては、帆本体１５´の上端側（ブーム１３ａ´側）と下端側（ブーム１３ｂ´側）で帆の角度を変えることができる。
【００１８】
帆船１の船体３には、図３に示す演算制御装置２０が搭載されている。この演算制御装置２０により、前述の各帆本体１５Ａ〜１５Ｄの角度（すなわち各ブーム１３ａ〜１３ｅの旋回量）を自動制御する。
【００１９】
図３に示すように、演算制御装置２０の演算部２１には、帆１０のポール１１の頂部に取り付けられた風速計１７（図１及び図２参照）から、ポール頂部の相対風速Ｕ_{ｗｒ（ｈ１）}と相対風向ψ_{ｗｒ（ｈ１）}とが入力される。さらに、帆船１に通常装備されているＧＰＳ等（図示されず）から、帆船１の船体３の対地速度Ｕ_ｓと進行方向ψ_ｓとが入力される。演算部２１は、高さ方向絶対風速の式（後述する「数３」）に基づき高さ方向の相対風向・風速を算出し、指令部２２へと出力する。この指令部２２は、最適迎角α_ｉの式（後述する「数９」及び「数１０」）と船首方向ψ_Ｂとに基づき、帆の角度の高さ方向最適分布を算出し、帆のアクチュエータ２５へと出力する。なお、船首方向ψ_Ｂは、帆船１に通常装備されているジャイロやコンパス等で測定できる。
【００２０】
以下、帆の角度制御の原理について述べる。
図４は、帆船１の船体３を基準点とする座標系（上方を北（Ｎ）とする）を示す図である。
図４においては、船速をＵ_ｓ、船体の船速方向をψ_ｓ、船体の船首方向をψ_Ｂ、対地風速をＵ_ｗａ、対地風向をψ_ｗａで表す。さらに、相対風速をＵ_ｗｒ、相対風向をψ_ｗｒ、帆の角度をθで表す。
【００２１】
まず、風速の鉛直分布モデルについて説明する。
風速の鉛直分布は、理論的には次の「数１」に示す対数分布で表される（例えば塩谷正雄著、『強風の性質』三訂新版、開発社刊（１９９２）参照）：
【数１】

この「数１」において、Ｕ_ｗａ０ ^＊は、高さゼロにおける摩擦風速であって、高さゼロにおけるＲｅｙｎｏｌｄｓ応力と空気の密度とから計算される。ｋはＫａｒｍａｎ定数を表し、ｌｎは自然対数を表す。ｈ_０ ^＊は、高さゼロの表面状態に応じて広範囲に変化する値を表し、滑らかな海面上では２×１０^−４〜３×１０^−４程度の値であることが知られている。
【００２２】
ところで、風速の鉛直方向分布のモデルとしては、この「数１」式のような対数表現を用いることは少なく、一般には、経験的に求められた次式「数２」のようなべき乗分布式を用いることが多い：
【数２】

この「数２」において、指数ｔは高さゼロにおける表面の状態によって変化する値である。この指数ｔの観測値としては、例えば、平らな海岸では１／８．３、開けたやや起伏のある農地では１／７、凸凹のある海岸では１／５、強風時の海上では１／７、弱風時の海上では１／１０〜１／２０といった結果（数値）が得られている。
【００２３】
本実施の形態では、強風時の海上（指数ｔ＝１／７）を想定する。この強風時の海上における対地風速Ｕ_ｗａは、一般には高さ方向に変化しており、海面位置をゼロとする鉛直高さをｈで表すとき、その対地風速分布Ｕ_{ｗａ（ｈ）}は次式「数３」で近似することができる：
【数３】

この「数３」において、ｈ_０は基準高さ（通常ｈ_０＝１０ｍ）を表し、Ｕ_ｗａ０はその基準高さｈ_０＝１０ｍでの風速を表す。
一方、対地風向の高さ方向分布ψ_ｗａ _（ｈ）は、一般には高さ方向に変化しないと考えられるから、次式「数４」で表される：
【数４】

【００２４】
前述の「数３」で述べた海上における対地風速Ｕ_ｗａをベクトル表示すると、次式「数５」となる：
【数５】

さらに、船速Ｕ_ｓをベクトル表示すると、次式「数６」となる：
【数６】

そして、対地風向・風速と船の航行に応じて船上で観測される相対風速Ｕ_ｗｒは、ベクトル表示を用いると次式「数７」で表される：
【数７】

【００２５】
相対風速Ｕ_ｗｒと相対風向ψ_ｗｒは、それぞれ以下の「数８」のように表すことができる：
【数８】

この「数８」式から明らかなように、船上における相対風速Ｕ_ｗｒと相対風向ψ_ｗｒは、高さｈの関数である。「数８」式によれば、これら相対風速Ｕ_ｗｒと相対風向ψ_ｗｒは、船速Ｕ_ｓと船速方向ψ_ｓで表される船の航行状態に依存し、高さ方向に変化することがわかる。
【００２６】
航行中の船上では、船上の観測点における相対風速Ｕ_ｗｒと相対風向ψ_ｗｒ、すなわち、「数８」式の左辺が観測される。ここで、船上における相対風向・風速の観測点の高さをｈ１とすると、航行中の船上で観測される「数８」式の左辺は、Ｕ_{ｗｒ（ｈ１）}とψ_{ｗｒ（ｈ１）}であると見なすことができる。このとき、「数８」式の右辺におけるＵ_{ｗａ（ｈ）}はＵ_{ｗａ（ｈ１）}に対応することとなる。
【００２７】
船の航行中は、船速Ｕ_ｓと船速方向ψ_ｓは既知であるから、観測値Ｕ_{ｗｒ（ｈ１）}及びψ_{ｗｒ（ｈ１）}を用いて、「数８」式中のＵ_{ｗａ（ｈ１）}とψ_ｗａを求めることができる。そして、これらＵ_{ｗａ（ｈ１）}とψ_ｗａが求まれば、前述の「数３」式を用いて、基準高さｈ_０＝１０ｍでの風速Ｕ_ｗａ０を求めることができる。この風速Ｕ_ｗａ０が求まると、「数３」式に基づいて任意の高さｈでの対地風速を推定することができる。なお、対地風向は、「数４」式によりψ_ｗａで一定と推定される。
【００２８】
本実施の形態では、図２（Ａ）又は（Ｂ）に示すような、船首方向に対して帆の角度を高さ方向に変化させることができる帆を用いている。この帆の角度を、高さｈの関数としてθ_（ｈ）で表すこととする。さらに、帆に対する相対風の迎角をα_（ｈ）で表すと、これら帆の角度θ_（ｈ）と迎角α_（ｈ）、相対風向ψ_ｗｒ、船首方向ψ_Ｂの関係は、次式「数９」で表される：
【数９】

【００２９】
帆船に装備された帆の最適迎角をα_ｉで表す。この最適迎角α_ｉは、帆の出す力（ベクトル）の船の前後方向成分が最大値となる角度として定義される。一般に、最適迎角α_ｉは、相対風向ψ_ｗｒの関数として与えられる。したがって、相対風向ψ_ｗｒが高さｈの関数である場合は、最適迎角α_ｉも高さｈの関数となる。すなわち、次の「数１０」式の関係が得られる：
【数１０】

【００３０】
前述した「数９」式の関係を用いると、この「数１０」式に示す最適迎角α_ｉ＝α_{ｉ（ψｗｒ）}を次式「数１１」で与えられる帆の角度θ_（ｈ）の値に設定することで、最適な帆の角度設定を実現することが可能となる：
【数１１】

この「数１１」式中の相対風向角ψ_ｗｒには、前述の「数８」式からわかるように、船の航行状態によって変化する相対風向・風速の鉛直方向分布が考慮されている。したがって、以上に述べた原理によれば、帆の角度設定にも相対風向・風速の鉛直方向分布が考慮された、最適な帆の角度設定が実現されていることになる。
【００３１】
なお、実際に帆の角度を高さ方向に調整する場合については、図２（Ａ）に示す５自由度の帆１０のように、高さ方向に比較的細分化して角度調整可能な場合と、図２（Ｂ）に示す２自由度の帆１０´のように、帆の上端側と下端側でのみ角度を設定する場合等、帆の形式に応じて異なる。しかし、前述の「数１０」式における最適迎角は、高さｈに関して連続に変化する値を示すから、各高さに応じた帆の角度を設定することで、帆の形式に応じた最適な制御が実現できる。
【００３２】
次に、最適迎角α_ｉの設定例について述べる。
図５は、帆の揚力、帆の抗力及び迎角を説明するための説明図である。
図６は、最適迎角の設定例を説明するための説明図である。
図５において、Ｌは帆の揚力を表し、Ｄは帆の抗力を表す。これら揚力Ｌと抗力Ｄは互いに垂直な関係にあり、揚力Ｌは風向に対して垂直な方向、抗力Ｄは風向と同一方向に働く力として定義される。帆の迎角αは、帆の前縁と後縁とを結ぶ線と風向との間の角度として定義される。
【００３３】
帆の最適迎角の一設定例として、帆の揚力Ｌと抗力Ｄを船の前後方向の力Ｘと左右方向の力Ｙに変換して表現したとき、前後方向力Ｘが最大となる角度として設定するものがある。この例は、帆の出す船の推力が最大となるように帆の角度を決定する方法である。
【００３４】
ある相対風向角の状態で出しうる帆の最大推力は、次のようにして求めることができる。すなわち、帆の揚力Ｌの無次元値を揚力係数ＣＬとし、帆の抗力Ｄの無次元値を抗力係数ＣＤとする。図６の上側には、帆の空力特性を揚力係数ＣＬ及び抗力係数ＣＤで表したとき、縦軸にＣＬをとり、横軸にＣＤをとったグラフが描かれている。このグラフに表されているように、船の向き（図６中左斜め上方向）との関係から、揚力係数ＣＬ及び抗力係数ＣＤは、推力係数ＣＸ（船の前進方向の力（すなわち船の推力）Ｘの無次元値）と、横力係数ＣＹ（船の横方向の力Ｙの無次元値）とに変換することができる。
【００３５】
このとき、推力係数ＣＸの最大点ＣＸｍａｘは、推力係数ＣＸの垂線とＣＬ−ＣＤ曲線との接点として定義される（図６の上側参照）。そして、この最大点ＣＸｍａｘに対応する迎角αが、最適迎角α_ｉとして定義される（図６の下側参照）。なお、帆の角度θは、前述の原理の「数９」〜「数１１」で述べたように、相対風向角に基づき最適迎角α_ｉが実現できる角度にとるものとする。
【００３６】
従来の一般的な帆のように、高さ方向に帆の角度調整を行うことのできない場合は、帆全体としてのＣＬ−ＣＤ特性が決まる。このＣＬ−ＣＤ特性に基づき、ある高さ（通常は風向・風速の計測点の高さ）における相対風向角を代表として採用し、最適迎角α_ｉをある一つの値に決定することができる。しかしながら、相対風向角を代表値とする場合は、高さ方向に変化する相対風速風向分布を考慮していないので、必ずしも最大の推進力を得ることができるとはいえない。
【００３７】
一方、本実施の形態で用いている帆のように、高さ方向に帆の角度調整を行うことのできる場合は、帆を水平面で切った２次元断面の特性を考慮すると、この２次元断面形状の高さ方向の変化に応じて、ＣＬ−ＣＤ特性も高さ方向に変化することとなる。そして、ＣＬ−ＣＤ特性が高さ方向に変化する場合は、これに応じた高さ方向に変化する値として最適迎角α_ｉを求める。この際には、高さ方向に変化する最適迎角α_ｉの値を実現するように、帆の角度θを調整を行う。本実施の形態では、前述の原理に基づき、図３に示す演算制御装置２０により、船の受ける風の相対風向・風速分布に応じて、帆の高さ方向各部の最適迎角を決定して制御できるので、最大の推進力を得ることができる。
【００３８】
なお、以上述べた最適迎角α_ｉの設定例は、推力係数ＣＸの最大値ＣＸｍａｘに基づいたものであるが、横力係数ＣＹ及び船の横流れ特性を考慮して最適迎角を設定することも考えられる。
さらに、前述の設定例では、本実施の形態で用いた高さ方向に帆の角度調整を行うことのできる帆について、帆を水平面で切った２次元断面の特性のみを考慮しているが、帆の３次元特性を考慮した最適迎角の設定も原理的に可能と考えられる。
【００３９】
このように、本発明に係る帆の角度制御は、相対風向・風速の鉛直方向分布を考慮した最適制御となっている。これは、いわば従来の２次元的制御を３次元的制御に高度化したものといえる。このような帆の角度制御によれば、従来の方法より高効率で、風のエネルギーを船の推進エネルギーに変換することが可能となる。
【００４０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、航行状態や絶対風速により変化する相対風向・風速の高さ方向分布を考慮して帆の角度の最適制御を行い、風のエネルギーを推進エネルギーに高効率で変換し、推進効果を向上することのできる帆船を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る帆船の模式図である。
【図２】同帆船に装備される帆の例を示す模式図である。（Ａ）は自由度５の帆を示す図であり、（Ｂ）は自由度２の帆を示す図である。
【図３】同帆船の帆の制御を行う制御装置の構成を示すブロック図である。
【図４】帆船の船体を基準点とする座標系（上方を北（Ｎ）とする）を示す図である。
【図５】帆の揚力、帆の抗力及び迎角を説明するための説明図である。
【図６】最適迎角の設定例を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１帆船
１Ａ船首１Ｂ船尾
３船体５プロペラ
７操舵装置９プロペラシャフト
１０、１０´ 帆１１、１１´ ポール
１３ａ〜１３ｅ、１３ａ´、１３ｂ´ ブーム
１５（１５Ａ〜１５Ｄ）、１５´ 帆本体１７風速計
２０演算制御装置２１演算部
２２指令部２５アクチュエータ

Claims

帆の船体首尾線に対する角度を帆の高さ方向の各部で各別に調整可能な帆と、
船の受ける風の相対風向・風速の高さ方向の分布を得る風向・風速分布取得手段と、
得られた相対風向・風速の高さ方向分布に応じて、帆の高さ方向の各部における最適迎角を演算する演算手段と、
を具備することを特徴とする帆船。
前記風向・風速分布取得手段が、
前記帆の頂部近傍の相対風向・風速を測定する風向・風速計と、
前記船の対地進行方向・速度を測定する測定手段と、
水上の高さ方向の絶対風速分布をシミュレーションするシミュレーション手段と、
を有することを特徴とする請求項１記載の帆船。