JP2009541137A - 船首部に制御表面部を備えた船 - Google Patents

Abstract

本発明は、先鋭な船首部４を有する長くかつ細い単一の船体を備えている、荒れた海で使用し及び／又は高速で使用するように構成された船に関するものである。船体の船尾部１１は、１つ又は複数のプロペラ９及び／又は水噴射装置を有する推進手段と、少なくとも１つの後部舵１０とを備えている平坦又はややＶ字形の船底部７を有している。船１の前側部分３は、船尾部１１の喫水と同一であるか又は大きい喫水を有している。本発明によれば、船首部４は、前方に航行している船１に沿った水の流れＦを、船１の調整可能な横方向の力Ｂに変換する制御面５、１６、２０を備えている。

Description

本発明は、本願の請求項１の前置き部（preamble）に記載されている種類の船に関するものである。

このような構造を備えた大半の船（例えば、特許文献１参照）は、斜め後方から吹く比較的強い風とこの風に追随する波の中で航行するときには、「ブローチング（broaching）」の発生により、危険な状態となることがある。ブローチングは、船の異常な挙動であり、船首揺れ運動（yaw motion）、左右揺れ運動（sway motion）及び横揺れ運動（roll motion）が競合して生じる現象である。上記のような波の状態のでは、船にこのようなブローチング現象が発生する可能性があるが、ブローチングが発生すると、横揺れの傾斜角（roll angle）が極めて大きくなるおそれがあり、はなはだしい場合は船が「転覆（capsize）」することもある。

ブローチングとは、およそ下記のような現象である。すなわち、斜め後方から風が吹くとともに波が到来する状態においては、到来する波により船尾部が非対称的に持ち上げられ、船は横方向に（縦方向にも）傾斜し始める。なお、ブローチングは、船の長さに近い波長の波の中ではとくに発生しやすい。これと同時に、船は、その船首部を、（次に到来する）波の傾斜前面（face）に載せる。このようにして生じた横方向の傾斜角に起因する船体の非対称な姿勢により、水の中に深く入っている船尾部の方向安定性が悪くなり、船は船首揺れ（yaw）を開始する。この船首揺れは、前向きの船の速度と相まって、船の横方向の傾斜角を増加させることになり、その回転は船体の非対称性を悪化させるとともに、船の進路の不安定性をさらに大きくする。これは、船の横方向の傾斜角をさらに大きくすることになり、主として船の波に対向する舷側部を危険な状態に陥らせることになる。

Ｊ．Ａ．コイニング（Keuning）、Ｓ．トクソポイス（Toxopeus）、Ｊ．ピンクスター（Pinkster）「高速単一船体の耐航性能に対する船首部の形状の効果（The effect of bow-shape on the seakeeping performance of a fast monohull）」、２００１年９月発行に発行されたＦＡＳＴ２００１会議の議事録、第１９７〜２０６頁、ＩＳＢＮ０９０３０５５７０８、王立造船学会（Royal Institute of Naval Architects）発行。

高速船の場合、このようなブローチング現象は、普通の船の場合に比べてより頻繁に発生し、かつより深刻な結果を生じさせることになる。なぜなら、高速船は、一般に小型であり、したがって船の大きさに対して相対的に大きな波の中を航行することになるからである。また、前方への高速航行時には、船が旋回しているときの遠心力と、船と波とが頻繁にぶつかることとにより、横方向の傾斜が惹起され、その影響により船の状態が悪化する。とくに、長く高い波は、低周波数であり、船に対する影響ないしは衝撃（impact）が大きくなる。

船は、通常、操舵手（helmsman）の操舵により又は自動操舵（autopilot）により、進行方向が制御される。一般に、このように行われる制御は、船を予め設定された進路に維持することを目標ないしは目的としている。経験と、実物ないしは原寸模型での測定と、縮尺模型での測定とによれば、波の中で行われるこのような進行方向の制御は、船に加えられる操舵力とこれにより惹起される横方向に傾斜する方向のモーメントとの間の好ましくない位相（phase）により、船のブローチング挙動を悪化させる、ということが分かっている。

本発明は、上記従来の欠点を克服するために、請求項１に記載された船を提供する。この船においては、船の進行方向の制御において追加的な制御表面部（control surface）ないしは制御表面部材を用いることにより、ブローチングに対する抵抗性を大きくすることができ、この制御表面部によって生成される力を、横揺れ運動（roll motion）及び左右揺れ運動（sway motion）を制御するために有効に用いることができる。この制御表面部を、できる限り船の前側の位置に設けることにより、船の船首揺れ及び横方向の傾きの両方を有効に制御することができる。かくして、下記のとおりの利点ないしは効果を奏する。すなわち、船が右舷後方からの風及び波の中で航行する状況下においては、船が横方向にみて左舷側に傾いた後、船の後側部分（stern）が波によって持ち上げられる。船体の水面下に存在する部分の非対称的な形状ないしは姿勢は、船を右舷側に回転させようとする船首揺れモーメント（ヨー・モーメント）を生じさせる。そして、船首部の近傍において制御表面部に修正動作が加えられ、進路変化を修正する。ここで、必要とされる力は、左舷側に向く横方向の力である。この力は、右舷側に向く横揺れ運動（ローリング運動）となり、横方向の傾斜角を減少させる。

本発明の１つの実施態様によれば、請求項２に係る船が提供される。このような構造の船は、本発明を応用するのにとくに適している。この種の船は、前記の特許文献１に開示されている。特許文献１においては、この種の船は、ＡＸＥ ＢＯＷ構造（AXE BOW design）であると説明されている。前側に向かって大きくなる喫水（draught）及び前側に向かって大きくなる乾舷（freeboard）は、船が荒れた海を航行するのに適切なものである一方、荒れた海（heavy sea）において制御表面部が海面下の十分に深い位置に位置することを確実化する。

本発明のさらなる実施態様によれば、請求項３に係る船が提供される。この船においては、本発明に係る制御表面部を設けるために、船首部はとくに好ましく、ほぼ直立している（more or less vertical）。

本発明のさらなる実施態様によれば、請求項４に係る船が提供される。このようにフィレット半径を設定することにより、船の長さを短くすることができ、これにより波の中における船の挙動に不都合な影響を及ぼすことなく、船の水と接する表面を小さくして流動抵抗を低減することができる。

本発明のさらなる実施態様によれば、請求項５に係る船が提供される。この船においては、波によって加わる付加的な抵抗が減少するので、荒れた海における船の挙動を改善することができる。

本発明のさらなる実施態様によれば、請求項６に係る船が提供される。この船においては、操舵性（steering capability）及び制御性（control capability）を有効に高めつつ、船の構成を簡素化することができる。

本発明のさらなる実施態様によれば、請求項７に係る船が提供される。この船においては、船体に沿う水の流れを良好にする構造を容易に実現することができ、駆動されていないときにおける制御表面部の流動抵抗（drag）を最小にすることができる。

本発明のさらなる実施態様によれば、請求項８に係る船が提供される。この実施態様によれば、高速航行時において、良好な制御能力と高効率とを両立させることができる。

本発明のさらなる実施態様によれば、請求項９に係る船が提供される。この船においては、船の横方向の傾き（heeling）とブローチングとをともに容易に低減することができる。

本発明のさらなる実施態様によれば、請求項１０に係る船が提供される。この船においては、手動操作で、制御表面部の使用状態ないしは仕様態様を、船の周囲の状況及び波の状態の変化に適応させることができる。

本発明のさらなる実施態様によれば、請求項１１に係る船が提供される。この船においては、自動操作で、制御表面部の使用状態ないしは仕様態様を、船の周囲の状況及び波の状態の変化に適応させることができる。

本発明のさらなる実施態様によれば、請求項１２に係る船が提供される。この船においては、船の挙動を改善させることができるときにのみ、制御表面部を駆動することができる。

本発明の第１の実施形態に係る船の斜視図である。 本発明に係る船の船体の構造図面であり、船の種々の断面を示している。 本発明に係る船の船体の構造図面であり、船の側部を示している。 本発明に係る船の船体の構造図面であり、船の底部を示している。 図１に示す船の背面図であり、波の中における力を模式的に示している。 図１に示す船の上面図であり、波の中における力を模式的に示している。 第１の実施形態に係る制御表面を備えた、図１に示す船の船首部の斜視図である。 第１の実施形態に係る制御表面を備えた、図１に示す船の船首部の正面図である。 図５ａに示す船首部Ｖｃ―Ｖｃ線断面図である。 第２の実施形態に係る制御表面の斜視図である。 図６ａに示す制御表面のＶＩｂ−ＶＩｂ断面図である。 第３の実施形態に係る制御表面の斜視図である。 図７ａに示す制御表面のＶＩＩｂ−ＶＩＩｂ断面図である。

以下、添付の図面を参照しつつ、いくつかの典型的な実施形態により、本発明をより詳しく説明する。

図１は、図２ａ〜２ｃに示す構造図面（body plan）ないしは正面線図により建造された船１を示している。船１は、高速船として建造され、長くかつ細い単一の船体（hull）ないしは船殻を有している。ここで、船体の長さは、梁（beam）の長さの少なくとも５倍であり、長い船では梁の長さの７ないし８倍である。比較的短い船の場合は、船体に推進手段を設けなければならないので、梁は比較的大きくなる。幅の広い梁は、十分な安定性を維持することを確実にする。船１は、その船尾部１１に、１つ又は複数のプロペラ９（propeller）と、１つ又は複数の後部舵１０（aft rudder）とを有している。船１を低速で操縦するために、船首部４（bow）の近傍において前側部分３（foreship）にバウスラスター６（bow thruster）が設けられている。甲板には、従来の船と同様に、例えばホイールハウス２（wheel house）ないしは操舵室が配置されている。船首部４には、後で説明する機能を有する船首舵５（bow rudder）が設けられている。

図２ａ〜２ｃに示すように、船１の船体は、特別な設計構造（design）を有している。具体的には、この設計構造においては、左右の舷側部８を備えた船体の水面下の体積の瞬間的な変化を最小にすることにより、とくに船の前側部分３におけるフルードクリロフ力（Froude Kriloff force）の低減を実現することができ、また波又は船１の運動に起因する、水位に対する相対的な移動ないしは運動を大きくすることができる。

したがって、ほぼ直立した舷側部８を用いる設計構造がとくに好ましい。構造設計におけるさらなる手法（measure）は、とくに船の前側部分３における部分（section）の水線梁（waterline beam）の変化を小さくする一方、前記のように相対的な移動ないしは運動を大きくすることである。これは、船首部４のフレア部が最小となり、船首部４はほぼ直立した輪郭線又は船首を有し、又は前方もしくは後方に５度未満の角度で傾斜して伸びるということを意味する。このような設計構造とすることにより、上記部分における付加質量（added mass）の変化が最小となり、船の前側部分３における流体力学的な揚力又は持ち上げ（hydrodynamic lift）の変化も最小となる。船の前側部分３において船首部４に向かって甲板線をより高く（大きく）するとともに、乾舷を大きくすることにより、十分な予備浮力（reserve buoyancy）の確保を確実化することができる。

船の前側部分３におけるシアー（shear）の増加量は、船のサイズ及び速度並びに関連する波候（wave climate）に応じて決定される。船の前側部分３に向かって下降傾斜している船１の中心線（center line）は、船１の前側部分３が一旦水面から離れて再び水中に入る、すなわちジャンプするのを防止する一方、船１の水に対する相対的な移動ないしは運動を大きくする。船底部７における負の傾斜量（amount of negative slope）は、船１のサイズ及び速度並びに関連する波候（wave climate）に応じて決定される。船首部４から船尾部１１までの部分の船底勾配角は、励振力（exciting force）を最小にするとともに、最小の抵抗でもって十分な流体力学的揚力を維持するよう注意深く決定される。

船体の形態を総括的に説明すれば、以下のとおりである。すなわち、船体は長くかつ細い形状であり、船首部４の部分（section）にはフレア部は存在せず、船首部４では舷側部８がほぼ直立している。船首部４の近傍において、２つの舷側部８は、水平面（平面図）でみれば、互いに４０度より小さい角度αをなしている。船の中心線に対して前向きに下降傾斜する増加するシアー（increased sheer）が存在し、水線の入口部ないしは前部は湾曲している。水と接する表面を低減するために、船首部４は、少なくとも０．１ｍの半径Ｒで湾曲している。船１の梁ないしはビームの形態に応じて、上記半径は、梁の少なくとも１％であるのが好ましい。この半径Ｒのさらなる利点は、船１の舷側部８に沿う渦流（vortex shedding）を、前記したように回避することができることである。この設計構造では、この渦流は、船首部４が普通の高速船として先鋭すぎる場合は、ヨー角が小さい状態で発生する。この渦流は、船１の進路の不安定性を生じさせるので回避しなければならない。湾曲した船首部４が、あまりにも多いよどみ点抵抗を生成し、及び／又は、あまりにも多いしぶきを生成するのを防止するために、半径Ｒは梁の４％未満に設定されている。

図３及び図４は、船１の斜め後方から船尾部１１に近づいてくる波Ｗ中における船１の挙動を示している。船１が基準位置（level）にあるときには、水位ｓ（water level）は通常の状態（normal situation）である。波Ｗが、左舷の斜め後方から船尾部１１に到来するときには、これらの波によって水位はｓ’となる。これらの波Ｗは、船尾部１１の左舷側の舷側部８にあたり、船１の中心軸Ｉを、参照番号１２で示すような進路に合致する方向から、進路から外れた方向に変化させる。このため、船の中心軸は、Ｉ’で示す向きとなり、船１は参照番号１３で示す状態となる。

船１が所定の進路から外れたときには、後部舵１０を用いて船１の状態を進路に合致するように戻すことができる。そして、後部舵１０は、図３及び図４に示すように所定の適切な位置に配置ないしは位置決めされ、後部舵１０に力Ａが作用し、あるいは生成される）。この力は、波Ｗの力とともに、角度調節トルク（tilting torque）を生成する。要するに、後部舵１０に起因する力は、舷側部８への波の力を強化する。船１が進路に合致する状態になれば、船首舵５を用いて船首舵５に力Ｂが作用し、あるいは生成される。この力Ｂは、波Ｗによって生成される力と同一方向の力であり、波Ｗの角度調節トルクとは反対方向の力である。要するに、船１の向きないしは姿勢を進路に合致させるために用いられる船首舵５に起因する力Ｂは、波Ｗに起因する船の傾き（tilting）を低減する。この有益又は有利な結果は、斜め後方から船に到来する波Ｗのみに関するものであり、船首舵５を用いて前部（図示せず）から到来する波Ｗに関しては、船の傾きを増加させる結果となる。

船首舵５は、波が斜め後方から船に到来するときにおいて、舷側部に到来する波Ｗが前記のように進路の変化を生じさせる結果となるときにのみ用いられる。前記のように、船１が前側部分３に最大喫水をもつように設計・建造されている場合は、船１は、舷側部（sideways）又は周囲のやや前方の部位（a few compass point forward）に到来する波Ｗは、同様の挙動を生じさせる結果となり、船首舵５の使用が有効ないしは有利となる。

船１には、後部舵１０による操舵から、船首舵５又は両方の舵５、１０による操舵に切り替えるための切替手段が設けられている。この操舵の切り替えは、自動操舵システムを用いて操舵を行っているときに、自動操舵システムに波Ｗが到来する方向を手動操作で指令することにより行うことができる。この操舵システムは、この指令ないしは情報を考慮して操舵制御を行う。自動操舵システムはまた、波Ｗが到来する方向を計算するためのアルゴリズムも備えている。自動操舵システムには、例えばジャイロスコープないしは姿勢制御装置を用いて船１の運動ないしは移動の状態を決定するためのセンサが設けられている。

図５ａ、図５ｂ及び図５ｃは、船１の前側部分３に取り付けられた船首舵５をより詳しく示している。船首舵５は、船首部４の最も低い部分に位置し、ほぼ直立した回転軸１４を有している。船首舵５の形状は、下記のように設定されている。すなわち、船首舵５がその中央位置（middle position）にあるときには、船首舵５の輪郭は、図２ａ〜２ｃに示されているような船体の形状に一致ないしは整合する。この場合、水の流れＦは、船首舵５によって影響されない。船首舵５の一部は回転軸１４より前側に位置する。このため、船首舵５を回転させるためのトルクは、従来使用されている舵の場合と同様に、部分的に釣り合いないしはバランスがとれる。船首舵５は、従来の既知の舵と同様の手法で回転させることができる。

図６ａ及び図６ｂは、本発明の第２の実施形態に係る船１の船首部４を示している。この船１では、船首部４に配置された普通の仕様の舵とは異なり、船１を操舵するための横方向の力Ｂは、側部フラップに沿う流れＦによって生成される。船首４の各舷側部には、それぞれ側部フラップ１６（side flap）が設けられ、これらの側部フラップ１６はほぼ直立した軸１７のまわりに回転する。ここで、軸１７は、支持部１５（support）によって、船首部４の最も低い部分ないしは部位で支持されている。側部フラップ１６は、駆動されていないときには、船１の前側部分３の輪郭に一致ないしは整合し、支柱１８（brace）に接触するように（against）配置されている。この船１には、調整可能な横方向の力Ｂを生成することができるように側部フラップ１６を移動ないしは変位させるための移動機構１９（mechanism）が設けられている。この移動機構１９は、それぞれ前側部分３及び側部フラップ１６に接続された、互いにヒンジ連結された２つのレバー（lever）により形成することができる。ヒンジ連結されたこれらのレバーは、液圧シリンダないしは水圧シリンダ又は油圧シリンダ（図示せず）により垂直方向（vertical direction）に移動させることができる。この液圧シリンダは、水位ないしは水面の上方に配置される。また、液圧シリンダは、一方又は他方のいずれかの側部フラップ１６を、横方向の力Ｂを生成するために前側部分３の輪郭ないしは外殻の外側へ移動させるような態様で制御される。

図７ａ及び図７ｂは、本発明の第３の実施形態に係る船１の船首部４を示している。この船１では、船首部４の水面下の部分（submerged part）に、ほぼ直立した回転軸２１のまわりに回転することができるロータ２０が設けられている。ロータ２０を駆動するために、変速機２２（transmission）を介してロータ２０を駆動する駆動装置２３が設けられている。駆動装置２３は、電気駆動式又は液圧駆動式のものであって、水位ないしは水面の上方に配置されている。ロータ２０は、回転時には、いわゆるマグナスロータ（Magnus motor）として機能し、船首部４の各舷側部に非対称な圧力場（asymmetric pressure field）を生成する。その結果、横方向の力Ｂが生成される。ロータ２０の回転速度を変えることにより、横方向の力Ｂの大きさを調整することができる。

１ 船、２ ホイールハウス（操舵室）、３ 前側部分、４ 船首部（バウ）、５ 船首舵、６ バウスラスター、８ 舷側部、９ プロペラ、１０ 後部舵、１１ 船尾部、１４ 回転軸、１５ 支持部、１６ 舷側フラップ、１７ 直立軸、２０ ロータ、２１ 回転軸、２２ 変速機、２３ 駆動装置。

Claims (12)

1. 船首部（４）を有する長くかつ細い単一の船体を備えている、荒れた海で使用し及び／又は高速で使用するように構成された船であって、
   上記船体の船尾部（１１）が、１つ又は複数のプロペラ（９）及び／又は水噴射装置を有する推進手段と、少なくとも１つの後部舵（１０）とを備えている平坦又はややＶ字形の船底部（７）を有していて、
   該船（１）の前側部分（３）が、上記船尾部（１１）の喫水と同一であるか又は大きい喫水を有していて、
   上記船首部（４）が、前方に航行している該船（１）に沿う水の流れ（Ｆ）を、該船（１）の調整可能な横方向の力（Ｂ）に変換する制御表面部（５、１６、２０）を備えていることを特徴とする船。
2. 上記船体の前半部が、ほぼ直立した舷側部と、上記船首部に形成された最小のフレア部と、上記船体の中心線の位置において上記船首部に向かって増加する喫水と、上記喫水の増加とほぼ同様に増加する乾舷とを備えていることを特徴とする、請求項１に記載の船。
3. 上記船首部が、ほぼ直立した船首先端部を備えていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の船。
4. 上記船首部（４）の近傍における左右の舷側部（８）が、水平断面でみて、少なくとも１％ｍのフィレット半径（Ｒ）を有するとともに、先鋭な角度（α）を形成していることを特徴とする、請求項１、２又は３に記載の船。
5. 上記船首部（４）の近傍における上記左右の舷側部（８）の先鋭な角度（α）が４０度未満であることを特徴とする、請求項４に記載の船。
6. 上記制御面が、船首舵（５）を備えていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つに記載の船。
7. 上記制御面が、上記船首部（４）の各舷側部に配置された調整可能なフラップ（１６）を備えていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１つに記載の船。
8. 上記制御面が、直立して取り付けられたロータ（２０）を備えていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１つに記載の船。
9. 上記制御表面部（５、１６、２０）が、該船の進路、速度及び／又は横傾斜角を検出するセンサを備えた上記横方向の力（Ｂ）を制御する制御システムに接続されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１つに記載の船。
10. 上記制御システムが、該船の進路に対して到来する波（Ｗ）の振幅及び／又は角度を設定する設定手段に接続されていることを特徴とする、請求項９に記載の船。
11. 上記制御システムが、該船の進路に対して到来する波（Ｗ）の振幅及び／又は角度を計算するアルゴリズムを備えていることを特徴とする、請求項９に記載の船。
12. 上記制御システムが、到来する波が該船の斜め後方からの風による場合にのみ、上記制御表面部（５、１６、２０）を駆動するように構成されていることを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の船。

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