JP2010047094A - 水中航行体とその潜航・水平航行方法 - Google Patents

Abstract

【課題】迅速かつエネルギ消費少なく潜航・水平航行が可能であり、しかも、投下ペイロードのためのエネルギ消費が少ない水中航行体とその潜航・水平航行方法を提供する。
【解決手段】水平航行時に進行方向に向けられる先端部２ａが流線型に形成された水中航行体本体２と、後端部３ｂが水中航行体本体２の先端部２ａに嵌合し自身の先端部３ａが流線型に形成されたバラスト３と、水中航行体本体２の先端部２ａにバラスト３を着脱自在に保持するバラスト保持手段とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、迅速かつエネルギ消費少なく潜航・水平航行が可能であり、しかも、投下ペイロードのためのエネルギ消費が少ない水中航行体とその潜航・水平航行方法に関する。

海底における資源探査や地形調査、海底敷設物の検査、海底作業現場の監視などの用途に、水中航行体が使用される。水中航行体は、水中を自律航行可能な移動体である。この水中航行体に音響機器や光学機器などの監視装置を搭載して所望の海底領域を航行させる。

水中航行体を水上の母船から発進させて目的の海底領域に到達させるために、水中航行体にはバラストが保持される。

従来は、特許文献１のように、水中航行体の本体の下部に船首尾方向に潜航用、浮上用、調整用のバラストが並べて保持される。潜航用バラストは水中航行体にダウントリムを付与する。これにより、水中航行体が前傾姿勢の状態で所定のグライディング角度で潜航する。所望の水深において、潜航用バラストを解放すると、水中航行体の浮力が中性となる。その後、浮上用と調整用のバラストを解放すると水中航行体にアップトリムが付与され、水中航行体が所定のグライディング角度で浮上する。一般に、水中航行体は先端が流線型になっていて前方に進むのが有利に設計されている。よって、特許文献１のような潜航・水平航行方法は合理的といえる。

また、水中航行体の他の用途として、水上から海底への物品の運搬がある。運搬される物品を投下ペイロードと呼ぶ。投下ペイロードを保持した水中航行体が、目的の海底領域で投下ペイロードを解放することにより、投下ペイロードが投下されて目的の海底領域に届けられる。

特開２００３−２９１８８８号公報

近年、水中航行体が送り込まれる海底領域の深さが深くなっており、例えば、水深２０００ｍ以深の海底も目的の海底領域となる。

しかし、前述のような数十度程度の所定グライディング角度で潜航する水中航行体にあっては、水上からこのような深深度まで水中航行体が潜航するには、時間を要する。このため、探査、監視などの作業を迅速に開始させることができない。

また、水中航行体が前述のような所定グライディング角度で潜航する間、航行のためにエネルギが消費される。時間を要するほど多くのエネルギが消費される。しかし、エネルギ源は水中航行体内の限られたスペースに設けられるので、エネルギ消費は抑えることが望まれる。

一方、水中航行体が水中で重量の重い投下ペイロードを解放すると、水中航行体に浮力が加わる。投下ペイロードを保持した状態で水中航行体が中性浮量であるとすると、投下ペイロードを解放した後には、水中航行体が水より軽くなるので、水中航行体が一定深度に居続ける（水平航行を維持する）ためにはエネルギ消費が必要となる。逆に、投下ペイロードを解放した状態で水中航行体が中性浮量とすると、投下ペイロードを保持している間は、水中航行体が水より重くなるので、水中航行体が一定深度に居続けるためにはエネルギ消費が必要となる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、迅速かつエネルギ消費少なく潜航が可能であり、しかも、投下ペイロードのためのエネルギ消費が少ない水中航行体とその潜航・水平航行方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の水中航行体は、水平航行時に進行方向に向けられる先端部が流線型に形成された水中航行体本体と、後端部が上記水中航行体本体の先端部に嵌合し自身の先端部が流線型に形成されたバラストと、上記水中航行体本体の先端部に上記バラストを着脱自在に保持するバラスト保持手段とを備えたものである。

所定の水中重量を有する投下ペイロードと、その水中重量に均衡する浮量を有する浮力材と、これら投下ペイロードと浮力材を一括に着脱自在に保持するペイロード保持手段とを備えてもよい。

また、本発明の水中航行体の潜航・水平航行方法は、水平航行時に進行方向に向けられる先端部が流線型に形成された水中航行体本体を潜航させる際に、上記水中航行体本体の先端部に潜航用バラストを保持させることにより、上記水中航行体本体の先端部を垂直下方に向けさせて上記水中航行体を潜航させ、その後、上記潜航用バラストを離脱させることにより、上記水中航行体を中性浮量とし、中性浮量となった上記水中航行体を水平航行させるものである。

所定の水中重量を有する投下ペイロードとその水中重量に均衡する浮量を有する浮力材とを一括に上記水中航行体に保持させ、上記水平航行時に上記投下ペイロードと上記浮力材を離脱させてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）迅速に潜航が可能である。

（２）エネルギ消費少なく潜航が可能である。

（３）投下ペイロードのためのエネルギ消費が少ない。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１〜図３に示されるように、本発明に係る水中航行体１は、水平航行時に進行方向に向けられる先端部２ａが流線型に形成された水中航行体本体２と、後端部３ｂが水中航行体本体２の先端部２ａに嵌合し自身の先端部３ａが流線型に形成されたバラスト３と、水中航行体本体２の先端部２ａにバラスト３を着脱自在に保持するバラスト保持手段（図示せず）とを備えたものである。

水中航行体１は、プロペラ、舵、翼、図示しない推進アクチュエータ、操舵アクチュエータ、エネルギ源、制御回路（コンピュータ）を備え、三次元測位装置、速度計（加速度計）、姿勢計測装置、水深計などの測定器を備える。水中航行体１は、これらの測定結果に応じて制御回路が推進力と舵角を制御することにより、水中において所望の深度で所望の航路を所望の速度で航行できる、いわゆる自律航行可能な水中航行体１である。水中航行体１の自律航行に必要なこれらの部材は公知技術であるので、詳しい説明は省く。

潜航用バラスト３は、水より重ければどの重さでもよいが、実用上問題のない範囲で比重の大きな材料で製作し水中重量が重いほうが好ましい。潜航用バラスト３は、自身の後端部３ｂが航行体本体２の先端部２ａに嵌合するよう、流線型とは相補的な形状に窪ませてある。潜航用バラスト３の先端部３ａは流線型に形成されている。

バラスト保持手段は、例えば、電磁石で構成し、潜航用バラスト３には、磁気で吸着保持可能な金属を備える。

本実施形態にあっては、水中航行体１は、所定の水中重量を有する投下ペイロード６と、その水中重量に均衡する浮量を有する浮力材７と、これら投下ペイロード６と浮力材７を一括に着脱自在に保持するペイロード保持手段（図示せず）とを備えている。ペイロード保持手段は、例えば、電磁石で構成し、投下ペイロードと浮力材の両方には、磁気で吸着保持可能な金属を備える。

水平航行時に投下ペイロード６を水中航行体本体２の下部に固定し、切り離す場合には、浮力材７を投下ペイロード６の下部に配置し、投下ペイロード６は浮力材７に嵌合するようにし、浮力材７の磁石吸着部を電磁石で固定することで、投下ペイロード６を水中航行体本体２に固定するようにするとともに、投下ペイロード６と浮力材７を組み合わせた水中重量が中性浮量より若干だけ重いようにすれば、水平航行時に、浮力材７を解放することで、投下ペイロード６と浮力材７は同時に解放され、水中航行体本体２から下方に離れていくとともに、投下ペイロード６と浮力材７は重心と浮力の関係からひっくり返り、浮力材７は投下ペイロード６から分離し、浮力材７は上方へ移動し、投下ペイロード６は下方へ移動していくような工夫を適宜行うことができる。

水中航行体１の制御回路には、バラスト保持手段が潜航用バラスト３を解放する時期、ペイロード保持手段が投下ペイロード６と浮力材７を解放する時期を判断する機能がある。なお、水中航行体１において、所望の測位位置にて、あるいは所望の時刻に、あるいは母船からの音響信号による指令に応じて、適宜な時期を判断する手段は公知技術であるので、詳しい説明は省く。

以下、図４を参照しつつ、本発明の水中航行体１を潜航、水平航行させる動作を説明する。図４は、水中航行体１の状態の変遷を説明する図であり、状態Ａは図１に、状態Ｂは図２に、状態Ｃは図３にそれぞれ相当する。

まず、状態Ａのように、水中航行体本体２に潜航用バラスト３を保持させる。また、投下ペイロード６と浮力材７とを一括に水中航行体１に保持させる。この状態Ａで、母船などの水上設備から水中航行体１を水中に進行させる。このとき、水中航行体１の最先端に保持されている潜航用バラスト３の水中重量が他の部材に比べて非常に重いため、水中航行体１は、水中航行体本体２の先端部２ａが垂直下方に向き、その姿勢のまま潜航する。水中航行体１は、主として潜航用バラスト３の重力で潜航するので、推進や操舵のエネルギはほとんど消費されない。潜航用バラスト３の水中重量を重くすれば、潜航速度を速くすることができる。また、潜航用バラスト３の先端部３ａを流線型としたことにより、水の抵抗を受けにくくなり、水中航行体１の潜航速度を速くすることができる。水中航行体１は、最短距離である直線航路を高速に移動することになる。水中航行体１は、従来のように数十度程度のグライディング角度で潜航するのに比べて、短時間で深深度までの潜航ができる。

次に、状態Ｂのように、水中航行体１が目的の海底領域かそれに近い深度まで到達したら、水中航行体１は制御回路の判断により、潜航用バラスト３を解放する。水中航行体１は、潜航用バラスト３が離脱したことにより、中性浮量となる。しかも、水中航行体１全体の重心Ｇの直上（注；水中航行体１の船首尾軸を水平としたときにおける上。図３参照）に水中航行体１全体の浮心Ｆが位置する。この重心Ｇと浮心Ｆの関係のため回転モーメントが発生し、水中航行体１は、状態Ｂから自然に状態Ｃのように水中航行体１の船首尾軸が水平となる。

状態Ｃでは、水中航行体１が中性浮量であって、かつ、船首尾軸が水平となるようバランスしているので、水平航行を維持するべく姿勢を修正したりするためのエネルギ消費は少なく水平航行することができる。

その後、状態Ｄのように、水平航行時に、制御回路の判断により、投下ペイロード６と浮力材７を解放する。投下ペイロード６と浮力材７は組み合わせた状態でほぼ中性浮量となっているので、投下ペイロード６と浮力材７が離脱しても、水中航行体１はほぼ中性浮量であり続ける。また、浮心Ｆと重心Ｇの位置関係も維持されるため、船首尾軸が水平でバランスする。このため、投下ペイロード６と浮力材７を解放した後も、水中航行体１はエネルギ消費少なく水平航行することができる。

一方、水中航行体１から離脱した投下ペイロード６と浮力材７は水中で互いに分離し、投下ペイロード６は沈下し、浮力材７は浮上する。なお、投下ペイロード６と浮力材７が分離しないように一体化しておいた場合は、ほぼ中性浮量となっているので、投下ペイロード６と浮力材７はゆっくりと沈降もしくは浮上する。

以上説明したように、本発明の水中航行体１は、水中航行体本体２の先端部２ａにバラスト３を着脱自在に保持するようにしたので、潜航時には垂直下方に向けて水中航行体１を潜航させることができ、最短時間で目的の海底領域まで水中航行体１が到達することができる。この効果は、深深度まで潜航するときに特に有効である。

本発明の水中航行体１にあっては、水中航行体本体２の先端部２ａは従来より流線型に形成されているので、バラスト３の先端部３ａが流線型に形成されたことにより、この先端部３ａを垂直下方に向けて潜航することは潜航速度を速くするのに有利である。

本発明の水中航行体１は、水中航行体１が内部のエネルギ源に蓄積しているエネルギを用いずに、バラスト３の重量によって目的の海底領域まで潜航する。このため、潜航のためのエネルギ消費はなくなり、短時間で深深度まで到達するので、その間に計算機やセンサで消費される電力を節約することができる。

本発明の水中航行体１は、投下ペイロード６と浮力材７と組み合わせて中性浮量としているので、投下ペイロード６と浮力材７を解放する以前も解放した後も、水中航行体１は中性浮量を維持することになる。このため、水中航行体１は、水平に一定深度にあることを維持するための余計なエネルギ消費がなくなり、海底領域における水平航行を低エネルギ消費で継続することができる。

上記実施形態では、バラスト保持手段は電磁石で構成し、潜航用バラスト３に磁気で吸着保持可能な金属を備えたが、バラスト保持手段は電磁石に限らず、適宜な把持機構で構成することもできる。ただし、電磁石を用いる場合、水中航行体１が海底領域において不具合が生じて航行不能になったとき、エネルギ源のエネルギが切れたら電磁石がバラスト３及び図示されていない電磁石で保持された緊急浮上用のバラストを解放することになるため、水中航行体１が自然に浮上してくることになる。よって、水中航行体１の回収が可能となる。

本発明の一実施形態を示す水中航行体の潜航時の側面図である。 本発明の一実施形態を示す水中航行体の潜航用バラスト解放時の側面図である。 本発明の一実施形態を示す水中航行体の水平航行時の側面図である。 本発明の水中航行体が潜航から水平航行までにとる状態の遷移図である。

符号の説明

１ 水中航行体
２ 水中航行体本体
３ バラスト（潜航用バラスト）
６ 投下ペイロード
７ 浮力材

Claims (4)

1. 水平航行時に進行方向に向けられる先端部が流線型に形成された水中航行体本体と、後端部が上記水中航行体本体の先端部に嵌合し自身の先端部が流線型に形成されたバラストと、上記水中航行体本体の先端部に上記バラストを着脱自在に保持するバラスト保持手段とを備えたことを特徴とする水中航行体。
2. 所定の水中重量を有する投下ペイロードと、その水中重量に均衡する浮量を有する浮力材と、上記投下ペイロードと上記浮力材を一括に着脱自在に保持するペイロード保持手段とを備えたことを特徴とする水中航行体。
3. 水平航行時に進行方向に向けられる先端部が流線型に形成された水中航行体本体を潜航させる際に、上記水中航行体本体の先端部に潜航用バラストを保持させることにより、上記水中航行体本体の先端部を垂直下方に向けさせて上記水中航行体を潜航させ、その後、上記潜航用バラストを離脱させることにより、上記水中航行体を中性浮量とし、中性浮量となった上記水中航行体を水平航行させることを特徴とする水中航行体の潜航・水平航行方法。
4. 所定の水中重量を有する投下ペイロードとその水中重量に均衡する浮量を有する浮力材とを一括に上記水中航行体に保持させ、上記水平航行時に上記投下ペイロードと上記浮力材を離脱させることを特徴とする水中航行体の潜航・水平航行方法。

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