JP2016043913A

JP2016043913A - 波動運動により船体を牽引する翼型構造体

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Publication number: JP2016043913A
Application number: JP2014181705A
Authority: JP
Inventors: 竹本　護; Mamoru Takemoto; 護竹本
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-08-20
Filing date: 2014-08-20
Publication date: 2016-04-04

Abstract

【課題】翼型構造体に発生する揚力の水平方向分力成分を「推力」として利用して「船体本体の推進手段が発生させる航走速度よりも大である航走速度を得ることおよびまた船体本体の推進手段が発生させるエネルギー消費よりも小であるエネルギー消費をもって船体本体の航走を得ること」。
【解決手段】「船体本体の下方の水中に設置され『船体本体の航走に対応してのその進行角度と迎角およびその上下波動運動を制御調整すること』によって揚力を発生させかつこの揚力のその水平方向分力成分を推力として利用する翼型構造体」を連結支柱によって船体本体と連結し「船体本体の航走に従ってこの翼型構造体に発生する揚力のその水平方向分力成分をもって船体本体を牽引すること」により、上記の課題を解決する。
【選択図】図２

Description

発明の詳細な説明

本願発明は、「船体本体の下方の水中に設置される翼型構造体で、船体本体の航走に従ってこの翼型構造体に発生する揚力のその水平方向分力成分を推進力として利用し『翼型構造体に発生するこの推進力をもって翼型構造体と連結支柱によって連結される船体本体を牽引すること』により、『船体本体の推進手段が発生させる航走速度よりも大である航走速度を得ることおよびまた船体本体の推進手段が発生させるエネルギー消費よりも小であるエネルギー消費をもって船体本体の航走を得ること』をその機能的特徴とする翼型構造体」に関する発明である。

従来から「スクリューや帆やジエット水流装置等の推進手段による以外の推進手段としての船外装置でこれらの推進手段によって航走する船体本体の航走を補助することをその機能的特徴とする船外装置の方式」としては、
イ、船底に設置された翼に作用する揚力でもって船体全体を水上に持ち上げ船体本体に作用する水の抵抗をなくして高速度で航走する水中翼船方式。
ロ、船底のいずれかの箇所に設置された水中翼で、翼に船体を水上に持ち上げるほどの揚力を発生させる能力はないが翼に作用する揚力のその水平方向分力成分を推進力として利用することにより船体本体の航走を補助する水中翼方式。
等の方式が試行されていたが、とりわけ数千トン以上の大排水量の船舶においてはいずれも顕著な効果や利便性・効率性・経済性を発揮する推進方式ではなかったことからこれに採用される方式ではなかった。

出願人が「特許庁のホームページの『特許庁電子図書館』の『初心者向け検索』」において、「本願発明に類似もしくは近似すると考えられる先願事案としての『水中グライダー・水中航走体のキーワードで表示される特許公開事案』の全項目」を詳細に調べてみたところ、以下に表示するような「特許文献」が存在することが判明した。

特開２０１１−２３０６２７号公報特開２００８−０１８８９９号公報特開２００７−２７６６０９号公報特開平１０ −０５９２８２号公報

また、「本願発明に関連する非特許文献」としては、インターネット検索により「以下の文献」を見つけ出しかつその全文を読み込み参考文献として利用した。
「抵抗と推進の流体力学（水棲動物の高速遊泳能力に学ぶ）」「田中一朗・永井實著」「海洋政策研究財団」

流体力学の世界には「グレイのパラドックス」という背理説がある。
この学説は１９３６年にイギリスの動物学者のジェイムズ・グレイが「イルカは時速４０ｋｍもの高速で泳ぐことができるが、その時の水の抵抗と筋肉の仕事能力を考え合わせてみるとイルカは自身の筋肉量が出せる運動能力の７倍もの効率の良い運動を行なっていることとなる。これはどう考えてもおかしい」と主張した学説（背理説）である。
このパラドックス（背理説）に対して、現代の流体力学界では「抵抗軽減説と筋肉高品質説」の二説が主張されているが、
１、『抵抗軽減説』、すなわち「イルカの流線型の体形と皮膚表面のヌメリ成分や微細な凹凸や縦皺が水の抵抗を減らし高速遊泳を可能にしているとの説」に関しては、「水の抵抗を軽減させることは高速遊泳のためのマイナス要因の除去という点での絶対必要条件」であるからその指摘と説明に妥当性は認めえても「時速４０ｋｍもの高速遊泳を実行させている動力源の説明」としてはなんらの説明を成しえておらず、
２、『筋肉高品質説』、すなわち「その動力源としてのイルカの筋肉は人間やその他の動物の筋肉とは異質な高機能の筋肉なのだとの説」も「哺乳類としての各動物における筋肉の化学的な成分と組成には大きな差異はなくイルカのみが格別に効率と性能のいい筋肉をしているわけではない」という事実の前には説得力不足であり、
３、結局のところ８０年後の今日に至るもいまだにその謎は解明されていないという。

もとより、「時速４０ｋｍで航走するモーターボートの前方や側方で数頭もしくはそれ以上の群れが体全体を上下左右に躍動させ時には空中にジャンプしながら悠々と並走する数多くの映像」からも明らかなように、「イルカが流体としての海水中を時速４０ｋｍもの高速（カマイルカやシャチの最大速度は時速５５ｋｍ以上になるとの説もある）で泳いでいる現実」は確実に存在するわけであるから、「この高速遊泳を可能ならしめる流体力学的根拠」は絶対的に存在するはずであり、
本願発明はこの「グレイのパラドックスの解答となるべき流体力学的理由」を解明し船舶の航走に活用し、もって「イルカの高速遊泳を可能とする推進方法と同様な効率の良い推進方法からなる船舶推進装置を得ること」を課題とし目的とするものである。

イルカが全水没状態で高速遊泳をしているとき、鼻先や各ヒレの前端部分・後端部分を除きイルカの体表面の全ての位置において「体表面に接する水流を理由とする全方向に向かってのそれぞれの強さを持った揚力」が発生しているはずであり、また、その各部分の揚力のベクトルすなわち「揚力作用の強さと方向」は体姿勢と体表面の動きおよびそれに伴う水流の変化に対応して間断なく変化しているはずである。
したがってまた体表面全体のいずれかの位置に発生する「体表面全体に発生する揚力のベクトルの総和としての総揚力Ｌのベクトル」もまたその発生位置と強さと方向を間断なく変化させながら「イルカの体全体に対するいずれかの一方向に向けての揚力」として作用し続けているはずである。

ここで、「この総揚力Ｌのベクトルの方向」が水平面に対して「角度αだけ前傾している」ならば、「この総揚力Ｌの水平方向分力成分Ｔ＝Ｌｓｉｎα」は「推力」として作用し「イルカの体全体を前方方向に向けて牽引する」はずであり、また、イルカは、高速遊泳中は必ず「全身を使っての特有の波動的上下運動いわゆる『ポーポイジング運動』すなわちまた『時に空中に飛び出し水中に飛び込む動作を挟みながらの上昇姿勢と下降姿勢を繰り返して高速遊泳する運動』」を行なっているものであるから、
１、「ポーポイジング運動をしながら高速遊泳をしているイルカ」は、
イ、「自分の体表面のいずれかの位置に発生するこの総揚力Ｌのベクトルの方向と強さおよびこのＬの水平方向分力成分すなわち『自分の体全体を前方方向に引っ張る推力としてのＴ＝Ｌｓｉｎα』の値」が、ポーポイジング運動中の上昇姿勢時（Ｌは腹部において下向きに作用する）および下降姿勢時（Ｌは背部において上向きに作用する）において顕著に強大化する事実。
ロ、すなわち、上昇姿勢時と下降姿勢時においては、その中間姿勢としての水平姿勢時を挟んでそれぞれ交互に自分の体が強く前方に引っ張られ「加速」する事実。
を瞬間的かつ連続的にその皮膚感覚として十分に知覚し、
２、「経験的無意識的体操作」として「『ＬおよびＴの値が連続的に最大値となるようにもしくは推進力源としての尾ヒレの上下動と体全体の上昇姿勢と下降姿勢に対応して反復的に変動するその値の時間当たりの累積総和が最大となるように』尾ヒレの上下動と体姿勢の上下波動的変動を休みなく制御調整すること」により、
３、「生物学的・筋肉量的に考えられないような時速４０ｋｍ以上もの高速遊泳」を日常行動として余裕をもって実現しているものと考えられる。
４、逆に言えば、もしイルカが「ポーポイジング運動すなわち体全体を使っての上下波動運動による流体力学的な推力発生運動」をすることなく単に「尾ヒレの上下動のみの体操作すなわち体筋肉の力で尾ヒレをあおって水を後方に押しやるだけの推力発生運動で水平直線遊泳をする」ならば、おそらくどれほど素早く尾ヒレを動かしてもせいぜい「高速遊泳時の半分以下程度の速さとしての時速２０ｋｍ以下程度の速さ」でしか泳げないものと思われる。

この『揚力推力変換説』、すなわち、
イ、「ポーポイジング運動をしながら高速遊泳中のイルカ」は、「自分の体表面のいずれかの位置に発生する『体表面全体に発生する揚力のベクトルの総和としての総揚力Ｌのベクトルの方向と強さおよびこのＬの水平方向分力成分すなわち自分の体全体を前方方向に引っ張る推力としてのＴ＝Ｌｓｉｎαの値』が『ポーポイジング運動中の上昇姿勢時および下降姿勢時』において顕著に強大化する事実」すなわちまた「自分の体が前方に強く加速される事実」を瞬間的かつ連続的にその皮膚感覚として十分に知覚し、
ロ、「経験的無意識的体操作」として「『ＬおよびＴの値が連続的に最大値となるようにもしくは推進力源としての尾ヒレの上下動と体全体の上昇姿勢と下降姿勢に対応して反復的に変動するその値の時間当たりの累積総和が最大となるように』尾ヒレの上下動と体姿勢の上下波動的変動を休みなく制御調整し、もって自身の体筋肉のみが発生させている遊泳速度よりもはるかに高速度である『時速４０ｋｍ以上もの遊泳速度』を獲得している」との説。
こそが「グレイのパラドックスの謎を解く流体力学的根拠」と考えられる。

「本願発明における翼型構造体１」は、後述の『実施例１』に詳述するように、
１、上記の『揚力推力変換説』に従い、船体本体２の下方の水中に「形態原理的にイルカの体型を模した翼型構造体で船体本体２と連結支柱３によって連結されている翼型構造体１」を設置し、この翼型構造体１に「イルカが高速遊泳をしているときに行なう特有の波動的上下運動形態すなわちポーポイジング運動を模した運動形態を行なわせること」により、「上昇姿勢時および下降姿勢時において強力となる前方方向への周期変動的な推進力」を発生させ、
２、「この推進力でもって船体本体２を推進もしくは牽引することにより『スクリューや帆やジエット水流装置等の船体本体２の推進手段が発生させる航走速度よりも大である航走速度を得ることおよびまたこれらの推進手段が発生させるエネルギー消費よりも小であるエネルギー消費をもって船体本体２の航走を得ること』」。
を目的として発明された推進手段である。

「本願発明における翼型構造体１」を活用することにより、すなわち、
１、上記の『揚力推力変換説』に従い、船体本体２の下方の水中に「形態原理的にイルカの体型を模した翼型構造体で船体本体２と連結支柱３によって連結されている翼型構造体１」を設置し、この翼型構造体１に「イルカが高速遊泳をしているときに行なう特有の波動運動形態すなわち『ポーポイジング運動』を模した運動形態を行なわせること」により、「上昇姿勢時および下降姿勢時において強力となる前方方向への周期変動的な推進力」を発生させ、
２、この推進力でもって「船体本体２を推進もしくは牽引すること」により、
イ、「スクリューや帆やジエット水流装置等の船体本体２の推進手段が発生させる航走速度よりも大である航走速度」を得る効果。
ロ、およびまた「船体本体２におけるこれらの推進手段が発生させるエネルギー消費よりも小であるエネルギー消費」をもって船体本体２の航走を得る効果。
が得られるものである。

は、翼型構造体１の側面図。は、側面からみた船体本体２と翼型構造体１と連結支柱３の三者の構造構成上の相互関係図。は、「翼型構造体１における進行角度αおよび迎角βでの上昇姿勢時および下降姿勢時に発生し作用する揚力Ｌ・推力Ｔ」のベクトル図。

「本願発明を具体的に実施するに際しての実施例」に関しては、以下の『実施例１』『実施例２』のとおりである。

本願発明における主要構成部材は「翼型構造体１・船体本体２・連結支柱３の三種類の部材」である。

「翼型構造体１の形状と構造」に関しては、『図１』『図２』に示すように、以下の１〜６のとおりとする。
１、「進行方向の鉛直面で切断した断面形状」としては、「その上下の面に対称翼形状の膨らみを有しその上下の曲面に沿って水流が通過することによりその表面に揚力を発生させる機能を有する流線型形状」とする。
２、「その翼弦長が船体本体の全長のおおむね５０％前後程度でそのアスペクト比（翼弦長に対する翼幅の割合）がおおむね０．５以下程度と通常の水中翼のアスペクト比（３〜１０程度）に比して十分に小さくしたがって進行前後方向に細長いこと」をその形状的特徴とする。
３、「１および２の形状的特徴を有する翼型構造体１の左右の側面」に、
イ、「翼型構造体１の上下面に発生する水圧差を原因とする翼端渦の発生すなわち誘導抵抗の発生を阻止する部材」としての「翼端の上下前後の全周にわたって設置されおおむね最大翼厚の２分の１程度の高さを有する翼端板４」。
を設ける。
４、「１および２の形状的特徴を有する翼型構造体１の空力中心相当の位置」に、
イ、「この翼型構造体１の前後方向に直交する方向でかつ水平方向である回転軸心を有する回転軸」で、「その回転軸心を連結支柱３の後端における回転軸６の回転軸心と平行とする回転軸５」。
を設け、連結支柱３の前端部においてこの回転軸５をこの翼型構造体１が自在に回動するように保持する。
５、翼型構造体１の後端部に「回転軸５の回動に同調して翼型構造体１の進行角度および迎角を調整する昇降舵」を設けてもよい。
６、「翼型構造体１の素材」に関しては、
イ、その全体を「鋼板等の硬質な素材」でもって形成してもよい。
ロ、イの素材の表面を「ゴム・合成樹脂等の軟質な素材」で被覆してもよい。
ハ、その後部部分とりわけ後端部分を「翼型構造体１の上下運動や迎角俯角運動によって生じる水圧や水流の変化に対応して上下方向にしなることが可能なゴム・合成樹脂等の軟質な素材」でもって形成してもよい。

「船体本体２と連結支柱３の相互関係および本願発明が適用されるべき船種・船舶規模」に関しては、以下の１〜２のとおりとする。
１、『図２』に示すように、「船体本体２の適宜の位置」に、
イ、「この船体本体２の前後方向に直交する方向でかつ水平方向である回転軸心を有する回転軸」で、「その回転軸心を連結支柱３の前端における回転軸５の回転軸心と平行とする回転軸６」。
を設け、連結支柱３の後端部においてこの回転軸６をこの連結支柱３が自在に回動するように保持する。
２、「本願発明が適用されるべき船種・船舶規模」に関しては、「漁船・ヨット・娯楽遊興船・客船・貨物船・タンカー・軍用艦船等」そのいずれかを問わず、かつ「排水量数トン程度から数十万トン程度まで」とその規模の大小を問わない。

「連結支柱３の構造および翼型構造体１・船体本体２との連結方法」に関しては、『図２』に示すように、以下の１〜５のとおりとする。
１、「連結支柱３」は、「翼型構造体１と船体本体２をその左右の側において挟み込むように連結する左右一対の二本の部材」であり、
イ、その前端においては、「翼型構造体１を貫通する回転軸５の左右端」を回動自在に保持するものとする。
ロ、その後端においては、「船体本体２を貫通する回転軸６の左右端」を回動自在に保持するものとする。
２、「連結支柱３の長さすなわち回転軸５と回転軸６の軸間距離」に関しては、「翼型構造体１を水中に設置し上下波動運動や迎角俯角運動を起こさせたときにおいても航走中の船体本体２との間において無用な流体力学的抵抗や干渉を起こさないだけの必要十分な隔たりを確保した距離」とする。
３、「連結支柱３がその前端と後端において保持する回転軸５および回転軸６におけるその回動運動」を介して行なわれる
イ、「回転軸５を回転中心とする翼型構造体１の回動」すなわち「翼型構造体１における迎角と俯角の形成」。
ロ、「回転軸６を回転中心とする連結支柱３の回動」すなわち「翼型構造体１における上下位置の形成」。
に関しては、「各回転軸における回動を駆動する電動機等の駆動機構」を介して船体本体２の推進効率を最大とならしめるようにすなわち航走速度を最大ならしめるようにおよびエネルギー消費を最小ならしめるように連動的に制御調整されるものとする。
４、「低速航走時・停泊時等の翼型構造体１の作動を必要とはしない時点」もしくは「荒天時等その存在もしくは作動が船体本体２に構造力学的な強負荷を与える可能性のある時点」においては、回転軸６を回転中心として連結支柱３を回動させて翼型構造体１を水面上もしくは船体本体２上の適宜の位置に移動させるものとする。
５、「連結支柱３の横断面の形状」に関しては、その全体を流線型形状とし前進時に発生する水流・気流の抵抗を最小化するものとする。

「翼型構造体１における作動すなわち『イルカのポーポイジング運動を模した上下波動運動および迎角俯角運動』の様相」に関しては、以下の１〜４のとおりとする。
１、『図２』に示すように、連結支柱３を介して船体本体２の前方の水中の適宜の深度に翼型構造体１を設置する。
２、ただし、「この翼型構造体１の翼型」に関しては、「翼弦線と中心線が一致する翼型すなわち上下対称翼である流線型の翼型」とするが、もとより「キャンバーを有し翼面上下の膨らみが非対称である流線型の翼型」であってもその上下非対称が著しいものでないかぎり翼型構造体１の作用に大きな違いはなく十分に実用されるものである。
３、船体本体２が「自身の推進手段としてのスクリュー７」によって前進速度ｖで航走を開始する。
４、翼型構造体１においては、
イ、「進行角度すなわち回転軸５の進行方向と水平面の角度をα」「迎角すなわち回転軸５の進行方向と翼弦線の角度をβ」。
とすると、船体本体２の航走とともに船体本体２の前方の水中で、
ロ、「回転軸５の回転角度の調整によって迎角βを自在に制御調整すること」および「回転軸６の回転角度の調整によって進行角度αおよび上下位置を自在に制御調整すること」。
が可能であり、この自在な制御調整能力に基づき、
ハ、「α＝０、β＝０である下方水平姿勢」「α＞０、β＜０である上昇姿勢」「α＝０、β＝０である上方水平姿勢」「α＜０、β＞０である下降姿勢」の４種の姿勢を順次に反復する上下波動運動。
を行なうことにより、
ニ、「α＞０、β＜０である上昇姿勢の時点において下向きの揚力およびこの揚力の水平方向分力成分としての前方水平方向に向かっての推力」および「α＜０、β＞０である下降姿勢の時点において上向きの揚力およびこの揚力の水平方向分力成分としての前方水平方向に向かっての推力」。
をそれぞれに以下に述べるように発生させ、もって連結支柱３を介して船体本体２を牽引するものである。

「『イルカのポーポイジング運動を模したこの上下波動運動を行なう翼型構造体１に作用する総揚力Ｌ』および『Ｌを原因として発生する推力Ｔすなわち船体本体２を前方水平方向に牽引する力』のベクトルの変動の様相」に関しては、『図３』に示すように、以下の１〜５のとおりである。
１、「翼型構造体１がα＝０、β＝０である下方水平姿勢の場合」においては、
水流は翼型構造体１の上下の面を同量同速度で流れるので、
イ、「揚力」は翼型構造体１の上面と下面において同等量発生し、したがって「総揚力Ｌ＝０」である。
ロ、「推力Ｔ」は「Ｔ＝Ｌｓｉｎα」として発生するわけであるから「Ｔ＝０」である。
ハ、したがって、翼型構造体１が船体本体２を牽引することはなく、船体本体２の航走が加速されることはない。
ニ、なお、翼型構造体１には「摩擦抵抗等の水の抵抗としての抗力Ｄ」が作用するので船体本体２の航走は減速される。
２、「翼型構造体１がα＞０、β＜０である上昇姿勢の場合」においては、
翼型構造体１は「その進行方向に対する下向きの迎角を有している」ために、「水流は翼型構造体１の上面において低速度で下面において高速度で流れる」ので、
イ、「揚力」は「翼型構造体１の下面方向で回転軸５の進行方向に垂直な方向」に向けて発生し、したがって「総揚力Ｌ＞０」である。
ロ、「推力Ｔ」は「Ｔ＝Ｌｓｉｎα」として発生するわけであるから「Ｔ＞０」である。
ハ、したがって、「翼型構造体１に作用する摩擦抵抗等の水の抵抗としての抗力Ｄ」に対して推力Ｔが「Ｔ＞Ｄ」の条件を満たすだけ発生すれば翼型構造体１は船体本体２を牽引することができ、船体本体２の航走が加速されることとなる。
３、「翼型構造体１がα＝０、β＝０である上方水平姿勢である場合」においては、
水流は翼型構造体１の上下の面を同量同速度で流れるので、
イ、「揚力」は翼型構造体１の上面と下面において同等量発生し、したがって「総揚力Ｌ＝０」である。
ロ、「推力Ｔ」は「Ｔ＝Ｌｓｉｎα」として発生するわけであるから「Ｔ＝０」である。
ハ、したがって、翼型構造体１が船体本体２を牽引することはなく、船体本体２の航走が加速されることはない。
ニ、なお、翼型構造体１には「摩擦抵抗等の水の抵抗としての抗力Ｄ」が作用するので船体本体２の航走は減速される。
４、「翼型構造体１がα＜０、β＞０である下降姿勢である場合」においては、
翼型構造体１は「その進行方向に対する上向きの迎角を有している」ために、「水流は翼型構造体１の下面において低速度で上面において高速度で流れる」ので、
イ、「揚力」は「翼型構造体１の上面方向で回転軸５の進行方向に垂直な方向」に向けて発生し、したがって「総揚力Ｌ＞０」である。
ロ、「推力Ｔ」は「Ｔ＝Ｌｓｉｎα」として発生するわけであるから「Ｔ＞０」である。
ハ、したがって、「翼型構造体１に作用する摩擦抵抗等の水の抵抗としての抗力Ｄ」に対して推力Ｔが「Ｔ＞Ｄ」の条件を満たすだけ発生すれば翼型構造体１は船体本体２を牽引することができ、船体本体２の航走が加速されることとなる。
５、なお、
イ、翼型構造体１のアスペクト比は０．５程度以下と小さいが翼弦長は船体本体２の全長の５０％前後程度と長大であるためにその翼面積は船体本体２の喫水面積に比して５０％前後程度と広大であり、したがって「翼型構造体１が発生させる総揚力量Ｌしたがってまた推力Ｔ＝Ｌｓｉｎα」は船体本体２に対する十分な牽引力を発揮することができる程度に巨大にして強力である。
ロ、翼型構造体１のアスペクト比は０．５程度以下と小さいので「翼型構造体１が失速するまでの迎角βの許容限界角度」には余裕があり、したがって、翼型構造体１はその進行角度αと迎角βの選択において「姿勢変動に際しての失速や乱流の発生による突発的抵抗の増大」をほとんど考慮する必要もなく余裕をもって「最大揚力すなわちまた最大推力が得られる角度」を設定することができる。
ハ、イおよびロの前提事実を根拠として、本願発明の翼型構造体１は「イルカのポーポイジング運動を模したその上下波動運動を反復することにより船体本体２を牽引するに十分な推力を容易に得ること」が可能である。

なお、「上記の翼型構造体１における推力発生効果」を確認するために、発明者が、
１、その「水槽実験用の模型翼体」として、
イ、内部の梁構造材が木板で上下翼面が塩ビ薄板でありかつ「翼弦長＝４５ｃｍ・最大翼厚＝９ｃｍ・翼幅１２ｃｍ・アスペクト比＝０．２７・全体比重＝約１．０（実験中は翼内の梁構造材以外の空洞部分は侵入した水槽の水で満たされるため）・塩ビ薄板製翼端板の翼面からの全周平均高さ＝約３ｃｍの仕様」からなり平面形が前後縦長の長方形で側面形が流線型形状からなる模型翼体。
ロ、翼体の側面両面に「実験者が手持ち操作で水流中の翼体の上下位置と迎角俯角を任意に制御調整するための保持具としての『翼弦線に垂直である高さ６０ｃｍ・幅１０ｃｍ・厚さ０．３ｃｍの薄い木板からなる手持ち保持具』」を設けた模型翼体。
を試作し、
ハ、水路幅＝約９０ｃｍ・水深＝約５０ｃｍで水流速度＝約８０ｃｍ／秒の安定流量が得られる直線用水路。
において「揚力と推力の発生確認のための水槽実験」を行なってみたところ、
２、「翼体の上下位置と迎角俯角の設定」は実験者が上記保持具を手持ち操作して決定するために「翼体に発生する総揚力Ｌ・総推力Ｔ・総抗力Ｄのベクトル値」は計数値として算出されるわけではなく「保持具を介して実験者の手に伝えられる感触」として体感的に判断されることとならざるをえないが、
その「実験結果」は以下の３〜７のとおりとなったものである。

３、まず、翼体を「用水路の底面に近い水深＝約４０ｃｍの位置」まで沈めて「下方水平姿勢すなわち進行角度α＝０で迎角β＝０である姿勢」とした場合、
イ、翼体の上面と下面を流れる水流は同量同速度であるから「翼体に作用する総揚力Ｌ＝０」となり、したがってまた「総推力Ｔ＝Ｌｓｉｎα＝０」となり、
ロ、一方、翼体に摩擦抵抗等の流体固有の抵抗は作用するもののその流線型形状と翼体側面の翼端板による誘導抵抗阻止効果により「総抗力Ｄの値は微小」である。
ハ、したがって、「保持具を持つ手において感じられるその抵抗負荷感覚」を介して「翼体は実験者が微妙な後退感覚を覚えるもののその上下位置の保持に関しては安定的に推移するものであること」が確認された。

４、次いで、「水平姿勢であった翼体」の前方を緩やかに持ち上げて「α＞０でβ＜０である上昇姿勢」を与えた場合、
イ、翼体は「その進行方向に対する下向きの迎角を有している」ために「水流は翼体の上面において低速度で下面において高速度で流れる」ので、「翼体に作用する総揚力ＬはＬ＞０である斜め下向きの作用力」となり、したがってまた「総揚力Ｌの水平方向分力成分である総推力ＴはＴ＝Ｌｓｉｎα＞０である水平推進作用力」となり、
ロ、一方、翼体に摩擦抵抗等の流体固有の抵抗は作用するもののその流線型形状と翼体側面の翼端板による誘導抵抗阻止効果により「総抗力Ｄの値は微小」であり、
ハ、したがって、「翼体に作用する摩擦抵抗等の水の抵抗としての総抗力Ｄ」に対して推力Ｔが「Ｔ＞Ｄ」の条件を満たすだけ発生すれば翼体は前進することができることとなる。
ニ、実際的操作として、「それまで用水路の底面近くの位置において水平姿勢でかつ停止姿勢だった翼体」の前方を緩やかに持ち上げて「水流に向かっての迎角」を与えてみると「翼体は急激に上方に持ち上げられながら同時に水流に逆らって斜め上方向に向かって前進を始めるようになる」ことから、
「保持具を持つ手において感じられるその前進負荷感覚」を介して翼体においては明白に「総揚力Ｌしたがってまたその水平方向分力成分としての総推力Ｔの発生」が確認でき、「その結果としての翼体における斜め上方向に向かっての加速前進作用すなわちまたその水平作用成分としての『翼体における水平加速前進現象』の発生」が確認できた。

５、次いで、「斜め上方向に向かって前進する翼体」が水面直下に達する直前にその進行角度および迎角を減少させ水平姿勢に戻し「翼体を上方水平姿勢すなわちα＝０でβ＝０である姿勢」とした場合、
イ、翼体の上面と下面を流れる水流は同量同速度であるから「翼体に作用する総揚力Ｌ＝０」となり、したがってまた「総推力Ｔ＝Ｌｓｉｎα＝０」となり、
ロ、一方、翼体に摩擦抵抗等の流体固有の抵抗は作用するもののその流線型形状と翼体側面の翼端板による誘導抵抗阻止効果により「総抗力Ｄの値は微小」であり、
ハ、かつ、翼体は「その内部が水で満たされておりしたがってその質量は約２ｋｇ以上」であることから容易には減衰しない「４の上昇過程で得た前進速度すなわち惰力航走速度」を保持しておりその前進を継続している。
ニ、すなわち、「保持具を持つ手において感じられるその前進負荷感覚」を介して「実験者が微妙な減速感覚を覚えるものの翼体はなおその『惰力航走』を継続しているものであること」が確認された。

６、次いで、「水平姿勢であった翼体」の前方を緩やかに押し下げて「α＜０でβ＞０である下降姿勢」を与えた場合、
イ、翼体は「その進行方向に対する上向きの迎角を有している」ために「水流は翼体の下面において低速度で上面において高速度で流れる」ので、「翼体に作用する総揚力ＬはＬ＞０である斜め上向きの作用力」となり、したがってまた「総揚力Ｌの水平方向分力成分である総推力ＴはＴ＝Ｌｓｉｎα＞０である水平推進作用力」となり、
ロ、一方、翼体に摩擦抵抗等の流体固有の抵抗は作用するもののその流線型形状と翼体側面の翼端板による誘導抵抗阻止効果により「総抗力Ｄの値は微小」であり、
ハ、したがって、「翼体に作用する摩擦抵抗等の水の抵抗としての総抗力Ｄ」に対して推力Ｔが「Ｔ＞Ｄ」の条件を満たすだけ発生すれば翼体は前進することができることとなる。
ニ、実際的操作として、「それまで水面直下において水平姿勢で惰力航走していた翼体」の前方を緩やかに押し下げて「水流に向かっての俯角」を与えてみると「翼体は急激に下方に押し下げられながら同時に水流に逆らって斜め下方向に向かって前進を始めるようになる」ことから、
「保持具を持つ手において感じられるその前進負荷感覚」を介して翼体においては明白に「総揚力Ｌしたがってまたその水平方向分力成分としての総推力Ｔの発生」が確認でき、「その結果としての翼体における斜め下方向に向かっての加速前進作用すなわちまたその水平作用成分としての『翼体における水平加速前進現象』の発生」が確認できた。

７、「以上の３〜６における水槽試験の結果として確認された流体力学的現象」が「イルカのポーポイジング運動を模した上下波動運動の１サイクル分の現象」であり、もとよりこの波動運動のサイクルが連続的に反復されることによってイルカや翼型構造体１は持続性のある強力な前進力を獲得し、もって水中を「体筋肉が発生させる速度以上の高速度」で遊泳したり「船体本体２のスクリュウ７が発生させる航走速度よりも大である航走速度」でもって前進航走をしたりするものである。

したがってまた、上記の水槽試験によって「本願発明の翼型構造体１における推力発生の有効性・実用性」が確認されたものである。

本願発明の船舶推進装置は船体規模・船種を問わず適用可能な装置であるために、その産業上の利用可能性もまた十分に高いものである。

１は、翼型構造体。２は、船体本体。３は、連結支柱。４は、翼端板。
５は、翼型構造体における回転軸。６は、船体本体における回転軸。
７は、船体本体におけるスクリュー等の推進手段。
Ｌは、揚力。Ｔは、推力。 αは、進行角度。 βは、迎角。

Claims

「『船体本体と連結支柱によって連結され船体本体の下方の水中において船体本体と流体力学的に相互干渉しない距離を隔てて設置されること』をその構造構成上の特徴とし、『その上下の面に対称翼形状の膨らみを有しその上下の曲面に沿って水流が通過することによりその表面に揚力を発生させる機能を有する流線型形状からなること』をその形状的特徴とする翼型構造体」で、
１、「上記の連結支柱と船体本体および翼型構造体の三者の構造構成上の相互関係」としては、
イ、連結支柱の一方の端を船体本体側に設置された回転軸と回動自在に連結しまた他方の端を翼型構造体側に設置された回転軸と回動自在に連結しかつ双方の回転軸の回転軸心が水平かつ平行であるように設定し、
ロ、「水中の翼型構造体におけるその迎角と俯角」を翼型構造体側の回転軸でもって制御調整し、また「水中の翼型構造体におけるその斜め上方向もしくは斜め下方向に向かっての進行角度したがってまた翼型構造体における上下運動」を船体本体側の回転軸でもって制御調整し、この双方の制御調整操作を連携運動的に自在に制御調整することによって「水中における翼型構造体の円滑かつ効率的な上下波動運動」を可能とすること。
との機能および作動を満たす相互関係とし、
２、「上記の連結支柱と船体本体および翼型構造体の三者の構造構成上の相互関係」に従い、「船体本体の推進手段によって行なわれる前進航走時」において水中における翼型構造体に「以下の３および４に示すような上昇方向の進行角度と下降方向の進行角度を交互に与える運動すなわちまた上下波動運動」を起こさせ、もって、
３、「翼型構造体における進行角度を上昇方向としかつ翼型構造体における翼弦線を進行面よりも下方に向けての迎角を得た状態とすること」によって、
イ、「船体本体の前進と翼型構造体におけるこの進行角度と迎角の状態の設定」により翼型構造体の下表面において「翼型構造体の進行面に垂直である斜め下方向に向けて作用する力としての揚力」を発生させ、
ロ、かつ、「この揚力の水平方向分力成分」を「翼型構造体の前方推進力」として利用し、連結支柱を介して「この前方推進力でもって船体本体を前方に牽引すること」により、
４、「翼型構造体における進行角度を下降方向としかつ翼型構造体における翼弦線を進行面よりも上方に向けての迎角を得た状態とすること」によって、
イ、「船体本体の前進と翼型構造体におけるこの進行角度と迎角の状態の設定」により翼型構造体の上表面において「翼型構造体の進行面に垂直である斜め上方向に向けて作用する力としての揚力」を発生させ、
ロ、かつ、「この揚力の水平方向分力成分」を「翼型構造体の前方推進力」として利用し、連結支柱を介して「この前方推進力でもって船体本体を前方に牽引すること」により、
５、「船体本体の航走を補助すること」をその機能的特徴とする翼型構造体。