JP4616662B2

JP4616662B2 - 水中航走体及びその制御方法

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Publication number: JP4616662B2
Application number: JP2005041243A
Authority: JP
Inventors: 明大島
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2005-02-17
Filing date: 2005-02-17
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2025-02-17
Also published as: JP2006224823A

Description

本発明は、水中航走体、及び水中航走体の制御方法に関するものである。

水中航走体は、水中を航走する際に、周囲流体が水であるため、大きな摩擦抵抗を受ける。そのため、現在、水中航走体に採用されているような電池電動機あるいは酸化剤と燃料を混合した燃料を使用する一液式エンジン等の推進機関では、水中航走体の航走速度は６０ノット程度が限界である。
この摩擦抵抗を減少させて推進性能を向上させるものとして、特許文献１に示されるマイクロバブル推進法が提案されている。これは、船首部にその下半周にわたり開口部を設けて、この開口部から空気を吹き出すものである。吹き出した空気により発生する微小気泡が、流線に乗って船底や、船尾の方向へ送られる。これにより、船体の一部表面が微小気泡で覆われるので、その部分に作用する摩擦抵抗を低減することができるというものである。

特開平１０−１００９８９号公報（段落［０００７］〜［００１４］，及び図１）

この水中航走体では、空気ボンベに蓄えられた空気を利用して微小気泡を形成しているので、微小気泡を形成することができる時間は空気ボンベの容量に比例する。
このため、航続距離を伸ばす場合には大型の空気ボンベが必要となり、他の装置を搭載するスペースが減少してしまう。逆に、水中航走体により多くの装置を搭載するためには、小型の空気ボンベを用いる必要があり、その分航続距離が短くなってしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、気膜を形成するために使用するガスの供給量が少なくて済み、航続距離を低減させずにガス供給装置の大きさを低減して搭載量を増大させたり、搭載量を低減させずに気膜の形成可能時間をより長くして航続距離を伸ばすことが可能な水中航走体及びその制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の水中航走体は以下の手段を採用する。
本発明に係る水中航走体は、推進機関を備える水中航走体本体と、該水中航走体本体の先端部に設けられてその後方部で前記水中航走体本体の全周にわたってキャビティを発生させるキャビテータと、前記水中航走体本体の前記キャビテータの直後から周囲にガスを供給することによって該キャビテータにより発生したキャビティを後方に成長させて前記水中航走体本体全体を覆う気膜を形成する第１ベンチレータと、該第１ベンチレータによるガス供給位置よりも前記水中航走体本体の全長の３０％以下の距離だけ後方の位置から周囲にガスを供給する第２ベンチレータと、前記第１ベンチレータ及び前記第２ベンチレータの動作を制御する制御装置とを有し、前記キャビテータは、その後方部に、流線に対して内側方向に離れる形状のエッジ部を有しており、前記制御装置は、前記気膜を形成するにあたって、まず前記第１ベンチレータのみにガスの供給を行わせ、前記気膜が形成されたのちは前記第２ベンチレータによって前記第１ベンチレータによるガスの供給量よりも少ない量のガスを供給させたのち、前記第１ベンチレータによるガスの供給を停止させることを特徴とする。

このように構成される水中航走体では、水中を航走中に、第１ベンチレータによってキャビテータ後方にガスを供給することで、キャビテータが水中航走体本体の全周にわたって発生させたキャビティが後方に成長させられて、水中航走体本体全体を覆う気膜が形成される。
気体は液体に比べて粘性が非常に少ないので、このように水中航走体本体が気膜で覆われることによって、気膜に覆われていない状態（水中航走体本体が液体で覆われている状態）に比べて水中航走体本体にかかる摩擦抵抗が大幅に減少することとなり、水中航走体は、水中を非常に高速で航走することができる。
なお、水中航走体の速度が増すにつれて、キャビテータで発生したキャビティがより安定して壊れることなく後方へ移動する、いわゆるスーパーキャビテーション状態になる。

ここで、キャビテータの後方部には、流線に対して内側方向に離れる形状のエッジ部が設けられているので、このエッジ部近傍では、キャビテータの周囲を流れる流体に剥離が生じて、エッジ部の後方に流体が回り込まなくなり、この部分の圧力が減少する。これにより、キャビテータによるキャビティの発生が良好に行われるとともに、発生したキャビティ及び第１ベンチレータが供給したガスがエッジ部の後方に滞留して気膜を形成する。エッジ部の後方で気膜を形成するガスは、周囲の流体との界面の乱れによって一部が流出する以外はこの領域に留まるので、エッジ部の後方では、少量のガスを継続的に補充するだけで気膜を維持することができる。

この水中航走体では、キャビテータ及び第１ベンチレータによって水中航走体本体の周囲に気膜が形成されたのちに、制御装置が第２ベンチレータの動作を開始させて、水中航走体の周囲にガスを供給する。このように第２ベンチレータによってガスを供給することで、水中航走体本体の先端部側から第２ベンチレータに到達したキャビティが後方に成長させられて気膜を形成する。
このとき、水中航走体の表面にはすでに気膜が形成されているので、第２ベンチレータが供給するガスは、水中航行体の進行方向後方だけでなく、進行方向にも回り込む。すなわち、第２ベンチレータが供給するガスは、キャビテータのエッジ部の後方にも供給されて、この領域における気膜の維持に寄与する。

制御装置は、このように第２ベンチレータによるガスの供給を開始させたのちに、第１ベンチレータによるガスの供給を停止させる。
第１ベンチレータによるガスの供給を停止させても、前記のように第２ベンチレータが供給するガスが水中航走体本体の先端側に回り込んでこの領域の気膜の形成に寄与するので、水中航走体全体を覆う気膜が維持される。
すなわち、第２ベンチレータからは、水中航走体本体において第１ベンチレータによるガス供給位置よりも後方の領域に気膜を形成するのに必要なだけのガスと、キャビテータのエッジ部後方の気膜を維持するのに必要なだけのごくわずかなガスを供給すればよいので、第２ベンチレータのみによって気膜を形成している状態では、第１ベンチレータのみによって気膜を形成する場合に比べて、ガスの消費量が少なくて済む。

ここで、第２ベンチレータによるガス供給位置が、第１ベンチレータによるガス供給位置から離間しすぎると、第２ベンチレータの供給するガスが水中航走体本体の先端側に回り込みにくくなり、先端側で気膜の形成が不十分になりやすいので、第２ベンチレータによるガス供給位置は、第１ベンチレータによるガス供給位置よりも水中航走体本体の全長の３０％以下の距離だけ後方の位置に設定する。

また、この水中航走体において、前記第２ベンチレータによるガスの供給量が、前記第１ベンチレータによるガスの供給量の６０±５％とされていてもよい。

本発明に係る水中航走体では、第２ベンチレータの供給するガスの量は、第１ベンチレータの供給するガスの量よりも低減することができるが、供給量が少なすぎると気膜の形成が不十分になって、水中航走体本体に加わる摩擦抵抗が大きくなってしまう。一方、第２ベンチレータによるガスの供給量が多すぎると、第１ベンチレータのみによって気膜を形成する場合とガスの消費量が変わらなくなってしまう。
そこで、本発明者らが実験により第２ベンチレータの最適なガス供給量を求めたところ、第２ベンチレータの供給するガスの量が、第１ベンチレータによるガスの供給量の６０％前後である場合に、摩擦抵抗が低くかつガスの消費量も少なくて済むことが分かった。
このため、摩擦抵抗の低減とガスの消費量低減とを高レベルで両立させるためには、第２ベンチレータのガス供給量は、第１ベンチレータによるガスの供給量の６０±５％とすることが好ましい。

また、この水中航走体において、推進方向に対する前記水中航走体本体の軸線の傾斜量を検出する姿勢検出装置を有し、前記制御装置は、前記気膜の形成後に、前記姿勢検出装置によって検出された前記傾斜量が基準値を超えたことをもって前記気膜の形成処理をやり直す構成とされていてもよい。

水中航走体が航走中に旋回したり、周囲の水流の擾乱等によって水中航走体本体の軸線が推進方向に対して傾斜すると、その傾斜角度によっては、水中航走体の周囲の一部（例えば推進方向に向く側）では、気膜の形成が不十分になったり、気膜がなくなるなど、気膜の維持が困難となる場合がある。
この水中航走体では、上記のように、制御装置が、姿勢検出装置によって検出された水中航走体本体の軸線の傾斜量が基準値を超えたことをもって（すなわち気膜の維持が困難となった場合に）気膜の形成処理をやり直すので、水中航走体本体の軸線が推進方向に対して傾斜することによって気膜の維持が困難となっても、再度気膜を形成して、低抵抗推進を継続することができる。
なお、制御装置の判断基準となる基準値は、シミュレーションや実験等によって求めることができる。

また、上記水中航走体において、前記第２ベンチレータが、前記水中航走体本体の周囲の各部に対するガスの供給量を個別に調整可能とされており、推進方向に対する前記水中航走体本体の軸線の傾斜量を検出する姿勢検出装置を有し、前記制御装置は、前記気膜の形成後に、前記姿勢検出装置によって検出された前記傾斜量が基準値を超えたことをもって、前記第２ベンチレータに、前記水中航走体本体の周囲のうち、前記気膜を維持することが困難となる部分に対するガスの供給量を増加させる構成とされていてもよい。

水中航走体本体の軸線が推進方向に対して傾斜すると、その傾斜角度によっては、水中航走体の周囲の一部では、気膜の維持が困難となる場合がある。
この水中航走体では、制御装置が、姿勢検出装置によって検出された水中航走体本体の軸線の傾斜量が基準値を超えたことをもって、第２ベンチレータに、気膜の維持が困難となる部分に対するガスの供給量を増加させるので、この部分における気膜が回復または再形成される。
すなわち、この水中航走体では、水中航走体本体の軸線が推進方向に対して傾斜することによって水中航走体の周囲の一部で気膜の維持が困難となっても、気膜の形成処理をやり直すことなく気膜を回復または再形成させて、低抵抗推進を継続することができる。
なお、制御装置の判断基準となる基準値、及び水中航走体本体の姿勢変化によって気膜の維持が困難となる領域は、シミュレーションや実験等によって求めることができる。

また、上記水中航走体において、前記水中航走体の周囲の気膜を検出する気膜検出装置を有し、前記制御装置は、前記気膜の形成後に、前記気膜検出装置によって気膜が検出されなくなったことをもって前記気膜の形成処理をやり直す構成とされていてもよい。

この場合には、気膜の形成後に、制御装置が、気膜検出装置によって気膜が検出されなくなったことをもって気膜の形成処理をやり直すので、気膜の形成が不十分になったり気膜がなくなった場合にも、再度気膜を形成して、低抵抗推進を継続することができる。
なお、気膜検出装置による気膜の検出範囲は、気膜の形成が不十分になったり気膜がなくなった際に直ちにこれを検出することができるよう、水中航走体本体の周囲のうち、最も気膜の形成が不十分になったり気膜がなくなりやすい領域、例えば水中航走体本体の後方側に配置することが好ましい。

また、上記水中航走体において、前記水中航走体の周囲の各部における気膜を検出する気膜検出装置を有し、前記第２ベンチレータが、前記水中航走体本体の周囲の各部に対するガスの供給量を個別に調整可能とされており、前記制御装置は、前記気膜の形成後に、前記気膜検出装置によって気膜がなくなった領域が検出されたことをもって、前記第２ベンチレータに、前記水中航走体本体の周囲のうち、前記気膜がなくなった部分に対するガスの供給量を増加させる構成とされていてもよい。

この場合には、気膜の形成後に、気膜検出装置によって水中航走体の周囲の一部領域で気膜がなくなったことが検出されると、制御装置が、第２ベンチレータに、気膜がなくなった部分に対するガスの供給量を増加させるので、この部分における気膜が再形成される。
すなわち、この水中航走体では、一部の気膜がなくなっても、気膜全体の形成処理をやり直すことなく、気膜がなくなった領域の気膜を回復させて、低抵抗推進を継続することができる。

本発明に係る水中航走体の制御方法は、推進機関を備える水中航走体本体と、該水中航走体本体の先端部に設けられてその後方部で前記水中航走体本体の全周にわたってキャビティを発生させるキャビテータと、前記水中航走体本体の前記キャビテータの直後から周囲にガスを供給することによって該キャビテータにより発生したキャビティを後方に成長させて前記水中航走体本体全体を覆う気膜を形成する第１ベンチレータとを有する水中航走体に、前記第１ベンチレータによるガス供給位置よりも前記水中航走体本体の全長の３０％以下の距離だけ後方の位置から周囲にガスを供給する第２ベンチレータを設け、前記キャビテータの後方部に、流線に対して内側方向に離れる形状のエッジ部を設け、前記気膜を形成するにあたって、まず前記第１ベンチレータのみにガスの供給を行わせ、前記気膜が形成されたのちは前記第２ベンチレータによって前記第１ベンチレータによるガスの供給量よりも少ない量のガスを供給させたのち、前記第１ベンチレータによるガスの供給を停止させることを特徴とする。

水中航走体では、水中を航走中に、第１ベンチレータによってキャビテータ後方にガスを供給することで、キャビテータが水中航走体本体の全周にわたって発生させたキャビティが後方に成長させられて、水中航走体本体全体を覆う気膜が形成される。
ここで、キャビテータの後方部に、流線に対して内側方向に離れる形状のエッジ部を設けることで、このエッジ部近傍では、キャビテータの周囲を流れる流体に剥離が生じて、エッジ部の後方に流体が回り込まなくなり、この部分の圧力が減少する。これにより、キャビテータによるキャビティの発生が良好に行われるとともに、発生したキャビティ及び第１ベンチレータが供給したガスがエッジ部の後方に滞留して気膜を形成する。エッジ部の後方で気膜を形成するガスは、周囲の流体との界面の乱れによって一部が流出する以外はこの領域に留まるので、エッジ部の後方では、少量のガスを継続的に補充するだけで気膜を維持することができる。

そして、キャビテータ及び第１ベンチレータによって水中航走体本体の周囲に気膜が形成されたのちに、第２ベンチレータによって水中航走体の周囲にガスを供給することで、水中航走体本体の先端部側から第２ベンチレータに到達したキャビティが後方に成長させられて気膜を形成する。
このとき、水中航走体の表面にはすでに気膜が形成されているので、第２ベンチレータが供給するガスは、水中航行体の進行方向後方だけでなく、進行方向にも回り込む。すなわち、第２ベンチレータが供給するガスは、キャビテータのエッジ部の後方にも供給されて、この領域における気膜の維持に寄与する。

このため、第２ベンチレータによるガスの供給を開始させたのちに、第１ベンチレータによるガスの供給を停止させても、水中航走体本体の先端側の気膜が維持されるので、水中航走体全体を覆う気膜が維持される。
このように第２ベンチレータのみによって気膜を形成している状態では、水中航走体本体において第１ベンチレータによるガス供給位置よりも後方の領域に気膜を形成するのに必要なだけのガスと、キャビテータのエッジ部後方の気膜を維持するのに必要なだけのごくわずかなガスを供給すればよいので、第１ベンチレータのみによって気膜を形成する場合に比べて、ガスの供給量が少なくて済む。

ここで、第２ベンチレータによるガス供給位置が、第１ベンチレータによるガス供給位置から離間しすぎると、第２ベンチレータが供給するガスが水中航走体本体の先端側に回り込みにくくなり、先端側で気膜の形成が不十分になりやすいので、第２ベンチレータによるガス供給位置は、第１ベンチレータによるガス供給位置よりも水中航走体本体の全長の３０％以下の距離だけ後方の位置に設定する。

この水中航走体の制御方法において、前記第２ベンチレータによるガスの供給量を、前記第１ベンチレータによるガスの供給量の６０±５％としてもよい。

本発明に係る水中航走体の制御方法では、第２ベンチレータの供給するガスの量は、第１ベンチレータの供給するガスの量よりも低減することができるが、供給量が少なすぎると気膜の形成が不十分になって、水中航走体本体に加わる摩擦抵抗が大きくなってしまう。一方、第２ベンチレータによるガスの供給量が多すぎると、第１ベンチレータのみによって気膜を形成する場合とガスの消費量が変わらなくなってしまう。
本発明者らが実験により第２ベンチレータの最適なガス供給量を求めた結果に基づくと、摩擦抵抗の低減とガスの消費量低減とを高レベルで両立させるためには、第２ベンチレータが供給するガスの供給量は、第１ベンチレータによるガスの供給量の６０±５％とすることが好ましい。

また、上記水中航走体の制御方法において、推進方向に対する前記水中航走体本体の軸線の傾斜量を検出する姿勢検出装置を設け、前記気膜の形成後に、前記姿勢検出装置によって検出された前記傾斜量が基準値を超えたことをもって前記気膜の形成処理をやり直すようにしてもよい。

水中航走体が航走中に旋回したり、周囲の水流の擾乱等によって水中航走体本体の軸線が推進方向に対して傾斜すると、その傾斜角度によっては、水中航走体の周囲の一部では、気膜の形成が不十分になったり、気膜がなくなるなど、気膜の維持が困難となる場合がある。
そこで、上記のように、姿勢検出装置によって検出された水中航走体本体の軸線の傾斜量が基準値を超えたことをもって気膜の形成処理をやり直すことで、再度気膜を形成して、低抵抗推進を継続することができる。
なお、気膜形成処理のやり直しの判断基準となる基準値は、シミュレーションや実験等によって求めることができる。

また、上記水中航走体の制御方法において、前記第２ベンチレータを、前記水中航走体本体の周囲の各部に対するガスの供給量を個別に調整可能な構成とし、推進方向に対する前記水中航走体本体の軸線の傾斜量を検出する姿勢検出装置を設け、前記気膜の形成後に、前記姿勢検出装置によって検出された前記傾斜量が基準値を超えたことをもって、前記第２ベンチレータに、前記水中航走体本体の周囲のうち、前記気膜を維持することが困難となる部分に対するガスの供給量を増加させてもよい。

水中航走体本体の軸線が推進方向に対して傾斜すると、その傾斜角度によっては、水中航走体の周囲の一部では、気膜の維持が困難となる場合がある。
そこで、上記のように、姿勢検出装置によって検出された水中航走体本体の軸線の傾斜量が基準値を超えたことをもって、第２ベンチレータに、気膜の維持が困難となる部分に対するガスの供給量を増加させることで、この部分における気膜が回復または再形成される。
すなわち、このように第２ベンチレータを制御することで、水中航走体本体の軸線が推進方向に対して傾斜することによって水中航走体の周囲の一部で気膜の維持が困難となっても、気膜の形成処理をやり直すことなく気膜を回復または再形成させて、低抵抗推進を継続することができる。
なお、制御装置の判断基準となる基準値、及び水中航走体本体の姿勢変化によって気膜の維持が困難となる領域は、シミュレーションや実験等によって求めることができる。

また、上記水中航走体の制御方法において、前記水中航走体の周囲の気膜を検出する気膜検出装置を設け、前記気膜の形成後に、前記気膜検出装置によって気膜が検出されなくなったことをもって前記気膜の形成処理をやり直すようにしてもよい。

この場合には、気膜の形成後に、気膜検出装置によって気膜が検出されなくなったことをもって気膜の形成処理をやり直すので、気膜の形成が不十分になったり気膜がなくなった場合にも、再度気膜を形成して、低抵抗推進を継続することができる。

また、上記水中航走体の制御方法において、前記水中航走体の周囲の気膜を検出する気膜検出装置を設け、前記第２ベンチレータを、前記水中航走体本体の周囲の各部に対するガスの供給量を個別に調整可能な構成とし、前記気膜の形成後に、前記気膜検出装置によって気膜がなくなった領域が検出されたことをもって、前記第２ベンチレータに、前記水中航走体本体の周囲のうち、前記気膜がなくなった部分に対するガスの供給量を増加させるようにしてもよい。

この場合には、気膜の形成後に、気膜検出装置によって水中航走体の周囲の一部領域で気膜がなくなったことが検出されると、第２ベンチレータに、気膜がなくなった部分に対するガスの供給量を増加させるので、この部分における気膜が再形成される。
すなわち、この水中航走体の制御方法では、一部の気膜がなくなっても、気膜全体の形成処理をやり直すことなく、気膜がなくなった領域の気膜を回復させて、低抵抗推進を継続することができる。

本発明に係る水中航行体及びその制御方法によれば、従来よりも気膜を形成するために使用するガスの供給量が少なくて済むので、航続距離を低減させずにガス供給装置の大きさを低減して搭載量を増大させたり、搭載量を低減させずに気膜の形成可能時間をより長くして航続距離を伸ばすことができる。

以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
［第一実施形態］
以下、本発明の第一実施形態について、図１から図４を用いて説明する。
図１の側面図に示すように、本実施形態に係る水中航走体１は、推進機関等の各種装置を内蔵した水中航走体本体２と、水中航走体本体２の先端部に取り付けられて水中航走体本体２の全周にわたってキャビティを発生させるキャビテータ３と、キャビテータ３の直後から周囲にガスを供給することによってキャビテータ３により発生したキャビティを後方に成長させて水中航走体本体２全体を覆う気膜を形成する第１ベンチレータ４とを有している。
また、水中航走体１は、第１ベンチレータ４によるガス供給位置よりも水中航走体本体２の全長Ｌの３０％以下の距離Ｌ１だけ後方の位置から周囲にガスを供給する第２ベンチレータ６と、第１ベンチレータ４及び第２ベンチレータ６を含めた水中航走体１の各部の動作を制御する制御装置７とを有している。

水中航走体本体２は、前方部が若干先細りである細長い円筒形状をしており、その後端側には、推進機関として、例えばロケットエンジンが設けられている。
水中航走体本体２の先端には、水中航走体本体２と軸線をほぼ同一にして、水中航走体本体２よりも小径の略円筒状の取付け部材８が取り付けられている。
この取付け部材８の先端には、水中航走体本体２と軸線を略同一にして、略円錐形状のキャビテータ３が、先端を推進方向に向けた状態にして取り付けられている。
本実施形態では、キャビテータ３は、最大径が取付け部材８よりも大径でかつ水中航走体本体２よりも小径となる円錐形状とされている。これにより、キャビテータ３の後端部が、その全周にわたって、流線に対して内側方向に離れる形状のエッジ部３ａを構成している。

第１ベンチレータ４は、水中航走体本体２内に設けられた図示せぬ高圧ガスボンベ内に貯留されたガスを水中航走体本体２の表面に設けられた吹出口４ａから吹出させるものである。吹出口４ａは、水中航走体本体２の全周にわたって複数設けられており、これによって吹出口４ａから水中航走体本体２の全周にわたってガスが吹出されるようになっている。また、図２に示すように、各吹出口４ａは、流線に平行になる方向に開口されていて、高圧ガスボンベから供給される高圧ガスを、流線に平行になるように、斜め後方に吹出するようになっている。

第２ベンチレータ６は、第１ベンチレータ４と同様に、水中航走体本体２内に設けられた図示せぬ高圧ガスボンベ内に貯留されたガスを水中航走体本体２の表面に設けられた吹出口６ａから吹出させるものである。
吹出口６ａは、水中航走体本体２の全周にわたって複数設けられており、これによって吹出口６ａから水中航走体本体２の全周にわたってガスが吹出されるようになっている。
なお、図１では、第１、第２ベンチレータ４，６の構成部材のうち、吹出口４ａ，６ａのみを図示している。また、第１ベンチレータ４と第２ベンチレータ６とは、それぞれ個別の高圧ガスボンベを使用する構成としてもよく、また、同一の高圧ガスボンベを使用する構成としてもよい。

このように構成される水中航走体１は、水中にて推進機関の推進力を利用して、先端のキャビテータ３によって流体を掻き分ける形で水中を航走する。このように水中航走体１が航走することで、キャビテータ３がその後方にキャビティを発生させる。
また、制御装置７は、航走開始にあたって、まず、第１ベンチレータ４によってキャビテータ３の後方にガスを供給させる。これによって、キャビテータ３が水中航走体本体２の全周にわたって発生させたキャビティが後方に成長させられて、図２に示すように、水中航走体本体２全体を覆う気膜Ａが形成される。
ここで、第１ベンチレータ４からは、斜め後方に向かってガスが吹出されるので、第１ベンチレータ４から吹出されたガスは、水中航走体本体２に沿って後方に速やかに移動することとなって、エッジ部３ａで発生したキャビティを後方に安定して導くことになる。また、この第１ベンチレータ４の吹出口４ａから吹出されたガスは、キャビティを成長させる役目も有する。

水中航走体本体２は、キャビティ及びガスよりなる気膜Ａで覆われることになり、航走時に受ける摩擦抵抗が大幅に減少する。また、水中航走体１の航走速度が上昇すると、エッジ部３ａにおいてキャビティがより多くかつ安定して発生することになり、いわゆるスーパーキャビテーション状態になる。スーパーキャビテーション状態になると水中航走体本体２は完全に気膜Ａに覆われることになり、気相中を移動しているのとほぼ同じ状態となる。
この状態では、キャビテータ３にかかる動圧による圧力抵抗以外は水中航走体１の速度を制限する外力をほとんど受けないので、少なくとも２００ノット以上の航走速度が得られることになる。

ここで、キャビテータ３の後方部には、流線に対して内側方向に離れる形状のエッジ部３ａが設けられているので、このエッジ部３ａ近傍では、キャビテータ３の周囲を流れる流体に剥離が生じて、エッジ部３の後方に流体が回り込まなくなり、この部分の圧力が減少する。これにより、キャビテータ３によるキャビティの発生が良好に行われるとともに、発生したキャビティ及び第１ベンチレータ４が供給したガスがエッジ部３ａの後方に滞留して気膜Ａを形成する。エッジ部３ａの後方で気膜Ａを形成するガスは、周囲の流体との界面の乱れによって一部が流出する以外はこの領域に留まるので、エッジ部３ａの後方では、少量のガスを継続的に補充するだけで気膜Ａを維持することができる。

この水中航走体１では、キャビテータ３及び第１ベンチレータ４によって水中航走体本体２の周囲に気膜Ａが形成されたのちに、制御装置７が、第２ベンチレータ６の動作を開始させて、水中航走体１の周囲にガスを供給する。このように第２ベンチレータ６によってガスを供給することで、水中航走体本体２の先端部側から第２ベンチレータ６に到達したキャビティが後方に成長させられて気膜Ａを形成する。
このとき、水中航走体１の表面にはすでに気膜Ａが形成されているので、第２ベンチレータ６が供給するガスは、水中航行体１の進行方向後方だけでなく、進行方向にも回り込む。すなわち、第２ベンチレータ６が供給するガスは、キャビテータ３のエッジ部３ａの後方にも供給されて、この領域における気膜Ａの維持に寄与する。

制御装置７は、このように第２ベンチレータ６によるガスの供給を開始させたのちに、第１ベンチレータ４によるガスの供給を停止させる。
第１ベンチレータ４によるガスの供給を停止させても、前記のように第２ベンチレータ６が供給するガスが水中航走体本体２の先端側に回り込んでこの領域の気膜Ａの形成に寄与するので、水中航走体本体２全体を覆う気膜Ａが維持される。
すなわち、第２ベンチレータ６からは、水中航走体本体２において第１ベンチレータ４によるガス供給位置よりも後方の領域に気膜Ａを形成するのに必要なだけのガスと、キャビテータ３のエッジ部３ａ後方の気膜Ａを維持するのに必要なだけのごくわずかなガスを供給すればよい。

このように、本実施形態に係る水中航走体１では、図３に示すように、第２ベンチレータ６の供給するガスの量Ｑを第１ベンチレータ４の供給するガスの量Ｑ_０よりも低減することができ、第２ベンチレータ６のみによって気膜Ａを形成している状態では、第１ベンチレータ４のみによって気膜Ａを形成する場合に比べて、ガスの消費量が少なくて済む。

ここで、第２ベンチレータ６によるガス供給位置を水中航走体本体２の後方に近づけると、第２ベンチレータ６によって気膜を形成すべき領域が短くなるために、その分ガス消費量を少なくすることができるが、第二ベンチレータ６によるガス供給位置が第１ベンチレータ４によるガス供給位置から離間しすぎると、第２ベンチレータ６の供給するガスが水中航走体本体２の先端側に回り込みにくくなり、先端側で気膜Ａの形成が不十分になりやすい。

また、この水中航走体１では、上記のように、第２ベンチレータ６の供給するガスの量を第１ベンチレータ４の供給するガスの量よりも低減することができるが、ガスの供給量が少なすぎると気膜Ａの形成が不十分になって、水中航走体本体２に加わる摩擦抵抗が大きくなってしまう。一方、第２ベンチレータ６によるガスの供給量が多すぎると、第１ベンチレータ４のみによって気膜Ａを形成する場合とガスの消費量が変わらなくなってしまう。

そこで、本発明者らは、第２ベンチレータ６によるガス供給位置とガス供給量とを変えて水中航走体本体２に加わる摩擦抵抗の大きさを測定した。この結果を図４のグラフに示す。図４は、第１ベンチレータ４による気膜Ａの形成後に第２ベンチレータ６のみによる気膜Ａの形成を行った状態での、水中航走体本体２に加わる抵抗値を示すグラフである。
図４において、黒菱で示す値は、第２ベンチレータ６によるガス供給位置を第１ベンチレータ４によるガス供給位置よりも０．１Ｌ後方とした場合の値であり（Ｌは水中航走体本体２の全長）、白丸、白三角、白四角は、それぞれ、第２ベンチレータ６によるガス供給位置を第１ベンチレータ４によるガス供給位置よりも０．２５Ｌ、０．５Ｌ、０．７５Ｌ後方とした場合の値である。

図４のグラフから、第２ベンチレータ６によるガス供給位置を、第１ベンチレータ４によるガス供給位置よりも水中航走体本体２の全長Ｌの３０％以下の距離だけ後方に設定すると、気膜Ａの形成を良好に行うことができることが分かった。
このため、本実施の形態では、第２ベンチレータ６によるガス供給位置は、第１ベンチレータ４によるガス供給位置よりもＬ１（≦０．３Ｌ）だけ離間させて、ガス消費量の低減と、気膜Ａの確実な形成を両立させている。

また、図４のグラフから、第２ベンチレータ６の供給するガスの量Ｑが、第１ベンチレータ４によるガスの供給量Ｑ_０の６０％前後である場合に、摩擦抵抗Ｃｄが低くかつガスの消費量も少なくて済むことが分かった。
このため、摩擦抵抗の低減とガスの消費量低減とを高レベルで両立させるためには、第２ベンチレータのガス供給量は、第１ベンチレータによるガスの供給量の６０±５％とすることが好ましい。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について、図５及び図６を用いて説明する。
図５に示すように、本実施形態に係る水中航走体２１は、第一実施形態で示した水中航走体１に、その推進方向に対する水中航走体本体２の軸線の傾斜量（以下、「姿勢角θ」と呼ぶ）を検出するジャイロ等の姿勢検出装置２２を設置し、制御装置７を、気膜Ａの形成後に、姿勢検出装置２２によって検出された姿勢角θが姿勢角閾値（基準値）を超えたことをもって気膜Ａの形成処理をやり直す構成としたことを主たる特徴とするものである。
以下、第一実施形態に示す水中航走体１と同様または同一の部材については同じ符号を用いて示し、詳細な説明を省略する。

一般に、水中航走体が航走中に旋回したり、周囲の水流の擾乱等によって水中航走体本体２の軸線が推進方向に対して傾斜すると、その姿勢角θによっては、水中航走体の周囲の一部（例えば推進方向に向く側）では、気膜の形成が不十分になったり、気膜がなくなるなど、気膜の維持が困難となる場合がある。
この水中航走体２１では、上記のように、制御装置７が、姿勢検出装置２２によって検出された水中航走体本体２の姿勢角θが姿勢角閾値を超えたことをもって（すなわち気膜Ａの維持が困難となった場合に）、気膜Ａの形成処理をやり直す（図８参照）。
このため、水中航走体本体２の軸線が推進方向に対して傾斜することによって気膜Ａの維持が困難となっても、再度気膜Ａを形成して、低抵抗推進を継続することができる。
なお、制御装置７の判断基準となる姿勢角閾値は、シミュレーションや実験等によって求めることができる。

ここで、上記実施の形態では、制御装置７を、姿勢検出装置２２によって検出された水中航走体本体２の姿勢角θが姿勢角閾値を超えたことをもって気膜Ａの形成処理をやり直す構成としたが、これに限られることなく、他の構成を採用してもよい。
例えば、図７に示すように、第２ベンチレータの吹出口６ａを、水中航走体本体２の周囲の各部にそれぞれ設けて、かつこれら吹出口６ａのそれぞれに対するガスの供給量を個別に調整可能な構成とし、制御装置７を、気膜Ａの形成後に、姿勢検出装置２２によって検出された姿勢角θが姿勢角閾値を超えたことをもって、水中航走体本体２の周囲のうち、気膜Ａを維持することが困難となる部分に位置する吹出口６ａに対するガスの供給量を増加させる構成としてもよい。

この場合には、水中航走体本体２が推進方向に対して傾斜したことで気膜Ａの維持が困難となる部分（図７に二点鎖線で示す領域）に対して、第２ベンチレータ６によるガスの供給量を増加させるので、この部分における気膜Ａが、図７に実線で示すように回復または再形成される。
すなわち、この水中航走体２１では、周囲の一部領域で気膜Ａの維持が困難となっても、気膜Ａの形成処理をやり直すことなく、この領域における気膜Ａを回復または再形成させて、低抵抗推進を継続することができる。
図７に示す例では、水中航走体本体２の周囲の空間を軸線回りに四分割し、この各領域に対応させて吹出口６ａを設けている。この構成では、これら四分割された空間のそれぞれについてガスの供給量を調整して、この空間における気膜Ａの回復または再形成を行うことができる。

［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態について、図８から図１０を用いて説明する。
本実施形態に係る水中航走体３１は、第一実施形態に示す水中航走体１において、周囲の気膜を検出する気膜検出装置３２を設け、制御装置７が、気膜Ａの形成後に、気膜検出装置３２によって気膜Ａが検出されなくなったことをもって気膜Ａの形成処理をやり直す構成としたことを主たる特徴とするものである。
以下、第一実施形態に示す水中航走体１と同様または同一の部材については同じ符号を用いて示し、詳細な説明を省略する。

本実施形態では、気膜検出装置３２を、水中航走体本体２の周囲に気膜Ａが形成されている場合には気膜Ａと周囲の水との境界によって光が反射されることを利用して気膜Ａの検出を行う構成としている。
具体的には、気膜検出装置３２を、水中航走体本体２の外側に向けて光を発する光源とこの光源の近傍に設けられた光センサーとの対によって構成し、制御装置７を、光センサーが光を検出している状態（もしくは検出出力がある閾値以上である場合）ではその光センサー近傍の領域に気膜Ａが形成されているとみなし、光センサーが光を検出しなくなった状態（もしくは検出出力がある閾値を下回った場合）ではその光センサー近傍の領域で気膜Ａがなくなったとみなす構成としている。

ここで、気膜Ａの厚みがある範囲内にある場合には、気膜Ａの厚みが増すほど光センサーに光源からの光が届きやすくなるので、光センサーの出力の大きさに基づいて、気膜Ａの厚さを検出することができる。
また、気膜検出装置３２による気膜Ａの検出範囲は、気膜Ａの形成が不十分になったり気膜Ａがなくなった際に直ちにこれを検出することができるよう、水中航走体本体２の周囲のうち、最も気膜Ａの形成が不十分になったり気膜Ａがなくなりやすい領域（例えば水中航走体２の後方側）に配置することが好ましい。本実施形態では、気膜検出装置３２による気膜Ａの検出範囲を、水中航走体本体２の後方側に周方向の複数箇所に配置している。

この水中航走体３１では、気膜Ａの形成後に、制御装置７が、気膜検出装置３２によって気膜Ａが検出されなくなったことをもって気膜Ａの形成処理をやり直す（図１０参照）。
このため、気膜Ａの形成が不十分になったり気膜Ａがなくなった場合にも、再度気膜Ａを形成して、低抵抗推進を継続することができる。

ここで、上記実施の形態では、制御装置７を、気膜検出装置３２によって気膜Ａが検出されなくなったことをもって気膜Ａの形成処理をやり直す構成としたが、これに限られることなく、他の構成を採用してもよい。
例えば、第２ベンチレータの吹出口６ａを、水中航走体本体２の周囲の各部にそれぞれ設けて、かつこれら吹出口６ａのそれぞれに対するガスの供給量を個別に調整可能な構成とし、制御装置７を、気膜Ａの形成後に、気膜検出装置３２によって気膜Ａが検出されなくなった領域が生じたことをもって、水中航走体本体２の周囲のうち、気膜Ａが検出されなくなった領域に位置する吹出口６ａに対するガスの供給量を増加させる構成としてもよい。

この場合には、気膜Ａの形成後に、気膜検出装置３２によって水中航走体３１の周囲の一部領域で気膜Ａがなくなったことが検出されると、制御装置７が、第２ベンチレータに、気膜がなくなった部分に対するガスの供給量を増加させるので、この部分における気膜Ａが再形成される。
すなわち、この水中航走体３１では、一部の気膜Ａがなくなっても、気膜Ａ全体の形成処理をやり直すことなく、気膜Ａがなくなった領域の気膜Ａを回復させて、低抵抗推進を継続することができる。
この様な水中航走体３１では、水中航走体本体２の周囲の空間を軸線回りに四分割し、この各領域に対応させて吹出口６ａと気膜検出装置３２をそれぞれ設けている。この構成では、これら四分割された空間のそれぞれについて気膜Ａの検出とガスの供給量の調整を行うことができ、これらの空間について個別に気膜Ａの回復または再形成を行うことができる。

ここで、上記各実施形態では、第１、第２ベンチレータ４，６を、高圧ガスボンベに貯留されたガスを吹出する構成とした例を示したが、これに限られることなく、推進機関として、例えばロケットエンジン、ジェットエンジン等を用いた場合には、この推進機関の発生させる燃焼ガスを吹出する構成としてもよい。この場合には、水中航走体本体２内に高圧ガスボンベを設置する必要がないので、水中航走体本体２内のスペースを有効に活用することができる。

本発明の第一実施形態に係る水中航走体を示す側面図である。図１に示す水中航走体の先端部を示す断面図である。本発明の第一実施形態に係る水中航走体における第１、第２ベンチレータの制御の様子を示すグラフである。本発明の第一実施形態に係る水中航走体における第２ベンチレータのガス吹出量と摩擦抵抗との関係を示すグラフである。本発明の第二実施形態に係る水中航走体を示すブロック図である。本発明の第二実施形態に係る水中航走体における第１、第２ベンチレータの制御の様子を示すグラフである。本発明の第二実施形態に係る水中航走体の他の形態例を示す図である。本発明の第三実施形態に係る水中航走体を示すブロック図である。本発明の第三実施形態に係る水中航走体を示す側面図である。本発明の第三実施形態に係る水中航走体における第１、第２ベンチレータの制御の様子を示すグラフである。

符号の説明

１，２１，３１水中航走体
２水中航走体本体
３キャビテータ
４第１ベンチレータ
６第２ベンチレータ
７制御装置
３ａエッジ部
２２姿勢検出装置
３２気膜検出装置
Ａ気膜

Claims

推進機関を備える水中航走体本体と、
該水中航走体本体の先端部に設けられてその後方部で前記水中航走体本体の全周にわたってキャビティを発生させるキャビテータと、
前記水中航走体本体の前記キャビテータの直後から周囲にガスを供給することによって該キャビテータにより発生したキャビティを後方に成長させて前記水中航走体本体全体を覆う気膜を形成する第１ベンチレータと、
該第１ベンチレータによるガス供給位置よりも前記水中航走体本体の全長の３０％以下の距離だけ後方の位置から周囲にガスを供給する第２ベンチレータと、
前記第１ベンチレータ及び前記第２ベンチレータの動作を制御する制御装置とを有し、
前記キャビテータは、その後方部に、流線に対して内側方向に離れる形状のエッジ部を有しており、
前記制御装置は、前記気膜を形成するにあたって、まず前記第１ベンチレータのみにガスの供給を行わせ、
前記気膜が形成されたのちは前記第２ベンチレータによって前記第１ベンチレータによるガスの供給量よりも少ない量のガスを供給させたのち、前記第１ベンチレータによるガスの供給を停止させる水中航走体。
前記第２ベンチレータによるガスの供給量が、前記第１ベンチレータによるガスの供給量の６０±５％とされている請求項１記載の水中航走体。
推進方向に対する前記水中航走体本体の軸線の傾斜量を検出する姿勢検出装置を有し、
前記制御装置は、前記気膜の形成後に、前記姿勢検出装置によって検出された前記傾斜量が基準値を超えたことをもって前記気膜の形成処理をやり直す請求項１または２に記載の水中航走体。
前記第２ベンチレータが、前記水中航走体本体の周囲の各部に対するガスの供給量を個別に調整可能とされており、
推進方向に対する前記水中航走体本体の軸線の傾斜量を検出する姿勢検出装置を有し、
前記制御装置は、前記気膜の形成後に、前記姿勢検出装置によって検出された前記傾斜量が基準値を超えたことをもって、前記第２ベンチレータに、前記水中航走体本体の周囲のうち、前記気膜を維持することが困難となる部分に対するガスの供給量を増加させる請求項１または２に記載の水中航走体。
前記水中航走体の周囲の気膜を検出する気膜検出装置を有し、
前記制御装置は、前記気膜の形成後に、前記気膜検出装置によって気膜が検出されなくなったことをもって前記気膜の形成処理をやり直す請求項１から４のいずれか１項に記載の水中航走体。
前記水中航走体の周囲の各部における気膜を検出する気膜検出装置を有し、
前記第２ベンチレータが、前記水中航走体本体の周囲の各部に対するガスの供給量を個別に調整可能とされており、
前記制御装置は、前記気膜の形成後に、前記気膜検出装置によって気膜がなくなった領域が検出されたことをもって、前記第２ベンチレータに、前記水中航走体本体の周囲のうち、前記気膜がなくなった部分に対するガスの供給量を増加させる請求項１から４のいずれか１項に記載の水中航走体。
推進機関を備える水中航走体本体と、該水中航走体本体の先端部に設けられてその後方部で前記水中航走体本体の全周にわたってキャビティを発生させるキャビテータと、前記水中航走体本体の前記キャビテータの直後から周囲にガスを供給することによって該キャビテータにより発生したキャビティを後方に成長させて前記水中航走体本体全体を覆う気膜を形成する第１ベンチレータとを有する水中航走体に、前記第１ベンチレータによるガス供給位置よりも前記水中航走体本体の全長の３０％以下の距離だけ後方の位置から周囲にガスを供給する第２ベンチレータを設け、
前記キャビテータの後方部に、流線に対して内側方向に離れる形状のエッジ部を設け、
前記気膜を形成するにあたって、まず前記第１ベンチレータのみにガスの供給を行わせ、
前記気膜が形成されたのちは前記第２ベンチレータによって前記第１ベンチレータによるガスの供給量よりも少ない量のガスを供給させたのち、前記第１ベンチレータによるガスの供給を停止させる水中航走体の制御方法。
前記第２ベンチレータによるガスの供給量を、前記第１ベンチレータによるガスの供給量の６０±５％とする請求項７記載の水中航走体の制御方法。
推進方向に対する前記水中航走体本体の軸線の傾斜量を検出する姿勢検出装置を設け、
前記気膜の形成後に、前記姿勢検出装置によって検出された前記傾斜量が基準値を超えたことをもって前記気膜の形成処理をやり直す請求項７または８に記載の水中航走体の制御方法。
前記第２ベンチレータを、前記水中航走体本体の周囲の各部に対するガスの供給量を個別に調整可能な構成とし、
推進方向に対する前記水中航走体本体の軸線の傾斜量を検出する姿勢検出装置を設け、
前記気膜の形成後に、前記姿勢検出装置によって検出された前記傾斜量が基準値を超えたことをもって、前記第２ベンチレータに、前記水中航走体本体の周囲のうち、前記気膜を維持することが困難となる部分に対するガスの供給量を増加させる請求項７または８に記載の水中航走体の制御方法。
前記水中航走体の周囲の気膜を検出する気膜検出装置を設け、
前記気膜の形成後に、前記気膜検出装置によって気膜が検出されなくなったことをもって前記気膜の形成処理をやり直す請求項７から１０のいずれか１項に記載の水中航走体の制御方法。
前記水中航走体の周囲の気膜を検出する気膜検出装置を設け、
前記第２ベンチレータを、前記水中航走体本体の周囲の各部に対するガスの供給量を個別に調整可能な構成とし、
前記気膜の形成後に、前記気膜検出装置によって気膜がなくなった領域が検出されたことをもって、前記第２ベンチレータに、前記水中航走体本体の周囲のうち、前記気膜がなくなった部分に対するガスの供給量を増加させる請求項７から１０のいずれか１項に記載の水中航走体の制御方法。