JP6425237B2

JP6425237B2 - 帆装船の帆の角度制御方法、角度制御装置及びそれを搭載した帆装船

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Publication number: JP6425237B2
Application number: JP2014125154A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　良介; 良介鈴木; 吉昭塚田; 道雄上野
Original assignee: National Institute of Maritime Port and Aviation Technology
Current assignee: National Institute of Maritime Port and Aviation Technology
Priority date: 2014-06-18
Filing date: 2014-06-18
Publication date: 2018-11-21
Anticipated expiration: 2034-06-18
Also published as: JP2016002918A

Description

本発明は、複数の帆を有する帆装船の帆の角度制御方法、角度制御装置及びそれを搭載した帆装船に関する。

帆装船は、帆を装備し、その帆に風を受けることによって推進力を得る。このような帆装船は、帆を複数備えることが一般的である。複数の帆を有する帆装船では、帆同士の互いの干渉により、単独の帆に比べて各帆において発生可能な推進力は低下する。そこで、複数の帆のそれぞれの角度を別々に制御することによって、帆装船の推進力を改善する方法が提案されている。

帆装船の帆の角度制御法として「傾斜配列法」が挙げられる。これは、複数の帆の干渉の影響を小さくする帆の角度制御法である。例えば、船首から第１帆〜第４帆の４つの帆を有する帆装船の場合、以下のステップによって各帆の角度を制御する（特許文献１等）。
（１）第１帆〜第４帆の迎角を０°から同時に増加させる。
（２）第１帆〜第４帆の船体前後方向の推進力係数の平均値が最大となる迎角で第１帆の迎角を定める。
（３）（２）の状態で第１帆の迎角を固定し、第２帆〜第４帆の迎角を（２）で求めた角度からさらに同時に増加させる。
（４）（２）と同様に、第１帆〜第４帆の船体前後方向の推進力係数の平均値が最大となる迎角で第２帆の迎角を定める。
（５）以降、第３帆及び第４帆について同様に迎角を定める。

また、複数の帆に対して、予め風洞実験で得た単独帆の性能曲線によって最適角度に設定し、次いで風下側の帆の角度を帆面から気流が剥離するまで次第に減じ、気流が剥離したときの角度に基づいて最適帆角を定める複数帆の制御方法が開示されている（特許文献２）。

特開２００５−２８０６１７号公報特開昭５９−２０６２９６号公報

特許文献１に代表される従来の「傾斜配列法」では、複数の帆の角度を順に制御していくので、風下の帆による干渉を十分に反映した角度制御とならない。また、風下の帆は風上の帆の角度と同じかそれ以上にしか設定されないので、風上の帆の迎角を決定する際にそれより風下の帆に失速が発生してもそれらの帆の推進力を改善することができない。

また、特許文献２の複数帆の制御方法は、風下側の帆の迎え角を帆面から気流が剥離した時の角度に基づいて定めているため、揚力係数の変化が大きい領域に帆を臨ませる結果となり、性能のバラツキが大きくなることが予測された。本発明は、複数の帆を有した帆装船において、帆の干渉を考慮して帆による推力を増大し得る帆の制御方法を提供することを目的とする。

請求項１に対応した複数の帆を装備した帆装船の各帆の角度を制御する角度制御方法は、前記複数の帆の風の風向に対する迎角を揃えて初期状態に設定した後、前記複数の帆を同時に同じ回転方向に同じ回転速度で回転させて風の風向に対する迎角を変更し最大の推力が得られる迎角を求めて第１の帆の設定角とし、次いで前記第１の帆を前記第１の帆の設定角に維持したまま残りの帆を同時に回転させて風の風向に対する迎角を変更し最大の推力が得られる迎角を求めて第２の帆の設定角とし、以下順次同様に前記複数の帆の各々について設定角を決定する第１ステップと、前記第１ステップにおいて決定された各帆の設定角の角度差を保ちながら前記複数の帆の迎角を同時に同量だけ微小角度増減させる第２ステップと、前記第２ステップにおいて迎角を増減させたときに前記複数の帆による推力の平均値が増大する回転方向を決定し、さらに決定された方向に前記複数の帆の迎角を同時に同量だけ増減させる第３ステップと、前記第３ステップにおいて前記複数の帆による推力の平均値が最大となる迎角に基づいて前記複数の帆の各々の最適設定角を決定する第４ステップとを備える。

ここで、前記第４ステップでは、前記複数の帆による推力の平均値が最大となる迎角を前記複数の帆の各々の最適設定角とすることが好適である。これは、傾斜角度差保持法に相当する。

また、前記第４ステップは、前記第３ステップにおいて前記複数の帆による推力の平均値が最大となる迎角を前記第１の帆の最適設定角とする第５ステップと、既に決定された帆の最適設定角を維持したまま、未だ最適設定角が決定されていない残りの帆について前記第１ステップにおいて決定された各帆の設定角の角度差を保ちながら迎角を同時に同量だけ微小角度増減させる第６ステップと、前記第６ステップにおいて迎角を増減させたときに前記複数の帆による推力の平均値が増大する回転方向を決定し、さらに決定された方向に残りの帆の迎角を同時に同量だけ増減させる第７ステップと、前記第７ステップにおいて前記複数の帆による推力の平均値が最大となる迎角を次の帆の最適設定角とする第８ステップとを含み、以下順次同様に、前記第６ステップから前記第８ステップを繰り返して前記複数の帆の各々について最適設定角を決定することが好適である。これは、反復傾斜配列法に相当する。

また、前記第１ステップにおいて、前記風向に対する迎角を０度から増す方向に前記複数の帆を回転させることが好適である。

また、下記数式（１）によって求められる船体前後方向推進力係数の平均値が最大になったときに前記複数の帆による推力の平均値が最大になったものとすることが好適である。
また、帆装船の模型船を用いて前記複数の帆の最適設定角を求めることが好適である。

請求項７に対応する帆装船の帆の角度制御装置は、上記の帆装船の帆の角度制御方法により決定された前記複数の帆の各々の最適設定角を設定する最適設定角設定手段と、前記複数の帆を取り付けた複数のマストと、前記複数のマストを回転させる回転手段と、前記回転手段により前記複数のマストを回転させ、風の風向に対して前記複数の帆の各々の迎角が前記最適設定角設定手段において設定された最適設定角となるよう制御する角度制御手段とを備える。

ここで、前記最適設定角設定手段は、前記帆装船の帆の角度制御方法により予め決定された前記複数の帆の各々の最適設定角を記憶する記憶手段を備え、前記角度制御手段は、前記記憶手段から前記複数の帆の各々の最適設定角を読み出して制御を行うことが好適である。

また、前記帆装船の帆の角度制御方法において前記複数の帆の最適設定角を求める際に前記回転手段によって前記複数の帆を回転させることが好適である。

また、風の風向を検出する風向検出手段を備え、前記角度制御手段は、前記風向検出手段で検出される前記風向の変化に応じて、前記複数の帆が前記風向に対して最適設定角となるように制御を行うことが好適である。

また、風の風速を測定する風速測定手段を備え、前記角度制御手段は、前記風速測定手段で測定される前記風速が基準風速を超えると制御を止めることが好適である。

また、請求項１２に対応する帆装船は、上記の帆装船の帆の角度制御装置を搭載した帆装船である。

本発明の複数の帆を装備した帆装船の各帆の角度を制御する角度制御方法は、複数の帆を装備した帆装船の各帆の角度を制御する角度制御方法であって、前記複数の帆の風の風向に対する迎角を揃えて初期状態に設定した後、前記複数の帆を同時に同じ回転方向に同じ回転速度で回転させて風の風向に対する迎角を変更し最大の推力が得られる迎角を求めて第１の帆の設定角とし、次いで前記第１の帆を前記第１の帆の設定角に維持したまま残りの帆を同時に回転させて風の風向に対する迎角を変更し最大の推力が得られる迎角を求めて第２の帆の設定角とし、以下順次同様に前記複数の帆の各々について設定角を決定する第１ステップと、前記第１ステップにおいて決定された各帆の設定角の角度差を保ちながら前記複数の帆の迎角を同時に同量だけ微小角度増減させる第２ステップと、前記第２ステップにおいて迎角を増減させたときに前記複数の帆による推力の平均値が増大する回転方向を決定し、さらに決定された方向に前記複数の帆の迎角を同時に同量だけ増減させる第３ステップと、前記第３ステップにおいて前記複数の帆による推力の平均値が最大となる迎角に基づいて前記複数の帆の各々の最適設定角を決定する第４ステップとを備えることによって、例えば、気流が剥離して推力が急激に低減する領域を避け、帆装船において帆によって得られる推力を帆の干渉を考慮して増大させることができる。帆の有効利用により、主機関の燃料消費量が減少すれば、二酸化炭素（ＣＯ_２）の排出量が減少し、環境負荷の軽減に寄与することができる。

ここで、前記第４ステップでは、前記複数の帆による推力の平均値が最大となる迎角を前記複数の帆の各々の最適設定角とする傾斜角度差保持法を適用することによって、後述する反復傾斜配列法よりも簡易的に帆の最適設定角を決定することができる。

また、前記第４ステップは、前記第３ステップにおいて前記複数の帆による推力の平均値が最大となる迎角を前記第１の帆の最適設定角とする第５ステップと、既に決定された帆の最適設定角を維持したまま、未だ最適設定角が決定されていない残りの帆について前記第１ステップにおいて決定された各帆の設定角の角度差を保ちながら迎角を同時に同量だけ微小角度増減させる第６ステップと、前記第６ステップにおいて迎角を増減させたときに前記複数の帆による推力の平均値が増大する回転方向を決定し、さらに決定された方向に残りの帆の迎角を同時に同量だけ増減させる第７ステップと、前記第７ステップにおいて前記複数の帆による推力の平均値が最大となる迎角を次の帆の最適設定角とする第８ステップとを含み、以下順次同様に、前記第６ステップから前記第８ステップを繰り返して前記複数の帆の各々について最適設定角を決定する反復傾斜配列法を適用することによって、前述した傾斜角度差保持法よりも推力を増大させる帆の最適設定角をさらに的確に決定することができる。

また、前記第１ステップにおいて、前記風向に対する迎角を０度から増す方向に前記複数の帆を回転させることによって、初期状態を揃えて風向に対して推力が最大推力となる迎角を求め易くすることができるので、確実に帆の最適設定角を決定することができる。

また、下記数式（２）によって求められる船体前後方向推進力係数の平均値が最大になったときに前記複数の帆による推力の平均値が最大になったものとすることによって、帆装船の推力に代えて無次元の船体前後方向推進力係数に基づいて帆の最適設定角を決定することができる。
また、帆装船の模型船を用いて前記複数の帆の最適設定角を求めることによって、実船を用いることなく帆の最適設定角を決定することができる。

本発明の帆装船の帆の角度制御装置は、上記の帆装船の帆の角度制御方法により決定された前記複数の帆の各々の最適設定角を設定する最適設定角設定手段と、前記複数の帆を取り付けた複数のマストと、前記複数のマストを回転させる回転手段と、前記回転手段により前記複数のマストを回転させ、風の風向に対して前記複数の帆の各々の迎角が前記最適設定角設定手段において設定された最適設定角となるよう制御する角度制御手段とを備えることによって、例えば、気流が剥離して推力が急激に低減する領域を避け、帆装船において帆によって得られる推力を帆の干渉を考慮して増大させることができる。帆の有効利用により、主機関の燃料消費量が減少すれば、二酸化炭素（ＣＯ_２）の排出量が減少し、環境負荷の軽減に寄与することができる。

ここで、前記最適設定角設定手段は、前記帆装船の帆の角度制御方法により予め決定された前記複数の帆の各々の最適設定角を記憶する記憶手段を備え、前記角度制御手段は、前記記憶手段から前記複数の帆の各々の最適設定角を読み出して制御を行うことによって、予め決定された帆の最適設定角を用いて船舶の推力を増大させることができる。

また、前記帆装船の帆の角度制御方法において前記複数の帆の最適設定角を求める際に前記回転手段によって前記複数の帆を回転させることによって、回転手段を最適設定角となるように制御することに加え、最適設定角を決定する際にも利用できる。

また、風の風向を検出する風向検出手段を備え、前記角度制御手段は、前記風向検出手段で検出される前記風向の変化に応じて、前記複数の帆が前記風向に対して最適設定角となるように制御を行うことによって、時々刻々と変化する風向に応じて予め決定された帆の最適設定角を用いて船舶の推力を増大させることができる。

また、風の風速を測定する風速測定手段を備え、前記角度制御手段は、前記風速測定手段で測定される前記風速が基準風速を超えると制御を止めることによって、例えば、強風時には帆の角度制御を中止し、あるいは帆を収納し、船舶を安全に航行させることができる。また、帆装船に上記の帆の角度制御装置を搭載することにより、帆によって得られる推力を帆の干渉を考慮して増大させた帆装船を実現することができる。

第１の実施の形態における風洞内要部の平面図である。第１の実施の形態における帆装船の帆の最適設定角の探索方法を説明するための図である。第１の実施の形態における帆装船の帆の最適設定角の探索方法を示すフローチャートである。第２の実施の形態における帆装船の帆の最適設定角の探索方法を示すフローチャートである。第１、第２の実施の形態の効果を従来の帆の角度制御方法と比較して示すグラフである。変形例１における風洞内要部の平面図である。変形例１における実船の構成を示す図である。変形例２における実船の構成を示す図である。本発明の帆の角度制御方法により得られた最適設定角を用いて帆の制御を行う実船の構成を示す図である。

＜第１の実施の形態（傾斜角度差保持法）＞
本発明の実施の形態における帆装船の模型船を用いて帆装船の帆の角度を制御する方法について説明する。

図１は、本実施の形態における風洞内要部の平面図である。一様流としての風Ｗの吹く風洞１０の内部に水槽１２が設置されており、水槽１２内の水面に模型船１００が浮かべられて、固定部材１４に係留索１６ａ，１６ｂ，１６ｃで係留されている。模型船１００の船長方向における係留索１６ａには、張力計１８が介装される。

模型船１００は、船上において船首側から船尾側へ所要の間隔で第１の帆２０ａ，第２の帆２０ｂ，第３の帆２０ｃ，第４の帆２０ｄの順に備えており、図示しない遠隔制御可能の駆動機構を介して各帆を独立に旋回させたり、停止させたりできるように構成されている。なお、本実施の形態では、模型船１００は４つの帆を有する例を示すが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものでなく、少なくとも２つの帆を有する帆装船であればよい。

このように風洞１０内に模型船１００を配置し、模型船１００を係留している係留索１６ａ，１６ｂ，１６ｃを調整することで、図２に示すように、模型船１００の船体に対する風Ｗの風向を調整することができる。なお、以下の説明では、模型船１００の船体に対する見かけの風向をΨとし、第１の帆２０ａ〜第４の帆２０ｄの風向Ψに対する迎角をα，β、γ、δとする。

以下、図３のフローチャートを参照しつつ、第１の帆２０ａ〜第４の帆２０ｄの風Ｗの風向Ψに対する最適設定角を求める傾斜角度差保持法について説明する。

ステップＳ１では、傾斜配列法によって帆の角度を設定する。「傾斜配列法」では、第１の帆２０ａ〜第４の帆２０ｄを風向Ψに対して迎角α，β、γ、δを揃えて初期状態に設定した後、一斉に同じ回転方向および同じ回転速度で徐々に回転させながら迎角α，β、γ、δを変更し、模型船１００に対して４つの帆を合計した最大の推力が得られる迎角α，β、γ、δ（等角度）を求めて第１の帆２０ａの設定角α１とする。また、迎角α，β、γ、δの初期状態を揃えて風向Ψに対して０度とすることにより、４つの帆を合計した推力が最大推力となる迎角α，β、γ、δ（等角度）を求め易くすることができるので制御の安定性の面から好適である。次いで、第１の帆２０ａの迎角αを設定角α１に維持したまま、残りの帆である第２の帆２０ｂ、第３の帆２０ｃ及び第４の帆２０ｄを同時に回転させて風向Ψに対する迎角β、γ、δを揃った状態で変更し、模型船１００に対して４つの帆を合計した最大の推力が得られる迎角を求めて第２の帆２０ｂの設定角β１とする。さらに、第１の帆２０ａの迎角αを設定角α１及び第２の帆２０ｂの迎角βを設定角β１に維持したまま、残りの帆である第３の帆２０ｃ及び第４の帆２０ｄを同時に回転させて風向Ψに対する迎角γ、δを揃った状態で変更し、模型船１００に対して４つの帆を合計した最大の推力が得られる迎角を求めて第３の帆２０ｃの設定角γ１とする。そして、第１の帆２０ａの迎角αを設定角α１、第２の帆２０ｂの迎角βを設定角β１及び第３の帆２０ｃの迎角γを設定角γ１に維持したまま、残りの帆である第４の帆２０ｄを回転させて風向Ψに対する迎角δを変更し、模型船１００に対して４つの帆を合計した最大の推力が得られる迎角を求めて第４の帆２０ｄの設定角δ１とする。なお、傾斜配列法は、回転は迎角の増加方向に回転させることを基本とするが、回転の開始時や途中で逆方向に推力に影響の無い範囲で戻し、再び増加させるような方法も含むものとする。

ここで、模型船１００に対する推力は、係留索１６ａに設けられた張力計１８の張力測定によって求めることができる。模型船１００に対する推力は、数式（１）で表現される無次元の船体前後方向推進力係数Ｃ_Ｘを用いて評価することができる。すなわち、船体前後方向推進力係数Ｃ_Ｘが最大になれば模型船１００に対する推力が最大になる。Ｘは模型船１００に対する船体前後方向の推力成分、ρ_Ａは空気密度、Ｕ_Ａは見かけの風速、Ｓ_ｓａｉｌは帆の投影面積を意味する。
Ｃｘ：船体前後方向推進力係数・・・（無次元値）
Ｘ：帆の船体前後方向の力成分・・・ [N]
ρ_Ａ：空気密度・・・ [kg/m³]
Ｕ_Ａ：見かけの風速・・・ [m/s]
Ｓ_ｓａｉｌ：帆の投影面積・・・[m²]

ステップＳ２では、ステップＳ１において決定された複数の帆の設定角の角度差を保ちながら、各帆の迎角を同時に同量だけ微小角度増減させる。本実施の形態では、第１の帆２０ａ〜第４の帆２０ｄの迎角α，β，γ，δを設定角α１，β１，γ２，δ１に設定して角度差を維持したまま第１の帆２０ａ〜第４の帆２０ｄの迎角α，β，γ，δを同時に同回転方向に同速度で微小角度増減させる。

ステップＳ３では、ステップＳ２において迎角を増減させたときに複数の帆による推力の平均値が増大する回転方向を決定し、さらに決定された方向に複数の帆の迎角を同時に同量だけ増減させる。本実施の形態では、ステップＳ２において迎角を増減させたときに第１の帆２０ａ〜第４の帆２０ｄによる推力の平均値が増大する回転方向を決定し、決定された回転方向に第１の帆２０ａ〜第４の帆２０ｄの迎角α，β，γ，δを同時に同量だけさらに増減させる。

ステップＳ４では、ステップＳ３において複数の帆による推力の平均値が最大となる迎角に基づいて複数の帆の各々の最適設定角を決定する。本実施の形態では、ステップＳ３において迎角を変更させたときに第１の帆２０ａ〜第４の帆２０ｄによる推力の平均値が最大となる迎角α，β，γ，δを第１の帆２０ａ〜第４の帆２０ｄの最適設定角α２，β２，γ２，δ２として決定する。

複数の帆の各々についての最適設定角の探索は、係留索１６ｂ，１６ｃを調整することによって模型船１００に対する風向Ψを変えながら行われ、各風向Ψに対して得られた各帆の最適設定角のデータを実船における帆の角度制御に用いることができる。

＜第２の実施の形態（反復傾斜配列法）＞
上記第１の実施の形態では、ステップＳ４において複数の帆による推力の平均値が最大となる迎角を複数の帆の各々の最適設定角とする傾斜角度差保持法とした。第２の実施の形態では、第１の実施の形態における傾斜角度差保持法を変更した反復傾斜配列法について説明する。

以下、図４のフローチャートを参照しつつ、第１の帆２０ａ〜第４の帆２０ｄの風Ｗの風向Ψに対する最適設定角を求める反復傾斜配列法について説明する。なお、反復傾斜配列法では、ステップＳ１〜Ｓ３までは傾斜角度差保持法と同様であり、ステップＳ４を以下のステップＳ５〜Ｓ８を含むサブルーチンとして処理する。

ステップＳ５では、ステップＳ３において複数の帆による推力の平均値が最大となる迎角を第１の帆の最適設定角とする。本実施の形態では、ステップＳ３において第１の帆２０ａ〜第４の帆２０ｄによる推力の平均値が最大となる迎角α，β，γ，δを求め、そのときの迎角αを第１の帆２０ａの最適設定角α２として決定する。

ステップＳ６では、既に決定された帆の最適設定角を維持したまま、未だ最適設定角が決定されていない残りの帆についてステップＳ１において決定された各帆の設定角の角度差を保ちながら迎角を同時に同量だけ微小角度増減させる。

例えば、第１の帆２０ａに対して最適設定角α２が既に決定されている場合、第１の帆２０ａの最適設定角α２を維持したまま、未だ最適設定角が決定されていない残りの第２の帆２０ｂ〜第４の帆２０ｄについてステップＳ１において決定された各帆の設定角β１，γ１，δ１の角度差を保ちながら迎角β，γ，δを同時に同量だけ微小角度増減させる。また、例えば、第１の帆２０ａに対して最適設定角α２及び第２の帆２０ｂに対して最適設定角β２が既に決定されている場合、第１の帆２０ａの最適設定角α２及び第２の帆２０ｂの最適設定角β２を維持したまま、未だ最適設定角が決定されていない残りの第３の帆２０ｃ及び第４の帆２０ｄについてステップＳ１において決定された各帆の設定角γ１，δ１の角度差を保ちながら迎角γ，δを同時に同量だけ微小角度増減させる。また、例えば、第１の帆２０ａに対して最適設定角α２、第２の帆２０ｂに対して最適設定角β２及び第３の帆２０ｃに対して最適設定角γ２が既に決定されている場合、第１の帆２０ａの最適設定角α２、第２の帆２０ｂの最適設定角β２及び第３の帆２０ｃの最適設定角γ２を維持したまま、未だ最適設定角が決定されていない残りの第４の帆２０ｄについて迎角δを微小角度増減させる。

ステップＳ７では、ステップＳ６において迎角を増減させたときに複数の帆による推力の平均値が増大する回転方向を決定し、さらに決定された方向に残りの帆の迎角を同時に同量だけ増減させる。本実施の形態では、ステップＳ６において迎角を増減させたときに第１の帆２０ａ〜第４の帆２０ｄによる推力の平均値が増大する回転方向を決定し、決定された回転方向に未だ最適設定角が決定されていない残りの帆の迎角を同時に同量だけさらに変更させる。

ステップＳ７では、複数の帆による推力の平均値が最大となる迎角を次の帆の最適設定角とする。

例えば、第１の帆２０ａに対して最適設定角α２が既に決定されている場合、第１の帆２０ａ〜第４の帆２０ｄによる推力の平均値が最大となる迎角βを第２の帆２０ｂの最適設定角β２として決定する。また、例えば、第１の帆２０ａに対して最適設定角α２及び第２の帆２０ｂに対して最適設定角β２が既に決定されている場合、第１の帆２０ａ〜第４の帆２０ｄによる推力の平均値が最大となる迎角γを第３の帆２０ｃの最適設定角γ２として決定する。また、例えば、第１の帆２０ａに対して最適設定角α２、第２の帆２０ｂに対して最適設定角β２及び第３の帆２０ｃに対して最適設定角γ２が既に決定されている場合、第１の帆２０ａ〜第４の帆２０ｄによる推力の平均値が最大となる迎角δを第４の帆２０ｄの最適設定角δ２として決定する。

ステップＳ９では、帆の迎角を最適化する対象となっている帆が残っているか否かを判定する。既にすべての帆について最適設定角が決定されている場合には処理を終了し、そうでない場合にはステップＳ６に処理を戻して残りの帆について最適設定角を決定する。

図５は、従来の傾斜配列法に対する第１の実施の形態の帆の角度制御法（傾斜角度差保持法）及び第２の実施の形態の帆の角度制御法（反復傾斜配列法）の効果を比較して説明する図である。図５において、横軸は模型船１００に対する見かけの風向Ψを示し、縦軸は傾斜角度差保持法及び反復傾斜配列法によって得られた最適設定角を適用した場合の傾斜配列法からの船体前後方向推進力係数Ｃ_Ｘの変化率を示す。また、図中において、破線は傾斜角度差保持法の結果を示し、実線は反復傾斜配列法の結果を示す。

図５に示すように、傾斜角度差保持法及び反復傾斜配列法では第１の帆２０ａ〜第４の帆２０ｄによる推力を示す船体前後方向推進力係数Ｃ_Ｘの平均値が最大５％程度改善した。

以上のように、上記実施の形態における帆装船の帆の最適設定角探索方法を適用することによって、複数の帆を備えた帆装船において船体と帆の相互干渉及び帆同士の相互干渉による影響を考慮した最適設定角を決定することが可能となり、しかも能率よく短時間で探索作業を行う帆の角度制御方法を実現することができる。

なお、上記実施の形態では、模型船１００を風洞１０内に設置された水槽１２の水面に浮かべた状態で各帆の最適設定角を決定する態様としたが、実船の喫水線よりも上方の形状のみを模した模型船を風洞内のターンテーブル上に載置して、同模型船に複数の帆を設けて、上記のターンテーブルと模型船との間にロードセルを介設してもよい。このような構成の場合、ターンテーブルの回動調節により模型船に対する相対的な風の向きを変えながら、各帆と船体との相互干渉及び帆同士の相互干渉に配慮した各帆の最適設定角を探索することができる。

また、上記実施の形態では、船首から船尾に向けて第１の帆２０ａ、第２の帆２０ｂ・・・の順番としたが、これに限定されるものではなく、最適設定角を決定する帆の順番は適宜変更してもよい。例えば、帆装船に設けられた複数の帆のうち幾つかの帆については迎角を固定として、迎角が固定されていない帆について船首から船尾に向けて第１の帆２０ａ、第２の帆２０ｂ・・・の順番として最適設定角を決定するようにしてもよい。また、例えば、帆装船に設けられた複数の帆を複数のグループに分けて、それぞれのグループにおいて船首から船尾に向けて第１の帆２０ａ、第２の帆２０ｂ・・・の順番として最適設定角を決定するようにしてもよい。また、例えば、船尾から船首に向けて第１の帆２０ａ、第２の帆２０ｂ・・・の順番として最適設定角を決定してもよい。

また、複数の帆を纏めてグループを構成し、グループ毎に１つの帆のように扱って上記帆の角度制御方法を適用してもよい。例えば、第３の帆２０ｃ及び第４の帆２０ｄを第１グループとして、第１の帆２０ａ、第２の帆２０ｂ、第１グループ（第３の帆２０ｃ及び第４の帆２０ｄ）を３つの帆のように扱って最適設定角を決定してもよい。この場合、第３の帆２０ｃに対する最適設定角γ２及び第４の帆２０ｄに対する最適設定角δ２は等しい値となる。

＜変形例１＞
以下、上記実施の形態における帆の角度制御方法を実船に適用した変形例を説明する。図６は、実船２００を用いて帆の角度を制御する方法を説明する図である。また、図７は、実船２００の構成を示す図である。

実船２００には、船首側から船尾側へ所要の間隔で複数の帆として第１の帆３０ａ，第２の帆３０ｂ，第３の帆３０ｃ，第４の帆３０ｄを取り付けた第１のマスト３２ａ、第２のマスト３２ｂ、第３のマスト３２ｃ及び第４のマスト３２ｄが順に設けられる。実船２００には駆動機構が第１のマスト３２ａ〜第４のマスト３２ｄの回転手段３４として設けられており、第１のマスト３２ａ〜第４のマスト３２ｄを独立に回転させることができるように構成されている。

また、実船２００には、帆の角度制御方法により決定された第１の帆３０ａ，第２の帆３０ｂ，第３の帆３０ｃ，第４の帆３０ｄの各々の最適設定角を設定する最適設定角設定手段３６が設けられる。最適設定角設定手段３６は、実船２００に設けられた風向計３８によって検出された風Ｗの風向Ψに対して第１の帆３０ａ，第２の帆３０ｂ，第３の帆３０ｃ，第４の帆３０ｄの各々の迎角について最適設定角を設定する。

また、風Ｗの風向Ψに対して第１の帆３０ａ，第２の帆３０ｂ，第３の帆３０ｃ，第４の帆３０ｄの各々の迎角が最適設定角設定手段３６において設定された最適設定角となるよう回転手段３４により第１のマスト３２ａ〜第４のマスト３２ｄを回転制御する角度制御手段４０が設けられる。

このような構成の実船２００を用いて第１の帆３０ａ〜第４の帆３０ｄに対する最適設定角を求める際には、図６に示すように、係留索４２ａ，４２ｂ，４２ｃによって実船２００を岸壁２０２に係留する。実船２００の船長方向における係留索４２ａには、張力計４４が介装される。

実船２００を用いる場合、実船２００の船体に対する実際の風Ｗの風向きを風向計３８で測定し、風Ｗを受けて第１の帆３０ａ〜第４の帆３０ｄで発生する推力による船体前後方向の係留索４２ａの張力を張力計４４にて計測することにより、上記第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同様の手順で風向きに応じた各帆に対する最適設定角を決定することができる。この回転手段３４は、第１のマスト３２ａ〜第４のマスト３２ｄを最適設定角となるように制御することに加え、最適設定角を決定する際にも第１のマスト３２ａ〜第４のマスト３２ｄを回転させることに利用できる。

＜変形例２＞
以下、上記実施の形態における帆の角度制御方法を実船に適用した別の変形例を説明する。図８は、本変形例における実船２０４の構成を示す図である。

実船２０４は、上記変形例１における実船２００の構成に加えて、スクリュープロペラ５０を駆動する推進用主機関５２を備える。また、第１の帆３０ａ〜第４の帆３０ｄと推進用主機関５２との併用状態での航走時に、船速を一定に保った際の推進用主機関５２の燃料消費量を計測するための燃料消費計５４が設けられる。

実船２０４は相対的な風Ｗを受けて第１の帆３０ａ〜第４の帆３０ｄが推力を発生して航行するものであるから、推進用主機関５２の燃料消費は、第１の帆３０ａ〜第４の帆３０ｄによって実船２０４に与えられる推力に換算することができる。そこで、燃料消費計５４によって計測される推進用主機関５２の燃料消費量に基づいて第１の帆３０ａ〜第４の帆３０ｄの最適設定角を求めることができる。

具体的には、実船２０４の航走状態において上記実施の形態と同様の手順を適用し、第１の帆２０ａ〜第４の帆２０ｄによる推力の平均値が最大となる迎角α，β，γ，δを求める代わりに、推進用主機関５２による燃料消費量が最小となる迎角α，β，γ，δを求めればよい。これにより、風向きに応じた各帆に対する最適設定角を決定することができる。

＜航走状態における帆の角度制御＞
図９は、本発明の帆の角度制御方法により探索された最適設定角を帆の角度制御装置に適用した実船２０６の構成を示す図である。

実船２０６は、上記変形例２における実船２０４に加えて、風の風速を測定する風速測定手段５６をさらに備える。また、最適設定角設定手段３６には、模型船又は実船で予め決定された風向に対する帆の各々の最適設定角のデータを記憶する記憶手段３６ａが設けられる。

最適設定角設定手段３６は、風向計３８から時々刻々に入力される風向の計測値に応じて、記憶手段３６ａから現在の風向に対する各帆の最適設定角を読み出し、角度制御手段４０に出力する。角度制御手段４０は、入力された各帆の最適設定角に応じて回転手段３４を駆動させ、第１の帆３０ａ〜第４の帆３０ｄの風向に対する迎角を最適設定角にする。また、最適設定角設定手段３６は、風向計３８及び風速測定手段５６から風向及び風速の計測値を受けて、推進用主機関５２に制御信号を出力し、第１の帆３０ａ〜第４の帆３０ｄによる推力を考慮して実船２０４が所望の船速で航行するように推進用主機関５２を制御するようにしてもよい。なお、実際の航走を通じて得られた推進用主機関５２による燃料消費量が最小となる迎角α，β，γ，δに基づき、記憶手段３６ａに記憶された、予め決定された風向に対する帆の各々の最適設定角のデータを更新することもできる。

また、最適設定角設定手段３６は、風速測定手段５６で計測された風速が基準風速を超えると制御停止信号を角度制御手段４０へ出力するようにしてもよい。角度制御手段４０は、制御停止信号を受信すると、第１の帆３０ａ〜第４の帆３０ｄを強風に対して安全な状態としたうえで帆の角度制御を中止する。また、風速測定手段５６で計測された風速が基準風速を超えた場合、第１の帆３０ａ〜第４の帆３０ｄを張った状態から収納手段(図示せず)により収納した状態に移行させてもよい。

推進用主機関を備えた帆装船について航海計画をたてる場合は、帆の有効利用が前提となるので、船体に対する種々の相対的風向について本発明により各帆の最適設定角を求めておくことが重要である。このようにして帆の有効利用により主機関の燃料消費量が減少すれば、二酸化炭素（ＣＯ_２）の排出量が減少し、環境負荷の軽減に寄与することができる。本発明は、複数の帆を有した大型から小型までの帆装船のみならず複数の帆を利用して推力を得る移動体や動力装置等にも適用可能である。

１０風洞、１２水槽、１４固定部材、１６（１６ａ，１６ｂ，１６ｃ）係留索、１８張力計、２０ａ，３０ａ第１の帆、２０ｂ，３０ｂ第２の帆、２０ｃ，３０ｃ第３の帆、２０ｄ，３０ｄ第４の帆、３２ａ第１のマスト、３２ｂ第２のマスト、３２ｃ第３のマスト、３２ｄ第４のマスト、３４回転手段、３６最適設定角設定手段、３６ａ記憶手段、３８風向計、４０角度制御手段、４２（４２ａ，４２ｂ，４２ｃ）係留索、４４張力計、５０スクリュープロペラ、５２推進用主機関、５４燃料消費計、５６風速測定手段、１００模型船、２００，２０４，２０６実船、２０２岸壁。

Claims

複数の帆を装備した帆装船の各帆の角度を制御する角度制御方法であって、
前記複数の帆の風の風向に対する迎角を揃えて初期状態に設定した後、前記複数の帆を同時に同じ回転方向に同じ回転速度で回転させて風の風向に対する迎角を変更し最大の推力が得られる迎角を求めて第１の帆の設定角とし、次いで前記第１の帆を前記第１の帆の設定角に維持したまま残りの帆を同時に回転させて風の風向に対する迎角を変更し最大の推力が得られる迎角を求めて第２の帆の設定角とし、以下順次同様に前記複数の帆の各々について設定角を決定する第１ステップと、
前記第１ステップにおいて決定された各帆の設定角の角度差を保ちながら前記複数の帆の迎角を同時に同量だけ微小角度増減させる第２ステップと、
前記第２ステップにおいて迎角を増減させたときに前記複数の帆による推力の平均値が増大する回転方向を決定し、さらに決定された方向に前記複数の帆の迎角を同時に同量だけ増減させる第３ステップと、
前記第３ステップにおいて前記複数の帆による推力の平均値が最大となる迎角に基づいて前記複数の帆の各々の最適設定角を決定する第４ステップとを備えることを特徴とする帆装船の帆の角度制御方法。
請求項１に記載の帆装船の帆の角度制御方法であって、
前記第４ステップでは、前記複数の帆による推力の平均値が最大となる迎角を前記複数の帆の各々の最適設定角とすることを特徴とする帆装船の帆の角度制御方法。
請求項１に記載の帆装船の帆の角度制御方法であって、
前記第４ステップは、
前記第３ステップにおいて前記複数の帆による推力の平均値が最大となる迎角を前記第１の帆の最適設定角とする第５ステップと、
既に決定された帆の最適設定角を維持したまま、未だ最適設定角が決定されていない残りの帆について前記第１ステップにおいて決定された各帆の設定角の角度差を保ちながら迎角を同時に同量だけ微小角度増減させる第６ステップと、
前記第６ステップにおいて迎角を増減させたときに前記複数の帆による推力の平均値が増大する回転方向を決定し、さらに決定された方向に残りの帆の迎角を同時に同量だけ増減させる第７ステップと、
前記第７ステップにおいて前記複数の帆による推力の平均値が最大となる迎角を次の帆の最適設定角とする第８ステップとを含み、
以下順次同様に、前記第６ステップから前記第８ステップを繰り返して前記複数の帆の各々について最適設定角を決定することを特徴とする帆装船の帆の角度制御方法。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の帆装船の帆の角度制御方法であって、
前記第１ステップにおいて、前記風向に対する迎角を０度から増す方向に前記複数の帆を回転させることを特徴とする帆装船の帆の角度制御方法。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の帆装船の帆の角度制御方法であって、
Ｃｘ：船体前後方向推進力係数・・・（無次元値）
Ｘ：帆の船体前後方向の力成分・・・ [N]
ρ_Ａ：空気密度・・・ [kg/m³]
Ｕ_Ａ：見かけの風速・・・ [m/s]
Ｓ_ｓａｉｌ：帆の投影面積・・・[m²]
で求められる船体前後方向推進力係数の平均値が最大になったときに前記複数の帆による推力の平均値が最大になったものとすることを特徴とする帆装船の帆の角度制御方法。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の帆装船の帆の角度制御方法であって、
帆装船の模型船を用いて前記複数の帆の最適設定角を求めることを特徴とする帆装船の帆の角度制御方法。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の帆装船の帆の角度制御方法により決定された前記複数の帆の各々の最適設定角を設定する最適設定角設定手段と、
前記複数の帆を取り付けた複数のマストと、
前記複数のマストを回転させる回転手段と、
前記回転手段により前記複数のマストを回転させ、風の風向に対して前記複数の帆の各々の迎角が前記最適設定角設定手段において設定された最適設定角となるよう制御する角度制御手段とを備えたことを特徴とする帆装船の帆の角度制御装置。
請求項７に記載の帆装船の帆の角度制御装置であって、
前記最適設定角設定手段は、
前記帆装船の帆の角度制御方法により予め決定された前記複数の帆の各々の最適設定角を記憶する記憶手段を備え、
前記角度制御手段は、前記記憶手段から前記複数の帆の各々の最適設定角を読み出して制御を行うことを特徴とする帆装船の帆の角度制御装置。
請求項７又は８に記載の帆装船の帆の角度制御装置であって、
前記帆装船の帆の角度制御方法において前記複数の帆の最適設定角を求める際に前記回転手段によって前記複数の帆を回転させることを特徴とする帆装船の帆の角度制御装置。
請求項７又は８に記載の帆装船の帆の角度制御装置であって、
風の風向を検出する風向検出手段を備え、
前記角度制御手段は、前記風向検出手段で検出される前記風向の変化に応じて、前記複数の帆が前記風向に対して最適設定角となるように制御を行うことを特徴とする帆装船の帆の角度制御装置。
請求項７、８、１０のいずれか１項に記載の帆装船の帆の角度制御装置であって、
風の風速を測定する風速測定手段を備え、
前記角度制御手段は、前記風速測定手段で測定される前記風速が基準風速を超えると制御を止めることを特徴とする帆装船の帆の角度制御装置。
請求項７〜１１のいずれか１項に記載の帆装船の帆の角度制御装置を搭載したことを特徴とする帆装船。