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模型船の運動を実船と相似にする-舵効き船速修正- 
こんな研究やってます~やさしい解説~
 船の運動性能を調べる方法に自走模型船を使った実験があります。自走模型船は自分でプロペラを回転させて進み、舵を動かして針路を変えます。波や風の中を走らせることもあります。波や風の中でどのくらい速度が落ちるのか、進みたい針路に進むためにはどのくらい舵を取ればいいのかなど、自走模型船を使えば外乱下でも船の運動を直接調べることができます。
このとき自走模型船に起こる現象は実際の船(実船)に起こる現象を模型船の大きさで実現したものでなければなりません。調べたいのは模型船の性能ではなく実船の性能だからです。ですから自走模型船の現象は実船と相似(*1)でなくてはなりません。
 ところが、ふつう自走模型船の運動は実船とは相似になりません。模型船の大きさが実船よりはるかに小さいので模型船は実船よりも相対的に粘っこい水の中を走ることになるため模型船の抵抗は実船に比べて相対的に大きくなる(*2)からです。ですから、実船相似の速度で模型船が走るためには模型船のプロペラは実船のプロペラより相対的に大きな推力を出さなくてはなりません。プロペラの出す推力が相似でないということはプロペラのうしろにある舵の効き方も相似ではなくなることを意味します。この結果、波や風の中を走る自走模型船の速度の変化や進みたい針路に進むための舵角はふつう実船相似にはなりません。
 海技研では独自に開発したダクトファン型の補助推力装置(*3)を使って波風のない平水中でも波風のある外乱下でも自走模型船の運動を実船相似にする方法、舵効き船速修正(RSC, Rudder-effectiveness and Speed Correction)を開発しました。通常の自走模型船のプロペラ回転数は一定としますが、舵効き船速修正では補助推力と模型船のプロペラ回転数の両方を時々刻々変化する模型船の速度に応じて制御します。このとき自走模型船の舵効きと船速の変化が同時に実船相似になるようにするのです。舵効き船速修正によって平水中はもちろんのこと外乱下でも模型船の運動を実船相似にすることができるようになりました。
図1 ダクトファン型補助推力装置
 自走模型船の船尾に取り付けた状態です。自走模型船に補助的な推力を与えます。ダクトファン下の小型の検力計で補助推力を計測して制御PCが補助推力をフィードバック制御します。

 

図2 補助推力係数と模型船プロペラ回転数
 縦軸のfTAは補助推力係数、nm’は模型船のプロペラ回転数(無次元)を表します。fTAは補助推力と摩擦修正(*2)に必要な力との比を表す係数で、fTAが1のとき補助推力は摩擦修正(*2)に必要な力に等しくなります。横軸は船の速度を平水中の基準速度との比で表した値です。これらの特性を用いて自走模型船の補助推力とプロペラ回転数を制御します。この特性に従えば、風や波のために模型船の速度が落ちてくると補助推力もプロペラ回転数も下げていくことになります。fTAが1でないことから従来の摩擦修正(*2)とは異なる新しい制御方法であることがわかります。

 

図3 ジグザグ操船のシミュレーション計算結果
 長さ320mのタンカーが風の中でジグザグ操船したときのシミュレーション計算結果です。この操船では舵を左右に20度ずつ交互に取ります。風速20m/sの風が船首左60度の方向から吹いています。MP (Model self-propulsion Point)は補助推力装置を使わない通常の自走模型船状態, SP (Ship self-propulsion Point)は補助推力を使って模型船の見掛けの抵抗を実船と相似にした(摩擦修正(*2))状態, RSC(Rudder-effectiveness and Speed Correction)は舵効き船速修正をおこなった状態を表します。RSCが実船の動きを最もよく表わしています。

 

図4 外乱下の船の航行状態を表すシミュレーション計算結果
 タンカーを対象とした計算結果です。船速比V/V0 は外乱中と平水中の速度の比、斜航角βは船が横に流される角度、舵角δは針路を保つために必要な舵の角度を表します。波高16m、風速30m/s(ビューフォート風力階級11)のとても荒れた状態で0度が正面向波・向風状態を表します。MPとSPが実船の航行状態と異なるのに対して、RSCがよく実船の状態を表していることがわかります。
*1ここでの相似は実船と模型船のフルード数を一致させることを指します。フルード数とは重力と慣性力の比を表す無次元の値です。
*2模型船に補助的な推力を与えて見掛けの抵抗を実船相似にする方法があります。これを「摩擦修正」と呼びます。自走模型船に摩擦修正をおこなうことはこれまでは非常に困難でした。
*3詳しくは研究紹介「模型船の(見掛けの)抵抗を自由に操る:補助推力装置の開発」をご覧ください。
(2014.12.)