操縦性能について

操縦性能の概要 舵について 操縦性能の推定について 目次 操縦性能の概要 舵について 操縦性能の推定について

１、操縦性能の概要 操縦性能は次の３つに分けられる。 旋回性能 …少ない範囲で針路を変える性能 停止性能 保針・変針性能 　　　…少ない範囲で針路を変える性能 停止性能 　　　　…速やかに停止する性能 保針・変針性能 　　　…針路を安定に保つ性能

旋回性能 「旋回性能」と「初期旋回性能」がある。 旋回性能 縦距と旋回圏 によって決まる。 初期旋回性能 　縦距と旋回圏 によって決まる。 　　2002年に改訂されたIMO基準では、最大舵角旋回試験において、 　　　縦距＜4.5L　　　旋回圏＜5.0L 　　と定められている。 初期旋回性能 　１０°Z試験の最初の１０°回頭時点までに 　航走する距離で決まる。　 　　　IMO基準では、2.5L未満　と定められている。

停止性能 停止距離を指標とする。 IMO基準では、緊急停止試験において、 停止距離＜15L と定められている。

保針性能（course keeping ability） 変針性能（yaw checking ability） 　…大型タンカーなどの肥大船で問題になる 船の保針・変針性能は定常旋回特性（スパイラル特性）のループ幅やZ試験のオーバーシュートを指標として評価される。 これらの指標は針路安定性と舵力の両方を反映しており、操船の難易度を表している。 IMO基準では、10°Z試験で、 第1オーバーシュート<10° (L/U<10s) 　　　　　　　　　 <5°+0.5L/U (10s<L/U<30s) 　　　　　　　　　 <20° (30s<L/U) 第2オーバーシュート<25° (L/U<10s) <17.5°+0.75L/U (10s<L/U<30s) <40° (30s<L/U) 20°Z試験で、第1オーバーシュート<25°　と定められている。　　

Z試験 一定舵角±δを交互にとって、舵角と回頭角を、時間を横軸にとってグラフ化する。 スパイラル試験よりも簡単で実用的な試験。

スパイラル試験 定常旋回半径と舵角の関係を調べる試験。 試験の手順 最初に10°や15°といった大きめの舵角を与え、旋回が定常になったときの角速度を計測する。その後、舵角を減らしていき、おなじ手順を繰り返す。 この試験は、広い海域が必要、時間がかかる、精度のよい計測が難しく熟練が必要 、などの欠点がある。これらの欠点を解消できる方法として、逆スパイラル試験がある。

スパイラル特性

逆スパイラル試験 逆スパイラル試験は、名前の通り、スパイラル試験とは逆に、旋回角速度を一定に保つように絶えず舵を動かし、そのときの角速度と舵角の平均値を計算するものである。 この試験は微小振動の平均値という形で値を求めるので、静的には不安定釣合となる不安定ループ内部（S字部分）の特性を決定することができる。 また、スパイラル試験ではループ幅最大の部分で、外乱により反対側の旋回に移ってしまうことがあるが、この試験ではそれを防げる。

２．舵 多くの船では1軸1舵、2軸2舵が採用されている。 　多くの船では1軸1舵、2軸2舵が採用されている。 　プロペラの背後に舵を置くことによって強いプロペラ後流を受けることができ、効果が上がる。 　舵の力は基本的に流速の２乗に比例しているので、低速操船時は舵の力が小さくなって操船が困難になる。 　舵の効きを良くする方法のひとつに、舵面積を大きくすることが挙げられるが、その場合、推進性能は低下してしまう。

特殊な舵 フラップ付きラダー 港への出入りが多い内航船などで、操縦性を重視してよく使われる。 舵の後端に取り付けられたフラップが主舵に連動して動く。 キャンバーが大きくなるので、高揚力を得られる。 フラップを駆動する機構により複雑化し、抵抗が増加するという欠点もある。

特殊な舵（２） シリングラダー 舵の断面がfish tail 型と呼ばれる形状をしている。低速時でも大舵角で大きな力を受けることができる。 また、揚力を向上させるために上下に端板が付けられている。

特殊な舵（３） ベクツインラダー プロペラ１基に対して、２枚のシリングラダーを取り付けたもの。 ジョイスティックによる操作で、１０５°まで舵角が取れ、その組み合わせにより、普通の舵ではできない全方向への操船が可能になる。

３．操縦性能の推定について 過去の実船試験のデータベースに基づく方法 模型試験に基づく方法 シミュレーション計算に基づく方法 操縦性基準が定められると、それを満たす船を作らなければならず、設計の段階で性能を推定する必要がある。 その方法として 過去の実船試験のデータベースに基づく方法 模型試験に基づく方法 シミュレーション計算に基づく方法 が挙げられる。 なかでもシミュレーション計算は、費用や時間の面で最も効率が良い。

シミュレーション計算に基づく方法 シミュレーション計算によって操縦性能を推定する場合、数学モデルと呼ばれる操縦運動を表す式が用いられる。 操縦運動は、さまざまな流体力の総和によって生じるので、数学モデルではこの流体力を精度良く表すことが最も重要になる。 数学モデルでよく用いられるものに、MMGモデルがある。MMGモデルでは流体力を、船体、プロペラ、舵に単独に作用する流体力とそれらの相互の干渉力からなるものと考える。

シミュレーション計算に基づく方法（２） 実船のデータベースを元に、船型要目をパラメータとした式で表す方法 理論式から導く方法 　数学モデルで用いられる流体力の推定の仕方にもいくつかあり、 　　 実船のデータベースを元に、船型要目をパラメータとした式で表す方法 理論式から導く方法 CFDによって船体まわりの流場を数値的に計算する方法、などがある。 　通常航行の状態だけでなく、低速航行時や大斜航時、浅水域や狭水路の航行時など、状況によって流体力は変わるので、それにあった数学モデルが必要になる。

まとめ 旋回性能や停止性能は、名前の通り、旋回、停止に必要な距離で基準が示されている。一方、保針・変針性能はループ幅、オーバーシュートという船独特の指標が使われている。 操縦性能向上のために、特殊な舵やその他の付加物（船尾フィンやスケグ）を取り付ける場合は、推進性能の低下に注意しなければならない。 シミュレーション計算による推定の精度向上のために、特にCFDを使った方法が期待されている。

参考資料 操縦性能研究の設計への応用 運動性能研究委員会 第１２回シンポジウム 北海道大学の授業テキスト 操縦性能研究の設計への応用　 運動性能研究委員会　第１２回シンポジウム 北海道大学の授業テキスト http://ocw.hokudai.ac.jp/Course/GraduateSchool/FisheriesSciences/MarineIndustryScience/2006/page/materials/MarineIndustryScience-2006-Text-All.pdf ナカシマプロペラ http://www.nakashima.co.jp/products/ship/index.html ジャパンハムワージ株式会社 http://www.japanham.co.jp/service/index.htm 日本船舶海洋工学会　西部支部メールマガジン http://www.jasnaoe.or.jp/mailnews/west/015/article01.html CiNii-進路不安定船の新しい操縦性試験法 : 逆スパイラル・テスト http://ci.nii.ac.jp/naid/110003873705/