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「氷海航路航行用最適船の研究開発」の報告書

 事業名 氷海航路航行用最適船の研究開発
 団体名 シップ・アンド・オーシャン財団  


■事業の内容

(1) 最適船の開発に関する水中及び開水中模型実験
 我が国における代表的な氷海試験水槽をもつ運輸省船舶技術研究所、三菱重工業長崎研究所、日本鋼管エンジニアリング研究所の3機関において、北極海航路用の商船を想定した模型船を用いて持ち回り試験を実施した。模型船は船首が母型(3角楔型)、Spoon型(凸型)、Polarstern型(凹型)の3種類(A、B、C)、船尾はU型:及びU型を更に強くした船型の2種類(a、b)の組み合わせの中から4つの船型(Aa、Bb、Cc、Ab)を選定し、各々の抵抗性能及び自航性能を評価し、その得失を明らかにした。自航試験においては従来型のオープンプロペラとノズルプロペラについて試験を実施し、プロペラ・舵と氷片の干渉度合いについても調査した。また3つの船片(Aa、Ba、Ca)について氷丘脈抵抗試験、旋回試験を実施し、氷丘突破性能及び旋回性能に関する基礎的なデータが得られた。
[1] 海水域試験
・ 伴流計測
・ 波浪中試験
・ 自航試験
・ 操縦性試験
[2] 氷中試験
・ 氷質試験
・ 抵抗試験
・ 自航試験
・ 氷丘脈中抵抗試験
・ 平坦氷中旋回試験

(2) 氷海用プロペラの特性解析及び水との干渉に関する研究
 本年度は、水中でのプロペラ性能の推定法を確立するために、変動圧力計測用模型プロペラ、模型ダクト、氷片流し込みガイド、水中カメラ、DCモーター等の実験用機材を作成し、模型ダクトプロペラを用い、本格的な水との干渉実験の予備実験として、プロペラ単独試験及び氷片流し込み試験を行った。
[1] プロペラ単独試験
 平水中でプロペラ動力計のチェックを行うとともに、今年度製作した変動圧力計測用模型プロペラの性能を、模型船実験用模型プロペラの性能と比較するために、氷水槽において氷海用動力計にプロペラを取り付け、開水中でのプロペラ単独試験を行った。
[2] 氷片流し込み試験
 氷海水槽の模型水を前もって一定のパターンに切断しておき、この氷編を流し込みガイドを使って、ダクト内へ流し込みながらプロペラに吸い込ませ、ダクトプロペラと氷片との干渉によるトルク・スラストの変動を計測した。また、氷片の流入位置と測度を計測するために、この模様を水中カメラで記録し、解析した。
(3) 氷盤と波浪の干渉に関する研究
 本年度は、氷盤と波浪の干渉に関する研究の第一段階として、波浪による平坦氷の変形及び破壊に着目し、特に氷盤-波浪干渉における非線形性の影響に関する理論的考察と波浪による氷盤の変形に関する模型実験による検討を行った。
[1] 氷盤-波浪干渉の非線形性解析
 弾性平板下での波動の3次近似解を誘導し、線形解析との比較により非線形効果を検討した。
[2] 模型実験
 超音波式変位センサー及びアンプ等よりなる、波高、波速計測システムの製作を行った。また、海氷とほぼ同一の比重を有するポリプロピレン板を用いて、2次元造波水槽において模擬氷盤と規則波による模型実験を行い、波高、波速計測システムによって計測した。

(4) 実氷海域データの分析
 実氷海域のデータを収集し、北極海全域と対比しながら、海水の最大密度温度と結氷温度、北東航路の塩分分布、北極海の夏季の海水分布、冬季の北半球海氷域の変動特性等につき、分析、評価を行った。
■事業の成果

北極海航路用船舶の船型性能の評価は、氷海試験水槽での模型試験によって行うが、現在の氷海水槽模型試験技術は完成した技術に至っておらず、試験結果の評価には最新の注意を払う必要がある。また、氷海試験水槽において用いる模型氷は、相似則に基づいて実海氷を正しく縮尺したものであるべきだが、現実問題としてそれは難しく様々な模型氷作成技術が採用されている。このため、相互の氷質の異なる氷水槽を有する運輸省船舶技術研究所、三菱重工業長崎研究所、日本鋼管エンジアリング研究所の3機関において、北極海航路用の商船を想定した模型船(船首部3タイプ、船尾部2タイプ)を用いて、平坦氷中の抵抗試験、自航試験、旋回性能、過負荷試験、旋回試験に関する持ち回り試験を実施した。併せてプロペラ・氷片相互干渉の検討を行い、北極海航路用船舶設計の基本性能データの整備充実を図った。これにより、各船首及び船尾の性能に関する多くの基礎データが得られると共に、性能の差異が明らかになり、最適船型に向けての改良指針が得られた。この様に何種類もの船型を長期に亙って集中的に持ち回り試験した例は世界にもなく、大変貴重なデータ集となった。
 夏季の北極海航路においては、海氷と波浪が共存する海域があること、航路沿いに整備される港湾施設には浮体式港湾システムの構想が有力であることから、氷盤と波浪の相互作用について研究を行い、基本特性の把握に努めた。今後さらに検討を要する課題として、[1]氷盤下へ進入する際の波高伝導率を定量的にも説明できる解析方法を考案する必要があること、[2]本研究の実験では模型氷盤が一種類であったため、弾性係数の影響が未解決であること、[3]海岸工学あるいは海洋工学の分野で扱う波浪に関する諸現象では、波浪の不規則性が重要な要素となる場合が多く、氷盤と波浪の干渉においても、波浪の周波数不規則性及び方向不規則性を考慮した検討が必要である、などの点があり、研究を継続することにより、船舶あるいは構造物に作用する衝撃水力の算定といった、工学的に最も重要な課題の解決に寄与できる。
 また、実氷海域のデータ分析に着手し、今後の北極海航路運航シミュレーションに備えた。
 これらにより、我が国の砕氷船等の特殊船舶関連技術の構築及び氷海関連技術の向上を図る事が出来るものと思料される。





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