JP6562335B2 - 自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にする方法及び自由航走模型船の推進器関連特性実船相似装置 - Google Patents
自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にする方法及び自由航走模型船の推進器関連特性実船相似装置 Download PDFInfo
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Description
本発明は、模型船の自走試験における自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にする方法及び自由航走模型船の推進器関連特性実船相似装置に関する。
補助推力装置を用いて曳航水槽での自航試験と同等の摩擦修正を行った自由航走模型試験方法が開示されている（特許文献１）。自由航走模型船が操舵を伴う場合あるいは波や風などの外乱が作用する場合はこれらが誘起する旋回や斜航のため船速が時々刻々変化する可能性がある。このような状況下でも、時々刻々船速に応じた補助推力を発生させることで摩擦修正が可能である。
摩擦修正は、本来、模型船のプロペラ荷重度を実船と相似にすることによってプロペラ推進力に関する力学的相似則を確保し、その条件下での模型試験によって実船の有効伴流率、プロペラ効率比、有効馬力など船の推進性能を推定するために用いられる方法の一つである。
また、圧縮窒素ガス等により摩擦修正推力を模型船に対して真っ直ぐ後ろ向きに発生でき、摩擦修正推力の発生源を模型船体上に搭載しない自由航走模型試験方法が開示されている（特許文献２）。さらに、模型船の航走計画の変更が模型船からの遠隔操作で可能な模型船試験装置が開示されている（特許文献３）。
一方、自由航走模型試験は一般に推進性能を調べるためだけの試験ではなく、操縦性能試験など推進性能以外の性能を調べる目的でも実施される。
補助推力装置を装備していない従来の自由航走模型船を用いた操縦性能試験では、模型船のプロペラ荷重度が実船に比べて相対的に大きいため舵効きが実船よりも相対的に良くなることが知られている。すなわち、自由航走模型船を使った従来の操縦性試験結果は厳密にはそのまま実船の操縦性能とはみなすことができない。
実船の操縦性能をより合理的に推定する手法として、プロペラと舵を有した自由航走可能な模型船を用いて、模型船に補助推力のみを付加し、舵効きの相似性を確保するように船速に基づいて計算した補助推力のみを制御し、模型船に実船に対する舵効きの相似性を確保する技術が開示されている（非特許文献１）。
上野道雄、塚田吉昭、谷澤克治、北川泰士；日本船舶海洋工学会講演会論文集第１６号、ｐｐ．３２５−３２６．
ところで、実船と相似の船速応答を有する模型船を実験で再現するためには、実船の本的性能推定に基づき、外力下において変化する船側の前後方向成分を測定しながら、その計測データに基づいてプロペラ回転数と補助推力装置の出力の双方を制御することが必要である。
また、波・風等の外力による船の船速低下は、船の基本的な性能の一つに属し、運航計画を左右する重要な要素となる。近年では、国連海事機関を中心として船からの温暖化ガスの排出削減を目的とした規制が始まっており、その指標にも波・風が併存する実海域環境下での船速低下率が考慮されている。その一方で、国連海事機関の規制を満足するような燃料消費量の少ない船の開発が進む中、必要以上に出力の小さい機関を搭載した船が荒天下で操船不能になって海難事故に至る可能性が増加することが指摘されている。
荒天下でどの程度船速が低下するのか、どの程度荒れた海象まで操船可能であるのかといったことを推定するための手法としては現状では推定計算によるほかない。波浪中における抵抗の増加に関する研究実績に基づき、外力下における通常航行時の船速低下に関する推定計算は実用的な水準に達していると考えられる。しかし、通常航行時の船速低下とは異なり、荒天下で操船不能近くまで船速が低下する状況では外力の船の前後方向成分だけではなく左右方向成分と回頭モーメント成分まで精度良く推定し、さらに操舵力も含めて船の航行状態を推定する必要がある。ところが、特に波漂流力の左右方向成分と回頭モーメント成分の実用的な推定法は現段階では確立されているとは言えない。
本発明は、航行中のプロペラ回転数と補助推力手段の出力を制御できる自由航走模型船を用いて、外力下における推進器関連特性を前記実船と相似にした自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にする方法及び自由航走模型船の推進器関連特性実船相似装置を提供する。
本発明の請求項１に係る自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にする方法は、実船の基本的性能推定を基に、自由航走模型船の外力下で変化する船速を計測し、計測した前記船速に基づき前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力手段の出力を制御し、前記自由航走模型船の外力下における推進器関連特性を前記実船と相似にする方法であって、前記自由航走模型船の前記プロペラ回転数と前記補助推力手段の出力を、
ｔ ｓ ：実船の推力減少率
Ｔ’ｓ ： 実船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｔ ｍ ：自由航走模型船の推力減少率
Ｔ’ ｍ ：自由航走模型船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｆ ＴＡ ：補助推力係数
Ｔ’ ＳＦＣ ：摩擦修正に必要な力（無次元値、船速の関数）
を基に導出される前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力係数ｆ ＴＡ に基づき制御し、操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が必要ない場合または別途確保される場合について、前記実船と前記自由航走模型船の外力下でのプロペラ推進力の相似性を考慮し、前記自由航走模型船の船速応答の相似性を確保したことを特徴とする自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にすることを特徴とする。
Ｔ’ｓ ： 実船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｔ ｍ ：自由航走模型船の推力減少率
Ｔ’ ｍ ：自由航走模型船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｆ ＴＡ ：補助推力係数
Ｔ’ ＳＦＣ ：摩擦修正に必要な力（無次元値、船速の関数）
を基に導出される前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力係数ｆ ＴＡ に基づき制御し、操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が必要ない場合または別途確保される場合について、前記実船と前記自由航走模型船の外力下でのプロペラ推進力の相似性を考慮し、前記自由航走模型船の船速応答の相似性を確保したことを特徴とする自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にすることを特徴とする。
具体的には、
Ｔｓ’ ： 実船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
Ｔｍ’ ：自由航走模型船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
で表される前記プロペラ推進力の相似性を確保するために前記補助推力係数ｆＴＡを１として前記自由航走模型船のプロペラ回転数を求めて制御することが好適である。
Ｔｍ’ ：自由航走模型船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
で表される前記プロペラ推進力の相似性を確保するために前記補助推力係数ｆＴＡを１として前記自由航走模型船のプロペラ回転数を求めて制御することが好適である。
本発明の請求項３に係る自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にする方法は、実船の基本的性能推定を基に、自由航走模型船の外力下で変化する船速を計測し、計測した前記船速に基づき前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力手段の出力を制御し、前記自由航走模型船の外力下における推進器関連特性を前記実船と相似にする方法であって、前記自由航走模型船の前記プロペラ回転数と前記補助推力手段の出力を、
ｔ ｓ ：実船の推力減少率
Ｔ’ｓ ： 実船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｔ ｍ ：自由航走模型船の推力減少率
Ｔ’ ｍ ：自由航走模型船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｆ ＴＡ ：補助推力係数
Ｔ’ ＳＦＣ ：摩擦修正に必要な力（無次元値、船速の関数）
を基に導出される前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力係数ｆ ＴＡ に基づき制御し、操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が必要ない場合又は操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が別途確保される場合、前記実船と前記自由航走模型船の外力下でのプロペラトルクの相似性に基づいて前記自由航走模型船の船速応答の相似性を確保したことを特徴とする。
Ｔ’ｓ ： 実船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｔ ｍ ：自由航走模型船の推力減少率
Ｔ’ ｍ ：自由航走模型船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｆ ＴＡ ：補助推力係数
Ｔ’ ＳＦＣ ：摩擦修正に必要な力（無次元値、船速の関数）
を基に導出される前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力係数ｆ ＴＡ に基づき制御し、操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が必要ない場合又は操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が別途確保される場合、前記実船と前記自由航走模型船の外力下でのプロペラトルクの相似性に基づいて前記自由航走模型船の船速応答の相似性を確保したことを特徴とする。
具体的には、前記数式（３）と、
ＱＳ’ ：実船のプロペラトルク（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
Ｑｍ’ ：自由航走模型船のプロペラトルク（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
を連立させることで前記自由航走模型船のプロペラ回転数と前記補助推力係数ｆＴＡを求めて制御することが好適である。
Ｑｍ’ ：自由航走模型船のプロペラトルク（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
を連立させることで前記自由航走模型船のプロペラ回転数と前記補助推力係数ｆＴＡを求めて制御することが好適である。
本発明の請求項５に係る自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にする方法は、実船の基本的性能推定を基に、自由航走模型船の外力下で変化する船速を計測し、計測した前記船速に基づき前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力手段の出力を制御し、前記自由航走模型船の外力下における推進器関連特性を前記実船と相似にする方法であって、前記自由航走模型船の前記プロペラ回転数と前記補助推力手段の出力を、
ｔ ｓ ：実船の推力減少率
Ｔ’ｓ ： 実船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｔ ｍ ：自由航走模型船の推力減少率
Ｔ’ ｍ ：自由航走模型船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｆ ＴＡ ：補助推力係数
Ｔ’ ＳＦＣ ：摩擦修正に必要な力（無次元値、船速の関数）
を基に導出される前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力係数ｆ ＴＡ に基づき制御し、操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が必要ない場合又は操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が別途確保される場合、前記実船と前記自由航走模型船の外力下でのプロペラ回転数の相似性に基づいて前記自由航走模型船の船速応答の相似性を確保したことを特徴とする。
Ｔ’ｓ ： 実船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｔ ｍ ：自由航走模型船の推力減少率
Ｔ’ ｍ ：自由航走模型船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｆ ＴＡ ：補助推力係数
Ｔ’ ＳＦＣ ：摩擦修正に必要な力（無次元値、船速の関数）
を基に導出される前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力係数ｆ ＴＡ に基づき制御し、操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が必要ない場合又は操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が別途確保される場合、前記実船と前記自由航走模型船の外力下でのプロペラ回転数の相似性に基づいて前記自由航走模型船の船速応答の相似性を確保したことを特徴とする。
具体的には、前記数式（５）と、
ｎｓ’：実船のプロペラ回転数（無次元値）
ｎｍ’： 自由航走模型船のプロペラ回転数（無次元値）
を連立させることで前記自由航走模型船のプロペラ回転数と前記補助推力係数ｆＴＡを求めて制御することが好適である。
ｎｍ’： 自由航走模型船のプロペラ回転数（無次元値）
を連立させることで前記自由航走模型船のプロペラ回転数と前記補助推力係数ｆＴＡを求めて制御することが好適である。
本発明の請求項７に係る自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にする方法は、実船の基本的性能推定を基に、自由航走模型船の外力下で変化する船速を計測し、計測した前記船速に基づき前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力手段の出力を制御し、前記自由航走模型船の外力下における推進器関連特性を前記実船と相似にする方法であって、前記自由航走模型船の前記プロペラ回転数と前記補助推力手段の出力を、
ｔ ｓ ：実船の推力減少率
Ｔ’ｓ ： 実船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｔ ｍ ：自由航走模型船の推力減少率
Ｔ’ ｍ ：自由航走模型船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｆ ＴＡ ：補助推力係数
Ｔ’ ＳＦＣ ：摩擦修正に必要な力（無次元値、船速の関数）
を基に導出される前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力係数ｆ ＴＡ に基づき制御し、操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が必要ない場合又は操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が別途確保される場合、前記実船と前記自由航走模型船の外力下での馬力の相似性に基づいて前記自由航走模型船の船速応答の相似性を確保したことを特徴とする。
Ｔ’ｓ ： 実船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｔ ｍ ：自由航走模型船の推力減少率
Ｔ’ ｍ ：自由航走模型船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｆ ＴＡ ：補助推力係数
Ｔ’ ＳＦＣ ：摩擦修正に必要な力（無次元値、船速の関数）
を基に導出される前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力係数ｆ ＴＡ に基づき制御し、操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が必要ない場合又は操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が別途確保される場合、前記実船と前記自由航走模型船の外力下での馬力の相似性に基づいて前記自由航走模型船の船速応答の相似性を確保したことを特徴とする。
具体的には、前記数式（７）と、
ｎｓ’ ：実船のプロペラ回転数（無次元値）
ＱＳ’ ：実船のプロペラトルク（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｎｍ’ ：自由航走模型船のプロペラ回転数（無次元値）
Ｑｍ’ ：自由航走模型船のプロペラトルク（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
を連立させることで前記自由航走模型船のプロペラ回転数と前記補助推力係数ｆＴＡを求めて制御することが好適である。
ＱＳ’ ：実船のプロペラトルク（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｎｍ’ ：自由航走模型船のプロペラ回転数（無次元値）
Ｑｍ’ ：自由航走模型船のプロペラトルク（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
を連立させることで前記自由航走模型船のプロペラ回転数と前記補助推力係数ｆＴＡを求めて制御することが好適である。
本発明の請求項９に係る自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にする方法は、実船の基本的性能推定を基に、自由航走模型船の外力下で変化する船速を計測し、計測した前記船速に基づき前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力手段の出力を制御し、前記自由航走模型船の外力下における推進器関連特性を前記実船と相似にする方法であって、前記自由航走模型船の前記プロペラ回転数と前記補助推力手段の出力を、
ｔ ｓ ：実船の推力減少率
Ｔ’ｓ ： 実船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｔ ｍ ：自由航走模型船の推力減少率
Ｔ’ ｍ ：自由航走模型船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｆ ＴＡ ：補助推力係数
Ｔ’ ＳＦＣ ：摩擦修正に必要な力（無次元値、船速の関数）
を基に導出される前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力係数ｆ ＴＡ に基づき制御し、操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が必要ない場合又は操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が別途確保される場合、前記実船と前記自由航走模型船の外力下でのプロペラスリップ比を一致させて前記自由航走模型船の船速応答の相似性を確保したことを特徴とする。
Ｔ’ｓ ： 実船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｔ ｍ ：自由航走模型船の推力減少率
Ｔ’ ｍ ：自由航走模型船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｆ ＴＡ ：補助推力係数
Ｔ’ ＳＦＣ ：摩擦修正に必要な力（無次元値、船速の関数）
を基に導出される前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力係数ｆ ＴＡ に基づき制御し、操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が必要ない場合又は操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が別途確保される場合、前記実船と前記自由航走模型船の外力下でのプロペラスリップ比を一致させて前記自由航走模型船の船速応答の相似性を確保したことを特徴とする。
具体的には、前記数式（９）と、
Ｓｓ：実船のプロペラスリップ比（プロペラ回転数と船速の関数）
Ｓｍ：自由航走模型船のプロペラスリップ比（プロペラ回転数と船速の関数）
を連立させることで前記自由航走模型船のプロペラ回転数と前記補助推力係数ｆＴＡを求めて制御することが好適である。
ここで、前記実船の前記基本的性能推定は、プロペラ回転数一定、プロペラトルク一定、プロペラ出力一定、あるいは逆転を含む任意のプロペラ回転数変化を含むことが好適である。
Ｓｍ：自由航走模型船のプロペラスリップ比（プロペラ回転数と船速の関数）
を連立させることで前記自由航走模型船のプロペラ回転数と前記補助推力係数ｆＴＡを求めて制御することが好適である。
ここで、前記実船の前記基本的性能推定は、プロペラ回転数一定、プロペラトルク一定、プロペラ出力一定、あるいは逆転を含む任意のプロペラ回転数変化を含むことが好適である。
請求項１２に記載の自由航走模型船の推進器関連特性実船相似装置は、プロペラと補助推力手段を有した自由航走模型船と、前記自由航走模型船の船速の前後方向成分を計測する船速計測手段と、実船の基本的性能推定と計測した前記船速に基づき前記プロペラのプロペラ回転数と前記補助推力手段の出力を制御する制御手段を備え、前記自由航走模型船の外力下における推進器関連特性を前記実船と相似にすることを特徴とする。
ここで、前記制御手段は、上記自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にする方法を実行することが好適である。
また、前記制御手段は、上記自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にする方法により予め求めた前記自由航走模型船のプロペラ回転数と前記補助推力係数ｆＴＡの前記船速との関係を記憶して制御することが好適である。
また、前記船速計測手段は、前記自由航走模型船の船速の前後方向成分を計測することが好適である。
本発明の請求項１に係る自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にする方法によれば、実船の基本的性能推定を基に、自由航走模型船の外力下で変化する船速を計測し、計測した前記船速に基づき前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力手段の出力を制御し、前記自由航走模型船の外力下における推進器関連特性を前記実船と相似にする方法であって、前記自由航走模型船の前記プロペラ回転数と前記補助推力手段の出力を、
ｔ ｓ ：実船の推力減少率
Ｔ’ｓ ： 実船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｔ ｍ ：自由航走模型船の推力減少率
Ｔ’ ｍ ：自由航走模型船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｆ ＴＡ ：補助推力係数
Ｔ’ ＳＦＣ ：摩擦修正に必要な力（無次元値、船速の関数）
を基に導出される前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力係数ｆ ＴＡ に基づき制御し、操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が必要ない場合または別途確保される場合について、前記実船と前記自由航走模型船の外力下でのプロペラ推進力の相似性を考慮し、前記自由航走模型船の船速応答の相似性を確保したことを特徴とする自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にすることによって、模型船を用いて外力下における操縦性能試験を実施し、外力下における実船の操船特性を推定及び確認することができる。
Ｔ’ｓ ： 実船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｔ ｍ ：自由航走模型船の推力減少率
Ｔ’ ｍ ：自由航走模型船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｆ ＴＡ ：補助推力係数
Ｔ’ ＳＦＣ ：摩擦修正に必要な力（無次元値、船速の関数）
を基に導出される前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力係数ｆ ＴＡ に基づき制御し、操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が必要ない場合または別途確保される場合について、前記実船と前記自由航走模型船の外力下でのプロペラ推進力の相似性を考慮し、前記自由航走模型船の船速応答の相似性を確保したことを特徴とする自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にすることによって、模型船を用いて外力下における操縦性能試験を実施し、外力下における実船の操船特性を推定及び確認することができる。
具体的には、
Ｔｓ’ ： 実船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
Ｔｍ’ ：自由航走模型船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
で表される前記プロペラ推進力の相似性を確保するために前記補助推力係数ｆＴＡを１として前記自由航走模型船のプロペラ回転数を求めて制御することによって、船速変化とプロペラ推進力を相似にした条件下において模型船を用いて実船の操船特性を推定及び確認する操縦性能試験を実施する具体的な方法を提供することができる。
Ｔｍ’ ：自由航走模型船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
で表される前記プロペラ推進力の相似性を確保するために前記補助推力係数ｆＴＡを１として前記自由航走模型船のプロペラ回転数を求めて制御することによって、船速変化とプロペラ推進力を相似にした条件下において模型船を用いて実船の操船特性を推定及び確認する操縦性能試験を実施する具体的な方法を提供することができる。
本発明の請求項３に係る自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にする方法によれば、実船の基本的性能推定を基に、自由航走模型船の外力下で変化する船速を計測し、計測した前記船速に基づき前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力手段の出力を制御し、前記自由航走模型船の外力下における推進器関連特性を前記実船と相似にする方法であって、前記自由航走模型船の前記プロペラ回転数と前記補助推力手段の出力を、
ｔ ｓ ：実船の推力減少率
Ｔ’ｓ ： 実船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｔ ｍ ：自由航走模型船の推力減少率
Ｔ’ ｍ ：自由航走模型船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｆ ＴＡ ：補助推力係数
Ｔ’ ＳＦＣ ：摩擦修正に必要な力（無次元値、船速の関数）
を基に導出される前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力係数ｆ ＴＡ に基づき制御し、操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が必要ない場合又は操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が別途確保される場合、前記実船と前記自由航走模型船の外力下でのプロペラトルクの相似性に基づいて前記自由航走模型船の船速応答の相似性を確保することによって、船速変化とプロペラトルクを相似にした条件下において模型船を用いて実船の操船特性を推定及び確認する操縦性能試験を実施することができる。
Ｔ’ｓ ： 実船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｔ ｍ ：自由航走模型船の推力減少率
Ｔ’ ｍ ：自由航走模型船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｆ ＴＡ ：補助推力係数
Ｔ’ ＳＦＣ ：摩擦修正に必要な力（無次元値、船速の関数）
を基に導出される前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力係数ｆ ＴＡ に基づき制御し、操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が必要ない場合又は操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が別途確保される場合、前記実船と前記自由航走模型船の外力下でのプロペラトルクの相似性に基づいて前記自由航走模型船の船速応答の相似性を確保することによって、船速変化とプロペラトルクを相似にした条件下において模型船を用いて実船の操船特性を推定及び確認する操縦性能試験を実施することができる。
具体的には、前記数式（１３）と、
ＱＳ’ ：実船のプロペラトルク（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
Ｑｍ’ ：自由航走模型船のプロペラトルク（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
を連立させることで前記自由航走模型船のプロペラ回転数と前記補助推力係数ｆＴＡを求めて制御することによって、船速変化とプロペラトルクを相似にした条件下において模型船を用いて実船の操船特性を推定及び確認する操縦性能試験を実施する具体的な方法を提供することができる。
Ｑｍ’ ：自由航走模型船のプロペラトルク（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
を連立させることで前記自由航走模型船のプロペラ回転数と前記補助推力係数ｆＴＡを求めて制御することによって、船速変化とプロペラトルクを相似にした条件下において模型船を用いて実船の操船特性を推定及び確認する操縦性能試験を実施する具体的な方法を提供することができる。
本発明の請求項５に係る自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にする方法によれば、実船の基本的性能推定を基に、自由航走模型船の外力下で変化する船速を計測し、計測した前記船速に基づき前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力手段の出力を制御し、前記自由航走模型船の外力下における推進器関連特性を前記実船と相似にする方法であって、前記自由航走模型船の前記プロペラ回転数と前記補助推力手段の出力を、
ｔ ｓ ：実船の推力減少率
Ｔ’ｓ ： 実船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｔ ｍ ：自由航走模型船の推力減少率
Ｔ’ ｍ ：自由航走模型船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｆ ＴＡ ：補助推力係数
Ｔ’ ＳＦＣ ：摩擦修正に必要な力（無次元値、船速の関数）
を基に導出される前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力係数ｆ ＴＡ に基づき制御し、操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が必要ない場合又は操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が別途確保される場合、前記実船と前記自由航走模型船の外力下でのプロペラ回転数の相似性に基づいて前記自由航走模型船の船速応答の相似性を確保することによって、船速変化とプロペラ回転数を相似にした条件下において模型船を用いて実船の操船特性を推定及び確認する操縦性能試験を実施することができる。
Ｔ’ｓ ： 実船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｔ ｍ ：自由航走模型船の推力減少率
Ｔ’ ｍ ：自由航走模型船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｆ ＴＡ ：補助推力係数
Ｔ’ ＳＦＣ ：摩擦修正に必要な力（無次元値、船速の関数）
を基に導出される前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力係数ｆ ＴＡ に基づき制御し、操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が必要ない場合又は操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が別途確保される場合、前記実船と前記自由航走模型船の外力下でのプロペラ回転数の相似性に基づいて前記自由航走模型船の船速応答の相似性を確保することによって、船速変化とプロペラ回転数を相似にした条件下において模型船を用いて実船の操船特性を推定及び確認する操縦性能試験を実施することができる。
具体的には、前記数式（１５）と、
ｎｓ’：実船のプロペラ回転数（無次元値）
ｎｍ’： 自由航走模型船のプロペラ回転数（無次元値）
を連立させることで前記自由航走模型船のプロペラ回転数と前記補助推力係数ｆＴＡを求めて制御することによって、船速変化とプロペラ回転数を相似にした条件下において模型船を用いて実船の操船特性を推定及び確認する操縦性能試験を実施する具体的な方法を提供することができる。
ｎｍ’： 自由航走模型船のプロペラ回転数（無次元値）
を連立させることで前記自由航走模型船のプロペラ回転数と前記補助推力係数ｆＴＡを求めて制御することによって、船速変化とプロペラ回転数を相似にした条件下において模型船を用いて実船の操船特性を推定及び確認する操縦性能試験を実施する具体的な方法を提供することができる。
本発明の請求項７に係る自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にする方法によれば、実船の基本的性能推定を基に、自由航走模型船の外力下で変化する船速を計測し、計測した前記船速に基づき前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力手段の出力を制御し、前記自由航走模型船の外力下における推進器関連特性を前記実船と相似にする方法であって、前記自由航走模型船の前記プロペラ回転数と前記補助推力手段の出力を、
ｔ ｓ ：実船の推力減少率
Ｔ’ｓ ： 実船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｔ ｍ ：自由航走模型船の推力減少率
Ｔ’ ｍ ：自由航走模型船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｆ ＴＡ ：補助推力係数
Ｔ’ ＳＦＣ ：摩擦修正に必要な力（無次元値、船速の関数）
を基に導出される前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力係数ｆ ＴＡ に基づき制御し、操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が必要ない場合又は操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が別途確保される場合、前記実船と前記自由航走模型船の外力下での馬力の相似性に基づいて前記自由航走模型船の船速応答の相似性を確保することによって、船速変化と馬力を相似にした条件下において模型船を用いて実船の操船特性を推定及び確認する操縦性能試験を実施する具体的な方法を提供することができる。
Ｔ’ｓ ： 実船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｔ ｍ ：自由航走模型船の推力減少率
Ｔ’ ｍ ：自由航走模型船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｆ ＴＡ ：補助推力係数
Ｔ’ ＳＦＣ ：摩擦修正に必要な力（無次元値、船速の関数）
を基に導出される前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力係数ｆ ＴＡ に基づき制御し、操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が必要ない場合又は操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が別途確保される場合、前記実船と前記自由航走模型船の外力下での馬力の相似性に基づいて前記自由航走模型船の船速応答の相似性を確保することによって、船速変化と馬力を相似にした条件下において模型船を用いて実船の操船特性を推定及び確認する操縦性能試験を実施する具体的な方法を提供することができる。
具体的には、前記数式（１７）と、
ｎｓ’ ：実船のプロペラ回転数（無次元値）
ＱＳ’ ：実船のプロペラトルク（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｎｍ’ ：自由航走模型船のプロペラ回転数（無次元値）
Ｑｍ’ ：自由航走模型船のプロペラトルク（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
を連立させることで前記自由航走模型船のプロペラ回転数と前記補助推力係数ｆＴＡを求めて制御することによって、船速変化と馬力を相似にした条件下において模型船を用いて実船の操船特性を推定及び確認する操縦性能試験を実施する具体的な方法を提供することができる。
ＱＳ’ ：実船のプロペラトルク（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｎｍ’ ：自由航走模型船のプロペラ回転数（無次元値）
Ｑｍ’ ：自由航走模型船のプロペラトルク（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
を連立させることで前記自由航走模型船のプロペラ回転数と前記補助推力係数ｆＴＡを求めて制御することによって、船速変化と馬力を相似にした条件下において模型船を用いて実船の操船特性を推定及び確認する操縦性能試験を実施する具体的な方法を提供することができる。
本発明の請求項９に係る自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にする方法によれば、実船の基本的性能推定を基に、自由航走模型船の外力下で変化する船速を計測し、計測した前記船速に基づき前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力手段の出力を制御し、前記自由航走模型船の外力下における推進器関連特性を前記実船と相似にする方法であって、前記自由航走模型船の前記プロペラ回転数と前記補助推力手段の出力を、
ｔ ｓ ：実船の推力減少率
Ｔ’ｓ ： 実船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｔ ｍ ：自由航走模型船の推力減少率
Ｔ’ ｍ ：自由航走模型船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｆ ＴＡ ：補助推力係数
Ｔ’ ＳＦＣ ：摩擦修正に必要な力（無次元値、船速の関数）
を基に導出される前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力係数ｆ ＴＡ に基づき制御し、操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が必要ない場合又は操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が別途確保される場合、前記実船と前記自由航走模型船の外力下でのプロペラスリップ比を一致させて前記自由航走模型船の船速応答の相似性を確保することによって、船速変化の相似と共にプロペラスリップ比を一致させた条件下において模型船を用いて実船の操船特性を推定及び確認する操縦性能試験を実施する具体的な方法を提供することができる。
Ｔ’ｓ ： 実船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｔ ｍ ：自由航走模型船の推力減少率
Ｔ’ ｍ ：自由航走模型船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｆ ＴＡ ：補助推力係数
Ｔ’ ＳＦＣ ：摩擦修正に必要な力（無次元値、船速の関数）
を基に導出される前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力係数ｆ ＴＡ に基づき制御し、操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が必要ない場合又は操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が別途確保される場合、前記実船と前記自由航走模型船の外力下でのプロペラスリップ比を一致させて前記自由航走模型船の船速応答の相似性を確保することによって、船速変化の相似と共にプロペラスリップ比を一致させた条件下において模型船を用いて実船の操船特性を推定及び確認する操縦性能試験を実施する具体的な方法を提供することができる。
具体的には、前記数式（１９）と、
Ｓｓ：実船のプロペラスリップ比（プロペラ回転数と船速の関数）
Ｓｍ：自由航走模型船のプロペラスリップ比（プロペラ回転数と船速の関数）
を連立させることで前記自由航走模型船のプロペラ回転数と前記補助推力係数ｆＴＡを求めて制御することによって、船速変化の相似と共にプロペラスリップ比を一致させた条件下において模型船を用いて実船の操船特性を推定及び確認する操縦性能試験を実施する具体的な方法を提供することができる。
ここで、前記実船の前記基本的性能推定は、プロペラ回転数一定、プロペラトルク一定、プロペラ出力一定、あるいは逆転を含む任意のプロペラ回転数変化を含むことによって、それぞれの条件下における実船の操船特性を推定及び確認する操縦性能試験を実施することができる。
Ｓｍ：自由航走模型船のプロペラスリップ比（プロペラ回転数と船速の関数）
を連立させることで前記自由航走模型船のプロペラ回転数と前記補助推力係数ｆＴＡを求めて制御することによって、船速変化の相似と共にプロペラスリップ比を一致させた条件下において模型船を用いて実船の操船特性を推定及び確認する操縦性能試験を実施する具体的な方法を提供することができる。
ここで、前記実船の前記基本的性能推定は、プロペラ回転数一定、プロペラトルク一定、プロペラ出力一定、あるいは逆転を含む任意のプロペラ回転数変化を含むことによって、それぞれの条件下における実船の操船特性を推定及び確認する操縦性能試験を実施することができる。
請求項１２に記載の自由航走模型船の推進器関連特性実船相似装置は、プロペラと補助推力手段を有した自由航走模型船と、前記自由航走模型船の船速を計測する船速計測手段と、実船の基本的性能推定と計測した前記船速に基づき前記プロペラのプロペラ回転数と前記補助推力手段の出力を制御する制御手段を備え、前記自由航走模型船の外力下における推進器関連特性を前記実船と相似にすることによって、特に、前記制御手段は、上記自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にする方法を実行することよって、模型船を用いて操縦性能試験を実施し、実船の操船特性を推定及び確認することが可能な実船相似装置を実現することができる。
また、前記制御手段は、上記自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にする方法により予め求めた前記自由航走模型船のプロペラ回転数と前記補助推力係数ｆＴＡの前記船速との関係を記憶して制御することによって、リアルタイムで制御に必要なパラメータを算出することなく、模型船を用いて実船の操船特性を推定及び確認する操縦性能試験を実施することができる。
また、前記船速計測手段は、前記自由航走模型船の船速の前後方向成分を計測することにより、前記自由航走模型船の船速の前後方向成分に応じて模型船を用いて実船の操船特性を推定及び確認する操縦性能試験を実施することができる。
［第１の実施の形態］
＜自由航走模型船試験方法＞
本実施の形態では、実船の基本的性能推定に基づき、外力下で変化する船速の前後方向成分ｕを計測しながらその計測データに基づきプロペラ回転数と補助推力装置の出力を制御することで外力下における模型船の船速応答を実船と相似にする。外力下では船は一般に操舵を必要とする。操舵は舵抵抗と斜航・旋回抵抗を誘起するので、船速応答を相似にするためにはこれらの抵抗成分も模型船と実船で相似にする必要がある。
＜自由航走模型船試験方法＞
本実施の形態では、実船の基本的性能推定に基づき、外力下で変化する船速の前後方向成分ｕを計測しながらその計測データに基づきプロペラ回転数と補助推力装置の出力を制御することで外力下における模型船の船速応答を実船と相似にする。外力下では船は一般に操舵を必要とする。操舵は舵抵抗と斜航・旋回抵抗を誘起するので、船速応答を相似にするためにはこれらの抵抗成分も模型船と実船で相似にする必要がある。
外力下における船舶の前後方向の運動は数式（２１）で表わされる。
ここで、水の密度ρ、船の長さＬ、重力加速度ｇを用いて、質量はρＬ３、速度は√（ｇ／Ｌ）、力はｒＬ３ｇ、時間は√（Ｌ／ｇ）によって無次元化を行っている。また、無次元値を’（ダッシュ）をつけて表す。変数の上の点は無次元時間に関する微分を表す。水の密度ρと船の長さＬについては実船と模型船それぞれに対応する値を用いる。
また、ｍは船の質量、ｍｘは船の前後揺れに起因する前後方向の付加質量をそれぞれ示す。ｕは船速の前後方向成分（以下特に断らない限り「船速」と記す）、ｔは推力減少率、Ｔはプロペラ推進力、Ｒは船の平水中直進時の抵抗、Ｅは波と風による外力、Ｆは操舵・斜航・旋回による抵抗を示す。
波との出会周期の船体動揺や波による水粒子の円運動が伴流係数などの自航要素やプロペラ有効流入速度への影響は高周波数の成分として無視し得るか別途考慮する。
また、後述する船速の左右方向成分ｖ’と無次元回頭角速度ｒ’が伴流係数などの自航要素に及ぼす影響に関しては、直接ではなく、これらが船速ｕ’や後述するプロペラ荷重度に及ぼす影響を通して考慮できると仮定する。
上記を考慮すると無次元化プロペラ推進力Ｔ’は次のような関数型と見なすことができる。
ここで、ｎ’は次式で表される無次元プロペラ回転数である。
さらに、無次元化された船の平水中直進時の抵抗Ｒ’は次のような関数型と考えられる。
ここで、Ｒｎは水を対象としたレイノルズ数、ｕ’は無次元船速を示す。無次元化の定義によりｕ’は船速の前後方向成分を代表船速としたフルード数と同義である。
また、無次元化された波と風による外力Ｅ’は次のような関数型と見なすことができる。
ここで、Ｗａは船と波との出会角と波長船長比、波振幅船長比に代表される波に関する条件を示す。Ｗｉは風向と無次元風速に代表される風に関する条件を示す。ＷｉとＷａはフルードの相似則に基づいて決められる。
本実施の形態では、波と風の影響を表す無次元化された波と風による外力Ｅ’には波との出会周波数の高周波数成分を無視してゆっくり変動する低周波数成分のみを考慮する。また、風の力には空気に関するレイノルズ数の影響が考えられるが、本実施の形態では水面下の現象に着目することとし、風のレイノルズ数の影響は無視し得るか実験技術上別途解決できるものとして変数としては扱わない。
無次元化された操舵・斜航・旋回による抵抗Ｆ’には船の質量に基づく遠心力成分と付加質量に基づく流体力成分が含まれる。これらは無次元化された船の質量ｍ’と同じように実船と模型船の幾何学的相似によって実船と模型船で同じ値とすることができるから、この部分を分けて標記すると次式となる。
なお、ｍｙ及びｍ２６は船の左右揺れに起因する左右方向及び船の船首揺れに起因する左右方向の付加質量をそれぞれ示す。ここで、Ｆ０’は次のような関数型と見なすことができる。
ここで、δは舵角、ｖ’は船速の左右成分、ｒ’は無次元回頭角速度をそれぞれ示す。
無次元回頭角速度ｒ’は次式で定義される。
以上の変数のうち模型実験で状態変数として与えることができるのは無次元プロペラ回転数ｎ’と風向と無次元風速に代表される風に関する条件Ｗｉと船と波との出会角と波長船長比、波振幅船長比に代表される波に関する条件Ｗａである。ここで、ＷｉとＷａは実船が想定する気海象に応じて任意に与えることができる。
ところで、外力の変動成分が船の慣性力に比べて小さく、船速の応答が十分ゆっくりしたものであるとすると式（２１）は准定常的取り扱いが可能となる。ここで、外力が作用しない平水中定常直進時には次式の釣り合い式が成り立つ。
式（２９）は実船でも模型船でも成り立つべき関係であるが、レイノルズ数が実船と模型船で大きく異なるため式（２９）を満足しながらも無次元化プロペラ推進力Ｔ’と無次元化された船の平水中直進時の抵抗Ｒ’は実船と模型船でそれぞれ異なる値となる。Ｒ’が模型船と実船で異なるため、無次元船速ｕ’が同じであっても無次元プロペラ回転数ｎ’は実船と模型船で異なる。
平水中では式（２１）の第２項と第３項の和が０であることで実船と模型船の相似を確保することができる。しかしながら、外力下において実船と模型船が同じＷｉとＷａの環境下で船速が変化した場合、変化した船速に対して無次元化プロペラ推進力Ｔ’と無次元化された船の平水中直進時の抵抗Ｒ’は異なった挙動を示すため、第２項と第３項の和は外力下では一般に０にならず、かつ実船と模型船で一般に同じ値にならない。その結果、外力下での船速の変化は実船と模型船で相似にならない。
そこで、外力下船速変化の相似性確保するために模型船に補助推力装置を設けた場合について考察する。ここで、補助推力装置とは、自由航走模型船に搭載したダクト式ファンや圧縮空気吹き出し装置、あるいは自由航走する模型船を追尾・併走する曳引台車等によって船の他の運動に影響を与えることなく前後方向にのみ力を加えることができる機構・装置すべてを含むものとする。
模型船に補助推力ＴＡ’を負荷した場合の運動方程式を実船の運動方程式と対比すると次式となる。
ここで、添字のｓは実船の値を示し、ｍは模型船の値であることを示す。実船と模型船で同じ値に設定できる変数には添字をつけない。
実船と模型船が同じＷｉとＷａの環境下で船速応答が相似になる、すなわち無次元船速ｕ’が同じ応答になるためには、無次元船速ｕ’の変化に対して式（２９）の右辺の変化が実船と模型船で同じであればよい。
式（２５）より、同じ無次元船速ｕ’であれば同じＷｉとＷａの設定によって次式が成り立つ。
さらに、同じ無次元船速ｕ’について舵角δ、船速の左右方向成分ｖ’及び無次元回頭角速度ｒ’が実船と模型船で同じであれば式（３２）が成り立つ。
ただし、式（３２）は実船と模型船の無次元船速ｕ’と舵角δ、船速の左右方向成分ｖ’及び無次元回頭角速度ｒ’がある与えられた無次元プロペラ回転数ｎ’等の条件下で結果として同じになったときに成立するものであってプロペラ回転数や風・波の条件のように設定によって与えられるものではない。舵角δ、船速の左右方向成分ｖ’及び無次元回頭角速度ｒ’の影響が相似となるようにするためには舵効きが相似であることが必要である。
式（２９）の右辺第２項については実船と模型船で等しくすることはできない。したがって、補助推力を使わない場合は右辺第１項も等しくすることはできない。これが通常の自由航走模型試験において外力下船速応答が相似性を維持できない理由である。本実施の形態では、補助推力を使うことによって補助推力項ＴＡ’を与えることができる。そこで、舵効きの相似を前提とすれば、任意の無次元船速ｕ’について式（３３）が成立すれば実船と模型船の相似性が確保される。
すなわち、実験条件の設定によって式（３１）が成り立つようにし、舵効きを相似にすることで式（３２）を成立させ、さらに補助推力項ＴＡ’の制御によって式（３３）が成立するようにすることで式（３０）の右辺が実船と模型船でｕ’に対して等しく振る舞うようにできる。これによって、船速応答の相似性が確保される。
なお、外力が船に対して左右対称の場合や舵角δ、船速の左右方向成分ｖ’及び無次元回頭角速度ｒ’が小さい等の理由によって式（３２）の両辺とも０に近い場合は特殊な場合として舵効きの相似性確保の条件は除外し得る。
ここで、摩擦修正に必要な補助推力を表す補助推力係数を導入する。補助推力項ＴＡ’は任意に与えることができるので、次式のように補助推力係数ｆＴＡといわゆる摩擦修正に必要な力ＴＳＦＣ’を導入して補助推力項ＴＡ’を定めることができる。
摩擦修正に必要な力ＴＳＦＣ’は次式で定義される無次元船速ｕ’とレイノルズ数Ｒｎの関数である。
式（３５）を用いると式（３３）は式（３６）に書き直すことができる。
有効伴流率を推力一致法で求めた場合、実船の無次元化プロペラ推進力Ｔｓ’と模型船の無次元化プロペラ推進力Ｔｍ’はプロペラ単独特性を用いて次式で表現できる。
ここで、Ｄ’はプロペラ直径の無次元値を示し、次式で定義される。
ＫＴｓとＫＴｍは実船と模型船のプロペラ単独特性を示し、それぞれ次式で定義される実船と模型船のプロペラ前進率の関数である。
ここで、ｗは有効伴流率を示す。
推力減少係数１−ｔと有効伴流係数１−ｗはプロペラ荷重度ｔの関数として取り扱われることが多い。ここで、プロペラ荷重度ｔは次式で定義される。
式（４０）式のＪＨは船の見かけの前進率を示し、次式で表される。
相似とする対象となる実船の状態を考えると、対象船の形状影響係数と相当平板摩擦抵抗係数、造波抵抗係数、推力減少係数１−ｔ、有効伴流係数１−ｗ、プロペラ単独特性及びこれらの尺度影響はその有無も含めて既知である。無次元船速ｕ’の変化に応じた実船の状態は実船の無次元プロベラ回転数ｎｓ’によって異なるものになる。
無次元プロベラ回転数ｎｓ’は、プロペラ回転数一定とプロペラトルク一定、馬力一定等の条件下において推定することができる。すなわち、基準となる平水時に式（２９）を満足する無次元船速ｕ’、実船の無次元プロベラ回転数ｎｓ’、プロペラトルク、馬力の組み合わせを決め、上記に例を示した条件のいずれかに応じて船速が変化したときの状態量の変化を推定する。この推定値のいずれかを後述する船速変化を相似にする方法において拘束条件として用いる。
なお、実船状態の推定には機関特性を考慮した方法を用いてもよい。ただし、前述のように波との出会周期で変動するような高周波成分は無視してゆっくり変動する低周波数成分のみを考慮することが好適である。
以下、外力下において実船と模型船とにおいて船速変化を相似にする方法について説明する。
式（３６）における未知数は模型船の無次元プロペラ回転数ｎｍ’と補助推力係数ｆＴＡの２つである。拘束条件は式（３２）を満足するための舵効きの相似である。式（３２）を満足させるための舵効きの相似（ｕＲｍ’＝ｕＲｓ’）を拘束条件として、式（３３）を解く場合は未知数の無次元プロペラ回転数ｎｍ’と補助推力係数ｆＴＡは一意に定まる。ここで、ｕＲｍ’は模型船の舵有効流入速度の無次元前後方向成分であり、ｕＲｓ’は実船の舵有効流入速度の無次元前後方向成分である。
一方、舵効きの相似を舵角の補正或いは舵面積の修正等の別の方法によって確保する場合、又は前述のように対称性等の理由によって舵効きの相似が拘束条件とならない場合は式（３３）に対して未知数が２つあるため解の組み合わせは無数となる。補助推力係数ｆＴＡを０とする補助推力を使わない解も、模型船の無次元プロペラ推進力Ｔｍ’を０とするプロペラを使わない解のいずれもあり得る。なお、舵効きの相似を舵角の補正又は舵面積の修正で確保する場合は式（３３）を満足する無次元プロペラ回転数ｎｍ’と補助推力係数ｆＴＡの組み合わせに対応した補正または修正が必要である。以下、模型船を用いた実験の実用性を考慮して幾つかの方法を提案する。
（１）船速変化とプロペラ推進力を相似にする方法
第１の方法では、船速変化の相似性だけではなく、プロペラ推進力の相似性も確保する。当該方法は、外力下でのプロペラ推進力の変化やこれに関係する現象を調べるための模型実験などに適している。
第１の方法では、船速変化の相似性だけではなく、プロペラ推進力の相似性も確保する。当該方法は、外力下でのプロペラ推進力の変化やこれに関係する現象を調べるための模型実験などに適している。
プロペラ推進力の相似は式（４２）で表される。
このとき、式（３７）より式（４３）が導出される。
無次元船速ｕ’が実船と模型船で同じ値であるとき、式（４０）と式（４１）を考慮すると式（４４）を得る。
すなわち、プロペラ推進力の相似は、プロペラ荷重度が実船と模型船で等しいことを意味する。さらに、推力減少係数１−ｔがプロペラ荷重度ｔ又は無次元船速ｕ’の関数であるとすれば式（４５）が成り立つ。
式（４５）と式（３６）を比較すると、プロペラ推進力の相似は式（４６）と同値である。
このとき式（３４）より式（４７）の関係が得られる。
すなわち、プロペラ推進力の相似はいわゆる摩擦修正によって得られることがわかる。プロペラ推進力を実船と模型船で相似にするためには補助推力係数ｆＴＡを１とおいた上で式（３３）により模型船の無次元プロペラ回転数ｎｍ’を無次元船速ｕ’の関数として求めてやればよい。
（２）船速変化とプロペラトルクを相似にする方法
第２の方法では、船速変化の相似性だけではなく、プロペラトルクの相似性も確保する。当該方法は、外力下でのプロペラトルクの変化やこれに関係する現象、特に外力下で船速が変化する際に主機にかかる負荷を調べるための模型実験などに適している。
第２の方法では、船速変化の相似性だけではなく、プロペラトルクの相似性も確保する。当該方法は、外力下でのプロペラトルクの変化やこれに関係する現象、特に外力下で船速が変化する際に主機にかかる負荷を調べるための模型実験などに適している。
実船と模型船のプロペラトルクの相似は式（４８）で与えられる。
ここで、Ｑはプロペラトルクを表し、その無次化にはρＬ４ｇを用いる。有効伴流係数を推力一致法で求めた場合、プロペラトルクＱの無次元値はプロペラ単独性能を用いて式（４９）で表現される。
ここで、上式でＫＱはトルクに関するプロペラ単独性能、ηＲはプロペラ船後効率比を示す。
この方法では、式（４８）を拘束条件として模型船の無次元プロペラ回転数ｎｍ’を求めた上で式（３３）に基づいて対応する補助推力係数ｆＴＡを求めることで模型船の無次元プロペラ回転数ｎｍ’と補助推力係数ｆＴＡをそれぞれ無次元船速ｕ’の関数として求めることができる。
（３）船速変化とプロペラ回転数を相似にする方法
第３の方法では、船速変化の相似性だけではなく、プロペラ回転数も実船と模型船で相似性を確保する。この場合、式（５０）に示すように、見掛けの前進率も実船と模型船で等しくなる。
第３の方法では、船速変化の相似性だけではなく、プロペラ回転数も実船と模型船で相似性を確保する。この場合、式（５０）に示すように、見掛けの前進率も実船と模型船で等しくなる。
本方法では、式（５１）に基づいて、模型船の無次元プロペラ回転数ｎｍ’を決め、その上で、式（３３）に基づいて、対応する補助推力係数ｆＴＡを求めることで模型船の無次元プロペラ回転数ｎｍ’と補助推力係数ｆＴＡをそれぞれ無次元船速ｕ’の関数として求めることができる。
（４）船速変化と馬力を相似にする方法
第４の方法では、船速変化の相似性だけではなく、馬力の相似性も確保する。外力下での馬力の変化やこれに関係する現象、特に外力下で船速が変化する際の主機馬力を調べるための模型実験などに適している。
第４の方法では、船速変化の相似性だけではなく、馬力の相似性も確保する。外力下での馬力の変化やこれに関係する現象、特に外力下で船速が変化する際の主機馬力を調べるための模型実験などに適している。
馬力の相似は式（５２）で与えられる。
本方法では、式（５２）を拘束条件として模型船の無次元プロペラ回転数ｎｍ’を求めた上で、式（３３）に基づいて、対応する補助推力係数ｆＴＡを求めることで模型船の無次元プロペラ回転数ｎｍ’と補助推力係数ｆＴＡをそれぞれ無次元船速ｕ’の関数として求めることができる。
（５）船速変化の相似と共にプロペラスリップ比を一致させる方法
第５の方法では、船速変化の相似性だけではなく、プロペラスリップ比も実船と模型船で同じ値にする。このとき、プロペラ前進率も実船と模型船で同じ値となる。異なる伴流中ではあるが、プロペラの作動状況が相似にできるため、外力下で船速が変化する場合のプロペラ特性を調べるための模型実験などに適している。
第５の方法では、船速変化の相似性だけではなく、プロペラスリップ比も実船と模型船で同じ値にする。このとき、プロペラ前進率も実船と模型船で同じ値となる。異なる伴流中ではあるが、プロペラの作動状況が相似にできるため、外力下で船速が変化する場合のプロペラ特性を調べるための模型実験などに適している。
実船及び模型船のプロペラスリップ比ｓｓ，ｓｍは、式（５３）により示される。
プロペラスリップ比ｓｓ，ｓｍの一致は、式（５３）から示されるように、一致はプロペラ前進率Ｊｓ及びＪｍの一致にほかならない。
この方法では、式（５４）を拘束条件として模型船の無次元プロペラ回転数ｎｍ’を求めた上で、式（３３）に基づいて、対応する補助推力係数ｆＴＡを求めることで模型船の無次元プロペラ回転数ｎｍ’と補助推力係数ｆＴＡをそれぞれ無次元船速ｕ’の関数として求めることができる。
なお、式（５４）は式（５５）と同値である。
＜計算例＞
以下、対象実船をＫＶＬＣＣ１（平水中基準船速１５．５ｋｔ）とし、その模型船は実船１／１１０の縮尺模型としたときの計算例について示す。計算対象とする項目は、船速変化を実船と相似にするための模型船の無次元プロペラ回転数ｎｍ’及び補助推力係数ｆＴＡの設定値並びに模型船の舵有効流入速度の無次元前後方向成分ｕＲｍ’，プロペラスリップ比ｓｍ，無次元補助推力ＴＡ’，無次元化プロペラ推進力Ｔｍ’，無次元プロペラトルクＱｍ’，無次元馬力Ｐｍ’の船速に対する変化とした。
以下、対象実船をＫＶＬＣＣ１（平水中基準船速１５．５ｋｔ）とし、その模型船は実船１／１１０の縮尺模型としたときの計算例について示す。計算対象とする項目は、船速変化を実船と相似にするための模型船の無次元プロペラ回転数ｎｍ’及び補助推力係数ｆＴＡの設定値並びに模型船の舵有効流入速度の無次元前後方向成分ｕＲｍ’，プロペラスリップ比ｓｍ，無次元補助推力ＴＡ’，無次元化プロペラ推進力Ｔｍ’，無次元プロペラトルクＱｍ’，無次元馬力Ｐｍ’の船速に対する変化とした。
相似にすべき実船の状態は、プロペラ回転数ｎｓ’、プロペラトルクＱ’及び馬力Ｐ’を一定にした３状態のうち１つとする。また、模型船の状態は、船速ｕ’の相似と同時に舵有効流入速度の無次元前後方向成分（舵効き）ｕＲｍ’、プロペラ推進力Ｔｍ’、プロペラトルクＱｍ’、馬力Ｐｍ’、プロペラスリップ比ｓｍ、プロペラ回転数ｎｍ’のいずれかを実船の舵効きｕＲｓ’、プロペラ推進力Ｔｓ’、プロペラトルクＱｓ’、馬力Ｐｓ’、プロペラスリップ比ｓｓ、プロペラ回転数ｎｓ’と相似にした状態及び補助推力なし（ｗ／ｏＡＴ）で船速変化を実船と相似にした状態とした。
計算に用いた係数において、平水中抵抗は３次元外挿法によるものとした。尺度影響と粗度修正はＩＴＴＣ法によるものとした。また、実船と模型船のプロペラ単独特性ＫＴ，ＫＱ及び有効伴流係数１−ｗの尺度影響はＩＴＴＣ法によるものとした。また、形状影響係数、造波抵抗係数、推力減少係数１−ｔ、プロペラ船後効率比ηＲ、舵位置の伴流係数とプロペラ位置の伴流係数の比ε及びプロペラ後流の増速率に関する係数κに尺度影響は考慮しないものとする。また、プロペラ船後効率比ηＲは１．０と仮定する。さらに、有効伴流係数１−ｗ及び推力減少係数１−ｔは船速及びプロペラ荷重度によらず一定値とする。
図１は、実船のプロペラ回転数ｎｓ’を一定とし、模型船の舵有効流入速度の前後方向成分ｕＲｍ’，プロペラ推進力Ｔｍ’，プロペラトルクＱｍ’，馬力Ｐｍ’のいずれかを実船の舵有効流入速度の前後方向成分ｕＲｓ’、プロペラ推進力Ｔｓ’、プロペラトルクＱｓ’、馬力Ｐｓ’と相似にした状態にしたときの計算結果を示す。計算結果は、船速（無次元船速ｕ’と平水中船速ｕ０’との比）を変化させたときの各項目の変化を示す。
図２は、実船のプロペラ回転数ｎｓ’を一定とし、模型船の舵有効流入速度の無次元前後方向成分ｕＲｍ’，プロペラスリップ比ｓｍ及びプロペラ回転数ｎｍ’のいずれかを実船の舵有効流入速度の無次元前後方向成分ｕＲｓ’，プロペラスリップ比ｓｓ及びプロペラ回転数ｎｓ’と相似にした状態にしたときの計算結果を示す。また、補助推力ＴＡを与えなかった場合（ｗ／ｏＡＴ）の計算結果も同時に示す。計算結果は、船速（無次元船速ｕ’を平水中船速ｕ０’）を変化させたときの各項目の変化を示す。
図３は、実船のプロペラトルクＱｓ’を一定とし、模型船の舵有効流入速度の前後方向成分ｕＲｍ’，プロペラ推進力Ｔｍ’，プロペラトルクＱｍ’，馬力Ｐｍ’のいずれかを実船の舵有効流入速度の前後方向成分ｕＲｓ’、プロペラ推進力Ｔｓ’、プロペラトルクＱｓ’、馬力Ｐｓ’と相似にした状態にしたときの計算結果を示す。計算結果は、船速（無次元船速ｕ’を平水中船速ｕ０’）を変化させたときの各項目の変化を示す。
図４は、実船のプロペラトルクＱｓ’を一定とし、模型船の舵有効流入速度の無次元前後方向成分ｕＲｍ’，プロペラスリップ比ｓｍ及びプロペラ回転数ｎｍ’のいずれかを実船の舵有効流入速度の無次元前後方向成分ｕＲｓ’，プロペラスリップ比ｓｓ及びプロペラ回転数ｎｓ’と相似にした状態にしたときの計算結果を示す。また、補助推力ＴＡを与えなかった場合（ｗ／ｏＡＴ）の計算結果も同時に示す。計算結果は、船速（無次元船速ｕ’を平水中船速ｕ０’）を変化させたときの各項目の変化を示す。
図５は、実船の馬力Ｐｓ’を一定とし、模型船の舵有効流入速度の前後方向成分ｕＲｍ’，プロペラ推進力Ｔｍ’，プロペラトルクＱｍ’，馬力Ｐｍ’のいずれかを実船の舵有効流入速度の前後方向成分ｕＲｓ’、プロペラ推進力Ｔｓ’、プロペラトルクＱｓ’、馬力Ｐｓ’と相似にした状態にしたときの計算結果を示す。計算結果は、船速（無次元船速ｕ’を平水中船速ｕ０’）を変化させたときの各項目の変化を示す。
図６は、実船の馬力Ｐｓ’を一定とし、模型船の舵有効流入速度の無次元前後方向成分ｕＲｍ’，プロペラスリップ比ｓｍ及びプロペラ回転数ｎｍ’のいずれかを実船の舵有効流入速度の無次元前後方向成分ｕＲｓ’，プロペラスリップ比ｓｓ及びプロペラ回転数ｎｓ’と相似にした状態にしたときの計算結果を示す。また、補助推力ＴＡを与えなかった場合（ｗ／ｏＡＴ）の計算結果も同時に示す。計算結果は、船速（無次元船速ｕ’を平水中船速ｕ０’）を変化させたときの各項目の変化を示す。
＜自由航走模型船の推進器関連特性実船相似装置＞
図７は、本発明の実施の形態における自由航走模型船試験方法を実現するための自由航走模型船試験装置１００を示す図である。
図７は、本発明の実施の形態における自由航走模型船試験方法を実現するための自由航走模型船試験装置１００を示す図である。
自由航走模型船試験装置１００は、図７に示すように、自由航走模型船１０に搭載されたアナログ／パルス変換器１２、モータ増幅器１４、ダクトファンモータ１６及び検力計１８と、自動追尾台車２０に搭載されたカメラ２２、検力計増幅器２４及び制御コンピュータ（制御ＰＣ）２６、プロペラ２８及びプロペラ駆動部３０、を含んで構成される。
自由航走模型船１０は、試験対象となる実際の船舶を模倣した模型船である。自由航走模型船１０は、以下に説明する補助推力系とは別にプロペラ２８等の主推力系を有し、水上を自由航走することができるように構成されている。プロペラ駆動部３０は、自由航走模型船１０の主駆動系であるプロペラ２８を駆動するためのモータを含む。プロペラ駆動部３０は、サーボモータ等の回転数を制御可能なモータとすることが好適である。
自動追尾台車２０は、カメラ２２によって自由航走模型船１０を撮像し、その情報に基づいて制御コンピュータ２６による制御によって自由航走模型船１０を自動に追尾するように構成されている。例えば、自動追尾台車２０は、試験用プール上に配置されたレールに取り付けられ、レール上を走行することによって自由航走模型船１０を追尾できるように構成される。さらに、自動追尾台車２０の追尾によって自由航走模型船１０の速度（船速）が測定され、制御コンピュータ２６に入力される。
自動追尾台車２０の追尾によって自由航走模型船１０の速度（船速）が測定され、制御コンピュータ２６に入力される。制御コンピュータ２６では、試験条件及び自由航走模型船１０の速度に基づいて補助推力及びプロペラ回転数が設定され、設定された補助推力及びプロペラ回転数に応じた補助推力指令信号及びプロペラ回転数指令信号が生成される。補助推力指令信号は、アナログ／パルス変換器１２、モータ増幅器１４を介してダクトファンモータ１６に入力され、ダクトファンモータ１６が駆動される。これにより、ダクトファンモータ１６によって自由航走模型船１０に対して所望の補助推力が与えられる。また、プロペラ回転数指令信号は、プロペラ駆動部３０に入力され、これによりプロペラ２８の回転数が制御される。
具体的には、補助推力付加手段としてダクトファンモータ１６が搭載されている。ダクトファンモータ１６は、アナログ／パルス変換器１２に入力された補助推力指令信号に基づいて出力が制御され、その出力が自由航走模型船１０の主推力系とは別に設けられた補助推力となる。アナログ／パルス変換器１２に補助推力指令信号が入力されると、その信号に応じた推力を生み出すようにダクトファンモータ１６を制御するパルス信号に変換され、パルス信号がモータ増幅器１４によって増幅されてダクトファンモータ１６に入力され、ダクトファンモータ１６が駆動される。これにより、ダクトファンモータ１６によって自由航走模型船１０に対して所望の補助推力が与えられる。
また、自由航走模型船１０には、ダクトファンモータ１６の出力を検出して出力する検力計１８が搭載されている。検力計１８は、ダクトファンモータ１６の補助出力を検出して、検力計増幅器２４へ出力する。
自動追尾台車２０には、検力計増幅器２４が搭載されており、検力計１８で検出された実際の補助出力が入力される。検力計増幅器２４は、実際の補助出力を増幅して制御ＰＣ２６に出力する。制御ＰＣ２６は、検力計増幅器２４から補助出力に応じた信号を受けて、補助出力を所望の値となるように補助推力指令信号を生成してアナログ／パルス変換器１２へ出力する。このように、フィードバック制御を行うことによって、自由航走模型船１０に対して所望の補助推力を付与することができる。
また、図８に示す自由航走模型船試験装置１０２のような構成としてもよい。自由航走模型船試験装置１０２では、検力計増幅器２４及び制御コンピュータ（制御ＰＣ）２６も自由航走模型船１０に搭載される。なお、自由航走模型船試験装置１００と同じ構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
自由航走模型船試験装置１０２では、さらに船速検出器３２が自由航走模型船１０に搭載される。船速検出器３２は、自由航走模型船１０の速度（船速）を計測し、制御コンピュータ２６に入力する。船速検出器３２は、例えば、ピトー管等の速度計測手段から船速を求めてもよいし、ＧＰＳ等の位置計測手段から得られる自由航走模型船１０の位置の時間的な変化から船速を求めてもよい。また、電磁ＬＯＧセンサやドップラーＬＯＧセンサ等を用いて対水船速を求めてもよい。
また、図９に示す自由航走模型船試験装置１０４のような構成としてもよい。自由航走模型船試験装置１０４では、船速検出器３２の代わりに、自由航走模型船１０には船速情報受信器３４が搭載される。船速情報受信器３４は、陸上に設けた船速検出器３６から自由航走模型船１０の船速の情報を受信し、制御コンピュータ２６に入力する。船速検出器３６は、例えば、光学的方法や無線を用いた方法により自由航走模型船１０の船速を求めるようにすればよい。また、ＧＰＳ等の位置計測手段から得られる自由航走模型船１０の位置の時間的な変化から船速を求めてもよい。
なお、自由航走模型船試験装置１０２，１０４では、自由航走模型船１０に電池等の電源を搭載し、試験に必要な電力を当該電源から供給するようにしてもよい。これにより、自動追尾台車２０等から外部電力を供給することなく、自由航走模型船１０単体で試験を実施することができる。
［第２の実施の形態］
上記第１の実施の形態では、実船のプロペラ回転数が正転である場合のみを対象とした。しかしながら、同じ考え方はプロペラ逆転による停止性能の推定にも適用できる。実際、ＩＭＯ操縦性基準に規定された逆転停止試験では逆転停止時に舵を中央に保持することとされており、さらに、プロペラ逆転時は一般に舵は効かないことが知られているからである。
上記第１の実施の形態では、実船のプロペラ回転数が正転である場合のみを対象とした。しかしながら、同じ考え方はプロペラ逆転による停止性能の推定にも適用できる。実際、ＩＭＯ操縦性基準に規定された逆転停止試験では逆転停止時に舵を中央に保持することとされており、さらに、プロペラ逆転時は一般に舵は効かないことが知られているからである。
ＩＭＯ操縦性基準で規定されている平水時に加えて、外乱下において自由航走模型船で逆転停止試験をおこなう場合、どのように補助推力と模型プロペラ回転数を制御すればよいかを以下に示す。
助走時と逆転停止発令後のプロペラ正転中は第１の実施の形態に基づいて計算をおこなう。プロペラ回転数が逆転状態になると、舵の力は０とし、プロペラ逆転による不平衡力の前後力・左右力・回頭モーメント成分を考慮し、船速が０になるまで計算するのが従来の一般的な計算手順である。
プロペラ逆転中の不平衡力は、船舶の見掛けの前進率ＪＨの関数として整理される。船舶の見掛けの前進率ＪＨは式（５６）で定義される。
船舶の見掛けの前進率ＪＨは、船速の前後方向成分ｕ、プロペラ回転数ｎ、プロペラ直径Ｄによって表わされるが、プロペラ逆転時を考える場合にはプロペラ回転数ｎは負の値をとる。現在のところプロペラ逆転停止時の不平衡力の推定は模型実験によるしかない。
理論計算におけるプロペラ逆転時の不平衡力は一般に船舶の見掛けの前進率ＪＨの関数として与えていると思われる。固有の船の逆転停止性能を模型尺度のみで考える場合は逆転時の力を船舶の見掛けの前進率ＪＨの関数として与えて問題ない。なお、プロペラ逆転中の不平衡力を船舶の見掛けの前進率ＪＨではなく、式（５６）のプロペラ直径Ｄをプロペラピッチに置き換えた変数の関数と見なす場合もあるが、計算手順上の本質的な違いはない。
ここで、プロペラ逆転時の尺度影響を考慮すると、前述の理論計算によれば逆転停止時の船体運動はプロペラ逆転時の不平衡力に支配されるから、尺度影響は船舶の見掛けの前進率ＪＨに支配される。また、プロペラ逆転時の力を考えるとき、プロペラ周りの流場が支配的影響をおよぼすと考えられることから、実船と模型船の尺度影響を考える際にはこれらの力は船舶の見掛けの前進率ＪＨではなくプロペラ前進率Ｊの関数と見なしたほうが適切と考える。ここで、プロペラ前進率Ｊは式（５７）で定義される。
尺度影響は伴流係数１−ｗに現れる。上記の考えに基づき、逆転停止性能の尺度影響を議論するためにプロペラ逆転時の不平衡力をプロペラ前進率Ｊの関数とみなす。なお、プロペラ前進率Ｊの関数と見なすことはプロペラスリップｓの関数と見なすことに等しい。プロペラスリップｓは式（５８）で定義される。
ここで、Ｐはプロペラピッチを示す。
逆転停止時の相似則を考慮する際に、模型船制御のために解くべき連立方程式について考察する。以下、第２の実施の形態においても、無次元値にダッシュ’を付けて示す。また、模型船と実船で異なる無次元値をとる変数は添え字にｍとｓをそれぞれ付ける。同じ無次元値をとる変数はｍもｓも付けない。
プロペラ正転中は舵が効くので一般に舵効きの相似が必要となるので舵効き船速修正を適用する。外乱下の場合は舵効き船速修正が必須である。舵効き船速修正は式（５９）で表される。
式（５９）がプロペラ正転中に模型船を制御する補助推力係数ｆＴＡと模型船のプロペラ回転数ｎｍ’を求めるために解くべき方程式である。ただし、平水時のプロペラ正転中には特別な場合がある。平水中において助走時は直進中であり、ＩＭＯ操縦性基準の規定に従えば逆転停止発令後も舵角０なので実は舵効きの相似は必要なく、プロペラ回転数は模型船自航点であっても実船自航点であってもあるいはそれら以外、たとえばプロペラ前進率Ｊを模型船と実船で一致させたプロペラ回転数ｎであっても、船速さえ相似であれば支障ない。
プロペラが逆転に入ったら、プロペラ逆転時の不平衡力が相似になるように模型船のプロペラ前進率Ｊを実船と同じ値にする。プロペラ前進率Ｊを一致させることでプロペラ逆転時の不平衡力が相似になり、これが誘起する船体運動が相似になるので外乱力も相似になり、結果としての船体運動も相似になる。
模型船と実船のプロペラ前進率Ｊｍ及びＪｓは式（６０）及び式（６１）で表される。
プロペラ前進率Ｊの一致と前進速度の相似は次の連立方程式で表される。
式（６０）及び式（６１）から式（６２）は次式と同値である。
式（６２）又は式（６３）がプロペラ逆転中に模型船を制御する補助推力係数ｆＴＡと模型プロペラ回転数ｎｍ’を求めるために解くべき連立方程式である。式（６２）又は式（６３）を解くためにはまず実船のプロペラ回転数ｎｓ’を与える必要がある。実船のプロペラ回転数ｎｓ’は船速に無関係に時間の関数としてたとえば式（６４）のように与えられる。
ここで、ｎ０ｓ’は助走時のプロペラ回転数、ｎｒｓ’は指令逆転回転数を示す。指令逆転回転数ｎｒｓ’は負の値である。時刻０がプロペラ逆転発令時刻、ｔ１’はプロペラ回転数が０となる時刻、ｔ２’はプロペラ回転数が指令逆転回転数に達する時刻を示す。ｕ’の初期値ｕ０ｓ’は、助走時のプロペラ回転数ｎ０ｓ’に対応した値として与えられる。逆転発令後のｕ’は、自由航走模型船の船速ｕ’として時々刻々計測される。
実船のプロペラ回転数ｎｓ’と船速ｕ’を条件として、時刻ｔ１’までは式（５９）を解いて、時刻ｔ１’以降は式（６２）又は式（６３）を解いて模型船のプロペラ回転数ｎｍ’及び補助推力係数ｆＴＡを時々刻々求めて模型船を制御すればよい。
本実施の形態によれば、風や波等の外力の影響が考慮された自由航走模型試験を実現することができる。これにより、外力下においても自由航走模型試験によって実船の基本性能を推定することができる。
本発明における自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にする方法及び自由航走模型船の推進器関連特性実船相似装置は、船舶のみならず、外力及び流体から抵抗を受けて自走する物体の運動性能の試験に適用することができる。例えば、船舶以外の浮体、水中航行体等の各種の模型を用いた自由航走試験に適用することができる。
１０ 自由航走模型船、１６ ダクトファンモータ、１８ 検力計、２０ 自動追尾台車、２６ 制御コンピュータ、２８ プロペラ、３０ プロペラ駆動部、３２ 船速検出器、３４ 船速情報受信器、３６ 船速検出器、１００，１０２，１０４ 自由航走模型船試験装置。
Claims (14)
- 実船の基本的性能推定を基に、自由航走模型船の外力下で変化する船速を計測し、計測した前記船速に基づき前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力手段の出力を制御し、前記自由航走模型船の外力下における推進器関連特性を前記実船と相似にする方法であって、
前記自由航走模型船の前記プロペラ回転数と前記補助推力手段の出力を、
Ｔ’ｓ ： 実船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｔ ｍ ：自由航走模型船の推力減少率
Ｔ’ ｍ ：自由航走模型船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｆ ＴＡ ：補助推力係数
Ｔ’ ＳＦＣ ：摩擦修正に必要な力（無次元値、船速の関数）
を基に導出される前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力係数ｆ ＴＡ に基づき制御し、
操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が必要ない場合または別途確保される場合について、前記実船と前記自由航走模型船の外力下でのプロペラ推進力の相似性を考慮し、前記自由航走模型船の船速応答の相似性を確保したことを特徴とする自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にする方法。 -
Ｔｍ’ ：自由航走模型船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
で表される前記プロペラ推進力の相似性を確保するために前記補助推力係数ｆＴＡを１として前記自由航走模型船のプロペラ回転数を求めて制御したことを特徴とする請求項１に記載の自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にする方法。 - 実船の基本的性能推定を基に、自由航走模型船の外力下で変化する船速を計測し、計測した前記船速に基づき前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力手段の出力を制御し、前記自由航走模型船の外力下における推進器関連特性を前記実船と相似にする方法であって、
前記自由航走模型船の前記プロペラ回転数と前記補助推力手段の出力を、
Ｔ’ｓ ： 実船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｔ ｍ ：自由航走模型船の推力減少率
Ｔ’ ｍ ：自由航走模型船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｆ ＴＡ ：補助推力係数
Ｔ’ ＳＦＣ ：摩擦修正に必要な力（無次元値、船速の関数）
を基に導出される前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力係数ｆ ＴＡ に基づき制御し、
操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が必要ない場合又は操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が別途確保される場合、前記実船と前記自由航走模型船の外力下でのプロペラトルクの相似性に基づいて前記自由航走模型船の船速応答の相似性を確保したことを特徴とする自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にする方法。 - 前記数式（３）と、
Ｑｍ’ ：自由航走模型船のプロペラトルク（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
を連立させることで前記自由航走模型船のプロペラ回転数と前記補助推力係数ｆＴＡを求めて制御したことを特徴とする請求項３に記載の自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にする方法。 - 実船の基本的性能推定を基に、自由航走模型船の外力下で変化する船速を計測し、計測した前記船速に基づき前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力手段の出力を制御し、前記自由航走模型船の外力下における推進器関連特性を前記実船と相似にする方法であって、
前記自由航走模型船の前記プロペラ回転数と前記補助推力手段の出力を、
Ｔ’ｓ ： 実船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｔ ｍ ：自由航走模型船の推力減少率
Ｔ’ ｍ ：自由航走模型船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｆ ＴＡ ：補助推力係数
Ｔ’ ＳＦＣ ：摩擦修正に必要な力（無次元値、船速の関数）
を基に導出される前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力係数ｆ ＴＡ に基づき制御し、
操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が必要ない場合又は操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が別途確保される場合、前記実船と前記自由航走模型船の外力下でのプロペラ回転数の相似性に基づいて前記自由航走模型船の船速応答の相似性を確保したことを特徴とする自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にする方法。 - 前記数式（５）と、
ｎｍ’： 自由航走模型船のプロペラ回転数（無次元値）
を連立させることで前記自由航走模型船のプロペラ回転数と前記補助推力係数ｆＴＡを求めて制御したことを特徴とする請求項５に記載の自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にする方法。 - 実船の基本的性能推定を基に、自由航走模型船の外力下で変化する船速を計測し、計測した前記船速に基づき前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力手段の出力を制御し、前記自由航走模型船の外力下における推進器関連特性を前記実船と相似にする方法であって、
前記自由航走模型船の前記プロペラ回転数と前記補助推力手段の出力を、
Ｔ’ｓ ： 実船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｔ ｍ ：自由航走模型船の推力減少率
Ｔ’ ｍ ：自由航走模型船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｆ ＴＡ ：補助推力係数
Ｔ’ ＳＦＣ ：摩擦修正に必要な力（無次元値、船速の関数）
を基に導出される前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力係数ｆ ＴＡ に基づき制御し、
操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が必要ない場合又は操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が別途確保される場合、前記実船と前記自由航走模型船の外力下での馬力の相似性に基づいて前記自由航走模型船の船速応答の相似性を確保したことを特徴とする自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にする方法。 - 前記数式（７）と、
ＱＳ’ ：実船のプロペラトルク（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｎｍ’ ：自由航走模型船のプロペラ回転数（無次元値）
Ｑｍ’ ：自由航走模型船のプロペラトルク（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
を連立させることで前記自由航走模型船のプロペラ回転数と前記補助推力係数ｆＴＡを求めて制御したことを特徴とする請求項７に記載の自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にする方法。 - 実船の基本的性能推定を基に、自由航走模型船の外力下で変化する船速を計測し、計測した前記船速に基づき前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力手段の出力を制御し、前記自由航走模型船の外力下における推進器関連特性を前記実船と相似にする方法であって、
前記自由航走模型船の前記プロペラ回転数と前記補助推力手段の出力を、
Ｔ’ｓ ： 実船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｔ ｍ ：自由航走模型船の推力減少率
Ｔ’ ｍ ：自由航走模型船のプロペラ推進力（無次元値、プロペラ回転数と船速の関数）
ｆ ＴＡ ：補助推力係数
Ｔ’ ＳＦＣ ：摩擦修正に必要な力（無次元値、船速の関数）
を基に導出される前記自由航走模型船のプロペラ回転数と補助推力係数ｆ ＴＡ に基づき制御し、
操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が必要ない場合又は操舵・斜航・旋回抵抗の相似性が別途確保される場合、前記実船と前記自由航走模型船の外力下でのプロペラスリップ比を一致させて前記自由航走模型船の船速応答の相似性を確保したことを特徴とする自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にする方法。 - 前記数式（９）と、
Ｓｍ：自由航走模型船のプロペラスリップ比（プロペラ回転数と船速の関数）
を連立させることで前記自由航走模型船のプロペラ回転数と前記補助推力係数ｆＴＡを求めて制御したことを特徴とする請求項９に記載の自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にする方法。 - 前記実船の前記基本的性能推定は、プロペラ回転数一定、プロペラトルク一定、プロペラ出力一定、あるいは逆転を含む任意のプロペラ回転数変化を含むことを特徴とする請求項１，３，５，７及び９のいずれか１項に記載の自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にする方法。
- プロペラと補助推力手段を有した自由航走模型船と、前記自由航走模型船の船速の前後方向成分を計測する船速計測手段と、実船の基本的性能推定と計測した前記船速に基づき前記プロペラのプロペラ回転数と前記補助推力手段の出力を制御する制御手段を備え、前記自由航走模型船の外力下における推進器関連特性を前記実船と相似にしたことを特徴とする自由航走模型船の推進器関連特性実船相似装置。
- 前記制御手段は、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にする方法を実行したことを特徴とする請求項１２に記載の自由航走模型船の推進器関連特性実船相似装置。
- 前記制御手段は、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の自由航走模型船の推進器関連特性を実船相似にする方法により予め求めた前記自由航走模型船のプロペラ回転数と前記補助推力係数ｆＴＡの前記船速との関係を記憶して制御したことを特徴とする請求項１２に記載の自由航走模型船の推進器関連特性実船相似装置。
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