球状船首

球状船首は、船首（または船首）の水面直下にある流線型のフレアまたは突出した球根です。フレアまたは球根は船体の周りの水の流れを変え、抵抗を減らし、速度、距離、燃料効率、安定性を向上させます。球状船首を持つ大型船は、一般に、球状船首を持たない同様の船よりも12〜15％燃料効率が良くなります。^[2]球状船首は船首部分の浮力も増加させるため、船のピッチングもわずかに減少します。

運動エネルギーが高く、質量と速度の2乗に比例する船舶は、運航速度に合わせて設計された球状船首を持つことで恩恵を受けます。これには、質量が大きい船舶（スーパータンカーなど）や航行速度が速い船舶（客船、貨物船など）が含まれます。^{[3]質量が小さい船舶（4,000} dwt未満）や低速で運航する船舶（12 kts未満）では、渦が発生するため、球状船首の利点は少なくなります。 [ ^3]例としては、タグボート、モーターボート、帆船、小型ヨットなどがあります。

球状船首は、以下の条件を満たす船舶に使用すると最も効果的であることがわかっています。

• 水線長は約15メートル（49フィート）以上である。^[4]
• バルブの設計は船舶の運航速度に合わせて最適化されている。^[5]

球状船首の効果は、波の破壊的干渉の概念を使って説明できる。 ^[6]

従来の形状の船首は船首波を引き起こします。球根だけで水が流れ上がり、その上を谷が形成されます。したがって、従来の船首に適切な位置に球根を追加すると、球根の谷が船首波の山と一致し、2つが打ち消されて船の航跡が減少します。別の波流を誘発すると船からエネルギーが奪われますが、船首で2番目の波流が打ち消されると、船体に沿った圧力分布が変わり、波の抵抗が減少します。圧力分布が表面に及ぼす影響は、形状効果として知られています。^[6]

従来の船体形状の鋭い船首は、球状船首のように波と低い抗力を生み出すが、横から来る波は船首に強く当たる。また、鈍い球状船首は前方の広い領域に高い圧力を生み出すため、船首波の発生が早くなる。^[6]

船体に球状部を追加すると、船体の全体的な濡れ面積が増加します。濡れ面積が増加すると、抗力も増加します。速度が速く、船体が大きい場合、船首波が船の水中前進を妨げる最大の力となります。小型船や低速で航行する時間が長い船の場合、抗力の増加は船首波の発生を減衰させる利点によって相殺されません。波打ち防止効果は船の高速域でのみ顕著であるため、球状部は船がこれらの範囲外、特に低速で航行する場合、エネルギー効率が良くありません。^[6]

球状船首は、船首波と球状部からの反作用波との間の設計された相互作用に応じて、異なる構成になる場合があります。設計パラメータには次のものが含まれます。

• a) 上向きに曲がったバルブ（「ラム」バルブ）とまっすぐなバルブ（「フェアリングイン」バルブ）
• b) 水線に対するバルブの位置、および
• c) 電球の容積。^[1]

球状船首は、バラストを積んだときに船の縦方向の重心から離れた距離で質量を増やすことで、船の縦揺れ運動も減少させます。 ^[1]

1900年以前には、軍艦の曳航試験により、水中衝角の形状が水中での抵抗を減らすことが実証されていた^。[5]球状船首のコンセプトは、第一次世界大戦中にアメリカ海軍の主任建造者を務め、 1910年に就役したUSS デラウェアの設計にこのコンセプト（球状前足部として知られる）を採用した造船技師デビッド・W・テイラーによるものである。この船首のデザインは当初は広く受け入れられなかったが、ワシントン海軍軍縮条約を生き残った同級の2隻が航空母艦に改造された後、このクラスの巡洋戦艦で採用され大成功を収めた。 [ 7 ]この不評は、¹⁹²⁰年代にドイツがブレーメンとヨーロッパを進水させたことで一変した。これらはドイツの北大西洋のグレイハウンドと呼ばれ、大西洋横断旅客貿易で競合した2隻の大型商用遠洋定期船であった。両艦とも、 1929年にブレーメンが横断速度27.9ノット（時速51.7km、時速32.1マイル）で優勝し、切望されていたブルーリボン賞を獲得した。そして1930年にはヨーロッパが27.91ノットの横断速度でブレーメンを上回った。^[8]

このデザインは他の場所でも取り入れられ始め、1920年代後半から1930年代前半に進水した米国製の客船SSマロロ、SSプレジデント・フーバー、SSプレジデント・クーリッジに見られるように、多くの船にも取り入れられた。しかし、このアイデアは多くの造船業者や船主から実験的なものとみなされていた。^[9]

1935 年、フランスのスーパーライナーであるノルマンディーは、ウラジミール・ユルケヴィッチによって設計され、巨大な船体形状と球根状の前脚を組み合わせた。この船は 30 ノット (56 km/h) を超える速度を達成した。ノルマンディーは、水へのスムーズな進入や大幅に低減された船首波など、多くの点で有名だった。ノルマンディーの最大のライバルである英国の定期船クイーン・メリーは、従来の船首と船体設計を使用して同等の速度を達成した。しかし、決定的な違いは、ノルマンディーはクイーン・メリーよりも約 30% 少ないエンジン出力でこれらの速度を達成し、それに応じて燃料使用量も削減した点である。^{[引用が必要]}

球状船首の設計は日本海軍でも開発され、使用された。軽巡洋艦大淀や空母 翔鶴、大鳳など、多くの艦艇の設計で控えめな球状船首が採用された。より革新的な球状船首の設計ソリューションは、大和、武蔵、航空母艦信濃など、非常に大型の大和型戦艦に採用された。^[10]

現代の球状船首は、 1950年代から1960年代にかけて、日本の海軍研究とは独立して東京大学の乾孝雄博士によって開発されました。乾の研究は、球状船首を装備した船は予想よりも大幅に低い抗力特性を示すことをテイラーが発見した後、科学者が以前に得た知見に基づいています。球状船首の概念は、トーマス・ハブロック、シリル・ウィグリー、ジョージ・ウェインブルムによって初めて明確に研究されました。その中には、波の生成と減衰の問題を検討したウィグリーの1936年の論文「球状船首の理論とその実用化」も含まれています。球状船首が造波抵抗に与える影響に関する乾の初期の科学論文は、 1960年にミシガン大学によって出版された報告書にまとめられました。彼の研究は、1962年に造船海洋技術者協会によって出版された論文「船舶の造波抵抗」によって広く注目されました。最終的に、抗力を約5パーセント削減できることが分かりました。実験と改良により球状船首の形状は徐々に改善されましたが、 1980年代にブリティッシュコロンビア大学の研究者がコンピューターモデリング技術によってその性能を実用的なレベルまで向上させるまで、広く利用されることはありませんでした。 ^[要出典]

球状船首には次のような特徴がある。^[5]

• 縦方向の形状
• 断面
• 前方投影の長さ
• 図形の軸の位置（例：前方または上方）

このようなバルブの主な目的は、船舶をその運航速度で駆動するために必要な動力を減らすことですが、耐航性も重要です。船舶の運航速度での造波特性は、そのフルード数に反映されます。^{[11] [注 1]}船舶設計者は、運航速度で船舶を動かすために必要なバルブ付きとバルブなしの設計の水線長を比較することができます。速度が速いほど、同じ動力要件を達成するために長い水線を必要とすることを減らすという球状船首の利点が大きくなります。バルブは、荒れた海での衝突を最小限に抑えるために、通常、底部が V 字型になっています。^[5]

• 斧弓 § リード弓

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