船舶推進

19世紀初頭に石炭焚き蒸気機関が船舶に導入されるまで、船舶の推進手段は主に櫂または風力であった。商船は主に帆船を使用していたが、海戦が船同士の接近戦や白兵戦に依存していた時代には、機動性と速度に優れたガレー船が好まれた。ペロポネソス戦争で戦ったギリシャ海軍は三段櫂船を使用し、アクティウムの海戦でローマ海軍も同様であった。16世紀以降の海軍砲術の発展により、機動性よりも舷側砲撃力が重視されるようになり、その結果、その後3世紀にわたって帆船が主流となった。

現代において、人力による推進は主に小型ボートや帆船の補助推進装置として用いられている。人力による推進には、押し棒、漕ぎ、ペダルなどが含まれる。

帆走による推進は、一般的に、直立したマストに帆を張り、支柱で支え、ロープで操作する方式です。帆走は19世紀後半まで商業航路の推進方式として主流であり、南米の硝酸塩貿易のように風が安定していて石炭が入手できない航路では20世紀に入っても引き続き使用されていました。現在では帆走は主にレクリエーションやレースに使用されていますが、燃料節約のために、大型の現代船舶では、カイト／ロイヤル、ターボセイル、ローターセイル、ウィングセイル、風車、そしてSkySails独自のカイトブイシステムといった革新的な技術が採用されています。

20世紀後半、燃料費の高騰により蒸気タービンはほぼ終焉を迎えた。1960年頃から建造された新造船のほとんどは、4ストロークと2ストロークの両方のディーゼルエンジンを搭載している。蒸気タービンを搭載した最後の大型客船は、1984年に進水したフェアスカイ号である。同様に、多くの蒸気船も燃費向上のためにエンジンを換装した。その代表的な例として、1968年建造のクイーン・エリザベス2号があり、1986年に蒸気タービンがディーゼル電気推進装置に換装された。

蒸気タービンを搭載した新造船のほとんどは、原子力船などの特殊船舶であり、貨物を燃料として使用できる特定の商船（特に液化天然ガス（LNG）運搬船や石炭運搬船）である。

第一次産業革命によって普及した蒸気動力は、船舶用蒸気機関の2つのタイプを生み出しました。往復式（蒸気でクランクシャフトに接続された往復ピストンを駆動する）とタービン式（蒸気で回転軸に放射状に取り付けられたブレードを駆動する）です。それぞれの軸動力は、プロペラ、ポンプジェット、またはその他の機構に直接伝達されるか、機械式、電気式、または油圧式のいずれかの伝達機構を介して伝達されます。19世紀後半、蒸気は船舶推進の主要な動力源の1つでした。1869年には、蒸気機関がこの時期に大きく進歩したため、蒸気船が大量に流入しました。

往復運動

ピストンエンジン搭載の蒸気船の開発は複雑な過程を経た。初期の蒸気船は木材を燃料としていたが、後の世代は石炭や重油を燃料とするようになった。初期の船は船尾または船側外輪を使用していたが、後にスクリュープロペラに取って代わられた。

1807年に米国でロバート・フルトンのノースリバー蒸気船（通称クレルモン）が商業的に初めて成功を収め、続いて1812年にはヨーロッパで全長45フィート（14メートル）のコメット号が成功を収めた。蒸気推進は19世紀後半にかけて著しく進歩した。特筆すべき発展としては、船舶のボイラーで海水を使用する必要がなくなった蒸気表面凝縮器が挙げられる。これにより、ボイラー技術の改良と相まって、より高い蒸気圧が可能になり、より効率的な多段膨張（複式）エンジンの使用が可能になった。エンジンの動力伝達手段としては、外輪に代わってより効率的なスクリュープロペラが用いられるようになった。 

多段膨張式蒸気機関は19世紀後半に広く普及した。これらの機関は高圧シリンダーから低圧シリンダーへ蒸気を排出することで、効率を大幅に向上させた。^{[ 2 ]}

原子力発電

蒸気タービンシステムの中には、蒸気発生に原子力を使用するものもあります。これらの船舶では、原子炉が水を加熱して蒸気を発生させ、タービンを駆動します。開発当初、ディーゼル油の価格が非常に低かったため、原子力推進の商業的な魅力は限られていました。燃料価格の安定性、安全性の向上、低排出ガスといった利点は、原子力発電所の初期費用の高さに打ち勝つことができませんでした。2019年現在、原子力推進は、一部の海軍艦艇や砕氷船などの特殊船舶を除いては稀です。大型航空母艦では、以前は船舶燃料庫として使用されていたスペースが、代わりに航空燃料の燃料庫として使用されています。潜水艦では、長時間にわたって高速かつ比較的静かに潜航できる能力は、明らかな利点となります。少数の海軍巡洋艦も原子力を採用しており、2006年現在、現役で残っているのはロシアのキーロフ級のみです。原子力推進システムを搭載した非軍用船舶の例としては、 75,000軸馬力（55,930kW ）のアルクティカ級砕氷船が挙げられる。砕氷船の利点は、厳しい北極圏の環境下でも燃料の安定性と安全性が確保できる点である。NSサバンナの商業実験は、1970年代の燃料価格の急騰前に終了した。サバンナはまた、旅客用と貨物用を兼ねた非効率的な設計にも悩まされていた。  

近年、商業用原子力輸送への関心が再び高まっている。燃料油価格が高騰している。原子力貨物船は、二酸化炭素排出に関連するコストを削減し、従来のディーゼル船よりも高速で航行できる可能性がある。^{[ 4 ]}

現代の船舶のほとんどは、他のほとんどの原動機機構と比較して操作が簡単で、堅牢で、燃費が良いことから、往復動ディーゼルエンジンを原動機として使用しています。回転するクランクシャフトは、低速エンジンではプロペラに直接接続され、中速および高速エンジンでは減速ギアボックスを介して、ディーゼル電気船ではオルタネーターと電気モーターを介して接続されます。クランクシャフトの回転は、インテリジェントディーゼルエンジンではカムシャフトまたは油圧ポンプに接続されます。

往復動式船舶用ディーゼルエンジンは、1903年にブラノベル社がディーゼル電気式河川タンカー「ヴァンダル」を就航させた際に初めて実用化された。ディーゼルエンジンはすぐに蒸気タービンよりも高い効率を実現したが、長年にわたり出力対容積比は劣っていた。しかし、ターボチャージャーの登場により出力密度が向上し、ディーゼルエンジンの普及が加速した。

今日のディーゼルエンジンは、大きく分けて以下のように分類されます。

• 作動サイクル：2ストロークエンジンまたは4ストロークエンジン
• 構造：クロスヘッド型、トランク型、または対向ピストン型
• 彼らのスピード
  • 低速：最大運転回転数が毎分300回転（rpm）以下のエンジンを指しますが、大型2ストローク低速ディーゼルエンジンのほとんどは120rpm以下で運転されます。ストロークが非常に長いエンジンの中には、最大回転数が約80rpmのものもあります。世界最大かつ最も強力なエンジンは、低速2ストローククロスヘッドディーゼルエンジンです。   
  • 中速：最大運転回転数が300～1000rpmの範囲にあるエンジン 。現代の4ストローク中速ディーゼルエンジンの多くは、最大運転回転数が約500rpmである 。
  • 高速：最大運転回転数が1000rpmを超えるエンジン 。

現代の大型商船のほとんどは、低速の2ストローク・クロスヘッドエンジン、または中速の4ストローク・トランクエンジンを使用している。小型船舶の中には、高速ディーゼルエンジンを使用しているものもある。

各種エンジンのサイズは、新造船に搭載するエンジンを選択する上で重要な要素です。低速2ストロークエンジンは背が高いものの、同等の定格出力を持つ4ストローク中速ディーゼルエンジンに比べて設置面積は小さくなります。旅客船やフェリー（特に車両甲板を持つ船）では喫水線上のスペースが限られているため、これらの船舶では複数の中速エンジンを使用する傾向があり、その結果、2ストロークディーゼルエンジンよりも長く低いエンジンルームが必要となります。また、複数のエンジンを搭載することで、1つまたは複数のエンジンが機械的に故障した場合の冗長性が確保され、より幅広い運転条件下で効率を高める可能性も生まれます。

現代の船舶のプロペラは、ほとんどの低速ディーゼルエンジンの運転速度で最も効率が良いため、これらのエンジンを搭載した船舶は一般的にギアボックスを必要としません。通常、このような推進システムは、それぞれに専用の直接駆動エンジンを備えた1本または2本のプロペラシャフトで構成されます。中速または高速ディーゼルエンジンで推進される船舶は、1本または2本（場合によってはそれ以上）のプロペラを備え、一般的には1つ以上のエンジンがギアボックスを介して各プロペラシャフトを駆動します。複数のエンジンが1本のシャフトにギアで接続されている場合、各エンジンはクラッチを介して駆動される可能性が高く、使用されていないエンジンをギアボックスから切り離して、他のエンジンを運転し続けることができます。この構成により、港から遠く離れた場所でも航行中にメンテナンスを行うことができます。

1960年代以降に建造された多くの軍艦は、ジェットフォイルのような少数の客船と同様に、推進にガスタービンを使用しています。ガスタービンは、他の種類のエンジンと組み合わせて使用​​されるのが一般的です。最近では、RMSクイーンメリー2にディーゼルエンジンに加えてガスタービンが設置されました。低出力（巡航）時の熱効率が低いため、ガスタービンを使用する船舶では、巡航にはディーゼルエンジンを使用し、高速が必要な場合にガスタービンを使用するのが一般的です。しかし、客船の場合、ガスタービンを設置する主な理由は、環境に敏感な地域や港での排出量を削減するためです。^{[ 5 ]}一部の軍艦や少数の現代のクルーズ船では、複合サイクルでガスタービンの効率を向上させるために蒸気タービンも使用しています。この複合サイクルでは、ガスタービンの排気からの廃熱を利用して水を沸騰させ、蒸気タービンを駆動するための蒸気を生成します。このような複合サイクルでは、熱効率はディーゼルエンジン単独の場合と同じか、わずかに高くなります。しかしながら、これらのガスタービンに必要な燃料はディーゼルエンジンに必要な燃料よりもはるかに高価なため、運転コストは依然として高くなります。 

アガ・カーンのアラムシャール号のような一部のプライベートヨットには、ガスタービン推進（プラット・アンド・ホイットニー ST40M）^{[ 6 ]}が搭載されており、50メートル級ヨットとしては珍しい最高速度70ノットを実現している。^{[ 7 ]}

1980年代後半から、スウェーデンの造船会社コックムスは、スターリングエンジンを搭載した潜水艦を数多く建造し、成功を収めてきた。^{[ 14 ] [ 15 ]}これらの潜水艦は、潜航時に外部燃料燃焼をより効率的かつクリーンにするために圧縮酸素を貯蔵し、スターリングエンジンの作動に必要な熱を供給する。このエンジンは現在、ゴットランド級およびセーデルマンランド級潜水艦、そして日本のそうりゅう級潜水艦で使用されている。^{[ 16 ]}これらは、スターリング非大気依存推進（AIP）を搭載した最初の潜水艦であり、水中での航続時間を数日から数週間に延長している。^{[ 15 ]}

スターリングエンジンのヒートシンクは、一般的に周囲の空気温度です。中出力から高出力のスターリングエンジンでは、エンジンから周囲の空気へ熱を伝達するためにラジエーターが一般的に必要となります。船舶用スターリングエンジンは、周囲の水温を利用できるという利点があります。冷却ラジエーター部を周囲の空気ではなく海水に浸すことで、ラジエーターを小型化できます。エンジンの冷却水は、船舶の暖房や冷房に直接的または間接的に使用できます。スターリングエンジンは、その物理的なサイズがそれほど問題にならないため、水上船舶の推進にも適しています。

現在、海運業界では一般的ではないものの、化石燃料の代替としての水素は多額の投資が行われている分野である。2018年時点で、海運会社のマースクは2050年までにカーボンフリーになることを誓約しており、その目標達成の一環として水素燃料技術への投資を計画している。^{[ 17 ]}水素は有望な燃料ではあるが、いくつかの欠点がある。水素はディーゼルなどの他の燃料よりもはるかに燃えやすいため、予防措置を講じる必要がある。また、エネルギー密度があまり高くないため、メタンやLNGと同様に、実用的なエネルギー密度にするには、大幅に圧縮する必要がある。^{[ 17 ]}水素は、燃料電池システムを使用してエネルギーを抽出することも、海運業界で現在使用されているディーゼルエンジンと同様の内燃機関で燃焼させることもできる。^{[ 18 ]}

バッテリー式電気推進システムは19世紀後半に初めて登場し、小型の湖上ボートの動力源として用いられた。これらのボートは、プロペラを駆動するための電流を鉛蓄電池に完全に依存していた。エルコ（Electric Launch Company）は業界のリーダーへと成長し、後に第二次世界大戦の象徴的なPTボートをはじめとする他の形態の船舶にも事業を拡大した。

20世紀初頭、電気推進が潜水艦に採用されるようになった。重いバッテリーのみで駆動する水中推進は速度が遅く、航続距離と稼働時間も限られていたため、充電式バッテリーバンクが開発された。潜水艦は主に水上でディーゼル電気システムによって駆動され、これははるかに高速で航続距離を大幅に伸ばすことができた。水中での活動と稼働時間は依然として限られていたが、必要に応じてバッテリーシステムを充電することができた。実験的な潜水艦ホランドVは、このシステムをアメリカ海軍に採用するきっかけとなり、続いてイギリス海軍にも採用された。

第二次世界大戦中、潜水艦の航続距離と航行時間を拡大するため、ドイツ海軍はシュノーケルシステムを開発した。これにより、潜水艦がほぼ完全に潜航している間でもディーゼル電気推進システムを使用できるようになった。そして1952年、世界初の原子力潜水艦であるUSSノーチラス が進水し、ディーゼル燃料と限られた航続時間しか持たないバッテリー推進の両方の制約が解消された。

短距離航行船の中には、純粋な電気船として建造されたもの（または改造されたもの）がいくつかある。これには、陸上から充電されるバッテリーを動力源とするものと、架空または水中の送電線から陸上電力を供給されるもの（バッテリーは使用しない）がある。

2017年11月12日、広州造船国際（GSI）は、世界初となる全電気式バッテリー駆動の内陸石炭運搬船を進水させた。2,000重量トンのこの船は、1回の充電で最大40海里のばら積み貨物を運搬できる。この船には、テスラ モデルS電気セダン約30台分に相当する2,400キロワット時のリチウムイオン電池が搭載されている。^{[ 19 ] [ 20 ]}

ディーゼル電気

ディーゼル電気によるエンジンからプロペラへの動力伝達は、直接駆動推進よりも初期費用は高くなりますが、船内の機械配置の柔軟性をもたらします。精密位置決めのためにポッドマウントプロペラを使用する船舶^{[ 21 ]}や、非常に柔軟なカップリングによって一般的な振動を低減する船舶^{[ 22 ] [ 23 ]}にとって好ましいソリューションです。ディーゼル電気は、推進以外の船内アプリケーションに出力電力を割り当てる柔軟性を提供します^{[ 24} ]。最初のディーゼル電気船は、1903年に進水したロシアのタンカーVandalでした^{[ 25 ] 。}

ターボ電気

ターボ電気式トランスミッションは、発電機を使用してタービン（蒸気またはガス）の機械エネルギーを電気エネルギーに変換し、電気モーターを使用してそれを再び機械エネルギーに変換して駆動軸を駆動します。ターボ電気式トランスミッションの利点は、ギアボックスを必要とせずに、高速タービンと低速回転のプロペラまたはホイールを組み合わせることができることです。また、照明、コンピューター、レーダー、通信機器などの他の電気システムに電力を供給することもできます。^{[ 26 ]}

現代の商船では、軸の回転力を推力に変換するためにプロペラが最も一般的に使用されている。プロペラで発生した推力は、スラストベアリングを介して船体に伝達される。

最も古い海洋推進方法の一つであるオールは、紀元前5000～4500年に遡るものが発見されている。^{[ 27 ]}オールは、ボート競技、カヤック、カヌーなどの漕艇競技で使用される。^{[ 28 ]}

船舶用プロペラは「スクリュー」とも呼ばれます。船舶用スクリューシステムには、ツイン、逆回転、可変ピッチ、ノズル型スクリューなど、多くの種類があります。小型船はシングルスクリューを採用する傾向がありますが、タンカー、コンテナ船、ばら積み貨物船などの大型船でも、燃料効率の理由からシングルスクリューを採用している場合があります。その他の船舶には、ツイン、トリプル、クワッドスクリューを採用している場合があります。動力は、ギアボックスに接続されているプロペラシャフトを介してエンジンからスクリューに伝達されます。プロペラは推力を発生させて船を動かします。プロペラが回転すると、プロペラの前方の圧力はプロペラの後方の圧力よりも低くなります。この圧力差による力がプロペラを前方に推進します。^{[ 29 ]}

外輪は、一般的に鋼鉄製のフレームで構成された大きな車輪で、その外周に多数のパドルブレード（フロートまたはバケットと呼ばれる）が取り付けられています。車輪の下部4分の1程度が水中を移動します。外輪の回転によって、必要に応じて前進または後退の推力が発生します。より高度な外輪設計では、パドルブレードが水中にある間、各ブレードを垂直に近い角度に保つフェザリング方式が採用されており、これにより効率が向上します。外輪の上部は通常、水しぶきを最小限に抑えるためにパドルボックスで覆われています。

外輪は、より効率的な推進方式であるスクリューに取って代わられました。しかしながら、外輪にはスクリューに比べて2つの利点があり、浅い川や狭い水域を航行する船舶に適しています。第一に、障害物やゴミが詰まりにくいこと。第二に、逆回転することで、船体を垂直軸を中心に回転させることができることです。一部の船舶は、両方の推進方式の利点を活かすために、2つの外輪に加えて1つのスクリューを備えていました。

ポンプジェット、ハイドロジェット、ウォータージェット、またはジェット駆動装置は、ダクト付きプロペラ（軸流ポンプ）、遠心ポンプ、または混合流ポンプを使用して、推進用の水のジェットを生成します。

これらは、水源となる水の取水口と、その流れを噴射して運動量を生み出すノズルを備えており、ほとんどの場合、推力偏向を利用して機体を操縦する。^{[ 30 ]}

ポンプジェットは、水上バイク、高速カタマランフェリー、喫水の浅い河川船、魚雷などに搭載されている。

帆の目的は、風のエネルギーを利用して船、そり、ボード、乗り物、またはローターを推進することです。帆の角度によって、船の進行方向と風の向きの差が決まります。^{[ 31 ]}ダクロンは、丈夫で耐久性があり、メンテナンスが容易なため、帆の素材としてよく使われていました。しかし、織り込む際に弱点が生じました。現在では、織り込む際に帆が弱くなるのを防ぐために、ラミネート加工された帆が使用されています。^{[ 32 ]}

フォイト・シュナイダープロペラ（VSP）は、あらゆる方向に瞬時に推力を発生させる実用的なサイクロローターです。推進器を回転させる必要はありません。VSPを搭載した船舶のほとんどは舵を必要としません。VSPは、タグボート、掘削船、その他非常に優れた操縦性を必要とする船舶によく使用されます。1930年代に初めて導入されたフォイト・シュナイダー駆動装置は、大型サイズも入手可能です。^{[ 33 ]}

初期の珍しいボート推進方法として、ウォーターキャタピラーがありました。これは、チェーンで繋がれた一連のパドルをボートの底に沿って動かし、水上を推進するもので、履帯式車両の開発に先立つものでした。^{[ 34 ]}最初のウォーターキャタピラーは、 1782年にジョセフ＝フィリベール・デブランによって開発され、蒸気機関で推進されました。米国では、最初のウォーターキャタピラーは1839年にニューヨークのウィリアム・リーベンワースによって特許が取得されました。

1997年、グレゴリー・S・ケッターマンは、ペダルで駆動する振動するフラッパーによる推進方法の特許を取得した。^{[ 35 ]}ホビー社はこの推進方法を「ミラージュドライブ・ペダル推進システム」としてカヤックに採用し販売している。^{[ 36 ]}