造船学

造船学、または海軍工学は、機械、電気、電子、ソフトウェア、安全工学の要素を組み込んだ工学分野であり、設計プロセス、造船、保守、海洋船舶および構造物の運用に適用される。^{[1] [2]}造船学には、海洋車両のライフサイクルの全段階における基礎研究と応用研究、設計、開発、設計評価（分類）、計算が含まれる。主な活動は、船舶の予備設計、詳細設計、建造、試験、運用と保守、進水とドック入りである。船舶の設計計算は、改造（改造、再建、近代化、修理）される船舶にも必要である。造船学には、安全規則と損傷制御規則の策定、および法定および非法定要件を満たす船舶設計の承認と認証も含まれる。

「船舶」という言葉には、主に船やボートなどのあらゆる種類の水上乗り物が含まれますが、非排水量船、水上飛行機、水上輸送手段として使用されるか、使用できるものも含まれます。^[3]造船学の主な要素については、次のセクションで詳しく説明します。^[4]

静水力学は、船舶が水中で静止しているときに受ける条件と、船舶が浮いている能力に関するものです。これには、浮力、排水量、トリム（船舶の縦方向の傾斜の尺度）や安定性（風、海、または荷重条件によって傾いた船舶が直立位置に戻る能力）などの静水力学的特性の計算が含まれます。^[5]

• 流体力学は、船体、船首、船尾の周囲、プロペラのブレードや舵などの物体の上、またはスラスタトンネルを通る水の流れに関係します。
• 船の抵抗と推進力は、主に船体の周りの水の流れによって生じる水中での運動に対する抵抗に関係します。これに基づいて出力計算が行われます。
• 推進力は、プロペラ、スラスター、ウォータージェット、帆などを使用して船舶を水中で移動させるために使用されます。エンジンの種類は主に内燃機関です。一部の船舶は、原子力または太陽エネルギーを使用して電力で駆動されます。
• 船舶の運動には、航行中の船舶の運動と波や風に対する反応が含まれます。^[6]
• 制御性（操縦性）には、船舶の位置と方向を制御および維持することが含まれます。

液体の表面上では浮遊物体は 6 つの自由度を持ち、これらは並進または回転のいずれかに分類されます。

• 翻訳
  • 揺れ: 横方向
  • サージ：前後
  • ヒープ：垂直
• 回転
  • ヨー: 垂直軸の周り
  • ピッチまたはトリム: 横軸を中心に
  • ロールまたはヒール：前後軸を中心に

縦方向の安定性は、縦方向の傾斜に対して、重心と縦方向のメタセンター間の距離によって決まります。言い換えれば、船が重心を維持する基準は、船の船尾と船首の両方から等しく離れた距離です。

物体が液体の表面に浮かんでいる間も、物体は重力の力を受けます。沈まないように浮かんでいるためには、物体に対して静水圧と呼ばれる反対の力が作用します。物体を平衡に保つためには、物体に作用する力は同じ大きさで同じ運動方向でなければなりません。この平衡状態は、自由に浮いている物体が静水にある場合にのみ存在します。他の条件が存在する場合、これらの力の大きさは劇的に変化し、物体の揺れを生み出します。^[7]

浮力は物体の重さに等しく、言い換えれば、物体の質量は物体が押しのけた水の質量に等しいということです。これにより、物体の表面積と押しのけた面積の積分だけ物体に上向きの力が加わり、物体の表面と水面の間に平衡が生まれます。

ほとんどの状況下での船の安定性は、荒波で遭遇するあらゆる形態の制約や抵抗を克服することができます。しかし、横揺れの振動のバランスが上下揺れの振動の2倍になると、船は望ましくない横揺れ特性を示し、船が転覆する原因となります。^[8]

構造には、建造材料の選択、船舶の全体的および局所的な強度の構造解析、構造部品の振動、航行中の船舶の構造応答が含まれます。船の種類に応じて、構造と設計は使用する材料とその量によって異なります。一部の船はガラス強化プラスチックで作られていますが、大多数は鋼鉄で、上部構造にはアルミニウムが使用されている可能性があります。^[7]

船の全体構造は、四辺で支えられた鋼板でできた長方形のパネルで設計されている。大きな表面積で組み合わされたグリラージュは、船体、デッキ、隔壁を形成し、フレームの相互支持も果たしている。船の構造は、船体を支えられるほど頑丈ではあるが、克服しなければならない主な力は、船体に負担をかける縦方向の曲げであり、構造は、材料が可能な限り前方と後方に配置されるように設計されなければならない。^[7]

主な縦方向要素は、デッキ、外板、内底で、これらはすべて格子状の形をしており、これらに縦方向に伸びる部分が追加されている。船の寸法は、座屈を防ぐために補強材の間に十分な間隔を作るためのものである。軍艦は、多くの現代の商用船が採用している縦方向の補強システムを使用してきた。このシステムは、SSグレートイースタンなどの初期の商船で広く使用されていましたが、後に、より実用的であることが証明された船体設計の別の概念である横方向フレーム構造に移行しました。このシステムは、その人気からタンカーなどの現代の船舶に実装され、 イシャーウッドシステムと名付けられました。^[7]

イシャーウッド方式の配置は、デッキの両側と底部を縦方向の部材で補強し、フレームや梁と同じ距離になるように十分に離して配置する。この方式は、縦方向を支える横方向の部材を約3～4メートル離すことで機能し、この広い間隔により隔壁が提供する力を移動させることで必要な横方向の強度が得られる。^[7]

手配には、コンセプト設計、レイアウトとアクセス、防火、スペースの割り当て、人間工学、容量が含まれます。

建造は使用する材料によって異なります。鋼鉄やアルミニウムを使用する場合は、構造設計図やモデルに従って圧延、マーキング、切断、曲げを行った後、プレートとプロファイルを溶接し、組み立てて進水させます。繊維強化プラスチックやガラス強化プラスチックなどの他の材料には、他の接合技術が使用されます。建造プロセスは、安全性、構造の強度、流体力学、船の配置など、すべての要素を考慮しながら慎重に考え抜かれます。考慮される各要素は、船の向きだけでなく、考慮すべき材料の新しいオプションを提示します。構造の強度を考慮すると、船の衝突行為は船の構造が変化する方法で考慮されます。したがって、材料の特性は慎重に考慮されます。衝突された船に適用される材料は弾性特性を持っているため、衝突された船が吸収したエネルギーは反対方向に偏向し、両方の船はそれ以上の損傷を防ぐために跳ね返るプロセスを経ます。^[9]

伝統的に、造船学は科学よりも工芸に重点が置かれてきました。船の形状の適合性は、船の半分の模型やプロトタイプを見て判断されました。不格好な形状や急激な変化は欠陥として嫌われました。これには索具、デッキの配置、さらには備品も含まれます。不格好、完全、素晴らしいなどの主観的な表現は、今日使用されているより正確な用語の代わりに使用されました。船は、当時も今も「きれいな」形状をしていると表現されています。「きれいな」という用語は、船首から船尾へのスムーズな変化だけでなく、「正しい」形状も意味します。決定的な裏付け分析がない場合に特定の状況で何が「正しい」かを判断することは、今日でも造船学の技術に含まれています。

現代の低コストのデジタルコンピューターと専用ソフトウェア、そして実物大の曳航タンクと計算データを相関させる広範な研究を組み合わせることで、造船技師は海洋車両の性能をより正確に予測できるようになりました。これらのツールは、静的安定性(無傷および損傷)、動的安定性、抵抗、動力、船体開発、構造解析、青水モデリング、およびスラム解析に使用されます。データは、 RINA、造船海洋技術者協会 (SNAME)などが主催する国際会議で定期的に共有されています。数値流体力学は、ランダムな海における浮体の反応を予測するために適用されています。

海洋環境での運用に伴う複雑さのため、造船工学は、特定の分野の専門家である技術的に熟練した人々のグループ間の共同作業であり、多くの場合、主任造船技師によって調整されます。^[10]この固有の複雑さは、利用可能な分析ツールが、航空機、自動車、さらには宇宙船の設計に使用されているものよりもはるかに進化していないことも意味します。これは主に、海洋車両が動作する必要がある環境に関するデータの不足と、海洋構造物に対する波と風の相互作用の複雑さによるものです。

造船技師は、商業用および軍事用の船舶、ボート、その他の海洋船舶、および海洋構造物の設計、分類、調査、建造、および/または修理を担当する エンジニアです。

• 商船–石油タンカー、ガスタンカー、貨物船、ばら積み貨物船、コンテナ船
• 旅客・車両フェリー、クルーズ船
• 軍艦-フリゲート艦、駆逐艦、航空母艦、揚陸艦
• 潜水艦と水中車両
• 砕氷船
• 高速船-ホバークラフト、多胴船、水中翼船
• 作業船 –はしけ、漁船、アンカーハンドリングタグ供給船、プラットフォーム供給船、タグボート、水先案内船、救助艇
• ヨット、モーターボート、その他のレクリエーション用船舶
• 海洋プラットフォームと海底開発

これらの船舶の中には、人類が生み出した最大級のもの（超大型タンカーなど）、最も複雑なもの（航空母艦など）、そして非常に価値の高い移動構造物があります。これらは通常、世界中の原材料や製品を輸送する最も効率的な手段です。この規模の現代のエンジニアリングは、本質的にはそれぞれの分野の専門家によって行われるチーム活動です。造船技師はこれらの活動を統合します。この要求の厳しいリーダーシップの役割には、管理能力と、さまざまな設計上の制約のしばしば矛盾する要求をまとめ、目的に適した製品を生み出す能力が必要です。^[11]

このリーダーシップの役割に加えて、造船技師は、安全で経済的、環境に優しく、航海に適した設計を確実に実現するという専門的な役割も担っています。これらすべてのタスクを実行するには、造船技師は多くの工学分野を理解し、ハイテク分野の最前線にいなければなりません。また、科学者、弁護士、会計士、さまざまなビジネスマンが提供するサービスを効果的に活用できなければなりません。

造船技師は、造船所、船主、設計会社やコンサルタント会社、機器メーカー、分類協会、規制機関 (海事法)、海軍、政府に勤務するのが一般的です。造船技師の大多数は教育分野でも働いていますが、米国では造船工学および海洋工学のプログラムで認定を受けている大学はわずか 5 校です。米国海軍兵学校には、造船工学の最も知識豊富な教授の 1 人である、海軍大佐のマイケル ビト氏がいます。

• フェレイロ、ラリー・D. (2007)。『船と科学：科学革命における造船学の誕生、1600-1800年』MIT出版。ISBN 978-0-262-06259-6。
• フェレイロ、ラリー・D.（2020）。『海をつなぐ：産業時代における造船技術の台頭、1800～2000年』MIT出版。ISBN 978-0-262-53807-7。
• Paasch, H. 『船底からトラックまでの海軍用語辞典』ロンドン: G. Philip & Son, 1908年。