船の安定性

船舶の安定性は、船舶の安定性に関する造船学と設計の分野であり、損傷の有無にかかわらず、静水と波浪の両方で船舶が海上でどのように動作するかを扱うものです。安定性の計算では、重心、浮心、船舶のメタセンター、およびこれらの相互作用に重点が置かれます。

船舶の安定性は、造船工学において、何百年もの間考慮されてきました。歴史的に、船舶の安定性の計算は、多くの場合、特定の測定システムに結び付けられた経験則の計算に依存していました。これらの非常に古い方程式のいくつかは、今日の造船学の本で引き続き使用されています。しかし、安定性を決定するための微積分ベースの方法、特にピエール・ブーゲが 1740 年代の船舶模型でメタセンターの概念を導入したことにより、はるかに複雑な分析が可能になりました。

昔の造船の名工たちは、適応型設計と変形型設計のシステムを採用していました。船は、わずかな変更のみで世代から世代へとコピーされることがよくありました。安定した設計を複製することで、深刻な問題は通常回避されました。今日の船でも、この適応型と変形型のプロセスが使用されていますが、数値流体力学、船舶模型のテスト、および流体と船舶の動きに関する全体的な理解の向上により、より分析的な設計が可能になりました。

1860年から1880年代にかけて、装甲艦の設計に横方向および縦方向の防水隔壁が導入され、衝突防止隔壁は1860年以前に英国の蒸気商船で義務付けられていました^。[1] それ以前は、船体のどの部分でも破損すると、全長が浸水する可能性がありました。横方向隔壁は高価ですが、破損した区画と破損していない区画を隔てることにより浸水を制限することで、船体損傷の際に船が生き残る可能性を高めます。縦方向隔壁にも同様の目的がありますが、過度の傾斜を排除するために、損傷による安定性の影響を考慮する必要があります。今日、ほとんどの船には左舷と右舷のセクションの水の量を均等にする手段（クロスフラッディング）があり、構造上のストレスや船の傾斜やトリムの変化を制限するのに役立ちます。

追加安定システムは、波や突風の影響を軽減するように設計されています。穏やかな海での船舶の安定性を高めるものではありません。国際海事機関の満載喫水線に関する国際条約では、安定性を確保する方法としてアクティブ安定システムを挙げていません。アクティブシステムがなくても船体は安定している必要があります。

ビルジキールとは、船のビルジの曲がり角に船の全長に沿って溶接された、長く、多くの場合 V 字型の金属フィンです。ビルジ キールは 2 つ (船の両側に 1 つずつ) 使用されます。まれに、船の両側に複数のビルジ キールがある場合もあります。ビルジ キールは、船が横揺れするときに流体抵抗を増大させ、横揺れの量を制限します。

アウトリガーは、浮力のあるフロートを沈めるために必要な力、または流体力学的フォイルによって、横揺れを減らすために船舶に取り付けられることがあります。場合によっては、これらのアウトリガーは、船舶をトリマランとして分類するのに十分な大きさですが、他の船舶では、単にスタビライザーと呼ばれることもあります。

アンチロールタンクは、タンクの左舷側から右舷側への水の移動速度を遅くするためのバッフルが取り付けられた内部タンクです。船体の高い側に大量の水が閉じ込められるように設計されています。自由表面効果に対抗する効果を持つことを目的としています。

パラベーンは、漁船などの低速船舶で横揺れを軽減するために使用されることがあります。

多くの船舶に見られるアクティブ安定システムでは、ポンプ、油圧ピストン、または電動アクチュエータの形でシステムにエネルギーを適用する必要があります。これには、船舶の側面に取り付けられたスタビライザーフィンや、船舶の動きを相殺するために流体がポンプで循環されるタンクが含まれます。

アクティブフィン スタビライザーは、航行中、または最近では停泊中の船舶の横揺れを軽減します。このスタビライザーは船体より水面下まで伸びており、傾斜角と船舶の横揺れ率に応じて迎え角を変え、飛行機の補助翼と同様に機能します。クルーズ船やヨットでは、このタイプのスタビライザー システムがよく使用されています。

フィンが格納式でない場合は、フィンは船体に固定された付属物となり、船幅または喫水エンベロープが延長され、船体クリアランスの追加に注意が必要になる可能性があります。

一般的な「アクティブ フィン」スタビライザーは、航行中の船舶のロールを効果的に抑制しますが、最新のアクティブ フィン システムの中には、船舶が航行していないときのロールを軽減できるものもあります。ゼロ速度または静止時の安定化と呼ばれるこれらのシステムは、特別に設計されたフィンを十分な加速と衝撃のタイミングで動かすことで、効果的なロールキャンセル エネルギーを生み出します。

船が航行中の場合、急激な舵の変化は船首方向の変化を引き起こすだけでなく、船の横揺れも引き起こします。フリゲート艦などの一部の船では、この影響が非常に大きいため、制御アルゴリズムでこれを利用して船の横揺れを抑えながら同時に船を操縦することができます。このようなシステムは通常、「舵横揺れ安定化システム」と呼ばれます。その効果は安定フィンと同等です。ただし、これは船速 (速いほど良い) や、舵位置決めシステムの位置、サイズ、品質 (安定フィンと同等の速さで動作します) など、船の設計上のさまざまな要素に依存します。また、船が舵の動きにどれだけ速く反応して横揺れ (速いほど良い) や旋回速度 (遅いほど良い) を出すかも重要です。高品質の操舵装置や船尾の強化にはコストがかかりますが、この安定化オプションは安定フィンよりも経済的です。必要な設備が少なく、脆弱性が低く、抗力も少なくなります。さらに、必要な高品質のコンポーネントにより、ロール低減が不要な期間でも優れた操縦特性が得られ、水中の騒音が大幅に軽減されます。この安定化ソリューションを採用している海軍艦艇として知られているのは、F124 (ドイツ)、M-fregat、LCF (いずれもオランダ海軍) です。

ジャイロスコープは、1920年代後半から1930年代前半にかけて、軍艦、次いで客船の船体横揺れを制御するために初めて使用された。大型ジャイロスコープを船体横揺れの制御に使用した最も野心的な例は、イタリアの客船コンテ・ディ・サヴォイア号で、船体前部に3つの大型スペリー製ジャイロスコープが搭載されていた。西行きの航海では横揺れを大幅に軽減できたが、安全上の理由から東行きの航路ではシステムを外さなければならなかった。これは、追い波（およびこれによって引き起こされる大きくゆっくりとした横揺れ）があると、システムをオンにした状態で船が「ぶら下がる」傾向があり、システムによって生じる慣性によって、激しい横揺れから船を正すのが難しくなるためであった。^[2]

ジャイロスタビライザーは、回転するフライホイールと、船体構造にボートの復元トルクを加えるジャイロスコープの歳差運動で構成されています。ジャイロのフライホイールの角運動量は、外部トルクが作用しない限り、フライホイールが軸を中心に回転し続ける範囲の尺度です。角運動量が大きいほど、外部トルクに対するジャイロの抵抗力が大きくなります (この場合、ボートのロールを打ち消す能力が高くなります)。

ジャイロスコープには、スピン軸、入力軸、出力軸の 3 つの軸があります。スピン軸はフライホイールが回転する軸で、ボートのジャイロの場合は垂直です。入力軸は入力トルクが適用される軸です。ボートの場合、主入力軸はボートの縦軸です。ボートが回転する軸だからです。主出力軸は横軸で、入力に反応してジャイロが回転または歳差運動します。

ボートが横転すると、回転がジャイロへの入力として作用し、ジャイロは出力軸を中心に回転を生成し、スピン軸が入力軸と揃うように回転します。この出力回転は歳差運動と呼ばれ、ボートの場合、ジャイロは出力軸またはジンバル軸を中心に前後に回転します。

角運動量は、ディーゼルエンジンの馬力定格や発電機のキロワット定格に類似した、ジャイロスタビライザーの有効性の尺度です。ジャイロスタビライザーの仕様では、合計角運動量（慣性モーメントと回転速度の積）が重要な量です。現代の設計では、出力軸トルクを使用してスタビライザーフィンの角度を制御し（上記参照）、ボートのロールに対抗できるため、小型のジャイロスコープのみが必要です。船のフィンスタビライザーをジャイロで制御するというアイデアは、1932年にゼネラルエレクトリックの科学者であるアレクサンダーソン博士によって初めて提案されました。彼は、サイラトロン真空管によって生成される作動命令を使用して、スタビライザーフィンの電気モーターへの電流を制御するジャイロを提案しました。^[3]

船体を設計する際、船が損傷していない状態と損傷した状態について安定性の計算が行われます。船は通常、船級協会によって安定性のテストが行​​われるため、安定性の要件 (下記) をわずかに上回るように設計されています。

無傷安定性の計算は比較的簡単で、船上にある物体の質量の中心をすべて計算し、船の重心と船体の浮中心を特定します。貨物の配置と積載、クレーン操作、設計海況が通常考慮されます。右の図は、重心が浮中心よりかなり上にあるにもかかわらず、船が安定していることを示しています。船が安定しているのは、船が傾き始めると、船体の片側が水面から浮き上がり、もう片側が沈み始めるためです。これにより、浮中心は水中の低い側に移動します。造船技師の仕事は、船が傾くと浮中心が重心の外側に移動することを確認することです。わずかに傾いた状態で浮中心から垂直に引いた線は、メタセンターと呼ばれる点で中心線と交差します。メタセンターが重心よりもキールより上にある限り、船は直立状態で安定します。

海上での船舶の無損傷時の安定性は、国際海事機関（IMO）の基準である「無損傷時の安定性に関する国際規則」によって規定されています。^[4]

損傷安定性の計算は、無傷安定性の計算よりもはるかに複雑です。面積と体積を他の方法で計算するとすぐに面倒で時間がかかるため、数値手法を利用するソフトウェアが通常使用されます。

浸水による安定性の喪失は、自由表面効果に一部起因すると考えられる。船体に溜まった水は通常ビルジに流れ込み、重心を下げてメタセントリック高さを実際に増加させる。これは船が静止して直立していることを前提としている。しかし、船が少しでも傾くと（例えば波が当たると）、ビルジ内の液体は下側へ移動する。その結果、傾斜が生じる。

浸水時には、たとえば空のタンクに海水が満たされた場合にも安定性が低下します。タンクの浮力が失われると、船のその部分がわずかに水中に沈みます。タンクが船の中心線上にない限り、傾斜が生じます。

安定性の計算では、タンクが満たされると、その内容物は失われ、海水に置き換わると想定されます。これらの内容物が海水よりも軽い場合 (たとえば軽油)、浮力が失われ、それに応じてセクションが水中でわずかに下がります。

商船、そして旅客船ではますます、損傷安定性の計算は確率的な性質を帯びています。つまり、1 つの区画の破損について船を評価するのではなく、2 つまたは最大 3 つの区画が浸水した状況も評価します。これは、区画が損傷する可能性と船への影響を組み合わせ、特定の規制に準拠する必要がある損傷安定性指数を導き出すという概念です。

ビューローベリタス、アメリカ船級協会、ロイズ船級協会、韓国船級協会、ノルウェー船級協会などの船級協会に受け入れられるためには、船の設計図を船級協会による独立した審査に提出する必要があります。また、船が旗国となる国の規則に定められた構造に従った計算も提出する必要があります。

この枠組みの中で、各国が満たすべき要件を定めています。米国船籍の船舶の場合、設計図と安定性の計算は、米国連邦規則集および海上人命安全条約(SOLAS) に照らしてチェックされます。船舶は、損傷していない状態と損傷した状態の両方において、設計上の条件で安定している必要があります。設計に必要な損傷の範囲は、規則に含まれています。想定される穴は、船舶の長さと幅の割合として計算され、船舶の安定性に最も大きな損傷を与える船舶の領域に配置されます。

さらに、米国沿岸警備隊の規則は、米国の港および米国領海で運航する船舶に適用されます。一般に、これらの沿岸警備隊の規則は、最小メタセントリック高さまたは最小復原モーメントに関するものです。国によって最小メタセントリック高さの要件が異なる場合があるため、現在、ほとんどの船舶には、積荷または乗組員の積載量に基づいてこの距離をオンザフライで計算する安定性コンピューターが装備されています。このタスクに使用される市販のコンピューター プログラムは多数あります。

船舶のクラスに応じて、安定性証明書または安定性小冊子のいずれかを船上に搭載することが義務付けられています。^{[5] [6]}

• 転覆 – 船舶が横転したり、ひっくり返ったりする行為
• 自由表面効果 – スラックタンク内の液体の影響
• 傾斜テスト – 船の安定性、軽量化、重心を決定するテスト
• クロナン (船)  – 1670 年代のスウェーデン海軍の船
• メアリー ローズ – イギリス テューダー朝の軍艦 (1511–1545)
• ニオベ（スクーナー）  – ドイツ海軍の練習用スクーナー
• パミール (船)  – ドイツの帆船
• 船の運動 – 運動の6つの自由度に関連する用語
• SS イーストランド – 1915 年にシカゴで転覆した客船
• 航行していないときの安定化 - 停泊中の船舶の横揺れを軽減

• 米国連邦規則集第46編 2007年7月1日アーカイブウェイバックマシン
• 2007 年 ABS 鋼船建造および分類規則
• 一般的なロール減衰戦略の概要