■技術論文■

北極海航路利用船の航行性能の評価
Ship Performance for Navigation through Northern Sea Route
技術研究所 氷海研究グループ

山内概豊

YAMAUCHI Yutaka

水野 滋也

MIZUNO Shigeya

安齋 圭祐

ANZAI Keisuke

要

北極海の夏期海氷分布の減少にともない、北極海航路の商用利用は徐々に増えてきた。その航海可能期間や経済性は氷海商船の氷海域航行性能によって異なり、また砕氷船によるサポート体制によっても左右される。氷海商船の船型や搭載主機、航路沿いの氷状の変化、砕氷船エスコートの必要性の有無などを考慮して北極海航路の航海性能（航海日数、燃料消費、エスコート要請期間など）を評価するシミュレーションモデルを開発し、アイスクラス IA Super の氷海商船について航海性能を評価した。
Summary
The amount of merchant ships which navigate through the Northern Sea Route (NSR) isincreasing gradually as the sea ice extent of the Arctic Ocean is decreasing in summer season. Thatnavigable term or the economic efficiency on fuel consumption is strongly influenced by the ice class/ icebreaking capability of merchant ship, icebreaker’s support system, and so on. This paper showsthe effect of the performance of IA super class merchant ships in ice-covered waters to thenavigation through the NSR (voyage days, fuel oil consumption and icebreaker’s support days) fromthe result of the NSR voyage simulation.となる期間は、砕氷船のエスコート体制や、自船の砕1. 緒言

氷能力の有無によって大きく異なる。

北極海航路は極東～欧州間の航路短縮あるいはヤマ

本稿では、北極海航路を利用する商船に必要なアイル天然ガスなど北極域資源の海上輸送で注目されてきスクラスや氷海航行性能について考察するとともに、た。北極海航路を利用する商船には、安全な航海を行ロシア沿海を通る北極海航路（北東航路）を対象にしうための船級のアイスクラス規則、ポーラーコード、て、船型や搭載主機の出力を変化させた場合の航海性

NSR 航行規則など通常海域を航行する船舶とは異な能（航海日数，燃料消費，被エスコート日数など）へった規則が適用され、耐氷構造、推進系、機器の低温の影響をシミュレーションによって調査した。

対策、環境対策などに関する要求を満足するように設2. 北極海航路を利用する氷海商船計される。一方、北極海航路の航海性能はアイスクラスに必ずしも対応するものではなく、通行可能な期間

2.1 北東航路と北西航路や燃料消費など運航コストで南周り航路に対して優位

北極海航路は図 1 に示すように、ロシア沿海を航-1-JMU テクニカル・レビュー No.1

（2018 年 1 月）

行する北東航路（Northeast Passage）とカナダ沿海ラスによって計算される指標（Ice Numeral）で航行を航行する北西航路（Northwest Passage）に分けらの可否 を判定する AIRSS （ Arctic Ice Regime

れる。一般に NSR（Northern Sea Route）と言えばShipping System）を導入しており、これらに従った北東航路のことを表す。

安全な航海を義務付けている 4)。

3. NSR 航行シミュレーション

北西航路
北東航路

3.1 シミュレーションの手法
3.1.1 シミュレーションの全体像
北東航路を対象に商用航路としての可能性を評価するためのシミュレーション 5) はこれまでにも数多く( IST’95, SOF )行われてきたが、その航海に適切なアイスクラスある( NASA )

いは砕氷性能について評価された例は少ない。NSR

図 1 北東航路と北西航路航行シミュレーションモデルを開発し、船型や搭載主Fig.1 Northeast Passage and Northwest Passage

機が航海日数や燃料消費量に及ぼす影響を調査した。
シミュレーションの全体の流れを図 2 に示す。

2.2 北東航路利用船
北東航路を利用する商船には NSR 航行規則が適用

INPUT

され、アイスクラスは基本としてロシア船級 Arc4 以Route上（Finnish-Swedish Ice Class IA 以上）が推奨されIce chart

Seasonている。これらは主に耐氷船であり、氷状の厳しい海

Ice
condition
along route

Ship data・dimension
・hull form

域ではロシアの砕氷船がエスコートする 1)。Arc4 のPropulsor data

商船の場合、北東航路の航行可能な最長期間はおおよEngine data

そ 6 月～11 月となっている。ロシア船級規則では、

Electric motor data

砕氷船のエスコートを受けても北東航路を通年航行でNavigation plan

きる船舶のアイスクラスは Arc5 以上（Finnish-Performance ofescort icebreaker

Swedish Ice Class IA Super 以上）としている 2)。

Simulation program

OUTPUT

Estimation of ice resistance atroute segment

Ship speed

Estimation of ship speed atroute segment
Speed ofescort
icebreaker

Judgment on escort
withwithout

Estimation ofchannel resistanceand ship speed

Navigation time
Operation mode
･ unassisted･ with escort
PowerFuel consumption

Estimation of engine powerat route segment
Calculation of fuel oil
consumption at routesegment

Ice condition
Speed, etc.

Voyage distance

一方、ヤマル半島の LNG 積出しやペチョラ海のバ

図 2 NSR 航行シミュレーションの概略フローランディターミナルの原油積出しなど、北極域資源のFig.2 Simulation flow on NSR navigation

積出しで北東航路を部分利用する船舶としては、より安定した航海を行うために氷厚 1.5m 以上の砕氷能力

3.1.2 航路と氷状をもった砕氷商船 3)が導入され、単独航海も可能とし

Chukchi 海～Kara 海までの北東航路約 2,500 海里ている。砕氷船によるエスコートの義務付けはなくなを対象とした（page 1 航路図）
。航路を 5～10 海里のったが、航路上の海氷がほとんどなくなる夏期の一時セグメントで分割し、極東から欧州へ順次セグメント期を除いては、実質的にはエスコート無しの航海は大単位で船速、主機出力などを推定しながら対象船を進きなリスクをともなう。

めていく手法とした 6)。
近年は衛星データの分析技術の進歩に伴って分解能2.3 北西航路利用船の高い氷状データが取得できるようになったが、ここ北西航路のトランジット航海では、北東航路以上にでは WMO（World Meteorological Organization）

氷状の厳しい海域や水深データが整っていない海域もの Egg code に対応した 2009 年～2010 年の海氷デー

多く、また海氷が消失する期間も短い。耐氷クラスタ（SIGRID）を参照して、航路沿いの海氷密接度、IA 相当の耐氷商船もトランジット航海を行った例は氷厚を確率的に生成した。積雪は氷厚の 15%を仮定あるが、北東航路における強力なロシア砕氷船団のよした。それぞれの航路セグメントにおいては氷状は一うなエスコート体制もカナダ側は不十分である。単独定と見なしている。評価対象月は、夏期を中心に 6航海を基本として砕氷商船が使用されることが多いと月～1 月の期間とした。一例として図 3 に 10 月の航考えられる。カナダでは 16 に分けた海域毎にアイス路沿いの氷状を示した。

クラス（耐氷または砕氷クラス）に対して航行可能期間を定めた Zone / Date system や、氷状とアイスク-2-JMU テクニカル・レビュー No.3

（2018 年 1 月）

Ice concentration (%), Ice / Snow thickness (cm)3.1.4 エスコート航行の判定

120

Chukchi Sea

E.Siberian SeaKara Sea

Laptev Sea

単独航行時の船速が 3 ノット以下になるようなセ100

グメントでは、砕氷船のエスコートを受けると仮定しIce concentration
Ice thickness
Snow depth

80た。ただし、エスコート航行と判定されたセグメント60に挟まれた単独航行可能な海域が 20 海里に満たない40場合も、砕氷船に追従するとした。
エスコート砕氷船としては、3 ノット連続砕氷可能

20

氷厚 2.2m、推進出力 47.5MW、船幅 30m の砕氷船

00500

1000

1500

20002500を想定し、氷状が厳しい場合にはラミング航行を行う

Route distance (NM)図 3 NSR 沿いの氷状生成例（10 月）ことも考慮した。

Fig.3 Ice conditions along ship route (October)

3.2 シミュレーションの対象船
北東航路トランジット航海を行っている商船のアイ

3.1.3 船速推定

スクラスは Arc4（IA）が大多数であり、基本としてそれぞれのセグメントの氷状に対して、抵抗、推進砕氷船のエスコートを受ける。しかしながら現状サポ器特性、主機運転条件からスラスト一致法で平均船速ートできる砕氷船は 4 隻程度と少なく、砕氷船の後を推定している。単独航行時の砕氷抵抗は氷海水槽試に複数隻の耐氷商船が列をなして追従するコンボイ方

験によって検証された、船体３次元パネルによる数値式の船隊で運航されることが多い。ここでは氷厚 1m

計算などによって推定されるが、本ケーススタディに以下の砕氷機能も有する IA Super 相当パナマックス

おいては Ionob の簡易計算手法 7)を用い、式(1)の抵サイズの TYPE-1、TYPE-2 の氷海商船を想定した。

抗成分を考慮した。本手法では、航行時喫水における船首形状と主機出力の違いにより、それぞれの砕氷可水面近傍の船体形状と海氷の物性値から抵抗を推定す

能な氷厚は 1m 及び 0.7m としている。推進器は一軸る。砕氷船のエスコートを受ける航行時は、砕氷船に可変ピッチノズルプロペラを想定し、砕氷航行時の推追従する商船は砕氷船によって開かれたチャンネル内進効率は類似船の氷海水槽試験の結果を参考とした。の氷塊を砕氷することはないと仮定し、式(1)の R1

通常海域における 14 ノット航海速力時の推進出力は、以外の抵抗成分をチャンネル内の氷塊分布を仮定してTYPE-1 が 9,280kW、TYPE-2 が 8,680kW である。

計算した（図 4）。また海氷の存在しないセグメント

図 5 に TYPE-1、TYPE-2 の氷海商船の船首形状の特では、計画航海速力で航行すると仮定した。

Rt

徴を、表 1 に主な要目を示す。

R1 R 2 R3 R 4 (1)Rt：全抵抗，R1：船首部の砕氷抵抗，
R2：船首部の氷片の回転・沈降にともなう抵抗，
R3：船首部の氷片の押し分けにともなう抵抗，
R4：平行部を流れる氷片の摩擦による抵抗【単独砕氷航行時】
Bwl

R1+R2+R3 (砕氷抵抗,氷片排除抵抗,氷片摩擦)

R4 (氷片摩擦)【被エスコート、チャンネル航行時】
チャンネル内の氷片充填率分布（幅方向）考慮
エスコート砕氷船

Bc

R2+R3 (氷片排除抵抗,氷片摩擦)

Bwl

図 5 氷海商船の代表的な船首形状

R4 (氷片摩擦)

Fig.5 Typical bow form for ice class or icebreaking

図 4 単独航行とエスコート航行の抵抗成分

merchant ship

Fig.4 Ice resistance components at navigation
with/without icebreaker’s support-3-JMU テクニカル・レビュー No.3

（2018 年 1 月）

表 1 シミュレーションの対象船主要寸法
Table 1 Main particulars of ice class ships for this study
TYPE-2(m)approx. 225.0

Length ; Lpp(m)217.00

Breadth(m)32.26Depth(m)approx. 19.5

Design draft(m)

Length ; Loa

12.50

Stem angle(deg.)
Icebreaking capability(m)(level ice thickness at 3kt)
Maximum continuous
engine output(MW)
Service speed(knot)

40

45

1.0

0.7

17.5

10.5

TYPE-1
TYPE-2200

Escort time (hour)

TYPE-1

250

150

100

500

JUN

JUL

AUG

SEP

OCTNOVDECJAN

図 7 エスコート必要時間の比較

14.0

Fig.7 Time of voyage with icebreaker’s escort
1600

3.3 砕氷性能による NSR 航海状況の違い

TYPE-1
TYPE-2

1400

Fuel oil consumption (kL)

月別の片道１航海の航海日数を図 6 に、エスコー
ト必要時間を図 7 に、燃料消費量を図 8 に、それぞれ TYPE-1 と TYPE-2 を比較して示した。
このシミュレーションの対象月では、航海日数は12 月、1 月の氷状の厳しい時期を除いて、TYPE-1と TYPE-2 の間に大きな差は見られない。12 月、11200
1000
800
600
400
200

月の差は、主に Chukchi 海及び Kara 海における単0独氷海航行時の船速の差による。

JUN単独では航行することができず砕氷船のエスコート

JUL

AUG

SEP

OCT

NOV

DECJAN

図 8 燃料消費量の比較を受ける必要のある時間には TYPE-1 と TYPE-2 でFig.8 Fuel oil consumption for NSR navigation

明らかな差が現れ、TYPE-2 のエスコート必要時間はTYPE-1 の約 1.5 倍となる。

一方、夏期 9 月～11 月の両者ともにエスコート率の１航海の燃料消費量は、出力及び船速を上げて単独小さな月では高い砕氷性能を有する TYPE-1 の利点

氷海航行を行う区間が多い TYPE-1 の方が大きくなはほとんどなくなると考えられる。

り、TYPE-2 の 10～20%増となる。このシミュレー

3.4 スエズ運河周り商船との航海性能比較ションの例では運航採算を直接評価することを目的としていないが、燃料消費の増分を相殺するほどにエス

3.3 のシミュレーション結果を基に、横浜～ハンブコートを受けるための砕氷船費用の影響が大きい場合

ルグ間の航海において、TYPE-1、TYPE-2 の氷海商には、TYPE-1 は氷状の厳しい時期において運転コス船が NSR を利用する場合と、アイスクラスではないトで有利となる可能性がある。

同じサイズの通常商船がスエズ運河を経由して航海する場合の航海性能を比較した。評価条件は以下に示す

1814Voyage days

とおりで、NSR 経由航海のアイスクラス船では NSR

TYPE-1
TYPE-2

16以外の通常海域での船速を 14 ノットとした場合12（Case1）と、航海日数の短縮を活かして 10 ノット10の減速運転を行なう場合（Case2）の２ケースを想定8している。

64a)アイスクラス商船による NSR 経由航海2・対象船：3.2 で想定した TYPE-1 及び TYPE-20JUN

JULAUGSEPOCTNOVDECJAN

・NSR 以外の速力：14 ﾉｯﾄ(Case1)，10 ﾉｯﾄ(Case2)

図 6 航海日数の比較

・燃料消費率：175g/kWh (14 ﾉｯﾄ常用出力時)

Fig.6 Voyage days for NSR navigation

・航 程：7,250 海里（内 NSR 2,505 海里）-4-JMU テクニカル・レビュー No.3（2018 年 1 月）b) 通常商船によるスエズ運河経由南周り航海40・対象船：TYPE-1，TYPE-2 と同じ寸法のアイスク

35

Voyage days

ラスでない通常商船
・航海速力：常用出力 8,000kW において 14 ﾉｯﾄ
・燃料消費率：165g/kWh (14 ﾉｯﾄ常用出力時)・航 程：11,600 海里

30252015TYPE-1
TYPE-2
via SUEZ

1050JUN

図 9 と図 10 に、Case1 の運航による NSR 利用氷JUL

AUG

SEP

OCTNOVDECJAN

海商船の航海日数と燃料消費量をそれぞれスエズ運河

図 11 横浜～ハンブルグ間の航海日数（Case2）経由通常船と比較して示した。また図 11 と図 12 に、Fig.11 Voyage days from Yokohama to Hamburg (Case2)

Case2 の通常海域減速運転の場合の NSR 利用氷海商
Fuel oil consumption (kL)

船の航海日数と燃料消費量をそれぞれスエズ運河経由通常船と比較して示した。
Case1 では 6 月～1 月の評価月において、航海日数は TYPE-1、TYPE-2 ともにスエズ運河経由通常船の航海日数の 65～80％に短縮される。燃料消費量はTYPE-2 で夏期の３ヶ月程度はスエズ運河経由の通常船よりも小さくなるが、それ以外では劣る。今回の解2500
2000
1500
1000

TYPE-1
TYPE-2
via SUEZ

5000JUN

JUL

AUG

SEP

OCT

NOV

DECJAN析では、アイスクラス船の航海速力での主機燃費率を

図 12 横浜～ハンブルグ間の燃料消費（Case2）

通常船に対して大きく設定しているが、これを同等とFig.12 FOC from Yokohama to Hamburg (Case2)

しても燃料消費で優位となるのは、TYPE-1 で２ヶ月、TYPE-2 で４ヶ月程度と評価した。

NSR 利用船が通常海域で 10 ノットの減速運転を行なうと想定した Case2 では、TYPE-1 で夏期の約3.5 ヶ月の期間は航海日数、燃料消費ともにスエズ運

Voyage days

4035

河経由の通常船よりも優位になると推定した。また

30TYPE-2 では 6 月～11 月の約半年の期間は航海日数、25燃料消費ともに優位になると推定した。

2015TYPE-1

10TYPE-25via SUEZ

以上のスエズ運河経由通常船との航海性能の比較評
価においては、砕氷性能を 0.7m 程度に抑えた
TYPE-2 の方が優位期間を延長できる可能性がある。

0JUN

JUL

AUG

SEP

OCT

NOV

DECJAN

これらは航海日数と燃料消費量に的を絞った性能上の図 9 横浜～ハンブルグ間の航海日数（Case1）評価例を示したものであるが、経済性も含めた総合的

Fig.9 Voyage days from Yokohama to Hamburg (Case1)な評価としては、NSR 通行料・エスコート費用とスFuel oil consumption (kL)

エズ運河通行料の大小関係も考慮する必要があり、さ2500

らには TYPE-1 や TYPE-2 と通常船との資本費や保2000

険費の違いも考慮しなければならない。

1500
1000
500

TYPE-14. 結 言

TYPE-2北極海航路を航行する船舶の適切な仕様を考える一via SUEZ

つの検討材料として、アイスクラス商船の北極海航路

0JUN

JUL

AUG

SEP

OCT

NOVDEC

航海性能に関するケーススタディの一例を示した。

JAN

図 10 横浜～ハンブルグ間の燃料消費（Case1）

北極海航路についてはその利用促進に向けた航行規Fig.10 FOC from Yokohama to Hamburg (Case1)則の改正も進められつつあるが、北極海航路を利用する商船がどこまでの氷海域航行性能を備えるかは、エスコート砕氷船など支援体制やインフラ整備にも密接に関係する。
-5-

JMU テクニカル・レビュー No.3

（2018 年 1 月）

今回のケーススタディでは、これらの不確定な条件は考慮していないが、アイスクラス商船の具体的な仕様を可能な限り織り込んで商船の氷海域航行性能（航海日数、エスコート必要時間、燃料消費）に絞った調査を行った。このような具体的な船の仕様を考慮した分析を積み重ねていくことは、今後の周辺条件の動向に対応した商船の建造計画や、北極海航路のメリットを活かせる運航計画を検討するためにますます重要になると考える。

参考文献
1) Ruksha, V. ： Atomic icebreaking fleet anddevelopmentof

thenorthernsearoute,International seminar on sustainable use of thenorthern sea route in Tokyo, pp. 3-1~3-14, (2014)
2) Russian maritime register of shipping：Rules forthe classification and construction of sea-goingships, pp. 21-23, (2008)3) 山内 豊：氷海航行可能な商船の紹介、日本船舶海洋工学会 KANRIN 23 号、pp. 29-32、(2009)
4) Nazha, N. ： Training and Certificate ~The
Canadian approach~, International seminar on
navigational safety in polar waters, (2015)5) シップ･アンド･オーシャン財団：北極海航路～東アジアとヨーロッパを結ぶ最短の道～、pp. 91-111、(2000)
6) 山内 豊，水野滋也：北極海航路を利用する船舶の性能と課題、第 25 回海洋工学シンポジウム講演論
文集、OES25-062、(2015)7) Ionob, B.P.：船舶の氷抵抗とその要素（原文ロシア語）、pp. 34-44、(1988)

山内 豊

水野 滋也

安齋 圭祐

-6-JMU テクニカル・レビュー No.3

（2018 年 1 月）