潜水艦の仕組み

ダイビングと浮上

潜水艦や船が浮くことができるのは、押しのけられる水の重さが船の重さに等しいからです。この水の移動により浮力と呼ばれる上向きの力が生じ、重力に逆らって船を引き下げます。船とは異なり、潜水艦は浮力を制御できるため、自由に沈んだり浮上したりできます。

浮力を制御するために、潜水艦にはバラスト タンクと補助タンク、つまりトリム タンクがあり、交互に水または空気で満たすことができます (下のアニメーションを参照)。潜水艦が水面にあるとき、バラストタンクは空気で満たされており、潜水艦全体の密度は周囲の水の密度よりも低くなります。潜水艦が潜水すると、バラストタンクは水で満たされ、全体の密度が周囲の水よりも大きくなり、潜水艦が沈み始めます (負の浮力) まで、バラストタンク内の空気が潜水艦から排出されます。圧縮空気の供給は、生命維持およびバラストタンクで使用するために、潜水艦内の空気フラスコに維持されています。さらに、潜水艦には、潜水角度の制御に役立つハイドロプレーンと呼ばれる可動式の短い「翼」が船尾 (後部) にあります。水上飛行機は、水が船尾の上を移動し、船尾を上向きに押し上げるように角度が付けられています。したがって、潜水艦は下向きに傾いています。

潜水艦のレベルを任意の設定深度に保つために、潜水艦はトリム タンク内の空気と水のバランスを維持し、その全体の密度が周囲の水と等しくなります (中性浮力)。潜水艦が巡航深度に達すると、水上飛行機が水平になり、潜水艦が水中を水平に航行できるようになります。また、船首トリムタンクと船尾トリムタンクの間に水が強制的に送られ、水位を維持します。潜水艦は、尾舵を使用して右舷 (右) または左舷 (左) に向き、水上飛行機を使用して潜水艦の前後角度を制御することで水中で操縦できます。さらに、一部の潜水艦には 360 度回転できる格納式の二次推進モーターが装備されています。

潜水艦が浮上すると、圧縮空気がエアフラスコからバラストタンクに流れ込み、全体の密度が周囲の水よりも小さくなり (正の浮力)、潜水艦が上昇するまで水が潜水艦から押し出されます。水上飛行機は、水が船尾を越えて上昇し、船尾を下向きに押し下げるように角度が付けられています。したがって、潜水艦は上向きに傾いています。緊急時には、バラストタンクに高圧空気を急速に充填して、潜水艦を非常に迅速に水面に浮上させることができます。

ライフサポート

潜水艦の閉鎖環境における生命維持には、主に 3 つの問題があります。

空気の質を維持する

私たちが呼吸する空気は、大量の 4 つのガスで構成されています。

私たちが空気を吸い込むと、私たちの体は酸素を消費して二酸化炭素に変換します。呼気には約 4.5% の二酸化炭素が含まれています。私たちの体は窒素やアルゴンに対しては何もしません。潜水艦は、人員と限られた空気の供給を収容する密閉された容器です。潜水艦内の空気の通気性を保つためには、次の 3 つのことが起こらなければなりません。

酸素は、加圧タンク、酸素発生装置 (水から酸素を生成できる)、または非常に高温の化学反応によって酸素を放出するある種の「酸素キャニスター」のいずれかから供給されます。 (これらの容器については、MIR宇宙ステーションでの問題があったため覚えているかもしれません。詳細については、このページを参照してください)。酸素は、空気中の酸素の割合を感知するコンピューターシステムによって継続的に放出されるか、または 1 日を通して定期的にバッチで放出されます。

二酸化炭素は、スクラバーと呼ばれる装置でソーダ石灰（水酸化ナトリウムと水酸化カルシウム）を使用して化学的に空気から除去できます。二酸化炭素は化学反応によってソーダ石灰に閉じ込められ、空気から除去されます。他の同様の反応でも同じ目的を達成できます。

湿気は除湿機または化学物質によって除去できます。これにより、船内の壁や設備での結露が防止されます。

さらに、機器やタバコの煙から発生する一酸化炭素や水素などのガスもバーナーで除去できます。最後に、フィルターを使用して、空気から微粒子、汚れ、ほこりを除去します。

淡水の供給を維持する

ほとんどの潜水艦には、海水を取り込んで淡水を生成できる蒸留装置が搭載されています。蒸留プラントは海水を加熱して水蒸気にし、塩分を除去し、その水蒸気を冷却して真水の収集タンクに入れます。一部の潜水艦の蒸留プラントでは、1 日あたり 10,000 ～ 40,000 ガロン (38,000 ～ 150,000 リットル) の淡水を生産できます。この水は主に電子機器 (コンピューターやナビゲーション機器など) の冷却と、乗組員のサポート (飲料、調理、個人の衛生など) に使用されます。

温度を維持する

潜水艦を囲む海の温度は通常、華氏 39 度 (摂氏 4 度) です。潜水艦の金属は内部の熱を周囲の水に伝導します。したがって、潜水艦は乗組員にとって快適な温度を維持するために電気的に加熱される必要があります。ヒーターの電力は、原子炉、ディーゼル エンジン、またはバッテリー(非常用) から供給されます。

電源

原子力潜水艦は、原子炉、蒸気タービン、減速機を使用して主プロペラ シャフトを駆動し、水中で前進および後進の推力を提供します (ドッキング時または緊急時には電気モーターが同じシャフトを駆動します)。

潜水艦は船上の機器を動作させるために電力も必要です。この電力を供給するために、潜水艦には燃料を燃やすディーゼルエンジンや核分裂を利用する原子炉が装備されています。潜水艦には電力を供給するためのバッテリーも搭載されています。電気機器はバッテリーから動作することが多く、バッテリーの充電にはディーゼル エンジンや原子炉からの電力が使用されます。緊急時には、バッテリーが潜水艦を動かすための唯一の電力源になる可能性があります。

ディーゼル潜水艦はハイブリッド車両の非常に良い例です。ほとんどのディーゼル潜水艦には 2 つ以上のディーゼル エンジンが搭載されています。ディーゼル エンジンはプロペラを駆動したり、非常に大規模なバッテリー バンクを充電する発電機を駆動したりできます。または、一方のエンジンがプロペラを駆動し、もう一方のエンジンが発電機を駆動して、組み合わせて動作することもできます。潜水艦はディーゼルエンジンを作動させるために浮上（またはシュノーケルを使用して水面直下を巡航）しなければなりません。バッテリーが完全に充電されると、潜水艦は水中に潜ることができます。バッテリーはプロペラを駆動する電気モーターに電力を供給します。ディーゼル潜水艦が実際に潜水できる唯一の方法はバッテリー駆動です。バッテリー技術の限界により、ディーゼル潜水艦が潜水できる時間は大幅に制限されます。

バッテリーにはこうした限界があるため、潜水艦の原子力は多大なメリットをもたらすことが認識されていました。原子力発電機は酸素を必要としないため、原子力潜水艦は一度に数週間水中に潜ることができます。また、核燃料はディーゼル燃料よりもはるかに長く（数年）持続するため、原子力潜水艦は燃料補給のために水面や港に来る必要がなく、より長く海上に滞在することができます。

原子力潜水艦と航空母艦は、商用発電所で使用される原子炉とほぼ同一の原子炉によって動力を供給されます。原子炉は熱を発生させて蒸気を生成し、蒸気タービンを駆動します。船のタービンは発電機だけでなくプロペラも直接駆動します。商業用原子炉と原子力船の原子炉の主な違いは次の 2 つです。

原子力と推進システムの詳細については、 「原子力発電のしくみ」を参照してください。

ナビゲーション

光は海の奥深くまで浸透しないため、潜水艦は事実上盲目のまま水中を航行しなければなりません。しかし、潜水艦には航海図と高度な航行機器が装備されています。地上では高度な全地球測位システム(GPS) が緯度と経度を正確に測定しますが、潜水艦が水没するとこのシステムは機能しません。水中では、潜水艦は慣性誘導システム(電気式、機械式) を使用し、ジャイロスコープを使用して固定開始点から船の動きを追跡します。慣性誘導システムは 150 時間の稼働まで正確ですが、他の地表依存ナビゲーション システム ( GPS 、無線、レーダー、衛星) によって再調整する必要があります。これらのシステムを搭載すると、潜水艦を正確に航行し、意図した針路から 100 フィート以内に潜ることができます。

目標の位置を特定するために、潜水艦はアクティブおよびパッシブSONAR (音響航法および測距) を使用します。アクティブソナーは音波パルスを発し、水中を伝わり、目標物に反射して船に戻ります。水中の音速と音波が目標に到達して戻ってくる時間を知ることで、コンピューターは潜水艦と目標の間の距離を迅速に計算できます。クジラ、イルカ、コウモリは、獲物の位置を特定するために同じ技術 (エコーロケーション) を使用します。パッシブソナーでは、ターゲットによって生成される音を聞く必要があります。ソナー システムは、既知の海底の特徴を識別することによって慣性航法システムを再調整するために使用することもできます。

レスキュー

潜水艦が何か（他の船、峡谷の壁、地雷など）との衝突や船内の爆発によって沈没した場合、乗組員は無線で救難信号を送信するか、救難信号と潜水艦の位置を送信するブイを打ち上げます。災害の状況によっては、原子炉が停止し、潜水艦はバッテリーのみで動作する可能性があります。

これが事実であれば、潜水艦の乗組員は 4 つの主な危険に直面することになります。

地上からの救助は迅速に行われなければならず、通常は事故から 48 時間以内に行われます。通常、何らかの救助車両を降下させて乗組員を救出したり、潜水艦を海底から引き上げるための何らかの装置を取り付けたりする試みが行われます。救助車両には、深水救助車両（DSRV）と呼ばれる小型潜水艦やダイビングベルなどがあります。

DSRV は、撃墜された潜水艦まで独立して移動し、ハッチ (脱出トランク) の上で潜水艦にラッチを掛け、ハッチを開けることができるように気密シールを作成し、最大 24 人の乗組員を乗せることができます。通常、ダイビング ベルは支援船から潜水艦まで降ろされ、そこで同様の操作が行われます。

潜水艦を引き上げるには、通常、乗組員を引き上げた後、ポンツーンを潜水艦の周囲に配置し、膨らませて水面に浮上させます。救出活動が成功するかどうかの重要な要素には、撃墜された潜水艦の深さ、海底の地形、撃墜された潜水艦付近の流れ、潜水艦の角度、地上の海と気象条件が含まれます。