「海は広く、魚は飛び跳ねることができる」というのは、潜水艦の水中航行の美しい想像力に過ぎない

制作：中国科学普及協会

プロデューサー：ダフイ

制作者: 中国科学院コンピュータネットワーク情報センター

2021年10月2日、アメリカのシーウルフ級攻撃型原子力潜水艦「コネチカット」が水中衝突事故を起こした。

現代の潜水艦は、ソナー システムに加えて、複数のシステムに依存して相互に補完し、検証することで、水中潜水艦が所定のコースと深度で安全に航行できることを保証します。

赤い部分はUSSコネチカットの損傷の可能性を示しています（写真提供：CCTVニュース）

潜水艦は高度な航行、測位、衝突回避技術を備えているのに、なぜ潜水艦と水上艦、潜水艦と潜水艦、さらには潜水艦と海底の海山の衝突事故がときどき起こるのでしょうか。

今日は、潜水艦の水中航行の安全を脅かす「危険要因」について引き続きお話しします。

「海は深く、道は狭い」、潜水艦航行の安全な深度は限られている

潜水艦、特に原子力潜水艦はサイズが大きく、水中の空間が限られており、潜水艦が活動する海底の地形や水域は複雑で変化しやすいものです。全長数百メートル、水中排水量数万トン、潜水時速度30ノット以上に達する攻撃型原子力潜水艦にとって、安全な航行を実現するのは実に困難である。

データによれば、世界の4大海洋の平均水深は、太平洋が約4,000メートル、大西洋が約3,600メートル、インド洋が約3,800メートル、北極海が約1,200メートルです。こんなに水深が深いと、潜水艦が自由に航行して五大海原でカメを捕まえることができるのでしょうか？

実は、誰もが直感しているのとは反対に、海は非常に深いのですが、潜水艦の水中航行領域は非常に狭いのです。潜水艦が海中で移動できるスペースは非常に限られていると言えます。

潜水艦が水中を航行する海洋範囲は水深で表され、通常、潜望鏡深度、作業深度、限界深度に分けられます。

潜望鏡の深さは一般的に約10メートルです。潜水艦の潜望鏡は水面から上昇して現れ、海面および空中でのレーダー、目視観測、偵察、通信が可能になります。しかし、潜水艦は隠蔽性や安全性が低く、敵に発見・追跡されやすく、水上艦艇や水中漁網などに衝突したり絡まったりする恐れがあります。

バージニア級原子力潜水艦USSインディアナ（写真提供：中国国防ニュース）

極限深度とは、潜水艦の耐圧船体に永久変形を生じさせることなく安全に潜水できる最大深度です。各国の潜水艦の性能によって異なりますが、基本的には300〜600メートルの間です。潜水艦は通常、テストや緊急事態の際にこの深さに短時間留まります。極限水深に長時間留まったり、航行中に操作が不適切で船体の一部が極限水深を超えたりすると、外部の海水圧が船体の弱い部分を突き破って潜水艦内に侵入し、ひどい場合には沈没に至るおそれがあります。

作戦深度とは、潜水艦が安全に長時間航行し、魚雷ミサイル発射等が行える深さのことです。人工衛星や対潜哨戒機等に発見されることを防ぎ、喫水20～30メートルの超大型タンカーやトロール漁船等との衝突を避けるため、通常潜水艦では水深60～100メートル程度、原子力潜水艦では水深100～300メートル程度を安全な作戦深度として選択しています。

現在、潜水艦の船体の長さは、通常型潜水艦で約80メートル、攻撃型原子力潜水艦で約100メートル、戦略型原子力潜水艦で約150メートルとなっています。理論上、潜水艦の安全な作戦深度は水中60～300メートルに限られており、つまり、従来型潜水艦は船体長の約3倍の水中空間でしか作戦できず、原子力潜水艦は船体長の約2倍の水中空間でしか作戦できない。

遠くの海は広大で底なしのように見えますが、潜水艦が航行できる空間は比較的限られており、海面近くの非常に浅い水層しかありません。

衝突の原因は多岐にわたり、潜水艦は水中航行において多くの困難に直面している。

海は広大ですが、潜水艦にとって水中航行環境は非常に危険です。 「空は高く、鳥は自由に飛び、海は広く、魚は自由に跳ねる」という表現は、通常、水中を航行する潜水艦には適していません。

潜水艦航行の安全深度の制限に加え、海底地形、水の動き、水中の移動物体はすべて、潜水艦航行の安全性に大きな影響、制限、危険をもたらします。 「水中迷路」に勇敢に挑む潜水艦にとって、「危険はどこにでもあり、あらゆる場面で事故が起きる」とも言えるでしょう。

まず、海底の地形は非常に複雑で多様です。

陸上の地形の一部は海の下にも存在すると言えますが、海底の地形の一部は陸上には存在しない可能性があります。海底の一般的な地形には、斜面、溝、谷、段丘、盆地、海山、海丘、海底峡谷、中央海嶺、窪地、海底平野、扇状堆積物などがあります。海底地形が複雑になるほど、海流や潮汐の変化が大きくなり、水中航行環境が厳しくなり、潜水艦航行の安全性が低下します。

複雑な海底地形の模式図

（画像出典：https://www.maritimeherald.com/2018/secret-pictures-of-the-deep-sea-finally-revealed/）

たとえば、潜水艦が海底の峡谷を航行しているとき、峡谷内の海流の流速が速すぎると、潜水艦は簡単に岸や岩礁に押し付けられてしまいます。これには、火山、津波、人工建造物によって引き起こされる海底地形の急激な変化が潜水艦の航行に与える影響は考慮されていません。

第二に、海水の変化は非常に急速かつ複雑です。

海水は常に流れ、変化しており、海水の流れの変化は、時間、深さ、海域、海底の地形や地質によって大きく異なります。例えば、狭い水路では海流の速度が大幅に増加し、急峻な海岸では潮汐の変化がより顕著になり、海溝や海山の近くでは極めて強い吸引力を持つ渦（海底渦）が発生します。

水中を航行中の潜水艦が、海流が安定している海域から突然、変化の大きい海域に入った場合、不適切な操作やタイミングの悪い対応により、潜水艦が傾いたり、縦揺れしたり、突然進路を変えたり、さらには岩礁や岩壁に衝突したり、海底に接触したりするおそれがあります。

さらに、海水の密度の急激な変化により、潜水艦は致命的な「深度低下」事故に遭う可能性があります。

地域によって海水の塩分濃度や温度などが異なるため、海水の密度は深さが増すにつれて必ずしも均一な分布を示すわけではありません。海水の密度が深さとともに急激に変化すると、垂直方向に密度ジャンプ層が生成されます。ジャンプ層の上部の海水の密度が下部の密度より小さい場合、海水の浮力が上から下に向かって急激に増加し、上層と下層の間に障壁が形成され、潜水艦は海底に触れているように感じるようになります。

密度ジャンプ層の模式図（画像出典：参考文献1）

このジャンプ層は比喩的に「軟らかい液体の海底」と呼ばれていますが、ジャンプ層より上の海水の密度が下の海水の密度よりも大きい場合、負の勾配密度ジャンプ層が形成されます。海水の浮力は上から下に向かって急激に減少し、潜水艦は海底に急激に沈みます（つまり、深度が下がります）。深度を時間内に素早く制御できない場合、潜水艦は最大深度まで降下した際に破壊され、乗員は死亡することになります。

衝突の原因は様々であり、水中衝突は将来も避けるのが難しいだろう。

上記で分析した潜水艦衝突を引き起こす可能性のある要因に加えて、海底地図の更新の遅れ、警告なしの突然の地形変化、不適切な航行位置、水中音響の応酬、特別に作られた対潜水艦障害物、狭い道路で出会う移動物体はすべて、水中を航行する潜水艦と「密接な接触」を起こし、船体や計器を損傷し、乗組員を負傷させ、さらには潜水艦の破壊、死亡、核漏洩などの取り返しのつかない損失を引き起こす可能性があります。

潜水艦の活動深度範囲内には、水中に浮かぶ氷山、泳ぐクジラの群れ、増加する無人潜水艇など、活動が活発な水中空間もあることは注目に値します。

既存の統計データ分析によれば、原子力潜水艦の絶対数が多く、航行バッチ数が多い海域では、水中衝突の確率が比較的高いことが分かっています。例えば、冷戦時代、ソ連のバレンツ海は原子力潜水艦の衝突の可能性が最も高かった海域でした。

今後、原子力潜水艦の増強や各国の水中活動の活発化に伴い、自艦長の2～3倍程度の高度の水中空間で活動する原子力潜水艦や通常潜水艦がますます増えていくでしょう。潜水艦同士、また潜水艦と他の移動体や水中固定物との衝突の可能性は依然として存在します。

特に、特定の状況下では原子力潜水艦の衝突の可能性が高まる可能性があります。この場合、原子力潜水艦の事故リスクが高まるだけでなく、水中での核漏洩の可能性も高まる可能性がある。

したがって、世界の平和と発展、そして近隣諸国の人々の安全のために、私たちは潜水艦の使用中に起こり得るさまざまな事故に対して、より一層の警戒と予防措置を講じる必要があります。

参考文献:

(1) 張建華、黄海峰、胡坤、劉光緒。密度ジャンプ層が潜水艦の操縦性に与える影響と対策に関する研究[J]。兵器機器工学ジャーナル、2021年、42(04):118-122。