潜水艦はどのようにして深海戦闘で「鋭い目と耳」を獲得できるのでしょうか? ——蛟龍作戦における潜水艦の科学的原理

2018年春節興行成績1位となった『紅海作戦』の続編として、『趙龍作戦』が蛇年春節に公開された。前作の興奮を引き継いだだけでなく、中国映画史上初めて中国人民解放軍海軍の潜水艦部隊を主人公に据え、この「神秘の部隊」のスリリングな深海作戦を描いている。

映画では、蛟龍特攻隊チームが神秘的な深海の世界に潜り込み、観客を地上とは全く異なる世界へと導きます。深海の高い水圧、低い水温、そして暗闇は人間を怖がらせるのに十分だが、兵士たちは恐れていない。彼らは最新鋭の潜水艦を操縦し、波の下を静かに前進します。

映画で紹介されている対水雷魚雷、超空洞化魚雷、超伝導磁性流体、シャフトレスポンプ推進、水中輸送艇などの高度な潜水艦技術は、観客にとって目を見張るものである。

潜水艦の軍事的利用は、水中に潜む能力を駆使し、敵の不意を突いて「陰謀」を企み、敵の不意を突いて攻撃するものであり、殺意を秘めているともいえる。潜水艦開発の歴史をご存知ですか？潜水艦はどのようにして自由に沈んだり浮いたりするのでしょうか?潜水艦はなぜ潜水時に水圧で押しつぶされないのでしょうか？潜水艦はどのようにして水中で「鋭い聴覚と鋭い目」を実現するのでしょうか?

今日は一緒に答えましょう

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▲海軍博物館展示

「脳開眼」誕生の歴史

伝説によれば、「水中に潜る」という概念は、キリスト以前のアレクサンダー大王の時代にすでに存在していたそうです。当時の潜水装置は下図の通りで、実際のところ潜水艦とは言えないものでした。

非軍事用潜水艦の歴史は1620年まで遡ることができるが、オランダの科学者は人類史上初の「潜水艇」の建造に成功した。この潜水艇は12人の船員が漕いで操縦でき、英国のテムズ川で何度も水深5メートル以上の場所に潜水した。

▲人類史上初の「潜水船」

その後 100 年間にわたり、さまざまな国の科学者が想像力を駆使してさまざまな潜水艇を開発しました。大きな箱のように見えるものもあれば、ボールのように見えるもの、さらにはやかんのように見えるものもありました。しかし、技術と応用において大きな進歩はありませんでした。潜水艦の開発に新たな推進力が注入されたのは、18 世紀後半にアメリカ独立戦争が勃発してからのことでした。

▲潜水艦「ケトル」

アメリカのデビッド・ブッシュネルは、大きなボールのような形をした「タートル」潜水艦を開発した。ペダルをこぐことで水タンクに水が満たされ、手回しのプロペラで推進されます。水中6メートルまで潜水でき、30分間滞在できます。

▲潜水艦「タートル」

1776 年 9 月 7 日の深夜、ニューヨーク港の外で、港の封鎖を担当していたイギリス海軍の軍艦「イーグル」付近の海面から突然大きな音が聞こえた。英国の軍艦は爆発音を聞いて錨を上げましたが、招かれざる客であるUSSタートル潜水艦は、その前に軍艦の竜骨の下に潜り込んでおり、すでに米陸軍のエズラ・リー軍曹の操縦で素早く避難していました。

この「奇襲」は成功しなかったものの、潜水艦戦闘の始まりとなり、当時の人類の戦場空間は陸上・水上から水中へと拡大した。産業革命の発展が進むにつれて、潜水艦にも蒸気機関が採用されるようになりました。蒸気機関を搭載した潜水艦の操縦性は大幅に向上し、潜水艦も急速な発展の時代を迎えました。

19世紀末、アイルランド生まれの技術者ジョン・フィリップ・ホランドは、電気モーター、電池、内燃機関の3つの技術を組み合わせ、潜水艦に応用しました。その後、継続的な技術改良を経て、1897年にガソリンエンジン＋バッテリーで動く伝説の潜水艦「ホランド6号」を完成させました。この潜水艦は近代潜水艦の祖とされ、ホランドは「近代潜水艦の父」としても称えられています。

1900年、ホランドはアメリカ海軍に正式に就役した最初の潜水艦となった。 1905年までに、すでに6隻の潜水艦が運用されていました。その後、オランダの潜水艦はイギリスと日本に購入され、模倣され、近代潜水艦の時代が始まりました。

潜水艦の自由沈下と自由浮上の秘密

潜水艦は水中に潜ったり、浮いたり、さらには自由にホバリングしたりすることができます。その原理は、実は一種のバイオニクスです。魚の体には、筋肉の制御によって収縮したり拡張したりできる浮袋と呼ばれる器官があります。浮き袋が空気で満たされて膨張すると、水中での魚の浮力が重力よりも大きくなり、魚は浮きます。浮き袋が小さくなると、魚の浮力が重力より小さくなり、魚は沈んでしまいます。

これにヒントを得て、潜水艦にも袋状の船体が搭載されました。これは潜水艦の両側にあるメインバラスト水タンクと呼ばれる船体です。メインバラスト水タンクの機能は、水を充填および排出することで潜水艦の潜水および浮上を可能にすることです。潜水時にはメインバラストタンクに水が満たされ、タンク内の空気が排出され、潜水艦自身の重量が増加し、船体が沈没します。浮上時には高圧ガスを使用してメインバラストタンク内の水を潜水艦の外に押し出し、潜水艦の自重を減らして浮上できるようにします。

潜水艦の状態をより良く管理するために、潜水艦には重水タンクや高速潜水タンクなどの補助バラスト水タンクも設置されました。例えば、魚雷やミサイルを発射すると潜水艦の重量が変化するため、発射した魚雷やミサイルの重量を補うために重水タンクを追加する必要があります。急速な潜水が必要な緊急事態では、メインバラストタンクだけでは不十分であり、潜水艦の潜水速度を速めるために高速潜水タンクの助けも必要になります。さらに、ほとんどの潜水艦には水平舵（エレベーターとも呼ばれる）が装備されており、潜水艦の移動時に水に作用してトルクを発生させ、潜水艦を上下に傾けたり、上方または下方に移動したりすることができます。

潜水艦が水圧と戦う方法

潜水艦は通常、円形または涙滴型に設計されます。このような構造の利点は、海水の圧力をあらゆる方向に均等に分散できるため、もたらされる水圧が一定になり、不均一な力が生じにくいことです。同時に、水中での航行抵抗を効果的に低減し、水との摩擦によって発生する音も低減します。

もちろん、船体の形状だけでは海水の圧力に耐えることはできません。潜水艦を建造する際には、潜水艦の環状リブフレームを構築するために高強度鋼が必要であり、その後、水圧のバランスをとる効果を得るために船体を耐圧板で包みます。

耐圧プレートは、主に建設時に複合メッシュ構造用鋼で作られています。例を挙げれば理解できると思います。窓の穴を新聞紙で覆うと、風で簡単に飛ばされてしまいます。新聞紙の後ろにスクリーンの層を追加すれば、さらに良くなります。スクリーンを十字のワイヤーで固定すると、風が吹き込むことがあります。実は、潜水艦の圧力板の製造原理も同じです。現在、世界の潜水艦の耐圧殻の強度は、一般的に潜水艦が 300 メートルから 1200 メートルまで潜水できることを保証できます。

潜水艦測位ツール

潜水艦が海面上で仰向けになっているときは、通常、潜望鏡を使用して海面の状態を直接観察します。潜望鏡の原理は、2枚の鏡を使って光を2回反射させ、それを屈折させて目に入れるというものです。潜望鏡が水中から比較的鮮明に水面を見ることができるのは、2枚の平面鏡が互いに平行で、水平方向に対して45度の角度を形成しているからです。景色を2回反射して撮影することで、海面上の景色が見えるようになっています。現在、光電子技術の発展により、光電子マストが徐々に従来の潜望鏡に取って代わり始めています。光電子マストは、マストの上部に設置されたモニターに似た装置です。モニターで監視しているエリアは潜水艦のキャビン内のディスプレイ画面で直接見ることができるため、潜水艦の「目」の視界がさらに良くなります。

潜水艦が海に「潜る」とき、海の環境が暗いため、潜望鏡も光電子マストも周囲の環境をはっきりと見ることができません。このとき、潜水艦の「耳」であるソナーが役に立ちます。海中での音の減衰は比較的小さく、海中の大きな障害物に遭遇すると音が回って戻ってくるため、ソナーは上記の水中での音の伝播と反射の特性を利用し、一連の電子機器を通じて音を変換・処理し、水中の目標物の存在、位置、性質、移動方向などの情報を取得します。深海では、ソナーは暗闇の中で敏感な「耳」のようなものです。これらの「耳」を通じて、潜水艦は海中の他の大きな目標を検知し、それを回避したり攻撃したりすることができます。

現代海軍の重要な戦力として、潜水艦技術の開発と応用は人類の英知の結晶を反映するだけでなく、国家の安全と海洋権益の重要な保証でもあります。科学技術の継続的な進歩により、将来の潜水艦はより先進的かつインテリジェントになり、深海で国家の安全と海洋の平和を守り続けるでしょう。

出典：チャイナデイリー、中国人民解放軍海軍博物館、中国海事博物館、CCTV軍事など。

編集者: デビッド・ドゥアン