潜水艦設計入門

9月 30, 2021

admin

潜水艦は水中で自走する船で、定められた時間だけ水中で活動できるように設計・建造されています。

これは、水中調査、水中救助、潜水艦戦など幅広い目的に使用される、非常に複雑な工学製品の非常に単純な説明ですが、最後のものは最も広く使用されています。このシリーズの最初の数回では、設計プロセスには触れず、むしろ潜水艦の設計と機能、その部品、一般的な配置、構造設計と配置、潜水艦の安定性、潜水艦で使用されるシステムなどに精通することにします。

図1：インド海軍のアクラ級攻撃型潜水艦INSチャクラ（浮上した状態）。出典ウィキペディア

潜水艦の設計の主な目的は以下の通りです：

潜水艦は顧客の機能目的に応えるべきである。
プロジェクトのコストは、顧客にとって許容できるものでなければならない。すべての居住空間、武器、武器制御システム、通信・制御室、バッテリーバンク、主・補助機械などを収容する船体は圧力船体である。潜水艦の最大運用深度での静水圧に耐えられるように設計されているので圧力船体と呼ばれる。

図2：潜水艦の円筒形の圧力船体と外殻

圧力船体は外殻の中に収容されており、圧力密度は高くはない。なぜか？潜水状態では、外殻と内殻の間は常に海水で満たされたままだからです。 3256>

メインバラストタンク(MBTs):

ここで、「浸水可能な」空間は、潜水艦用語でメインバラストタンクと呼ばれるタンクに区分される。潜水艦のメインバラストタンクの分布は、外板と圧力外板の形状と相互作用に依存する。

MBTの働きについては、潜水艦の潜航過程と潜水艦の安定性を扱った後に理解することになる。前部と後部にのみMBTがあり、残りの圧力外皮は外皮とフラッシュしている設計もある。

他の設計では、外皮と圧力外皮が全く異なり、それらの間にバラスト用の空間がある。

Figure 3: Exposed Pressure Hull (MBTs at Forward and After).

Figure 4: Enclosed Cylindrical Pressure Hull (MBTs throughout length).

[MBTの配置をいくつか図に示したが、MBTsが全長に渡って存在する。

Waisted Pressure Hull

図5: Waisted Pressure Hull（全長の一部にMBTがある）

図6: 端部縮小Exposed Pressure Hull（前・後部にMBTがある）

Wedisted Pressure Hull（端部の圧力損失を低減させた）。

帆（Sail or Bridge Fin）：

帆とは、潜水艦の外板を覆う流線型の耐圧部分である。その異なるタイプのマストは、潜水艦で使用される潜望鏡マスト、通信マスト、レーダーマスト、武器センサーマストなどがあり、自由表面のすぐ下にシュノーケルまたは帆を張るときに潜水艦の中から展開される。これらは、潜水艦がステルスモードで水面監視を必要とするときに、艦橋のフィンから上げられる。図7はマストが展開されていないときの潜水艦の帆を示す。

Figure 7: Bridge Fin or Sail in a Submarine.

The profile of the bridge fin in a submarine design is always a aerofoil shape, as it acts a hydrofoil with the submarine sail with just the fin above water.潜水艦デザインの艦尾は、水面上に出ているだけの状態で帆を張っている。この形状は潜水艦の抵抗を減らすことができます。 3256>

Control Surfaces:

潜水艦が潜水状態にあるとき、方向と深さの変更は、制御面として機能する水中飛行機を使用して実行される。水中飛行機の応用を理解するために、まず潜水状態で潜水艦が経験する運動の性質を知る必要がある。

水上艦とは異なり、潜水艦は表面波の効果がないため、ヒーブとピッチの運動を受けることが少なくなる。前部と後部の一対の水中飛行機またはフィンを使って、ヒーブとピッチを独立に制御する。図8：潜水艦のフィン

図8：潜水艦のフィン

垂直面後部に取り付けられた2つの水中飛行機は、運動中の潜水艦の横方向を変えるために使用されます。これらは基本的に舵と呼ばれます。船舶と異なり、潜水艦の舵はプロペラの前方にあることに留意してください

なぜか？船舶の場合、舵は最大限の揚力効率を得るためにプロペラの流出を必要とするからです。しかし潜水艦の場合、船体全体が水没しているため、乱れのない流線形の流れが舵面に入射する。

もし潜水艦の舵をプロペラの後方に配置すると、舵面への流れはより乱れ、キャビテーションの発生確率が高くなる。

一つ重要なことは、水上飛行機は高速でこそ最適な効率で動作するということです。

General Arrangement of a Submarine

潜水艦のさまざまなシステムの動作と機能を知る前に、船体の長さと幅に沿って主要区画とシステムの空間分布を知ることが肝要であり、そのために必要なのは、船体の幅を広げることです。これは、図9を参照すると最もよく理解できます。

Figure 9: Schematic General Arrangement of a Diesel Electric Submarine.

圧力船体と外皮は、上記の潜水艦デザインの図において明確に区別されます。圧力船体の前方部には武器システムやセンサーが配置されています。

センサー類は、船尾の乱流による騒音や船尾に配置した場合の機器の障害となるため、必ず前方に配置される。武器システムには、魚雷を格納する魚雷発射管、魚雷発射装置、魚雷作動タンクが含まれる。

圧力船体の最前部は、武器を格納するために使用される。

圧力船体の最前部は兵器の格納に使用され、一部は圧力船体内にあり、外壁の最前部周辺まで伸びている魚雷発射管に装填する。

圧力船体の中盤部分は、以下の目的に使用される：

船と兵器制御システム。潜水艦のすべてのシステムは、船と兵器のコントロールセンターから遠隔操作される。この区画には、すべての航行制御システム、武器発射システム、機械制御・監視パネル、潜水・浮上システム、操舵制御システムなどが収容されている。潜水艦の乗組員と海軍基地や外部のデータソースとの通信は、すべてこの区画から行われる。

宿泊施設と生命維持装置。宿泊施設、トイレ、調理室、冷暖房室は船体中央部に配置されている。このような配置は機能的に有益なだけでなく、潜水艦の前方および後方部分へのアクセスが容易である。この位置は帆の下でもあるため、非常時には乗組員が最も脱出しやすくなる。ディーゼル潜水艦の動力源は水素電池である。これらはディーゼルオルタネーターによって充電される。水素電池はアレイ状に積み重ねられ、バッテリーバンクと呼ばれる区画に設置される。通常、潜水艦は冗長性を持たせるために、複数の水密区画にバッテリーバンクを設置する。各電池バンクは、潜水艦の全操作を耐久期間中支えるのに十分な容量を持っている。電池室内に水素があると爆発する恐れがあるため、電池室内の換気と水素の除去は最優先事項である

機械と補助機械主機・補機：主機・補機は潜水艦の重量の約1/3を占めている。主機はバッテリーを充電するための主ディーゼルオルタネーターとその関連システム、空調プラント、主高圧空気システムなどで構成されている。補機室は、主機室と水密隔壁で仕切られています。補助または経済電動機、補助交流プラント、補助高圧空気システムなどは、補助機械コンパートメントに収容されます。ディーゼルオルタネーターはバッテリーを充電するために使われ、バッテリーは主電動機と補助電気推進モーターに電力を供給する。圧力船体の後部にあり、主電動機、主推進軸とその関連システム、尾部軸、圧力船体と外板開口部の水密を確保するための前部・後部グランドが収納されている。

潜水艦の船型：

最も初期の潜水艦は、現代の潜水艦とは大きく異なる船型を採用していた。そのため、船型の変遷とその理由は潜水艦設計の興味深い点である。

Figure 10: Ideal streamlined hull form.

1940年代の最初の潜水艦は、必要最低限の電力と船体の周りの流れの分離を無視するためにこの形を使用しました。しかし、流線型のため、船体半径が船尾からミッドシップ前方にかけて急減し、船体内の使用可能な容積が不足することが確認された。 3256>

Figure 11: Modern Submarine hull form with cylindrical mid-body.

現代潜水艦（1970年代末以降）で使われている船型は、長円形の中船体、楕円形の船首と船尾を持つものである。

理想的な流線型からのシフトは抗力とそれに続く必要動力を増加させるが、潜水艦の寿命にわたる追加燃料コストは、円筒形セクションがはるかに安価で建設しやすいため、低い生産コストで相殺される。この形状はまた、同じ船体容積内に複数のデッキを組み込むことを可能にし、それゆえより空間的な使用を保証する。

それは前述の点を決定するだけでなく、以下で議論するように潜水艦の他の要素の範囲に影響を与えるので、潜水艦の船体の形状と幾何学は、設計の重要な出発点であると知ることは重要である。また、船体の全長と幅の比率が6から8の範囲で、船体の全体的な抗力が最小になり、最良の操縦特性が得られることが確認されています。

潜水艦の直径は、主に長さに基づき決定されています。そして、長さは必要な圧力容積と潜水艦の変位に基づいて固定される。複数の甲板があると圧力外皮容積の使い勝手が良くなり、潜水艦の可能な甲板の段数は主に直径で決まる

1つの甲板を持つ潜水艦は、その圧力外皮内に2つの段を持つことになる。船体直径が4メートルから7メートルの潜水艦は、1つのデッキに制限される。

Figure 12: Possible deck levels for different hull diameters.

Twin decks with three accessible levels is possible in submarines ranging by hull diameter 7 to 8 m….

Translated decks with three accessible levels. 3256>

三重甲板と胴体甲板の設計は、船体直径が9から11メートルと11から13メートルの範囲で使用されます。このような大きな直径は、原子力発電所のために大きな垂直スペースが必要とされる原子力潜水艦で主に使用される。

この記事で論じた潜水艦設計の側面で、抽出すべき論点は、潜水艦とそのシステムの部品と機能を知った上で、優れた設計者の技術と技能は、設計に対して最大の容積効率を達成しようとすることにある、ということである。

潜水艦内には、非常に容積の大きい空間（たとえば、メインバラストタンク）がある一方で、いくつかの特定の寸法（たとえば、バッテリーバンク）しかないものもあります。また、特定の容積の要求はあるが、特定の形状でない場合もあります（例えば、魚雷作動タンクやメインバラストタンクなど）。潜水艦の設計で最も重要なことの一つは、その安定性である。また、潜水艦の安定性パラメータは、潜水した瞬間と浮上した瞬間に大きく変化し、潜水艦がヒラメキを起こす転機となる。どのように、そしてなぜそうなるのかは、次回の記事で説明します。

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