(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中爆発によって生じるバブル衝撃波の水中での伝播エネルギーを吸収するエネルギー吸収体で、衝撃受容体の一部又は全部を覆うことにより衝撃受容体への水中爆発による衝撃を緩和する水中衝撃緩和方法であって、前記エネルギー吸収体を、バブル衝撃波の振動に共振することによりバブル衝撃波のエネルギーを吸収するエネルギー吸収体とすることを特徴とする水中衝撃緩和方法。
【請求項２】
前記エネルギー吸収体を、バブルで形成することを特徴とする請求項１に記載の水中衝撃緩和方法。
【請求項３】
前記衝撃受容体が船舶又は潜水艦であることを特徴とする請求項１又は２に記載の水中衝撃緩和方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、艦船などにおいて、機雷や魚雷などの水中爆発によって生じるバブル衝撃波による船体への水中爆発衝撃をバブルを利用して緩和する水中衝撃緩和方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
艦船などに対する機雷や魚雷等による攻撃では、直接船体に衝突してからの爆発以外に、船体近くで近接爆発することにより発生するバブル衝撃波で破壊する方法がある。
【０００３】
特に、最近の魚雷や機雷では近接爆発が主流になりつつあり、船体に近い場所で、魚雷や機雷が爆発すると炸薬によって生じる爆発衝撃波に加えて、爆発バブル（爆轟ガス球体）が発生する。  
【０００４】
この爆発バブルは、バブル内にガス体があるため、急激に膨張した後、バブルが外部の流体圧力（水圧）により収縮すると内部のガス圧が高まり再度膨張をするが、次の段階で、再度外部の流体圧力により収縮する。このリバウンドを繰り返しながら時間と共に、バブルは小さくなったり、大きくなったりして振動するが、やがて減衰して消える。このバブル内の圧力の振幅と周期は経過時間に連れて小さくなる。
【０００５】
そして、この水中爆発で成長した大きな爆発バブルが最も収縮してドーナツ状になった場合には、このバブルの変形により生じた１００ｍ／ｓにも及ぶ高速の噴流、所謂ジェット流が発生する。このジェット流が船体に当たると、局部的に非常に高い圧力を与えるため、船体の一部に穴が生じたり、船体が崩壊して沈没したりする等の甚大な被害を船体は受けることになる。
【０００６】
なお、船体から遠く離れた距離で水中爆発した場合には、ジェット流が船体に到達する前に減衰するので、ジェット流によるダメージを回避できるが、この場合でも、バブルが収縮から膨張に移る過程で発生するバブルパルスと呼ばれるバブル衝撃波が海水等を伝わって船体にダメージを与えるので、船体は、このバブル衝撃波によるダメージを受けることになる。
【０００７】
この水中爆発によって発生する衝撃に関しては、気泡運動力学（バブルダイナミックス）の問題として、下記のレイリー（Rayleigh) の気泡運動方程式の基本式（数式（１））を利用して、数値計算でシミュレーションできるようになってきている。
【０００８】
【数１】
0004744273.tif 000002
【０００９】
ここで、Ｒはバブル半径、Ｒ０は初期バブル半径、ρは外部流体の密度、Ｐａ０は初期バブル内圧力、γは内部ガス体の比熱比、Ｐ１はバブル周囲圧力、μは外部流体の粘性、Ｔは外部流体の表面張力、そしてドットは時間微分を示す。なお、厳密には、内部ガス体の圧縮性の影響や熱的影響もある。
【００１０】
水中爆発の場合は、このバブルの内部は、爆発で発生した気体で満たされることになる。
【００１１】
図２に、０．２５ｋｇ（０．５５ｌｂ［ポンド］）のＴＮＴ炸薬が水深９１ｍ（３００ｆｔ［フィート］）で爆発した場合について、水中爆発時のバブル衝撃波による衝撃圧をシミュレーションした結果を示す。この場合は、爆発によって生じるバブルの最大径は約０．６ｍとなり、バブルのリバウンド周期は約３０ｍｓであり、周波数では約３３Ｈｚとなった。この図２の例では、Ｅの時点で爆発衝撃波を受けると、Ｂ点で示すように、気泡界面圧力が約３０ｍｓ（ミリセコンド）周期で急上昇し、バブルが急激に膨張する。この気泡界面圧力とその時のバブル径は、時間の経過と共に、徐々に減衰していくことが分かる。
【００１２】
一方、マイクロバブルなどの微細なバブルにより、圧力波である水中音を遮蔽できることが知られている。これは、気泡等のバブルが水中音の周波数に共振して水中音のエネルギーを吸収するためである。
【００１３】
例えば、横軸に気泡（内部が空気であるバブル）の径を縦軸に気泡の数を示した図３の気泡分布の場合に、１ｃｍ厚さの気泡層を通過した時の音圧の減衰量（Ａ）を図４にデシベル（ｄＢ）表示で示す。この図４によれば、気泡径が３０ミクロン（μ）程度のマイクロバブルが流体中に含まれている場合には、５０ｋＨｚ以上の高周波数の音圧は殆ど減衰してしまうことが分かる。
【００１４】
そして、この時のバブルの共振周波数ｆとバブル径Ｒの関係は、ミナートの式（数式（２））で計算することができる。
【００１５】
【数２】
0004744273.tif 000003
【００１６】
ここで、Ｒはバブル半径、ρは外部流体の密度、γは内部ガス体の比熱比、Ｐ１はバブル周囲圧力である。
【００１７】
本発明者らは、上記の知見を得て、このバブルによる遮音の原理を水中爆発によるバブル衝撃波に対する衝撃緩和に利用することを考えた。
【００１８】
例えば、図２の水中爆発では周波数が３３Ｈｚであるので、この周波数３３Ｈｚに共振する気泡（空気を内部ガス体とするバブル）の半径は、数式（２）より約１０ｃｍとなる。従って、半径約１０ｃｍ程度の気泡を船体等の衝撃受容体の周囲に配置し、包み込むことにより、水中爆発で発生するバブル衝撃波のエネルギーを吸収して、衝撃受容体に到達するバブル衝撃波を減衰させることが可能であると考えられる。
【００１９】
従って、船体等の衝撃受容体を、被爆直前に、水中爆発で発生したバブル衝撃波を減衰させるバブルで瞬時に覆うことにより、衝撃受容体のバブル衝撃波によるダメージを軽減若しくは回避することができる。
【００２０】
なお、魚雷に対する防御システムとして、魚雷防御用ネットを船舶から発射して、ネットを海中で垂直状に展開し、重りに内蔵した騒音の発信器で魚雷をネットに誘い込んで、魚雷をネットで捕獲するネット式魚雷防御システムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【００２１】
また、船体周囲に泡を発生させる方法や装置としては、発泡の目的やバブルの作用効果やバブル径が異なるが、船舶の摩擦抵抗減少用に多数の気泡発生装置が提案されている（例えば、特許文献２〜５参照。）。しかしながら、これらの泡にはマイクロバブル等の微小気泡を使用することが多く、本発明のバブル衝撃波による衝撃緩和のバブルとはそのバブルの径や利用する特性が大きく異なる。
【特許文献１】特開平６−１３５３８２号公報
【特許文献２】特開２００３−１６００９１号公報
【特許文献３】特開２０００−１６８６７３号公報
【特許文献４】特開平１１−３２１７７５号公報
【特許文献５】特開平９−３２８０９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明は、上記の知見を得て、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、艦船などにおいて、機雷や魚雷などの水中爆発によって生じるバブル衝撃波による船体への水中爆発衝撃を、バブル衝撃波のエネルギーを吸収するバブルを利用して緩和する水中衝撃緩和方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記の目的を達成するための本発明の水中衝撃緩和方法は、水中爆発によって生じるバブル衝撃波の水中での伝播エネルギーを吸収するエネルギー吸収体で、衝撃受容体の一部又は全部を覆うことにより衝撃受容体への水中爆発による衝撃を緩和する水中衝撃緩和方法であって、前記エネルギー吸収体を、バブル衝撃波の振動に共振することによりバブル衝撃波のエネルギーを吸収するエネルギー吸収体とすることを特徴とする方法である。
【００２４】
このエネルギー吸収体としては、バブルや弾性体が考えられる。この水中衝撃緩和方法によれば、バブル衝撃波のエネルギーを吸収できるので、船体等の衝撃受容体をバブル衝撃波から保護できる。
【００２５】
上記の水中衝撃緩和方法で、前記エネルギー吸収体を、バブル衝撃波の振動に共振することによりバブル衝撃波のエネルギーを吸収するエネルギー吸収体とすると、この方法によれば、共振により効率よく衝撃波エネルギーを吸収できるので、非常に効果的に水中爆発による衝撃を緩和できる。
【００２６】
上記の水中衝撃緩和方法で、前記エネルギー吸収体として、１０Ｈｚ〜１００Ｈｚ程度の周波数に共振するエネルギー吸収体を使用すると、現在使用されていると見られる機雷や魚雷の水中爆発で発生するバブル衝撃波の周期がこの間に入るので、著しく効果的である。
【００２７】
この水中爆発で発生するバブル衝撃波の周期は、炸薬量や爆発時の水深などによって変化するが、機雷や魚雷などの炸薬量（爆発力）や使用深度が推定できるので、レイリーの式（数式（１））を用いてシミュレーション計算により推定できる。
【００２８】
上記の水中衝撃緩和方法で、前記エネルギー吸収体を、バブルで形成すると、容易に多量のエネルギー吸収体を発生することができる。
【００２９】
なお、ここでいうバブルとは、内部にガス体を有し、周囲圧力の変動によって全体としての体積が膨張及び収縮することができるものをいう。このバブルの周囲は内部のガス体の体積の膨張及び収縮を許容できる物質であれば、液体でも固体でもあってよい。
【００３０】
なお、このバブルは内部に空気やエンジンの排気ガス等を含む以外のものでもよいが、内部に空気を含む気泡の場合には、気泡径が、１０ｃｍφ〜１００ｃｍφ程度であり、摩擦抵抗減少用の気泡に比べて非常に大きいので、浮力も大きく、また、小径の気泡に分裂し易いので、長時間の間、衝撃受容体の周囲に留めておくことが難しい。
【００３１】
そのため、ポリマーなどの密度（ρ）及び粘度（μ）が大きい物質で薄い膜や厚い膜で空気を包んだり、全体をポリマー（ゲル）等で形成したり、それらを内部に含んだりしたバブルを形成したり、比熱比（γ）が空気（γ＝１．４）よりも小さいエーテル（γ＝１）等のガスを包んだバブルを形成したりして、これらを水中や海中に放出すれば、浮力が小さく比較的長時間の間、衝撃受容体の周囲に留めておくことができる小さい径のバブルでも衝撃緩和効果を得ることができるようになる。
【００３２】
また、ガスを内臓した薄い金属膜の球体を使用すると、比較的自由に選択されたエネルギー吸収特性を持つ球体を製造でき、しかも、重さと浮力とバランスを調整し易いので、沈降速度や浮上速度を適切なものとすることが比較的容易にでき、比較的長時間の間、衝撃受容体の周囲に留めておくことができ、大きな衝撃緩和効果を得ることができるようになる。
【００３３】
この内部に空気以外の物質を含む場合には、レイリーの気泡運動方程式の基本式（数式（１））を用いて、数値計算でシミュレーションすることにより、共振周波数を求めることができる。この基本式（数式（１））を支配するパラメータとして、外部流体の密度、内部ガス体の密度、周囲圧力、半径、外部流体の粘度、内部ガス体の粘度、表面張力、比熱比、体積弾性率、拡散係数などを取り扱い、パラメータスタディにより振動エネルギーが大きくなる値を求め、データベースを作成し、対象とする水中爆発で発生するバブル衝撃波の振動に共振するバブルとその径を求めることができる。
【００３４】
そして、この径及びこの径の周辺の径のバブルを発生することにより、大きな衝撃緩和効果を得るできる。
【００３５】
また、上記の水中衝撃緩和方法で、前記衝撃受容体が船舶又は潜水艦である場合には、この船舶又は潜水艦を機雷や魚雷の水中爆発から防護することができるようになる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の水中衝撃緩和方法によれば、艦船などの衝撃受容体を、機雷や魚雷などの水中爆発によって生じるバブル衝撃波のエネルギーを吸収するエネルギー吸収体で覆って、衝撃受容体に到達するバブル衝撃波のエネルギーを減少させることができるので、衝撃受容体への水中爆発による衝撃をエネルギー吸収体を利用して緩和することができる。
【００３７】
また、このエネルギー吸収体を、バブル衝撃波の周波数に共振する気泡などのバブルで形成することにより、効率よく水中爆発による衝撃のエネルギーを吸収して、衝撃受容体への水中爆発による衝撃を緩和することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明に係る水中衝撃緩和方法の実施の形態について、衝撃受容体が船舶の場合について、エネルギー吸収体として気泡を採用した場合について説明する。
【００３９】
図１に、気泡による船舶への水中爆発による衝撃の緩和の様子を示す。この図に示すように、水中爆発で発生した爆発バブルＢの振動によって生じる衝撃波（圧力波）Ｗを船舶１の周囲のバブルＡで防御する。つまり、爆発バブルＢから伝播してくる衝撃波のエネルギーをこの衝撃波の振動に共振するバブルＡで吸収し、船舶１の船体に到達する衝撃波エネルギーを軽減する。
【００４０】
なお、バブルＡもエネルギーを吸収し膨張収縮を繰り返すことになるが、個々のバブルＡが吸収するエネルギーは爆発バブルＢから放射される衝撃エネルギーに比べて小さく、また、バブルＡのエネルギーは周囲の流体の振動で流体側に伝わり減衰するので、船舶１に対するダメージは衝撃波エネルギーによるダメージに比べれば殆ど無いといえる。
【００４１】
船舶の防護部分に、図１に示すようなバブル発生装置２０を設ける。このバブル発生装置２０は、水中爆発によって生じるバブル衝撃波Ｂを減衰させる泡を発泡させる気泡発生装置であるが、その発生する気泡Ａは、バブル衝撃波Ｂの周波数に共振する泡を発生させる。
【００４２】
このバブル発生装置２０では、バブル生成室２１に、ポンプ２３と開閉弁２４を備えた大気解放の配管２２を接続して構成する。このバブル生成室２１は船内に設けられたバブル生成用の箱であり、船体表面１ｆに設けられたスリット状又は船体表面１ｆに配管されたパイプ状のバブル吹き出し装置２５と連通している。
【００４３】
そして、魚雷２が爆発することが予想された時に、開閉弁２４を開弁してポンプ２３を作動させると、空気を大気中から吸い込んで配管２２経由でバブル生成室２１に送り込む。このバブル生成室２１では室内のノズル（図示しない）により、あるいは、バブル吹き出し装置２５のスリット状開口部やパイプ状開口部により、バブル衝撃波Ｂの１０Ｈｚ〜１００Ｈｚ程度の周波数に共振するバブルＡを生成し、このバブルＡをバブル吹き出し装置２５から船体表面１ｆに放出する。
【００４４】
このバブル衝撃波Ｂの周波数に共振するバブルＡの径は、気泡でない場合は、レイリーの式（数式（１））で算出できる。気泡の場合はバブルＡの内部を空気とし、外部流体を海水として、ミナートの式（数式（２））で算出できる。
【００４５】
【数３】
0004744273.tif 000004
【００４６】
【数４】
0004744273.tif 000005
【００４７】
ここで、Ｒはバブル半径、Ｒ０は初期バブル半径、ρは外部流体の密度、Ｐａ０は初期バブル内圧力、γは内部ガス体の比熱比、Ｐ１はバブル周囲圧力、μは外部流体の粘性、Ｔは外部流体の表面張力、そしてドットは時間微分を示す。
【００４８】
そして、このバブルＡの径は、空気を内包する場合は１０ｃｍφ〜１００ｃｍφ程度となる。このバブル径は、バブル生成室２１の室内のノズルの開口部、あるいは、バブル吹き出し装置２５のスリット状開口部やパイプ状開口部の、形状、大きさ、開口部の種類（形状変化、大きさの変化等による種類）、開口部の分布密度、開口部の位置、開口方向等と、バブル生成室２１に供給される空気の供給量、圧力、空気温度と、周囲の海水温度、水深、船速等との関係によって定まる。
【００４９】
従って、保護すべき船舶１に対して、予め実験やシミュレーション計算等により、これらのパラメータに関して、適切な大きさの分布を持ち、かつ、適切な量のバブルＡが得られる範囲を求めておき、適切な形状、大きさ、分布密度、配置を持つ開口部を設けると共に、バブルＡの発生時に、空気量等のパラメータを適宜選択して、その状況にあった適切な径の分布を持つた適切な量のバブルＡを発生させる。
【００５０】
この船外に放出されたバブルＡは、浮上しながら船体表面１ｆを覆い、バブルＡで船舶１の重要な部分を包み込む。
【００５１】
そして、魚雷２等が水中爆発して爆発バブルＢが発生し、バブル衝撃波Ｗを発生した場合に、船体を包んだバブルＡが、バブル衝撃波Ｗの周波数と共振し、衝撃ネルギーを吸収する。これにより、船体への衝撃を緩和して船舶１の重要部分を保護する。
【００５２】
また、バブルダイナミックスの数式（１）を支配するパラメータとしては、密度、周囲圧力、半径、粘度、表面張力、比熱比、体積弾性率、拡散係数などがあるので、パラメータを変化させたシミュレーションを行うことで、振動エネルギーを吸収できる泡を特定して使用すると、より大きな衝撃緩和効果を得ることができ、より効率的な水中衝撃緩和方法を提供できる。
【００５３】
特に、空気を内包する泡では、気泡径が大きくなるため、密度の大きいポリマーや、比熱比の小さいガス、例えば、γ＝１．４の水蒸気の代わりにγ＝１．０のエーテルのガス体等で泡を形成すると、泡径が小さい泡でも衝撃緩和効果が得られるようになる。また、回収が必要であるが、ガスを内蔵した金属球でも原理的には可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明に係る水中爆発による衝撃の緩和方法を模式的に示す図である。
【図２】数値シミュレーション結果の水中爆発の圧力変化の時系列を示す図である。
【図３】気泡分布を示す図である。
【図４】図３の気泡分布を持つ気泡群による水中音の遮蔽効果を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１    船舶
１ｆ  船体表面
２    魚雷
２０    バブル発生装置
２１    バブル生成室
２２    配管
２３    ポンプ
２４    開閉弁
２５    バブル吹き出し装置
Ａ    バブル
Ｂ    爆発バブル
Ｗ    バブル衝撃波
【図１】
0004744273.tif 000006
【図２】
0004744273.tif 000007
【図３】
0004744273.tif 000008
【図４】
0004744273.tif 000009