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분류학적으로 다양한 수많은 균류 종이 곰팡이를 형성한다. 균사의 성장은 특히 식품에서 변색과 털 같은 외관을 유발한다. 균사체라고 불리는 이러한 관 모양의 가지를 가진 균사 네트워크는 단일 생명체로 간주된다. 균사는 일반적으로 투명하므로 균사체는 표면에 매우 미세하고 솜털 같은 흰색 실처럼 보인다. 격벽(셉타)은 균사를 따라 연결된 구획을 구분할 수 있으며, 각 구획에는 하나 또는 여러 개의 유전적으로 동일한 핵이 포함되어 있다. 많은 곰팡이의 먼지 같은 질감은 균사 끝에서 분화되어 형성된 무성 포자(분생자)의 풍부한 생산으로 인해 발생한다. 이러한 포자의 형성 방식과 모양은 전통적으로 곰팡이를 분류하는 데 사용된다. 이러한 포자 중 많은 것이 색을 띠고 있어, 이 생애 주기 단계에서 균류가 인간의 눈에 훨씬 더 잘 띄게 된다.
곰팡이는 미생물로 간주되며 특정 분류학적 또는 계통학적 그룹을 형성하지 않지만, 접합균문과 자낭균문에 속하는 것으로 발견될 수 있다. 과거에는 대부분의 곰팡이가 불완전균류로 분류되었다. 곰팡이는 한때 균류로 간주되었던 난균류나 점균류와 같은 현재 균류가 아닌 그룹의 일반적인 이름으로 사용되었다.
곰팡이는 천연 재료의 생분해를 일으키는데, 이는 식품 부패나 재산 피해로 이어질 경우 원치 않는 현상일 수 있다. 또한 곰팡이는 다양한 색소, 식품, 음료, 항생제, 의약품, 효소 생산에서 생명공학 및 식품 과학에 중요한 역할을 한다. 특정 곰팡이로 인해 동물과 인간의 질병이 발생할 수 있다. 질병은 곰팡이 포자에 대한 알레르기 민감성, 체내의 병원성 곰팡이 성장, 또는 곰팡이가 생산하는 독성 화합물(미코톡신)의 섭취 또는 흡입으로 인한 영향으로 발생할 수 있다.
수천 종의 곰팡이 종이 알려져 있으며, 이들은 부생생물, 중온균, 저온균, 고온균 등 다양한 생활 방식을 가지며, 인간에게는 소수의 기회 감염균이 있다. 이들은 모두 성장을 위해 습기가 필요하며 일부는 수생 환경에서 서식한다. 모든 균류와 마찬가지로, 곰팡이는 광합성을 통해서가 아니라 자신이 살고 있는 유기물로부터 에너지를 얻으며, 종속영양을 이용한다. 일반적으로 곰팡이는 주로 균사 끝에서 가수분해 효소를 분비한다. 이 효소들은 녹말, 셀룰로스, 리그닌과 같은 복잡한 생체고분자를 균사가 흡수할 수 있는 더 간단한 물질로 분해한다. 이러한 방식으로 곰팡이는 유기물 분해를 일으키는 데 중요한 역할을 하며, 생태계 전체에 걸쳐 영양분 재활용을 가능하게 한다. 많은 곰팡이는 또한 미코톡신과 시데로포어를 합성하며, 이는 용해성 효소와 함께 경쟁 미생물의 성장을 억제한다. 곰팡이는 또한 동물과 인간의 저장된 식품에서 자라 식품을 맛없게 만들거나 독성으로 만들 수 있으며, 따라서 식품 손실과 질병의 주요 원인이다. 많은 식품 저장 전략(염장, 절임, 잼, 병조림, 냉동, 건조)은 다른 미생물의 성장뿐만 아니라 곰팡이의 성장을 막거나 늦추기 위한 것이다.
곰팡이는 많은 수의 작은 포자를 생산하여 번식하며, 이 포자는 단일 세포핵을 포함하거나 다핵일 수 있다. 곰팡이 포자는 무성(세포분열의 산물)일 수도 있고 유성(감수분열의 산물)일 수도 있으며, 많은 종은 두 가지 유형을 모두 생산할 수 있다. 일부 곰팡이는 바람에 의해 확산되도록 적응된 작고 소수성 포자를 생산하며, 이는 오랫동안 공중에 떠 있을 수 있다. 일부 종의 포자 세포벽은 어둡게 색소화되어 있어 자외선 손상에 대한 저항성을 제공한다. 다른 곰팡이 포자는 점액성 외피를 가지고 있으며 물 확산에 더 적합하다. 곰팡이 포자는 종종 구형 또는 난형의 단일 세포이지만, 다세포이며 다양한 모양을 가질 수 있다. 포자는 옷이나 털에 달라붙을 수 있으며, 일부는 극심한 온도와 압력을 견딜 수 있다.
곰팡이는 자연의 모든 죽은 유기물에 자랄 수 있지만, 그 존재는 큰 콜로니를 형성할 때만 육안으로 볼 수 있다. 곰팡이 콜로니는 분리된 유기체로 구성되지 않고 균사체라고 불리는 균사들의 상호 연결된 네트워크이다. 모든 성장은 균사 끝에서 일어나며, 균사가 새로운 식량원을 통해 또는 그 위로 전진함에 따라 세포질과 세포 소기관이 앞으로 흐른다. 영양분은 균사 끝에서 흡수된다. 건물과 같은 인공 환경에서는 습도와 온도가 종종 곰팡이 콜로니 성장을 촉진하기에 충분히 안정적이며, 식품이나 다른 표면에 자라는 솜털이나 털 같은 코팅으로 흔히 보인다.
이하의 온도에서 성장을 시작할 수 있는 곰팡이는 거의 없으므로, 식품은 일반적으로 이 온도에서 냉장된다. 성장에 적합하지 않은 조건에서는 곰팡이가 종에 따라 다양한 온도 범위 내에서 휴면 상태로 생존할 수 있다. 다양한 곰팡이 종은 극한의 온도와 습도에 대한 내성이 크게 다르다. 특정 곰팡이는 남극의 눈 덮인 토양, 냉장, 고산성 용매, 항균 비누, 심지어 제트 연료와 같은 석유 제품과 같은 가혹한 조건을 견딜 수 있다.
건성애성 곰팡이는 수분 활성 (aw)이 0.85 미만인 비교적 건조하거나 짜거나 달콤한 환경에서 자랄 수 있으며, 다른 곰팡이는 더 많은 습기가 필요하다.
일반적인 곰팡이.
일반적인 곰팡이 속은 다음과 같다.
식품 생산.
누룩곰팡이는 주로 누룩곰팡이와 부수적으로 A. 소자에와 같은 아스페르길루스속 종의 그룹으로, 수세기 동안 동아시아에서 배양되어 왔다. 이들은 콩과 밀 혼합물을 발효시켜 된장과 간장을 만드는 데 사용된다. 누룩곰팡이는 쌀, 보리, 고구마 등의 녹말을 분해하는 당화 과정을 통해 사케, 쇼추 (술) 및 기타 증류주를 생산한다. 누룩곰팡이는 가쓰오부시를 만드는 데도 사용된다.
홍국은 쌀에 자란 모나스쿠스 푸르푸레우스 곰팡이의 산물이며, 아시아 식단에서 흔하다. 이 효모는 콜레스테롤 합성을 억제하는 것으로 알려진 모나콜린이라고 총칭되는 여러 화합물을 포함한다. 한 연구에 따르면 홍국을 식이 보충제로 사용하고 생선 기름 및 건강한 생활 습관 변화를 병행하면 특정 상업용 스타틴 약물만큼 효과적으로 "나쁜" 콜레스테롤을 줄이는 데 도움이 될 수 있다고 한다. 그럼에도 불구하고, 다른 연구에서는 이것이 신뢰할 수 없고(아마도 비표준화 때문일 수 있음) 간과 신장에 독성을 가할 수 있다고 밝혀졌다.
살라미와 같은 일부 소시지는 숙성 과정에서 맛을 개선하고 세균성 부패를 줄이기 위해 곰팡이 스타터 배양액을 포함한다. 예를 들어, 페니실륨 날기오벤세는 일부 건조 숙성 소시지 품종에서 가루 같은 흰색 코팅으로 나타날 수 있다.
식품 생산에 사용된 다른 곰팡이는 다음과 같다.
곰팡이에서 추출한 의약품.
알렉산더 플레밍이 우연히 페니실린 항생제를 발견한 것은 페니실리움 루브룸(이후 종은 페니실리움 루벤스로 확립됨)이라는 푸른곰팡이 곰팡이와 관련이 있다. 플레밍은 페니실린을 계속 연구하여 감염 및 기타 질병에서 발견되는 다양한 유형의 박테리아를 억제할 수 있음을 보여주었지만, 의약품 생산에 필요한 충분한 양의 화합물을 생산할 수 없었다. 그의 작업은 옥스퍼드 대학교 팀에 의해 확장되었으며, 클러터벅, 러벨, 레이스트릭은 1931년에 이 문제에 대한 연구를 시작했다. 이 팀 또한 순수한 화합물을 대량 생산할 수 없었으며, 정제 과정이 효과를 감소시키고 항균 특성을 상실시킨다는 것을 발견했다.
하워드 플로리, 언스트 체인, 노먼 히틀리, 에드워드 아브라함도 옥스퍼드에서 연구를 계속했다. 그들은 물 대신 유기 용액을 사용하여 농축 기술을 강화하고 개발했으며, 용액 내 페니실린 농도를 측정하기 위한 "옥스퍼드 단위"를 만들었다. 그들은 용액을 정제하여 농도를 45~50배 높이는 데 성공했지만, 더 높은 농도도 가능하다고 발견했다. 실험이 수행되었고 결과는 1941년에 발표되었지만, 생산된 페니실린의 양은 필요한 치료에 항상 충분하지는 않았다. 이것이 제2차 세계대전 중이었기 때문에 플로리는 미국 정부의 개입을 모색했다. 영국과 미국의 일부 연구팀과 함께 1941-1944년 동안 USDA와 화이자에 의해 결정화된 페니실린의 산업 규모 생산이 개발되었다.
몇몇 스타틴 콜레스테롤 저하제(로바스타틴 등, 아스페르길루스 테레우스에서 추출)는 곰팡이에서 유래한다.
이식 장기 거부 반응을 억제하는 데 사용되는 면역억제제 사이클로스포린은 곰팡이 톨리포클라디움 인플라툼에서 유래한다.
곰팡이는 , 곰팡이 포자는 가정 및 직장 먼지의 흔한 구성 요소이다. 그러나 곰팡이 포자가 다량으로 존재할 경우, 인간에게 건강 위험을 초래하여 알레르기 반응 및 호흡기 문제를 일으킬 수 있다.
일부 곰팡이는 인간과 동물에게 심각한 건강 위험을 초래할 수 있는 미코톡신을 생산하기도 한다. 일부 연구는 높은 수준의 미코톡신 노출이 신경학적 문제로 이어질 수 있으며, 일부 경우에는 사망에 이를 수도 있다고 주장한다. 장기간 노출, 즉 매일 가정에서의 노출은 특히 해로울 수 있다. 곰팡이의 건강 영향에 대한 연구는 아직 결론적이지 않다. "독성 곰팡이"라는 용어는 스타키보트리스 차르타룸과 같이 미코톡신을 생산하는 곰팡이를 의미하며, 모든 곰팡이를 의미하지는 않는다.
곰팡이는 또한 특정 곰팡이 종이 저장된 식품에서 자란 후 섭취될 경우 인간과 동물의 건강에 위험을 초래할 수 있다. 일부 종은 아플라톡신, 오크라톡신, 푸모니신, 트리코테신, 시트리닌, 파툴린을 포함한 독성 이차 대사산물을 생산한다. 이러한 독성 특성은 독성이 다른 유기체를 대상으로 할 때 인간에게 유익하게 사용될 수 있다. 예를 들어, 페니실린은 그람 양성균(클로스트리디움속 종 등), 특정 스피로헤타 및 특정 균류의 성장에 부정적인 영향을 미친다.
건물 및 가정에서의 성장.
건물 내 곰팡이 성장은 일반적으로 곰팡이가 목재와 같은 다공성 건축 자재에 서식할 때 발생한다. 많은 건축 제품은 일반적으로 종이로 덮인 건식벽, 목재 캐비닛, 단열재와 같은 종이, 목재 제품 또는 단단한 목재 부재를 포함한다. 실내 곰팡이 집락화는 미세한 공중 포자가 나무 꽃가루와 유사하게 건물 거주자에게 흡입될 때 다양한 건강 문제를 야기할 수 있다. 외부 조건과 비교하여 실내 공중 포자 양이 많으면 실내 곰팡이 성장이 강력하게 시사된다. 공중 포자 수 측정은 공기 시료 채취를 통해 이루어지며, 알려진 유량의 특수 펌프를 알려진 시간 동안 작동한다. 배경 수준을 설명하기 위해 공기 시료는 영향을 받은 지역, 통제 지역 및 외부에서 채취해야 한다.
공기 샘플러 펌프는 공기를 흡입하고 미세한 공중 입자를 배양 배지에 침전시킨다. 배지는 실험실에서 배양되며 시각적 현미경 관찰을 통해 곰팡이 속 및 종이 결정된다. 실험실 결과는 또한 샘플 간 비교를 위해 포자 수를 통해 곰팡이 성장을 정량화한다. 펌프 작동 시간은 기록되며, 펌프 유량과 곱하면 특정 부피의 공기가 얻어진다. 비록 소량의 공기만 실제로 분석되지만, 일반적인 실험실 보고서는 포자 수 데이터를 외삽하여 입방 미터의 공기에 존재할 포자를 추정한다.
곰팡이 포자는 특정 환경에 이끌려 성장이 용이하다. 이러한 포자는 특정 조건이 충족되어야만 완전히 번성하게 된다. 건물 내 곰팡이 문제를 완화하기 위해 다양한 관행이 따를 수 있으며, 가장 중요한 것은 곰팡이 성장을 촉진할 수 있는 습도 수준을 줄이는 것이다. 공기 여과는 발아에 사용할 수 있는 포자 수를 줄이며, 특히 고성능 미립자 공기(HEPA) 필터가 사용될 때 더욱 그렇다. 제대로 작동하는 AC 장치 또한 실내 상대 습도를 낮춘다. 미국 환경보호청(EPA)은 현재 곰팡이 성장을 억제하기 위해 상대 습도를 60% 미만, 이상적으로는 30%에서 50% 사이로 유지할 것을 권장한다.
곰팡이 제거의 첫 단계는 습기 원인을 제거하는 것이다. 재료를 쉽게 교체할 수 있고 하중 지지 구조물의 일부가 아닌 경우, 영향을 받은 재료를 제거하는 것도 제거에 필요할 수 있다. 숨겨진 벽 공간과 캐비닛 발가락 공간과 같은 밀폐된 공간의 전문적인 건조가 필요할 수 있다. 성공적인 제거를 위해서는 제거 후 수분 함량 및 곰팡이 성장 확인이 필요하다. 많은 계약업체가 제거 후 확인을 직접 수행하지만, 재산 소유자는 독립적인 확인을 통해 이점을 얻을 수 있다. 방치하면 곰팡이는 재산에 심각한 미관 및 구조적 손상을 일으킬 수 있다.
예술에서의 사용.
다양한 예술가들이 다양한 예술적 방식으로 곰팡이를 사용했다. 예를 들어, 다니엘레 델 네로는 집과 사무실 건물의 축소 모형을 만들고 그 위에 곰팡이가 자라도록 유도하여 불안하고 자연에 의해 회수된 듯한 모습을 연출한다. 스테이시 리비는 확대된 곰팡이 이미지를 유리 위에 샌드블라스트로 새긴 다음, 자신이 만든 틈새에 곰팡이가 자라도록 하여 매크로-마이크로 초상화를 만든다. 샘 테일러존슨은 고전적으로 배열된 정물화의 점진적인 부패를 포착한 여러 타임랩스 영화를 제작했다.
잠수함(潛水艦, )은 수중에서 독립적인 운용이 가능한 워터크래프트이다. 수중 능력이 더 제한적인 잠수정과는 다르다.
이전에도 실험적인 잠수함이 건조되었지만, 19세기에 잠수함 설계가 본격화되어 여러 해군에서 채택되었다. 잠수함은 제1차 세계 대전(1914년~1918년) 기간 처음으로 널리 사용되었으며, 현재는 많은 해군에서 사용되고 있다. 군사적 용도로 사용되는 경우는 다음과 같다.
민간 용도로는 해양 과학, 해상 구조, 탐험, 시설 검사 및 유지 보수 등의 목적으로 사용된다. 잠수함은 수색 및 구조 임무, 해저 케이블 수리 등 특수 기능에 맞게 개조될 수 있으며, 관광 산업이나 해저 고고학에서도 사용된다. 현대의 심해 잠수함은 잠수종에서 진화한 바티스카프에서 파생되었다.
대부분의 대형 잠수함은 반구형·원뿔형 끝을 가진 원통형 몸체와 일반적으로 선박 중앙에 위치한 수직 구조물로 구성되어 있으며, 이 구조물에는 통신 및 감지 장치와 잠망경이 수용되어 있다. 현대 잠수함에서 이 구조물을 미국에서는 '세일'이라고 부르고 유럽에서는 '핀'이라고 부른다. 초기 설계의 특징으로는, 짧은 잠망경을 사용할 수 있도록 보트의 본체 위에 별도의 압력 선체가 있으며, 후미에는 프로펠러(또는 펌프 제트)가 있고 다양한 유체역학적 제어 핀이 있다. 다만, 소형·심해·특수 잠수함은 이러한 전통적인 설계와 다를 수 있다. 잠수함은 잠수타륜을 사용하고 밸러스트 탱크의 물과 공기의 양을 변경하여 부력에 영향을 줌으로써 잠수 및 재부상한다.
잠수함은 다양한 종류와 능력을 포괄한다. 몇 시간 동안 작동하는 1~2인용 잠수정 같은 소형 자율 잠수함부터 러시아의 처럼 6개월 동안 잠수 상태를 유지할 수 있는 선박까지 다양하다. 잠수함은 인간 잠수에게는 비실용적(심지어 생존 불가능)인 깊이에서도 작동할 수 있다.
잠수함이라는 단어는 '수중' 또는 '해저'를 의미하나, 일반적으로는 수중을 이동할 수 있는 선박을 지칭한다. 영어 'submarine'은 잠수함 보트(submarine boat)의 축약어이며, 프랑스어(), 스페인어()와 같이 다른 언어에서도 사용된다. 그러나 다른 언어에서는 네덜란드어(), 독일어(), 스웨덴어(), 러시아어(: )와 같이 원래 용어를 유지하고 있으며, 이들 모두 '잠수함 보트'를 의미한다. 해군 전통에 따르면 잠수함은 크기에 관계없이 일반적으로 선박이 아닌 보트로 불린다. 비공식적으로 보트라고 불리지만, 미국 잠수함은 와 같이 이름 앞에 USS(United States Ship) 명칭을 사용한다. 영국 해군에서는 HMS라는 명칭이 "His Majesty's Ship" 또는 "His Majesty's Submarine"을 의미할 수 있지만, 후자는 때때로 "HMS/m"으로 표현되기도 한다. 잠수함은 일반적으로 선박이 아닌 보트로 불린다.
초기 인력 잠수정.
16세기 및 17세기.
1562년에 출판된 오푸스쿨룸 타이스니에리 보고서에 따르면:
1578년, 영국의 윌리엄 본 수학자는 그의 책 '발명 또는 장치(Inventions or Devises)'에 수중 항해 차량에 대한 최초의 계획 중 하나를 기록했다. 몇 년 후 스코틀랜드 수학자이자 신학자인 존 네이피어는 그의 '비밀 발명품(Secret Inventions)'(1596년)에서 "이 발명품들은 수중 항해 장치와 적에게 해를 끼치기 위한 다양한 다른 장치 및 전략 외에도 하나님의 은혜와 숙련된 장인의 작업으로 성취되기를 바란다"라고 썼다. 그가 자신의 아이디어를 실행했는지는 불분명하다.
헤로니모 데 아얀스 이 베아우몬트(1553년~1613년)는 두 가지 유형의 공기 재생 잠수정 차량에 대한 상세한 설계를 만들었다. 이 차량들은 노, 내부 펌프에 의해 작동하는 자율 부유 스노클, 현창 및 승무원이 수중 물체를 조작하는 데 사용되는 장갑을 갖추고 있었다. 아얀스는 이들을 전쟁에 사용하여 적함을 은밀히 접근하고 선체에 시한식 화약 폭발물을 설치할 계획이었다.
건설에 대한 신뢰할 수 있는 정보가 남아 있는 최초의 잠수정은 1620년에 제임스 1세 (잉글랜드)를 섬기던 네덜란드인 코르넬리스 드레벨이 설계하고 건조했다. 이 잠수정은 노로 추진되었다.
18세기 중반까지 잉글랜드에서는 잠수함/잠수 보트에 대한 10여 개 이상의 특허가 부여되었다. 1747년, 너새니얼 시몬스는 잠수를 위한 밸러스트 탱크 사용의 첫 번째 알려진 작동 예시를 특허를 내고 제작했다. 그의 설계는 물을 채워 잠수할 수 있는 가죽 주머니를 사용했다. 메커니즘은 주머니에서 물을 짜내고 보트가 다시 떠오르도록 하는 데 사용되었다. 1749년, 젠틀맨스 매거진은 유사한 설계가 1680년에 조반니 보렐리에 의해 처음 제안되었다고 보도했다. 추진 및 안정성을 위한 새로운 테크놀로지의 적용이 이루어지기까지 1세기 이상 설계 개선이 정체되었다.
최초의 군사 잠수정은 데이비드 부시넬이 한 사람을 수용하도록 설계한 손으로 움직이는 도토리 모양의 장치인 (1775년)였다. 이는 독립적인 수중 작동과 이동이 가능하며, 프로펠러를 추진에 사용한 최초의 검증된 잠수함이었다.
1800년, 프랑스는 미국인 로버트 풀턴이 설계한 인력 추진 잠수함 를 건조했다. 프랑스는 1804년에 이 실험을 포기했고, 영국도 풀턴의 잠수함 설계를 재고한 후 포기했다.
1850년, 빌헬름 바우어의 가 독일에서 건조되었다. 이 잠수함은 현재까지 남아 있는 가장 오래된 잠수함으로 알려져 있다.
1864년, 남북 전쟁 말기에 남부군 해군의 는 역사상 최초로 적함, 즉 북군 슬루프형 포함 을 침몰시킨 군용 잠수함이 되었다. 이 잠수함은 기뢰용 장대에 장착된 화약통을 사용했다. 헌리 또한 침몰했다. 폭발의 충격파가 승무원들을 즉사시켰을 수 있으며, 이는 그들이 빌지를 퍼내거나 잠수함을 추진하는 것을 막았을 것이다.
1866년, 는 승무원의 통제하에 성공적으로 잠수, 수중 항해 및 재부상한 최초의 잠수함이었다. 독일계 미국인 율리우스 H. 크뢰르의 설계는 현대 잠수함에서도 여전히 사용되는 요소를 통합했다.
1866년, 카를 플라흐 독일인 엔지니어이자 이민자가 칠레 정부의 요청으로 를 건조했다. 이는 세계에서 다섯 번째로 건조된 잠수함이었으며 두 번째 잠수함과 함께 친차 제도 전쟁 동안 발파라이소 항구를 스페인 해군의 공격으로부터 방어하기 위한 것이었다.
기계 추진 잠수함.
잠수함은 적절한 엔진이 개발될 때까지 해군에 널리 또는 일상적으로 사용될 수 없었다. 1863년부터 1904년까지의 시대는 잠수함 개발에 있어서 중추적인 시기였으며, 여러 중요한 기술이 등장했다. 여러 나라가 잠수함을 건조하고 사용했다. 디젤–전기 추진이 지배적인 동력 시스템이 되었고, 잠망경과 같은 장비가 표준화되었다. 각국은 잠수함을 위한 효과적인 전술과 무기에 대한 많은 실험을 수행했으며, 이는 제1차 세계 대전에서 큰 영향으로 이어졌다.
1863–1904년.
인력 추진에 의존하지 않는 최초의 잠수함은 1863년에 진수된 프랑스 (잠수함)로, 의 압축공기를 사용했다. 나르시스 몬투리올은 1864년 스페인 바르셀로나에서 진수된 최초의 공기 불요 추진 및 연소 추진 잠수함인 를 설계했다.
잠수함이 잠재적 무기로서 실현 가능하게 된 것은 1866년 영국 엔지니어 로버트 화이트헤드가 설계한 최초의 실용적인 자추진 어뢰인 화이트헤드 어뢰가 개발되면서였다. 이전에 남부군 해군이 개발했던 활대기뢰는 비실용적이라고 여겨졌는데, 이는 이 어뢰가 목표물과 이를 배치한 잠수함인 H. L. Hunley 모두를 침몰시켰다고 믿어졌기 때문이다.
아일랜드의 발명가 존 필립 홀랜드는 1876년에 잠수함 모형을 제작했고 1878년에는 홀랜드 1호 시제품을 선보였다. 이후 여러 번의 실패한 설계가 뒤따랐다. 1896년, 그는 수상에서는 내연기관 동력을 사용하고 수중에서는 전지 동력을 사용하는 홀랜드 타입 VI 잠수함을 설계했다. 1897년 5월 17일 뉴저지주 엘리자베스에 있는 루이스 닉슨 해군 중위의 크레센트 조선소에서 진수된 홀랜드 VI는 1900년 4월 11일 미국 해군에 인수되어 해군 최초의 취역 잠수함이 되었고, 로 명명되었다.
영국 성공회 성직자이자 발명가인 조지 개럿과 스웨덴 산업가 토르스텐 노르덴펠트 간의 논의는 어뢰로 무장하고 군사적 사용이 가능한 최초의 실용적인 증기 추진 잠수함으로 이어졌다. 첫 번째는 노르덴펠트 1호로, 56톤, 크기의 선박으로 개럿의 불운한 (1879년)과 유사하며, 1885년에 의 사거리를 가지고 단일 어뢰로 무장했다.
수중 선박의 신뢰할 수 있는 추진 수단은 1880년대에 필요한 전지 기술이 등장하면서 가능해졌다. 최초의 전기로 추진되는 보트는 스페인의 아이작 페랄(를 건조), 프랑스의 앙리 듀푸이 드 롬(를 건조)과 구스타브 제데(시렌를 건조), 그리고 잉글랜드의 제임스 프랭클린 워딩턴(돌고래를 건조)에 의해 건조되었다. 페랄의 설계는 나중에 잠수함의 표준이 된 어뢰와 기타 시스템을 특징으로 했다.
1900년 6월 취역한 프랑스 증기 및 전기 잠수함 은 현재의 전형적인 이중 선체 설계를 채택했으며, 외피 안에 압력 선체가 있었다. 이 200톤급 선박은 수중에서 이상의 항속 거리를 가졌다. 1904년 프랑스 잠수함 아이그레트는 수상 동력으로 가솔린 엔진 대신 디젤 엔진을 사용하여 개념을 더욱 개선했다. 이러한 잠수함은 대량으로 건조되었으며, 1914년 이전에 76척이 완성되었다.
영국 해군은 홀랜드 어뢰정 회사의 면허를 받아 1901년부터 1903년까지 배로인퍼니스의 빅커스로부터 5척의 를 주문했다. 함정 건조는 예상보다 오래 걸려 첫 함정이 1902년 4월 6일에야 해상 잠수 시험을 할 수 있었다. 이 설계는 전적으로 미국 회사에서 구매되었지만, 실제로 사용된 설계는 새로운 가솔린 엔진을 사용한 원래 홀랜드 설계의 시험되지 않은 개선 버전이었다.
이러한 유형의 잠수함은 1904년~1905년 러일 전쟁 중에 처음 사용되었다. 여순항 봉쇄로 인해 러시아는 잠수함을 블라디보스토크로 보냈고, 1905년 1월 1일에는 7척의 잠수함이 있어 세계 최초의 "작전 잠수함 함대"를 만들기에 충분했다. 새로운 잠수함 함대는 2월 14일에 순찰을 시작했으며, 보통 각 순찰은 약 24시간 동안 지속되었다. 일본 군함과의 첫 대결은 1905년 4월 29일 러시아 잠수함 솜이 일본 어뢰정의 공격을 받았지만, 이후 철수하면서 발생했다.
군사 잠수함은 제1차 세계 대전에서 처음으로 큰 영향을 미쳤다. 독일의 U보트와 같은 전력은 제1차 대서양 전투에서 활약했으며, 무제한 잠수함 작전의 결과로 침몰한 를 포함하여 미국이 전쟁에 참전하게 된 이유 중 하나로 자주 언급된다.
전쟁 발발 시 독일은 전투에 사용할 수 있는 잠수함이 20척에 불과했지만, 이들 중에는 급 디젤 엔진 함정이 포함되어 있었는데, 이들은 의 충분한 항속 거리와 의 속도를 갖추어 영국 해안 전체에서 효과적으로 작전할 수 있었다. 대조적으로 영국 해군은 총 74척의 잠수함을 보유하고 있었지만, 효과는 다양했다. 1914년 8월, 10척의 U보트 편대가 헬골란트섬 기지에서 출항하여 북해의 영국 해군 군함을 공격했는데, 이는 역사상 최초의 잠수함 전쟁 순찰이었다.
U보트가 실용적인 전쟁 병기로 기능할 수 있었던 것은 새로운 전술, 그들의 수, 그리고 지난 몇 년 동안 개발된 디젤-전기 추진 시스템과 같은 잠수함 기술에 의존했다. 진정한 잠수함이라기보다는 대부분 잠수정이었던 U보트는 주로 일반 엔진을 사용하여 수상에서 운용되었고, 배터리 동력으로 공격하기 위해 가끔 잠수했다. 그들은 대략 삼각형 단면을 가졌고, 수상에서 횡요를 제어하기 위한 뚜렷한 용골과 뚜렷한 선수부를 가지고 있었다. 제1차 세계 대전 동안 5,000척 이상의 연합군 선박이 U보트에 의해 침몰했다.
영국은 독일의 잠수함 기술 발전에 대응하여 K급 잠수함을 건조했다. 그러나 이 잠수함들은 다양한 설계 결함과 형편없는 기동성 때문에 운용하기에 위험하다는 오명을 얻었다.
제2차 세계 대전 동안 독일은 대서양 전투에서 잠수함을 파괴적인 효과로 사용했으며, 영국이 보충할 수 있는 것보다 더 많은 상선을 침몰시켜 영국의 보급로를 차단하려고 시도했다. 이 상선들은 영국의 인구에게 식량을, 산업에 원자재를, 군대에 연료와 무기를 공급하는 데 필수적이었다. 비록 U보트는 전간기에 업데이트되었지만, 주요 혁신은 에니그마 기계를 사용하여 암호화된 통신 개선이었다. 이것은 대규모 공격 해군 전술 (Rudeltaktik, 일반적으로 "이리떼 전술"로 알려짐)을 가능하게 했지만, U보트의 에니그마가 해독되면서 궁극적으로 효과를 잃었다. 전쟁이 끝날 무렵, 거의 3,000척의 연합군 선박 (군함 175척, 상선 2,825척)이 U보트에 의해 침몰했다. 전쟁 초반에는 성공적이었지만, 독일 U보트 함대는 심각한 사상자를 냈으며, 793척의 U보트와 41,000명의 잠수함 승무원 중 약 28,000명을 잃어 약 70%의 사상률을 기록했다.
일본 제국 해군은 가이텐 유인어뢰, 소형 잠수함( 및 ), 중거리 잠수함, 특수 제작된 보급 잠수함 및 장거리 함대 잠수함을 포함하여 어떤 해군보다도 가장 다양한 잠수함 함대를 운용했다. 또한 제2차 세계 대전 중 가장 빠른 수중 속도(s)와 여러 대의 항공기를 운반할 수 있는 잠수함(s)도 보유하고 있었다. 또한 산소 추진 95식 어뢰와 같은 분쟁에서 가장 발전된 어뢰 중 하나를 장비하고 있었다. 그럼에도 불구하고 일본은 잠수함을 함대전에 사용하기로 선택했고, 그 결과 군함은 상선에 비해 빠르고 기동성이 좋으며 방어력이 뛰어나 상대적으로 성공적이지 못했다.
잠수함 부대는 미국 무기고에서 가장 효과적인 대함 무기였다. 잠수함은 미 해군의 약 2%에 불과했지만, 8척의 항공모함, 1척의 전함, 11척의 순양함을 포함하여 일본 해군의 30% 이상을 파괴했다. 미 잠수함은 또한 일본 상선의 60% 이상을 파괴하여 일본의 군대 및 산업 전쟁 노력 보급 능력을 마비시켰다. 태평양 전쟁의 연합군 잠수함은 다른 모든 무기를 합친 것보다 더 많은 일본 선박을 파괴했다. 이러한 성과는 일본 제국 해군이 국가의 상선대를 위한 적절한 호위 부대를 제공하지 못한 것에 의해 크게 도움을 받았다.
제2차 세계 대전 중 미 해군에는 314척의 잠수함이 있었고, 그 중 거의 260척이 태평양에 배치되었다. 1941년 12월 일본이 하와이를 공격했을 때, 111척의 잠수함이 취역 중이었다. 전쟁 중 가토급 잠수함, 밸라오급 잠수함, 그리고 텐치급 잠수함에서 203척의 잠수함이 취역했다. 전쟁 중 52척의 미 잠수함이 모든 원인으로 손실되었고, 48척은 직접적으로 적대 행위로 인한 것이었다. 미 잠수함은 1,560척의 적함을 침몰시켰고, 총 530만 톤(총 침몰 톤수의 55%)이었다.
영국 왕립 해군 잠수함대는 주로 고전적인 봉쇄에 사용되었다. 주요 작전 구역은 노르웨이 주변, 지중해(북아프리카로 가는 추축군 보급로에 대항하여), 그리고 극동이었다. 그 전쟁에서 영국 잠수함은 2백만 톤의 적 선박과 57척의 주요 전함을 침몰시켰으며, 후자에는 35척의 잠수함이 포함된다. 이 중에는 잠수함이 잠수 상태에서 다른 잠수함을 침몰시킨 유일한 기록된 사례가 있다. 이는 가 를 교전했을 때 발생했다. 벤처러 승무원은 현대 어뢰 컴퓨터 표적 시스템의 기초가 된 기술을 사용하여 3차원으로 기동하는 표적에 대해 성공적인 발사 해법을 수동으로 계산했다. 74척의 영국 잠수함이 손실되었는데, 이 중 대부분인 42척이 지중해에서 손실되었다.
냉전 군사 모델.
순항 미사일 (SSM-N-8 레귤러스)을 잠수함에서 최초로 발사한 것은 1953년 7월, 제2차 세계 대전 함대 잠수함인 호의 갑판에서였다. 이 잠수함은 핵무기 탄두를 탑재한 미사일을 운반하도록 개조되었다. 투니와 그 자매함인 는 미국의 첫 핵 억지력 순찰 잠수함이었다. 1950년대에는 원자력 추진이 디젤-전기 추진을 부분적으로 대체했다. 또한 해수에서 산소를 추출하는 장비도 개발되었다. 이 두 가지 혁신은 잠수함이 몇 주 또는 몇 달 동안 잠수 상태를 유지할 수 있는 능력을 부여했다. 그 이후 미국 해군, 소련(현재 러시아), 영국, 프랑스 해군에서 건조된 대부분의 해군 잠수함은 원자로로 구동되었다.
1959년~1960년, 최초의 탄도미사일 잠수함이 미국 해군()과 소련()에 의해 냉전 핵 억지력 전략의 일환으로 취역했다.
냉전 기간 동안 미국과 소련은 대규모 잠수함 함대를 유지하며 쫓고 쫓기는 게임을 벌였다. 소련은 이 기간 동안 최소 4척의 잠수함을 잃었다: 1968년에 손실된 (일부 CIA가 글로마 익스플로러 선박을 설계한 하워드 휴즈의 도움을 받아 해저에서 인양), 1970년에 손실된 , 1986년에 손실된 , 그리고 1989년에 손실된 (군용 잠수함 중 가장 깊은 의 심도 기록을 보유). (최초의 소련 핵잠수함이자 북극에 도달한 최초의 소련 잠수함)와 같은 다른 많은 소련 잠수함들은 화재나 방사능 누출로 심하게 손상되었다. 미국은 이 기간 동안 두 척의 핵잠수함을 잃었다: 는 작전 한계에서 시험 잠수 중 장비 고장으로, 그리고 는 알려지지 않은 원인으로.
1971년 인도-파키스탄 전쟁 동안 파키스탄 해군의 는 인도 프리깃 를 침몰시켰다. 이는 제2차 세계 대전 이후 잠수함에 의한 최초의 침몰이었다. 같은 전쟁 동안 미국에서 파키스탄에 대여된 텐치급 잠수함인 는 인도 해군에 의해 침몰했다. 이는 제2차 세계 대전 이후 잠수함 전투 손실이었다. 1982년 포클랜드 전쟁 중에는 아르헨티나 순양함 가 영국 잠수함 에 의해 침몰했는데, 이는 전쟁에서 핵추진 잠수함에 의한 첫 침몰이었다. 몇 주 뒤인 6월 16일, 1982년 레바논 전쟁 중에 이름 없는 이스라엘 잠수함이 팔레스타인 난민 56명을 키프로스로 수송하던 레바논 해안선 트랜싯을 어뢰로 침몰시켰다. 이스라엘 해군은 이 선박이 반이스라엘 민병대를 대피시키고 있다고 믿었다. 이 배는 두 발의 어뢰를 맞았고, 좌초되었지만 결국 침몰했다. 선장을 포함하여 25명이 사망했다. 이스라엘 해군은 2018년 11월에 이 사건을 공개했다.
사용법.
제2차 세계 대전 이전과 동안 잠수함의 주요 역할은 대수상함전이었다. 잠수함은 수상에서는 갑판포로, 수중에서는 어뢰로 공격했다. 그들은 양차 세계 대전에서 연합군의 대서양 횡단 선박을 침몰시키는 데, 그리고 제2차 세계 대전에서 일본의 보급로와 태평양 해군 작전을 방해하는 데 특히 효과적이었다.
기뢰 부설 잠수함은 20세기 초에 개발되었다. 이 시설은 양차 세계 대전에서 사용되었다. 잠수함은 또한 은밀한 요원과 군사력을 특수 작전에 투입하고 회수하는 데, 정보 수집에, 그리고 섬에 대한 공중 공격 중 비행 승무원을 구조하는 데 사용되었는데, 이때 조종사들은 잠수함이 구조할 수 있도록 안전한 비상 착륙 장소를 알려주었다. 잠수함은 적대적인 수역을 통해 화물을 운반하거나 다른 잠수함의 보급선 역할을 할 수 있었다.
잠수함은 일반적으로 수면에서만 다른 잠수함을 찾아 공격할 수 있었지만, 는 양측이 잠수 상태에서 4개의 어뢰를 퍼부어 를 침몰시키는 데 성공했다. 영국은 제1차 세계 대전에서 R급이라는 특수 대잠 잠수함을 개발했다. 제2차 세계 대전 이후, 유도 어뢰, 개선된 소나 시스템, 그리고 원자력 추진의 개발로 잠수함 또한 서로를 효과적으로 사냥할 수 있게 되었다.
잠수함 발사 탄도 미사일과 잠수함 발사 순항 미사일의 개발로 잠수함은 집속탄부터 핵무기에 이르는 다양한 무기로 지상 및 해상 목표물을 공격할 수 있는 상당하고 장거리 능력을 갖게 되었다.
잠수함의 주요 방어는 대양의 깊은 곳에 숨어 있을 수 있는 능력에 있다. 초기 잠수함은 그들이 내는 소리로 감지될 수 있었다. 물은 소리의 훌륭한 도체(공기보다 훨씬 낫다)이며, 잠수함은 비교적 소음이 많은 수상함을 장거리에서 탐지하고 추적할 수 있다. 현대 잠수함은 스텔스 기술에 중점을 두고 건조된다. 고급 프로펠러 설계, 광범위한 소음 감소 단열재, 그리고 특수 기계는 잠수함이 주변 해양 소음만큼 조용하게 유지되도록 도와 감지하기 어렵게 만든다. 현대 잠수함을 찾아 공격하는 데는 특수 기술이 필요하다.
능동 소나는 탐색 장비에서 방출된 소리의 반사를 이용하여 잠수함을 탐지한다. 제2차 세계 대전 이후 수상함, 잠수함, 항공기(투하 부표 및 헬리콥터 "딥핑" 배열을 통해)에 의해 사용되었지만, 이는 방출자의 위치를 드러내고 대책에 취약하다.
숨겨진 군사 잠수함은 실제적인 위협이며, 그 스텔스 특성 때문에 적 해군이 광대한 해역을 수색하고 공격으로부터 선박을 보호하는 데 자원을 낭비하도록 강요할 수 있다. 이러한 이점은 1982년 포클랜드 전쟁에서 영국 원자력 잠수함 가 아르헨티나 순양함 를 침몰시켰을 때 생생하게 입증되었다. 침몰 후 아르헨티나 해군은 잠수함 공격에 대한 효과적인 방어가 없음을 인정했으며, 아르헨티나 수상 함대는 전쟁 기간 동안 항구로 철수했다. 그러나 아르헨티나 잠수함 한 척은 계속 해상에 남아 있었다.
민간.
세계의 잠수함 대부분은 군용이지만, 관광, 탐험, 유전 및 가스 플랫폼 검사, 파이프라인 조사에 사용되는 민간 잠수함도 있다. 일부는 불법 활동에도 사용된다.
1959년 디즈니랜드에서 서브마린 보야지 놀이기구가 개장했지만, 수중으로 운행되었음에도 불구하고 궤도를 따라 움직이고 대기에 노출되어 있어 진정한 잠수함은 아니었다. 최초의 관광 잠수함은 1964년 엑스포64에서 운항을 시작한 였다. 1997년까지 전 세계에서 45척의 관광 잠수함이 운항 중이었다. 내파 심도가 범위인 잠수함은 전 세계 여러 지역에서 운용되며, 일반적으로 바닥 깊이는 정도이고, 50~100명의 승객을 수송할 수 있다.
일반적인 작동 방식은 수상선이 승객을 해상 운영 구역으로 운송하여 잠수함에 태우는 것이다. 잠수함은 자연 또는 인공 암초 구조물과 같은 수중 명소를 방문한다. 충돌 위험 없이 안전하게 부상하기 위해 잠수함의 위치는 공기 방출로 표시되며, 부상 이동은 지원 선박의 관찰자가 조정한다.
최근의 발전은 남미 마약 밀수업자들이 법 집행 당국의 탐지를 회피하기 위해 이른바 나르코 잠수함을 배치하는 것이다. 비록 그들이 가끔 진정한 잠수함을 배치하기도 하지만, 대부분은 반잠수정으로, 선박의 일부가 항상 수면 위에 남아 있다. 2011년 9월, 콜롬비아 당국은 승무원 5명을 수용할 수 있고 약 200만 달러의 비용이 드는 16m 길이의 잠수정을 압수했다. 이 선박은 FARC 반군 소유였으며 최소 7톤의 마약을 운반할 수 있었다.
부력 및 트림.
모든 수상함과 수상으로 부상한 잠수함은 양의 부력 상태에 있어, 완전히 잠수했을 때 배제하는 물의 부피보다 무게가 적다. 수압으로 잠수하려면 선박은 자체 무게를 늘리거나 물의 배제량을 줄여 음의 부력을 가져야 한다. 배제량과 무게를 제어하기 위해 잠수함은 다양한 양의 물과 공기를 담을 수 있는 밸러스트 탱크를 가지고 있다.
일반적인 잠수 또는 부상을 위해 잠수함은 주변 압력 탱크인 주 밸러스트 탱크(MBT)를 사용하는데, 이 탱크는 잠수할 때는 물로 채워지고 부상할 때는 공기로 채워진다. 잠수 중에는 MBT가 일반적으로 침수 상태를 유지하여 설계를 단순화하고, 많은 잠수함에서 이 탱크는 경선체와 압력 선체 사이 공간의 일부이다. 심도를 더 정밀하게 제어하기 위해 잠수함은 더 작은 심도 제어 탱크(DCT)를 사용하는데, 이는 단단한 탱크(더 높은 압력을 견딜 수 있는 능력 때문에) 또는 트림 탱크라고도 불린다. 이들은 가변 부력 압력 용기로, 일종의 부력 제어 장치이다. 심도 제어 탱크의 물 양은 수압적으로 심도를 변경하거나 외부 조건(주로 물 밀도)이 변함에 따라 일정한 심도를 유지하도록 조절할 수 있다. 심도 제어 탱크는 트림에 미치는 영향을 최소화하기 위해 잠수함의 무게 중심 근처에 위치하거나, 물의 이동을 통해 정적 트림을 조절할 수 있도록 선체 길이를 따라 분리되어 있을 수 있다.
잠수 시 잠수함 선체에 가해지는 수압은 강철 잠수함의 경우 까지, 와 같은 타이타늄 잠수함의 경우 까지 도달할 수 있으며, 내부 압력은 상대적으로 변하지 않는다. 이러한 차이는 선체 압축을 초래하여 배제량을 감소시킨다. 수압과 염분이 높을수록 물 밀도도 깊이에 따라 미미하게 증가한다. 이러한 밀도 변화는 선체 압축을 불완전하게 보상하므로, 깊이가 증가함에 따라 부력은 감소한다. 잠수된 잠수함은 불안정한 평형 상태에 있으며, 가라앉거나 표면으로 떠오르는 경향이 있다. 일정한 깊이를 유지하려면 심도 제어 탱크나 조종면의 지속적인 작동이 필요하다.
중립 부력 상태의 잠수함은 본질적으로 트림이 안정적이지 않다. 원하는 종 방향 트림을 유지하기 위해 잠수함은 전방 및 후방 트림 탱크를 사용한다. 펌프는 탱크 사이에서 물을 이동시켜 중량 분포를 변경하고 잠수함을 위아래로 기울인다. 유사한 시스템을 사용하여 횡 방향 트림을 유지할 수도 있다.
조종면.
가변 밸러스트 탱크의 정수압 효과만이 수중에서 잠수함을 제어하는 유일한 방법은 아니다. 유체역학적 기동은 여러 조종면에 의해 이루어지며, 이를 통틀어 잠수타륜 또는 수중타라고 부르는데, 잠수함이 충분한 속도로 종방향으로 움직일 때 유체역학적 힘을 생성하기 위해 움직일 수 있다. 고전적인 십자형 선미 배치에서 수평 선미타는 트림 탱크와 동일한 목적을 가지며 트림을 제어한다. 대부분의 잠수함은 추가로 전방 수평타를 가지고 있는데, 1960년대까지는 일반적으로 함수에 위치했지만, 이후 설계에서는 무게 중심에 더 가깝고 트림에 미치는 영향이 적게 심도를 제어할 수 있는 세일에 위치하는 경우가 많다.
잠수함의 선미에 조종면을 배치하는 명확한 방법은 수직 조종면으로 요(yaw)를 제어하고 수평 조종면으로 피치(pitch)를 제어하는 것으로, 이는 선박의 후미에서 볼 때 십자형 모양을 이룬다. 오랫동안 지배적인 이 배치에서 수평 조종면은 트림과 심도를 제어하는 데 사용되며, 수직 조종면은 수상함의 방향타처럼 측면 기동을 제어하는 데 사용된다.
대안적으로, 후방 조종면은 X-선미 또는 X-형 방향타로 알려진 형태로 결합될 수 있다. 덜 직관적이지만, 이러한 구성은 전통적인 십자형 배치보다 여러 가지 이점을 가지는 것으로 밝혀졌다. 첫째, 수평 및 수직 방향으로 기동성을 향상시킨다. 둘째, 해저에 착륙하거나 이탈할 때, 그리고 정박 및 이탈 시 조종면이 손상될 가능성이 적다. 마지막으로, 두 대각선 중 하나가 우발적으로 막힐 경우 수직 및 수평 운동에 대해 다른 하나를 상쇄할 수 있다는 점에서 더 안전하다.
X-선미는 1960년대 초 미국 해군의 실험용 잠수함인 USS 앨버코어 (AGSS-569)에서 처음 시도되었다. 이러한 배치가 유리하다는 것이 밝혀졌음에도 불구하고, 조종면을 원하는 효과로 조작하기 위해 컴퓨터 사용이 필요하다는 사실 때문에 이후 미국 생산 잠수함에는 사용되지 않았다. 대신, 표준 작전에서 X-선미를 처음 사용한 것은 스웨덴 해군으로, 1967년에 진수된 셰외르멘급의 선두 잠수함이 앨버코어의 시험 운행이 끝나기도 전에 사용되었다. 실제로 매우 잘 작동하는 것으로 밝혀졌기 때문에, 이후의 모든 스웨덴 잠수함급(내켄급 잠수함, 베스테르예틀란드급 잠수함, 고틀란드급 잠수함, 그리고 블레킹게급 잠수함)은 X-러더를 장착했거나 장착할 예정이다.
사브 코쿰스 조선소는 스웨덴 잠수함의 X-선미 설계에 책임이 있었으며, 결국 콜린스급 잠수함과 소류급 잠수함으로 호주와 일본에 수출했다. 212형의 도입으로 독일과 이탈리아 해군 또한 이를 채택했다. 콜럼비아급 잠수함, 드레드노트급 잠수함, 그리고 바라쿠다급을 보유한 미국 해군, 영국 해군, 프랑스 해군 모두 X-선미 계열에 합류할 예정이다. 따라서 2020년대 초의 상황으로 판단할 때, X-선미는 지배적인 기술이 될 예정이다.
잠수함이 비상 부상 시에는 모든 심도 및 트림 제어 방식이 동시에 사용되며, 보트를 위로 추진하는 것도 함께 이루어진다. 이러한 부상은 매우 빨라서 선박이 부분적으로 물 밖으로 튀어 나올 수도 있으며, 이는 잠수함 시스템에 잠재적인 손상을 줄 수 있다.
선체.
현대 잠수함은 시가 모양이다. 이러한 디자인은 아주 초기 잠수함에서도 사용되었으며, 때로는 "눈물방울 선체"라고도 불린다. 이 디자인은 잠수함이 잠수했을 때 항력을 줄여주지만, 해상 성능을 저하시키고 수상 운항 시 항력을 증가시킨다. 초기 잠수함의 추진 시스템 한계로 인해 대부분의 시간을 수상에서 운용해야 했으므로, 그들의 선체 디자인은 타협의 산물이었다. 이들 잠수함의 느린 수중 속도(보통 10kt(18km/h) 미만) 때문에 수중 이동 시 항력 증가는 허용될 만했다. 제2차 세계 대전 말기에 기술 발전으로 더 빠르고 긴 수중 작전이 가능해졌고 항공기 감시가 잠수함을 수중으로 머물도록 강요하면서, 항력과 소음을 줄이기 위해 선체 디자인은 다시 눈물방울 모양으로 돌아왔다. 는 현대 잠수함의 미국식 눈물방울 선체 형태(때로는 "앨버코어 선체"라고도 함)를 개척한 독특한 연구 잠수함이었다. 현대 군용 잠수함의 외피는 탐지를 줄이기 위해 소음 흡수 고무층 또는 무반향 타일로 덮여 있다.
심해 잠수함(예: )의 유인 내압 선체는 원통형 대신 구형이다. 이는 응력의 보다 균등한 분포와 외부 압력을 견디기 위한 재료의 효율적인 사용을 가능하게 하며, 구조적 중량에 대한 최대 내부 부피를 제공하고 압축에서 좌굴 불안정성을 피하는 가장 효율적인 형태이기 때문이다. 일반적으로 내압 선체 외부에 프레임이 부착되어 밸러스트 및 트림 시스템, 과학 계측기, 배터리 팩, 신택틱 폼, 조명 등을 부착할 수 있도록 한다.
표준 잠수함 상단의 돌출된 탑은 잠망경과 전자 마스트를 수용하며, 여기에는 라디오, 레이더, 전자전, 기타 시스템이 포함될 수 있다. 또한 스노클 마스트도 포함될 수 있다. 초기 잠수함의 많은 클래스(역사 참조)에서는 제어실 또는 "conn"이 이 탑 안에 위치했으며, 이를 "사령탑"이라고 불렀다. 그 이후로 conn은 잠수함 선체 안에 위치하게 되었으며, 탑은 이제 "세일" 또는 "핀"이라고 불린다. conn은 수상 작전 시 관측용으로 사용되는 세일 상단의 작은 개방형 플랫폼인 "브릿지"와는 구별된다.
"배스튜"는 사령탑과 관련이 있지만, 더 작은 잠수함에 사용된다. 배스튜는 파도가 직접 선실로 들어오는 것을 막는 해치 주변의 금속 원통이다. 이는 수상으로 부상한 잠수함이 건현이 제한적이기 때문에, 즉 물에 낮게 떠 있기 때문에 필요하다. 배스튜는 선박이 침수되는 것을 방지하는 데 도움이 된다.
단일 선체 및 이중 선체.
현대 잠수함과 잠수정은 초기 모델과 마찬가지로 일반적으로 단일 선체를 가지고 있다. 대형 잠수함은 일반적으로 외부에 추가 선체 또는 선체 부분을 가지고 있다. 이 외부 선체는 실제로 잠수함의 형태를 형성하며, 외피(케이싱 in the Royal Navy) 또는 경선체라고 불리는데, 압력차를 견딜 필요가 없기 때문이다. 외피 안에는 해수압을 견디고 내부에 정상 대기압이 유지되는 강력한 선체 또는 압력 선체가 있다.
제1차 세계 대전 초기에 압력을 견디는 최적의 형태가 해상 성능과 표면에서의 최소 항력에 대한 최적의 형태와 충돌하며, 건설상의 어려움이 문제를 더욱 복잡하게 한다는 사실이 밝혀졌다. 이는 타협적인 형태로 해결되거나, 두 개의 층으로 된 선체를 사용하여 해결되었다: 압력을 견디는 내부 강도 선체와 유체역학적 형태를 위한 외부 페어링. 제2차 세계 대전 말까지 대부분의 잠수함은 상부, 함수 및 선미에 더 얇은 금속으로 만들어진 추가적인 부분 외피를 가지고 있었는데, 이는 잠수 시 침수되었다. 독일은 현대 잠수함의 일반적인 선구자인 21형에서 한 걸음 더 나아가 압력 선체가 경선체 내부에 완전히 둘러싸여 있었지만, 이전 설계가 표면 작전에 최적화된 것과는 달리 잠수 항해에 최적화되었다.
제2차 세계 대전 이후 접근 방식이 나뉘었다. 소련은 독일의 발전을 토대로 설계를 변경했다. 제2차 세계 대전 이후의 모든 대형 소련 및 러시아 잠수함은 이중 선체 구조로 건조되었다. 미국과 대부분의 다른 서방 잠수함은 주로 단일 선체 접근 방식으로 전환했다. 이들 잠수함은 여전히 주 밸러스트 탱크를 수용하고 유체역학적으로 최적화된 형태를 제공하는 함수와 선미에 경선체 부분을 가지고 있지만, 주요 원통형 선체 부분은 단일 선체판 층만 가지고 있다. 이중 선체는 향후 미국의 잠수함에 탑재 용량, 스텔스 성능 및 항속 거리를 개선하기 위해 고려되고 있다.
압력 선체.
압력 선체는 일반적으로 복잡한 구조와 높은 강도 여유를 가진 두꺼운 고강도 강철로 만들어지며, 방수 격벽에 의해 여러 구획으로 나뉜다. 또한 잠수함에는 두 개 이상의 선체가 있는 경우도 있는데, 예를 들어 는 두 개의 주 압력 선체와 제어실, 어뢰, 조타 장비용 세 개의 작은 선체를 가지고 있으며, 주 선체 사이에 미사일 발사 시스템이 있고, 이 모든 것이 외부의 유체역학적 경선체에 둘러싸여 지지된다. 잠수 시 압력 선체는 전체 선박의 대부분의 부력을 제공한다.
잠수심도는 쉽게 늘릴 수 없다. 단순히 선체를 두껍게 하는 것은 구조적 중량을 증가시키고 탑재 장비 중량을 줄여야 하며, 직경을 늘리는 것은 동일한 재료와 구조에 대해 두께를 비례적으로 증가시켜야 하며, 궁극적으로는 바티스카프처럼 자체 중량을 지탱할 충분한 부력을 갖지 못하는 압력 선체가 된다. 이는 민간 연구 잠수정에게는 허용되지만, 기능을 수행하기 위해 많은 장비, 승무원 및 무기를 운반해야 하는 군용 잠수함에게는 허용되지 않는다. 더 큰 비강도와 비탄성률을 가진 건설 재료가 필요하다.
제1차 세계 대전 잠수함은 탄소강으로 만들어진 선체를 가졌으며 최대 의 심도였다. 제2차 세계 대전 중에는 고강도 합금 강철이 도입되어 의 심도가 가능해졌다. 고강도 합금 강철은 오늘날에도 잠수함의 주요 재료로 남아 있으며, 의 심도를 가지며, 이는 설계 타협 없이는 군용 잠수함에서 초과할 수 없다. 그 한계를 초과하기 위해 몇몇 잠수함은 타이타늄 선체로 건조되었다. 타이타늄 합금은 강철보다 강하고 가벼우며, 가장 중요한 것은 더 높은 침수 비강도와 비탄성률을 가진다는 점이다. 타이타늄은 또한 강자성을 띠지 않아 스텔스에 중요하다. 타이타늄 잠수함은 특수 고강도 합금을 개발한 소련에 의해 건조되었다. 소련은 여러 종류의 타이타늄 잠수함을 생산했다. 타이타늄 합금은 심도를 크게 증가시키지만, 다른 시스템도 이에 대처하도록 재설계되어야 하므로, 시험 심도는 가장 깊이 잠수하는 전투 잠수함인 의 경우 로 제한되었다. 알파급 잠수함은 에서 성공적으로 작동했을 수 있지만, 그러한 깊이에서의 연속적인 작동은 많은 잠수함 시스템에 과도한 스트레스를 줄 것이다. 타이타늄은 강철처럼 쉽게 구부러지지 않으며, 많은 잠수 주기 후에 취약해질 수 있다. 이러한 이점에도 불구하고, 타이타늄 건설의 높은 비용은 냉전이 끝남에 따라 타이타늄 잠수함 건설의 포기로 이어졌다. 심해 민간 잠수함은 두꺼운 아크릴 압력 선체를 사용했다. 아크릴의 비강도와 비탄성률은 그다지 높지 않지만, 밀도가 1.18g/cm3에 불과하여 물보다 아주 약간만 밀도가 높으며, 두께 증가로 인한 부력 손실이 그에 상응하게 낮다.
현재까지 가장 깊은 심해 잠수정 (DSV)은 트리에스테이다. 1959년 10월 5일, 트리에스테는 화물선 산타 마리아를 타고 괌을 향해 샌디에이고를 출발하여 마리아나 해구에서 일련의 매우 깊은 잠수를 하는 넥턴 프로젝트에 참여했다. 1960년 1월 23일, 트리에스테는 자크 피카르(오귀스트 피카르의 아들)와 미 해군 중위 돈 월시를 태우고 챌린저 해연(마리아나 해구의 가장 깊은 남부 지역)의 해저에 도달했다. 이는 유인 또는 무인 선박이 지구 해양의 가장 깊은 지점에 도달한 최초의 사례였다. 탑재 시스템은 의 깊이를 나타냈지만, 이는 나중에 로 수정되었고, 1995년의 더 정확한 측정에서는 챌린저 해연이 약간 더 얕은 로 나타났다.
압력 선체는 필요한 잠수 심도에서 압력을 견뎌야 하므로 제작이 어렵다. 선체 단면이 완벽하게 원형일 경우 압력은 균등하게 분산되어 선체 압축만 유발한다. 모양이 완벽하지 않으면 선체는 일부 지점에서 더 많이 변형되며, 좌굴 불안정성이 일반적인 고장 모드이다. 불가피한 사소한 편차는 보강 링으로 보강되지만, 완벽한 원형에서 1인치(25mm)만 벗어나도 최대 수압 하중이 30% 이상 감소하여 결과적으로 잠수 심도가 줄어든다. 따라서 선체는 고정밀로 제작되어야 한다. 모든 선체 부품은 결함 없이 용접되어야 하며, 모든 이음새는 다양한 방법으로 여러 번 확인되어 현대 잠수함의 높은 비용에 기여한다. (예를 들어, 각 버지니아급 잠수함 공격 잠수함은 26억 달러가 들며, 영국톤 당 20만 달러 이상이 든다.)
추진.
최초의 잠수함은 인간의 힘으로 추진되었다. 기계적으로 구동되는 최초의 잠수함은 1863년 프랑스 로, 압축공기를 추진에 사용했다. 무산소 추진은 1864년 스페인의 이크티네오 2세에 의해 처음 사용되었는데, 이는 아연, 이산화 망가니즈, 그리고 염소산 칼륨 용액을 사용하여 증기 엔진을 구동할 충분한 열을 발생시키면서 승무원에게 산소를 공급했다. 유사한 시스템은 1940년 독일 해군이 실험용 V-80 잠수함과 이후 해군 및 XVII형 잠수함에 헬무트 발터 터빈이라는 과산화 수소 기반 시스템을 시험할 때까지 다시 사용되지 않았다. 이 시스템은 1958년에 완성된 영국 을 위해 더욱 개발되었다.