潜水艦
通常、表面層から温度躍層へ移行するに従って緩やかに温度が下がっていくので、両者の明確な差は無い。だが、正午頃に海面水温が急上昇する現象(午後の効果、アフタヌーンエフェクト)が起こると、ある深度を境界に、温度が急激に変化するようになる。温度が変化する深度をレイヤーデプス(変温深度、LD)という。
午後の効果によりLDが形成されると、そこで音波が反射され、LD以下の深度には到達しなくなる。そして音波はLDと海面で反射を繰り返しながら、遠距離まで伝播して行く。音波が表面層に閉じ込められた状態となるのである。この状態の表面層をサーフェース・ダクト(表面ダクト、SD)と呼ぶ。
敵潜水艦がSDに潜んでいる場合、水上艦はアクティブソナーを用いて遠距離からの探知が可能であるが、LDより深深度に潜った場合、潜水艦は水上艦に探知されることなく奇襲攻撃を行える。これに対抗するため、水上艦や対潜ヘリは幅広い深度に曳航式ソナーや吊下式ソナーを投下して、ソナーの死角を防いでいる。
混合層の下層に位置する水温躍層(サーモクライン)においては、深度に比例して水温が下がるので、それにより音波が下向きに曲げられて進む。
下方に進んだ音波は、浅海ならば海底で反射されて、その後は海底と海面の間で反射を繰り返す。そのため、海底の間に音波が届かないシャドー・ゾーン(不感帯)と呼ばれる部分が形成され、ここはソナーの死角となる。
深度1000mを超えた辺りから水温はほぼ一定になるので、この層は密度躍層と呼ばれる。水温がほぼ一定になることにより、音波は下向きに進まなくなる。逆に、今度は水圧により上向きに曲げられて海面方向へ進んでいく。
これにより、深深度海域では、いったん海底方向まで進んだ音波が戻ってきて再び海面に集まるので、何もない海面上で突然ソナーに反応がある現象が起こる。この海域を収束帯(コンバージェンス・ゾーン、CZ)と呼び、発信源から距離27 - 33海里毎、幅4 - 5海里の区画にCZが現れる(海水の成分や温度により変化する)。CZを利用すれば自艦から27 - 33海里彼方にある敵艦の探知も可能(条件が良ければさらに第二収束帯、第三収束帯…つまり81 - 99海里の彼方まで探知可能)となる。そのため、パッシブ・ソナーにてCZで探知した敵を直ちに攻撃できるように対潜ミサイルが開発された。
また、深度1000m付近の温度躍層と密度躍層との間では、水温と水圧のバランスによりサウンド・チャンネル(SC)と呼ばれる音波伝播層が出現する。SCでは反射による音波の吸収・減衰が無いので、非常に遠くまで音波が伝播して行く。クジラなどは、SCを利用することで超音波により何千海里も離れた仲間と連絡を取っている。SCは稀に浅海でも発生する場合があり、詳しい原理は解っていない。
SCを利用すると非常に遠くの敵艦を探知できる可能性があるが、SCまで潜れる潜水艦はソ連のチタン合金製潜水艦、アルファ型やマイク型などを除けば存在しない。しかし、曳航式ソナー(TASS)を使えば、そこまで潜らなくてもSCを利用することができる。また、SCには敵潜水艦の通過を監視するSOSUSなどの固定式海中ソナー監視網が設置されている。
ソナーの探知方式には、アクティブ式(能動式)とパッシブ式(受動式)がある。
アクティブ式は、ソナーから探知音を出して、その音が目標に命中して反射して、跳ね返ってきた音を受信する方式である。しかしこの方式では、探知音を出すことでかなりの電力が消費されるだけでなく、発した音波によって探知が可能な距離よりも遠くまで届いた音波を逆探知され、自らの所在を暴露してしまう危険が伴う。
パッシブ式は、目標が発した音響をそのまま受信する方式である。自らの所在を暴露してしまう危険はない。ただし、この方式による目標の正確な位置の測定精度はアクティブ式に劣る。また、目標が停止している場合や音響が非常に小さい場合には探知することができない。
つまり、これら2つの方式には一長一短があり、それぞれの特性を補い合わせるように利用する必要がある。通常は、パッシブ・ソナーで目標の大まかな位置を把握しておき、魚雷発射管制時など、目標の精密測定が必要な場合のみにアクティブ・ソナーを使う。
潜水艦に装備されている主なソナーには、次のようなものがある。ただし各国によって装備方法は異なるので、米海軍式を中心に解説する。
潜水艦艦首に装備される大型・大出力のソナー。球形で表面に捕音機(ハイドロフォン)を並べている。これにより特定の捕音器のみを使用することで指向性を持たせることが可能で(音源の方位が分かる)、またアクティブモードではフェーズド・アレイ・レーダーと同じ原理で、特定の方向にだけ音波を発信できる。
このソナーは遠距離探知能力に優れ、広大かつ大深度の外洋で行動する潜水艦に適するが、船体前部のかなりの空間を占拠するため、魚雷発射管が船体中央部へと移動させられてしまう。広大な海域で作戦を行う米海軍、海上自衛隊、ロシア海軍の潜水艦には艦首部に大型ソナーを装備するのが一般的であるが、狭い北海での運用が中心の欧州諸国ではこの形式はあまり見られない。狭い海域では、遠距離からの探知は必要なく、それより近接格闘戦への対応が重要となるので、魚雷発射管を艦首部に配置して接近戦闘能力を高めている。
船体側面に捕音機を並べて付けたもので、音波の到達時間差から目標方位を推定することができるパッシブモード専用のソナー。船体側面なので船首の球状ソーナーアレイでは作れない離れた位置での聴音が可能となり、探知精度の向上が期待でき、測的時間の短縮とともに、潜水艦の静粛化が年々進む中でセンサーの開口径を増大させるために装備される例が増えてきている。コンフォーマルであればセンサーの取り付け角度による聴音解析の補正が必要になる。
潜水艦用曳航式ソナーアレイ(S-TASS)
曳航ソナーは、捕音機を船体から分離した独立ユニットに取り付けて、それを曳航索で牽引するもの。もっぱら低周波帯域のパッシブ探知に用いられる。船体のソナーと合わせると大きな基線長を得られるので、推定精度の向上が期待できる。また、サウンド・チャンネルなどの船体が潜れない深海部まで吊り下げてそこで使用することもできる。船体の雑音から隔離できるので捜索距離が伸びる。
ソナーによる探知に対しては、静粛化対策が施される。戦後の潜水艦の活動においては、以前とは比較にならないほど潜航時間の比率が増した結果、静粛化が一段と重視されるようになった。これは、一方では敵に探知されるのを防ぐためであるが、他方では自身のソナーによる探知(特に受聴)を妨げないためであり、攻防のいずれにおいても重要である。そこで、設計上の高度な技術的改良から、艦内床面へのゴムシート敷設や乗員のゴム底靴使用などのような単純な工夫まで、ありとあらゆる対策を実施している。
静粛化の代表的な対策には、浮台構造の採用がある。浮台構造は、機関などの騒音源となる機器を船殻に直接設置せずに、浮台(ラフト)の上に搭載し、その付け根部分に吸振ゴムやサスペンションを挟んで船殻に設置することで、騒音の吸収を狙ったもの。激しい機動時には固定する必要がある。
アクティブ・ソナーによる探知への対策として採用される。硬質ゴム製のタイルを船体外面に貼り付け、探信音の反響を軽減させることと、船体内部からの騒音を遮蔽することが期待できる。今日では一般化した無反響タイルだが、その先駆者はソ連であって、少なくとも1960年代後半には実現されていた。
本質的には、大きな騒音源を抱える原子力潜水艦(冷却水循環ポンプ、タービンの減速ギア)のために考案された対策であるが、今日では通常動力潜水艦にまで広く普及してきている。被探知からの回避という点に関しては、通常動力でも核動力でも変わりはなく、むしろ航続性能の点からすれば通常動力潜水艦の方が深刻である。
潜水艦の騒音源の一つとなるスクリューのキャビテーションであるが、これを改善するため、ハイスキュード・スクリューやポンプジェット推進装置が採用される。しかし、静粛化はひとつやふたつの装備の交換で容易に向上するようなものではない。また、船体構造や機関との適合性の検討なしに、この種のスクリューを装備しても、静粛性の向上に寄与するかどうかは不明である。
LD温度境界層(数10mから最大200m程度)下への潜航
ナックル(急回頭によって強烈な水流を作り擬似目標とする方法。この水流はソナーの探信音も反射する)
スパイラルターン(急旋回と急速潜航を同時に行い、擬似目標と気泡の放出で敵のアクティブソナーや追尾魚雷を欺瞞する)
ホバリング(水中停止による魚群・水塊の擬似、海流に乗って海峡を突破するなど)
東西方向への逃走(磁力線に触れることを避け磁気探知からの回避)
デコイには、気泡や騒がしい雑音を出して敵ソナーの聴音を困難にさせる気泡缶やノイズメーカー、自艦の発する音を実際の何倍にも大きくして流したり、敵魚雷や敵艦のアクティブ・ソナーの音を少し遅らせて多少の変調をかけて大きな音圧で流したりするタイプなどがある。
バラージジャマーに相当するノイズメーカーもあるが、持続が難しいとのことである。
レーダーを妨害するためのチャフに相当する昔からの手段は発泡缶で、泡が作る虚像にアクティブホーミングさせる。新型の魚雷は反射波のドップラーシフトを分析して、航行していた潜水艦と動かない泡との違いを見破って索敵モードに戻ってしまう。それに対抗するディセプションジャマーに相当する多機能デコイもあり、魚雷のアクティブシーカーにドップラーシフトを模擬した偽反射音を遅延させて返し、走る虚像を見せるという。
ところが、さらに新しいスマート魚雷では、長さで潜水艦とデコイを見破るものも出現するに及んだため、発音アレーを曳航して潜水艦を模擬するデコイも出現した。
近年、キロ型潜水艦にTV併用有線魚雷が搭載されている(TVは近寄らねば有効ではないが、TVを欺瞞できる音響デコイはない)。
敵の魚雷を迎撃する魚雷。潜水艦用としては研究段階であるが、水上艦用の装備としては試験が行われている。
かつては複数のスピーカーから出力された音波をアクティブフェイズドアレイの原理により集中させた衝撃波を潜水艦に当てるアイデアがあったが頓挫した。研究成果は尿路結石を体外から破壊する体外衝撃波結石破砕術の基礎となり、1980年にドルニエ メドテックが製品化した。その後はコンピュータの計算速度や制御技術が進展したことでより小型の目標を狙うことも可能となったことから、水上艦に向かってくる魚雷の信管を誤作動させるアクティブ防護システムが研究されている。
実用的な潜水艦が就航して以来、戦時・平時での潜水艦の沈没は100隻を軽く超えている。そのため、潜水艦保有国は乗組員を救助する技術を研究してきた。そういった対策がなければ、兵士の士気はたちまち低下してしまうからだ。そのため、潜水艦からの安全な脱出方法の開発、救助隊への連絡手段、救助隊の整備が行われてきた。
被弾した時には、ダメージコントロールとして隔壁閉鎖や消火などが行われる。アメリカ軍では、潜水艦安全運用プログラムSUBSAFEにて設計段階から安全性を高めている。
修理の訓練を受けた応急工作員らが対応する。
被弾すると、火災や蒸気、浸水が発生する。高温の蒸気や火災から身を守りながら損害箇所を補修するため、酸素呼吸器 (Oxygen Breathing Apparatus、OBA)、スチームスーツ(Steam Suit)などを身に着ける。
第二次世界大戦中は、スクリューにからんだ異物、防潜網に対して、ダイバーがダイバーズロックから外に出て切断したり、潜水艦に装備されたワイヤーカッターなどによって除去を行った。戦後には、無人潜航艇(UUV)なども導入され深海でのワイヤーやネットの切断などが行われる。
脱出には、いくつかの方法がある。大分類として、一人ずつ脱出させる個人脱出法、集団を一気に脱出させる集団脱出方法である。これらの訓練設備として潜水艦脱出訓練施設というものが各国で作られている。
潜水艦側の脱出路には、エスケープトランクという脱出専用のエアロックの他、魚雷発射管などからも脱出が行われる。このようなエアロックが使えなかった時代においては、ドイツの潜水艦ブラントアウヒャーのように潜水艦に注水して内部の空気の圧力を水圧と均圧にしてハッチをこじ開け脱出した。
乗員が自力で水面まで浮かぶ方法である。浅い深度でしか使えない方法で、突然水圧などの外部環境にさらされるため減圧症などのリスクがある。
個人脱出救命具を着用し、浮力を上げて水面まで上昇する方法である。1916年10月9日、デンマーク海軍のHDMS Dykkerenが沈没した際に、救命具を装備してほぼ全員が救助されたのが、浮力上昇法の初めての利用例である。
装置には以下の物がある。
デイヴィス式救難具 - 1910年代にイギリス企業 Siebe Gorman が開発し、1927年に改良されイギリス海軍で使用された吐く息の二酸化炭素を除去して再び呼吸に用いるリブリーザー
マンセン・ラング(モンセン・ラング) - 1928年開発。アメリカ軍で使用されたリブリーザー
スタンキー・フード - 1960年代にアメリカで開発。2000年代になるまでアメリカ海軍で使用していたが、Submarine Escape Immersion Equipment に更新された。
ロシアでは、1930年台初期にЭ-1、後半に ИСА-М を開発し、1951年にヘルメットと一体となったГК-2、その後には全身を覆い浮上能力が高い ИСП-60 を開発した。2000年代に入ると 西側のアイデアも盛り込んだ ССП-М が開発された。
ドイツ、中国、ロシアの潜水艦に見られる脱出方式で船体の一部を脱出の際に切り離す方式である。
救助艇から救助用のレスキューチャンバーを下ろし、ダイバーなどの手助けを受けながら潜水艦に接続し、乗員をマッキャンチェンバー内に移動させ救出する方法である。乗員が大気圧で移動できるメリットはあるものの潜水艦救難艦を到着させるまでの時間の問題、海流や風の影響を受けながら救難艦を沈没潜水艦の真上に係留し続ける難易度など多くの課題がある。
レスキューチャンバー方式のデメリットを解消するため、深海救難艇(DSRV)と呼ばれる潜水艦を直接救助に行かせる方式が考えられた。空輸が可能であり、捜索なども含め迅速な展開が可能となっている。
沈没して外部へ助けを呼ぶために、潜水艦からブイが放出される。ブイには、通信機や場所を特定するための装備が搭載されている。
SLOT buoy - 救助要請の無線「送信」だけを行う機能を持たせたブイ。
レスキュースイマー、潜水士
イギリス潜水艦空挺支援部隊 - イギリス海軍所属の潜水艦救助部隊。
ナカシマプロペラ - 海上自衛隊の潜水艦推進装置は、ナカシマプロペラ社で製造。
三菱重工・神戸造船所・本工場/川崎重工・神戸工場 - 海上自衛隊の潜水艦は、この2つの工場で製造されている。
アドミラルティ造船所 - ロシアの造船所
ズヴェズダ造船所 - ロシアの造船所
セヴマシュ - ロシアで唯一原子力潜水艦を作れるロシア最大の造船会社
ナバル・グループ - フランスの造船会社。通常・原子力潜水艦
BAEシステムズ・サブマリンズ - イギリスの造船会社
ハンティントン・インガルス・インダストリーズ - アメリカの造船会社
基地内には、整備のための乾ドック、船体の磁化を除去し敵の磁気センサーから逃れるための船体消磁作業がおこなわれるようになっている。
秘密基地 - 地下などに置かれることがあり、ネット上の地図にモザイクがかけられることもある。
デヴォンポート海軍基地 - イギリス海軍
ロング島 - フランス海軍
海上自衛隊呉史料館(てつのくじら館) - 海上自衛隊を退役したあきしおが展示されている。
潜水艦映画がジャンルとして確立している。