潜水艦の設計の3回目です。 潜水艦設計入門と潜水艦設計を理解するをお読みください。
潜水艦に使われているタンクは、水上艦に使われているものと似ているものもありますが、多くは潜水艦の運用の性質上異なっており、詳しく勉強する必要がある重要な点です。
簡単に紹介すると、なぜ潜水艦は魚雷1本を発射するのに、タンク4本のシステムを使っているかご存知ですか?
潜水艦のタンクプラン：
一般配置図と一緒に、各タンクの位置を確認するためにタンクプランが作成されます。 その名称と中に入れる流体は、タンクプラン自体に明記されている。
下図は二重船体のディーゼル電気潜水艦のタンクプランです。
図1 ディーゼル電気潜水艦のタンクプラン。
バラストタンクの目的と運用については、潜水艦の安定性の記事で詳しく勉強しましたので、今回は省略します。
補償タンク：
潜水艦が正または負の浮力を受けたとき、その重量を調節して中立浮力の状態を維持する行動を取ることを説明したことを覚えていますか？
補償タンクは、潜水艦の長手方向の重心、またはその近傍に配置されています（図1参照）。 なぜか？ なぜなら、縦方向の重心からかなり離れた場所で起こる重量の変化は、潜水艦がその重量を調整する必要があるだけなので、不要なトリミング・モーメントを発生させるからである。 耐圧船体内にあり、取り組むべき状況に応じて水を取り込んだり、海へ水を送り出したりする。
補償タンクはポンプや高圧空気（低騒音運転の場合）で空にできるが、高圧空気を実現するためには、外圧よりも高い内圧に耐えられる程度の耐圧タンク構造でなければならない。
重量や浮力バランスの変化で、次のようなものはコンペンセーションタンクで補正される：
- 潜水艦がより深いところまで潜ると、地表とは密度の異なる海域に入ることになる。 海水の比重は通常、深度とともに1.008から1.028に増加する。 密度は浮力に正比例するので、浮力は大きくなり、潜水艦は正の浮力を持つようになる。
- 重量差は、食料、燃料油、真水、潤滑油などの貯蔵物や固形物の消費によって生じる。 その影響を補うためにタンクに水を取り込みます。 燃料油の消費については、興味深いことが起こる。 潜水艦では、燃料油を使い切ると、燃料油タンク内の空いた容積に自動的に海水が満たされ、燃料油は常に海水に浮くようになる。 これは、自由表面効果を防ぐためである。 しかし、消費した燃料の体積分、水が入るので、その分、潜水艦の重量が増える。
- 深海では、高い外圧により圧力外皮が圧縮される。 これにより、潜水艦の耐圧容積が減少し、浮力が減少する。 失われた浮力は、補水槽から放水することで補われる。 通常、最大潜水深度が200～350mの潜水艦では、この目的に利用できる補償タンクの容積は、圧力船体総容積の0.3～0.4％である。
潜水艦設計者は、特定の設計に対する補償タンクの容量を推定するために2つの特別な境界荷重条件を検討する。 負荷条件を以下に示す：
Load-Case 1：最大密度の海水で非常に長い、遅い巡航の終わり。 非常に長くゆっくりとした航海の終わりに、真水、貯蔵品、食料などの消耗品はすべて使い果たしたが、比較的十分な量のディーゼル油が残っている。 船は最大密度の海水を航行しているため、浮力が大きくなっています。
負荷ケース2：密度が最小の海水で、非常に短い高速クルーズを終了したとき。 この状態では、消耗品は一部使い切られ、ディーゼル燃料は完全に消費されています。 海水の密度が最小であるため、浮力は最も小さい。 実際の潜水艦の航行開始時には、この2つの境界線の中間の水量になります。 実際の潜水艦の航行開始時には、補償タンク内の水量はこの2つの境界線に相当する場所にあることが、パラメトリック研究によって確認されている。
トリムタンク：
トリムタンクは、縦方向の重心を浮力中心のすぐ下に維持し、潜水艦を中立のトリム状態に操縦できるようにするために使用する。 これらのタンクは大きさが等しく、それによって生じるトリムモーメントが最大になるように、圧力船体の内側で、できるだけ前方と後方に配置されている（図1のトリムタンクに注意）。 トリムタンクシステムは、前部（左舷と右舷）と後部（左舷と右舷）の2組のタンクで構成されている。
これらのタンクはトリムラインというパイプで相互に接続されており、使用する流体をトリム水という。 トリムウォーターは、必要なトリム状態に応じて前部と後部の間で循環させる。
トリムタンクの寸法は、コンペンセーションタンクと同様の方法で、ロードケースとトリム条件を決定し、解析した境界条件を用いて推定される。 魚雷発射時の重量移動によるトリム効果も考慮されています。 経験則上、必要なトリミング水量は圧力船体容積の0.5%です。
トリムタンクの付加的な用途として、トリムタンクとコンペンセーションタンクの両方として使用できるその多機能性が挙げられます。 このような設計では、トリムタンクはフラッドポートを備えています。 例えば、前方へのトリミングが必要な場合、前方のトリムタンクを満たし、後方のタンクを空にする。 また、トリムを変えずに重量を減らす場合は、2つのタンクを必要な量だけ空にしておきます。 5561>
ネガティブタンク（急速潜航用タンク）：
波浪潜航の補助手段として使用されるタンクである。 潜水艦が波浪中に潜航する場合、波浪による浮力の付加で速やかに潜航できず、より深い深度への潜航の妨げになる。 波の谷が潜水艦を横切るとき、最上部の甲板レベル（帆と上甲板のところ）の自由浸水部分が部分的に浸水したままとなり、潜水不能となる。
この効果に対抗するために、潜水艦の重心のすぐ前方の低いレベルに浸水口のあるタンクが設けられている。 図1ではその位置は不明。 このタンクを浸水させると、負の浮力が加わる（あるいは重量が増える）だけでなく、重心に対して長手方向に位置するため、船首をトリミングし、素早い潜水を助ける効果もある。 このため、クイックダイビングタンクとも呼ばれる。 潜水艦が潜水し、自由浸水域がすべて水で満たされたら、圧縮空気を用いて素早くマイナスタンクを排出する。
魚雷タンク：
魚雷は潜水艦の前部分にある魚雷発射管から発射される。 魚雷の重量は、一般的に1本あたり約4〜5トンです。 そのため、魚雷が発射されると、潜水艦のCGから離れた位置で大きな重量が失われ、トリミングモーメントが発生し、これを防がなければ潜水艦のコースキープ能力が損なわれてしまう。 5561>
図2 魚雷発射管（上面図）
魚雷発射管は耐圧円筒形で、前部に扉（マズルドア）、後部に1つ（ブリーチドア）を持っており、魚雷の発射はこの2つの扉で行われる。 潜水艦は通常、複数の魚雷発射管を持ち、複数の魚雷を同時に発射することができます。 魚雷発射管の長さの約3分の1は船体内部にあり、残りは船体外部の、前部ドアがある船体最前部につながる自由浸水域にある。
第1段階:まず後部ドアが開かれ、魚雷が管に装填される。 後部ドアが閉じられると、ウェポンラウンドタンク(WRT)からの水が魚雷と管内壁の間のスペースに入る。 WRTの量は、すべての魚雷を発射するのに十分な量であり、水の補給を必要としない。 WRTの位置は、常に魚雷発射管の真上か真下にあります。 なぜか？ もしWRTが魚雷発射管から縦方向に離れた場所にあった場合、WRTから魚雷発射管への水の移動が不要なトリミングモーメントを引き起こし、潜水艦が船首でトリムすることになっただろう。
Figure 3: Torpedo being loaded into a torpedo tube.（図3 魚雷発射管への魚雷装填）。 (ブリーチドアが開く）（出典：https://en.wikipedia.org/wiki/Torpedo_tube#/media/File:FS_Redoutable_torpilles.jpg）
第二段階：前扉は常に外側方向に開くが、大水深では外圧が内圧より高くなるのでこの段階では開くことができない。 したがって、魚雷発射管内の水を加圧し、内圧と外圧が等しくなるようにする。 これが終わると、前扉が油圧で開かれ、魚雷が発射される。
第三段階。 魚雷が発射されると、魚雷によって占められていた魚雷発射管内の空間は、自動的に浸水してくる海水によって占有されます。 魚雷発射管内の魚雷の体積は海水によって占められるが、海水の重量は魚雷より小さい。 トリミングモーメントを防ぐために、重量の差を補うために追加で水を取り入れることになる。 この追加分の水は、魚雷発射管のすぐ下か上にあるAir Inboard Vent（AIV）という別のタンクに取り込まれる。
Step 5: さて、同じ発射管に別の魚雷を装填するには、まず発射管の前扉を閉め、発射管内を浸水させる。 管内の水はまずTOT（Torpedo Operating Tank）と呼ばれる別のタンクに排出され、その後乾いた管内に別の魚雷が導入される。 TOTは、縦方向の重量移動がないように配置されている。 TOTの容積は、すべての魚雷が発射された場合に魚雷発射管から排出される必要があるすべての水を運ぶのに十分である
Hover Tanks:
潜水艦が潜水または上昇するとき、密度の変化とそれに伴う圧縮性の効果により、その深度維持能力が問われる。 多くのステルス作戦では、海軍の潜水艦は静止したまま一定の深度でホバリングすることが要求される。 このような場合、重量-浮力方程式のバランスを一定に保つことが必要である。 このバランスは、潜水艦が上昇するときに水を取り込み、沈むときに同じタンクから水を汲み上げることができる特殊なタンク専用のセンサー制御システムで実現することができます。 この水交換は高速で、しかも連続的に行うことが要求される。 そのため、船体の外側にホバータンクと呼ばれる特殊なタンクを設置し、この用途に対応している。 ホバータンクが船体外部にある理由は（圧力船内にあるコンペンセイティングタンクとは異なり）、内容物を常圧に保ち、連続的な水の流入と流出を可能にするためである。
ただし、水面近くでホバリングするような設計の場合は、波浪による不安定さを補うために、ホバーシステムはより強固である必要がある。 これらのタンクは、水上艦のものと操作や目的が似ているため、ここでは説明しない。 しかし、設計者は、新規設計のタンクの容量と計画をパラメトリックに見積もる前に、様々な既存設計のタンク容量についてパラメトリックな研究を行うことが重要である。 記事中のデータおよび図表が使用されている場合、それは入手可能な情報から得られたものであり、いかなる法的機関によって認証されたものでもありません。 著者およびマリンインサイトは、それが正確であると主張するものではなく、またそれに対するいかなる責任も負いません。
記事および画像は、著者およびマリンインサイトの許可なく複製、コピー、共有、またはいかなる形でも使用することはできません。