非大気依存推進

非大気依存推進（ひたいきいぞんすいしん、英: Air-Independent Propulsion, AIP）は、内燃機関 (ディーゼル機関) の作動に必要な大気中の酸素を取り込むために浮上もしくはシュノーケル航走をせずに潜水艦を潜航させることを可能にする技術の総称。ただし、通常は核動力を含まず、非核動力艦のディーゼル・エレクトリック機関を補助・補完する技術を指す。

AIPは通常、補助動力として用いられる。多くのAIPシステムは、電動推進器を駆動したり、潜水艦の蓄電池を充電するための発電を行う。潜水艦の電気系はいわゆる「ホテル・サーヴィス」 (hotel services、すなわち換気・空気浄化・照明・空調など艦内居住環境の維持) のためにも用いられるが、推進に用いられるものに比べればわずかな量である。

AIP機関は、既存の潜水艦であっても充分なサイズさえあれば、船殻に追加の区画を挿入することによって、能力向上策として導入することができる。AIPは通常、大気依存型推進を代替するほどの航続力や出力をもたないが、在来型の潜水艦よりも長期にわたる連続潜航を可能にするからである。とはいえ、典型的な在来型の動力機関は、最大で3MWの出力を持ち、核動力であれば20MWを超えるものすらあるが、AIPではよくてもその10分の1程度、数百kW程度の出力を発揮するにとどまる。

歴史

古くは1867年にスペインのナルシス・ムントリオルが亜鉛、二酸化マンガン、塩素酸カリウムの化合熱でレシプロ式蒸気機関を動かし、潜水艇イクティネウIIをテスト航行させることに成功している。

第二次世界大戦中、ドイツはヘルムート・ヴァルター博士の指導下で、潜航中の潜水艦の酸素源として過酸化水素を用いる研究を行っていた。ここから転じて、過酸化水素から得られる酸素によって内燃機関を作動させ、潜水艦の水中動力とするアイディアが案出された。これは後に開発者の名にちなんでヴァルター機関と呼ばれるようになる、AIPのはしりというべきものであった。ヴァルター機関は、過酸化水素を過マンガン酸カリウム触媒で分解して得られた酸素を含む水蒸気によってディーゼル燃料を燃焼させて加熱した蒸気を用いる閉サイクル蒸気タービン機関である。

ヴァルター機関を用いた潜水艦も数隻ながら建造された。その中の1隻、XVIIB型U1407は、戦後になってからサルベージされ、イギリス海軍でHMS メテオライトとして再就役した。イギリス海軍は、潜水艦の水中での動力源として、核動力機関ではなくヴァルター機関の開発に注力し、1950年代後半に2隻のエクスプローラー級潜水艦を新規建造した。同じくXVIIB型を接収したアメリカ海軍も、ヴァルター機関を搭載した実験的な潜水艇X-1を建造した^[1]。

イギリスと同様、旧ソ連海軍もAIPに関心を抱き、液体酸素による閉サイクル・ディーゼル方式を用いた沿岸哨戒用の小型潜水艦615型 (Project 615、NATOコードネーム：ケベック級) を就役させた。その後、ドイツから接収したXXVI計画の資料を元にヴァルター機関を搭載したS-99(617号計画)を建造、就役させたが酸化剤である過酸化水素に起因する事故を起こした。

しかしながら、いずれの海軍においても、この時期のAIP開発はそれ以上の発展や採用を見ることはなかった。ヴァルター機関の燃料である過酸化水素は腐食性があることに加え、爆発性の物質であるために、しばしば事故に悩まされた。また、液体酸素を採用したソ連海軍でもやはり爆発や火災などの事故にたびたび見舞われた。アメリカ海軍が潜水艦への搭載が可能な小型原子炉の実用化に成功すると、イギリス、ソ連いずれの海軍も同じ道を選択し、AIP機関の開発を断念した^[2]。

しかし、原子力潜水艦を実現するための政治的・技術的・財政的な障壁は低いものではない。また、政治的・軍事的・地理的等々の制約から原子力潜水艦が不適であるような環境にある国々が存在するのも事実である^[3]。そうした国々では、通常型潜水艦に頼らざるを得ないが、その更なる能力向上策として、一定の要求があったことから、いくつかの国々では研究が続けられ、1980年代前半頃から、徐々に実用性のある方式が実現されるようになってきた。

AIPの諸類型

以下に、上述のヴァルター機関以外のAIP方式で、技術的可能性が検討された、もしくは実用化段階に達したAIPの類型を示す。どの方式であれ、一長一短があり、運用国の運用構想と要求によって適否が存するため、一義に優劣を定めることはできない。

閉サイクル・ディーゼル

閉サイクル・ディーゼル (CCD: Closed Cycle Diesel engines) (全てを音訳しクローズド・サイクル・ディーゼルと呼ばれる場合もある)は、水上航走時には在来方式と同様に大気中の酸素を吸入し、潜航時には酸化剤 (通常は液体酸素を用いる) から供給される酸素でディーゼル・エンジンを駆動させる方式である。純粋酸素による燃焼でエンジンが焼灼されることによる過度の消耗を防ぐため、吸気の酸素分圧を意図的に低減させる工夫が必要であり、吸気に何らかの不活性ガスを混入させて自然大気と同等の分圧を実現する必要がある。

この方式の場合、排気ガスはその殆どが不活性ガス、二酸化炭素、水蒸気から構成される高温の気体である。これを充分に冷却した後、不活性ガスを回収、再利用し、更に海水など艦外から取り入れた水に二酸化炭素を溶かし込む事で排気ガス中、艦外に排出しなければならない成分のほぼ全量を液体化する事が出来る。大量の排気ガスを気体のまま海中に排出する必要は存在しない。

この方式の開発を2006年現在進めているのはドイツのTNSW社 (de:Nordseewerke) とオランダのRDM社 (nl:Rotterdamsche Droogdok Maatschappij) である。このうち前者は、イギリスのカートン深海システムズ社 (Carton deep sea systems) の特許を用いている。この方式では、潜航中の閉サイクル作動には、アルゴン気体を混入させ、作動開始後には排気中から二酸化炭素を除去して再び吸気に混入させることにより、酸素分圧の調整を実現している。いずれにせよ、除去された二酸化炭素を海水中に溶かして排出しなければならないため、厳密な意味での閉鎖サイクル作動ではない。

TNSW社は1987年から1989年にかけて出力150kWのプラントによる陸上試験を実施し、さらに1993年には250kWのエンジンを205型潜水艦 U-1に搭載して潜航試験を実施、バルト海において速力5ktで1,800海里 (約9 km/hで3,334 km) の成果を得ている。

なお、上述のソヴィエトの615型潜水艦が用いていたのは本質的にはこの方式である。615型は1953年から1962年までの間に31隻が就役している。615型には3基のディーゼルエンジンが搭載されており、2基は在来型の外気吸入で、残る1基は閉サイクル作動でそれぞれ作動した。しかし、酸化剤として液体酸素を用いるという設計は安全性に極めて乏しく、M-256 (en:Soviet submarine M-256) が酸化剤の爆発とそれに伴う火災により失われているほか、沈没に至らないにせよ多くの事故を経験し、1970年代はじめまでに全艦が除籍・解体されている。

閉サイクル蒸気タービン

閉サイクル蒸気タービン (Closed cycle steam turbines) とは、液体酸素を酸素供給源として燃料を燃焼させた熱を利用する蒸気タービン機関である。現存の諸方式のうち、ヴァルター機関の原理にもっとも近いのがこの方式である。

フランスのDCN社 (en:DCN, fr:DCN) が開発したMESMA (水中自律エネルギー・モジュール、Module d'Energie Sous-Marine Autonome) がその実用例である。MESMAでは、液体酸素を気化して得られた酸素とエタノールの混合気体を燃焼させて得た700℃の燃焼ガスを用いて、蒸気発生装置で500℃の水蒸気を発生させ、この水蒸気で蒸気タービンを作動させて発電を行う。

DCN社は1988年に出力400kWの実験プラントを製作し、試験を実施した。その結果を受けて、1996年からはプロトタイプの開発が認可され、1998年には実用段階に到達したことが確認されている。

スターリング機関

スターリング機関についてはスターリングエンジンも参照

スターリング機関 (Stirling cycle engines) とは、シリンダー内の気体を外部から加熱・冷却し、仕事を得る外燃機関である。理論的熱効率が高いが、現時点での実装技術では、機関の体積あたりの出力が低く、大出力を得ようとすると機関が大型化する欠点がある。

スウェーデンの造船会社コックムスが1960年代に研究に着手し、1983年からプロトタイプ試験を開始したものがよく知られている。同社の方式では、液体酸素を気化して得られた酸素と燃料 (ケロシン) の燃焼熱 (約800℃) をシリンダー内のヘリウムガスに伝え、このガスの膨張と海水冷却による圧縮の繰り返しによってピストンを動かす。

コックムス社は1988年から、スウェーデン海軍のネッケン級潜水艦1番艦ネッケン (sv) で実用試験を実施し、5ktで14日間の連続潜航に成功した。その成果にもとづいて建造された実用艦級がゴトランド級潜水艦である。ゴトランド級に搭載されるMk.2 V4-275R型機関は75kWの出力を発揮する。

日本でも同社より技術導入し、練習潜水艦「あさしお」を改装し実用試験を実施、その成果を踏まえ平成16年 (2004年) 度計画において海上自衛隊が潜水艦 (そうりゅう)を建造し、スターリング機関を採用した日本で初の実用潜水艦となった。^[4]

燃料電池

 

燃料電池の概念図。

燃料電池については燃料電池をも参照

燃料電池 (fuel cell) は、水素と酸素などによる電気化学反応によって電力を得る装置であり、カルノー効率に依存する熱機関の介在がないため高い発電効率を期待できる。燃料電池は、原理的にほぼ無振動・無排気で、副産物が水のみといった長所があるものの、水素と酸素を安定した状態で安全に搭載しなければならないという技術的難関を何らかのかたちで解決しなければならない。^[5]

ドイツ

この方式ではドイツのHDW社が推進するものがよく知られている。HDW社はジーメンス社の開発した、PEM (Polymer Electrolyte Membrane、高分子電解質膜) を用いる燃料電池を使用する。このPEM燃料電池では、液体酸素から得られた酸素と水素吸蔵合金に貯蔵された水素との反応で電力を得る。

HDW社は1980年から1986年にかけて陸上試験を実施し、1988年から1989年にかけて205型潜水艦U-1で実用試験を行った。その結果、充分な実用性を備えることが確認されたため、ドイツ海軍は在来型ディーゼル・エレクトリック推進とのハイブリッド潜水艦の建造を決定した。これが212A型潜水艦である。212型には、出力34kWのモジュール9基を使用し、最大で300kWの出力を得ることができる。在来型の電池との併用により、速力8kt以下で14日間の連続潜航が可能であるとされている。

カナダ

 

ヴィクトリア級潜水艦HMCS ウインザー (SSK877) 。

もう一つの実用段階に達した潜水艦用燃料電池の技術を保有するのはカナダである。カナダ海軍には、イギリス海軍から購入したヴィクトリア級潜水艦 (旧アップホルダー級) をAIP化する計画^[6]があり、バンクーバーのバラード・パワー・システムズ社が開発したPEM電池を利用する。バラード社の方式では、酸素の供給源は大気中でも液体酸素でも任意に選択可能であるほか、水素も、貯蔵タンク内のメタノールを改質器内の触媒で分解して得られるなど、ジーメンスの方式とはやや異なる。この方式では高価な水素吸蔵合金を用いなくてもよいが、メタノールの分解過程で排気ガスが発生するため、排出処理が必要となる。

小型核動力プラント

上述の諸方式とは異質ながら、AIPとして技術的な検討がなされているのが、小型核動力プラントである。 これは本質的にはモジュール化された小型の原子炉である。

小型核動力プラントは、原子力推進と通常動力の2本立てで潜水艦を建造していたソ連において、通常動力潜水艦の能力向上策として考案され、1960年代に開発がスタートし、1971年に沸騰水型原子炉と発電機で構成されるVAU-6プラントが完成した。1985年、651型巡航ミサイル潜水艦B-68を改造してVAU-6が搭載され、翌1986年から1990年まで海上テストが行なわれた。

西側では、フランスにおいて冷却系に自然循環方式を用いる小型原子炉が提案されており、航行中のメンテナンスはほぼ不要で、1～3MWの出力を得られるものが検討されている。

だが、提案のみで実際には製造されておらず、上述のソ連潜水艦B-68が、唯一の小型核動力プラント方式AIP搭載潜水艦である。

展望と限界

しばしば誤解されるのだが、AIPはあくまでも補助動力機関であって、それ以上のものではない。言い換えれば、原子力機関のように (人的制約を別として) 事実上の無制限の水中航続力を実現することは依然として不可能なのである。現行のAIP技術では出力にも300から400kW前後の限界があり、せいぜい2 - 8 kt (約4 - 15 km/h) 程度の低速航行が限界である。さらに言えば、水中高速力の発揮に関しては在来型の蓄電池推進にさえ及ぶものでない。

また、燃料のほかに酸素を搭載しなければならないが、液体酸素は沸点が低い (マイナス183℃) ために取り扱いが難しい。燃料電池方式では、さらに水素をも貯蔵しなければならないが、ジーメンス社の水素吸蔵合金は高価かつ重量がかさむ点で、バラード社のメタノール改質方式は250から300℃の高温を必要とすると言う点で、それぞれコストの上昇が避けられない。酸素・水素のいずれであれ、気体の液化貯蔵には極低温が必要であり、腐食性や可燃性といった危険性が伴う。いずれも艦内火災に極めて脆弱な潜水艦においては、安全性の観点からして大きな難点となる。

見逃されがちであるが、ジーメンス方式の燃料電池以外のAIP技術では、ことごとく廃棄物が発生し、それを船外に排出しなければならないという問題がある。これらの廃棄物は高温の排気ガスであるため、赤外線を発し、潜水艦の最大の武器であるステルス性を損ねる。上述の閉サイクル・ディーゼルの記述に見られるように、多くの場合、高温の排気ガスは艦外排出時には冷却と液体化が施されるが、その排出時の温度は艦外水温と比較して高温（一応の目安となる例として70～80℃程度を挙げておく）とならざるを得ず、大幅に低減されるもののステルス性の障害である事は変わらない。また、排気ガスに、海水圧に抗し得るだけの充分な圧力がない場合には、加圧が必要となるため、潜入深度と加圧排気ポンプによる騒音発生との間でのトレードオフが生じる。

AIP技術に期待されているのはより限定的な課題の解決、すなわち、長期間 (3～4週間) にわたる連続潜航・哨戒を可能にすることである。哨戒海域との往還にはシュノーケル吸排気の在来型ディーゼルを用い、作戦中の低速哨戒にはAIPを、戦闘時の高速発揮には蓄電池をという棲み分けにおいて利用される技術であり、ディーゼル機関を置換すると言うよりも補完するという位置づけにある。そうした限界を伴っているにせよ、現在のように数日程度に過ぎない通常動力潜水艦の連続潜航時間を大幅に延長できるAIPには大きな魅力があり、安全性や出力、エネルギー効率の向上に意が注がれている。

AIP潜水艦の建造国と型式

 

HDW社・キール造船所の船台上で建造中の212A型潜水艦。

2006年時点での非核AIP潜水艦の新規建造実績 (建造決定含む) は以下のとおり。建造国およびAIP方式を示す。

• 212A型潜水艦— ドイツ、ジーメンス方式PEM燃料電池。ドイツ海軍、イタリア海軍採用。
• 214型潜水艦—韓国海軍、トルコ海軍採用。ギリシャ海軍は後にキャンセル。
• アゴスタ90B級潜水艦 — フランス、MESMA。パキスタン向け輸出用。
• ネッケン級潜水艦 — スウェーデン、1番艦ネッケンを改造してAIPの試験を行った。
• ゴトランド級潜水艦 — スウェーデン、スターリング機関。
• セーデルマンランド級潜水艦 — スウェーデン、ヴェステルイェトランド級潜水艦を改造した。
• そうりゅう型潜水艦 — 日本 。コックムス社製スターリング機関をライセンス生産し搭載。外部リンク参照。
• 209改型潜水艦 — ドイツ、ジーメンス方式PEM燃料電池。輸出市場向けの209型の改型。ギリシャ海軍が既保有艦の改装を発注。
• 元級潜水艦 — 燃料電池方式AIPを搭載すると言われている。 — 中国人民解放軍海軍
• S-80型潜水艦 —スペイン海軍

受注・建造実績を伴わない (提案のみ含む) ものは以下の通り。

• 1650型潜水艦(アムール型) — 677型(ラーダ型)の輸出型。燃料電池方式AIP追加が提案されている。他に636型 (キロ級) の後日改装が提案されているが現時点で受注例は確認されていない。
• スコルペヌ型潜水艦 — フランス・スペイン共同、MESMA方式AIP追加が提案されている。
• ヴァイキング級潜水艦 — ノルウェー、デンマーク、スウェーデンの共同開発潜水艦 (スターリング機関搭載を予定) 。しかしながら、ノルウェー、デンマーク両国が2004年6月までに財政難のために開発計画から脱退したため、先行きは不透明でその後中止された。
• A26型潜水艦 — スウェーデン、次期潜水艦として開発中。
• S1000型潜水艦 — イタリアのフィンカンティエリとロシアのルビーン海洋工学中央設計局が共同でアムール型潜水艦を基に開発を進めている。

この他、コックムス社は、スウェーデン海軍のヴェステルイェトランド級潜水艦2隻のAIP改装を行った。これは新たにセーデルマンランド級潜水艦になった。また、スターリング機関の実験に供されたネッケンはデンマーク海軍に貸与され、2001年から4年間の試用の後、購入または返却を決定することになっていたが、2004年10月27日にはやくも返却が決定された。

注記

1. ^ しかしながら、この潜水艇は1955年に進水したものの、公試中の1957年に爆発事故を起こし、ただちにヴァルター機関は撤去されてしまった
2. ^ 過酸化水素を酸化剤とする水中動力が唯一実用化にまで至ったのは魚雷の動力源としてであり、イギリスおよびソ連においてその種の魚雷が運用された。しかし、腐食性・爆発性のある物質を閉鎖空間で保管すると言う問題はいかんともしがたく、哨戒潜水艦シドン (en:HMS Sidon (P259)) の喪失事故を期にイギリス海軍は、ただちに過酸化水素燃料の運用を中止した。また、その後も運用を続けたソ連およびロシアの海軍においても、爆発事故によって潜水艦喪失事故 (2000年) を起こしている。
3. ^ 政治的配慮で原子力潜水艦を装備していない国の例として日本がある。
4. ^ 海上自衛隊では燃料電池方式のAIP機関が有力視されており開発が継続されている (防衛庁の平成17年度 事前の事業評価参照) 。しかし、安全な水素貯蔵技術の開発が難航しており、燃料電池方式AIP技術の自主開発までのいわば繋ぎとして導入が決定された。
5. ^ 水素の貯蔵方法として極低温の液体水素や水素吸蔵合金、メタノール等、炭化水素の改質等があり、それぞれ一長一短である。
6. ^ ただし、これらの計画はカナダ海軍への艦体の引渡しの遅延や船殻の不具合、回航中の火災事故などによる配備の遅れのために、2012年以降への延期が伝えられるなど、先行きが不透明である。

参考文献

• 多田 智彦、2003、「各国で開発進むAIP潜水艦」、『世界の艦船』618号 (2003年11月) 、pp. 102-105.
• 野木 恵一、2004、「世界の潜水艦：その現状と将来」、『世界の潜水艦ハンドブック』第2版 (『世界の艦船』別冊) 、海人社、pp.18-25.
• Pavlov, A.S., translation by Gregory Toker, Editorial by Norman Friedman, 1997, Warships of the USSR and Russia 1945-1995, Naval intsitute press: Annapolis, Maryland. ISBN 1-55750-671-X
• Edward C. Whitman, 2001, 'AIR-INDEPENDENT PROPULSION: AIP technology creates a new undersea threat', Underseas Warfare, 2001 Winter, Submarine warfare division, U.S.Naval OCNO.

関連項目

歴史的なAIP潜水艦

• XVIIB型Uボート (ドイツ)
• メテオライトおよびエクスプローラー級潜水艦 (イギリス)
• 615型潜水艦 (ソ連)
• X-1 (アメリカ)

その他の主要なAIP潜水艦については記事本文を参照。

関連する技術

• スターリングエンジン
• 燃料電池
  • 固体高分子形燃料電池
  • 水素吸蔵合金
• ヴァルター機関

外部リンク

• The AIP alternative: Air-Independent Propulsion: An idea whose time has come? — 全米海軍連盟の公式誌Seapowerの記事。
• Air-independent Propulsion — TNSW社によるCCD方式の解説。
• aipstirling — コックムス社によるスターリング機関の解説。
• 平成15年度 事前の事業評価 政策評価書一覧 — 防衛省公式サイト内。上記そうりゅう型潜水艦について「潜水艦 (2,900トン型SS) 」の項にある文書を参照。