AIP搭載潜水艦の現況と今後の展望

Air-Independent Propulsion Submarines: Stealthy, Cheap and the Future?　大気非依存型潜水艦はステルス、安価だが将来が約束されているのだろうか

Robert Farley

January 28, 2018

http://nationalinterest.org/blog/the-buzz/air-independent-propulsion-submarines-stealth-cheap-the-24245?page=show

ここ十年ばかり、大気非依存型推進方式（AIP)の潜水艦応用が世界で広がっている。大型原子力潜水艦（SSN)に代わってAIP搭載艦（SSP)が中心の座に就く可能性も出てきた。潜水艦が安上がりだが大きな戦略的な意味を持つ装備となり大国海軍の強力な艦船に太刀打ちできる可能性が出てきた。では米国も追随すべきだろうか。おそらくしないだろう。

AIPの歴史

20世紀に数か国海軍がAIPを実験している。そのうち、ドイツとソ連が第二次大戦中と最も早く着手したが、運用に耐える形にはできなかった。戦後は英国、米国、ソ連がドイツ研究成果をもとに実験艦を建造したが、原子力推進のほうが潜水艦用に有望と判断された。

2000年代に入り各方面の技術を統合して開発がはじまり世界数か国で実用に耐えるAIPの開発が始まった。フランス、ドイツ、日本、スウェーデン、中国がAIP搭載艦を建造し、輸出も行う。

技術

AIPで通常型潜水艦はバッテリー充電のために浮上の必要がなく、長期間潜航したまま探知を逃れる。AIPの潜水艦搭載には三型式がある。

クローズドサイクル蒸気タービン

フランス建造艦で使われているクローズドサイクル蒸気タービンは原子力潜水艦でのエネルギー利用を参考にしている。蒸気に酸素とエタノールを混合する。この方式はフランスでMESMAと呼び、大量のエネルギーを生むが複雑かつ効率が低い。

スターリング機関Stirling Cycle

　スターリングサイクル機関はディーゼルでエンジン内部に封印した液体を加熱しピストンを動かし発電する。排気は海中に捨てる。この方式はフランス型より効率がやや上回り機構も簡単になり、日本、スウェーデン、中国の各国が採用している。

燃料電池　Fuel Cell

燃料電池は最高のAIP技術だろう。燃料電池は水素、酸素で発電し可動部品は皆無に近い。廃棄物は最小で大量のエネルギーを生みつつ極めて静粛である。ドイツ製潜水艦が燃料電池技術の搭載に成功し、フランス、ロシア、インドもこの技術の実用化を目指している。

導入の傾向

AIPの利点は供用中潜水艦にも艦体を挿入して搭載できることだ。ドイツが209型でこれを実施し、ロシアもキロ級で搭載している。スウェーデン、日本も同様だ。導入済み艦の戦力引き上げ手段として改装は費用対効果が高い。

ただし大部分の海軍は新規建造に前向きで、ドイツはSSP四形式を各国に提供する。新造209型にも搭載され、スウェーデンもAIP搭載艦を三隻建造し、日本のそうりゅう級、フランスもスコルペヌ級、アゴスタ90B級（パキスタン輸出用）、スコルペヌ派生型のカルバリ級（インド輸出用）がある。スペインのS-80級もAIPを搭載し、ポルトガルにも小型トリデンテ型がある。ロシアがラダ級のAIP搭載にてこずっているで次期アムール級も搭載の見込みだ。中国の元級14隻がAIPを搭載し、さらに5隻が建造中だ。

戦闘場面では

SSPがSSNの性能を上回る場面がある。長期潜航機能と静粛性を武器に待ち伏せし接近する敵艦を攻撃する。これには敵動向で確度の高い情報が必要だが、SSPも単中距離偵察を行える。浅海など小型で機動性の優れた艦が有利な環境では原子力潜水艦にも大きな脅威になる。

米国への影響

では米国もSSP建造に向かうべきか。米国はディーゼル電気推進型潜水艦の建造は1959年を最後に行っていない。原子力潜水艦の知見を応用できそうだが、まだマスターできていない分野もある。燃料電池では米国が世界をリードしているので米国の潜水艦建造で採用する可能性はある。

ただし米海軍は汎世界的に活動する部隊で、米本土から遠距離地点での作戦を想定する。ディーゼル電気推進式潜水艦はAIPを搭載しても航続距離で原子力潜水艦にかなわず、基地の確保が必要となる。さらに費用節約のため米海軍は省人化をめざしているので、高性能な潜水艦少数の方が安価な潜水艦多数を運用するより望ましいと考えている。

AIP搭載艦に資金をつぎ込む前に米海軍は将来の潜水艦戦のシナリオを想定し水中無人機の投入を考慮すべきだ。自律運用や半自律運用の無人潜水艦にはAIPを上回る長所があり、さらに新型潜水艦技術への投資は不要である。

そうなると大型原子力攻撃型潜水艦にAIP搭載艦が脅威となるのは一定の条件下となるのは間違いない。だがらと言って米海軍が通常型潜水艦に乗り出すのは得策でない。SSPでは海軍の要求内容すべてを実現できないし、今後の技術向上で現在のAIPの利点も優位性を失いかねない。■

米海軍にはどうしても通常型小型艦の建造に抵抗があるようです。であれば、日本の潜水艦部隊が米海軍のできない任務を請け負うしかないのでしょうか。以前に日米共同運用案などと無責任なことを提唱しましたがやはり実現の可能性は低いんでしょうか。

Robert Farley, a frequent contributor to TNI, is author of The Battleship Book. He serves as a Senior Lecturer at the Patterson School of Diplomacy and International Commerce at the University of Kentucky. His work includes military doctrine, national security, and maritime affairs. He blogs at Lawyers, Guns and Money and Information Dissemination and The Diplomat.

★★★そうりゅう級の後継艦に世界が注目する理由

確かに現実には無理と思われても、原子力潜水艦は米国、ハイテク通常型潜水艦は日本と分担し、米国向けに日本が潜水艦を建造すればすべて解決するんですが...　The Driveは自動車専門ウェブですが、ちゃんと国防関係のコーナーもあるのですね。やはり軍用となると技術レベルも現実の制約から自由になりますからね。記事では次期28SS潜水艦の一部しか紹介していません。機密事項ですからリサーチも限界があったのでしょう。ご了承ください。

Japan Goes Back To The Future With Lithium-Ion Battery Powered Submarines

Diesel electric submarines may be on the verge of returning to their simpler roots with the help of lithium-ion batteries.

BY TYLER ROGOWAY　FEBRUARY 17, 2017

http://www.thedrive.com/the-war-zone/7747/japan-goes-back-to-the-future-with-lithium-ion-battery-powered-submarines

JMSDF

1. ほぼ一世紀に渡りディーゼル電気推進式潜水艦は浮上してあるいは水面近くでスノーケルによりディーゼル発動機で鉛電池を充電してきた。このため脆弱で潜航しても数時間、長くて数日間が限度だった。大気非依存型推進(AIP)技術が革命的にこれを変革した。AIP搭載ディーゼル電気式潜水艦の性能は遥かに高価な原子力潜水艦の域に近づいており、ディーゼル機関と電池だけで隠密理に行動できるようになった。
2. AIP技術は多様で、最新のものにスターリングエンジン、フランスがMESMA（自律型潜水艦エネルギーモジュール）と呼ぶ密閉型蒸気タービン、燃料電池があり、潜航時間が大幅に延長された。それぞれ長所短所があり、性能より費用、構造、技術リスクが重要だ。
3. 例としてスウェーデンのゴットランド級ではAIPにスターリングエンジンを採用したが、大掛かりな液体酸素酸化装置が必要で、それ自体にも危険があるが、ガス注入で別の危険も生じる。スターリングエンジンは付属装置と一緒にして初めて効果を生むが、小型潜水艦では艦内の大部分を装置が占めることになる。スターリングエンジン利用AIPには可動部分が多数あり、遮音性能を高めてもノイズも発生する。

スウェーデン海軍はゴットランド級潜水艦一隻をアグレッサー役として米海軍に提供したことがある。AIP技術により実に危険な敵であるかがわかった。米海軍も戦術対応の必要を痛感しており、現在も対策が検討中だ。(US Navy photo):

4. フランスのMESMA方式AIPはパキスタン向けアゴスタ90B級に採用され、スターリングエンジンより構造が複雑だ。いわば原子炉の役割をさせ、核分裂反応の代わりにエタノールと液体酸素の燃焼でタービン発電を行う。エタノールと液体酸素のため機構は複雑かつノイズも発生するが、得られる出力は大きく、高速潜航が可能だ。ただしMESMAは高価格で運用は安上がりにならない。
5. 最後の燃料電池方式AIPはハイテクの極みでMESMAのような出力はすぐ得られないが、きわめて静かで可動部品も少ないのが利点だ。これも長距離潜航に有効な手段だ。このため急加速が不要で長期間静かに探知されずに潜む場合に有利となる。オーストラリアが取得するショートフィン・バラクーダ潜水艦は燃料電池式AIPを搭載し原子力潜水艦並の性能が実現する。イスラエルの最新ドルフィン級も燃料電池式AIPを採用しており、イスラエルの核抑止力手段として意味をもってくる。
6. センサーや兵装が同じなら一国の海軍はディーゼル電気推進潜水艦の選択を費用だけでなく一番可能性の高い戦術から選ぶはずだ。たとえば長距離哨戒活動や待ち伏せ攻撃が多い場合、ステルス性も考慮し燃料電池式AIPが最適だろう。攻撃や退避時に急加速が必要ならMESMAが最適解となる。短距離で沿海地区の戦闘を想定すればスターリングエンジン式AIPが意味を持ってくる。ただしここ数年でバッテリー技術が進展しており、既存AIP技術は新しい挑戦相手に直面するだろう。
7. ハイテクのディーゼル電気推進式潜水艦がAIPそのものを無意味にする可能性が出てきた。この分野では日本が先頭に立っており、そうりゅう級後継艦にリチウムイオン電池が搭載されると、第一次大戦前の潜水艦に先祖返りし、バッテリーのみで潜航推進が可能となる。
8. そうりゅう級も十分新鋭潜水艦で供用開始はわずか10年ほど前にすぎない。先に就役したおやしお級を発展させたそうりゅう級は潜水時排水量4,200トン、全長275フィートと相当大きい艦容で、戦後日本が建造した潜水艦で最大だ。特徴はX形艦尾潜行蛇で沿海部での操艦を確実にしている。
9. 同級は現在7隻が就役しており（5隻が建造中あるいは予定中）、各艦はコックムスのライセンス供与でスターリングエンジン方式AIPを搭載。コックムスはスウェーデン企業でゴットランド級にも提供している。地理条件から日本は潜水艦を領海哨戒任務に投入しており、大型艦に効果実証ずみのスターリングエンジン式AIPを採用したことは同国の事情によくあっている。しかし日本はAIP技術の利点はそのまま、そのAIP技術を取りやめようとしており、艦内の設計や建造を簡素化する。現在のAIP方式潜水艦以上の静粛化が実現するはずだ
10. 構想ではリチウムイオン電池数千個をディーゼルエンジン、発動機と搭載し、そうりゅう級設計を手直しする。大電流を制御しながら効率を最適化にするのが電力処理のかぎとなる。ここまでだと通常のディーゼル電気推進式潜水艦とかわりがないが、新技術の導入が異なる。
11. リチウムイオン電池には従来の鉛電池より利点が多数ある。充電量が低下しても出力を維持できる。鉛電池より軽量であり、極めて短時間で充電できる。充電容量も大きい。AIP方式と比較すると、推進装備が簡単となる他、出力持続時間も長くなる。なんといってもリチウムイオン電池なら必要なときに大出力が得られるため瞬発力がAIP方式とは比較にならないほど向上する。
12. ただしリチウムイオン電池の短所はよく知られている。「熱暴走」と言われる現象と発火事故が発生しているが潜水艦ではともに望ましくない現象だ。発生すれば、高熱と有毒ガスとなり通常方法での消火は困難だ。ただ艦艇では重量は制約条件ではなく、新たな対処方法を採用し危険を未然に防ぐだろう。

整備中のそうりゅう級潜水艦 (Hunini/wikicommons):

13. 各メーカーが海上自衛隊と解決方法としてリチウムイオンの電池セル集合体を大型化し強化隔壁と強力な化学物質を組み合わせて危険状態の発生を防ごうとしている。消火装備も特別に作り、次期そうりゅう級でバッテリー部の火災が発生しても迅速かつ自動的に消火できる。
14. リチウムイオン電池は航空機で以前から問題を起こしているが、日本は巨額予算で同技術を実用化しようとしており、そうりゅう級の最後の三隻でリチウムイオン推進方式を採用する予定だ。7号艦にはスターリングエンジン4基とリチウムイオン電池を組み合わせる可能性があり、同艦はリチウムイオン電池のみ搭載の後続艦と以前のAIP仕様のつなぎの役目が期待される他、新型バッテリーを事前に搭載し技術実証艦ともなる。

そうりゅう級の艦体ほぼ全面的に吸音タイルがつく。

(Norio NAKAYAMA/wikicommons):

15. 新そうりゅう級により日本は通常型攻撃潜水艦技術のトップ国としての地位を高めそうだ。実績が確かなら輸出も当然視野に入ってくる。
16. さらに日本がリチウムイオン動力艦の実用化に成功すれば、AIP同様の性能が大幅に安く実現する。既存AIP技術でもリチウムイオンと組み合わせる動きが出れば選択肢は増える。リチウムイオン電池と燃料電池を組み合わせれば長航続距離の高性能艦となり、高加速性も実現しそうだ。噂では中国がリチウムイオン電池とAIP方式を組み合わせた艦を開発中だ。ただしハイブリッド設計は高価格かつ構造もかなり複雑で、日本や各国の求める方向と異なってくる。

「スーパーそうりゅう」の構造図。もともとオーストラリアの次期潜水艦用に想定していた。リチウムイオン電池を採用し、AIPは想定していなかった。採用確実と思われたが、DCNS案が残り、燃料電池とAIPを組み合わせたショートフィン・バラクーダが採用となった。オーストラリア想定の長大な航続距離を考えると「スーパーそうりゅう」でも性能不足だったかもしれない。

17. 米海軍はディーゼル電気推進式潜水艦を27年前に全廃しており、潜水艦不足は解消の様子がない。日本のハイテク潜水艦が成功し、簡素かつ安価なリチウムイオン電池式潜水艦でAIPを上回る性能が原子力潜水艦同様の静粛性で実現すれば、米国も同技術採用に動くだろうか。

USSブルーバックは米海軍最後のディーゼル電気推進式潜水艦。長くアグレッサー役を演じたが、海軍は1990年に全艦を原子力推進とする方針とした。ブルーバックは映画「レッド・オクトーバーを追え」にも登場しており、現在はオレゴン科学技術博物館に陳列されている。

18. これまで見たようにディーゼル電気推進式潜水艦技術は相当進歩してきており、米海軍も真剣に検討する価値がある。ミッションによっては原子力潜水艦投入の必要がない。また運用上やインフラの成約から前方配備で外国を母港に出来ない。だが米海軍は日本技術を導入し、米国版そうりゅう級をライセンス生産すれば攻撃潜水艦不足を解消でき、ハイテク内容を低価格で導入できる。現時点でヴァージニア級SSN一隻の価格でそうりゅう級四隻が手に入る。そうりゅう級も建造規模を増やせば価格低下が期待できる。ただし、海軍艦艇建造をめぐる米国内の政治経済の利権とともに米海軍が原子力一本の姿勢に固執していることから論理的に正しいと明らかなこの解決策が実現する可能性はない。
19. 海軍が原子力潜水艦のみの構成にこだわるかは別として、日本のリチウムイオン電池搭載潜水艦は注視の価値がある。日本が口を閉ざしたままとは思えない。同技術が有効とわかれば輸出による投資回収をめざし見せびらかすはずだ。■

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