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潜水艦の動力は、大きく分けると「通常動力」と「原子力」の2種類に分類できます。
通常動力潜水艦では、ディーゼルエンジンや蓄電池、艦によってはAIP（非大気依存推進）を組み合わせて使用します。
一方、原子力潜水艦では、原子炉から得られる熱エネルギーを利用して推進力や艦内電力を生み出します。
潜水艦の動力を理解するときに注意したいのは、ディーゼルエンジン、蓄電池、AIP、原子力をすべて同じ種類として並べると、厳密には分類が不正確になることです。
たとえば蓄電池はエネルギーを蓄える装置であり、AIPは外部の大気に依存せずにエネルギーを供給する技術の総称です。
そのため、まず「通常動力潜水艦」と「原子力潜水艦」に分け、その中で使用される装置や技術を理解すると分かりやすくなります。
通常動力潜水艦とは
通常動力潜水艦は、原子炉を使用せず、主にディーゼル燃料と蓄電池を利用して航行する潜水艦です。
一般的な構成では、ディーゼルエンジンで発電し、その電力を蓄電池へ充電します。
潜航中は、主として蓄電池から供給される電力によって推進用電動機を動かします。
ディーゼル・エレクトリック方式
通常動力潜水艦で古くから広く採用されているのが、ディーゼル・エレクトリック方式です。
ディーゼルエンジンを利用して発電し、その電力を蓄電池へ充電したり、艦内の電力として使用したりします。
潜航中には蓄電池から供給された電力で推進用電動機を回し、プロペラなどの推進器を動かします。
単純化すると、
「ディーゼルエンジンで発電 → 蓄電池へ充電 → 電動機で推進」
という仕組みです。
ただし、実際の潜水艦の電力系統はより複雑であり、発電した電気が必ずすべて蓄電池を経由してから使用されるわけではありません。
ディーゼルエンジンには外気が必要
通常のディーゼルエンジンは、燃料を燃焼させるために酸素を必要とします。
そのため、外気を取り込めない完全潜航状態では、通常のディーゼルエンジンを運転することができません。
蓄電池を充電する必要がある場合には、潜水艦を浮上させるか、シュノーケルと呼ばれる装置を海面上へ出して外気を取り込みながらディーゼルエンジンを運転します。
シュノーケルを使用すれば、艦体の大部分を水中に隠したまま発電することが可能です。
ただし、シュノーケルや排気を使用することで、完全潜航時よりも探知される可能性が高くなるという弱点があります。
潜水艦で使用される蓄電池
通常動力潜水艦にとって、蓄電池は非常に重要な装置です。
ディーゼルエンジンで発電した電力を蓄えておき、外気を取り込めない潜航中に推進装置や艦内設備へ電力を供給します。
現在の潜水艦では、主に鉛蓄電池またはリチウムイオン蓄電池が使用されています。
鉛蓄電池
鉛蓄電池は、通常動力潜水艦で長年使用されてきた伝統的な蓄電池です。
技術が成熟しており、長期間の運用実績があることが大きな特徴です。
一方、リチウムイオン電池と比較すると、一般的に重量や体積に対して蓄えられるエネルギーが少ないという弱点があります。
そのため、潜水艦に必要な大量の電力を確保するには、大型で重量のある電池設備が必要になります。
リチウムイオン蓄電池
近年注目されているのがリチウムイオン蓄電池です。
一般的に鉛蓄電池よりもエネルギー密度や出力性能に優れているため、限られた艦内スペースでより多くの電力量を確保しやすくなります。
また、高い出力を必要とする航行にも対応しやすいという利点があります。
ただし、潜航可能時間や航続距離は電池の種類だけで決まるわけではありません。
航行速度、推進効率、艦内の消費電力、搭載する電池容量などによって大きく変化します。
そのため、「リチウムイオン電池を搭載すれば必ず潜航時間が何倍にもなる」と単純に考えるのは適切ではありません。
日本の潜水艦とリチウムイオン電池
日本は、実用潜水艦へのリチウムイオン蓄電池の導入を早い段階から進めてきました。
特に海上自衛隊の「そうりゅう」型後期艦と「たいげい」型は、潜水艦用リチウムイオン蓄電池を理解するうえで重要な存在です。
「おうりゅう」は世界初のリチウムイオン電池搭載通常動力潜水艦
海上自衛隊の「そうりゅう」型11番艦「おうりゅう」は、通常動力潜水艦として世界で初めてリチウムイオン蓄電池を搭載した潜水艦です。
それまでの「そうりゅう」型前期艦では、鉛蓄電池とスターリング機関式AIPが使用されていました。
「おうりゅう」以降では、大容量のリチウムイオン蓄電池を活用する方式へと変更されています。
「たいげい」型でもリチウムイオン電池を採用
海上自衛隊の「たいげい」型潜水艦にもリチウムイオン蓄電池が採用されています。
そのため、日本の近年の通常動力潜水艦は、AIPによって低出力の発電を長時間続ける方向ではなく、大容量・高出力の蓄電池を活用する方向へ発展していると捉えることができます。
ただし、潜水艦の具体的な電池容量や水中航続性能などには非公開情報も多いため、公表されていない数値を断定することには注意が必要です。
AIP（非大気依存推進）とは
AIPは「Air Independent Propulsion」の略で、日本語では「非大気依存推進」などと呼ばれます。
通常動力潜水艦が外部の大気を取り込まずに電力や動力を得るための技術です。
通常のディーゼルエンジンは外気中の酸素を必要としますが、AIPを使用すれば、シュノーケルを海面上へ出さずに一定期間エネルギーを供給できます。
その結果、通常動力潜水艦が水中にとどまれる時間を延ばし、探知される可能性を低減することにつながります。
燃料電池式AIP
代表的なAIPの一つが燃料電池式です。
燃料電池では、水素などの燃料と酸素を電気化学反応させることで電力を発生させます。
一般的な内燃機関のように燃焼によってピストンなどを激しく動かす必要がないため、回転・往復運動する機械部分を少なくでき、潜水艦にとって重要な静粛性を高めやすい方式です。
ドイツを中心に開発された一部の通常動力潜水艦では、燃料電池式AIPが実用化されています。
スターリング機関式AIP
スターリング機関も潜水艦用AIPとして利用されてきた方式です。
スターリング機関は、外部から与えられる熱によって内部の作動ガスを加熱・冷却し、その圧力変化を利用して動力を得る外燃機関です。
潜水艦では、液体酸素などを艦内に搭載し、外部の大気を取り込まなくても燃焼に必要な酸素を確保できるようにします。
日本の「そうりゅう」型前期艦でも、スターリング機関式AIPが採用されていました。
AIPだけで高速航行するわけではない
AIPについては、「AIPそのものですべての推進力を賄う」と考えると正確ではありません。
多くのAIPシステムは、比較的小さな出力を長時間供給する用途に適しています。
一方、高速航行では大量の電力が必要になるため、蓄電池から電力を供給することが重要になります。
そのため、AIP搭載通常動力潜水艦では、
「ディーゼル発電機＋蓄電池＋AIP＋推進用電動機」
というように、複数のシステムを組み合わせて使用する場合があります。
原子力潜水艦の動力
原子力潜水艦は、核燃料の核分裂によって発生する熱をエネルギー源として利用する潜水艦です。
通常動力潜水艦とは異なり、推進用エネルギーを確保するために頻繁に海面付近へ浮上したり、シュノーケルを使用したりする必要がありません。
このため、長期間にわたって水中で活動できることが大きな特徴です。
原子炉の熱で蒸気を作る
原子力潜水艦では、原子炉で発生した熱を利用して蒸気を作ります。
その蒸気によってタービンなどを動かし、推進力や艦内で使用する電力を得ます。
概念的には、
「核燃料 → 原子炉 → 熱 → 蒸気 → タービンなど → 推進力・電力」
という流れです。
原子炉そのものが直接プロペラを回しているわけではありません。
また、実際の最終的な推進方式は艦によって異なるため、「すべての原子力潜水艦が同じ機械構成でプロペラを回している」と考えるのは正確ではありません。
推進エネルギーを得るために大気中の酸素を必要としない
原子炉では、ディーゼルエンジンのように燃料を酸素と燃焼させてエネルギーを得るわけではありません。
そのため、推進用エネルギーを生み出すために大気中の酸素を取り込む必要がありません。
これが原子力潜水艦が長期間潜航できる大きな理由です。
ただし、「原子力潜水艦は酸素を必要としない」という表現には注意が必要です。
乗員が呼吸するための酸素は当然必要であり、艦内では酸素を生成・管理する設備が使用されます。
正確には、「原子炉を稼働させて推進エネルギーを得るために外気中の酸素を必要としない」という意味です。
長期間・長距離を航行しやすい
原子力潜水艦では、原子炉から長期間にわたって大量のエネルギーを得ることができます。
そのため、蓄電池の残量に強く制約される通常動力潜水艦と比較して、高速航行を長時間維持しやすいという大きなメリットがあります。
長距離を移動する外洋任務や、長期間の潜航を必要とする作戦には特に適しています。
一方で、実際の連続潜航期間が無制限になるわけではありません。
食料、乗員の体力、消耗品、整備、任務上の事情などによって制約を受けます。
通常動力潜水艦と原子力潜水艦の違い
通常動力潜水艦と原子力潜水艦では、エネルギー源だけでなく、潜航性能や航続性能、建造・運用コストなどにも大きな違いがあります。
通常動力潜水艦の特徴
通常動力潜水艦は、原子力潜水艦と比較して比較的小型に設計しやすく、原子炉を必要としないため建造・運用システムも簡素化しやすいのが特徴です。
蓄電池だけで低速航行している状態では、ディーゼルエンジンを停止できるため、高い静粛性を得やすいというメリットもあります。
一方で、蓄電池の電力には限りがあるため、一定期間ごとに充電する必要があります。
そのため、長期間・高速で水中航行を続ける能力では原子力潜水艦に及びません。
原子力潜水艦の特徴
原子力潜水艦は、大量のエネルギーを長期間利用できることが最大の特徴です。
長距離を高速で移動する能力に優れており、大洋をまたぐような作戦にも適しています。
一方、原子炉や放射線遮蔽設備、安全設備などが必要になるため、艦そのものが大型化しやすく、建造・整備・運用には高度な技術と大規模なインフラが必要です。
そのため、通常動力潜水艦よりも建造費や運用コストが高くなる傾向があります。
通常動力潜水艦は沿岸専用ではない
通常動力潜水艦について、「沿岸や近海でしか使えない潜水艦」と考えるのは正確ではありません。
確かに通常動力潜水艦は、比較的小型で静粛性を活かせる沿岸・近海で高い能力を発揮します。
しかし、現代には大型で航続力に優れ、外洋での長距離任務を想定して設計された通常動力潜水艦も存在します。
そのため、
「通常動力潜水艦は沿岸・近海で特に能力を発揮しやすい」
「原子力潜水艦は長期間・長距離・高速の外洋作戦に特に向いている」
と理解するのが適切です。
通常動力潜水艦のほうが必ず静かとは限らない
潜水艦では静粛性が非常に重要ですが、「通常動力潜水艦は原子力潜水艦より必ず静か」と単純に比較することはできません。
潜水艦から発生する騒音は、航行速度、推進装置、電動機、ポンプ、減速機、推進器、艦体構造、防振技術など、多くの要因によって変化します。
ただし、通常動力潜水艦が蓄電池だけで低速航行している場合は、ディーゼルエンジンを停止できるため、非常に高い静粛性を実現しやすいという特徴があります。
反対に、シュノーケルを使用してディーゼルエンジンを運転している状態では、機械音などが増加します。
潜水艦の動力を理解するには4つの要素を区別することが重要
潜水艦の仕組みを正確に理解するためには、「動力」という言葉だけですべてを一括りにせず、エネルギーがどのように作られ、蓄えられ、推進力へ変換されるのかを分けて考えることが重要です。
エネルギー源
潜水艦を動かすための元となるエネルギーです。
通常動力潜水艦では主にディーゼル燃料などが使用されます。
原子力潜水艦では核燃料が使用されます。
エネルギーや電力を生み出す装置
エネルギー源から実際に電力や動力を取り出すための装置です。
通常動力潜水艦ではディーゼル発電機や燃料電池などが該当します。
原子力潜水艦では原子炉と蒸気発生・タービン系などがその役割を担います。
エネルギーを蓄える装置
通常動力潜水艦では、発電した電力を蓄電池に保存します。
代表的なのが鉛蓄電池とリチウムイオン蓄電池です。
蓄電池そのものが新たなエネルギーを作り出しているわけではなく、発電した電気エネルギーを保存して必要なときに供給する装置です。
艦を実際に進ませる推進装置
蓄電池や発電システムから供給されたエネルギーは、最終的に推進装置へ送られます。
通常動力潜水艦では一般的に推進用電動機を使用し、その力でプロペラなどを回して航行します。
原子力潜水艦についても、原子炉のエネルギーを最終的に機械的な推進力へ変換して航行します。
潜水艦の動力は目的に応じて使い分けられている
潜水艦の動力は、単純にどの方式が最も優れているというものではありません。
通常動力潜水艦は、比較的小型に設計しやすく、蓄電池による低速航行時には優れた静粛性を得やすいことが特徴です。
さらにAIPや高性能なリチウムイオン蓄電池を採用することで、水中で活動できる能力も向上しています。
一方、原子力潜水艦は、長期間にわたって大出力を確保できるため、高速での長距離航行や長期間の外洋作戦に適しています。
したがって、現代の潜水艦を理解するうえでは、まず「通常動力」と「原子力」に分けたうえで、通常動力潜水艦に使われるディーゼル発電機、蓄電池、AIP、推進用電動機などの役割を個別に理解することが重要です。
以上、潜水艦の動力にはどのような種類があるのかについてでした。
最後までお読みいただき、ありがとうございました。
