大気非依存型推進

大気非依存推進（AIP）または大気非依存電力は、非原子力潜水艦が大気中の酸素にアクセスせずに（浮上またはシュノーケルを使用して）航行できるようにする海洋推進技術です。AIP は、非原子力船の ディーゼル電気推進システムを補強または置き換えることができます。

現代の非原子力潜水艦は潜在的に原子力潜水艦よりもステルス性が高い。現代の潜水艦の原子炉の中には自然循環に頼る設計のものがあるが、ほとんどの海軍の原子炉はポンプを使用して原子炉冷却材を絶えず循環させており、ある程度の検知可能な騒音を発生する。^{[1] [2]}一方、バッテリー電源またはAIPで稼働する非原子力潜水艦は、事実上無音である。原子力設計は潜水時間、速度、航続距離、深海性能において依然として優位であるが、小型でハイテクな非原子力攻撃型潜水艦は沿岸作戦で非常に効果的であり、ステルス性や操縦性の低い原子力潜水艦にとって大きな脅威となる可能性がある。^[3]

AIP は通常、補助的な電源として実装され、従来のディーゼルエンジンが水上推進を担当します。このようなシステムのほとんどは電気を生成し、その電気で推進用の電動モーターを駆動するか、船のバッテリーを充電します。潜水艦の電気システムは、換気、照明、暖房などの「ホテル サービス」の提供にも使用されますが、推進に必要な電力に比べると消費する電力はわずかです。

AIP は、船体セクションを追加することで、既存の潜水艦の船体に後付けすることができます。AIP は通常、大気依存型推進に代わる耐久性や出力を提供しませんが、従来型推進の潜水艦よりも水中での耐久性が長くなります。一般的な従来型発電所は最大 3メガワットを供給し、AIP 電源はその約 10% です。^[要出典]原子力潜水艦の推進プラントは通常、20 メガワットをはるかに超えます。

アメリカ海軍は、 AIP動力の潜水艦を指定するために船体分類記号「SSP」を使用し、従来のディーゼル電気式攻撃型潜水艦には「SSK」を維持している。^[a]

潜水艦の開発において、水中で満足のいく推進方法を見つけるという問題は根強く残っていました。初期の潜水艦は手回しのプロペラで人力駆動でしたが、内部の空気がすぐに消費されてしまいました。これらの船は、ハッチを開けたまま水面を移動するか、何らかの呼吸管を使用する必要がありましたが、どちらも本質的に危険で、初期の事故も数多く発生しました。後に機械駆動の船は、圧縮空気や蒸気、または電気を使用し、陸上または船上の好気性エンジンから充電する必要がありました。

嫌気性燃焼燃料の最も初期の試みは1867年、スペインのエンジニア、ナルシソ・モントリオールが化学的に駆動する嫌気性蒸気エンジン、つまり空気に依存しない蒸気エンジンの開発に成功したときでした。このエンジンは塩素酸カリウムと亜鉛の混合物で駆動され、反応して熱と酸素を発生させました。^{[4] [5]}

1908年、ロシア帝国海軍は、圧縮空気を供給し水中で排気するガソリンエンジンを搭載した 潜水艦「ポチトヴィ」を進水させました。

オープンサイクル システムにエネルギーを供給する燃料の使用と、クローズドサイクルで好気性エンジンに酸素を供給するという 2 つのアプローチが、今日の AIP の特徴です。

非大気依存推進（非核推進）にはさまざまな形態があります。現在稼働中のすべてのAIP潜水艦はAIPに酸素を必要としますが、^{これは通常}液体（LOX）として保管されます。AIP潜水艦の航続距離は主に搭載できるLOXの量によって制限されます。^[6]

第二次世界大戦中、ドイツのワルター社は、水中の酸素源として高濃度の過酸化水素を使用する潜水艦の実験を行った。この潜水艦は、過マンガン酸カリウム 触媒による過酸化水素の分解によって生成された蒸気/酸素雰囲気でディーゼル燃料を燃焼させて加熱した蒸気を利用する蒸気タービンを使用していた。

実験艇が数隻製作されたが、実用的な戦闘艇にはならなかった。欠点の 1 つは、不安定さと燃料の不足であった。もう 1 つの欠点は、このシステムでは水中での速度は速かったものの、燃料を大量に消費した点であった。最初の艇であるV-80 は、50 海里 (93 km) を航行するのに 28 トンの燃料を必要とし、最終的な設計もこれとほとんど変わらなかった。

戦後、第二次世界大戦末期に自沈していたタイプ XVII 艇U-1407が引き上げられ、イギリス海軍でHMS ミーティアライトとして再就役した。イギリスは 1950 年代後半にHMS エクスプローラーとHMS エクスカリバーという 2 つの改良型を建造した。ミーティアライトは乗組員に不評で、危険で不安定だとみなされていた。公式には安全性は 75% とされていた。^[7]エクスカリバーとエクスプローラーの評判もあまり良くなく、これらの艇にはエクスクルシエーターとエクスプローダーというあだ名が付けられた。^[8]

ソビエト連邦もこの技術を実験し、ウォルターエンジンで過酸化水素を利用した実験船を1隻建造した。

アメリカもタイプXVII潜水艦U-1406を受け取り、2つのAIP潜水艦プロジェクトを開始しました。プロジェクトSCB66は実験的な小型潜水艦X-1を開発し、1955年9月に進水しました。当初は過酸化水素/ディーゼルエンジンとバッテリーシステムで駆動されていましたが、1957年5月20日に過酸化水素供給源が爆発しました。X -1は後にディーゼル電気駆動に改造されました。^{[9] [10]}

米海軍の2番目のプロジェクトは、1950年にSCB 67の下でフルサイズのAIP潜水艦を建造することだった。これは後にSCB 67Aと改称された。SSXと命名されたこの潜水艦には、開発中の3つの推進プラントのうちの1つが搭載される予定だった。ワルサーのオープンサイクル過酸化水素プラント（アルトンと呼ばれる）、液体酸素蒸気プラント（エリス）、AIPガスタービン（ウルヴァリン）。1951年後半までに海軍は、競合する原子力設計はシールドのために重くなるものの、3つのAIPプラントよりもコンパクトであることを認識した。SSXはSSNよりも約40フィート長くなる。SSNはおそらく、当時のAIP技術よりも静かで複雑ではないだろう。1952年までに原子炉の開発はかなり進んでいたため、SSX潜水艦は一時的なものでは必要ないように見えた。このプロジェクトは1953年10月26日に中止された。^[11]

当時この技術を実験していたことが知られている唯一の他の国であるソ連と英国も、米国が潜水艦の推進に十分な小型原子炉を開発したときに、この技術を放棄した。ドイツやスウェーデンを含む他の国々は、後にAIPの開発を再開した。

このエンジンはイギリスとソ連によって魚雷推進用に保持されたが、イギリスはHMS シドンの悲劇の後、急いで放棄した。このエンジンとロシアの潜水艦 クルスクの喪失は、どちらも過酸化水素推進魚雷による事故が原因であった。

この技術では、水上では従来どおりに作動する潜水艦ディーゼルエンジンを使用しますが、水中に沈んでいる間は、通常は液体酸素として貯蔵されている酸化剤を供給することもできます。エンジンの金属は純粋な酸素で燃焼するため、酸素は通常、リサイクルされた排気ガスで希釈されます。エンジンが始動すると、排気ガスは アルゴンに置き換えられます。

1930年代後半、ソ連は密閉サイクルエンジンの実験を行い、REDOシステムを使用して 多数の小型M級艦艇が建造されたが、1941年のドイツ侵攻前にはいずれも完成しなかった。

第二次世界大戦中、ドイツ海軍は、ワルター過酸化物システムの代替としてこのようなシステムを実験し、タイプ XVII Uボートとタイプ XXVIIBゼーフント小型潜水艦の派生型であるタイプ XVIIK とタイプ XXVIIK をそれぞれ設計しましたが、どちらも戦争終了までに完成しませんでした。

戦後、ソ連は650トンの小型ケベック級潜水艦を開発し、1953年から1956年の間に30隻が建造された。これらには3基のディーゼルエンジンが搭載されており、2基は従来型で、1基は液体酸素を使用する閉サイクルエンジンだった。^[要出典]

ソ連のシステムは「単一推進システム」と呼ばれ、排気ガスを石灰ベースの化学吸収剤で濾過した後、酸素が追加されました。潜水艦はシュノーケルを使用してディーゼルを作動させることもできました。ケベックには3つの駆動軸がありました。センターシャフトに32D 900 bhp (670 kW) ディーゼル、外側のシャフトに2つのM-50P 700 bhp (520 kW) ディーゼルがありました。さらに、100 hp (75 kW) の「クリープ」モーターがセンターシャフトに連結されていました。ボートはセンターラインディーゼルのみを使用して低速で走行することができました。^[12]

液体酸素は永久に保存できないため、これらの潜水艦は基地から遠く離れた場所では活動できなかった。これは危険であり、少なくとも7隻の潜水艦が爆発し、そのうちの1隻であるM-256は爆発と火災で沈没した。これらの潜水艦は「シガレットライター」というニックネームで呼ばれることもあった。^{[13] [全文引用が必要]}この技術を使用した最後の潜水艦は1970年代初頭に解体された。

ドイツ海軍の旧205型潜水艦 U-1（1967年進水）には、実験的な3,000馬力（2,200kW）ユニットが搭載されていました。

フランスの MESMA ( Module d'Energie Sous-Marin Autonome ) システムは、フランスの造船所 DCNS によって提供されています。MESMA は、Agosta 90BおよびScorpène クラスの潜水艦で利用できます。これは基本的に、エタノールと酸素によって生成される熱を使用する原子力推進システムの改良版です。具体的には、従来の蒸気タービン発電所は、エタノールの燃焼から生成される蒸気と 60気圧の圧力で貯蔵された酸素によって駆動されます。この圧力燃焼により、排気コンプレッサーなしで、排気二酸化炭素を任意の深さで船外に排出できます。^{[引用が必要]}

MESMAシステムは1台あたり約5,000万～6,000万ドルかかる。スコルペヌに搭載されたこのシステムでは、潜水艦に全長8.3メートル（27フィート）、重量305トンの船体部分を追加する必要があり、速度などの変数にもよるが、潜水艦は水中で21日以上活動できるようになる。^{[14] [15]}アゴスタ90Bでは、AIPシステムにより、潜水艦は水中で16日間活動でき、航続距離は1,400海里（2,600km）となる。^[6]

Undersea Warfare Magazineの記事では、「MESMAは他の選択肢よりも高い出力を提供できるが、その固有の効率は4つのAIP候補の中で最も低く、酸素消費率もそれに応じて高い」と指摘している。^[15]

スウェーデンの造船会社コックムスは、スウェーデン海軍向けにゴトランド級潜水艦3隻を建造した。これらの潜水艦には補助スターリングエンジンが搭載されており、ディーゼル燃料と液体酸素を燃焼させて75kWの発電機を駆動し、推進力またはバッテリー充電に利用している。1,500トンの潜水艦の 水中耐久性は、 5kn（5.8mph、9.3km/h）で約14日間、航続距離は約1,700海里である。^[6]

コックムスは、スウェーデンのヴェステルイェートランド級潜水艦をスターリングAIPプラグインセクションに改修およびアップグレードしました。2隻（セーデルマンランドとエステルイェートランド）はセーデルマンランド級としてスウェーデンで就役しており、他の2隻（アーチャーとソードマン）はシンガポールでアーチャー級として就役しています。^[要出典]

コックムスは日本にもスターリングエンジンを納入した。10隻の日本の潜水艦にスターリングエンジンが搭載された。同級の最初の潜水艦であるそうりゅうは2007年12月5日に進水し、2009年3月に海軍に引き渡された。同級の11番目の潜水艦はスターリングエンジンなしでリチウムイオン電池を搭載した最初の潜水艦である。^[16]この潜水艦はAIPから6500海里の航続距離を持ち、40日間潜水したままでいられる。^[6]

スウェーデンの新しいブレーキンゲ級潜水艦は、スターリング AIP システムを主なエネルギー源としています。AIP を使用すると、潜水持続時間は 5 ノットで 18 日以上になります。^{[引用が必要]}

シーメンスは、燃料と酸化剤からの化学エネルギーを電気に変換する装置である30～50キロワットの燃料電池ユニットを開発した。燃料電池は、化学反応を維持するために、船内の加圧タンクで運ばれる燃料（水素など）と酸素の継続的な供給源を必要とする点でバッテリーと異なる。ドイツ海軍のタイプ212Aのネームシップである、ハウアルトヴェルケ・ドイチェ・ヴェルフトAGの1,830トン潜水艦U-31には、これらのユニットが9つ組み込まれている。このクラスの他の潜水艦と、HDWのAIP装備の輸出用潜水艦であるドルフィンクラス、タイプ209 mod、タイプ214は、やはりシーメンス製の2つの120kW（160馬力）モジュールを使用している。^[17]タイプ212は21日間潜水したままでいられる。 2016年には、そのような潜水艦1隻がAIPのみで1600海里の航海を行った。^[6]

Howaldtswerke Deutsche Werft AG の輸出活動の成功後、いくつかの造船所が潜水艦用の燃料電池補助ユニットを開発しましたが、2008 年現在、^{[アップデート]}そのような装備を備えた潜水艦の契約を結んでいる造船所は他にありません。^{[引用が必要]}

スペイン海軍のS-80クラスに実装されたAIPは、バイオエタノールを高純度の水素に変換する反応室といくつかの中間Coproxリアクターで構成されるバイオエタノールプロセッサー（ AbengoaのHynergreen社提供）に基づいています。出力は、コリンズエアロスペース（スペースシャトルの燃料電池も供給）の一連の燃料電池に供給されます。^[要出典]

改質器には燃料としてバイオエタノールと酸素（高圧極低温タンクに液体として貯蔵されている）が供給され、副産物として水素を生成します。生成された水素と酸素は燃料電池に供給されます。^[18]

中国はAIP潜水艦用の燃料電池エンジンの研究を行っている。大連化学物理研究所は100kWと1MWの燃料電池エンジンを開発したと伝えられている。^[19]

インド国防研究開発機構の海軍材料研究所は、ラーセン・アンド・トゥブロおよびサーマックスと共同で、スコルペーンの設計に基づくカルヴァリ級潜水艦に電力を供給する270キロワットのリン酸燃料電池（PAFC）を開発した。カルヴァリ級潜水艦6隻すべてに、最初のアップグレード中にAIPが後付けされる。これは、水素化ホウ素ナトリウムから生成された水素と貯蔵された酸素をリン酸が電解質として反応させることで電気を生成する。^{[20] [21] [22]}

ポルトガル海軍のトリデンテ級潜水艦にも燃料電池が搭載されている。^[要出典]

大気非依存推進とは、通常、従来型推進潜水艦の性能向上の文脈で使用される用語である。しかし、原子力は補助動力源として、AIPの技術的定義に該当する。例えば、カナダ原子力公社（AECL）が「原子力電池」と呼んでいる、補助動力源として200キロワットの小型原子炉を使用するという提案は、カナダの潜水艦の氷下能力を向上させる可能性がある。^{[23] [24]}

原子炉は1950年代から潜水艦の動力源として使われてきました。最初の原子炉搭載潜水艦は1954年に就役した米海軍のノーチラス号です。現在、原子力潜水艦の建造と運用に成功した国は、中国、フランス、インド、ロシア、イギリス、アメリカのみです。

2017年現在^{[アップデート]}、約10カ国がAIP潜水艦を建造しており、約20カ国がAIPベースの潜水艦を運用しています。

• フリードマン、ノーマン（1994年）。『1945年以降の米国潜水艦：図解設計史』。メリーランド州アナポリス：米国海軍研究所。ISBN 1-55750-260-9。

• Thornton, LCDR Grant B. (1994)。潜水艦の大気非依存型推進力の評価のための設計ツール(PDF) (MS 造船・海洋工学および MS 機械工学論文)。マサチューセッツ工科大学。
• ホイットマン、エドワード C. (2001 年秋)、「大気非依存型推進: AIP 技術が新たな海中脅威を生み出す」、Undersea Warfare、第 13 号、米国海軍、2007 年 12 月 8 日のオリジナルからアーカイブ
• ロゴウェイ、タイラー（2014年10月23日）。「スウェーデンの潜水艦は恐ろしく危険なので、米海軍はそれを悪役として雇った」フォックストロットアルファ。 2017年1月17日閲覧。
• ラース・バーネマン（2024年11月6日）。「将来の潜水艦の推進 - リチウムイオン電池と大気非依存型推進による新たなASWの課題への対抗」。欧州安全保障防衛。