ティアドロップ型船体

ティアドロップ船体は、潜水艦の船体設計で、浮上性能よりも潜水性能を重視しています。潜水艦開発の初期段階では一般的に使用されていましたが、20 世紀初頭には運用方針の変更により、水上での高性能に最適化された設計が採用され、徐々に使用されなくなりました。海軍方針は変更されましたが、設計慣行は、ドイツ海軍が大西洋の戦いで潜水艦の損失をますます増やしていく第二次世界大戦後期まで存続しました。

増大する同盟国の対潜水艦攻撃の脅威に対抗するため、戦間期後期にまで遡る実験的な設計コンセプトが既存の潜水艦設計プロセスに押し込まれ、少数の過酸化水素動力型潜水艦と、エレクトロボート級のディーゼル電気式潜水艦クラスが誕生しました。戦争を逆転させるには遅すぎ、数も少なすぎましたが、戦後間もなく行われたこれらの潜水艦の調査は、過去数十年間に世界の海軍が「潜水魚雷艇」に注力し続けてきた制度的慣性を大きく破壊し、潜水性能への注目度を高めることにつながったのです。これが、最終的に潜水艦に涙滴型船体を再導入することとなり、今日ではほぼすべての大型潜水艦でさまざまな形で採用されています。

この用語は、特定の形状を指すのではなく、水中航行に最適化された船体形状という抽象的な概念、より具体的には、材料科学と船に課せられた設計要件によって制限される実際の潜水艦におけるこの概念の物理的具体化を指すため、特定の船が涙滴型船体を備えているかどうかは、この用語自体の主観的な解釈に依存します。この解釈によっては、以下に示す潜水艦のいくつかは、何らかの「最初の試み」または「マイルストーン」であったと考えられる可能性があります。

• 潜水艦の船体設計の変遷を示すために、おおよそ年代順に並べられた潜水艦のコレクション。
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  1860 年代中期から後半にかけてのIctíneo IIのこのレプリカは、水中航行に最適化された船体形状の最も初期の試みの 1 つであると考えられます。
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  19 世紀後半または 20 世紀初頭のジョン フィリップ ホランドの設計の 1 つを模したモデル。非常にすっきりとした船体と比較的現代的な舵の配置が特徴。
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  HMSホランド 1 が就役してから 10 年も経たないうちに、イギリスの B 級潜水艦は潜水艦から潜水用水上艦へと船体形状が変化しました。船首はわずかに持ち上がり、2 つのプロペラの上にある船尾も持ち上がりました。
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  1917 年に就役した蒸気動力の イギリスの K 級潜水艦は、第一次世界大戦における水上最適化潜水艦の最高峰とみなすことができます。この潜水艦は 24 ノット (44 km/h) の速度を達成し、緊急時には 5 分弱で潜水できましたが、通常の運用では 30 分の方が妥当な時間でした。全長 103 メートル、最大潜水深度は推定 61 メートルで、水面から離れずに圧壊深度に到達できるのは 4 メートル足りませんでした。極端に大きい旋回半径、潜水深度制御の悪さ、ボイラーの煙突から水を送り込む習慣などと相まって、この潜水艦が「災難の K」という評判を得たのも不思議ではありません。ボイラー室の浸水、衝突、圧壊深度への到達により数隻が失われ、1 隻は真夜中に係留中に人為的支援なしに自沈したと記録されています。
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  世界初のハンターキラーである1918年のイギリスのR級潜水艦は、高速水中軍艦というコンセプトへの大胆な回帰でした。敵の潜水艦を追跡するために作られたこの潜水艦は、徹底した流線型、事実上存在しない外装、そして1時間14ノット（26 km/h）で航行する能力を特徴としていました。ナイフのような船首の形状だけが、これらの潜水艦が継続的に潜水した状態では動作せず、バッテリーを充電するためだけに浮上するという設計者の予想を裏切っています。代わりに、ディーゼルエンジンを使用して水上をゆっくりと移動し、哨戒エリアに到着してからのみ潜水することになっていました。
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  後のドイツのエレクトロボート計画とは無関係に、日本の潜水艦第71号は1937年に進水し、21ノット（時速39キロメートル）を超える速度で潜航した。この記録を上回ったのは、当時日本が所有していた小型潜水艦「甲標的」だけだったが、1940年から1941年にかけてのテストで、過酸化水素を動力源とするドイツのV-80が28ノット（時速52キロメートル）を記録した。
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  第二次世界大戦で使用された潜水艦は、一般的に水上巡航に最適化されており、高くやや広がった船首と、当時の巡洋艦と同様のプロペラと舵の配置を特徴としていましたが、深度とピッチ制御用の舵がもう 1 つありました。ここでは、1940 年代初頭のアメリカ海軍バラオ級 艦隊潜水艦が博物館に改装されています。
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  このタイプ VIIのようなドイツの潜水艦は、バラオと全体的な外観は似ているものの、かなり小型 (約 1,500 トンに対して約 750 トン) でした。この模型では潜水艦の耐圧殻がはっきりと示されており、その前端と後端は、船の前後のメインバラストタンクを含む軽量のケースで覆われています。潜水艦の上部にある長い葉巻型の膨らみは、外部燃料タンクです。1936 年から 1937 年にかけて就役したタイプ VII と、より大型のタイプ IX は、どちらもアメリカとイギリスの艦隊のボートや哨戒潜水艦にも使われた「潜水魚雷艇」のコンセプトに従っており、連合国の哨戒艦艇や航空機の有効性が増す中、1941 年半ばから 1942 年までに運用上は時代遅れになりましたが、戦争中はますます切羽詰まるドイツ潜水艦部隊の主力であり続けました。
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  連合軍の対潜水艦戦が着実に改善され、第二次世界大戦後半を通じてドイツ軍の損害が急増したため、過酸化水素タービン推進の潜水艦を建造する試みがなされた。タービンが実用化にほど遠い中、潜水艦は過酸化水素タンクの代わりに大幅に容量を増やしたバッテリーを搭載した通常のディーゼル電気艇として無理やり生産された。戦争末期のドイツのタイプXXI（21）の船体は大幅に流線型になったものの、以前の設計の影響が残っており、明らかに限られた能力で水上での作戦が想定されていた。それでも、この潜水艦は戦後の世界で水中速度、航続距離、および探知性の新しい基準を確立した。
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  商船隊を軽視し、大型水上戦闘艦艇の数を増やしたため、潜水艦の成功を軽視し、日本軍の対潜水艦戦の有効性を誇張する傾向が一部にあって、アメリカの「沈黙の艦隊」は比較的おとなしい日本軍の抵抗に直面し、日本の商船隊に対して大きな成功を収めた。このため、アメリカ艦隊の艦艇は戦争中、全体的な設計に大きな進歩は見られず、代わりに圧力船殻の強度や電子機器の改善（最終的にはより静かな電動モーターを含む）や、太平洋での長期哨戒のための乗組員の快適性の改善など、技術的な詳細に重点が置かれていた。そのため、このテンチ級のようなアメリカの艦艇は、戦争開始時に就役していた艦艇とほとんど区別がつかない状態で戦争を終えた。
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  1950 年に生産が開始されたソ連の プロジェクト 613哨戒潜水艦は、タイプ XXIの影響を強く受けていました。後期型には甲板銃と対空機関砲塔がありませんでした。タイプ XXI と同様に大幅に流線型化されましたが、鋭いナイフのような船首と船尾など、浮上時の操作を考慮した設計になっています。
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  風洞実験中のUSS アルバコアの縮尺モデル。船尾の舵の配置と帆を除けば、設計がほぼ 1 世紀離れているにもかかわらず、全体的な形状はイクティネオ IIと似ています。
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  世界初の原子力潜水艦である1954年のUSS ノーチラス（  SSN-571）は、非常にすっきりとした船尾断面をしており、船首は明らかにある程度タイプXXIからヒントを得ています。試験深度210メートルはドイツの潜水艦に匹敵しましたが、潜水時の速度23ノット（43 km/h）ははるかに速く、それまでの米国艦隊のどの潜水艦よりも速かったです。残念ながら、船首と帆の重大な設計上の欠陥により、高速走行時に極端な振動が発生し、時間の経過とともに悪化しました。耐用年数の終わりには、4ノット（7 km/h）でソナーが聞こえなくなり、騒音によって発見されるリスクが大幅に増加しました。
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  1959年1月17日に就役したソ連初のSSNであるプロジェクト627級は、試験深度300メートルで速度30ノット（時速56キロメートル）に達した。潜水艦であり、原子力推進で、戦闘艦としても使えるという点ではノーチラスとは大きく異なり、はるかに効率的な船首と帆の形状を備えながらもタイプXXIの魚尾型を踏襲し、ノーチラスが原子炉を使用していたのに対し、ソ連の潜水艦はそれを2基縦列で搭載していた。流体力学の改善とは別に、丸みを帯びた船首の形状は、魚雷発射管の上に非常に大きなソナーアレイを設置するのに十分なスペースも提供した。
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  最初のプロジェクト 627 の 3 か月も経たないうちに就役したUSS スキップジャックは、ほぼ半世紀前に放棄されて以来、米国海軍で「純粋な」涙滴型船体を採用した最初の戦闘艦でした。複雑な形状の圧力船体の大きな部分を鍛造するにはコストが高かったため、その後の艦艇は徐々にこの設計から「逸脱」していきました。
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  1967 年に就役したソ連の新しい潜水艦クラスの 1 つであるプロジェクト671は、魚の尾部を水中性​​能重視の象徴となった魚雷のような形状に置き換えた最初のソ連の主力潜水艦クラスの 1 つでした。
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  プロジェクト 611 (ズールー) とプロジェクト 641 (フォックストロット) が陳腐化に近づいたため、1970 年代初頭、ソ連はプロジェクト 641b クラスの潜水艦 18 隻の建造を開始しました。これらの潜水艦は、タイプ XXI を起源とし、611 から 641 まで受け継がれてきた 3 軸スクリューのナイフテール配置を継承しました。時代遅れの推進装置レイアウトとは対照的に、当時のソ連の原子力攻撃型潜水艦で使用されていたものと同様の無響タイルとソナー装置が装備されていました。
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  このドイツの212型潜水艦は、全長の一部が単殻であるが、後半部分は二重殻になっており、燃料電池ベースの非大気依存推進装置で使用される水素タンクを圧力殻の外側に安全に収納できるスペースを提供している。
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  2000 年代後半または 2010 年代に進水する途中のこのアスチュート級船舶は、現代の西側諸国の設計のほとんどが妥協していることをはっきりと示しています。船体を水中での性能に完全に最適化するのではなく、より薄く、より簡単に成形できる鋼で作られた流体力学的に効率的な船首と船尾のセクションを、一定直径の耐圧船体の前端と後端に溶接します。このような設計は、ほぼ本質的にモジュール化されており、新しい船体セクションを比較的安価かつ簡単に耐圧船体の長さのどこにでも挿入して、設計の流体力学的性能に重大な影響を与えることなく、追加のスペースと重量容量を提供できます。

ティアドロップ型船体の全体的なテーマは、水上でのパフォーマンスを犠牲にして水中でのパフォーマンスを最大化することですが、このプロセスの正確な結果は、いくつかの要因に依存します。これらの要因の重要度の順序はそれ自体が可変であるため、特定の順序はありません。

• 潜水艦のサイズは、作戦持続時間、兵器の容量、搭載センサーに関して設計者が課した要件に応じて決まります。
• 外部機器と内部機器の配置。
• 経済的要因は、主に、3D 曲線を使用して船体セクションを設計、成形、組み立て、そして内部に機械を取り付けるという高価なプロセスに関係します。

第二次世界大戦の終結以降、西側諸国と東側の潜水艦は全体的に似通っており、二重または部分的な二重船殻設計で、内船体と外船体の間に大型の燃料タンクとバラストタンクが備えられていた。これは、圧力船体内部に圧力非感受性燃料の貯蔵のために大きな容積を確保するのは不経済だと考えられていたためである。二重船殻の使用により、船体の外形を自由に形作ることができ、圧力非感受性機器を圧力船体の外側に配置する余地ができるため、圧力船体が小さくなり、ひいては船体が小型化される。しかし、建造費と維持費は高額となる。

原子力潜水艦は、その推進システムのおかげで、この中間の空間をほとんど利用しないため、単胴型を使用するか、ソ連の潜水艦の場合のように、拡張されたバラストタンクや機器のために「空き」空間を使用する可能性が高くなります。このため、西側の原子力潜水艦は、船首と船尾で閉じられた長い管のように見える傾向がありますが、東側の原子力潜水艦は、全体的に流体力学的に効率的な形状と極端な予備浮力を持つ傾向があり、いくつかの数値は、プロジェクト941（シャーク）クラスのSSBNの予備浮力率が45％を超えることを示唆しています。スキップジャッククラスなどの流体力学的に最適化された単胴型原子力潜水艦のオプションもありますが、厚くて高強度の金属から大きな3D湾曲板を作成するのは、依然として法外な費用がかかります。

単胴型と複胴型の選択肢の他に、ソナー装置、魚雷発射管、前方の急降下面の配置に関してもいくつかの選択肢がある。小型沿岸艇では、通常、耐圧船体内に2つのデッキがあり、魚雷発射管と魚雷処理室を下甲板に配置し、ソナーを船首のより高い位置、場合によってはドイツの206型やスウェーデンのショールメン級、ヴェステルイェートランド級、およびより新しいクラスの艦のように水線より上に設置すると、メンテナンスの際にソナーに簡単にアクセスできる。もう1つの選択肢は、イギリスのアップホルダー級やソビエト/ロシアのキロ級のように、魚雷室を上甲板に配置し、アレイを船首の下半分に配置することである。これにより、船首の後ろに大型のバッテリーバンク用のスペースが確保され、専用の魚雷装填ハッチではなく上部の魚雷発射管から魚雷を装填することで、魚雷の補充が容易になる可能性がある。どちらのオプションも、船首がやや鈍くなる傾向があり、前者のオプションでは、ソナーを妨害する可能性のある流れのノイズを減らすために、 前方の潜水面を船体から帆まで移動する必要がある場合があります。

サイズが大きくなると、船の幅が長くなるため、船体の側面から発射する角度の付いた魚雷発射管を使用できるようになると同時に、船首にはるかに大きなソナーアレイを配置する余地が残される。これは、冷戦中期以降、多くの米国の原子力潜水艦で選択されたオプションであり、新しいロシアのヤーセン級潜水艦でも採用されている。以前と同様に、流体ノイズを最小限に抑えるという動機から、前方の潜水翼を帆の方に移動することになるかもしれないが、これは北極の氷を突き抜けて浮上する際に不利になる可能性があり、翼が曲がるのを防ぐための補強と高角度の傾斜機構が必要になる。より複雑な解決策は、ドイツのタイプXXIを模倣し、使用していないときに前方の潜水翼を船体にぴったりと折りたたむことであり、できれば船体側面の開口部をカバーするために追加のドアを使用する。イギリス軍が一般的に採用している3番目の選択肢は、前方の急降下翼を船首上部に恒久的に残し、港湾構造物を汚さないように時々上方に折りたためるようにし、急降下翼の取り付け位置で船首の形状を変えて乱流の発生を最小限に抑えるというものである。

推進力に関して言えば、このタイプの西側の潜水艦は、抗力を最小にするためにプロペラが 1 つになっています。ソ連海軍はこの方法を採用するのが遅く、その設計では、より大きなパワーか安全性のいずれかを提供するために、引き続き 2 つのプロペラを使用しました。206 型は、やはり抗力を最小にするために、帆の後ろの方に長く細いテーパーが付いていますが、英国のアップホルダー級は、より経済的な設計で、船体後部の最下部に短いテーパーが付いているため、内部容積が最大になり、おそらく船体の強度も向上します。このページに写真が掲載されているドイツのVII 型潜水艦は、この目的のために船体後部が急激にテーパーが付いていますが、プロペラの軸は船体の他の部分と同じになっています。

アルバコアは後翼の配置をいくつか検討した。アメリカの設計者はデルフィンの十字型配置（後ろから見たギリシャ十字）の改良版に落ち着いた。X型配置は複雑すぎるとして却下したが、舵が海底にぶつかることなく浅い海底に接近できるという理由から、オランダ、スウェーデン、オーストラリア、ドイツなどの海軍に採用され、使用された。ソ連は、XXI型Uボートに似た従来の配置を頻繁に繰り返した。

1953年8月1日、米国は実験船アルバコアを進水させた。この船体は主にヒルダ・ライオンにちなんで名付けられた「ライオン形状」に基づいたものであった。^{[1] [2]}操縦試験と様々な舵とプロペラの配置の試験が成功した後、同じ船体全体形状がスキップジャック級とバーベル級に使用され、今日のほとんどの近代的な米国潜水艦は^{[いつ? ]}その形状のバリエーションを使用しており、中央に延長された円筒が主圧力殻を構成している。インターネットの黎明期にアルバコアが大きな注目を集めたため、アルバコアに触発されたものか、同時期に独自に開発されたものか、あるいはアルバコアより完全に古いものかに関係なく、アルバコアに少しでも似たデザインは「アルバコアの船体」と呼ばれる可能性が高い。