継続して実用に耐える軍用潜水艦が誕生してからおよそ一世紀になる。ところが、この潜水艦なる代物はこれまで民生用に利用されることがほとんどなかった。ほぼ同時に誕生した飛行機がおなじく軍用を基礎として発達しながらも、いまでは長距離移動のための手段として欠くことのできないものと化しているのに比べると、その違いは大きい。このためだろうが、潜水艦というものに対して一般社会が持っている知識はひどく貧しいと言わざるを得ない。なにか潜水艦がらみのニュースが流れるたびに解説が行なわれるが間違いも少なくなく、間違いでないにしても誤解を招きかねないようなものは枚挙に暇がないのが現状である。かのヒット作「レッドオクトーバーを追え」でも、はたして読者のどれだけがあの緻密な、しかし必ずしも正確ではない描写を完全に理解できていただろうか。
ただ沈むだけなら簡単である。比重が１よりも大きければ（正確には海水の比重よりも大きければ）その物体は沈む。これは中学生も知っているごく基礎的な物理学である。しかしそれでは海底までとめどもなく沈み続けるだけで、潜水艦としての実用性は無い。潜水艦が潜水艦であるためには、少なくともその浮沈を制御できなくてはならない。潜水艦の比重が１よりも小さければ浮上し、１よりも大きければ沈降する。そしてその深度を維持するためには、１前後を保持する必要がある。潜水艦は、この制御をメインタンクを用いて行なっている。
メインタンクは上下に開口部があり、下部は開放されているが上部には弁があって開閉可能となっている。この弁は「ベント弁」と呼ばれており、潜水艦映画などではおなじみの名前だが、この弁のなんたるかはほとんど知られていないだろう。浮上状態では、ベント弁は閉鎖されている。タンクの大部分は空気で満たされており、気圧の働きのために下部の開口部からは海水は進入できない。潜航に移る場合には、このベント弁が開放される。するとメインタンク上部からは空気が逃げ、それを追うようにして下部からは海水が進入し、潜水艦は沈降をはじめる。適度なところでベント弁を閉鎖するが、すでに充分な重量を得た潜水艦は沈降を続け、ついには海面下に没する。
浮上するためには、これとは逆にメインタンクに空気をとりこみ、海水を追い出して比重を小さくすればよい。ただ、潜航の場合と違って厄介なのは、必要な空気を準備しておく必要があることである。潜水艦の命綱とでもいうべき高圧タンクには常時数十気圧の空気がため込まれており、浮上の際にはこの高圧タンクからメインタンクに空気を送り込む。ベント弁は閉鎖されたままなので、メインタンク下部の開口部から海水が追い出され、空気が満たされて浮上する。この号令が「メインタンク・ブロー」である。浮沈の調整は、このふたつの作業によって行なわれるが、実際には重量調節用の小型タンクがあって、そこの海水量を調整することで行なっている。
宇宙船が宇宙空間に飛び立つためには、気密性を確保しなければならない。その事情は潜水艦も同一である。宇宙空間も深海も裸の人間が生存できる環境ではない。しかし宇宙船が地上から高度４００キロメートルの宇宙空間に到達したとしても、その気圧差は１気圧とゼロの違い、つまり１気圧に過ぎない。これに対して潜水艦が３００メートルまで潜航した場合、その船体に加わる水圧は３１気圧にもなる。潜水艦はこの水圧に耐えてなお行動能力を保持する必要がある。水圧に耐えるのにもっとも有利な形状は球体であるが、水中および水上での運動性を確保するためには球体は逆に不利であるため、一般には球体を引き伸ばした紡錘形もしくは葉巻型とされている。最新の潜水艦の安全潜航深度は、潜水艦の性能の中でもっとも重要な機密事項となっているが、巷間言われるところによると４５０〜７５０メートルといったところらしい。実際には安全率を２・３倍見込んでいるので１０００メートルは潜れることになる。深度１０００メートルでは、水圧は１００気圧に達する。
潜航中は、メインタンクにはそれほど水圧がかからない。タンク内にも海水が充満しており、外部からの圧力を相殺するからである。そこで、潜水艦の基本設計様式としてメインタンクを耐圧区画外とする設計と、タンクを耐圧区画内にとりこむ設計がある。前者を複殻式、後者を単殻式と呼ぶ。現代の潜水艦の多くは複殻式だが、単殻式も少なくない。耐圧区画は水圧がまともに加わるため、材質、形状、工作その他あらゆる手段をつくして水圧に耐えられるように製造される。潜水艦の耐圧鋼板の開発は非常に重要かつ機密を要し、どこの国でも詳細はほとんど発表していない。伝えられるところでは日本の鋼板製造技術はかなり高いレベルにあるという。鋼板でなくチタンを使って深深度潜航を実現した例もある。形状は既述の通り紡錘形または葉巻型となっている。船体を補強するために適当な間隔でフレームを入れているが、これには内フレーム式と外フレーム式がある。内フレーム式の方が重量的にも構造的にも有利なのだが、現代では外フレーム式が主流になっている。これは、多少の不利はしのんでも耐圧区画内の空間利用に有利なことが決定的だからである。ただし、耐圧区画がそのまま船体外板となる単殻式では必然的に内フレーム式となる。
潜水艦を前進させる機構の基本は、通常の水上船とかわることがない。つまり、スクリュー推進である。決定的に違うのは、このスクリューにいかにして動力を与えるかということである。現代世界で普遍的に用いられている動力機関である内燃／外燃機関は、その種類に関らずどうしても必要なものがある。空気、特にその中に含まれる酸素である。ところが、この酸素はこれら機関に利用可能な形で水中に存在しない。同様に空気のない世界を行く宇宙船のロケット機関は酸素を地上から持参している。これと同様に酸素を過酸化水素の形で水中に持参する機関の研究がすすめられており、現在では実用試験の域にまで達しているがいまだ確実な推進機関として認められるにはいたっていない。
現代の実用潜水艦が採用しているのは、空気を必要としない機関である。一つは電池式の電動機関、もうひとつは原子力機関がそれである。電池式の機関には非常に重要な制約があって、単純に電池を使い切ってしまえばおしまいというものである。この電池の容量は普通に考えているものよりもはるかに小さく、ごく低速で数日、全力で数時間しかもたない。これだけでは実用的でないので、水上航行および充電のために内燃機関（ディーゼル）を装備している。かつての潜水艦は水上航行が常態、いざというときには水中潜航もできる、といったものだった。現代では水上航行は出入港時をのぞけばほとんどあり得ない。ディーゼル機関は浅深度において給排気のためのシュノーケルだけを水面上に出した状態で用いられ、適宜このシュノーケル潜航を用いて充電を行なうのを常としている。この形態を「通常動力式潜水艦」と呼び、「原子力潜水艦」に対比する。「通常動力式潜水艦」の長所は、特別な技術や能力がそれほど必要でないこと、建造費用が廉価なこと、そして原子力潜水艦に対して静粛性で有利なことである。
「原子力潜水艦」は、これとは全く違う原理を用いている。原子力潜水艦の動力である原子炉は酸素を必要としない上に、ほとんど燃料の補給を必要としない。一旦燃料である核物質を搬入すれば、数年あるいは１０数年は補給の必要はない。実用上、ほとんど無尽蔵の動力を持っていると考えてよい。必要であれば電池残量を気にせずに全力発揮も可能であるし、空調などの生活環境の維持のためにふんだんに電力を使用できる。原子力潜水艦の欠点は、建造および維持のために多大の費用と手間がかかることである。かつてソ連からインドに原子力潜水艦が貸与されたことがあるが、ほどなく返却されてしまった。また、原子力潜水艦は通常動力式潜水艦に比べて静粛性で不利とされている。これは、原子炉に必須の冷却水循環ポンプがどうしても騒音を出すからである。最近の原子力潜水艦はこの点で格段に進歩しているといわれるが、通常動力式潜水艦では不要な努力であることにはかわりない。
潜水艦の特殊性のひとつは、地上の世界であれほど威力を発揮した電磁波による探索・通信がほとんど利用できないことである。可視光を含む電磁波は、海中に入ると急激に減衰する。その減衰度合は波長によって異なるが、減衰の小さい超長波においてすら、深度数十メートルでの受信が限度である。周波数の低い超長波では、ほとんど取るに足りないような情報量しかのせることができない。米海軍では、これを通信のための呼び出し符号として使っている。潜水艦は一定時間ごとに数十メートルにまで浮上してきて、潜航状態で超長波通信を受信してそれが自艦に対する呼び出しであったなら、決められた時間に通信アンテナを露頂してより詳細な通信を受信するという手順になっている。
潜水艦が外界に対して開いたたったひとつの窓として潜望鏡がある。しかし、今ではいわゆる「潜望鏡」の価値は大きく減少している。その一方で、潜望鏡の重要性は増している。光学的手段による潜望鏡が利用される場面は今後多くなることはないだろう。しかし、潜望鏡は潜航中の潜水艦が唯一外界と交流できるツールとして多様な任務を付加されている。潜望鏡に通信アンテナ、電波探知機、レーダーアンテナが作り付けられているのはもはや当たり前である。逆にいえば、地上の世界と交信するためには潜望鏡だけが頼りなのである。ここで潜望鏡と称しているのは、今や単にレンズとガラスが嵌め込まれた筒のことではなく、司令塔に林立している各種の昇降可能な一群の構造物のことである。
潜水艦はこのように、地上で普遍的な電磁波とほとんど縁を切った世界の住人である。そのこと自体が実は潜水艦の存在意義でもある。単純に潜水艦というものを考えてみれば、これほど非効率的な船はない。「海中では造波抵抗が生じないので推進効率がよい」とする者もあるが、そんなものは潜水のために必要な多くの余計な設備を補うにはとても足りない。ではなぜ潜水艦が現代軍艦の首位にあり、これほど普及したかといえば、それはひとえにその隠密性のためである。海中に電磁波が届かないということは、それとは違った手段で探知しなければならない。ところが、電磁波によらない探知技術というのは、非常に非効率かつ不確実なのである。「潜水艦の価値は、遍在性にある」と述べた提督があるが、すなわちそこにいるかいないか分からない、いないかも知れないけどいるかも知れない。それによって相手に無用の手間と努力を強いるのが潜水艦の最大の価値といえよう。
普段、電磁波とほとんど縁のない潜水艦にとってある程度の遠達性があって探索に使用可能なのは音波である。ただし、この音波を電磁波と同じように扱うことはできない。なぜならば、音波の伝達速度は電磁波に比べて桁違いに小さく、しかも外界の影響を受け易いからである。例えば、真空中において電磁波のエネルギーは距離の自乗に反比例する。これは、発信源を中心とする球体を考えたときにその表面積は距離の自乗に比例し、その表面積全体で一定量のエネルギーを分担するからである。この事情は大気中にあっても変わらない。大気による減衰はそれほど大きな要素ではない。ところが、海中ではこれに加えて海水による減衰が生じる。この減衰は大気中に比べるとはるかに影響が大きく、距離によるエネルギーの低下はかなり激しい。このため、潜水艦では音波の輻射に非常に慎重にならざるを得ない。なぜなら、自艦から発した音波が目標に到達し、さらに反射して自艦に戻ってくるには目標までの距離の二倍を経由することになるが、この間の減衰に耐えるだけの強度を持った音波は、目標では聞き逃しようもない強さを残しているに違いないからである。結局、音波を輻射することによって目標の位置を確定できる確率に比べて自艦の位置を暴露してしまう確率の方がはるかに高いと言わざるを得ない。勢い、潜水艦の音波利用はもっぱら受動的なものになる。
潜水艦艦長にとってまず第一の関心事は、その海域での変温層の存在である。海面近くでは、海流や波浪の影響によってほとんど水温が一定の層が存在する。この層がいわゆる「変温層」で、数十メートルから数百メートルの深さに達する。この変温層の上下間では、音波の到達がひどく阻害される。層の境界線付近で、あたかも光が鏡に反射するように音波が反射されてしまうからである。層の上下間でごく至近距離にありながらお互いに気付かないということも充分に有り得るのだ。この変温層の深さは場所と時期によって変動する。変温層がないということも有り得る。このために主要海軍では海洋調査にかなりの手間と経費をかけている。
もうひとつ、ＣＺについて説明しなければならないが、そのためには水中での音波の挙動について知る必要がある。これは変温層以下の話だが、音波をある角度で下向きに発したとする。深度が下がるにつれ、水温は下がってくる。水温が下がると、音波の伝達速度は小さくなる。その結果、音波はより深い角度でもぐって行く。例えばはじめは３０度で発せられた音波が４０度５０度とどんどん下向きになっていくのだ。ところがこれもある深度までの話。ある深度を超えると、水温にはほとんど変化がなくなってくる。以後影響を与えるのはもっぱら水圧になってくる。一定の水温で水圧が高まってくると、これまでとは逆に音波の速度は大きくなる。結果、これまで下向きだった音波は上向きに転じはじめ、３０００〜４０００メートルの深度に達すると今度は浮上しはじめる。潜ってきたのと反対の経緯を経て、音源から１５キロないし２０キロの地点ではちょうど同じくらいの深度に達し、しかもこの過程をへて音波はあたかもレンズで集められたかのごとく収束される。結果、これら収束域（コンバージェンスゾーン、ＣＺ）の音はかなり明瞭に聞き取れる。この第１ＣＺから同様の過程をへて第２ＣＺ、第３ＣＺと同心円上をなす。音波状況がよければ、第３ＣＺくらいまでは実用に耐えるという。ＣＺが生じるためにはまず数千メートルという深度が必要なので大洋の真ん中でしか使用できない。このＣＺの生じ方も状況に左右されるので、これまた海洋調査の動機となっている。
かつては水中聴音機と呼ばれたパッシブソナーは、受動的に外部の音を聞き取るものだが、その周波数は低い方へ低い方へと向かっている。これは低周波音の方が遠達性があるからだが、その反面含まれる情報量が小さくなることも確かである。つまり、方角や距離といった要素の正確性を維持するのは難しくなる。周波数が低くなる（すなわち波長が大きくなると）と必然的に聴音機のサイズは大きくなる。かつてはオマケのように艦首部にぶらさげていた聴音機も、いまでは船体前部のかなりの容積を占領している。ソナーの受音器が艦首におかれるのは艦尾にあるスクリューの雑音を避けるためだが、そのためにかえって艦尾方向が死角になる。そこで現代の潜水艦はＴＡＳＳと呼ばれる曳航ソナーを装備している。艦尾から数千メートルにもおよぶワイヤーを引き出して、そこに配列式のソナーを備えている。艦尾方向の死角は小さくなるが、当然運動は制約される。また船体側部にソナー受音部を並べて、その時間差から方角を決定しようとするコンフォーマル・ソナーが最新の潜水艦では採用されている。
潜水艦の主要武器といえば伝統的に魚雷ということになっている。ミサイルの発達によって魚雷の重要性は下がっているとはいうものの、依然として主要な武器のひとつであることには変わりはない。水上艦もしくは航空機（ヘリコプターを含む）が搭載する魚雷は小型化していったが、潜水艦の魚雷はむしろ大型化する傾向にある。潜水艦同士の戦闘ではどうしても魚雷を使用せざるをえないような状況というのが少なからず生じるため、魚雷の高性能化が不断に続けられた結果であろう。
さて、現在ではミサイルというのは自動ホーミング機能をもったものと理解されている。実はミサイルの定義としてはホーミング機能は必要ではないのだが、実際にはミサイルのほとんどすべてはなんらかの誘導機能を備えている。魚雷もこれに近い。ミサイルであっても魚雷であっても、誘導には自立的な誘導方式と外部制御による誘導方式がある。ミサイルであれば話はそれほど難しくない。電磁波が利用できるからである。ところが海中では電磁波は使用できず、音波を利用したとしても載せられる情報量は誘導に必要なほど多くない。しかし海中には相対的に非常に多量の雑音源が存在するので、最終的な誘導は自立式にするとしても、できるだけ外部から（つまり人間によって）誘導する方が望ましい。そのために採られた方策は原始的でしかも確実なものであった。すなわち誘導のための電線を魚雷がひきずって走るというものである。これをどうしても信じようとしない人がいたが、事実である。
戦時中、日本の魚雷はその高速と大射程を誇っていた。主な目標が水中の潜水艦になると、確実な誘導の方が重要になってきており、誘導に電気を使う関係上、電池式の魚雷が重宝されるようになってきた。これまでのような内燃機関式の魚雷では、深深度になると水圧に抗して排気を排出するために出力のかなりの部分を消費してしまい速力が低下することも要因のひとつだった。ところが、潜水艦が深深度化するとともに高速化し（原子力化が大きな要因）、低速の電池魚雷ではこれに対処しきれなくなった。所詮、エネルギー密度という点では電池よりも内燃機関の方が有利である。魚雷用機関の研究が進んだこともあって、最新の魚雷ではかつての日本の魚雷に匹敵する速力を深深度で発揮できるようになった。高速化により有線誘導は難しくなり、現代ではむしろ自動捜索パターンのプログラム化が進んでいるらしい。
魚雷発射管はかつては艦首部に配置されていた。今ではその位置をソナーに譲って船体中央部に下がっている。魚雷発射管はひとことでいうと外と内にそれぞれ水密の扉がついた文字どおり筒であって、管内の海水を排水した状態で後部扉を開き、魚雷を挿入して扉を閉じ、また管内を満水にして外部の水圧と均等にしたのちに前部扉を開いて魚雷を発射する。それだけである。戦時中には魚雷を発射するには空気圧を用いた。この方式では発射時に海面に顕著な気泡が現われるという欠点があったが、潜水艦が必ず持っている高圧タンクを利用できるという長所があった。戦後になると前記のような欠点に加えて深深度では発射できないということが問題となって発射は水圧式になった。潜水艦の相手は潜水艦となり、深深度で魚雷を発射する機会が増えると考えられたからである。現代ではさらに進んで、発射音を聞かれることを防ぐために発射管内で魚雷を始動して自走で発射されるスイムアウト式が主流になっている。このためには魚雷と発射管のあいだに充分な間隔があって前部の海水が後部に流れることができなくてはいけない。そのために魚雷発射管はこれまでのものよりも太くなっている。これまでのような魚雷を使用するためにはケースを使用する。
潜水艦の主要武器である魚雷の射程はせいぜい数千ないし数万メートルである。いずれにせよ、探知手段であるソナーが追い付かないのでこれより大射程にしてもあまり意味はない。この潜水艦に「長い槍」を与えることになったのがミサイルの装備である。かつて戦略核兵器が誕生したころ潜水艦に巡航核ミサイルを装備させたことがあるが、運搬手段の発達でやがて廃れた。ミサイルの小型化により魚雷発射管から、しかも潜航したまま（かつての巡航ミサイルを発射するには浮上する必要があった）発射することができるようになったとき、潜水艦は長い槍を手に入れた。管制のための追加艤装は必要だったが、船体の構造に変更を加えずにミサイルを発射できるようになった意義は大きい。これで潜水艦は戦術的な役割から大きく飛躍して戦域的・戦略的な影響力をも持つようになった。今では逆にミサイルに合わせて魚雷発射管を大型化しているような状態である。これがまた魚雷の大型化を許容するという結果を呼んでいる。
この小文ではもっぱら潜水艦の、しかもいわゆる攻撃型潜水艦に特有な事柄を中心に記述した。一般論に終始して具体的な例はほとんど出していないし、数字もほとんど出していない。潜水艦については機密事項が多いので漠然とした記述が多くならざるを得ない。それでも基本的なことについては大体触れたつもりである。これを基礎にして多少でも潜水艦というものについて興味をもっていただければ幸いである。解説のための図を入れることができなかったのは残念だった。