대한민국 국방부

잠수함

잠수함 추진 체계

추진 체계의 구분

잠수함의 크기와 성능을 결정하는 데 가장 큰 영향을 미치는 것이 추진 체계이다. 추진체계는 디젤/축전지 추진 체계, 무급기(無給氣: AIP) 추진 체계, 원자력 추진 체계로 구분한다.

디젤/축전지 추진 체계는 재래식 잠수함의 가장 오래되고도 범용적인 추진 체계로서 디젤 엔진으로 구동되는 발전기를 통해 생성된 전력을 잠수함 하부에 설치된 수백 개의 대형 축전지에 충전한 후 축전지 전력으로 추진 모터를 구동시켜 추진력을 얻는 체계이다.

이 추진 체계는 오랜 사용 기간을 거쳐 많은 발전을 통해 가장 신뢰성이 있고 조용한 추진 체계로 인정을 받고 있다. 그러나 발전기 구동을 위해서는 함 외부로부터 공기를 공급받아야 하므로 수면 근처까지 부상하여 스노켈 마스트를 노출시키고 1일 수시간의 충전 작업을 실시해야 한다. 이때 잠수함의 소음이 크게 발생하고 직경이 큰 마스트를 노출시킴으로써 피탐될 가능성이 증가된다. 또한 자체 소음으로 인해 음향 탐지 장비의 감도가 저하되어 탐지를 어렵게 하는 약점을 보유하고 있다.

함 속력의 증가에 따라 요구되는 전력은 기하급수적으로 증가하여 통상 4노트의 속력으로 100시간 이상 항해할 수 있는 축전지가 최고 속력에 이르면 약 1시간 정도밖에 항해를 할 수 없어 어뢰 공격 후 역 공격을 피하기 의해 신속히 이탈해야 하는 등 고속을 사용할 경우 단 시간내에 재충전을 위한 스노켈이 요구되므로 적에게 탐지될 우려가 많다.

무급기 추진 체계(무급기, AIP:Air Independent Propulsion system)

축전지 충전을 위해 스노켈을 실시해야 하는 디젤/전기 추진 체계와는 달리 함내에 저장된 산소 및 연료를 사용하여 수중에서 축전시 충전 및 추진에 필요한 전원 공급이 가능한 시스템이다.

AIP시스템만으로 함의 모든 출력 요구를 감당하는 모노 시스템(Mono System)과 AIP시스템과 축전지를 동시에 보유하여 적에게 노출될 위험이 없을 시에는 디젤 발전기 및 축전지를 사용하고 위험 상태하에서는 소용량 AIP시스템을 사용하는 하이브리드 시스템(Hybrid System)이 있으며, Hybrid System이 주로 개발 및 실용화되고 있다. AIP시스템의 원리만 설명하고 구체적인 성능이나 장단점은 제작 회사의 입장을 고려하여 생략하기로 한다.

발터터빈(Walter Turbine), 크라이스라우프 디젤(Kreislauf Diesel)은 제2차 세계대전중 독일에서 연구되었으나 종전과 함께 중단되었다.

폐회로 디젤 시스템(Closed Cycle Diesel System)은 동력원으로 일반 디젤 엔진을 사용하나 연소 후 생성된 배기가스 중 수증기 및 CO2를 제거한 후 함내에 저장하고 있는 산소(Liquid Oxygen)를 첨가시켜 흡기 쪽으로 되돌려 주므로 외부 공기와 무관하게 운전된다. 제거된 CO2는 압축기를 이용하여 함외로 배출하거나 해수에 용해시켜 배출하며, 또한 화학 물질에 용해시켜 함내에 저장하거나 가스 상태로 CO2 저장 탱크에 저장한다. 스털링 엔진 시스템(Stirling Engine System)은 동력원으로 외연 기관인 스털링 엔진을 사용하여 발전기를 구동하며, 압축과 팽창의 관점에서 볼 때에는 일반 내연 기관과 유사하나 동력 피스톤이 폐회로 동작 가스(Working Gas: 수소, 헬륨, 공기 등) 내에서 동작되며 열 교환기를 통하여 열이 지속적으로 전달되는 점이 다르다. 다시 말하면 연료와 산소가 연소실에 공급되고 연소실에서 발생된 열은 고온 전도 가스에 의해 전도되며, 전도 개스 팽창에 의해 피스톤을 작동시키고 냉각기 및 재가열기를 통해 순환된다. 연료 전지(Fuel Cell)는 물을 전기 분해하면 수소와 산소가 발생되는 원리의 역 과정에 의해 산소와 수소를 합성시 화학적 에너지가 발생하게 되는데, 이를 전기적 에너지로 바꾸어 추진력을 얻는 방법이다. 메스마(MESMA: Module Energie Sous Marin Autonome)는 AIP의 불어식 표현이다. MESMA는 에탄올과 산소를 연소시켜 증기 발생기를 구동시키고 발생된 증기로 증기 터빈을 작동하여 추진력을 얻는 시스템이다. 연소시 발생되는 CO2와 물은 앞에서 언급한 폐회로 디젤 체계에서의 처리 방법과 유사하다.

원자력 추진 체계

우라늄 235나 플루토늄 239 동위원소의 원자에 중성자가 흡수되면 우라늄의 원자핵이 미세한 입자로 갈라지는 핵분열 현상이 일어난다. 이 분열된 핵은 원자로(Reactor)내에서 초 고속 운동을 일으켜 원자로 내벽에 부딪쳐 고온의 충돌 열을 발생시킨다. 이 충돌 열을 이용하여 증기를 만들어 터빈을 돌림으로써 추진력을 얻는 체계이다. 거의 무제한의 잠항지속 능력을 제공하며 수중에서 35노트 이상의 고속을 낼 수 있어 17세기 프랑스인 드송(De Son)이 꿈꾸었던 무적함에 접근하고 있다. 터빈과 감속기어에서 나는 소음으로 인해 피탐 가능성이 많은 것이 단점이지만 최근 소음 감소 기술의 발달로 디젤 잠수함보다 더 조용한 원자력 잠수함이 탄생하고 있다.

프로펠러(Propeller)

프로펠러는 잠수함의 동력원(축전지, 원자로)으로부터 추진 모터 또는 터빈을 거쳐 최종적으로 추진력을 얻게 하는 장비이다. 따라서 프로펠러는 물과의 마찰로 인하여 가장 큰 소음을 유발하므로 소음을 줄이기 위하여 날개 수를 7개로 하고 프로펠러 끝이 회전 방향과 반대로 구부러지게 한다 .(Back Skewed Propeller) 그리고 펌프제트(Pump Jet)나 프로펠러 카바(Shroud)를 사용하기도 한다.
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