잠수함의 추진 시스템

 

 

잠수함의 추진 시스템  

-----------------------------------------------------------  

잠수함의 추진 시스템에서 가장 중요한 것은 스크류 이다.

초창기의 잠수함은 대부분 그리 크지 않은 크기의 2 개의 스크류를 갖고 있었으며 2차대전 후에도 큰 변화는 없었으나 대잠항공기와 대잠헬기의 발달이 가속화되어 공중에서 수중의 음파를 잡아내어 공격하는 시대가 오자 2 개의 스크류는 소음발생이라는 면에서 절대 불리하여 1 개의 스크류로 줄어들게 된다.

현재는 러시아의 일부 원잠과 순항미사일을 장착한 원잠을 제외하고는 거의 전부가 1 개의 스크류로 운항을 하며 이런 추세가 되자 엔진도 변하게 되었다.

초창기에는 디젤엔진이 스크류를 직접 돌리게 설계하였으나 ,,, 

엔진 소음이 잠수함 외부로 그대로 방출되고 진동 또한 심하여 도대체 은밀한 공격을 주 특기로 하는 잠수함에는 치명적 인 약점으로 작용하게 되자 이제는 디젤엔진은 발전기를 돌려 그 전기를 축전지에 충전하고 그 축전지의 전기로 전기모타를 돌리고 그것을 스크류에 연결하여 운항하는 등 소음감소를 위한 상당한 발전이 이루어 진 상태이다.

그리고 스크류의 회전 속도가 적을수록 소음은 감소하므로 저회전하게 되었고 회전속도가 낮아 속도가 떨어지자 물을 차 내는 면적을 넓혀서 속도를 증가시킬 수 밖에 없어서 직경이 20 미터를 넘나드는 대형 스크류가 채택되었다.

즉, 스크류의 직경은 엄청나게 커지고 회전수는 감소하여 천천히 돌면서 단번에 많은 물을 차 내는 방식으로 변경된 것이다.

현재의 잠수함의 항진은 직경 10 ~ 20 미터나 되는 거대한 스크류가 1 분당 20 ~ 30 회정도로 천천히 회전하면서 전진하는 것이 상식화된 것이다.  

이 회전수는 수상 전투함 대부분이 사용하는 3 옆 스크류에 비하면 1/100 정도 밖에 되지 않는다.

최근, 독일의 지멘스 사는 영구자석을 사용한 요상한 모터를 개발하여 최저속도일때나 최고속도일때나 소음의 변화가 없는 추진모타를 개발했는데, 이런 모타의 장점은 별개 아니고 스크류 음파를 탐지한 적 잠수함이 소음의 변화가 없으니 빠른지 느린지 속도를 계산하지 못하게 적의 공격 타이밍을 잡지 못하게 혼란스럽게 만들어서 도망치는 시간을 벌 수 있는 장점이 있다.

또한, 브러쉬가 없는 모타, 초전도방식의 무접점 모타 등등 많은 개발 작품이 나와서 잠수함에 채택되어 소음감소에 기여하고 있는 중이며, 또 시험 중이기도 하다.

초전도 모타는 모든 물체는 절대온도인 -273 ℃ 에 가깝게 냉각시키면 저절로 자기장이 발생하여 두개의 물체가 붙지 않으므로 마찰이 없어지는 현상을 이용한 모타인데 지금으로서는 이론적으로 완벽한 모타인 셈이다.

전혀 마찰이 없으니 열도 발생치 않을 것이고 소음도 전혀 없을 것이기 때문이다.

그러나,  영하 273도 라는 지극히 낮은 온도를 만들어 내고 , 유지해야 하는 장치를 잠수함속에 설치해야 한다는 공간 확보의 문제와 그 실용성의 검증이 완료되지 않았기에 지금으로서는 이론만으로 존재할 뿐이지만 이 초전도모타는 좀 더 시간이 지난 이 후에나 실용화 될 것으로 추정되고 있다.

 

이렇게 신기한 기슬이 개발되어 실용의 단계에 가기는 하지만 실제로 상용화되기 까지에는 수없이 많은 시행착오와 실패로 인한 언론의 비아냥과  돈이 깨어지므로 .... 신기술 하나를 상용화 한다는 것은 돈 많은 선진국이 아니면 어려운 것이다.

특히나 온 갖 루머와 가짜 뉴스가 휘날리는 지금 같은 시대라면,,,

군사 장비에 투자하는 그 많은 돈의 용도에 대한 감사와 똑바로 하라는 추궁에 시달린다면,,,

과연 그 누가 개발하려고 할까 ?

잘 못 하다가는 국민 세금 떼어다 먹는 망할 개놈이 될 것이 뻔한데 말이다.

이 외에도 잠수함의 추진시스템 중에서 가장 집중적으로 연구된 것이 스크류의 날개 숫자와 휘어진 각도일 것이다.

초창기의 잠수함은 주로 수상함과 같이 수상운항을 하다가 필요시에만 잠수하였기에 수상함과 같은 날개수 3 개의 간단하고 자그마하며 동그스럼한 스크류를 사용하였으나 ,,, 

잠수함의 방향전환을 돕는 종횡타가 일으키는 수류를 스크류가 때려서 내는 소음이 너무 컸고 수류가 만나는 부분에서 발생하는 캐비테이션( Cavitation ; 수중에서 스크류가 고속회전할 때, 수압차이로 인해 발생하는 진공 방울 ) 이 심각할 지경이며 ,,,

이 진공 방울이 터지면서 내는 파열음이 대단한 걱정거리로 등장하여 회전압력이 적은 저속 회전방식의 스크류를 개발하게 된 것이다.

물론, 앞 서 말한 바와 같이 스크류의 날개 숫자와 면적은 넓어진다.

지금의 잠수함 스크류는 전부 직경이 아주 크고 부메랑 처럼 옆으로 꺽인 형태에 날개수가 7 개인 7 옆 스큐드 스크류가 대부분을 차지하며 앞으로도 상당기간 이 7 옆스큐드 스크류가 적용될 전망이다.

최근에도 진수하는 다른 나라의 잠수함 사진을 보면 스크류는 천으로 완전히 감싸서 외부 노출이 되지 않게 철저히 보안 사항으로 취급한다는 것 만 보더라도 그 중요성을 알 수 있지 않겠나 ...

그리고, 엄청난 압력을 받는 스크류는 강도도 강해야 하지만 마모가 되지 않아야 하므로 청동계열의 합금을 사용하게 되었고 진동을 발생시키지 않도록 각별히 그 소재개발에 열심이며 지금도 잠수함의 스크류 소재는 계속 연구되어 지고 있다.

만일, 수중에서 쉽게 마모된다면 갈수록 속도는 떨어질 것이고 스크류를 자주 갈아 끼워야 할 것이기 때문이다.

그도 그럴것이 만에 하나라도 스크류의 소재, 설계, 제작, 장착 등에서 오류가 난다면 그 잠수함의 생존률은 형편없이 낮아지고 마는 것이기 때문이다.

이 소음발생이라는 측면에서는 미국이 구소련에 비해 단연코 앞서 있었고 미국도 그렇게 믿고 있었는데 구소련의 잠수함 소음도 거의 없다는 것이 판명된 사건이 벌어진다.

1980년대 중반에 대서양 해저에서 미국원잠과 구소련 원잠이 수중에서 충돌하는 희안한 사건이 벌어진 것을 기억하실 것이다.

미국의 6000톤 급인 로스엔젤리스급 잠수함 공격용잠수함 SSN-752 파사데나 호가 구소련의 13000톤급인 델타3급 탄도미사일잠수함 K-?? --- 숫자는 잘 모르겠음 . 찾아보시면 나올 것임 ---  을 추적하다가 놓쳐버린 것이다.

미국 잠수함 함장의 당황스러움이 극에 달하여 이리 저리 찾아 헤맸고 소련 잠수함은 도망치느라고 우왕좌왕하다가 같은 항로에 들어서서 박치기를 한 것이다.

그 드넓은 바다에서,,,

바다의 입장에서 본다면 하나의 점과 같은 그 작은 잠수함이 박치기를 하느냐고 하시겠지만 이런 희안한 일이 가능한 것이 바다밑에서도 아무데나 가다가는 해저 지형과 부딪히는 사고를 당할 만큼 지형이 고르지 못해서 가는 길로만 다니니 그런 일이 벌어지는 것이다.

이 사건으로 미국 잠수함이 소음이 훨씬 적어서 소련 잠수함을 언제나 먼저 발견할 수 있고 따라서  마음만 먹으면 언제라도 선제 공격으로 잡아죽일 수 있다는 미국 해군의 철석같은 믿음은 한 순간에 깨어져 버린다.

3 년에 걸친 미 CIA (국가정보국) 와 NSA (국가안전국) 의 조사로 전편에서 말한 일본 도시바社의 공산진영 수출금지품목인 9 축 공작선반을 소련에 팔았고 유럽에서 소프트웨어를 도입한 소련에서 직접 소음이 거의 없는 스크류를 자체 제작한 것이밝혀졌다.

이 때, 미국은 도시바를 패 죽여버렸어야 했는데 .... 

일이 이렇게 꼬이자 미국은 최근, 펌프제트(Pump Jet) 라는 더 개량된 추진 방식을 개발하였다.

이것은 어떤 방식이냐 하면 기존의 7옆 스큐드 스크류를 커다란 원형파이프(시라우드 링) 으로 덮어서 스크류가 외부에 노출되지 않게 만든 추진장치로서 캐비테이션이 발생하여도 그 거대한 원형 파이프 속에서 휘말리는 수류에 의해 진공방울을 더 이상 터지지도 않을 만큼 잘게 부셔서 내 보내기에 큰 문제가 되지 않게 만든 것이었다.

현재, 이 방식을 채택한 잠수함은 미국의 트라팔가급 공격원잠으로서 7 척이 실전 배치되어 있으며 이 방식은 15 ~ 20 노트 정도의 저속에서는 소음이 99.9% 없는 것으로 평가되었으나 추진효율이 낮아지는 단점이 있어서 현재 다시 개량중이다..

아마도 시라우드 링 속에다 나선형 칸막이를 하여 수류가 더욱 빠르고 부드럽게 흘러나가게 만든다고 알려져 있으나, 아직 공개된 무엇이 전혀 없다.

아직까지도 2개의 스크류를 달고 운항하는 잠수함은 영국의 뱅가드급 원잠과 소련의 델타 2 급이 있는데 영국의 뱅가드급 원잠은 숀 코넬리가 주연한 [레드 옥토버] 라는 영화에 등장하는 소련 잠수함의 원형일 만큼 그 겉모습부터 멋있게 생겼다고 한다.

추진시스템중에서 두번째 중요한 것은 엔진이다.

스크류가 첫째인 이유는 소음의 직접적 원인이 되기 때문에 그러하고 엔진이 두번째인 이유는 선체안에 있어서 그만큼 소음의 누출이 적기에 그러한 것이다.

가장 많이 사용되는 엔진은 디젤엔진이다.

사실상, 가솔린 엔진이 소음은 덜 내는데 왜 디젤을 사용하느냐 하면 정비의 용이성때문이다.

잠수함은 부력을 유지해야 하기에 가능하면 필수불가결한 것 외에는 화물을 적게 싣고 다녀야 하는데 가솔린엔진은.... 우선 엔진구조가 디젤보다 훨씬 복잡하여 점검, 정비에 신경이 많이 쓰이고 교체용 부품이 많아서 싣고 다녀야 하므로 화물량이 많아져서 속도와 무게와 부피면에서 절대 불리하기에 그런 것이다.

연료의 인화성도 고려의 대상이 되었고 ...

디젤엔진은 초창기에는 직접 스크류를 돌렸으나 지금은 그런 방식으로 운항하는 잠수함은 아예 없어졌고 디젤엔진은 오로지 축전지의 충전에만 사용된다.

즉, 수면에 떠 올라서 공기대롱 (스노클) 만 내어 놓고 재빨리 디젤엔진을 가동하여 충전시키고 다시 잠수하는 것이다.

공기대롱을 수면에 내밀고 엔진을 가동하는 이유는 연료만으로는 엔진가동이 되지 않고, 공기 중의 산소를 흡입하기 위해서이다.

그런데, 이 방식이 참 조심스러운 방식이며, 디젤 잠수함의 최대 약점이다.

 

이런 방식의 운항을 매일 반복하자면 적국의 영해에서는 위험하기가 짝이 없는 것이다.

공기대롱 ( 스노클 ) 을 수면에 올리고 디젤엔진을 가동시킨다고 하지만 ,,,, 

그 시간이 짧지 않고 대체로 3 ~ 6 시간 정도는 엔진을 가동하여야 충분한 전기를 충전시킬 수 있으며, 그 시간이 적국의 영해 안이라면 너무도 위험한 시간이며, 또 실제로도 상당히 긴 시간일 뿐만 아니라, 그것도 매일 반복해서 충전해야 하니 그게 어디 보통 위태로운 일이겠는가 ?.....

레이다가 덜 발달한 2 차대전 시기에는 조금은 여유롭게 충전을 하였겠지만,

지금 같은 때에는 아주 위험천만한 것이다.

아무리 느린 잠수함이라도 6 시간이면 대체로 120km를 갈 수 있는 거리이며,

적국의 전투용 구축함은 300 km 정도를 갈 수 있는 거리인 데에다가 수면을 탐색하는 도플러 레이다를 가동하면 반경 수백 km를 훑을 수 있는데 6 시간이라는 시간은 어느 해역에 잠수함이 있을 것 같다는 정보만 있으면 샅샅이 훓어서 얼마든지 찾아 낼 수가 있는 길고도 긴 시간인 것이다.

다만, 사람의 머리만한 공기대롱만 수면에 나와 있으니 그 작은 놈을 찾아야 하는 레이다의 성능이 제법 좋아야 한다는 것이 문제이기는 하다만....

적국의 잠수함을 영해내에서 발견한 구축함이 그 잠수함을 격침시켰다면 구축함 함장은 바로 진급도 하고 포상금도 받겠지만 놓치는 날에는 곧장 집으로 가야 할 것이니 죽기살기로 달겨들 것이 뻔하니 그러하고,,,,

구축함에는 잠수함을 잡기 위한 모든 것이 있으니 잠수함의 가장 무서운 적이 구축함인 것이라서 그러한 것이다.

격침 당한다고 끝나는 것이 아니고, 적국의 고성능 공격무기 체계인 잠수함이 자국의 영해에 들어 왔다는 것을 알아차린 국가가 어디 가만 있겠는가 말이다.....

그러나, 적국은 대체로 엔진고장, 항로착오, 환자구호.... 등등의 말도 안되는 이유를 들면서 계획적인 영해 침투가 아니라고 잡아떼는 것이 일반적인 추세이다...

북한의 잠수정이 동해에 들어왔다가 좌초된 사건을 상기해 보라....

전 승무원이 자살하지 않았는가 말이다...

이미 북한 은 그런 골치아픈 문제가 발생할 우려가 있을 경우, 전 승무원에게 자살하라는 교육을 단단히 시켰을 것이 뻔하고도 남음이 있는 것이다.

뭐,, 죽은 놈만 서럽지....

잠수함 승무원이라는 직업이 그렇게 위험한 것이랍니다....

디젤엔진의 약점이 그러하다보니 .... 개발된 것이 원자력엔진이다.

우선, 연료탱크가 필요없고, 흡기관과 배기관이 필요 없으며 부품도 거의 불필요하고 매일 충전을 위해 수면으로 올라와야 하는 일도 불필요하므로 한달이고 두달이고 사람이 숨쉬는데 필요한 압축공기만 있으면 되니 오죽 편한 것이냐 말이다.

다만, 원자력엔진은 엔진 자체에서 나오는 소음은 없는데 워낙 뜨거운 열을 발생시키는 엔진이라서 그 온도를 냉각시키기 위한 해수를 흡입하여 엔진을 식히고 다시 바다로 내 뿜는 방식을 사용하는데 그 해수 순환펌프의 소음이 잠수함 외부로 누출되는 것이 가장 문제거리가 되었다.

그래서 또 다시 개발된 것이 잠수함의 전진속도를 이용한 자연순환방식인데 앞뒤로 연결된 파이프 속을 통과하는 바닷물로 펌프없이 냉각시키는 것인데 이것도 문제가 있다.

그것은 원자력엔진을 냉각시킨 물이 바다로 나오더라도 금방 식지를 않고 뜨거운 물의 띠를 형성하는 바람에 적외선 탐지기에 잡힐 우려가 높다는 것이다.

또한 원자력엔진은 그 크기도 만만치 않고 , 방사능 누출을 완벽히 차단해야 하는 문제 등등 ,,,, 

해결하려면 그 또한 돈이 왕창 깨지는 장비를 반드시 설치해야 하니 ....   

뭐, 좌우간 이렇게 개량을 하면 또 다른 문제가 나오고, 또 개량을 하면 또 다른 문제가 나오고 이래서 잠수함은 그 모든 분야에서 지금도 개량을 위해 골머리를 썩이는 분야가 된 것이다.

잠수함의 추진체계는 대강 이러한 것입니다.....

즉, 엔진과 스크류의 끝도 없는 개발과 실험과 개량과 교체를 위한 노력입니다 ......

그것은, 적 잠수함을 2 초 먼저 잡기 위해서 들이는 노력인 것입니다.....

그리고, 그 2 초가 잠수함 값 수천억원을 내가 날리느냐, 적으로 하여금 날리게 하느냐 그것입니다....

또한, 최고의 기계공학의 산물인 적국의 잠수함을 건져올려서 기계적 수준, 항해일지, 암호체계, 정비능력 등등 ... 그야말로 황금같은 정보를 얻으니 .... 잡으려 들지 않겠습니까 ?

몇 년을 훈련시킨 우수한 , 수 많은 승무원의 목숨은 물론이구요.....

  

 

-----------------------------------------------------------