잠수함 수중방사소음 저감 필요성

수중방사소음은 함정에 탑재된 장비 소음이 선체 외판을 투과한 소음(ABN, Air-Borne Noise), 장비 작동 시 발생하는 진동이 선체 외판으로 전달되어 발생하는 소음(SBN, Structure-Borne Noise), 프로펠러에 의해 발생하는 소음(WBN, Water-Borne Noise)으로 구성된다. 수중방사소음은 이러한 소음들이 음파 전달경로를 통해 수중으로 방사되는 소음을 말하며, 적 SONAR 등의 탐지 수단에 의하여 피탐 여부를 결정하는 중요한 요소로 함이 은밀성을 유지하고 작전을 성공적으로 수행하기 위해서는 낮은 소음수준을 유지해야 한다.

띠라서 잠수함의 경우, 수중방사소음은 작전운용능력에 있어 핵심적인 요소로 저감이 필수적이며, 수중방사소음이 높을 경우, 적 수상함 SONAR, 헬기 및 초계기의 Dipping SONAR 등으로부터 탐지되어 적 어뢰로부터의 피격 확률이 매우 크다고 할 수 있다. 이에 따라 계약적으로 기준치를 설정하고 그 허용수준을 만족시킬 수 있는 설계를 수행해야 한다. 함 건조 과정에서 수중방사소음 문제가 발견될 경우 해결을 위해 막대한 시간과 비용이 소요되므로 양산단계 잠수함에 체계개발 단계에서 도출한 개선방안을 적용하는 것과 체계개발 단계에서 적용이 제한되었으나 양산단계에서 적용 가능한 개선방안을 추가로 도출하여 적용하는 업무의 중요도는 매우 크다.

체계개발 단계에서 적용한 수중방사소음 저감 방안의 양산단계 환류

장보고-III Batch-I 최초양산(2번함) 함정을 건조하면서 체계개발 단계에서 식별한 수중방사소음 저감방안을 최초양산 단계로 환류하였다. 환류 내용으로는 주냉각해수펌프 토출배관지지 클램프 변경, 냉동냉장장치 및 디젤발전기 구조음 저감을 위한 제진재 적용 방안이 있으며 세부내용은 아래와 같다.

첫째, 주냉각해수펌프 토출부 구조음 저감을 위해 배관 계통의 지지 구조를 개선하였다.

둘째, 냉동냉장장치 및 디젤발전기 구조음 저감을 위해 제진제를 적용하였다. 냉동냉장장치 관련 선체 제진재 및 배관계통 방진 클램프를 적용하고, 디젤발전기 하부 Deck에 제진재를 적용하였다.

양산단계에서 적용한 추가 개선방안

양산단계에서 보다 더 많은 소음 저감을 위해 추가적인 개선방안을 도출하여 적용하였다. 고압냉각해수 배관 및 재생식이산화탄소 제거장치 배관 계통의 구조 변경을 통해 추가적인 수중방사소음 저감을 달성하였으며 세부내용은 아래와 같다.

첫째, 고압냉각해수 배관 발생 진동 소음 저감을 위한 구조를 개선하였다.

둘째, 재생식 이산화탄소제거장치의 CO2 를 고압냉각해수 배관을 통해 배출하도록 구조를 개선하였다. 함 외부로 연결된 고압해수라인으로 CO2를 배출하고 미세버블생성기를 추가로 적용하여 배출 시 발생하는 기포의 크기를 최소화하였다.

주냉각해수펌프 토출부 소음 저감 방안

구분	개선 전	개선 후
고무패드 이용한 탄성지지
효과 설명	주냉각해수펌프 토출부 유체소음기의 과도진동에 의한 소음 발생	토출부 유체소음기 및 밸브의 진동을 고무패드 탄성지지를 통해 흡수하여 진동의 영향을 저감

표 1. 주냉각해수펌프 토출부 소음 저감 방안(체계개발 및 양산단계 적용)

냉동냉장장치 및 대젤발전기 소음 저감 방안

구분	개선 전	개선 후
냉동냉장장치	-
디젤발전기
효과 설명	냉동냉장장치의 냉매 라인 및 밸브부, 디젤발전기의 과도 진동에 의한 소음 발생	냉동냉장장치의 냉매 라인, 밸브부 탄성지지 및 디젤발전기 하부 Deck의 제진재 적용을 통해 구조음 저감

표 2. 냉동냉장장치 및 디젤발전기 소음 저감 방안(체계개발 및 양산단계 적용)

고압냉각해수 배관 진동 소음 저감 방안

구분	개선 전	개선 후
보상기 및 리듀서 추가
유체 소음기 → 보상기 변경
효과 설명	주냉각해수펌프 연결 고압냉각해수 배관의 과도진동에 의한 소음 발생	온도 변화로 인한 고압냉각해수 배관의 열팽창 및 냉수축 보상, 장비 진동 흡수, 배관에 장비 진동의 영향 저감

표 3. 고압냉강해수 배관 진동 소음 저감 방안(앙산단계 적용)

CO2 배출 방법 개선을 통한 소음 저감 방안

구분	개선 전	개선 후
CO2 간접 배출
미세버블 생성기
효과 설명	압력선체 관통구를 통해 함 외부로 CO2 직접 배출	미세버블생성기를 이용한 기포 크기 최소화 수중 CO2 직접(Direct) 배출 대비 배관내로 배출을 통한 1차 감소 효과 토출구 유체소음기 2EA 적용에 의한 2차 감소 효과

표 4. CO2 배출 방법 개선을 통한 소음 저감 방안(앙산단계 적용)

개선방안의 검증

수중방사소음 저감 방안 효과성 사전 검토를 위해 배출소음을 음향 수조에서 함정 건조업체(한화오션) 주관으로 측정하였으며, 확인결과 체계개발 단계 대비 저감된 것이 정량적으로 확인되었다.

그림 4. 음향 수조 계측 결과

실제 함정의 수중방사소음 저감 효과성 확인을 위해 항해 시운전평가를 수행하였다. 국방과학연구소가 주관하여 측정하였고, 해군 인수평가대대는 시운전을 수행하고, 국방기술품질원은 정부품질보증을 수행하였다.

수중방사소음 측정 결과치에 따라 계약조건에 근거하여 위약금이 발생할 수 있는데, 체계개발 단계에서는 위약금이 00.00억원이 발생하였다. 그러나, 최초양산 단계에서는 체계개발 단계의 수중방사소음 저감 방안 및 양산단계 추가 개선방안을 동시 적용함으로써 위약금이 기존 대비 획기적으로 감소하였다.

개선방안 적용 효과

최종 항해 시운전평가를 통해 성능검증을 수행하였고, 운항 모드별 광대역 및 협대역 초과 성분이 저감된 것을 확인하였다. 본 개선방안 적용 및 검증 절차를 통해 적 피탐률 저감에 따른 함 생존성을 확보하고, 작전운용능력을 향상시킬 수 있었다. 더불어 현재 체계개발 및 양산이 진행되고 있는, 향후 해군이 보유 예정인 장보고-III Batch-II 함정에 모두 적용이 가능한 신뢰성 있는 방안임을 입증하였다. 뿐만 아니라 최초양산 단계의 수중방사소음 측정결과에 따른 발생 위약금은 기존 위약금 대비 0.8% 수준으로 크게 감소하였다.

맺음말

수중방사소음 저감에 의한 잠수함 생존성 확보 및 작전운용능력 향상은 정량적으로 측정할 수 없는 굉장히 의미 있는 무형의 가치를 가지고 있다. 이러한 성과는 개선방안을 실제로 구현하는 함정 건조업체의 피땀어린 노력, 계약부터 인도까지 사업을 체계적으로 관리한 방위사업청, 함 전순기 과정에서 무결점 정부품질보증에 힘쓴 국방기술품질원, 국내 수중방사소음 계측의 최고 전문성을 갖춘 국방과학연구소, 운용 관점에서 함정의 시운전을 공정하게 수행하는 해군, 최종적으로 함정을 인도받아 운용하는 운용부대와의 긴밀한 협업을 통해 달성한 쾌거라고 할 수 있다.

다양한 국가에서 대한민국 잠수함의 가치를 알아보고 있으며, 그 진가는 이제 국내를 넘어 해외에서도 드러나고 있다. 이번 개선방안 적용 과정을 통해 다시 한번 대한민국의 잠수함 설계 역량은 향상되었고, 이러한 역량을 기반으로 끊임없이 품질을 개선하여 대한민국 해역을 지키는 것은 물론이거니와 세계에서도 경쟁력 있고 인정받는 잠수함을 건조하고 운용하는 국가가 되기를 기대한다.