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미래 해군 수상함을 위한 전기식 추진체계 소개
글 함정3팀 오현석·박효진 연구원
1970년 대한민국에서 자체적으로 설계한 최초의 함정인 ‘학생호’를 시작으로 함정 설계/건조 역사가 50년 이상이 된 지금까지 대부분의 함정에는 기계식 추진체계가 적용된다. 디젤엔진과 가스터빈 엔진이 주 추진기관으로 사용되는 기계식 추진체계는 기계장치들의 지속적 개선으로 높은 기술적 성숙도를 가질 수 있었고 개별 함정이 수행하는 임무 목적에 맞게 추진기관 구성을 조합한 복합추진방식을 통하여 기동성과 유연성을 제공할 수 있었다.
함정을 추진하기 위한 추진체계는 기계식 추진체계 외에 전기식 추진체계가 있다. 전기식 추진체계는 디젤발전기 또는 가스터빈 발전기 등으로 생산된 전력을 전동기에 공급시킴으로써 추력을 발생시킨다. 19세기 초부터 전기를 이용한 선박 추진방식을 적용하려는 실험적 도전이 있었지만, 당시에는 전기식 추진체계의 성능이 기계식 추진체계보다 뒤떨어져 원하는 함속을 내기 위해서는 전기계통의 크기와 중량이 크게 증가하는 등 설계적 제약이 있었다. 특히, 과거에는 전기식 추진 체계를 적용하기 위한 배터리 성능과 배전 및 제어 시스템, 그리고 전기식 추진 체계를 개발하기 위한 초기 비용등으로 인해 전기식 추진체계를 채택하기 위한 현실적인 제한사항이 존재했다.
그러나, 1960년대에 들어 미 해군의 USS Long beach는 미국의 General Electric에서 개발한 통합전기추진(IEP, Integrated Electric Propulsion)시스템을 적용함으로써 가스터빈을 발전기로 사용하고 함정의 추진 프로펠러를 구동하는 전기 모터에 동력을 공급하는데 성공하여 해군 함정의 전기식 추진체계를 적용하는데 기념비적 사례가 되었다.
이처럼, 시간이 지남에 따라 전기식 추진과 관련된 기술이 비약적으로 발전되고 기존의 기계식 추진체계가 가진 유지 보수, 소음 및 진동, 추진효율 등의 문제점을 극복할 수 있는 방안이 마련되면서 전기식 추진체계는 높은 신뢰성과 비용대비 효율적인 전투체계로 도약하는데 도움을 주었다. 이러한 이점 덕분에 영국, 미국 등의 해군에서는 신조함정에 전기추진체계를 주추진체계로 채택하고 있으며 더 나아가 함정 전체를 전기로 구동함으로써 함 내 소요처에 전력을 공급하는 통합전력시스템(IPS, Integrated Power System)을 적용하고 있다.
전기식 추진체계의 이점
전술적 관점
전술적 관점에서 전기추진을 적용 할 경우 생존성 향상에 큰 이점을 제공한다. 함정의 특수성능 중 하나인 수중방사소음(URN, Underwater Radiation Noise)은 소음원에 따라 함정의 추진기와 함 내 기계장치에서 발생하는 소음으로 구분된다. 함정이 저속운항 중일 때 우세하게 발생하는 기계장치의 소음은 기계식 추진기관 작동 시 연소를 통한 폭발, 진동 등에 의해 발생된다. 반면, 전기 추진체계는 모터를 사용하여 배터리가 충전만 되어있다면 기계장치의 연소에 의존하지 않고 운항할 수 있기 때문에 기계식 추진체계가 가진 소음을 경우에 따라 제어함으로써 피탐 가능성이 낮아진다.
전기추진체계를 적용할 시, 함정의 또 다른 특수성능인 적외선신호(IR, Infra Red)와 레이더 반사단면적(RCS, Radar Cross Section)을 효과적으로 감소시킬 수 있다. 기존 기계식 추진체계는 화석연료를 연소시켜 발생된 에너지를 추진기에 전달하는 방식으로 함정 운용 시 추진기관에서 발생 된 폐기가스가 함 외로 방출됨에 따라 적외선 신호를 발생시킨다. 피탐가능성을 줄이기 위해 폐기가스에 의한 적외선 신호를 줄이기 위해 적외선신호저감장치(IRSS, Infrared Signature Suppression)가 적용된다. 그러나, 전기추진 함정의 경우 배터리가 충전이 되어있다면 운용중 추진기관으로부터 발생하는 폐기가스가 없기 때문에 적외선 신호 탐지 가능성이 낮으며 기계식 추진체계를 사용하는 경우보다 공기 흡/배기구의 부피를 줄임으로써 레이더 단면을 줄일 수 있는 기회가 있다.
설계적 관점
함정 추진방식을 전기식 추진체계로 변경하게 되면 기계식 추진체계를 적용한 함정에 비해 설계적 유연성을 얻을 수 있다. 기존 기계식 추진체계의 경우 추진기관 - 축계 - 감속기 - 추진기가 순차적으로 설치되어 공간과 간격 등을 고려할 때 추진체계의 배치에 제한이 있다. 그러나, 전기추진 방식에 사용되는 전기 모터는 요구 추진력에 알맞은 출력으로 작동하는데 필요한 전압과 주파수를 조정하기 때문에 감속기어를 생략하여 추진체계를 구성할 수 있다. 또한, 추진축 길이를 조절하지 않고 기계식 추진체계에 연동되는 부수장비들을 없앰으로써 기관구역 설계에 유연성을 줄 수 있다.
함정 전체를 전기로 구동하는 통합 전력시스템을 적용한 경우에는 추진을 위한 엔진, 가스터빈등을 생략함으로써 흡기 및 배기에 필요한 구성품의 부피를 감소시킬 가능성이 높고, 함 내 다양한 위치에 발전기를 배치할 수 있는 유연성을 가지는 이점이 있다. 특히, 통합 전력시스템은 기존 함정의 기관구역 설계 방식에서 벗어나 추진 시스템 요소들을 기관구역에만 한정하는것이 아닌 함 내 여러구역에 배치함으로써 피격 등에 의한 선체 손상이 발생했을 때 함정이 무력화 될 가능성을 줄일 수 있다. 이 경우 기존 기계식 추진체계에 비해 기관구역을 더 작게 함으로써 손상제어를 용이하게 할 수 있다.
경제적 관점
기존 추진기관은 기계의 마찰극복, 보조기기 작동 등에서 비롯된 저부하(저속) 구간 효율 저하 문제가 뒤따른다. 저속에서 함정을 운항할 경우 기관 효율이 낮으며 기관의 최대효율은 상대적으로 좁은 구간에서만 달성할 수 있는 문제점이 있다. 그러나, 전기추진체계의 경우 기계식 추진체계보다 더 넓은 함속 구간에서 높은 효율을 유지할 수 있으므로 함정의 전체 운항 구간의 관점에서 볼 때 상당한 양의 연료를 절약할 수 있다.
함 운용관점에서도 전기 추진체계를 채택함으로써 경제적 이점을 가져올 수 있다. 전기 추진체계의 경우 기계식 추진체계에 비하여 유지보수가 적게 필요하며 전기추진 시스템이 고도로 자동화 된다면 자체적으로 모니터링 될 수 있도록 설계가 가능한 점에서 승조원 수를 줄임으로써 함정의 총 수명주기비용을 획기적으로 절감할 수 있다.
전기식 추진체계 도입의 한계점
시스템 복잡성
전기 추진 시스템을 구성하는 모터, 배전 시스템, 추진기 등의 요소들은 하위 시스템을 구성하여 서로를 연결하게 된다. 기계식 추진체계에 비하여 기술적 성숙도가 낮은 전기식 추진 시스템의 구성요소들은 잠재적으로 기술적 위험을 내포하고 시스템이 복잡할수록 유지 보수가 더 어려울 수 있다. 그 결과 신뢰성 또는 생존성이 우수할지라도 고장에 취약할 수 있다.
단기 비용 증가
전기추진 시스템의 개발 및 설계에는 상당한 연구개발 자금이 필요할 것이며 도입 초기에는 단기 비용이 증가할것으로 보인다. 특히, 지향성 레이저 무기 등과 같은 고출력이 필요한 미래 전력부하를 위한 발전용량을 고려하면 상당한 추가비용이 발생할 수 있다. 다만, 전기 추진 기술의 생산 규모 경제가 증가하고 기술이 지속적으로 개선된다면 도입 초기의 높은 초기비용에도 불구하고 함정 운영유지 비용 감소로 인해 장기적 관점에서 상쇄할 수 있을것으로 보인다[1]. 또한, 전기식 추진 관련 시스템의 조달비용은 기술이 발전됨에 따라 낮아질 것으로 보이며 전기식 추진체계를 도입함으로써 발생하는 연료 절약은 함 운용 수년에 걸쳐 누적된 효과가 나타날것으로 보인다.
최대전력 작동시 효율 감소
전기추진 함정의 특성상 발전기에서 생성된 전력을 다시 추진력으로 변환하게 된다. 이때, 발전기의 최대 전력(최대 출력)에 도달하는 경우에는 기계식 추진체계보다 추진효율이 더 낮을 수 있다. 다만, 함정 운용특성상 최대 출력을 사용하는 경우는 극히 제한적이기 때문에 일반적인 함 운용 조건에서는 전기식 추진체계를 채택함으로써 더 높은 효율 이득을 볼 수 있다.
전기식 추진체계를 도입하기 위해서 기술적, 제도적 문제들 등을 포함하여 거쳐야 할 문제들이 많다. 미국, 영국, 프랑스 등에서는 민간 상용 기술들을 적용하여 전기식 추진 함정의 연구개발을 진행하고 있으며 설령, 상용 기술이 한계에 봉착하더라도 해군 고유의 기술개발 프로그램을 통하여 극복하고 있다. 이처럼 전기 추진을 위한 지속적 연구, 개발을 위한 투자와 함께 명확한 지침을 수립하기 위한 군/산/학/연 협력은 대한민국 해군의 전기식 추진체계 함정 등장을 앞당길 것으로 생각된다.