USS Gerald Ford(CVN-78) 와 Type 003 CV-18 福建 비교 분석

[하충열]

2022년 6월 17일, CV-18 福建(Fujian) 항공모함은 공식 진수된 지 1년이 넘은 2023년 8월 31일 전자식 항공기 발진시스템 Electromagnetic Aircraft Launch System (EMALS)공사가 완공되었습니다. 

중국은 미국을 제외하면 가장 크고 가장 많은 항공모함을 보유한 국가가 될 준비를 하고 있습니다. 

CV-18 Fujian은 중국이 직접 설계하고 제작한 것으로 중국 최초의 전층 항공모함이며, 이전의 CV-16 遼寧艦(랴오닝호), CV-17 山東艦(산둥호)의 구 소련 항공모함 설계 사상을 벗어난 것입니다. 

중국은 Steam Catapult(증기 캐터펄트)를 사용하지 않고 중국 자체적으로 설계한 전자식 항공기 발진시스템을 사용한 미국 다음의 국가가 되었습니다. 

그럼에도 CV-18 Fujian 의 전체적인 디자인 특히 비행 갑판과 함교의 배치는 실험적인 성격이 강합니다. 

↓ CV-18 항공모함 갑판과 함교 & CV-19 항공모함 갑판과 함교 크기 비교

CV-18 & CV-19 항공모함 설계 도면을 위에서 본 것으로 판단하면, 艦名(함명)이 알려지지 않은 선체 번호 19인 TYPE 004 항공모함은 여전히 ​​항공모함 기반 항공기에 대한 기존 전력 및 전자식 항공기 발진시스템 이륙 모드를 사용할 것입니다.

CV-19는 길이 338m, 폭 81m 로 CV-18 보다 길이 18m, 너비 3m 로 항공모함에는 엘리베이터가 3개가 있는 반면 CV-18 항공모함에는 엘리베이터가 2개만 있습니다 . 

 CV-18 함선과 CV-19 함선에는 동일한 3개의 전자식 항공기 발진시스템 방출 트랙이 있습니다.

선체 번호 19의 길이와 폭 매개변수의 적절한 증가는 원래 CV-18 선박의 전자식 항공기 발진시스템 트랙을 선박에 장착한 후 분사편향판과 전자식 항공기 발진시스템 1번 사출기 그리고 엘리베이터 사이의 상호 간섭 문제를 해결합니다.

CV-18 항공모함과 비교하여 CV-19 항공모함도 4개의 착함와이어를 채택하였고 엘리베이터가 추가되었기 때문에 함상기들이 격납고로 더 빨리 출입할 수 있으며 탄약을 갑판으로 빠른 시간 안에 이동시킬 수 있습니다. 

↓ 馬偉明 마웨이밍 (1960. 04.06 ~  ) 공학자, 중국 공산당원

                                                                      ↑ 중전압DC EMALS 사출시스템을 개발한 마웨이밍과 그의 기술팀원 대표들

CV-18 Fujian 항공모함은 원 설계에서는 증기 캐터펄트 발진 시스템으로 설계되었습니다. 그러나 마웨이밍 PLA 해군팀은 Electromagnetic Aircraft Launch System (EMALS) 프로토타입을 개발하여 기존 기술 설계를 뛰어넘어 미국과 대등한 첨단 전자기 기술을 획득하여 적용할 수 있게 하였습니다. 

CV-19 항공모함은 가스터빈으로 구동 될 가능성이 높으며 cold start(냉간시동) 시 단 1~2 시간 만에 출항할 수 있을 것으로 분석되고 있습니다. 

CV-18 Fujian 항공모함은 증기터빈으로 구동되는데 CV-18 항공모함의 항해 준비는 시간적 측면에서 최소 10시간 이상 미리 준비해야 한다고 합니다. 

CV-19 항공모함은 강남조선소에서 이미 건조에 들어간 것으로 추정됩니다. 

◆ 中國海軍艦用中壓直流綜合電力系統(중국해군함선용 중전압 직류종합전력시스템)

중국 중압 DC 통합 전력 시스템의 특성

마웨이밍(Ma Weiming) 해군팀이 개발한 통합 전전기 시스템의 시스템 구조 다이어그램에 따르면 전체 중압 DC 통합 전전 시스템은 발전, 전송 및 배전, 변환 및 배전, 추진, 에너지의 6개 하위 시스템으로 나뉩니다. 

에너지를 생성하고, 연료를 연소시켜 작동시켜 전기에너지로 변환시키는 원동력이 되는 시스템이고, 발전시스템에서 생성된 전기에너지를 각종 전기설비로 변환, 배분하는 송배전시스템, 선박의 추진 시스템 및 기타 장비를 포함하여 전기 장비, 에너지 관리 시스템은 전체 시스템의 작동을 언제든지 모니터링하고 상황에 따라 시스템 작동을 할당 및 조정합니다. 

에너지저장장치(배터리, capacitor 축전기 등으로 구성)는 전력계통의 '저장소'이자 완충 역할을 하는 것으로, 이는 미국, 영국 등 1세대 통합전력계통에서는 찾아볼 수 없는 특징입니다. 

활용되지 않은 에너지는 부하가 증가하면 에너지 저장 시스템이 저장된 에너지를 grid(그리드)에 입력하여 시스템 운영의 효율성과 안정성을 크게 향상시키고, 전력의 비효율적인 운영으로 인한 낭비를 줄입니다. 

발전 시스템보다 더 중요한 것은 에너지 저장 시스템입니다. 이 시스템은 일부 전기 장비의 순간적인 고출력 출력 요구에 대응할 수 있으며 펄스형 고에너지 무기 시스템(예: 전자기 레일 건, 직접 에너지를 이용한 무기 제조기술)의 선박 탑승 조건을 제공합니다. 

↓ 마웨이밍 해군공과대학교 팀의 고압직류통합전력시스템 지상시험장치

중전압 DC 통합 전력 시스템의 개발을 완료하기 위해 Ma Weiming 팀은 먼저 시스템 작동에 해당하는 수학적 모델을 확립하고 계산 및 시뮬레이션을 수행한 다음 구체적인 기술 솔루션을 제안하고 장비 시험 생산을 수행했습니다. 

시험 생산 과정의 주요 제조 공정과 기술적 병목 현상을 극복하고 실제 장비를 기반으로 지속적인 테스트 및 수정을 수행합니다. 

Ma Weiming 팀이 발표한 관련 논문에서 모든 시스템의 주요 기술 문제를 해결하는 모든 프로세스에는 "모델, 시뮬레이션, 계획, 시험 연구, 프로세스, 실험 및 테스트"의 일련의 주기가 포함됩니다. 

시스템 통합과 이에 상응하는 제조 기술의 어려움을 해소하고, 설계도면 형태가 아닌 시스템의 실제 적용과 실전시 전투 능력 형성의 길을 열어줍니다. 

Ma Weiming 팀이 발표한 논문에 따르면 팀은 실험실에서 테스트 시스템을 성공적으로 구축했습니다. 

장비 및 하위 시스템의 성능 테스트를 완료하고 시스템 정격 효율, 시스템 정상 상태 전력 품질, 시스템 동적 성능, 추진력을 완료했습니다. 

한계, 시스템 연속 작동, 시스템 오류 보호, 에너지 관리, 시스템 전자기 호환성, 진동 및 소음, 동적 자기장, 초전도 전류 제한 및 기타 테스트, 테스트 결과는 설계 기술 지수 요구 사항을 충족하고 "수백 kW(킬로와트)를 극복"하였습니다. 

정류발전기 통합최적설계, 고효율 냉각, 출력전압 정밀제어, 핵심처리기술 고형화 등 핵심기술로 가스터빈 발전기세트와 디젤 발전기세트의 병렬운전 문제를 수주로 해결 time constant(시상수)와 전력 수준의 크기 차이를 개선하고 중국의 단일 단위 용량, 통합도, 해군 발전기의 작동 효율 및 전력 밀도를 향상시켰습니다. 

이는 가스터빈으로 구동되는 전력 공급 시스템의 기술적 어려움을 의미하며, 디젤 엔진이 완전히 해결되었습니다.

↓ 고압직류통합전력시스템 지상시험장치와 연결된 추진모터

중전압 DC 통합 전력 시스템을 개발하는 과정에서 Ma Weiming 팀과 관련 협력 기업은 첨단 유도 모터(Advanced Induction Motors, AIM)의 많은 핵심 제조 기술을 혁신하고 추진 ​​주파수 변환기를 지원하는 등 많은 작업을 수행했습니다. 

Ma Weiming 팀의 논문에 따르면 이러한 성과에는 "3차 harmonics(고조파) 주입 및 증발 냉각 기술을 사용하여 다중 세트 다상 권선 고출력 추진 모터 시스템 방식을 창의적으로 제안하여 비정현파 전력의 최적 설계를 돌파했습니다. 

공급모터, 강제증발냉각, 신형 마그네틱 그리스 로터리 씰, 대형 squirrel cage(농형) 로터의 마찰교반접합, 중압·대용량 주파수 변환기의 분산회로 구조 설계, 고속 고성능 통신 등 핵심기술, 속도 조절 성능 최적화, 고장 이중화 제어, 진동 및 소음 감소 제어 등 대용량 신형 유도 추진 전동기 및 이에 매칭되는 주파수 변환 속도 제어 장치의 성공적인 개발로 고출력 수준, 고출력 밀도 및 고효율을 실현했습니다. 

↓ Type 003 항공모함 통합 전력 추진 시스템(전 전기 추진) 기술 모식도(2019년 4월 공개)

중국 해군의 전기 추진 시스템을 개발했으며 대규모 선박 모듈 응용 분야의 요구를 충족했습니다. 이러한 전기 모터 장비의 기술은 기본적으로 미국 DDG-1000 USS Zumwalt-class destroyer 가 사용하는 장비와 동일한 세대에 속합니다.

추진 주파수 변환기는 추진 모터에 대한 전력 출력을 제어하고 조절할 수 있는 통합 전력 시스템의 핵심 기술 중 하나입니다. 

이는 중국의 전기추진 발전에 기술적 병목 현상이었으며, 특히 핵심 부품인 고전력 반도체 부품은 항상 미국, 유럽이 중국을 향해 엄격하게 차단하였던 핵심 기술이었습니다. 그러나 중국의 고속철도, 파워트레인 및 전기 자동차 산업의 급속한 발전으로 인해 절연 게이트 바이폴 트랜지스터(Insulated Gate Bipole Transistor, IGBT)와 같은 이 분야의 주요 고전력 반도체 부품은 완벽한 다운스트림 산업 체인은 중국에 대한 서구 기술의 봉쇄를 무너뜨릴 뿐만 아니라 중국이 모터 주파수 변환기의 개발과 지속적인 개선을 촉진할 수 있는 좋은 기반을 마련하였습니다. 

↓ PLA 육상활주로 시험장에 설치된 전자식 항공기 발진시스템 Electromagnetic Aircraft Launch System (EMALS)

항공모함은 세계에서 가장 값비싼 무기 플랫폼이자, 한 나라의 해군력을 보여주는 명함이며, 한 나라의 군사력을 대외로 투사할 수 있는 포함외교를 수행하는 중요한 군사적 무기 체계입니다. 

중국은 미국이 해군을 이용하여 해양을 제패할 수 있었고 국제위기에 신속하게 대응할 수 있었으며 적국에게 강력한 억지력을 행사할 수 있고, 세계의 경찰 역할을 할 수 있는 것은 오직 항공모함이라는 무기 체계가 있었기 때문에 가능했다고 분석했습니다. 

실제로 미 백악관 오벌 오피스에서는 미 대통령이 위기 상황이 닥칠 때 마다 "우리 항공모함은 어디에 있습니까?" 라고 묻는 것에 중국은 요점을 파악했다는 것입니다. 

현재 항공모함을 보유하고 있는 나라는 전 세계 8개국 뿐이지만, 대부분 톤수나 수량이 적습니다. 그러나 미 해군은 현재 배수량 10만톤 이상의 핵추진 항공모함을 11척 보유하고 있으며, 여기에 다양한 유형의 함상 군용기를 최대 80대 까지 격납고에 탑재할 수 있습니다. 

현재 항공모함 보유대수 2위인 영국 Royal Navy(왕립 해군)은 최근 몇 년간 배수량 72,000톤의 HMS Queen Elizabeth급 항공모함 2척을 건조하였는데, 스키드 갑판을 사용하여 수직이착륙 전투기만 운용할 수 있으나 세계에서 2번째로 강력한 무력투사를 가할 수 있는 항공모함이 되기에는 충분합니다. 

↓ 영국 왕립해군 소속 HMS Queen Elizabeth급 항공모함

그러나 배수량 8만톤의 Type 003 CV-18 Fujian 항공모함이 정식으로 취항 운용하게 되면 중국군사위원회는 영국을 능가할 것이라고 분석하고 있으며 중국이 보유하고 있는 항공모함의 보유대수는 미국에 이어 세계 2위로 등극하게 될 것이라고 평가하고 있다는 것입니다. 

CV-16 遼寧艦(랴오닝호)는 중국 최초의 항공모함으로 그 전신은 구 소련의 미완성 Varyag 였으며, 두 번째 CV-17 山東艦(산둥호)는 Liaoning함을 기반으로 건조되었으므로 두 항공모함 모두 본질적으로 구 소련 항공모함 설계를 기반으로 합니다.

기존 두 척의 함선이 사용했던 스키 점프 데크를 풀 패스 데크로 변경하여 데크 영역을 보다 효율적으로 활용하고 더 많은 전투기를 수송할 수 있다는 것이 가장 중요한 장점입니다. 

함재기의 경우 함선에 탑재된 캐터펄트를 활용해 이륙속도를 자체 동력에만 의존하는 것이 아닌, 항공기가 가장 높은 하중으로 이륙할 수 있어 함상 군용기의 성능을 극대화할 수 있는 것입니다. 

중국은 의도적으로 "푸젠(Fujian)"을 배수량 80,000톤 이상으로 묘사하여 미 해군이 운영하였다가 퇴역시킨 CV-63 KITTY HAWK(키티 호크, 60,000톤)"보다 크고 CVN-78 Gerald R. Ford 급과 거의 동일하다고 설명했습니다. 

그러나 키티호크는 퇴역했고, 미국에서 활동 중인 항공모함 11척은 모두 Fujian보다 크기 때문에 이런 선전성 문구는 오해의 소지가 있습니다.

↓ CV-63 KITTY HAWK(좌), Type 003 CV-18 Fujian(중앙), CVN-78 Gerald R. Ford(우) 길이 크기 비교 사진

◆. 대만 침공과 미 해군에 맞서는데 구체적인 군사작전을 입안한 중국군사위원회

아직까지는 Type 003 CV-18이 공식 취역한 것이 아니므로 현재 PLA 해군 주력 전력은 CV-16 遼寧艦(랴오닝호)와 CV-17 山東艦(산둥호)로 대표되는 재래식 항공모함입니다. 

영국의 HMS Queen Elizabeth급 항공모함은 7개월 정도 해상 운항을 하고 다시 항구로 돌아와 정박하고 다시 해상으로 나갔다는 점을 중국 해군은 주요한 분석부분으로 살핀 결과 랴오닝 항공모함 평균 운항률이 연간 120일에서 130일인 점을 감안했을 때 36개월에 비해 미 해군의 핵추진 항공모함 배치 주기는 7척에 불과했었다는 군사기밀을 분석해 내었습니다.  

매달 전투 임무를 수행하려면 중국과 영국의 재래식 항공모함 파견 비율이 분명히 더 높다는 점이었는데 이는 향후 PLA 해군이 Fujian 항공모함의 정식 운영을 하는데 단순히 항공모함 3척의 순환 운용, 군사 훈련의 문제가 아니라 PLA 해군이 항공모함 2척을 미 해군에 맞서기 위해 2척을 동부 해안(서해, 태평양, 미야코 해협)에 배치할 수 있는 능력을 갖추게 된다는 것입니다. 

또한 남중국해도 마찬가지의 운용 배치가 가능하게 되며 그때 즈음이면 미 해군 Nimitz class 항공모함 함대가 노령화되고 항공모함의 창정비 기간이 도래하면서 United States Seventh Fleet(미 제7함대)는 Nimitz 급 항공모함을 확보하지 못하게 되어 PLA 해군의 항모타격단이 대만 침공시 포위를 했을 때 동해쪽과 남해쪽에 묶어 둘지 확신할 수 없게 된다는 분석이었습니다. 

↓ 미 7함대 항공모함 타격단에 대한 PLA의 태평양 해전 공격 기본 구상

Fujian 항공모함에 탑재된 3개의 EMALS 는 4개의 EMALS 보다 운용 효율성에 문제가 있을 수 있다는 것에 대한 내용을 찾아보면 의도적으로 3개의 캐터펄트를 설치했다는 것이었습니다. 

항공모함에 사출기 개수가 많을수록 더 좋은 것은 아니라는 것입니다. 

미 해군의 사출기 테스트에 따르면 5 bar 사출기의 작동 효율이 가장 낮은 것으로 나타났으며, 2 bar 사출기의 작동효율은 4 bar 사출기의 ¾에 가까웠다는 것입니다. 3 bar 사출기의 작동효율은 거의 무한하였고, 4 bar 사출기 효율에 가까웠다고 합니다. 또한 Nimitz class에 장착된 C-13 증기 캐터펄트를 400번 발사할 때마다 큰 고장이 발생하였기 때문에 4개의 사출기 장치를 장착하여 고장에 대비하고 있었던 것입니다. 

CVN-78 Gerald R. Ford의 EMALS 캐터펄트의 평균 방출 실패 주기는 181회에 불과하며 EMALS의 고장 문제는 아직 완전한 해결을 보지 못하고 있으며 이 때문에 미 해군 CVN-78 Gerald R. Ford는 전체 시스템의 신뢰성 향상을 위해 더 많은 EMALS 캐터펄트를 미리 준비해서 장착하는 작업공정을 가지고 있어야 합니다. 

그럼에도 미국은 항공모함 건조 분야에서 110년 이상의 역사와 실무 경험을 갖고 있습니다. 

최초의 EMALS 캐터펄트가 장착된 CVN-78 Gerald R. Ford 와 곧 CVN-79 John F. Kennedy가 2024년 취역하게 되는 톤수는 거의 12만 톤에 달합니다 . 

이들 항공모함들은 50년 운영 수명 동안 연료봉을 교체해야 하며, 다양한 종류의 전투기를 최대 85대까지 탑재할 수 있어 중국 항공모함과 비교할 수 없을 만큼 운영 노하우를 가지고 있으며 중국 항공모함 제작 기술보다 최소 50년 이상 앞서 있다는 평가는 무시할 수 없는 것입니다. 

Ford 항공모함은 2017년에 취역을 하여 운용하기 시작하였으나 지난 5년간 전자파 방출 문제가 자주 발생했고 최근까지도 해결되지 않았습니다. 

그렇다고 중국이 단번에 EMALS 캐터펄트 운용에 대한 돌파구를 마련할 수 있을지는 그리 간단하지 않을 수 있습니다.

미국 군사 전문지의 분석에 따르면 Fujian 항공모함의 전자기 방출, 함-기계 융합 등의 전투력 형성에는 5년이 걸릴 수 있다고 분석하였기 때문입니다.

그럼에도 Fujian 항공모함은 증기 캐터펄트를 운영을 넘어 EMALS 캐터펄트를 직접 사용하는데, 개발 기간은 미국보다 빠른 것으로 분석하였으며 전자기 방출로 인한 순간 전력 소모는 어마어마 하다는 점에서 미 해군 Ford 항공모함에는 막대한 전기 에너지를 제공하고 2분마다 전투기를 방출하는 두 개의 핵 엔진이 있는데, 전통적인 디젤 전력을 사용하여 이를 문제없이 EMALS 캐터펄트를 운용할 수 있는지는 곧 있을 해상 사출 시험에서 나온 결과로 평가받게 될 것입니다.