잠수를 타다 - 3

[정형진 (3-1)]

잠수함 원리와 구조

1. 서론

 

15세기 레오나르도 다빈치 잠수함 상상도

첨단 무기로 무장한 채 심해를 항해하는 잠수함의 역사는 무려 15세기 레오나르도 다빈치까지 올라간다. 다빈치는 최초로 잠수함을 설계한 사람으로 알려진다.

수중에서 적함 선체에 구멍을 뚫어 침몰시키는 방법을 비롯, 물속에서 숨쉬는 장치, 발에 끼는 오리발은 모두 다빈치의 아이디어였다.

초창기 사람들은 물 속에서 숨쉬기 위해 속이 빈 갈대 줄기를 이용했다. 그 뒤 좀더 물속 깊이 들어가기 위해 만들어진게 물고기의 부레. 그 곳에 공기를 주입하면 수중 45cm까지는 들어갈 수 있었다. 그러나 45cm라는 깊이는 제대로 된 잠수활동을 하기에는 무리였다.

 

본격적으로 수중 생활을 가능하게 한 장치는 잠수종(Diving Bell). 당시 잠수종은 물컵을 거꾸로 물속에 집어넣은 듯한 모양으로 종에 담긴 여분의 공기를 잠수부가 들이마시게 만든 장치였다. 헬리혜성을 발견한 18세기 영국 천문학자 에드먼드 헬리는 수중 20m에서 4시간 정도 머물 수 있는 잠수종을 만들었다. 이후 잠수종은 펌프 공급으로 완전단계에 이르렀으며 18세기 항구 건설에 크게 기여했다.

수중 장비의 발달을 앞당긴 것은 물속에 잠긴 보물이었다. 과거 풍랑과 해적 때문에 바다에 잠긴 보물선이 많다는 것을 알게된 사람들은 스쿠버 장비 개선에 엄청난 투자를 했다. 레슬리 지니 미국 수중고고학회장은 "18-19세기 수중 장비는 난파선 인양작업에 많이 사용됐다"고 설명했다.

잠수 문화의 발달은 `잠수병`이란 새로운 질병을 가져왔다. 물속 압력은 공기상태보다 높다. 고압상태에서 작업하던 잠수부들이 보통 기압으로 돌아오는 도중 각종 부작용을 일으켰고, 심지어 사망하는 일까지 발생했다. 이를 예방하기 위해 잠수표가 만들어졌다.

1878년에는 순수산소로 만들어진 재호흡기가 발명됐다. 사람의 활동반경을 크게 넓힌 기구로 각광받았지만 곧 `잠재적 살인기구`로 판명됐다. 수중 9m 이하로 내려가면 산소가 인간에게 해로운 물질로 변했기 때문이다.

이후 개량을 거듭한 잠수장비는 결국 전쟁에서 전면에 나서게 된다. 이탈리아가 세계 최초로 잠수부대를 만들었고, 유럽 각국과 미국이 뒤를 이었다. 그리고 1962년 미국 대통령 케네디는 세계 최고 수중 작전부대로 불리는 `네이비 씰`(Navy SEALS)을 창설했다.

2. 잠수함 Submarine의 개관

마찰저항을 최소화하기 위한 또 하나의 방편은 가능한 한 작은 표면적을 가져야 한다는 것이다. 이것은 잠수함의 장폭비가 작은 형태를 가져야 한다는 것이며, 장폭비란 선체길이 대 선체 직경의 비를 말한다. 가장 이상적인 장폭비는 6:1이나 실용성과 공간 활용 등의 문제로 인해 다소 증가한다. 제2차 세계대전 시 잠수함의 장폭비는 11:1이었으나 현대 잠수함은 대략 9:1이다.

잠수함은 깊은 수심에서도 수압의 영향을 받지 않고 승조원이 생활할 수 있는 압력 선체 내부와 압력선체 외부, 그리고 잠수함 외부로 구분할 수 있다.
잠수함의 외부에는 각종 마스트가 있는 함교탑과 타기장치, 프로펠러 등이 있으며 압력선체 외부에는 자유충수구역(Free Flood Area)으로 각종 음탐기, 주부력탱크, 무장 발사관, 외부 연료 탱크, 구명정 등이 배치되어 있다.

압력선체 내부에는 잠수함의 크기에 따라 층수와 격실의 차이가 있으나 대개 무장실(어뢰, 미사일, 기뢰 등), 승조원 침실, 전투정보실, 조종실, 기관실, 축전지실, 보상탱크, 트림탱크

등이 배치되어 있다.

핵잠수함

잠수정 : 50∼200톤
연안 잠수함 : 300∼800톤
연안/대양 잠수함 : 1,000∼1,700톤
대양 잠수함 : 2,000톤 이상

몸체 : 몸체는 이중으로 되어 있어 그 중간에 좌/우, 전/후 균형을 잡기 위한 밸란스 탱크 및 부력 탱크로 이루어져 있는데, 밸란스탱크 와 부력 탱크에 물을 넣거나 공기압을 넣어 부력을 조절 잠수/부상 할 수 있는 것이다.

1. 잠항할때는 함수쪽 밸란스 탱크 와 부력탱크에 물을 펌프로 주입 무겁게 하고 스크류를 이용 전진시키면 잠수하게 된다.

2. 부상할때는 함수쪽 밸란스 탱크와 부력탱크에 물을 펌프로 뽑아내고 공기압력을 주입 시켜 함수쪽이 가볍게 하고 스크류를 이용 전진시키면 부상하게 된다.

사령탑 : 부상시 수상함의 함교(지휘소)역활 하며 잠망경, 통신 안테나,레이다, 스로켈 등으로이루어져 있다.

선수쪽 : 어뢰 발사구(실), 음향 탐지기, 항해 조종실 등으로 구성 되어 있다.

후미쪽 : 엔진실, 밧데리실 등으로 구성되어 추진에 관련한 장비들로 이루어져 있으며 외부에 추진 스크류와 방향(좌/우) 및 부상잠수(상/하), 타(키)로 이루어져 있다.

세계대전을 비롯 크고 작은 전쟁터에서 수 많은 작전과 임무를 수행 하였지만 그 은밀성 때문 알려진 것은 매우 적고 해군 함정이 포함된 전쟁(전투)에는 모두 잠수함이 함께 하고 있다

잠수함은 은밀성을 보장 받을 수 있으며 수중에서 수상함 탐지 거리가 수상전투함에 비하여 길어 효과적인 작전을 수행 할 수 있다.

용도 : 은밀성이 필요한 작전으로 항만 봉쇄, 기뢰설치, 요원침투, 정찰, 정보수집, 선단호송, 선단격침 (핵잠수함은 근접 핵 미사일 발사)등 이다.

잠수함의 분류

1. 추진방식(엔진)에 따라 : 디젤 잠수함. 핵추진 잠수함
2. 목적(용도)에 따라 :

SS 　 (Conventional attack submarine) : 재래식 공격 잠수함
SSN   (Nuclear-powered attack submarine) : 원자력 공역 잠수함
SSB   (Conventional ballastic missile submarine) : 재래식 대륙간 탄도 미사일 잠수함
SSBN (Nuclear-powered ballastic missile submarine) : 원자력 대륙간 탄도 미사일 잠수함
SSG   (Conventional guided missile submarine) : 재래식 유도 미사일 잠수함
SSGN (Nuclear-powered guided missile submarine) : 원자력 유도 미사일 잠수함

3. 잠수함 Submarine의 원리

1. 물의 성질

잠수함과 관련된 물의 성질에는 어떤 것이 있는지 알아보자. 해수는 담수(fresh water)와 달리 소금뿐만 아니라 다른 많은 성분이 있어서 잠수함에 중요한 영향을 미친다. 해수에 가장 많이 존재하는 성분은 소금이다. 해수의 염도는 물에서 용해되지 않은 상태인 소금의 총량을 가리킨다. 이는 해수 1kg에 용해되어 있는 고형물질의 g수로 표시하고 단위는 S(salinity)를 사용한다. 해수의 주요 구성 원소를 보면 96.5%가 순수한 물이고, 나머지 3.5%는 무기염류이다. 무기염류에는 나트륨과 염소가 용해되지 않은 상태로 85%를 차지하며 따라서 염도가 해수에서 가장 중요한 변수임을 알 수 있다.

해수의 중요한 다른 성질에는 밀도가 있다. 특히 해수는 깊이가 증가할 수 록 밀도가 증가한다. 이와 같은 수직방향의 밀도분포는 해수 내부파(internal wave)의 원인이 되는 데, 이는 유체의 수직 변위에 대해 밀도 차이에 의한 중력이 회복력으로 작용하여 생성된다. 최근의 해양학자들의 연구에 의하면 내부파는 수중의 음파 전달시 음파의 진폭, 위상차 등을 변화시킬 수 있다는 것이 밝혀졌다. 또한 해수의 밀도는 잠수함의 잠수 및 부상과 밀접한 연관이 있기 때문에 잠수함의 설계 시 운용될 해수의 밀도는 중요한 설계 인자가 된다.

해수에서는 통신의 주요 수단으로 소리가 사용되기 때문에 음향의 특성도 중요하게 된다. 일반적으로 유체에서 소리의 속도는 온도, 밀도, 압력 등의 함수이다. 깊이가 증가할 수 록 해수 온도는 감소해 소리의 속도도 감소하는 경향을 보인다. 그러나 해수에서의 통신에는 수평방향의 음파의 속도 분포가 더 큰 영향을 미친다. 특히 해저에서는 소리의 퍼짐이 구의 형태가 아닌 실린더 형태를 이루기 때문에 아주 먼 곳에서 들려오는 소리도 잡아낼 수 있다.

2. 잠수함의 원리

잠수함의 잠수원리는 아르키메데스의 원리를 이용한 것으로 한 물체의 일부 또는 전부가 어떤 액체속에 잠겨 있으면 그 물체에 의해 밀려나온 액체의 중량과 크기가 같고 방향이 반대인 상항력(부력)이 그 물체에 걸리게 된다는 것이다.

즉, 잠수함은 비닷물속에 잠수되어 있을 때 잠수함의 압력선체(사람이 활동하고 장비가 탑재되는 밀폐된 공간)의 체적만큼 가벼워지는데 이 부력이 잠수함의 무게와 같을 때 잠수함은 바닷물속에서 뜨거나 가라앉지 않게 된다. 만약 이 상태에서 잠수함이 부력을 더 가지게 된다면 수면으로 떠오르게 될 것이다.

왼쪽그림은 1960녀대 까지의 잠수함 형태, 맨 오른쪽 그림은 현대 잠수함 구조.

3. 잠수함의 수상항해

잠수함이 수상항해를 하는 경우는 주로 출.입항시나 아니면 수상에서 항해하여야 하는 특별한 목적이 있을 때 항해하는 모드이다. 그림에서 보는 바와 같이 수상항해 모드에서는 디젤발전기를 구동하여 전력을 생산하고, 여기서 생산된 전력의 일부는 추진모터에 사용하며, 나머지는 축전지를 충전하는 데 사용된다. 디젤발전기의 작동에 필요한 공기는 주 헤치를 통하여 함내로 유입되어 디젤발전기로 흡입된다.

4. 잠수함의 잠항

통상적으로 잠수함은 전진기동을 하면서 수상에서 수중으로 잠항하거나, 혹은 수중에서 수상으로 항해상태를 변경하게 된다. 잠항이나 부상하는 데 있어서 주 부력탱크에만 전적으로 의존하는 것은 아니다. 이때 주 부력탱크에 압축공기를 불어넣거나 배출하면서 동시에 함수와 함미에 장착하고 있는 비행기 날개모양의 수평 타기를 사용하여 수상 혹은 수중으로 기동하게 된다.

5. 잠수함의 수중항해

재래식 잠수함이 수중에서 항해할 때에는 축전지에 저장된 에너지밖에는 사용할 에너지가 없기 때문에 전적으로 축전지의 성능이 곧 수중항해능력이 되는 것이다. 원자력잠수함이나 최근에 개발되고 있는 공기불요체계(AIP : Air Independent Propulsion)를 제외하고는 현재까지 수중에서 외부공기 없이 에너지를 생산할 수 있는 방법은 없다. 현재까지 개발된 재래식잠수함용 축전지는 경제속도로 항해할 때 약 3~5일 정도 항해가 가능하며, 최고속도로 항해하면 약 1 시간 정도의 항해가 가능하다. 수중항해 중에는 그야말로 모든 것을 외부와 차단하고 잠수함 독자적으로 행동을 해야 하기 때문에 승조원들은 잠수함 내부에 갇힌 공기를 들여 마셔야 한다. 승조원들은 함내공기 중에 섞여있는 탄산가스를 제거하고 여기에 산소를 추가하면서 계속적으로 갇힌 공기로 호흡을 해야 한다.

6. 잠수함의 부상

잠수함이 물속에 가라앉거나 뜨는 이유는 아르키메데스의 원리로 설명할 수 있다. 이 원리에 따르면 물체를 들어 올리려는 힘인 부력(buoyant force)은 물체가 밀어낸 유체의 무게와 같다. 따라서 이 힘은 유체의 밀도, 물체의 부피(또는 물체가 밀어낸 유체의 부피), 중력 가속도의 곱으로 표현된다. 실제로 부력을 조절하는 방법은 이 밀도와 연관이 있다. 잠수함에는 밸러스트 탱크(ballast tank)라는 것이 있는 데 바로 여기에 잠수함이 필요로 하는 부력을 제공하기 위해 공기나 해수를 채우게 된다. 즉 물 위로 떠오르기 위해서는 밸러스트 탱크에 공기를 채워 잠수함 전체의 평균 밀도를 해수보다 낮게 한다.

잠수함과 바깥 해수 사이에 존재하는 밀도 차에 의해 잠수함은 부력을 받게 되고 따라서 잠수함은 위로 상승하게 된다. 반대로 밸러스트 탱크에 해수를 채우면 잠수함의 평균 밀도가 증가하고 그러면 잠수함은 아래로 내려가게 된다. 이와 같은 원리는 열기구와 풍선에도 사용된다. 열기구는 버너로 내부의 공기에 열을 가해 팽창을 시키고 그러면 공기의 밀도는 주위 공기보다 낮아지고 이 밀도 차에 의해 열기구는 위로 상승하게 된다. 풍선에 주입되는 헬륨은 공기보다 밀도가 낮아 풍선이 하늘로 떠오르게 한다.

<벨런스탱크를 어떻게 운영하는가가 자세를 유지하는 핵심>

[이기문(3-11)]

잠수함은 아주 많이 아르키메데스에게 빚지고 있구먼^^
오늘은 대중목욕탕에 들어가 아르키메데스를 불러 보고 싶네

[정형진 (3-1)]

푸후후후, 이제 기문이는 목욕도 과학과 함께하려나 보네.