소류급의 후계함 슈퍼소류에 세계가 주목하는 이유

[돌망치]

소류급의 후계함 슈퍼소류에 세계가 주목하는 이유

Japan Goes Back To The Future With Lithium-Ion Battery Powered Submarines

Diesel electric submarines may be on the verge of returning to their simpler roots with the help of lithium-ion batteries.

http://www.thedrive.com/the-war-zone/7747/japan-goes-back-to-the-future-with-lithium-ion-battery-powered-submarines

JMSDF

거의 한세기에 걸쳐 디젤 전기 추진식 잠수함은 부상하고 또는 수면 가까이에서 스노클을 통해 디젤 동력으로 납전지를 충전해 왔다. 이 때문에 취약하고 잠항 몇시간 길게는 며칠이 한계였다. 공기 불요 추진 AIP(Air Independent Propulsion) 기술이 혁명적으로 이것을 변화했다. AIP 탑재로 디젤 전기 잠수함의 성능은 훨씬 더 비싼 원자력 잠수함의 영역에 접근하고 디젤 엔진과 배터리만으로 은밀하게 행동 할수 있게 되었다.  AIP 기술은 다양하고 최신의 것으로 스털링 엔진에 프랑스가 MESMA(자율 잠수함 에너지 모듈)이라고 부르는 밀폐형 증기 터빈과 연료 전지가 있으며 잠항 시간이 크게 연장되었다. 각각 장단점이 있고 성능보다 비용, 구조, 기술 위험이 중요하다.

예를들어 스웨덴의 고틀랜드급은 AIP에 스털링 엔진을 채용했지만 대대적인 액체 산소 산화 장치가 필요하며 자체도 위험이 있지만 가스 주입에서 다른 위험도 생긴다. 스털링 엔진은 부속 장치와 함께 비로소 효과를 생산하지만 소형 잠수함은 함내의 대부분을 장치가 차지하게 된다. 스털링 엔진을 이용 AIP에는 움직이는 부품이 여러개 있고 방음 성능을 높이더라도 노이즈가 발생한다.

스웨덴 해군은 고틀랜드급 잠수함 한척을 어그레서 보트(침략자) 역할로 미해군에 제공 한바 있다. AIP 기술은 정말 위험한 상대인지 알 수 있었다. 미 해군도 전술 대응의 필요성을 통감하고 있으며 현재도 대책을 검토 중이다. (US Navy photo) 

프랑스 MESMA 방식 AIP 는 파키스탄 전용 아고스타 90B 급에 채용되어 스털링 엔진보다 구조가 복잡하다. 말하자면 원자로의 역할을 시켜 핵분열 대신 에탄올과 액체 산소 연소로 터빈 발전한다. 에탄올과 액체 산소를 위한 기구는 복잡하고 소음이 발생하지만 얻을수 있는 출력은 크고 고속 잠항이 가능하다. 그러나 MESMA 높은 가격으로 운용은 저렴하지 않다.  마지막으로 연료 전지 방식 AIP는 하이테크의 극한에서 MESMA 같은 출력은 즉시 얻을 수 없지만 매우 조용하고 구동 부품도 적은 것이 장점이다. 이것도 장거리 잠항에 유효한 수단이다. 이 때문에 급가속이 필요 없으며 장기간 조용히 탐지되지 않고 숨어있는 경우에 유리하다. 호주가 취득하는 숏 핀 바라쿠다 잠수함은 연료 전지식 AIP를 탑재하고 원자력 잠수함 수준의 성능을 제공한다. 이스라엘의 최신 돌핀급도 연료 전지식 AIP를 채용하고 있으며 이스라엘의 핵 억지력 수단으로 의미를 가져온다.

센서와 무장이 동일한 경우 일국의 해군은 디젤 - 전기 추진 잠수함의 선택을 비용뿐만 아니라 가장 가능성이 높은 전술에서 선택할 것이다. 예를 들어 장거리 초계 활동이나 매복 공격이 많을 경우 스텔스성을 고려하여 연료 전지식 AIP가 최적일 것이다. 공격과 대피시에 급가속이 필요한 경우 MESMA가 최적의 솔루션이다. 단거리 연해 지역의 전투를 상정하면 스털링 엔진식 AIP 가 의미를 가져온다. 그러나 지난 몇년 동안 배터리 기술이 발전하고 기존 AIP 기술은 새로운 도전 상대에 직면하게 될 것이다.

첨단 디젤 전기 추진식 잠수함이 AIP 자체를 무의미하게 할 가능성이 나왔다. 이 분야에서는 일본이 선두에 있으며 소류급 후계함에 리튬 이온 배터리가 탑재되면 1차 대전 이전의 잠수함으로 되돌려 배터리만으로 잠항 추진이 가능해진다. 소류급도 충분히 신예 잠수함으로 공용 개시는 불과 10년에 불과하다. 먼저 취역한 오야시오 급을 발전시킨 소류급은 잠수시 배수량 4,200톤, 길이 275피트로 상당히 크다 선체에서 전후 일본이 건조한 잠수함에서 최대이다. 특징은 X 형태의 함미가 잠입시 연해에서의 조함을 보장하고 있다.

동급는 현재 7척이 취역하고 (5척이 건조 중이거나 계획중인) 각함은 코쿰스의 라이센스 스털링 엔진 방식 AIP를 탑재하여 코쿰스 스웨덴 기업에서 고트랜드 급에 제공하고 있다. 길고 복잡한 해안선을 가진 섬나라 일본은 잠수함을 영해 초계 임무에 투입하고 있으며 대형 선박에 효과를 실증 완료하여 스털링 엔진식 AIP를 채용한 것은 이 나라의 사정에 잘 어울린다. 그러나 일본은 AIP 기술의 장점은 유지한채 그 AIP 기술을 없애고 함내의 설계와 건조를 단순화한다. 현재 AIP 방식 잠수함 이상의 정숙를 높일수 있을 것이다.

구상은 리튬 이온 전지 수천개를 디젤 엔진 및 동력과 탑재하여 소류급 설계를 재작업한다. 고전류를 제어하면서 효율을 최적화하는 것이 전력 처리의 열쇠가 된다. 여기까지는 일반 디젤 엔진 전기 추진식 잠수함과 차이가 없지만 새로운 기술의 도입이 다르다. 리튬 이온 전지는 기존의 납전지보다 장점이 많이있다. 충전량이 감소하고 출력을 유지할 수 있다. 납전지보다 가볍고 매우 짧은 시간에 충전 할수 있다. 충전 용량도 크다. AIP 방식과 비교하면 추진 장비가 간편하여 다른 출력 지속 시간도 길어진다. 뭐니 뭐니해도 리튬 이온 전지라면 필요할 때 큰 출력을 얻을수 있기 때문에 순발력이 AIP 방식과는 비교가 되지 않을 정도로 향상된다.

그러나 리튬 이온 전지의 단점은 잘 알려져 있다. "열 폭주(runaway)"고 말하는 현상과 발화 사고가 발생하고 있는데 잠수함에서 모두 바람직하지 않은 현상이다. 발생하면 고열과 유독성 가스가 되어 일반적 방법에서 진화는 어렵다. 다만 함정에서 무게는 제약 조건이 아니라 새로운 해결책을 채용하여 위험을 미연에 방지 할 것이다.

정비중인 소류급 잠수함 (Hunini / wikicommons) 

각 메이커가 해상 자위대와 해결 방법으로 리튬 이온 배터리 셀 집합체를 대형화 하고 강화 격벽과 강력한 화학 물질을 조합하여 위험 상태의 발생을 막으려 하고 있다. 소방 장비도 특별하게 만들어 차기 소류급 배터리 부분의 화재가 발생하더라도 신속하고 자동으로 소화 할수 있다.  리튬 이온 전지는 항공기에서 이전부터 문제를 일으키고 있지만 일본은 막대한 예산이 기술을 실용화 하려고 하고 소류급의 마지막 3척으로 리튬 이온 추진 방식을 채용할 예정이다. 7호함에는 스털링 엔진 4기와 리튬 이온 배터리를 결합 할수 있으며 이 함은 리튬 이온 배터리만을 탑재하여 후속 함과 이전 AIP 사양의 연결 역할이 기대되며 다른 신형 배터리를 사전에 탑재하여 기술 실증함도 된다.

소류급의 함체는 거의 독점적으로 흡음 타일이 붙는다.(Norio NAKAYAMA / wikicommons)

새로운 소류급에 의해 일본은 재래식 공격 잠수함 기술의 최고 국가로서의 지위를 가질것 같다. 실적을 확신하는 경우 수출도 당연히 염두에 들어온다. 또한 일본이 리튬 이온 동력함의 실용화에 성공하면 AIP와 유사한 성능이 큰 폭으로 저렴하게 실현한다. 기존 AIP 기술로 리튬 이온과 결합하는 움직임이 나오면 선택은 늘어난다. 리튬 이온 전지와 연료 전지를 결합하면 긴항속 거리의 고성능 함이 되어 높은 가속성도 실현될 것이다. 소문에는 중국이 리튬 이온 배터리와 AIP 방식을 조합한 잠수함을 개발 중이다. 그러나 하이브리드 설계는 높은 가격과 구조도 매우 복잡하고 일본이나 각국이 요구하는 방향과 달라진다.

슈퍼 소류의 구조도. 원래 호주의 차기 잠수함용으로 상정하고 있었다. 리튬 이온 배터리를 채용하여 AIP는 상정하지 않았다. 도입이 확실히 하다고 생각되었지만 DCNS 방안이 나머지 연료 전지와 AIP를 조합한 숏핀 바라쿠다가 채용되었다. 호주가 상정한 장대한 항속 거리를 생각하면 슈퍼 소류에서도 성능이 부족했을지도 모른다.

미 해군은 디젤 전기 추진식 잠수함을 27년전에 전폐하고 잠수함 부족 해소의 모습이 없다. 일본의 첨단 잠수함이 성공하고 간단하고 저렴한 리튬 이온 배터리 잠수함에서 AIP를 넘어서는 성능이 원자력 잠수함 같은 정숙성을 실현되면 미국도 이 기술 채택에 움직일까.  USS Blueback은 미 해군의 마지막 디젤 전기 추진식 잠수함이다. 오랫동안 침략자 역을 맡았지만 해군은 1990년에 전함 모두를 원자력으로 추진하는 정책으로 했다. 블루백은 영화 붉은 10월(The hunt for the Red October)에도 등장했으며 현재는 오리건 과학 기술 박물관에 진열되어 있다.

지금까지 살펴본 것처럼 디젤 전기 추진식 잠수함 기술은 상당히 진보해 왔으며 미 해군도 진지하게 검토할 가치가 있다. 미션에 따라서는 원자력 잠수함을 투입할 필요가 없다. 또한 운영 및 인프라의 교역에서 전방 배치로 외국을 모항으로 할수 없다. 하지만 미 해군은 일본 기술을 도입하고 미국 버전 소류급을 라이센스 생산하면 공격 잠수함 부족을 해소 할수 있고 하이테크 컨텐츠를 저렴한 가격으로 도입 할수 있다. 현재 버지니아급 SSN 한척의 가격으로 소류급 네척이 손에 들어온다. 소류급도 건조 규모를 늘리면 가격 하락이 기대된다. 그러나 해군 함정 건조를 둘러싼 미국의 정치 경제의 이권과 함께 미 해군이 원자력 하나의 자세에 충실하고 있기 때문에 논리적으로 옳다고 명백한 이 해결책이 실현될 가능성은 없다.

해군이 원자력 잠수함의 구성에만 집착 하는것과는 별개로 일본의 리튬 이온 배터리 탑재 잠수함은 눈여겨 볼 가치가 있다. 일본이 입을 다물 것 이라고는 생각되지 않는다. 이 기술이 활성화 되는 것을 알면 수출에 의한 투자 회수를 목표로 하겠다는 것이다.

[이쉬타르]

리튬이온배터리가 충격을 받으면 폭팔을 한다고하니 사실은 군용배터리로서 안좋은데..리튬 폴리머 배터리로 가야 할듯 싶더군요..다음으로 고가격이 문젬니다
획기적 전기충전형 배터리가 등장시 재래동력잠수함은 극적인 성능 향상이 이루어지죠..우리같은 나라는 배터리 선진국이라 이부분에서 잠수함 사업에서 강점이죠

[이성환입니다]

허...일본해자대가 저리 앞서나가는데....만약에하나 일본하고 해군끼리 교전이라도 벌어짐...좃망..