함정용 프로펠러 소재 연구개발 동향 및 발전 방향

[출처: 국방기술진흥연구소 디팀스위클리 네이버포스트]

함정 무기체계의 피탐성능을 낮추기 위한 방법으로 선박의 소음을 감소시킬 수 있는 비자성체·경량 프로펠러 개발의 중요성이 대두되고 있다. 기존 프로펠러의 소재로 적용되는 Ni-Al-Bronze(NAB)의 단점을 극복하며 미래 선박에 적용할 수 있는 CFP, 고망간강에 대한 연구가 수행되고 있다. 본 고에서는 기존의 NAB 프로펠러를 대체할 차세대 프로펠러 소재 개발 동향에 대해 소개하고자 한다.

심 지 수
국방기술진흥연구소 우주·에너지기술팀
연구원

 

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1. 서 론
 함정에서 발생하는 소음과 진동은 선체와 내부로 전파되어 승조원의 근무환경에 영향을 끼칠 뿐만 아니라 함정에 탑재된 음향 센서들의 성능을 저하시키는 원인이 된다. 또한 함정의 소음·진 동에 의해 함정 음향신호가 크게 발생할수록 적에게 탐지될 수 있는 가능성이 높아지기 때문에 저 소음·저진동 함정을 제작하는 것은 차세대 무기체계를 개발하기 위한 중요 요소이다. 함정에서 발생되는 수중방사소음은 함정에 탑재된 장비 소음이 선체 외판을 투과한 소음(ABN, Air-Borne Noise), 장비 작동 시 발생하는 진동이 선체 외판으로 전달되서 발생한 소음(SBN, Structure-Borne Noise), 프로펠러에 의해 발생하는 소음(WBN, Water-Borne Noise)으로 인해 발생한다. 그 중 일반적으로 함정에서 발생하는 수중방사소음의 주 요 원인은 프로펠러에서 발생하는 소음(WBN)이다. 선박의 속도가 증가하면 캐비테이션이 프로펠러 표면을 따라 생성과 소멸을 반복하게 되고 이러한 과정에서 필연적으로 소음이 생성된다. 수중 방사소음은 캐비테이션이 최초로 발생한 속도 이후부터 급격하게 증가하기 때문에 캐비테이션 최초 발생속도(Cavitation Inception Speed, CIS)를 지연시키는 것은 저소음 프로펠러 설계를 위한 핵심요소가 된다. 일반적으로 프로펠러에서 발생하는 캐비테이션은 발생 위치에 따라 <표 1>과 같이 분류되며 캐비테이션 현상은 다양한 요인에 따라 복합적으로 발생하기 때문에 함정의 운용 환경에 맞는 설계와 관리가 필수적이다.
 저소음 선박을 개발하기 위한 국가연구개발과제는 국방 분야뿐만 아니라 민간 분야에서도 활발히 진행되고 있다. 본 기고에서는 체계에 적용 중인 프로펠러의 대해 소개하고 차세대 함정 무기체계에 적용하기 위한 저소음 프로펠러 소재 개발동향에 대해 기술하였다.

2. 본 론
 2.1. 함정용 프로펠러 적용 현황(Ni-Al-Bronze)
 니켈(Ni)-알루미늄(Aluminium)-청동(Bronze) 합금은 국제선급협회연합(IACS)의 선박용 프로펠러 규격에 기재된 CU3 규격에 따라 제작된 합금으로 구리에 7~11wt.%의 알루미늄, 니켈, 철, 망간 등의 성분이 첨가된 주조 합금이다(<표 2>, [1]).
 우수한 피로강도 및 내식성을 가져 이미 대형 프로펠러 제조에 널리 사용되고 있는 합금이며 기계적 강도의 최소 요구사항은 <표 3>과 같지만 용도에 따라 더 높은 물성치가 요구되기도 한다.
 하지만 NAB는 큰 밀도로 인해 추진 축계의 설계 하중을 증가시키고, 축계 비틀림 발생으로 인해 잠수함의 소음을 증가시키는 단점이 있다. 또한 현재 함에 적용 중인 프로펠러는 복잡한 형상으로 인해 가공 시간과 비용이 과도하게 발생할 뿐만 아니라 흡음성이 낮아 함정 적용성을 저감시키는 단점이 있다. 고중량, 저흡음성은 함정의 생존성과 직결되므로 현재 적용되고 있는 NAB 프로펠러 대비 우수한 기계적 특성을 갖는 소재의 개발이 필요한 실정이다. 현재 적용 중인 프로펠러를 대체하기 위해 섬유 강화 플라스틱, 고망간강, 알루미늄 프로펠러 등 가벼우며 비자성 특성을 갖는 소재를 적용하기 위해 개발이 진행되고 있으며 장단점은 <표 4>와 같다. 함정에 적용 중인 차세대 프로펠러는 섬유 강화 플라스틱이 대다수를 차지하며, 이를 중심으로 함정에 적용 가능한 비자성체 소재에 대해 살펴보았다.

[표 1] 캐비테이션의 종류

[표 2] NAB 프로펠러(CU3)의 합금 조성(참고 1, IACS)

[표 3] NAB 프로펠러(CU3)의 기계적 특성(참고 1, IACS)

[표 4] 프로펠러용 비자성체의 특성 비교

 2.2. 차세대 프로펠러 소재의 종류 및 특징
 2.2.1. FRP 소재 프로펠러
 한편 NAB 대체재로 유리 섬유 강화 플라스틱(Glass Fiber Reinforcement Plastic, GFRP) 이나 탄소 섬유 강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforcement Plastic, CFRP)을 적용한 프로펠러 개발 연구가 다수 이루어지고 있다.(<그림 1>, [2]) 복합소재에 첨가되는 필러의 종류에 따라 GFRP, CFRP로 나누어지며 복합재 제조에 사용되는 Glass Fiber와 Carbon Fiber의 기계적 특성은 <표 5>와 같다[3, 4]. 고분자 기지를 활용하여 섬유 강화 플라스틱(Fiber Reinforcement Plastic, FRP) 프로펠러를 제작할 경우, 내식성이 높아 부식에 의해 발생되는 프로펠러의 소음을 줄일 수 있다. 또한 낮은 중량으로 축계 비틀림을 감소시켜 선박-프로펠러 간 발생하는 소음을 감소시킬 수 있어 함정 적용성이 높다.

[그림 1] FRP 프로펠러 실형상(참고 2, Nakashima propeller)

 FRP 프로펠러는 소음뿐만 아니라 제작 용이성 및 기계적 특성에서도 장점을 가진다. 섬유 강화 플라스틱을 활용하여 프로펠러를 제작할 경우 비강도 특성이 우수하고 프로펠러 두께를 더 얇게 유지하면서 확장 면적비를 더 작게 설계할 수 있다는 장점이 있다. 섬유의 형상은 <그림 2>와 같으며 FRP는 섬유의 적층방향에 따라 물리적 특성이 달라지는 이방성재료(Anisortopic material)로써 제조공정에 따라 원하는 방향의 강성과 강도를 제어할 수 있어 기계적 특성에 대한 세분화된 설계가 가능하다[5]. 또한 고분자 기지를 활용하여 프로펠러를 제작할 경우 재료의 유연성으로 인해 CIS를 지연시킬 수 있다.

[그림 2] 탄소 섬유(좌)와 유리 섬유(우)의 미세구조(1000배율)(참고 5, H.S. Song and C.S. Min)

 Glass Fiber와 Carbon Fiber는 비강도 측면과 열변형에 우수한 특성을 가져 복합소재로 제작할 경우 프로펠러의 중량을 낮출 수 있는 중요한 요인으로 작용하며 탄소섬유의 경우 강도, 밀도, 강성에서 우수한 특성을 가져 활용성이 높은 장점을 가진다. 그러나 탄소섬유는 유리섬유 대비 가격이 높아 비경제적인 단점을 가진다. 탄소섬유 복합소재의 내구성과 성능은 가격 대비 높은 성능을 구현할 수 있기 때문에 활용도에 따라 섬유 종류와 배합비를 조정하여 복합소재를 제작하는 연구도 수행되고 있다(<그림 3>, [5]).

[표 5] 유리 섬유(111A type 30)와 탄소 섬유(T700S)의 기계적 특성(참고 3, Owens Corning, 참고 4, Toray)

 최근에는 미국, 유럽, 일본 등 전세계적으로 복합재 프로펠러의 설계, 제작 및 실용화를 위해 많은 연구가 진행되고 있으며 기존의 NAB 프로펠러보다 경량화되고 강도가 높은 차세대 함정용 프로펠러 시장을 선점하기 위한 관련 기술개발이 진행되고 있다. 선진국의 경우 시작품 제작 단계로 개발이 완료되었으나, 국내의 경우 유연 프로펠러의 소재 제작 및 형상설계를 위한 기초이론 수준의 연구가 수행되고 있으며 양산화를 위한 대형 프로 펠러 제작기술 확보가 필요한 실정이다.

[그림 3] 탄소 섬유-유리 섬유 혼합 복합소재의 이론 강도(참고 5, H.S. Song and C.S. Min)

 2.2.2. 고망간강 소재 프로펠러
 높은 충격 흡수능과 변형 경화(Work-Hardening) 특성을 갖는 고망간강을 프로펠러에 적용하기 위한 소재 개발이 이루어지고 있다. 고망간강 주물로 프로펠러를 제작할 경우, 외부 응력이 가해졌을 때 충격에 의한 내성이 높은 특성으로 인해 캐비테이션 소음을 감소시킬 수 있다. 이는 고망간강이 캐비테이션 붕괴에 따른 충격을 흡수하여 프로펠러에서 발생하는 소음과 진동을 감소시키기 때문이며 함정에 적용하였을 시 소음 저감의 효과를 기대할 수 있다.
 또한 고망간강은 비자성 특성을 갖기 때문에 차세대 함정 프로펠러 재질로 주목받고 있다. 비자성 재질의 프로펠러는 수중 전자기신호(Underwater Electro-magnetic Signature)를 발생시키지 않아 선박의 피탐가능성을 낮추고, 기뢰 위협에 대비할 수 있다는 측면에서 장점을 가진다. 그 중 고망 간강은 니켈 대비 10배 저렴하여 제작비용을 낮출 수 있고, 충격 인성과 내식성이 높아 장기간 운용이 가능하여 차세대 함정 프로펠러 재질로 주목받고 있다. 고망간강은 철강에 10~30%의 망간을 첨가하여 제작한 물질로 고강도, 비자성, 내마모성의 특징을 갖는다. 최근 포스코에서 개발한 고망간강 (HMN40)의 조성은 <표 6>과 같으며, 망간 함유 량이 22.5~25.5%를 차지하는 고망간강이 개발되었다(Posco 2022, [6]). 오스테나이트계 고망간강은 높은 비강도와 우수한 전연성을 가지며 내산화성이 우수한 특성이 있으나 오스테나이트상의 고용 한도 한계를 갖기 때문에 대형 및 복잡한 형상의 고망간강 주물 제작의 어려움이 발생하는 단점이 있다.
 금속 프로펠러는 납품 시점에는 우수한 기계적 특성을 가지나 운항 중 해수로 인한 부식과 침식이 발생되어 기계적 특성이 낮아진다. 부식에 의한 추가적인 파손을 방지하기 위해 보수용접이 수행되고 있으나 용접부 용착금속 표면부의 기공성 결함으로 인해 <그림 4>와 같은 균열이 발생된다 [7]. 국내 함정의 은밀성을 향상시키기 위해서는 주조공정을 최적화하고 적정한 보수용접을 수행 하기 위한 연구가 필요하며 함선에 장기적으로 적용하기 위해서는 부식 영향성을 면밀히 평가하고 피로수명을 예측하는 등 추가적인 연구수행이 필요하다.

[표 6] 고망간강의 합금 조성(참고 6, K.H.Shin)

 

[그림 4] 망간강 파단부의 SEM 이미지 관찰 결과(참고 7, U.H.Jung and H.S.Lee)

 2.3. 국내외 기술 동향
 2.3.1. 국외 기술 동향
 해양 프로펠러 시장에서 발생하는 소음과 진동을 줄이는 것은 국방뿐만 아니라 민간분야에서도 활발한 연구개발을 수행하고 있다. 세계 해양 프로 펠러 시장은 2021년 약 35억 규모의 사업이 진행 되었으며 2029년까지 57억 달러로 연간 6.8% 성장할 것으로 전망된다. 현재 국외에서는 FRP를 적용한 프로펠러 제작 기술이 고도화되어 실제 선박에 적용 중이며 고망간강 프로펠러는 현재 양산을 위한 대형화 개발 진행 중이다.
 독일 AIR Fertigung–Technologie GmbH에서는 Rostock대학과 협력하여 최대 5m급 CFRP 프로펠러를 제작하고 선박에 적용하였다. NAB 대비 30%의 중량을 가지며 동일 선속에서 5dB의 소음감소를 이루었다. 또한 AIR Fertigung– Technologie GmbH사에서는 CFRP뿐만 아니라 아라미드섬유, 폴리에틸렌 섬유와 결합한 스마트 프로펠러에 대한 연구도 수행 중이며 복합재 프로펠러를 적용하였을 때 최대 순항속도에서 약 10%의 연료감소, 평균적으로 17.5%의 연료감소 효과를 가진다. 또한 독일 해군에서는 잠수함에 복합재 프로펠러를 적용하여 실선 시험을 수행하였다. 복합재 프로펠러에 폴리우레탄 코팅작업을 수행하였을 때 캐비테이션 발생이 줄어든 결과를 보였으며, 2년 동안 2만 마일의 장거리 운행 시험 을 수행한 결과 추가 결함이 발생하지 않는 결과를 보였다.
 일본의 경우 선박용 프로펠러 제조회사로 유명한 나카시마 프로펠러가 대표적이며 2009년부터 동경대, 일본선급(NK) 등과 공동 연구를 통해 상선용 CFRP 프로펠러 개발을 추진해왔다. 복합소재 상용화 연구를 통해 2.12m급 CFRP 프로펠러 개발 및 선상 탑재에 성공하였으며, 그 결과 엔진 소요마력이 9% 감소하였다. 일본에서는 60K BC 선에 FRP 복합소재 적용을 목표로 개발 중이며, 단계적으로 프로펠러 크기를 확장하여 제작하는 것을 목표로 하고 있다(<그림 5>).

[그림 5] 일본 Nakashima 社 복합소재 프로펠러(참고 2. Nakashima propeller)

 2.3.2. 국내 기술 동향
 현재 국내 함정 무기체계에 적용하고 있는 프로펠러는 NAB가 대부분이며 일부 Mn-Bronze 프로펠러를 생산·적용하고 있다. NAB는 국내기술수준이 고도화 되어 해외로 역수출할 만큼 기술성숙도가 높아졌으나, 높은 중량에 의해 엔진 효율을 떨어뜨리고 부식에 의한 소음이 발생하는 단점이 있어 이를 개선하기 위한 신소재 적용이 필요하다. FRP, 고망간은 미래 함정 추진체계에 적용될 것으로 전망되는 소재이나 대형화하여 국내에 적용하기 위한 생산기술이 부족하여 해외에서 수입하여 활용하고 있는 실정이다.
 국방 부품 특성상 수출입통제(Export Licensed)로 분류된 부품이 다수이기 때문에 이에 대응하여 독자적인 기술을 개발하기 위한 다양한 연구가 수행되고 있다. 국가연구개발과제로 차세대 전기추진 선박에 적용하기 위한 고효율·저소음·고속추진 프로펠러 개발을 수행하고 있으며 대형 선박에 실선 적용하기 위한 모형선을 제작하고 캐비테이션 성능 시험을 수행한 결과 프로펠러 추진 효율이 2%이상 상승하였다. 또한 산업통상자원부와 방 위사업청에서도 프로펠러 개발을 위한 R&D과제 를 기획하였으며 ‘선박용 CPP(Controllable Pitch Propeller, 가변 피치 프로펠러) 캐비테이션 초생 선속 최적설계기술개발’, ‘추진기 소음저감기술을 응용한 추진기 침식 모형시험법 개발과 추진기 소음저감기술 고도화’ 등 정부출연기관에서 저소음 프로펠러 개발을 위한 기초연구를 수행하고 있다. 그러나 장기간 실선 시험을 수행하기 위해서는 대형 프로펠러를 제작하여 내구성을 검증하기 위한 시험개발 수준의 과제가 필요하다.
 이에 따라 국방기술진흥연구소에서도 해외부품 단종에 대비하고 미래 함정 무기체계에 고성능 프로펠러를 적용하기 위해 해외 무기체계와 동등 이상의 목표성능을 갖는 핵심기술개발을 수행하고 있다. 현재는 응용연구 단계에서 복합소재, 고망간강 프로펠러 개발을 수행중이며 민간-국방 분야 업무협력을 통해 대형 프로펠러 제작 기술이 고도화된다면 현재 운행중인 선박에 적용하여 연료효율을 낮출 수 있을 뿐만 아니라 미래 개발될 수상함, 잠수함 등에 탑재하여 피탐성능을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

[표 7] 함정 프로펠러 관련 국방 사업 현황

3. 결 론
 민간뿐만 아니라 국방 분야에서도 FRP, 고망간강, 스테인리스 등 기존에 프로펠러에 적용하지 않은 신소재를 활용하여 저소음 특성을 갖는 프로펠러 기술개발이 이루어지고 있다. 함정 무기체계에서 높은 내식성을 구현하고 우수한 기계적 특성을 갖는 차세대 프로펠러 제작기술은 국가 경쟁력 강화를 위한 필수 핵심기술로 인식된다. 국내에서 자 체적인 연구개발을 통해 국내 프로펠러 제작기술을 고도화하고 해외와 국내 기술 간격을 줄이기 위한 연구가 필요한 실정이다. 따라서 국내 기술 자립화를 위해 국방기술연구소와 산·학·연 과의 협력을 통해 단계적인 기술 성장이 필요할 것으로 판단된다.



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참고문헌
[1] IACS(International Association of Classification Societies), https://iacs.org.uk
[2] Nakashima propeller Co, https://www.nakashima.co.jp
[3] Owens Corning, https://www.owenscorning.com
[4] Toray Composite Materials America, https://www.toraycma.com
[5] H.S. Song and C.S. Min, “Optimum Combination of Carbon and Glass Fiber Composite to Obtain the Hybrid Effect”,
Journal of the Korea Concrete Institute, Vol. 23, No. 4, pp. 405-411, Aug. 2011DOI: http://dx.doi.org/10.4334/
JKCI.2011.23.4.405
[6] K.H. Shin, “A Study on the Applicability of High Manganese Steel to Naval Ship Hulls”, Technical Paper Journal
of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 61, No. 1, pp. 61-67, Feb. 2024DOI: https://doi.org/10.3744/
SNAK.2024.61.1.61
[7] U.H. Jung and H.S. Lee, “A Study on the Cause of Crack on the Surface of the Propeller for Submarine”, Journal of the
Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 23, No. 1, pp. 603-608, Jan. 2022DOI: https://doi.org/10.3744/
SNAK.2024.61.1.61

 

[출처: 국방기술진흥연구소 디팀스위클리 네이버포스트]