잠수함 강제 발사방식 개념 및 국내⋅외 기술개발동향 분석

[출처: 국방기술진흥연구소 디팀스위클리 네이버포스트]

함수부무장체계(수평 발사 체계, 무장 저장고)는 잠수함의 성능을 결정하는 핵심 장비 중 하나로 잠수함 설계·건조 시 함 제원, 거주 공간, 주요 탑재 장비(SONAR, 배터리 룸, 보조추진기 등) 배치 등에 지대한 영향을 미친다. 본 고에서는 잠수함의 강제 발사방식 개념과 관련 국외 기술 동향을 분석하여 관련 기술을 소개하고자 한다.

유 영 환
국방기술진흥연구소 기반체계기술팀
연구원

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1. 강제 발사방식의 개발 필요성 및 개념
 대한민국은 1990년대 독일 TKMS(舊 하데베사)부터 209급 잠수함을 도입하기 시작하여 약 30년간 압축공기 사출 방식의 강제 발사방식의 수평 발사 체계를 탑재한 잠수함을 운용해왔다. 대우조선해양(現 한화오션)및 현대중공업은 독일의 TKMS사로부터 선체 건조를 위한 기술이전을 받았으나 수평 발사 체계 관련 기술은 이전받지 못하였다.

[그림 1] 잠수함의 수중 무장 사출(출처 : News Direct 유튜브)

 발사관 기술은 전투/소나체계, 유도탄 등에 비해 복잡한 기술은 아니나 잠수함 선체에 직접 용접되어 탑재되는 장비로 주로 조선소에서 선체 일부로 공급해 오면서 기술을 이전하지 않았고, 전 세계적으로도 일부 회사를 제외하고는 공급업체가 적어 기술이전이 되지 못했다. 진입장벽이 높은 시장이다 보니 체계종합업체인 조선소의 입장으로서는 개발 실패로 인한 함 인도 지연 배상금 등에 대한 사업적 위험을 감내하면서까지 장비를 개발하기보다는 이미 검증된 국외 장비를 구매하여 탑재하는 것이 잠수함 인도지연 위험을 예방할 수 있는 안전한 사업 방법이었을 것으로 판단된다.

 국내에서 설계/제작된 수평 발사 체계는 대우조선해양(現 한화오션)이 2017년경 인도네시아에 수출한 잠수함에 처음으로 탑재되었다. 그러나 해당 발사 체계 역시 강제 발사방식이 미적용되어 어뢰 발사만 가능한 수준이었다. 즉, 대한민국은 세계가 주목했던 장보고-III급 잠수함의 독자 개발 및 건조에 성공하였음에도 불구하고 수평 발사 체계는 영국의 Babcock사의 장비를 도입함으로써 국산화 개발이 되지 않은 상태였다. 현재 국내에는 약 30년간의 수평 발사 체계 운용 know-how만 있을 뿐 기술 및 인프라 구축이 미흡한 실정이며, 30년간 장비 구매를 위해 1조 1,700여억 원의 천문학적 국부를 사용(세부 내용 [표 1] 참조)하였다.

[표 1] 국내 잠수함에 적용한 수평 발사관 체계 구매 비용

1) 함정 도입 시기 가격을 기준으로 산정한 금액임. 물가 상승률, 후속 군수지원 금액 등이 포함되지 않았으며, 그 외 정비와 수리를 국외 업체에 의존해야 함으로써 잠수함 작전 운용에 제한이 발생하고 있는 상황임.

 

 1.1. 강제 발사방식 일반 개념
 잠수함에 장착되는 수평 발사 체계는 탑재된 무장(어뢰·유도탄·기뢰 등)을 수중에서 함외로 발사하는 체계로써, 수평 발사 체계의 함 내부 배치 형상 및 개략적인 개념은 [그림 2]와 같다.

[그림 2] 수평 발사 체계의 개략 설명도(출처 : 엠에이텍)

 수평 발사 체계는 크게 발사관, 유압/충·배수/전기/사출 장비로 구성되어 있으며, 각각의 구성 및 개념은 다음과 같다.
 
가. 발사관
 발사관은 내부 발사관/선체 관통구/외부 발사관/외부문 등으로 구성되며, 무장의 장전, 발사를 위한 공간이다.

나. 유압장비
 유압장비는 공통적으로 각종 Actuator, 제어밸브/블록, Interlock 밸브로 구성되며, 발사관의 작동, 충/배수 및 발사 관련 제어블록/밸브 작동을 위한 장비이다.
 
다. 충·배수장비
 충·배수장비는 충수/배수용 밸브, 압력 평형을 위한 밸브, 각종 게이지 및 센서 등으로 구성되며, 무장 발사 전/후 발사관의 충수, 압력평형, 배수를 위한 장비이다.
 
라. 전기장비
 전기장비는 감시용 모니터, 제어 판넬, 신호 수집 장치로 구성되며, 수평발사체계의 밸브, 유압장비들의 원격 작동(충/배수, 외부문 개폐 등) 및 상태 감시를 위한 장비이다.
 
마. 사출장비
 사출장비는 어뢰를 제외한 무장은 자항 기능이 없으므로 강제로 무장을 발사하기 위해 설치되며, 발사관 내 장전된 무장을 강제로 발사하기 위한 장비이다.
 

 1.2 강제 발사방식 방법 구분
 수평 발사 체계의 강제 발사방식은 발사관에 적재된 무장(유도탄/어뢰/기뢰 등)을 강제로 발사하기 위해 사용되는 에너지원에 따라 압축공기(Direct Air)를 이용한 사출 방식, 해수를 압축하여 작동하는 압축수(Pressurized Water) 사출방식, 기계식(Mechanical Ram) 사출방식 등으로 분류된다. 사출방식의 특징은 [표 2]와 같다.

[그림 3] 수평 발사 체계 ATP 발사 시스템(출처 : 한국군사과학 학회지, 참고문헌[8])

[표 2] 사출 방식별 형상 및 특징

 

2. 강제 발사방식 국내/외 기술개발 동향
 2.1. Direct Air 방식
 디젤 잠수함에 가장 많이 적용된 강제 발사방식으로 발사방식은 압축공기를 발사관에 직접 분사하여 장전된 무장을 강제로 사출하는 방식이다. 최초 독일에서 개발하여 수출한 방식으로 주로 209/214급 잠수함에 적용되었으나 발사 무장/무장의 발사 심도가 제한되고 발사 후 발생하는 기포로 인한 높은 피탐지 가능성 등 기술 발전 추세 측면에서 볼 때 기술적 한계를 가지는 신조 잠수함에서 적용되지 않는 추세의 방식이다.

[표 3] Direct Air 방식

 

 2.2. Water Ram 방식
 Water Ram 사출 방식은 유압/공압으로 작동하는 실린더를 이용해 해수를 유입하고 그 압력을 이용해 무장을 발사하는 방식으로 미국・독일・일본 등 국가에서 기술을 보유하고 있으며 중・소형 디젤 잠수함에 적용 중이다. Water Ram 방식은 유압 Ram 작동을 위한 추가공간이 필요하여 장비 크기 및 중량 증가로 인한 배치성에 단점이 있다. 주요 선진국의 경우 2000년 이후 소형 잠수함을 운용하는 동남아시아국가에서는 채택되지 않은 추세이다. 피스톤용 관통구가 필요하며 WTT(Water Transfer Tank)가 필요하므로, 주로 중・대형 잠수함에 적용되는 추세이다.

[표 4] Water RAM 방식

 

 2.3. Air Turbine Pump 방식
 압축수를 이용한 Air Turbine Pump 발사방식은 극히 고압 공기를 이용한 터보펌프를 작동하여 흡입된 해수의 압력으로 무장을 발사하는 방식으로, 최신 기술로 선진국 신형 함정에 선호하여 적용되는 방식으로 제한된 국가(미국·영국)만이 기술을 보유하고 있으며, 호주·스페인·한국 신조 잠수함에 적용되어 운용하고 있다. ATP 방식은 피탐지 위험이 적고 연속 발사에 유리하고 펌프의 회전운동에 의해 사출이 이루어지므로 복귀과정이 필요 없어 연속 운전이 가능한 장점이 있으나, 추가 관통구 및 전용구역이 필요하므로 중형 디젤 잠수함급에 적용되는 방식이다.

표5. Air Turbine Pump방식

 

 2.4. Mechanical Ram 방식
 기계식 발사방식은 제어장치에서 무장 발사 신호 수신 후 압축공기 실린더 내부의 공기가 밸브를 통해 이동하여 발사관 내부에 설치된 Ram 실린더를 밀어내게 되는데 이때 실린더는 무장 연동 장치(Top Stop)에 고정된 무장과 함께 운동하게 되며 무장 연동 장치에 고정된 무장이 발사관 외부로 발사되는 방식으로, 주로 프랑스・네덜란드 등 국가의 중・소형 디젤 잠수함 및 원자력 잠수함에 모두 적용 중이다. 2,000톤 이상의 재래식 잠수함에서 적용되는 방식으로 배치성에는 유리하나, 발사관 직격 증가의 단점이 있다.

표6. Mechanical Ram 방식

 

3. 결론
 각 사출 방식은 크기・중량・작동 방식등을 고려하여 결정되며 통상적으로 압축수(Water Ram/ATP) 방식은 중형 디젤 잠수함 및 원자력 잠수함에, 기계식(Mechanical Ram)방식은 모든 형태에 잠수함에, 압축공기(Direct Air) 방식은 구형 중・소형 디젤 잠수함에 주로 탑재된다. 최근 국가별 신조 잠수함에 적용된 사출방식은 [표 7]과 같다.
 
[표 7] 국가별 사출 방식 적용현황

 강제 발사 기술은 압축공기(Direct Air) → 기계식(Mechanical Ram) → 압축수(Water Ram →Air Turbine Pump) 순으로 발전해 왔다. 이러한 발전추세는 잠수함의 작전 임무 및 크기(형상·대형화) 변화 등에 따른 작전 운용능력 향상(발사가능한 무장의 종류, 발사 심도, 연속 발사 등), 발사관/저장고의 배치서(전투체계 연동성, 발사 체계와 저장고 간의 간섭 배제 등), 무장 발사에 따른 피탐지율 감소 등을 복합적으로 반영한 결과이다.

[그림 4] 강제 발사 기술 발전 추세(출처 : Janes Fight ship)

 본 고에서는 국내외 잠수함의 강제발사방식의 방법 및 장단점을 분석하고, 국내・외 개발동향에 대해 조사하였다. 조사 결과에 따르면 각 국의 잠수함 운용방식에 따라 중・소형 디젤 잠수함 및 원자력 잠수함에 적합한 강제발사방식을 적용하여 운용 중에 있으며, 우리나라의 경우 장보고Ⅰ,Ⅱ급에는 독일의 209/214급에 압축공기(Direct Air)방식을 도입하여 적용중이며, 장보고Ⅲ부터 Bobcock사에서 도입하여 ATP 방식을 적용하여 사용 중에 있다. 국내에 강제 발사방식 개발현황은, Machanical RAM 방식은 기술보유 중 이며, 현재 개발진행 중인 과제로는 Water RAM 사출방식, ATP 사출방식에 관해서 연구진행 중이다. 본 고에서 조사한 내용을 참조하여, 현재 국외에서 도입하고 있는 잠수함 강제발사방식의 기술을 개발하여 향후 잠수함의 운용능력 극대화 및 비용 절감을 기대해본다.

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참고문헌
[1] 한명철,김정관,김광수 “수중발사를 위한 ATP 방식 압축수 방출시스템의 동특성 해석”, 부산대학교, 석사학위논문, 2009.
[2] Janes Fight ship(2022~2023)
[4] 권용훈외5명, “압축공기를 이용한 발사체 방출시스템 해석”, 부산대학교, 대한기계학회, 2004.
[5] 이원희, “수중발사를 위한 ATP 시스템의 제어”, 부산대학교, 석사학위논문, 2009.
[6] 박인기, “압축공기 방식 수중발사 시템의 동특성 시뮬레이션”, 국방과학연구소, 한국군사과학기술학회지, 2004.
[7] 박승규, “고압 압축공기를 이용한 터보펌프 설계 기술”, 엠에이텍, 대한기계학회, 2022.
[8] 정찬희,박인기, “원심펌프 방식 수중발사 시스템의 동특성 해석”, 한국군사과학학회지, 2012.

 

[출처: 국방기술진흥연구소 디팀스위클리 네이버포스트]