, 원자력 잠수함
, 스노클
, 스노클링
Air Independent Propulsion
1. 개요
해석하면 공기 불필요 추진 시스템. 말 그대로 외부의 산소 공급 없이 추진동력을 제공하는 여러 종류의 기관을 통틀어서 말한다. 민간에서는 굳이 산소 없이 엔진을 돌릴 이유가 없어 그다지 쓰이지 않지만 군사기술 측면에서는 잠항기간 동안 산소공급이 없어서 작전기간에 대단히 큰 제약을 받았던 재래식 잠수함에게는 물 밖으로 나와 디젤엔진을 가동할 필요 없이 동력을 얻는 AIP가 커다란 메리트였고, 널리 퍼져나간다.다만 연료전지는 21세기 들어 전기자동차의 개발에 힘입어 상용화 단계에 들어섰는데, 이것도 민간기술에서는 수소를 기체나 액체화합물 형태로 저장해서 사용할 뿐 산소는 외부에서 흡기하여 사용하므로 어디까지나 민간에서 사용하는 것으로는 AIP의 정의에는 맞지 않는다. 기술적으로야 유사하겠지만.
2. 장점
상술했듯 재래식 잠수함은 잠항 상태에서는 산소 공급이 없는데, 이 때문에 수중에서 디젤 엔진을 돌리는 것은 불가능하고[1] 평소 미리 충전해 두었던 이차 전지 (배터리)로 가동한다. 그러나 이차전지의 용량에 한계가 있어 잠수함들은 자주 수면으로 위로 부상해야 했고, 스노클이라는 획기적인 장비가 개발된 이후에도 결국은 스노클링을 위해 수면 가까이까지 부상해야만 한다. 게다가 시끄러운 디젤 엔진을 작동시켜야 하고 매연이 배출되니 이때가 재래식 잠수함이 가장 취약한 시기이다. 그런데 AIP는 수중에서 추가적인 산소 공급 없이 동력을 공급할 수 있어서 더 오랫동안 스노클링을 하지 않아도 잠항을 할 수 있게 해준다. 이 덕분에 연료전지 AIP기관을 장착한 214급 잠수함은 209급 잠수함에 비해 잠항기간이 3배 정도 늘어났다.3. 한계
하지만 AIP로 발전할 수 있는 에너지는 한정되어 있고, 때문에 AIP를 탑재한 재래식 잠수함이라도 여전히 원자력 잠수함에 비해서는 훨씬 잠항기간이 짧다. 또한 AIP의 상당수는 액화수소와 산소를 사용하는데 이 녀석은 해상에서 보급하기 어렵고 모항으로 돌아와야만 보충할 수 있다는 단점이 있다.게다가 AIP는 시간당 출력 자체는 약해서 AIP의 동력만으로는 고속항행이 불가능하다. AIP의 장점으로 자주 인용되는 '최대 2~3주 잠항'은 시속 5노트 미만의 저속 항해를 전제로 한 것이며, 고속항주에는 사실상 쓸모가 없다. 당장 출력을 보아도, [[214급] 잠수함]의 영구자석 모터는 최대 2.85MW의 출력을 갖고 있지만 연료전지의 출력은 240kW에 불과하다. 배터리에 비해 총 에너지 충전량은 많지만 출력이 낮은 것. 현 시점에서 AIP는 어디까지나 소음이 발생하지 않는 상태에서 저속항해 시간을 3배 이상 늘리는 장치이다.
또한 대다수의 AIP는 배터리와 달리 잠수함에서 자체적으로 재충전이 불가능하다. 액화수소와 산소를 사용하는데, 보급함에서 공급하기에는 위험하고 해수를 분해해서 적재할 수도 없는 일이니까.
호주 해군의 콜린스급 잠수함은 AIP가 제안되었지만 결국 제외하고 대출력 엔진을 설치해 단시간에 축전지를 채우는 컨셉으로 건조되었다. 디젤엔진이 강하다고 수중작전능력이 늘어나는 것은 아니지만 안전한 곳에서 빨리 충전을 한다는 것으로, 세계 최초의 연료전지 AIP 디젤 잠수함인 212급 잠수함의 엔진이 2MW인데 콜린스급은 2MW 디젤엔진이 3대. 따라서 콜린스급 잠수함은 수중작전능력 자체는 212급보다 뒤지지만 디젤 엔진을 풀가동하여 보다 빠르게 축전지를 충전할 수 있다. 몇 번이나 말하지만 디젤엔진이 강하다고 수중작전능력이 늘어나는 것이 아니라 호주 정부와 해군이 자신들의 작전환경상 '굳이 AIP를 넣지 않아도 빠르게 전지를 충전할 수 있으면 된다'고 판단했다는 것이다. 이는 호주가 남반구의 섬나라라는 특성상 안전해역이 넓고 작전해역이 멀기 때문에 가능한 것으로, 대한민국 해군처럼 항구 나가면 바로 목숨 걸어야 하는 환경과는 다르다. 2000년 호주에는 제2차 세계 대전기 가잠함처럼 수상항행에 적합한 함형을 지니고 수상에서 가스터빈 엔진으로 고속 전개하여 작전해역에서 잠항한다는 컨셉함까지 제안되었을 정도였다.
이후 수십년간 건조된 신형 디젤 잠수함에는 AIP 탑재가 당연시되고 있다. 2021년 기준 11개 국가 약 600여척의 잠수함이 이미 AIP를 탑재하여 운용 중이다. 여력이 있는데 굳이 AIP를 탑재하지 않는 경우는 일본 해상자위대의 소류급 잠수함 11~12번함과 타이게이급 잠수함 정도다[2]. 이에 관해서는 하술. 대한민국 해군의 KSS-III Batch-II도 디젤-전기 추진에 연료전지 AIP와 리튬전지를 장비한다.
현재까지 AIP 탑재 잠수함이 원자력 잠수함을 대신하는 것은 불가능하다. AIP는 4노트 정도의 저속으로 수중에서 대기하는 기간을 늘려주는 정도의 출력을 지니고 있으며, 무한한 전력을 이용해 수중 30노트로 무한정 달릴 수 있는 원자력 잠수함과는 비교할 수 없다. 물론 연안에서의 작전으로 한정한다면 AIP는 기존 재래식 잠수함에 비해 3배 이상의 수중작전능력을 부여하여 전투력을 크게 향상시켜준다.
4. 종류
- 발터 기관 - 2차대전 말기 독일이 개발한 초기형 AIP. 과산화수소를 산소와 수소로 분리하여 연소시키는 터빈 기관이다. 이미 1937년부터 연구되었지만 폭발 위험이 너무 컸다. 순수한 과산화수소는 끔찍한 반응성 때문에 엄청난 독성과 부식성을 띤다. 사람에 닿으면 녹여 죽이는 수준이고 금속에 닿으면 표피를 부식시키고 증기가 되어 펑! 쿠르스크 함 침몰사건이 어뢰 엔진에서 비슷한 반응이 발생한 사건이다. 과산화수소를 제껴두고 봐도 산소와 수소가 분리된 채로 함께 있는건 말 그대로 폭탄이다. 결국 시제함만 건조되고 대신 축전지량을 3배로 늘린 21형 유보트가 배치되었다.
- 폐쇄회로 증기터빈(MESMA) - 프랑스 스코르펜급 디젤 잠수함에 장착하는 AIP. 출력은 강하지만 해당 기관의 떨어지는 에너지 효율과 기관의 부피가 큰것이 단점이다. 배기 압력이 높아서 깊은 심도에서도 추가장치 없이 자체적으로 자연적인 배출이 가능한게 장점이다. 왕복운동 기관이 아닌 회전식 기관이라 저주파 소음만 나는게 특징이라고 한다. 소음은 현실적으로도 상당히 조용한 편이다.
- 연료전지 - 대표적으로 독일 연방군의 212급 잠수함과 우리 해군도 보유한 214급 잠수함 등이 사용하는 AIP. 화학반응에서 직접 전기를 만들어내기 때문에 정숙성이 높고 에너지 효율이 좋은 편이다. 부산물로 순수 물이 발생하기 때문에 잠수함의 다른 곳에 쓰이기도 한다. 단위중량당 출력이 약하고 지상에 대규모의 (그리고 공격에 취약한) 액화수소 설비가 필요하며 해상보급이 불가능하다는 단점이 있다. 값도 비싸서 214급 건조비용 4천억 원 중 1,400억 원 정도가 연료전지 파트라고.
반대로 기계적 동작부가 아예 없어 매우 조용하고 심도에 무관하게 작동하는 것이 장점. 이 때문에 대형화하여 잠수함의 주기관으로 사용한다는 컨셉도 있다. 디젤 엔진처럼 스노클로 흡입한 산소를 이용해 발전하여 리튬 전지와 같은 축전지를 충전하거나 아예 액화산소를 만들어 저장했다가 물 속에서 필요하면 액화산소와 수소를 반응시키는 방식으로, 운용 방식은 기존의 재래식 잠수함과 같지만 디젤 소음이 없어서 생존성이 높으며 디젤과 AIP, 수소와 디젤 연료를 따로따로 적재하는 것보다 전체 기관 중량도 경량화할 수 있다. 다만 상술했듯 아직까지는 연료전지의 출력이 낮아 전술적인 한계가 있고, 기체인 수소는 해상보급이 어렵다는 것도 문제이기에 아래와 같은 연구가 계속되고 있다.
- 액체연료 연료전지 - 메탄올이나 에탄올을 적재했다가 분해하여 추출한 수소 가스로 발전하는 방식의 연료전지. 액화수소식 보다는 효율은 상대적으로 약간 떨어지지만 여전히 효율은 높은 편이고 메탄올의 독성이 문제지만,
에탄올을 쓰면 독성 문제는 간단히 해결되지만, 21세기판 Torpedo juice가 함내에 유행하지 않는다는 보장은 못 한다상대적으로 기술 난이도가 낮고 액체라 보관 및 주입이 간단하며 연료 저장 밀도는 훨씬 높다고 한다. 기체이고 가벼워서 밀도가 낮으며 금속 틈새로 스며들어 부식시키는 성질까지 있는 수소는 정밀하게 만든 고압 탱크나 흡장합금 등 무거운 저장장치가 필요한 반면 메탄올/에탄올은 그냥 연료탱크 비슷하게 담아둘 수 있다. - 천연가스, 액화석유가스 연료전지 - 연료전지의 연료로 부탄, 프로판인 액화석유가스(LPG)나 메테인인 액화천연가스(LNG)를 쓰는 방식. 운전 온도가 섭씨 700-800도 가량 되므로 시동시에는 배터리 전력으로 예열이 필요하고 자주 전지를 켜고 끄기 어려워 리튬 전지 등 에너지 저장 장치와 병용할 필요가 있다.
- 스털링 기관 - 세계 최초로 실용화된 AIP. 스웨덴의 고틀란트급이 대표적이다. 실린더 구동음 때문에 정숙성이 떨어지고 에너지 밀도가 낮아 크기가 크다. 어차피 수소탱크가 공간을 왕창 잡아먹으니 오차 수준이긴 하지만... 그보다 배기가스 배출 문제로 150미터 이하의 깊은 심도에서는 작동하지 않는다. 심도가 얕은 북해에서 작전하는 고틀란트급은 문제가 없었지만 해자대에서는 문제가 되었고, 결국 소류급은 11번함부터 리튬전지로 대체하였다.
- 폐쇄회로 디젤 - 디젤기관과 액체산소 공급장치를 같이 탑재한 기관. 배기가스를 채취하여 이산화 탄소를 분리하고 액체산소를 추가하여 재투입하는 방식으로, 우리나라에서도 1999년경에 연구하였다지만 소음이랄 게 아예 없는 연료전지가 도입된 이후 사장되었다.
- 원자력 전지 - 원자로는 터빈을 돌려서 구동하지만, 원자력 전지는 방사능 붕괴로 발생하는 열을 열전 효과를 통해서 발전한다. 소련에서 시도해봤지만 안정성 문제 때문에 끝. 하지만 21세기에 들어서 기술적으로 많이 안정화가 되어서 차세대 AIP로 떠오르고 있는 방식이고, 특히 원자력 기술은 뛰어나지만 정치적 이유 때문에 원자력 잠수함 도입을 못하는 한국이나 일본에서 연구중이다. 사실 원자력 전지는 오래도록 전기를 생산할 수 있지만 출력비(출력 대 무게 비, W/kg)가 기존 2차전지의 100분의 1 수준이라 갈 길이 멀다. 상세한 사항은 항목참조.
- 소형 원자로 - 1999년 프랑스에서 대한민국에 루비급 잠수함 AIP를 제시한 일이 있었지만 채용되지 않았다. 제원상으로는 부피도 3x3x3m 정도로 작고 완전밀폐에 정비와 연료교환은 지상에서 실시하여 단순화한 자연순환식 원자로. 속력 수중 10노트라는 디젤기관을 빼버려도 좋을 것 같은 제원을 자랑했지만 결국은 원자로인지라 도입을 위해서는 정치적, 기술적 제한이 크고, 그 제한을 극복했다면 더 큰 원자로를 장착해서 제대로 된 30노트짜리 원자력 잠수함을 만드는 것이 낫다.
하지만 2010년대 들어 SMR연구가 각광받으면서, 창정비할 때 VLS에서 미사일을 빼듯 교체가능한 모듈형 캡슐형 원자로 방식으로 가능성이 생기고 있다. 원래는 잠수함에 쓸 용도가 아니지만. 이 분야에서 논의되고 있는 것은 용량은 작지만 주거지 인근에서 사용할 정도로 안전하고 밀폐되는 사양이다.
5. 리튬이온 전지와 AIP
확언하면, 리튬전지는 동력기관이 아니므로 AIP에는 해당하지 않는다. 그러나 일부 국가에서는 이것만으로 충분하다고 보고 있는 듯하다.리튬전지는 기존 납축전지보다 질량/부피 대비 3배 가량의 에너지 밀도를 지니며, 고속/고율 충방전에 유리한 소재이다. 상술했듯이 212급 잠수함은 연료전지를 채용하여 209급 잠수함의 3배의 수중작전능력을 보유했다. 그런데 리튬전지가 납축전지의 3배의 전력을 충전할 수 있다면 그냥 납축전지만 리튬전지로 갈아줘도 AIP를 장비한 것처럼 3배의 수중작전능력을 보유하게 된다.[3]
이해를 쉽게 하기 위해, 납축전지는 1의 수중작전능력을, AIP는 3을, 리튬전지도 3을 발휘한다고 가정하자. 이때 AIP는 한번 적재한 액화수소와 산소를 다 소모하고 나면 기지로 귀환해야 재보급을 받을 수 있다. 그러므로 계속 임무를 수행한다면 기존 재래식 잠수함과 같은 1의 수중작전능력밖에 발휘하지 못한다. 그러나 리튬전지는 해상에서도 스노클링을 해 디젤엔진을 돌려 전력을 충전할 수 있으며, 꽉 채우면 'AIP 잠수함이 AIP용 액화수소와 산소를 가득 보충한 것처럼' 기존대비 3배의 수중작전능력을 여전히 발휘할 수 있다. 즉, AIP 잠수함은 한 번만 AIP를 사용한 장기 수중작전능력을 발휘할 수 있고 그 후에는 수중작전능력이 1로 줄어들지만, 디젤-리튬전지 잠수함은 몇 번이나 3의 수중작전능력을 발휘할 수 있다.
아울러 납축전지는 고속 방전시 효율이 급감하는데 비해 리튬전지는 고속방전 효율도 높으니 수중교전에서 필요할 수도 있는 고속성능면에서도 유리해진다. 물론 재래식 잠수함은 저속, 저소음 활동을 중시하지만 전술상 필요할 때 할 수도 있는 것과 할 수 없는 것은 차이가 크다. AIP는 별개의 동력기관과 연료탱크, 액화산소 탱크까지 요구하기에 잠수함의 공간을 많이 차지하고, 지상에 대규모의 지원설비를 필요로 하지만 리튬전지를 사용한 디젤-전기 잠수함은 그런거 다 필요없다는 것도 장점.
일본에서는 소류급 잠수함 1~10번함에 스털링 기관을 채용했는데, 이것이 150미터 이상 깊은 심도에서는 제대로 작동하지 않기에 처음에는 스털링 기관보다 운용온도가 낮으며[4] 운용제한 심도가 없는 연료전지 AIP를 탑재하려다 경제적, 기술적 문제로 포기하고 연구 끝에 리튬전지를 채용하였다. 보다 많은 전력량을 충전하는 만큼 단시간에 충전을 하기 위해서 디젤엔진 출력과 흡/배기계통 재설계가 필요했다.
그 결과 소류급 잠수함 1~10번함에는 75kW출력 스털링 엔진 4대가 탑재되어 3~4kts의 속력으로 14일간 수중에서 기동할 수 있었다. 한편 리튬이온 축전지를 탑재한 11~12번함은 항해속도 유지시간 1.5배, 고속기동 시간 3배로 증가되어, 통상 전방 47도의 유효공격범위가 전방 74도로 확대되었다. 문맥이 미비하나, 항해속도 유지시간 1.5배가 기존 납축전지에 대응하는 것이라면 스털링 AIP를 이용한 수중작전시간을 포함한 것보다는 오히려 짧아졌다고 볼 수 있다. 상술한 것처럼 리튬전지가 아직 기술적으로 미성숙하여 에너지 밀도가 납축전지의 3배라는 포텐셜을 모두 뽑아내지 못했을 것이다. 실제로 리튬이온 전지를 탑재한 소류급 잠수함 11, 12번함과 아래 타이게이함은 모두 내부구조가 크게 다르다고 한다. 이것저것 시험해보고 있다는 의미다.
리튬이온 배터리가 본격적으로 설치되는 타이게이급 잠수함은 AIP가 없이 신형 디젤 발전기와 신형 스노클 체계를 탑재하여 엔진출력이 소류급 잠수함보다 23퍼센트 향상됨에 따라 축전지 충전시간이 반으로 줄어들었다. 어차피 스털링 엔진은 심심도에서는 제대로 작동하지도 않고 연료전지는 포기했으니 그냥 리튬전지로 가려는 듯. 다만 일본 내부에서도 리튬전지만 믿을 수 있겠냐는 말이 나오고, 타이게이급 잠수함 자체도 시험함으로 전환되었으므로 차기함급이 어떻게 나오는가가 관건이다. 이 자료에 따르면 일본도 디젤-연료전지 AIP를 고려중이라고 하는데, 그게 2019년 당시 '22SS'에 관한 예측이었다. 22SS는 당시 소류급 잠수함의 차기함급. 결국 7년 늦게 나온 29SS 타이게이급은 상술했듯이 AIP가 없는 디젤-리튬전지 잠수함이다.
대한민국 해군의 도산안창호급 잠수함 Batch-II는 고민할 필요 없이 리튬전지와 연료전지 AIP를 둘 다 장비했다. 이러면 가격도 오르고 부피도 커지지만 이론상 1회는 최대 6(...)의 수중작전능력을 발휘할 수 있고, 액화수소 다 써버린 뒤에도 3의 수중작전능력을 지속적으로 발휘할 수 있다. 어차피 연료전지를 수십년 운용하며 노하우도 쌓았고 지원설비도 충분히 갖춰놓았으니 그냥 '현존 재래식 잠수함 최고의 성능'을 추구하려는 듯. 그만큼 가격이 비싸지지만 대한민국은 전략병기인 도산안창호급 잠수함 1척에 1조원을 감수하고 있다.
6. 연료전지-리튬전지 체계 잠수함
연료전지는 매우 출력이 낮고 가격이 비싸지만 기계적 소음, 매연 없이 전기를 생성할 수 있으므로, 저소음이 생명인 재래식 잠수함에게 매우 효율적이다. 이를 이용해 재래식 잠수함의 주 동력을 저출력 원자전지로 탑재하는 방안도 제시되었다.즉, 기존 디젤 잠수함에서 시끄럽고 매연을 뿜는 디젤 엔진, 엄청난 진동을 일으키는 발전기, 거대한 연료탱크 등을 전부 빼버리고, 그 공간을 액화산소와 액화수소 탱크로 채우는 것이다. 비록 저출력이지만 소리없이 전기를 일으키는 연료전지로 저속 기동하면서 항상 축전지를 충전하고, 만약 고출력이 필요할 때는 축전지에 축전한 전기를 사용한다. 디젤 엔진은 강력하지만 안전해역에서 단시간만 전기를 충전할 수 있는 반면 연료전지는 항상 발전이 가능하므로 적 대잠세력이 강력한 해역에서의 평균 발전량은 출력이 약해도 항상 작동할 수 있는 연료전지 쪽이 더 높으리라는 것이었다.
단점으로는 위험한 액화수소의 해상보급이 불가능하니 장기 작전능력에 한계가 있고, 순항속력도 제한되어 작전해역이 멀 경우 기동에 시간이 걸린다. 212급 잠수함 기준으로 볼 때 추진용 영구자석 모터 출력은 2.85MW인데 연료전지의 출력은 총합 240kW이니, 안전한 해역이어서 스노클로 엔진을 풀가동시키더라도 10% 정도밖에 속력을 낼 수 없다.
때문에 해당 병기는 근거리, 연안작전에 특화되며, 무기체계는 본질적으로 모든 상황에 대비하여야 하는지라 어뢰정도 아니고 값비싼 고성능 잠수함을 연안용으로만 건조할 수는 없다. 결국 2020년 이후 완전 연료전지 잠수함 동력계통은 수중 드론 등 특수한 용도로만 제안되고 있는 실정이다.
[1] 이를 무시하고 가동하면 함내 산소가 몇 분 안에 고갈되어 잠수함 승조원들이 질식사하게 된다.[2] 기존 쓰던 스털링 기관은 해상자위대의 작전환경에 맞지 않아 때려쳤고, 그것을 대체하려고 연료전지 AIP를 연구하다가 비경제적이라고 관뒀다. 해당 잠수함들은 리튬 전지를 장비한다.[3] 현실적으로는 납축전지는 무게추로도 쓰이는지라 보다 가벼운 리튬전지로 그냥 갈아끼울 수는 없고, 흡배기 시스템이나 전기계통 등도 맞춰줘야 하니 제대로 성능을 발휘하려면 작정하고 새로운 설계가 필요하다. 강판으로 감싸 물에 닿아 폭발할 위험을 줄이고 무게를 늘린 리튬전지 제안도 나왔는데, 이것은 기존 납축전지의 2배 저장량을 지닌다고.[4] 스털링 기관은 약 800도, 연료전지는 85도.