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원자력추진 잠수함 설계 / 건조 능력과 해결과제

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작성일: 2017-04-28 13:31:26

원자력추진 잠수함 설계 / 건조 능력과 해결과제


서동식┃상무 대우조선해양(주) 잠수함개발사업담당


I. 국내 잠수함 설계/건조 기술의 발전 과정 

 

  대한민국해군은 1992년 독일 HDW社로부터 209급 선도함을 직도입한 이후 8척의 양산함을 기술이전 방식으로 건조하여 성공적인 전력화를 이루었으며, 다국적 해군들이 공동으로 참여하는 환태평양 연합훈련(RIMPAC)의 모의전투에서 그 탁월한 성능을 여러 차례 입증하는 성과를 거둔 바 있다. 

 


  이후, 2000년도부터 공기불요장치(AIP, Air Independent Propulsion)를 적용한 1,800톤급  중형잠수함을 독일의 기술이전을 통해 건조하는 사업이 진행 중이며, 2008년도부터 기본설계를 진행하여온 이래로 여러 가지 기술적 난관을 성공적으로 헤쳐 오면서 차세대 3,000톤급 중형잠수함 개발을 국내 독자 기술로 완료하여 선도함 건조를 한창 진행 중에 있다. 


  이와 같이 대한민국이 잠수함 건조를 시작한지 어언 4반세기가 경과되는 현 시점에서 순수 국내 기술로 차세대 잠수함 설계 및 건조 사업을 성공적으로 진행해올 수 있었던 이유는 사업추진 주체인 방위사업청, 소요군인 대한민국 해군, 관련 정부기관(국방기술품질원, 국방과학연구소 등), 장비업체, 위탁연구과제 참여업체 및 조선소 등 모든 이해관계자들의 역량이 이렇게 국가적으로 중요한 큰 규모의 사업을 수행할 수 있을 정도로 발전되었기 때문이며, 이제 대한민국은 적어도 3,000톤급 이상 중형잠수함의 설계 및 건조를 독자적으로 수행할 수 있는 충분한 기반과 역량을 확보하고 있다고 평가할 수 있다. 

 


II. 국내의 잠수함 설계기술 수준 


  앞 장에서 설명한 바와 같이 국내의 잠수함 설계기술 수준은 차세대 잠수함의 개발 및 건조  과정을 거치면서 모든 관련 분야에서 괄목할 만한 성장과 발전이 있었던 것이 사실이며, 본 장에서는 크게 세 가지 분야 - 플랫폼 분야, 탑재장비 분야 및 특수성능 분야 - 로 나누어 현재의 국내 기술 수준에 대해서 살펴보도록 하겠다. 

 

플랫폼 분야
  국내의 잠수함 플랫폼 설계는 2000년대 초부터 약 5년 이라는 기간에 걸쳐 독일로부터 잠수함의 플랫폼을 구성하는 하부 체계에 대한 설계연수 과정을 밟으면서 기본 역량을 키운 설계인력들이 장보고-III Batch-I의 기본설계 사업에 참여하여 독자적인 설계개발을 수행하였고, 이제는  잠수함의 설계기준을 정립하는 수준에까지 도달하여 실질적인 기술자립의 단계에 접어들었다고 말할 수 있게 되었다. 


 

탑재장비 분야
  잠수함에 탑재되는 장비들의 개발은 해당 장비업체 뿐만 아니라 여러 부품 업체들이 함께   참여하여 관련 산업계의 기술적 역량이 총 결집되어 이루어지게 된다. 체계개발업체인 조선소에서는 소요군에서 원하는 잠수함의 임무에 따라 기능할당 및 요구성능을 도출하고 이를 충족하기 위한 개발 탑재장비의 요구사양을 장비제안요청서 상에 명확하게 정의한다. 이에 따라 장비업체는 그들의 협력업체와 함께 해당 요구사양을 충족할 수 있는 우수한 성능의 장비를 개발하게 되는 것이다.
  핵심장비의 경우, 수년간의 응용연구 및 시험개발 과정을 거친 이후 비로소 양산품을 생산하게 되는데, 차세대 3,000톤 급 잠수함의 경우도 추진전동기, 충전발전기, 연료전지체계, 관성항법장치,  수중발사장치, 음향무반향코팅재 등의 핵심 장비에 대해서 국방과학연구소 주관 하에 이러한 과정을 거쳐 개발 되었으며, 그 밖에 약 37종의 장비들이 순수 국내 기술로 개발/제작되고 있다.
  한편, 전투능력과 탐지능력을 결정하는 핵심 장비인 전투체계와 소나체계는 대한민국 방위력 개선 역사의 산실인 국방과학연구소를 중심으로 체계개발 형태로 개발되었으며, 한화시스템과 LIG넥스원이 참여기업으로써 각각 전투체계와 소나체계의 기술개발에 기여하였다.



특수성능 분야 

  특수성능 분야는 오래 전부터 수상함의 탐색개발 및 체계개발 사업을 통해 조선소 외부의   기술용역 위탁과제에 참여하는 다수의 국내 기관(연구소)/업체/대학 등으로 기술 저변이 확대되어, 이미 국내적으로 상당한 수준의 기술적 역량을 보유하고 있는 상태에서 결정적으로 장보고-III Batch-I/II의 설계개발 사업을 통해 잠수함에 보다 특화되고 전문화된 기술적 발전을 이룰 수 있었다. (표 1의 잠수함과 수상함의 특수성능 적용 항목 비교 참조)
다만, 특수성능 분야는 새로운 위협세력과 운용 환경에 대응하기 위해 요구 성능이 계속적으로 강화되고 있기 때문에 기술의 고도화 관점에서 아직도 현재 진행형이라고 할 수 있겠다. 




 

체계통합업체인 조선소는 자체적으로 상기의 특수성능 분야에 대한 전문성을 가지고 위탁연구  결과물들을 설계에 올바르게 반영하여 특수성능 분야에 대한 설계 품질을 확보하고 동시에 이러한 경험 자산을 계속적으로 축적해야 한다. 특히, 소음분야에 대해서는 단순히 해당 프로젝트의 위탁연구 수행뿐만 아니라, 조선소 자체적으로 상세 및 생산설계 단계에서 발생되는 설계변경에 따른 영향을 예측/분석할 수 있는 능력을 확보하고 있어야하며, 해상시운전 시 실선 계측을 위한 관련 시스템을 자체적으로 개발하고 유지할 수 있는 역량을 갖추는 것이 필수적이다. 대우조선해양(주)는 이러한 역량을 확보하기 위해 자체 연구소에서 ‘이동식 수직 선배열 수중음향 시험 및 분석시스템 개발’, ‘수중함 방사소음 저감 및 예측 정도 향상에 관한 연구’, ‘URN 추정을 위한 Underwater Propagation 예측 기법 연구’ 등 다양한 관련 연구 과제를 수행하여 실제 설계/건조되는 수상함 및 잠수함 프로젝트에 성공적으로 적용하고 있다.

   

또한, 수중방사소음과 밀접한 관련이 있는 저소음 프로펠러 설계는 이미 대우조선해양(주)   자체적으로 연구소 조직의 전문가들이 전투함 및 잠수함의 탐색개발과 체계개발 과정을 통해  상당한 수준의 경험과 지식을 갖추고 있다. 특히, 수중방사소음 관점에서는 프로펠러뿐만 아니라 프로펠러로 유입되는 반류 및 선체 주변의 유동 소음이 함께 고려되어야 하는데, 이를 위한 유동해석 및 선형/부가물 최적화 기술을 확보하고 있다.
 




 추가적으로 조선소 외부의 국내 기술 기반을 평가하는 척도로써 관련 연구소(예, 모형시험소) 등의 기술 수준을 생각해 볼 수 있는데, 이들의 저소음프로펠러 설계 역량 및 성능 검증을 위한 실험 설비/기법들의 수준 및 적절성은 이미 다수 국내 함정들의 탐색개발 및 체계개발 사업들을 성공으로 수행한 실적들로써 증명되고 있다.  이와 같은 이유로, 비록 원자력추진 잠수함의 운용 조건(잠항 속도)이 기존 디젤추진 잠수함과 차이가 있어 보다 높은 수준의 프로펠러 수중방사소음 저감 기술을 요구하는 경우에도 해당 기술을 연구/개발하여 확보할 수 있는 기본적인 역량과 경험은 기 확보되어 있다고 판단된다.





III. 원자력추진 잠수함 설계기술 수준 및 해결과제

 

 디젤 잠수함에 旣 적용된 기술의 고도화
  원자력 추진 잠수함의 설계기술 수준을 고려할 때 반드시 함께 생각해야 하는 것이 요구 성능 수준이다. 다시 말해서, 원자력추진 잠수함의 새로운 작전운용성능(ROC)이 기존의 디젤 잠수함 대비 월등한 성능 향상을 요구하게 된다면 기존에 확보된 기술 수준으로는 달성이 불가하여   해당 기술을 추가 발전시켜야 하는 소요가 발생할 수 있다는 의미다. 예를 들어, 기존 디젤 잠수함의 경우 통상적으로 요구되는 잠항속도는 대략 20 knots 수준으로 알려져 있으나, 원자력추진 잠수함은 이보다 약 5 knots에서 10 knots 이상 빠른 잠항속도를 갖추고 있는 것으로 알려져 있다. (아래 표2 참조)
 



 

이 정도 수준의 잠항속도 증가는 필연적으로 잠수함의 속도 성능과 유동소음 최소화를 고려한 선형 및 부가물 설계와 캐비테이션 및 수중방사소음의 최소화를 위한 추진기 설계 기술을 한 차원 높은 수준으로 요구하게 된다.  현재 적용하는 선체 유동 소음과 추진기 소음의 예측 평가 기술은 정성적 관점에서 CFD(Computational Fluid Dynamics)를 통한 해석기법을 적용하는 수준이며, 정량적인 평가가 가능한 수준까지 발전시키기 위한 기술 개발은 국방과학연구소의 협조를 받아 진행 중에 있는 상황이다. 

 

  또한, 잠수함의 避탐지성능은 크게 수동 소나 관점의 수중방사소음과 능동 소나 관점의 음향표적강도로 분류되는데, 원자력추진 잠수함은 배터리 모드로 운용하는 디젤 잠수함에 비해서 원자로 및 냉각 계통의 상시 운용과 배수량(크기)의 증가로 인해 수중방사소음이 상대적으로 클 수밖에 없는 한계가 있으며, 이를 극복하기 위해 획기적인 감소를 요구하는 것이 일반적이고 거기에   따른 지속적인 노력이 필요하다. 한편, 원자력추진 잠수함의 수중방사소음 만이 크게 줄어들게 되면 상대적으로 능동 소나 관점의 음향표적강도가 취약하게 되는 상황이 발생하기 때문에 아직 해석 관점에서 머무르고 있는 음향표적강도 감소 기술의 고도화를 위한 노력과 투자도 동시에 병행되어야 한다. 

 

  표3은 미국의 RAND 연구소에서 원자력추진 잠수함의 설계에 특별히 요구되는 설계기술을  제시한 것으로 이들 중 원자력추진 체계를 제외한 대부분의 기술은 기존 디젤 잠수함에서도   적용되고 있는 기술 분야라는 것을 확인할 수 있다. 결국 어느 정도 수준의 성능을 보유한 원자력추진 잠수함을 획득하고자 하는 가에 따라서 旣 확보된 기술의 고도화 수준과 기술적 난이도가 결정되어지고 이를 극복하고 해결하기 위한 투입 자원(인력, 시간, 비용)의 규모도 영향을 받게 된다.




 

디젤 잠수함에 미 적용된 장비/체계 개발 


  원자력추진 잠수함에서 원자력 추진체계 및 이와 관련된 연동/통합 기술을 제외한 부분은   차세대 3,000톤급 잠수함의 설계 기술을 기반으로 충분히 추가 개발 또는 보완이 가능할 것이나, 다음과 같이 기존의 디젤 잠수함에는 사용되지 않고, 원자력추진 잠수함에서는 필수적인 체계 및 장비들은 국방과학연구소 등과 협력하여 국가 주도로 관련 기술의 개발이 필요하다. 

 

● 수중 고속 추진 시 소음 감소를 위한 펌프젯 추진 체계
● 디젤 잠수함은 기체 또는 액체 상태의 산소를 저장 용기에 실어서 운용하나, 원자력 추진 잠수함은 해수를 전기 분해하여 무한한 산소를 얻는 방식을 채택하고 있음에   따라 새로운 방식의 대용량 산소 공급 장치
● 감속기어 또는 대용량 추진전동기 

 

 원자력 체계 개발 및 연동/통합 기술
  원자로에서 발생된 고열로 급수(Feed Water)를 가열하여 증기를 발생시키고 이를 이용해 터빈을 돌려서 발전하는 방식의 원자력추진 잠수함 설계를 위해 육상에서 이미 입증된 기술을 보유하고 있는 국내의 관련기관(원자력연구원 및 업체 등)과 협력하여 잠수함에 적용할 수 있도록 발전시켜야 하는 기술 분야는 다음 표4와 같다.

 




 

원자력추진 잠수함을 위해 새롭게 개발되어야 하는 분야는 원자로이며, 이를 잠수함의 체계와  연동/통합시키는 기술이야 말로 현재 대한민국에서 未 적용/검증된 기술이고 앞으로 자체개발 또는 기술이전 방식을 통해서 확보되어야 하는 기술이다.
  원자력추진 잠수함을 보유하고 있는 국가(미국, 러시아, 영국, 프랑스, 중국, 인도)들 중 에서도 원자로를 독자적인 기술로 개발한 국가는 4개국(미국, 러시아, 프랑스, 중국) 밖에 없으며, 프랑스의 경우에 잠수함은 아니지만 자국의 원자력추진 항모를 건조 과정에서 원자로의 누출 발생으로 인해 사업기간이 4년 이상 지연(건조기간 11년 소요) 되면서도 해당 문제를 완전히 해결하지 못하고 기관실에서 근무하는 승조원들이 연간 방사능 허용량의 5배 이상 피폭되면서 근무하고 있다[3]는 사실은 시사하는 바가 상당히 크다. 주변 국가와 국내 정치적인 환경으로 인해 공개적으로 해외로부터의 기술이전이 원천적으로 불가능하여 자체개발할 수밖에 없는 상황이라면, 더욱 더 계획단계부터 잠수함에 적용할 원자로의 개발 및 연동체계 개발에 많은 자원 투입이 고려되어야 하는 이유이다.

  또한 원자력추진 잠수함에서 발생 가능한 방사능 유출, 냉각재 상실 사고(LOCA, Loss of Coolant Accident), 증기 누출, 화재, 침수, 고압공기 누출 등의 안전사고 및 이에 대한 대책을 설계 단계에서부터 강구해야 하는 안전설계의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않을 것이다.

  대우조선해양(주)는 원자력추진 관련 연구를 지속적으로 수행해 왔으며, 원자력추진 잠수함을 설계/개발하는데 기초연구 자료로 활용할 수 있는 대우조선해양(주)의 연구실적과 국내 연구   실적은 표5와 같다.




 

V. 원자력추진 잠수함 건조기술 수준 및 해결과제 

 

  원자력추진 잠수함의 건조에 필요한 기술은 기존 디젤 잠수함의 오랜 건조 경험을 통해 축적한 국내 잠수함 건조 기술을 기반으로 충분히 추가 개발 및 보완이 가능할 것으로 판단된다.

  다만, 원자력 에너지를 다루는 설비(표6 참조) 구축 및 운용은 환경, 안전 및 보안 등의 이유로 정부 주도로 준비되어야 하며, 원자로 섹션과 관련된 기술 개발 및 생산 또한 정부기관의 관리와 책임 아래서 이루어져야 될 것이다.




 

또한 원자로 섹션을 잠수함 플랫폼과 결합하기 위한 장소 및 작업자들의 안전 확보 문제 등은  해결해야 할 과제로 남아 있다. 

 

V. 조선소의 정책적 제안 

 

   전문 기술인력 육성 및 유지 정책
  표7은 미국에서 잠수함을 건조하는 General Dynamics Electric Boat(EB)社와 Northrop Grumman Newport News(NGNN)社에서 잠수함의 설계/개발 능력을 유지하기 위해 최소한으로 요구되는 高 기능(Skilled) 설계인력의 규모를 조사한 결과이며, 현재 국내 잠수함 건조 조선소의 설계인력 대비 2~3배 이상의 차이가 있음을 확인할 수 있다.




설계 사업에 있어서 인력은 가장 핵심적인 요소로서 대규모 高 기능 설계기술자들을 단시일 내에 확보할 수는 없기 때문에 장기적인 계획을 가지고 정부 차원의 정책 마련이 더욱 더 절실히 요구되는 상황이다. 이를 위해 본격적인 선행연구, 탐색개발 사업 이전에 국내 조선소의 인력 소요를 유발시킬 수 있는 국책 연구과제들을 추진하여 조선소가 신규 인력을 채용하고, 해당 인력이 과제에 참여함으로써 경험과 기량을 쌓을 수 있도록 유도하는 정책을 제안한다. 

 


  장보고-III 잠수함 연구개발을 통해 설계 역량과 유/무형의 개발 노하우(Know-How)를 보유한 기술 인력의 참여를 유도함으로써 기술 단절로 인한 인력 양성 비용을 절감하고 국내 잠수함  개발 역량의 연속성을 유지하는 정책 도입이 필요하다. 특히 원자력추진 잠수함은 그 전략적   특성 및 역할의 중요성을 고려할 때 매우 강력한 보안 유지가 필요하다. 또한 표8과 그림4에서 알 수 있듯이 원자력추진 잠수함의 개발에는 약 15년 또는 그 이상의 장기간 동안 수많은 기술 인력 투입이 요구된다.  따라서 보안성 유지 및 장기간의 개발 기간 동안 고용 안정, 전문기량 확보와 유지 등의 차원에서 원자력추진 잠수함 설계개발에 투입되는 조선소 인력들의 고용형태와 신분은 국가/정부 차원에서 보장하는 지원 방안을 마련할 것을 제안한다.
 




 

 

비 제작업체 육성 및 지원 정책
  기존 국산화 업체 (육상 원자력발전, 장보고-III Batch-I/II)의 적극적인 개발 참여 유도를 위한 인센티브제도 도입이 필요하다.  또한, 체계통합업체인 조선소 입장에서는 최소한의 요구 성능을 만족하는 탑재 장비를 공급하는 것뿐만 아니라, 함과 연동되는 기술자료(해석 또는 시험결과)의 지원 역량이 장비 업체를 선정하는데 중요한 요소로 고려되어야 한다고 판단하고 있다. 그러나 현재의 경쟁 입찰방식, 방산물자지정, 국방규격 등의 적용으로는 기술지원 역량을 보유하고 있는 업체가 장비 공급업체로 지정되는 것을 100% 보장할 수 없기 때문에 설계 단계에서 개별 장비업체로부터 탑재장비의 성능과 관련된 기술 자료를 제공받아 잠수함의 하부 시스템과 연계한 함 전체의 통합 성능을 예측하고 문제점을 사전 진단하는 것이 매우 어려운 상황이다. 따라서 획득비용의 절감도 중요하지만, 기술력에 바탕을 둔 역량 있는 장비 업체들이 공급업체로 선정되어 잠수함의 우수한 성능과 해당 기업의 지속적인 생존이 동시에 보장받을 수 있는 정책적 배려가 필요하다고 판단된다. 

 

원자력에 대한 계몽교육
  원자력추진 잠수함 개발 및 건조 사업에 참여하는 인원들을 대상으로 원자력 활용에 대한 무지와 막연한 거부감을 해소/경감시키기 위해 전문 연구기관의 對조선소, 對승조원 계몽 교육을 전체 사업 기간 동안 일관되게 시행할 필요가 있다고 생각되며, 필요에 따라서는 조선소가 위치한 지역 사회의 주민들을 대상으로 확대 시행할 것을 제안한다. 

 

 성실실패 용인제도 적용
  사업추진 주체의 강력한 리더십을 보장하고, 참여 기업 및 인원의 도전의식 고취를 위해    “성실실패 용인제도”를 원자력추진 잠수함 사업에 도입할 것을 제안한다.
 

VI. 결언 


  이상에서 살펴본 바와 같이 중형 디젤 잠수함(장보고-III) 사업을 통해 발전되고 성숙된 국내의 설계/건조 기술 기반은 원자력추진 잠수함을 개발하고 건조하기에 충분한 수준의 기본적인    역량에 도달해 있다.

  비록 현재 수준에서 기존 기술의 고도화 및 원자력 관련 핵심 기술의 개발 등과 같이 앞으로 극복해야할 쉽지 않은 과제들이 산적해있는 것이 사실이지만, 국가적인 차원에서 기술인력 육성, 주요설비 구축, 관련 제도 개선 등에 대한 중·장기적인 계획을 수립하고, 원자력 관련 산업계/학계/연구소 등과 긴밀한 공조 하에 일관된 방향성을 가지고 지속적인 기술개발을 추진해 나간다면, 잠수함 개발과 건조에 국내 최고의 경험을 갖고 있는 조선소로써 대한민국 안보의 한 축을 책임질 수 있는 우수한 성능의 원자력추진 잠수함을 획득하는 것은 충분히 가능한 일이라고 자신한다. 

 

 

 


<참고문헌> 

1. 위키피디아. http://en.wikipedia.org/wiki
2. RAND(2007), "Sustaining U.S. Nuclear Submarine Design Capabilities", p.93
3. www.globalsecurity.org/military/world/europe/cdg.htm
4. RAND(2007), "Sustaining U.S. Nuclear Submarine Design Capabilities", p.86
5. RAND(2007), "Sustaining U.S. Nuclear Submarine Design Capabilities", p.7
6. RAND(2007), "Sustaining U.S. Nuclear Submarine Design Capabilities", p.2, p.32
7. RAND(2007), "Sustaining U.S. Nuclear Submarine Design Capabilities", p.33

 


 




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선형추진기부가물 최적설계를 위한 유동해석 및 수중방사소음 예측.jpg

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