들어가면서.......

美 해군은 제 2차 세계대전 이후 Forrest(포레스트), Kitty Hawk(키티호크), Enterprise(엔터프라이즈), Nimitz(니미츠), Ford(포드) 의 5 개형의 항공모함을 잇달아 개발하였습니다.

특히 중공이 눈여겨 본 부분은 Forrest(포레스트)와 Enterprise(엔터프라이즈)의 분해 도면과 관련된 상세도면을 입수하여 분석하였고 Forrest(포레스트), Kitty Hawk(키티호크)의 수밀 격실 공간은 동일하다는 것이었습니다. 

그러나 이러한 것을 설명하기 전에 이 발제글의 설명을 위해 비밀 가족분들이 항공모함의 구조를 더 잘 이해하기 위해서는 미 해군 항공모함의 구조들을 더 잘 이해할 필요가 있으며 그럴려면 항공모함의 각 갑판의 명칭을 명확히 아는 것이 중요합니다. 

↓ 미 해군 통상동력 항공모함 각 층 갑판별 사용설명 그림

↓ 美 해군 항공모함 Forrest의 해체 모습을 위성에서 포착한 제 4갑판 이미지 (2020年 6月 18日 13時)

위의 미 해군 Forrest 항공모함 분해모습을 담은 중공 위성촬영 이미지를 보면 맨 아래부터 시작해서 Forrest 항공모함의 창고이며 빨간색으로 구분된 8개의 사각형을 볼 수 있습니다. 

이곳은 Forrest 항공모함 선체 중앙선에 가까운 8개의 보일러들의 위치를 나타낸 것입니다. 이곳에 대형 샤프트에 해당하는 보일러 2개, 증기 터빈 및 발전기들 마다 캐빈이 있었던 곳입니다. 

중공은 Kitty Hawk 급 개량형이며 통상동력 추진함으로 변경되었던 USS John F. Kennedy (CV-67)의 시공도면을 입수하여 분석한 결과 큰 구획의 설계에서는 중앙 종방향 방수벽을 사용하지 않았다는 것을 발견했습니다. 

↓ USS John F. Kennedy (CV-67) 제 4갑판 시공모습

중공은 USS John F. Kennedy (CV-67)의 제작, 분해 과정을 구 소련 항공모함 설계와 비교를 해가면서 철저히 분석하였고 설계 사상이 다르다는 점도 알아냈습니다. 

↓ USS John F. Kennedy (CV-67)의 제 4갑판 캐빈에 설치되고 되고 있는 상압 D형 보일러의 모습

일명 easter egg라고 불렸던 normal pressure D-type 보일러는 Mounting Brackets(마운팅 브라켓)을 포함하여 총 무게가 118 ton에 달하였으며 기본 베이스 가로, 세로 길이는 약 5m x 5m 였습니다. 

 

항공모함의 연돌의 경우 기관실을 상부 데크와 함게 배치하지 않으면 연돌을 만들 수 있는 구조가 나올 수 없습니다. 왜냐하면 보일러의 위치는 홀수선 아래에 있는데 양쪽 선체는 낙뢰 보호 구조층으로 되어 있기 때문에 연돌 개구부분의 설계를 할 수 없게 되기 때문입니다. 

연돌 구조가 제 4갑판과 제 3갑판에 나타나는데 이는 항공모함의 기본 분해 설계에서도 관찰되는 설계라고 합니다. 

↓ 美 해군 항공모함 Forrest의 해체 모습을 위성에서 포착한 제 3갑판 이미지

위의 위성 이미지는 美 해군 항공모함 Forrest의 분해 작업 위성 이미지입니다. 이 위성사진에서는 제 3갑판에서 분해되는 모습인데 빨간색 네모 안에는 연돌이 포함되어 있음을 알 수 있습니다. 제 3갑판의 연돌 길이는 짧으며 제 4갑판의 연돌은 상대적으로 더 길다는 특징이 있습니다. 

↓ USS John F. Kennedy (CV-67) aircraft carrier blueprint 

제 1갑판인 격납고 데크를 보면 이곳이 실제적으로는 메인 데크입니다. 분해도를 보면 앞부분은 여전히 비행 갑판이고 뒷 부분의 큰 부분은 갑판으로 분해된 것을 알 수 있습니다. 

제 1갑판에서 설계된 연돌은 외부 플로트 오른쪽에 모여있게 설계되었습니다. 빨간색 네모 안을 보면 연돌 입구는 매우 작으며 교량으로 연결된 연돌 입구까지 이어지게 설계되었습니다. 

↓ 美 해군 항공모함 Forrest의 해체 모습을 위성에서 포착한 제 1갑판 이미지

↓ 미 해군 항공모함 제 1갑판에서의 실제 작전활동 모습과 시야

미국과 구 소련의 항공모함은 탄약 적재 이송에 대해 다른 개념을 가지고 있다는 점도 분석해 냈습니다. 

미 해군은 함재기에 폭장을 할 수 있게 하기 위해서 함재기에 탑재될 미사일, 낙하포탄들을 격납고 갑판으로 끌어올린 후 함선 측면의 항공기 엘리베이터나 측면 전용 탄약 엘리베이터를 통해 비행갑판으로 이송되게 하였습니다. 

이런 방식으로 함재기에 무장탑재하게 될 미사일, 탄약, 폭탄들을 이송하게 되면 탄약 채널이 격납고 지역에 영향을 미치지 않게 할 수 있습니다. 

그러나 구 소련 항공모함에서는 이러한 미사일, 폭탄, 탄약 이송을 한꺼번에 한 곳인 항공기 엘리베이터를 통해 비행갑판에 직접 이송되게 하였습니다. 

CV-17 山东(산동) 항공모함의 격납고는 구 소련 방식으로 탄약 이송 통로에 막혀 전방에서 이륙 대기 중인 함재기로의 이송확장을 할 수 없습니다. 

그래서 CV-18 福建(푸젠, 복건) 항공모함의 경우 탄약 이송을 위한 개선된 채널확보를 위해 미 해군 방식이어야 한다는 결론을 내렸습니다. 

갑판에서 연돌의 모양은 어떻게 설계를 해야 할까요? 실제로 증기 터빈의 배출구는 실제로 그렇게 크지는 않습니다. 약 10m × 1.5m 정도 됩니다. 

증기 터빈에 들어가기 위한 설계 요구 사항은 낮습니다. 연돌 아래의 블라인드만 있으면 되기 때문입니다. 

전체적인 연돌 설계에 대한 요구 사항은 가스 터빈 요구 사항에 비해 훨씬 낮다고 합니다. 

↓ 美 해군 항공모함 Forrest의 해체 모습을 위성에서 포착한 비행갑판 이미지 상에서의 연돌 부분 거리측정

↓ USS John F. Kennedy (CV-67) aircraft carrier 의 함교와 비행갑판 공사모습 

미 해군 통상 동력 항공모함의 함교 공사의 모습에서 빨간색 네모 안에 있는 비행 갑판의 4개 연돌 구멍을 볼 수 있습니다. 

이러한 설계 방식은 요즘과 같은 CAD(Computer Aided Design : 컴퓨터 그래픽 소프트웨어를 이용한 스케치, 드로잉, 설계를 하여 2D,3D 파일을 생성하는 작업)가 아닌 설계도면을 계산자와 제도기, 그리고 Dixon H연필 그리고 연필보다는 Alvin mechanical pencil을 이용하여 손으로 그렸습니다.

 ↓ 항공모함 도면을 손으로 그리고 있는 설계자

항공모함과 같은 거대 함선을 손으로 그리게 되면 대략적으로 A0 도면 1장, 부품 부분에서는 A2 도면 2장, A4 도면 10장 정도가 필요합니다. 

또한 도면과 함께 각각 2차 베이링의 세부 규칙을 그려내는 30여 페이지가 넘는 A4 용지에 그린 계산 공식, 강도 검증 및 제조 공정요구사항이 포함된 도면들도 그려야 합니다. 

이러한 도면 설계 과정을 통해 기존의 미 항공모함 엔진이 들어가는 기관실 배치가 이루어 졌으며 항공모함 함교는 오른쪽에 수렴되도록 설계된 것입니다. 

↓ 1972년 4월 11일, 미 해군 최초로 서태평양에 배치되었던 USS CV-60 Saratoga 통상동력 항공모함 

미 해군 Forrest, Kitty Hawk 급 제 4갑판 캐빈은 위와 같습니다. 

세계 최초의 원자력 발전 추진 항공모함이었던 USS CVN-65 Enterprise 항공모함은 사실 Kitty Hawk class의 sub division 레이아웃을 기반으로 설계된 것입니다. 

유일한 차이점은 8개의 증기 터빈용 보일러 위치가 8개의 발전용 원자로로 교체되었다는 점입니다. 

 그러나 Enterprise 원자력 추진 항공모함은 발전용 원자로에 대한 보호용 캐빈박스도 없이 엔진 캐빈에 놓여진 설계를 채택하였으며 1세대 원자로는 50년 동안 무사고로 사용되었습니다. 

이것은 미 해군 항공모함 운영 역사상 가장 큰 행운이었습니다. 왜냐하면 미 해군 통상동력 추진 항공모함과 Enterprise 원자력 추진 항공모함의 설계는 캐빈 하나가 대형 샤프트 동력과 그에 상응하는 전력에 해당되었다는 것을 알 수 있을 정도로 중복 설계를 채택하였고 운영되는데 큰 장애가 되지 않았기 때문입니다. 

↓ USS CVN-68 Nimitz 원자력 발전기 주변에 설치된 원자로 보호용 박스패널 (1968년 6월 22일 기공)

그래서 CVN-68 Nimitz, CVN-69 Dwight D. Eisenhower, CVN-70 Carl Vinson 까지만 첫 번째 원자로 캐빈 설계를 유지하였고 네 번째였던 CVN-71 Theodore Roosevelt 항공모함에서부터 원자로 보호 박스가 수천 ton 증가하였으며 장갑 부피도 확대된 설계를 채택하였습니다. 

이러한 설계 변경으로 인해 선체 내부의 사용 가능한 공간이 5% 정도 감소하였으며 draft(설계초안)가 변경되어 증가되면 변위도 증가하게 되는 것입니다. 

↓ CVN-71 Theodore Roosevelt 건조 당시인 1981년 모습

Nimitz 항공모함의 배수량의 경우 CVN-71의 배수량은 취역 당시 CVN68의 배수량보다 6,000 ton 더 컸음을 알 수 있었습니다. 이로 인해 네 번째 CVN-71 Theodore Roosevelt 부터 CVN-78 Gerald R. Ford까지 원자로 보호용 박스에 대해 설계상 잘 접하는 상황이 되었으며 현재는 Nimitz class와 Ford class가 사용하는 원자로 보호용 박스는 전면 및 후면 칸막이 길이가 14m~15m 입니다. 

↓ USS Nimitz(CVN 68) 중량 증가 예측치(1978~2027)

통상동력 추진 항공모함 설계에서는 4개의 메인 엔진이 4개의 서로 다른 구획에 배치되었지만 Nimitz 설계에서는 2개의 메인 엔진 캐빈은 1기의 원자로 보호 박스를 수용하는데 사용된 것입니다. 그런 다음 캐빈 1 개에 호스트 역할을 하는 2명의 미해군 원자로 관리 수병을 배치하는 것으로 변경할 수 있었던 것입니다. 

그러나 중앙 방수벽은 아직 설계상 채택되어 사용되지 않았습니다. 왜냐하면 중복된 캐빈 설계를 피하려는 것이었습니다. 

↓ CVN-78 Gerald R. Ford의 야간 건조 모습

CVN-78 Gerald R. Ford 항공모함의 설계도면을 중공이 입수해서 분석을 해봤다고 합니다. 설계도면에서 Ford는 증기 터빈을 끌어올리고 있고 반대편에서 이미 2개의 메인 엔진 사이에 중앙 세로 방수벽이 설치되어 있지 않았음을 발견한 것입니다. 

발전기에 관련한 캐빈 분할 설계에 대한 미 해군의 설계 사상은 과거나 현재나 크게 변하지 않았음을 알 수 있는 부분입니다. 

미 해군은 원자력 발전 캐빈에 대해 큰 분할로 설계하여 사용하고 중앙의 세로 방수벽을 사용하지 않았는데 설계도상의 평면에서 보면 중앙에 있는 넓은 띠 모양이 방수 벽이며 단지 장비일 것이라고 생각할 수 있습니다. 그러나 방수벽은 그렇게 두껍지는 않다고 합니다. 

↓CV-18 福建 항공모함 EMALS 캐터펄트의 깔끔한 완공 모습과 방수페인트를 도장하기 전 비행갑판 모습 (2024년 4월 27일)

중공은 미 해군형 통상동력 항공모함의 항속거리에 대해서도 분석을 하였는데 내용은 다음과 같습니다. 

Kitty Hawk 통상동력 항공모함의 항속거리는 18knot로 해상 항해를 할 시에 12,000 nautical mile(해리)에서 8,000 nautical mile이라고 합니다. 

이는 기존 항공모함의 보일러는 연료를 절약하기 위해 절반 속도로 작동할 수 있으며 이러한 항해 방식은 제 2차 세계대전에서 이와 같은 방식으로 운용되었다고 합니다. 

Kitty Hawk 통상동력 항공모함은 4개의 보일러를 통해서 20 knot로 항해할 수 있지만 비행갑판에서 함재기들 이륙시키는데 증기 사출기를 사용하기 위해 30knot로 비행갑판에서 사출시키려면 8개의 보일러가 모두 필요하다고 합니다. 

또한 엔진이 시동되고 상시 대기 보일러가 최고 전력에 도달하는 데 걸리는 소요시간은 1~2시간 정도 걸린다고 합니다. 

따라서 통상동력 추진 항공모함의 가속력이 원자력 추진 항공모함의 가속력보다 좋지 않은 이유가 바로 이것이기도 합니다. 

그렇다면 Kitty Hawk 통상동력 항공모함에서 12,000 해리라는 데이터는 4개의 보일러를 운영했을 때의 범위라고 봐야 한다는 것입니다. 

↓ 美 해군 항공모함 Forrest 비행갑판에서 증기 사출기에 의해 F/A-18이 사출되는 모습

Nimitz 보호 시스템에 관해 중공은 China Shipbuilding Industry Corporation(중국조선산업공사, CSIC)의 701 Institute(701 연구소) 보고서들을 토대로 분석하였고 Nimitz의 항공모함 측면 및 수중 보호에 큰 중점을 두고 있다는 것을 알아 냈습니다. 이러한 설계는 제2차 세계대전 항공모함에서 일본 해군 뇌격기 및 폭격기 방어를 위해 강조된 수평 장갑 설계 때문이었는데 현대 항공모함에서는 그다지 중요하게 여겨지는 설계안은 아니었습니다. 그런데 Nimitz 급 항공모함 설계에서 중요한 부분에 수평 장갑을 적용하고 있었던 것입니다. 이는 ASBM(Anti-Ship Ballistic Missile)이 수십년 후에 항공모함에 대한 공격 위험군으로 부각될 것이라고 예상하지 못했던 상황에서의 설계상 채택된 것이라 더 많은 연구가 필요하였습니다. 

Ford에 관해 말하면 사실 미 해군은 원래 354m 길이의 선체, 더 나은 항공 작전 능력 및 미 해군 승조원들의 더 나은 생활 환경을 갖춘 보다 합리적인 CVNX ECBL(Expanded Capacity Baseline) 계획을 가지고 있었습니다. 그러나 기존 접안 부두시설과 미 해군 조선소에 대한 개조가 필요하여 폐기되었습니다. 

↓ Nimitz Class 와 CVNX ECBL의 비교