차기 호위함,KDDX의 추진기관 - RR사의 MT 30(2)
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차기 호위함,KDDX의 추진기관 - RR사의 MT 30(2)
  • 이치헌 기자
  • 승인 2021.08.05 20:51
  • 댓글 0
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전투함정 추진체계 전기화 이유
대영 해군 통합전기 추진체계 도입 여정
세계 해군들의 전기화(Electrification) 여정

전투함정 추진체계 전기화 이유

 다수의 매체, 논문, 기고문에서도 많은 언급이 되었지만 간단하게 왜 세계 해군들에서 전기화(electrification)가 도입하게 되었는지 살펴보고자 한다. 함정의 추진체계 전기화는 시대에 따른 기술 발전 혁신과도 무관하지 않다고 할 수 있다. 근본적으로는 높은 에너지 효율성과 장비 운용의 안정성을 기술력으로 추구해 온 결과일 것이다. 특히 해군의 전투함정 추진체계에 전기화를 도입한 이유로 21세기의 새로운 해군의 요구사항과 그에 따른 제약 사항이 대두 되면서이다. 

•첫째, 21세기 함정은 과거의 단독 임무를 벗어난 다목적 임무가 부여 되어 작전을 수행해야 하는 요구사항이 있다. 다양한 작전 임무를 수행해기 위해 관련된 무기체계 및 장비를 추가 설치하게 되어 더 많은 공간을 요구하게 되고 이를 수용하기 위해서는 비무기체인 엔진에서 고밀도 출력과 높은 효율을 가지고 수량을 줄임으로 공간 확보를 가능하게 했다. 다시 말해 수직발사 대공미사일, 대잠헬기, 무인수상정 등이 설치될 공간이 필요했고 하이브리드 방식의 복합식 전기추진 체계를 도입하여 엔진 수량을 감소함으로 전반적 수선간장내 엔진룸 길이를 줄이고 생존성을 높이면서 추가 공간을 확보가 가능하게 되었다.

• 둘째, 냉전 시대 이후 많은 국가에서 함정 운용을 위한 제한된 예산에 대한 도전을 받게 되었다. 즉, 유가 상승과 더불어 연료비 절감 요구와 인구 감소에 따른 승조원 감소로 경제적이고 효율적인 추진체계를 추구하게 되었다.  이러한 요구는 전력을 생산하는 발전기 엔진을 추진용으로 전기를 일부 사용하게 되는 하이브리드 방식을 도입함으로 유류 연료비를 급격하게 줄일 수 있었고 엔진수 등 과 같은 장비 감소로 장비 운용 및 정비를 위한 인원을 줄일 수 있게 되었다.

• 셋째는 레일건, 레이저포 등 미래 신무기 체계 및 고출력 능동형 다중 대공레이다 등이 향후 급격히 발전되어 도입될 경우를 대비하기 위함이다. 이러한 신무기, 전투체계는 기존의 시스템과 현저히 다른 펄스 로드(Pulse Load) 및 높은 전기 출력을 요구하고 있어 함정의 추진력과 무기체계/전투체계의 동력을 동시에 공급할 수 있는 전기추진 시스템이 요구되고 있다. 동시에 누구도 이 미래 체계가 언제 가용할 지 장담할 수 없는 이 시점에서 향후 5, 10년 뒤에도 언제든 적용될 수 있는 바 신조 함정대신 기존 함정에 개조, 개장을 할 수 있는 여유를 갖추기 위해서는 전기적 추진시스템을 구성해야 한다.

전투함정 추진체계 전기화 이유
전투함정 추진체계 전기화 이유

 

대영 해군 통합전기 추진체계 도입 여정

 우리 대한민국 해군은 이미 오래전 부터 선진 해군들과 어깨를 나란히 하는 추진체계 시스템  전기화(Electrification)의 아시아의 선두 주자로서 하이브리드 추진시스템과 일부 정보선에 통합식 전기추진 시스템을 적용해 오고 있다. 하지만 지금 뜨겁게 논의가 되고 있는 한국형 차세대 이지스함인 구축함급 전투함에 통합식 전기추진체계를 도입하기 위해서는 전 세계 해군에서 전투함에 가장 처음으로 전기를 이용한 복합식(하이브리드) 추진체계와 통합전기 추진체계를 적용해온 영국해군의 추진체계 발전 여정을 이해할 필요가 있다.

대영 해군 통합전기 추진체계 도입 여정
대영 해군 통합전기 추진체계 도입 여정

1970년,  80년대의 영국의 대표 호위함인 Type 21, 22 그리고 구축함 Type 42를 살펴보면 모두 CODOG(COmbined Diesel engine Or Gas turbine), COGAG(COmbined Diesel engine And Gas turbine) 방식의 기계식 추진체계를 사용해왔다. 이 당시의 미해군 모든 전투 함정도 동일한 기계식 추진체계 방식을 도입하여 사용하고 있었다. 

이후 1990년대에 들어와서 최초로 Type 23호위함급 전투함에 복합식(하이브리드)을 적용하여 실전 배치 사용하기 시작하였다. 15노트 속력까지는 직류형 추진모터를 사용하고 15노트 속력 이상에서는 가스터빈을 사용한  CODLAG(COmbined Diesel eLectric And Gas turbine) 복합식 하이브리드 추진방식 이었다. 이를 통해 수중 방사소음이 현격히 감소되는 것을 알게 되어 대잠능력을 크게 향상 시킬 수 있었다.

그 이후 충분한 공간적 여유가 있는 알비온급 & 웨이브급 군수지원함에 통합전기 추진체계를 처음 적용하면서 점차 그 범위를 확대해 나가기 시작하였다. 이때의 통합전기 추진방식은, 처음 도입에 대한 해군내 기술숙련도 및 경험을 쌓기 위해 전투함 보다는 상대적 넓은 공간과 배수량의 여유를 가진 군수지원함에 최초 도입되었고 상대적으로 부피와 중량이 대형인 중속 디젤엔진 발전기와 군 특수성능이 배제된 추진모터등의 상용 장비를 도입, 사용하며 자체 기술력을 키우기 시작했다.

 드디어 2000년도에는 Type 45 신형 구축함에 세계 최초로 통합전기 추진체계가 채택, 도입하였는데 도입초기에는 고압전기설비 및 관련 장비들의 장비 완성도와 체계 통합 기술 성숙도가 전투함 도입에 상대적으로 낮은 것에 하이브리드 방식과 통합전기 추진 방식에 대한 상당한 논란이 있었다. 하지만 결국 영국해군에서는 세계 최초라는 상징성과 연료비 절감이라는 우선 명제를 내세워 아직 전투함에 적용하기 성숙되지 못한 기술력에도 해군에서 리스크를 감수하고 강행 도입하게 된다. (※ 여기의 연료비 절감 의미는 WR21 가스터빈의 폐열회수 재사용 장치를 사용한 20% 이상 연료 절감을 말함)  그 이후 지난 10년간 운용을 하며 수많은 문제점과 교훈의 축적을 통하여 설치된 통합전기 추진체계는 작전 운용하기에 전력 시스템의 탄력성 및 이중화에 문제가 대두 되어 치명적 개선 요구사항으로 나타나게 되었다.  특히, 전투함정 운행 중 가스터빈 발전기의 단독 운전이라는 운용 개념에 대한 리스크를 안고 시작하게 되었고 이는 향후 퀸엘리자베스급 항공모함에 고압전력 체계에 이러한 교훈을 개선한 통합전기 추진체계를 가능케 했다. 자체 Type 45 함정에 대해서는 작전 운용의 문제점을 개선 및 연료 소비율을 개선하기 위해  중속엔진 디젤발전기에서 고출력의 롤스로이스MTU 발전기로 교체 하는 등 함정 개조, 개장 프로그램을 2019년 부터 시작하게 되었다.  

 이를 기점으로 미해군에서도 전기화(Electrification)에 대한 적용이 시작되어 영국 해군과 함정내 전기화에 대한 워킹그룹을 만들고 상호 기술과 교훈들을 정보 교환하며 LHD-8에 처음으로 복합식(하이브리드) 전기추진체계를 도입하게 되었다. 통합전기 추진체계는 2013년 DDG-1000 줌왈트급 크루즈 구축함에 미해군에 최초로 적용하였고 이후 Type 45와 DDG-1000에서 식별된 시스템 탄력성, 이중화, 효율성에 대한 문제점들을 대거 개선 반영하고 새로운 구매방식이 적용하여 2017년에 퀸엘리자베스 항공모함에까지 이르게 된다.

통합전기 추진체계는 전반적으로 엔진수량을 감소할 수 있었고 함정 상부구조물을 RCS 관점에서 피탐성이 우수한 설계를 가능하게 했으며 자연스럽게 승조원의 수도 절감할 수 있다는 장점을 확인할 수 있었으나 앞서 언급한 Type 45와 DDG-1000에서 발견된 전력 시스템의 탄력성 등 문제점에 대해서는 통합전기 추진체계 적용시 반드시 검토된 후 적용 여부를 결정해야 하는 요소가 되었다.

세계 해군들의 전기화(Electrification) 여정

  앞서 최초 전투함에 전기화를 진행해온 영국해군의 통합전기 추진체계의 여정을 살펴 보았다면  최초 통합전기 추진체계 이후 동시대 다른 세계의 해군들은 어떻게 전기화(Electrification)를 진행해 왔는지에 대한 여정을 살펴 볼 필요가 있다.

세계 해군들의 전기화(Electrification) 여정
세계 해군들의 전기화(Electrification) 여정

상기 도식을 보면 2000년대의 Type 45에 통합 전기추진체계가 도입된 후 한 눈으로 보기에도 두개의 축으로 전기화(Electrification)가 진행된 것으로 보인다. 상기 도식에 표현된 것 처럼 한 축으로는 만재톤수 약 15,000톤급  미 해군의DDG-1000과 대영 해군의 약 65,000톤급 퀀엘리자베스 항공모함으로 지속적 통합전기 추진체계가 적용 되고 있는 것을 볼 수 있다,

하지만 다른 한 축으로  앞서 초반에 설명한 바와 같이 만재로 약 6,000톤 ~ 8,000톤급의 전투함정들에는 전기화의 일원인 복합식 즉 하이브리드 추진체계로 가고 있는 추세를 볼 수 있다. 2000년 이후 이 두가지 트렌드를 보면서 무엇을 생각 할 수 있을까?  확실한 것은 여전히 세계의 해군들은 함정에 전기화( Electrification)에 대한 열망과 적용이 지속되고 있다는 것이다. 복합식이든 통합식이든 전기화의 추세는 지속되고 있다는 것과 일맥 상통한 얘기이다.  아마도 21세기 해군들의 주어진 제약사항과 요구사항의 트렌드가 상호 대등하고 그것을 받쳐주는 기술력 또한 비슷한 트렌드를 가지고 있기 때문일 것이다.

2000년 이후 복합식 전기추진 트렌드를 보면은 첫번째로 2013년 영국해군의 Type 26 글로벌 전투함이라 불리는 신형 호위함으로 만재로 약8,000톤에 가까운 배수량을 가진 함정에 도입되었다. Type 45이후 나온 신형 함정에 그것도 비슷한 배수량을 가진 다목적 전투함에 앞서 Tyype45에 적용한 통합전기 추진체계를 따르지 않고 복합식 하이브리드 추진체계를 도입한 것이 주는 교훈은 다른 세계 세계 함정들에 크게 작용하게 되었다.

그 이후에 2018년에 캐나다 해군과 호주 해군에서 Type 26 플랫폼을 도입함으로 동일한 단독 가스터빈 복합식 추진체계를(Single GT-CODLOG/CODLAG) 가지고 가게 되었고, 특히  모두들 만재 배수량이 약 7,000 ~ 8,000톤급으로 Type 45와 비슷한 배수량을 가지고 있지만 단독 가스터빈 복합식 추진체계를 채택해 왔다. 

더군다나 최근에는 지난 2020년 5월에 미 해군의 미래형 신형 호위함인 FFG(X) 프로그램에 이태리 FREMM급 선형을 채택하는 것으로 결정이 되어 언론에 공개 되었다. 

이 역시 배수량에 7,000톤에서 8,000톤 사이가 될 것으로 보고 있으며 단독 가스터빈 복합식(Single GT-CODLAG)으로 함정 추진체계를 선정한 것이었다.  이뿐만 아니라 독자들이 잘 알고 있듯이 3,000톤급의 한국 해군의 대구급 한국형 신형 호위함에서도 Type 26과 동일한 방식의 복합식 하이브리드 추진체계(Single GT-CODLOG)를 도입하였고,  이태리/프랑스의 FREMM급 호위함 (Sigle GT-CODLAG), 이태리의 PPA 호위함 그리고 독일의 F-125급 구축함 모두 복합식 즉 하이브리드 추진체계로 추진 및 전력 시스템을 도입하였다. 감히 2000년 이후 생산, 전력화된 중형 사이즈의 전투함에는 대부분 복합식(하이브리드) 추진체계로 전기화(Electrification)의 트렌드를 진행해 왔다고 말할 수 있겠다. 

조금 특이한 사항은 이태리 해군의 FREMM급 호위함과 미해군의 FFG-62 신형 호위함에는 모두 고압전기(6.6kV) 전력시스템을 도입하였다는 것이다. 이는 최근의 함정들의 전투체계 및 타 장비들의 전력 소비량이 상당히 늘어났고 이를 수용하기 위해서는 모든 발전기를 병렬로 운전해야 만 하지만 저압전기(440V or 690V) 전력 시스템으로는 단락전류의 위험으로 작전에 치명적 문제가 야기될 수 있기 때문에 고압전기 전력시스템을 도입하게 된 계기가 되고 있다는 점은 향후 한국형 구축함 사업시 충분히 고려되어야 할 사항이라고 할 수 있겠다.

 여기서 전기화의 트렌드가 두 갈래로 나뉘는데 조심스럽게 갈라지는 기점이 되는 것이 함정의 만재 배수톤수가 약 10,000톤급 정도의 기준으로 나뉘고 있는 것이라고 말하고 싶다.  분명한 것은 Type 45이후에 세계 해군들이 계획된 신형 함정 전투함 사업에 무조건적으로 스마트 또는 미래 등의 상징으로 사용될 수 있는 통합전기 추진체계가 아닌 함정 사업의 최적화된 선택을 하고 있다는 것을 볼 수 있다.  요구되는 ‘작전 성능과 주어진 예산, 플랫폼의 한계, 관련 장비와 기술력의 성숙도 안에서 무엇으로 최적의 선택을 통해 최고의 전투함을 건조할 수 있는 가?’ 에 대해 집중하여 검토후 결정해 왔다는 것을 느낄 수 있다.

 그렇다면 왜 중형급 약 6,000톤에서 10,000톤급 사이의 전투함들이 Type45이후 복합식 추진체계로 가져가는 추세가 무엇 때문일까?  이 문제는 좀 더 기술적으로 상당한 이유가 있어 심도있는 검토 후 설명되어야 하는 또 다른 부분이다. 본 저자는 그 이유에 대해 개념적 고찰을 다음 장에 설명하고 자 한다.  현 한국형 차세대 구축함에 대한 정확한 검토는 다양한 기술진을 보유하고 있는 세계 최고의 한국 특수선 조선소에서 심도있는 검토가 되어야 한다는 점을 밝혀둔다.

[디펜스투데이]


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