차기 한국형 전투 함정을 위한 통합전기추진체계
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차기 한국형 전투 함정을 위한 통합전기추진체계
  • 이승준 기자
  • 승인 2022.06.18 06:34
  • 댓글 0
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기고 / 롤스 로이스 임상필 이사
전기추진시스템에 대한 균형잡힌 de-risking (사진:롤스로이스)

최근 한국형 이지스 구축함의 추진체계가 통합전기추진체계로 선정이 되고 한국에서 최초로 전투함에 한국형 통합전기추진체계의 성공적인 도입을 위해 관계 기관/산업군에서 많은 의견 제시와 토론이 진행되고 있는 것으로 알고 있습니다.

현시점 균형잡힌 통합전기추진체계 검증을 위한 위험성 대응 접근 방안에 대해 생각해 보고 전기추진체계에서 가장 핵심적으로 고려해야 할 부분인 SWAP-C  마진에 대해 이야기 해보고자 합니다. 

2040년 전장 환경에 대해 묘사해 놓은 각 분야의 핵심 무기체계의  엔진 선구자가 되겠다는 롤스로이스가 제시한 비젼 (사진:롤스로이스)
2040년 전장 환경에 대해 묘사해 놓은 각 분야의 핵심 무기체계의 엔진 선구자가 되겠다는 롤스로이스가 제시한 비젼 (사진:롤스로이스)

본 그림은 2040년 전장 환경에 대해 묘사해 놓은 것입니다. 각 분야의 핵심 무기체계의  엔진 선구자가 되겠다는 저희 롤스로이스의 비젼을 담아내고 있고 전사적인 에너지를 모아 관련 기술을 연구개발하고 있습니다. 상당 부분에 있어 실질적인 기술들이 개발되어 진척이 되고 있습니다. 

최근 영국 국방성와 군사소형위성 발사체와 관련된 개념 연구가 롤스로이스와 계약을 하고 진행되고 있다는 것을 잠시 언급드리겠습니다. 

(사진:롤스로이스)
(사진:롤스로이스)

이제부터 전기추진시스템에 대한 균형잡힌 de-risking 접근에 대한 생각을 나눠 보고자 합니다. 

전기추진시스템에 대한 균형잡힌 de-risking 접근 (사진:롤스로이스)
전기추진시스템에 대한 균형잡힌 de-risking 접근 (사진:롤스로이스)

함정과 같은 복잡한 무기체계 사업에 있어서 성공적인 전력화를 위해 무엇보다도 De-risking 연구, 검토가 우선되어 위험요소를 식별후 선제 대응하는 것은 필수요소라 할 수 있습니다.

미 국방성 무기체계 개발 요구 보고서를  보면 프로그램 시작전 상세한 시스템 엔지니어링 시행이 성공적인 무기체계 성공요인 이라고 말하고 있습니다. 

이 과정은 가용한 자원 (즉 예산, 사업기간, 기술력 등등 으로 무기체계) 요구사항으로 제기된 문제점들을 어떻게 맞출 것인가를 결정하는 과정입니다.

수용가능한 리스크 수준을 유지하면서 설계 단계에서 사업비용, 기간, 성능의 제한점이 충돌되는 것에 대해 균형을 잡아가는 과정입니다. 

그렇게 때문에 한국형구축함 사업 및 경항공모함 사업에 최초로 통합전기추진체계 도입 고려시 “리스크 관점의 사업 접근 방식”을 취하는 것이 사업개발의 성공의 성패를 가를 수 있을 만큼 중요하고 꼭 필요하다고 할 수 있겠습니다. 

통합전기추진체계를 도입한 영국 및 미해군의 예시 함정들 (사진: 롤스로이스)
통합전기추진체계를 도입한 영국 및 미해군의 예시 함정들 (사진: 롤스로이스)

 특히 한국보다 앞서 통합전기추진체계를 도입한 영국 및 미해군의 예시 함정들, 즉 QEC와 DDG-1000에서  모두 Zero-Thrust Brake Wheel과 Load Bank를 이용한 확장형 정박시운전을 De-risking의 최적안으로 왜 선정하였는지 살펴 보고자 합니다. 

그 이유는 이 확장형 정박시운전이 향후 항해 시운전시 예측할 수 없고 무한정 증가되는 시간을 예방해 예측할 수 없는 함인도, 전력화 시기 지연의 위험성을 낮출 뿐만 아니라 복잡한 IFEP 시스템의 시운전, Commissioning을 최소의 리스크와 최소한의 비용으로 진행할 수 있는 최적의 방안이라는 인식을 하게 되었기 때문이었습니다.  그렇다면 이 함정들이 채택한 De-risking 방안은 무엇이었을까?

•첫째, IFEP 각 장비들을 산업체에서 독립적으로 자체 공장수락 시운전을 하고 시뮬레이션을 이용한 모델링 작업으로 연동을 확인했다. 대형가스터빈 발전기의 경우 원동기 가스터빈과 발전자를 별도 FAT실시하였습니다. 현행 함정 사업체계에서는 이해가 될 지 않을 수 있으나 대형 출력의 테스트 설비를 낭비형으로 건설할 필요가 없기 때문이었습니다. 그래서, 이 또한 각 장비 업체에게 무조건적 리스크를 넘기지 않았습니다. 

•둘째, 육상 통합연동시험 설비는 위험성 검토를 통해 시행할 정당한 이유가 발견되지 않았기 때문에 도입되지 않았습니다. 대형가스터빈 발전기 운전을 하지 않았고 병렬운전도 하지 않았으며 추진모터도 사용하지 않았습니다. 

•세째, 최종적으로 Zero-Thrust Brake Wheel과 Load Bank를 이용하여 정박시운전시 개별 장비 시운전, 연동 시운전을 하여 각 장비뿐만 아니라 연동 문제까지 검증 하도록 확장형 정박시운전을 실시 하였습니다.

T45, DDG-1000, QEC 함정에서 IFEP 시스템을 도입시 정박시운전 기간동안 높은 출력대 상태에서 검증, 시운전을 시행하는 De-risking 요구조건 (사진:롤스로이스)
T45, DDG-1000, QEC 함정에서 IFEP 시스템을 도입시 정박시운전 기간동안 높은 출력대 상태에서 검증, 시운전을 시행하는 De-risking 요구조건 (사진:롤스로이스)

결국에는 T45, DDG-1000, QEC 함정에서 IFEP 시스템을 도입시 정박시운전 기간동안 높은 출력대 상태에서 검증, 시운전을 시행하는 De-risking 요구조건을 만들게 되었고 이행하게 되었습니다.  그 이유는 무엇일까?

•첫째, 낭비형 사업비용을 추가할 가능성이 높았기 때문이고 확장형 정박시운전 검증이 육상검증설비(이하 LBTS) 건설비용 대비 상대적으로 상당한 비용 감소 효과를 가져왔기 때문입니다.

물론 가장 이상적이고 안정적인 De-risking 방안은 실제 LBTS를 건설하고 모든 장비를 가져와 사전 테스트를 하는 것이라는 것에는 이견이 없습니다.

추가적으로 향후 함정 요원들에 대한 교육훈련 방안으로도 가장 유용하게 사용될 수 있습니다. 하지만 관련 설비 구축을 위한 부지확보, 신규장비 설치비용 그리고 향후 지속이용가능 이용에 관점으로 분석했을 경우 낭비형 투자비용이라는 것에 이유를 같이 했습니다.

뿐만아니라 사업시작 시기 X년 X+1년에 LBTS가 되지 않으면 초도함에 개선된 설계안을 반영할 수 없습니다. 더군다나, 향후 CVX 사업에도 IFEP를 도입한 의도가 있다면 더욱 신중히 검토가 되어야 합니다. 현 KDDX 사용 용량에 기준한 설비는 1.5배 이상 증가될 CVX의 용량에 대해 온전하게 활용될 수 없기 때문입니다. 

•둘째,  함정의 전력화 즉, 함정 인도시기를 준수하기 위한 최적의 방안 이었기 때문이다. 통상 전투함의 건조계약에서 부터 함인도까지 8~9년이 소요된다면 그 기간내 충분히 함인도 시점을 준수하는 방안이 확장형 정박시운전을 도입하는 것이었습니다.

LBTS를 도입을 하게 되면 예산 집행 시점부터 변동이 필요하고 사업기간 또한 약 2~3년 또는 더 많이 소요될 가능성이 상당히 높은 것으로 파악이 되었기 때문입니다. 

영국 해군 J E Voyce 대령(Captain)은 해군국제학술대회에서 2000년대Type 45  사업과정에서  ESTD(Electric Ship Technology Demonstrator)를 도입하였지만 시기적으로 함정 인도 시점에 맞춰 적용하기에 적합하지 못했다고 말했습니다. (* Whilst all T45 opportunities were exploited at the ESTD, the timing wasn’t ideal and with the need to hold the clast ISD, due to the lack of a phased handover with the previous class of Destroyers, the ESTD’s results supported the QEC Class design better). 여기에 하나 더 ESTD를 도입한 목적을 이해할 필요가 있습니다.

이 ESTD는 처음 도입하는 통합전기추진체계에 시스템 아키텍처를 개선하기 위한 목적 이었지 완전히 설계가 끝난 시스템 아키텍쳐를 검증하기 위한 것이 아니었다는 것 입니다.

그렇게 때문에 이 목적에 맞는 일정을 T45에서는 맞추지 못해 1번한 Daring 함에서는 개선된 사항이 반영되지 않았던 것이고 Voyce 대령이 시점이 적합하지 못했다고 말을 한 이유입니다.

이 개선한을 후속함에 반영코자 하였지만 이미 동일 설계안으로 진행된 선도함으로 인해 100% 개선안을 후속함에서도 조치할 수 없었고 10년이 지난 시점에서 PIP Program으로 후속 조치가 이뤄지게 됩니다. KDDX에서도 신중히 고려하지 않으면 2000년대 영국에서의 시행착오를 다시 격을 수 도 있습니다. 

•세째, LBTS를 도입하여도 완전 전체시스템을 Full set으로 구축하지 않는 한 정박시운전에서 풀파워 부하 연동시운전을 해야 하는 것은 필수 불가결한 요소이기 때문입니다.

앞서 언급한 바와 같이 정박시운전에서 부하 연동시험을 하지 않으면 불필요한 해상시운전시의 기간 연장 위험요소가 상당히 높아지고 해상시운전의 문제점 발생시 함정 사업기간의 미준수 가능성이 더욱 높아 지기 때문입니다. 이는 전력 계획에 차질을 빚게 되는 결과를 초래할 수도 있습니다. 

롤스로이스의 공급품인 zero thrust brake wheel (사진:롤스로이스)
롤스로이스의 공급품인 zero thrust brake wheel (사진:롤스로이스)

그림에서 보시는 것은 DDG-1000에서 확장형 정박시운전에서 사용되었던 롤스로이스의 공급품인 zero thrust brake wheel 모습입니다. 정박 상태에서 대형 추진모터를 full scale로 사용, 검증하는데 사용된 것입니다.

각 휠들은 사용후 수상에서 실제 블레이드로 교체가 가능합니다. 물론 실제 정박시운전 전 CFD를 통해 해석 및 설계를 하고 대형터널에서 파일롯 제작 후 성능에 대해서도 검증을 마친 뒤 사용되었습니다.

롤스로이스에서 이 모든 과정을 지원 하였습니다. 

통합전기추진체계 함정에 있어 SWAP-C Margin과 가스터빈 발전기의 통일성의 중요성 (사진:롤스로이스)
통합전기추진체계 함정에 있어 SWAP-C Margin과 가스터빈 발전기의 통일성의 중요성 (사진:롤스로이스)

두번째로 통합전기추진체계 함정에 있어 SWAP-C Margin과 가스터빈 발전기의 통일성 입니다. 

3월에 난 기사를 보면 미해군 Paul 제독이 “ 중국과 같은 적대국과의 교전은 미사일 대 미사일 게임이 될 것이고 현재 미해군의 구축함들은 이런 전장에 대한 무기/탄약고가 부족하다”라고 말을 하면서 이어 말하기를 “어쩌면 우리에게 무한한 탄약고 능력을 갖출 수 있는 다이렉트 에너지 무기를 장착하기 원한다면 DDG-51 구축함급에서 날려버린 SWAP-C(즉, 공간, 중량, 출력과 냉각) margin을 복원할 필요가 있다” 언급하였습니다.
3월에 난 기사를 보면 미해군 Paul 제독은 DDG-51 구축함급에서 날려버린 SWAP-C(즉, 공간, 중량, 출력과 냉각) margin을 복원할 필요가 있다” 언급(사진:롤스로이스)

3월에 난 기사를 보면 미해군 Paul 제독이 “ 중국과 같은 적대국과의 교전은 미사일 대 미사일 게임이 될 것이고 현재 미해군의 구축함들은 이런 전장에 대한 무기/탄약고가 부족하다”라고 말을 하면서 이어 말하기를 “어쩌면 우리에게 무한한 탄약고 능력을 갖출 수 있는 다이렉트 에너지 무기를 장착하기 원한다면 DDG-51 구축함급에서 날려버린 SWAP-C(즉, 공간, 중량, 출력과 냉각) margin을 복원할 필요가 있다” 언급하였습니다. 

여기에 더해 NAVSEA의 Carey Filling Director는 “우리에게 문제점은 SWAP-C가 미래 미사일에 관한 것도 아니고 미래 레이저에 대한 것도 아니라고 말하는 것 처럼 필수적으로 매력적인 것이 아니라는 것이다. 하지만 그 능력 없이는 어떤 미래 무기체계에 대해 받아 들일 수 있는 여유가 없다는 것이다.” 라고 말했습니다. 이어 강조하기를 “SWAP-C는 미래 위협에 대항하는 진정한 능력이다”,  “비용을 더 들임에도  불구하고 이러한 마진 확보는 충분히 지켜야 할 보호가치가 있다”라고 했습니다. (사진:롤스로이스)
여기에 더해 NAVSEA의 Carey Filling Director는  “SWAP-C는 미래 위협에 대항하는 진정한 능력이다”, “비용을 더 들임에도 불구하고 이러한 마진 확보는 충분히 지켜야 할 보호가치가 있다”라고 언급 (사진:롤스로이스)

여기에 더해 NAVSEA의 Carey Filling Director는 “우리에게 문제점은 SWAP-C가 미래 미사일에 관한 것도 아니고 미래 레이저에 대한 것도 아니라고 말하는 것 처럼 필수적으로 매력적인 것이 아니라는 것이다. 하지만 그 능력 없이는 어떤 미래 무기체계에 대해 받아 들일 수 있는 여유가 없다는 것이다.” 라고 말했습니다.

이어 강조하기를 “SWAP-C는 미래 위협에 대항하는 진정한 능력이다”,  “비용을 더 들임에도  불구하고 이러한 마진 확보는 충분히 지켜야 할 보호가치가 있다”라고 했습니다.

미해군의 주력 구축함 DDG-51을 대체할 차세대 구축함 DDG(X)의 ROC를 개발하는 단계에서 중요한 점 (사진:롤스로이스)
미해군의 주력 구축함 DDG-51을 대체할 차세대 구축함 DDG(X)의 ROC를 개발하는 단계에서 중요한 점 (사진:롤스로이스)

앞에서 언급한 말들은 미해군의 주력 구축함 DDG-51을 대체할 차세대 구축함 DDG(X)의 ROC를 개발하는 단계에서 중요한 점입니다.

ROC의 Flexibility 부분에 SWAP-C margin 새로운 건조에 새로 정립하겠다고 말하고 있으면서 발전기와 연관된 장비들의 Power margin은 20% , 거기에 플러스로 통합전력시스템을 통해 인출가능한 Power까지 요구사항으로 넣었습니다. 

아래에 향후 업그레이드를 위한 공간도 확보를 제시하면서 그 요소중 IPS의 업그레이드 또한 고려 사항으로 들어가 있습니다. 그래서, 향후 언제든 출력을 증대가  가능하고 동일한 가스터빈을 그대로 사용가능한 통일성을 가진 대형 가스터빈 발전기에 대한 고려를 심각히 고려해야 한다고 할 수 있겠습니다. 

 일례로 오른쪽 컨셉 디자인을 보시면 함미쪽 2개 RAM을 2개 600kW급 레이져로 좌,우 설치하는 것으로 되어 있고 함수에도 1개의 150kW 레이저가 개념으로 들어가 있습니다. 상기 레이저 출력은 통상 3배의 전력을 필요로 하기 때문에 1.8MW + 1.8MW + 0.45MW = 약 4MW급의 추가 출력이 더 필요하다고 할 수 있습니다. 

예를들어 예상되는 약 7000톤급 구축함의 요구 출력대를 기준으로 가상 분석 (사진:롤스로이스)
예상되는 약 7000톤급 구축함의 요구 출력대를 기준으로 가상 분석 (사진:롤스로이스)

예를들어 예상되는 약 7000톤급 구축함의 요구 출력대를 기준으로 가상 분석을 한 내용입니다.

최고 선속에서 유효 축마력이 약 44MW라고 가정한 통합전기추진함정에서 글로스 마진을 5MW를 두었을 경우에 30MW 발전기로는 요구조건을 만족할 수 없다는 것을 알 수 있으며 34MW 발전기를 사용했을 경우 충분한 마진을 가지는 것으로 나타났습니다.

최적의 안은 34MWe급 대형 가스터빈 발전기 2대와 3MWe급 디젤발전기 3대를 설치할 경우인 것을 볼 수 있습니다. 

엔진은 하나의 무기체계로 인식되고 관리되는 추세 (사진:롤스로이스)
엔진은 하나의 무기체계로 인식되고 관리되는 추세 (사진:롤스로이스)

유럽에 있는 Engine As A Weapon(EAAW) 이라는 국제 해군기술학술대회가 말해 주듯이 통합추진체계 함정에 있어서 엔진은 하나의 무기체계로 인식되고 관리되는 추세에 있습니다. 

전장에서 이길 수 있는 필수 요소 입니다. 마치 미래의 산업 및 국방에서도 반도체가 핵심 기술이 된 것 처럼 여겨집니다. 

FFX-II/III 호위함 사업 절충교역을 통해 롤스로이스의 EHM 시스템이 한국 해군에 적용 되고 있습니다.

이 하나의 EHM 시스템으로 FFX-III사업까지 통해 해군이 적응과 성숙의 단계를 가진다면 만약 한국형 구축함 사업에서 최상의 운용을 할 수 있을 것이고 경항모사업에서 적용이 된다면 해군에서 전문가로 사용할 수 있을 것입니다.

이 모든 엔진들이 하나의 EHM 시스템을 통해 함가용성을 높일 수 있고 함대 전체의 장비 운용을 원할히 할 수 있으며 전반적인 수명비용들 또한 줄일 수 있어 결국 전장에서 이길 수 있는 원동력을 줄 수 있습니다. 

해군용 실적 가스터빈 발전기 MT30 컴팩 발전기는 40MW까지 원동기의 출력이 가능 (사진:롤스로이스)
해군용 실적 가스터빈 발전기 MT30 컴팩 발전기는 40MW까지 원동기의 출력이 가능 (사진:롤스로이스)

해군용 실적 가스터빈 발전기 MT30 컴팩 발전기는 40MW까지 원동기의 출력이 가능하기 때문에 발전자의 성능에 따라 약 35MWe까지 사용가능합니다.

즉 29MW부터 35MW까지 발전자에 따라 동일한 원동기로 가스터빈 발전기를 구현 가능합니다.

대형 가스터빈 발전기가 30MWe로 현시점 적용이 되더라도 동일한 가스터빈 원동기로 추후 언제든 36MWe까지 증설할 수 가 있는 통일성을 갖추고 있습니다. 

롤스로이스는 해군용 특수성능을 만족하는 대형 가스터빈 발전기를 납품한 유일한 제작사 (사진:롤스로이스)
롤스로이스는 해군용 특수성능을 만족하는 대형 가스터빈 발전기를 납품한 유일한 제작사 (사진:롤스로이스)

롤스로이스는 해군용 특수성능을 만족하는 대형 가스터빈 발전기를 납품한 유일한 제작사 입니다.

DDG-51과 한국 해군의 DDG-991/2/3에도 가스터빈 발전기를 납품했으며, T45 구축함, DDG-1000, QEC에도 특수성능 요구를 만족하는 발전기를 납품하였습니다. 

결론으로 어떻게 최초 통합전기추진체계가 적용된 전투함 사업을 성공적으로 할 수 있을까?  (사진:롤스로이스)
결론으로 어떻게 최초 통합전기추진체계가 적용된 전투함 사업을 성공적으로 할 수 있을까? (사진:롤스로이스)

결론으로 어떻게 최초 통합전기추진체계가 적용된 전투함 사업을 성공적으로 할 수 있을까? 

우선 앞서 시행한 타 해군의 사례를 교훈삼을 필요가 있습니다. T45, QEC, DDG-1000에서 왜 brake wheel과 load bank를 이용한 확장형 정박시운전을 했는지를 숙지하고 심도있게 고려해야 합니다. 

다음으로 전문가 그룹 조성을 통한 협업으로 리스크 식별 및 줄여나가는 활동을 해야 합니다. 

할수만 있다면 Risk & opportunity 경영을 설계와 건조 과정에 반영할 것도 고려할 필요가 있습니다. 

사업 시작전 SWAP-C에 대한 요구사항 정의가 필요하고 적용이 되어야 합니다. 대형 전투함들의 통합전기추진체계는 통일성/일관성을 잘 살펴 보아야 합니다. 

롤스로이스(사진:롤스로이스)
롤스로이스(사진:롤스로이스)

무기체계 사업에 있어서 가용한 자원을 고려한 최적한 De-risk 방안을 찾아 시행하는 것이 사업성공의 결정적인 요소이다. 특히 최초 도입하는 IFEP 체계의 사전 De-risk 검토와 결정은 무엇보다도 중요하다라고 할 수 있습니다. 

한국보다 앞선 IFEP 전투함정들에는 모두 확장된 정박시운전을 De-risking 활동을 통해 IFEP 시스템의 검증방안으로 최적의 방안으로 선택하였다는 것은 한국형 통합전기추진체계를 전투함에 최초 도입하는 현시점에서 시사하는 바가 크다고 할 수 있습니다. 

[디펜스투데이]


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