한화오션의 항공모함 기본 개념안

2021년 6월, 부산 BEXCO에서 개최되었던 MADEX 2021은 한국형 항공모함 사업이 핵심 이슈로 부각되면서 오랜만에 활력이 있는 행사가 되었다.

한국 해군의 주요 무기 체계 대부분이 국산화되면서 2013년 이후에 개최된 MADEX에서는 해외 업체들의 참여가 대폭 감소하였다.

이것이 한화 시스템과 LIG Nex1의 KDDX 구축함 통합 마스트 체계(4면 고정 S 밴드 AESA 레이더와 X 밴드 AESA 레이더로 구성되는 듀얼밴드 MFR, Mark XIIA 표준 IFF 심문기 전용 L 밴드 안테나, 소나타 II 체계의 광대역 컨포멀 ECM 안테나, VHF/UHF 데이터 통신 안테나, IRST 등이 통합) 개발 경쟁과 LPX-II 사업(지금의 한국형 항공모함 사업의 모체) 기본 연구 등의 이슈가 있던 2019년 MADEX 이전까지 강력한 이슈가 거의 없었다는 점과 맞물려서 한동안 MADEX가 다소 침체되었다.

한국형 항공모함 사업은 오랜만에 MADEX에 활력을 불어넣었던 센세이션한 이슈였다.

MADEX 2021은 한국형 항공모함의 모습을 미리 전망할 수 있는 자리였다.

해군이 내부 기본 연구를 통해서 도출한 결과를 반영하여 구축한 CVX 기본 개념안을 MADEX 2021 당시 해군 부스에서 공개했다.

MADEX 2021 당시 대우조선해양 부스에서 공개된 기본 개념안 모형은 해군 부스에서 공개되었던 한국형 항공모함 기본 개념 모형과 놀랍도록 흡사하였다.

이는 한화오션이 구상한 기본 개념안에 반영되어 있는 기본 개념들이 해군이 자체 연구를 통해서 도출한 것들과 일치한다는 것을 의미한다.

소요군이 요구하지 않는 불필요한 것들이 배제되고 소요군의 요구에 부합하는 요소들을 갖춘 합리적이고 효율적인 제안이 선택되어야 한다는 것은 정한 이치라는 것을 감안하면 DSME의 한국형 항공모함 기본 개념안은 선정될 가능성이 높은 유력한 모델이다.

개념 설계안

한국형 항공모함 사업은 5세대 STOVL(Short Take Off and Landing) 전투기를 운용하는 경하 배수량 3만톤(만재 배수량 45,000톤)급 경항공모함을 완성하여 2033년까지 전력화하는 사업이었다.

한국형 항공모함 사업 공고는 2022년 4월에 예정되어 있었다.

2020년 12월에 합동참모본부에서 그 필요성이 인정되어 사업이 결정되어 방위사업청에서 사업추진기본전략이 수립되었으며, 2021년 2월 22일에 국방부 장관 주관 제 133회 방위사업추진위원회에서 한국형 경항공모함 사업추진전략을 심의, 의결하였다.

방위사업추진위원회에서 의결한 한국형 항공모함 사업 추진전략은 5세대 STOVL 전투기 10여대(구체적인 함재기 수용 규모는 사업 공고가 나오면서 구체화될 것으로 전망)를 탑재하는 경하배수량 3만톤급 항공모함을 2022년부터 2033년까지 총 2조 300억원의 예산으로 개발, 건조하여 도입하는 것이었다.

배수량과 함재기 운용 규모 등은 한국형 항공모함 사업 공고가 나오면서 구체화한다.

예를 들어서 한국형 항공모함이 수용, 운용할 수 있는 함재 전투기 숫자가 정확하게 규정된다.

한국형 항공모함에 탑재되는 5세대 STOVL 전투기 탑재 규모는 기본사업추진전략에 10여대로 규정되어 있고 구체적인 숫자는 제시되지 않았다. 사업 공고가 나오는 시점에 기본 개념에 반영된 10여대라는 숫자가 16대, 18대 이런 식으로 정확한 숫자로 확정이 된다.

배수량 역시 사업 공고가 나와야 한다. 한국형 항공모함은 경하배수량 3만톤급 항공모함으로 기본 개념에 규정되어 있지만 정확한 배수량은 2022년 1월 기준으로 결정되지 않았다.

배수량 39,000톤의 항공모함도 3만톤급 항공모함이다(경하배수량은 3,200톤, 만재 배수량은 4천톤에 가까운 광개토대왕급 구축함이 3천톤급 구축함으로 분류되는 것을 상기하면 이해할 수 있다). 2022년 4월에 사업 공고가 나오기 전까지는 3만톤 ~ 약 39,000톤 사이에서 구체적인 경하 배수량이 결정되고 배수량 오차는 -10% ~ +10% 이내의 범위였다.

5세대 STOVL 전투기를 운용하는 경하 배수량 3만톤급 항공모함이라는 기본 개념을 세부적인 요구 제원이 반영된 프로그램으로 만들기 위한 작업이다.

5 세대 STOVL 전투기를 운용하는 항공모함이라는 기본 개념은 2021년에 사업 타당성 조사가 완료되어 동년 12월에 항공모함 기본설계 착수 예산을 2022년 예산에 반영 위해 확정된 개념이다.

2022년에 탐색개발과 기본 설계 착수하도록 예산이 배정되었는데 업체 선정과 탐색 개발 대신 확립된 기본 개념과 전혀 다른 기본 개념을 새롭게 수립하여 기본 제원을 처음부터 다시 산출하여 타당성 조사까지 해야 한다는 것은 불가능하다.

STANAG 4193 표준 식별체계와 STANAG 5516 표준 데이터 통신 체계 등을 갖춘 NATO 표준 5세대 STOVL 전투기 중 최소한 2033년 이전에 한국형 항공모함의 함재 전투기로 획득 가능한 기종은 F-35B가 유일하다.

한국형 항공모함이 전력화 2033년이면 F-35B의 안정적인 운용을 할 수 있는 시기이다.

미국은 아메리카(America)급 LHA(Landing Helicopter Assault)에서, 영국은 QEC(Queen Elizabeth Class) 항공모함에서 F-35B를 운용하고 있다.

영국 공군은 마햄(Marham) 공군기지에서 207 비행대와 617 비행대 2개 비행대에서 F-35B를 운용하고 있으며 이 중 617 비행대가 QEC 항공모함에 F-35B를 파견하고 있다.

과거에 시 해리어(Sea Harrier) FRS.1을 운용하다가 해편되었던 영국 해군 809 비행대가 2023년에 F-35B 운용하는 부대로 재창설 완편, QEC 항공모함에서 영국군 F-35B 2개 비행대 운용 체제가 완비되었다.

이탈리아 공군과 해군도 F-35B 30대를 도입하여 이탈리아 공군의 F-35A가 배치되어 있는 아멘돌라(Amendola) 공군 기지에 배치 운용이다.

이탈리아군 역시 F-35B를 이탈리아 해군 항공모함 카보우르(Cavour. C550)와 트리에스테(Trieste. L9890)에 배치하여 운용하며 특히 트리에스테함에 배치된 F-35B는 상륙작전에서 공대지 화력 지원 소요, 특히 상륙지역에서 적지 종심으로 더욱 깊이 진입하여 공대지 차단 화력을 제공하는 임무 위주로 운용될 것이다.

 F-35B가 함상 운용되면서 정비 운용에 필요한 정보가 축적되고 있기 때문에 2033년에는 F-35B의 함내 운용과 정비에 필요한 정보가 충분히 축적된다. 특히 F-35B의 함내 정비에 필요한 소요 품목 함내 재고 예측에 필요한 데이터가 충분히 축적되는 시기이다.

그러므로 한국 공군이 F-35B를 한국형 항공모함에서 운용하면 미국, 영국, 이탈리아의 F-35B 운용 부대와 운용 정보 교류를 하면서 F-35B 함내 정비 소요 품목 재고 예측에 필요한 각종 정비 데이터(예 : 정비 대상 품목등의 함내 운용 MTBF)를 확보하면서 합리적인 함내 정비 운용 계획을 수립할 수 있다. 한국과 영국의 AW159 해상작전헬기 전술 교류와 A330MRTT(한국 공군의 KC-330) 운용 정보 교류 등 이와 유사한 형태의 협력은 이미 하고 있다.

무엇보다 2033년이면 영국과 미국, 이탈리아, 싱가포르, 일본 등이 최소 500대 가량의 F-35B를 확보하여 이미 규모의 경제가 구축되는 시기이다.

F-35B가 한국이 고려할 수 있는 함재 전투기 중 2030년대와 그 이후의 장기적인 운용 유지 전망이 가장 우수한 전투기이다.

한국형 항공모함의 기본 개념을 확정하기 전에 고려할 수 있었던 함재 전투기 옵션 중 F-35B가 가장 성능이 우수한 옵션이라는 것은 한국형 항공모함이 5세대 STOVL 전투기(F-35B 전투기)를 운용하는 항공모함으로 개념이 확립된 것이다.

스키 점프대는 배제

한화오션의 항공모함 개념 설계안은 이와 같은 한국형 항공모함 기본 개념안에 가장 잘 부합한다는 것이 최대 강점이다.

10여대의 F-35B를 운용하는 만재배수량 45,000톤 항공모함으로 해군이 자체 연구 결과 최적화한 형상과 한화오션의 개념 설계안의 핵심적인 특징이 일치하여 해군의 요구에 부합하는 것이 최대 강점이라는 것이다.

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한화오션의 개념 설계안은 스키 점프대 없이 F-35B가 최대이륙중량(60,000 파운드)에서 이함할 수 있는 항공모함으로 기획되었다.

이를 위해서 함수에 스키 점프대가 구현되어 있지 않으며, 함미에 해군이 요구하지 않는 불필요한 군더더기 요소를 구현하지 않음으로써 함수에서 함미까지 활주 거리로 활용하여 최대 260 미터 이상의 활주 거리를 확보한다.

해군의 경항공모함 개념안 역시 최대이륙중량의 F-35B를 스키 점프대 없이 이함시키기 위해서 필요한 최소한의 활주거리인 250 미터보다 더욱 긴 265 미터의 비행갑판을 갖는 항공모함으로 기획되었다.

해군에서는 개념 연구를 수행하면서 스키 점프대를 도입하는 방안과 스키 점프대가 없이 5세대 스텔스 STOVL 전투기를 이함시키는 방안 모두를 검토하였다.

연구 결과 스키 점프대가 도입된 항공모함은 5세대 STOVL 전투기 이함에 필요한 활주거리가 대폭 감소하며, 동일한 활주거리를 기준으로(즉 이함 활주 시작 위치가 동일한 경우) 항공기의 이함 중량이 더욱 크다는 장점이 있는 반면, 단점도 다양하다는 것이 확인되었다.

첫째 스키 점프대 추가로 항공모함의 중량이 증가한다는 것이다.

항공모함의 다른 설계 요소에 중량이 추가로 할당되는 것이 아니라 스키 점프대 때문에 중량이 증가하는 것은 비효율적인 설계다.

향후 항공모함의 배수량이 구체적으로 결정되면 여유 마진은 정해진 배수량에서 10%정도가 된다.

10%의 중량(가령 경하 배수량이 3만톤이라면 여유 마진은 무려 3천톤)에서 적지 않은 무게를 스키 점프대에 할당함으로써 다른 설계 요소에 할당할 여유 마진이 감소하고 불필요하게 중량이 증가하는 문제가 발생하는 것이다.

둘째, 스키 점프대 추가로 비행갑판 위에서 항공기 이동 경로가 제한된다.

영국 해군의 QEC 항공모함은 만재 배수량이 7만톤에 육박하는 거함이기 때문에 함수에 스키 점프대가 설치되어 있음에도 불구하고 전방 아일랜드와 함수 사이에 별도로 항공기가 대기하는 공간이 확보되어 있다.

반면 한국형 항공모함은 경하 배수량 3만톤급 항공모함에 스키 점프대가 들어가면 전방 아일랜드와 함수 사이에 항공기가 대기하는 공간을 확보할 수 없다.

그리고 회전익 항공기 주기 공간이 확보되지 않는다는 것도 문제가 된다.

이는 F-35B의 이함 전후로 탐색구조헬기가 발진해야 한다는 점을 감안하면 문제다.

반면 스키 점프대가 배제된 설계는 F-35B의 이함 활주거리가 길어지는 단점이 있지만, 이 문제는 F-35B가 최대이륙중량에서 이함 발진하기 위해서 필요한 활주 거리보다 더욱 긴 비행 갑판을 확보함으로써 해결할 수 있다.

이처럼 단점은 항공모함의 비행갑판 활주거리를 충분하게 확보함으로써(250 미터 이상) 해소하면서 항공모함 설계 과정에서 중량 증가 여유 마진을 부득이하게 중량 증가가 필요한 요소에 활용할 수 있고, 아일랜드와 함수 사이에 다수의 F-35B가 대기할 공간이 확보되어 sortie 생성율 측면에서 긍정적이며 해당 공간을 탐색구조헬기 등 회전익 발진 공간으로도 활용할 수 있다.

최적의 공간 활용

스키 점프대를 개념 설계에 반영하면서 발생하는 공간 문제, 2개의 아일랜드 구조물과 균형 문제 등을 해결하기 위해서 비행갑판 면적을 크게 확보하는 방법이 있다.

그러나 이를 경하 배수량 3만톤급 항공모함에서 구현하려면 비행갑판 위에서 항공기의 이동과 발진이 동시에 진행되기 어렵다.

한화오션의 항공모함 개념 설계안은 이처럼 군의 요구에 맞게 스키 점프대는 배제하고 활주거리를 260 미터 이상 확보하여 비행 갑판에 항공기 이동 공간과 배치 공간을 확보한 것이다.

한화오션은 군의 요구에 부합하면서 군이 요구하지 않은 불필요한 요소는 배제하는 개념 설계를 도출했다.

이와 같은 형상은 비행갑판 위의 활주로에서 F-35B가 이함을 위한 활주를 할 때 동시에 다른 F-35B가 함수와 전방 아일랜드 사이의 공간에서 2개 아일랜드 사이 공간으로, 그리고 2개 아일랜드 사이에 대기하는 F-35B를 함미와 후방 아일랜드 사이의 활주로 진입 대기 구역으로 이동, 재배치하는 것이 가능하다.

비행갑판 활용성

항공모함에 탑재하는 항공기들을 최대한 비행갑판에 전개할 수 있는 공간을 확보할 수 있다. MADEX 2021에서 공개된 한화오션의 개념 설계안을 보면 16대의 F-35B(비행갑판 활주로에서 발진 대기 중인 항공기 포함)와 5대의 회전익기가 비행갑판 위에 전개되어 있었다.

한국형 항공모함이 함내에 수용할 수 있는 항공기 대부분을 비행갑판 위에 전개한 것이라고 봐도 무방하다. 한화오션의 항공모함 개념 설계에는 한국형 항공모함에 탑재되는 대부분의 항공기를 갑판 위에 전개한 상태에서도 비행갑판에서 항공기들의 동선이 확보된다.

이처럼 활용도가 높은 비행 갑판을 설계하기 위해서 한화오션은 군에서 요구하지 않은 불필요한 요소들은 배제하는 한편, 비행갑판의 항공기 동선과 배치를 해석하여 최적 설계를 하기 위한 도구들을 사용하고 있다.

지난 MADEX 2021에서 한화오션의 항공모함 개념 설계안 모형과 함께 공개된 위자 보드(ouija board)도 이러한 해석 도구 중 하나로 활용되고 있다.

항공모함의 비행갑판과 격납고를 축소 구현한 모형인 항공모함 위자보드는 격납고 내부와 비행갑판에 항공기 배치와 이동을 지휘 통제하기 위한 도구로 사용된다.

위자보드를 사용하여 작전 상황에 맞게 최적화된 항공기 배치 방법과 동선 확보 방법을 논의하고 이를 통해서 도출한 항공기 배치 계획을 가지고 항공모함의 항공기 배치와 이동, 발진, 랜딩 등을 지휘 통제하는 것이다.

한화오션은 한국형 항공모함 개념 설계를 하면서 개념 설계 모형의 비행갑판과 격납고 내부를 축소 구현한 위자보드를 사용하여 비행갑판에 항공기를 최대한 배치하고 비행갑판 또는 격납고 사용 밀도가 높은 상태에서 항공기의 동선을 확보하며, 항공기의 배치에 필요한 동선을 최소화하여 신속한 항공기 배치가 가능하도록 최적의 항공기 배치와 공간 할당 설계를 했다.

항공기들의 동선이 중첩되지 않도록 이동 경로를 짜는 것도 중요하다. 이와 같이 공간 할당과 배치, 이동 등을 최적 설계한 결과를 항공모함 설계에 피드백을 하여 개념 설계를 도출한 것이다.

이탈리아 업체와 설계 협력

이탈리아 업체인 핀칸티에리(Fincantieri)가 한화오션의 한국형 항공모함 설계에 협력한 것도 강점이었다.

이탈리아 해군은 F-35B 10대를 탑재할 수 있는 만재배수량 3만톤(경하 배수량 27,100톤)의 경항공모함 카보우르(Cavour. C550)를 운용하면서 F-35B를 탑재하는 또 다른 경항공모함인 트리에스테(Trieste. L9890)를 2022년부터 전력화했다.

한화오션은 2015년부터 한국형 경항공모함 건조 가능성 검토를 시작하였다.

2015년에 해군전력분석시험평가단이 발주한 '차세대 첨단함정 건조가능성 검토 연구'가 그것이다.

이 사업을 수주한 한화오션은 항공모함의 소요검증과 사업타당성 분석, 그리고 항공모함의 운용개념 분석 등을 수행하였다.

한화오션은 항공모함 소요 기술에 대한 다양한 연구 용역을 수행하였다.

2016년에 해군전력분석시험평가단으로부터 한화오션이 수주한 '차세대 첨단함정 군요구사항 최적화를 위한 기술 연구'가 그것이다. 한화오션은 이 사업을 하면서 항공모함 설계와 건조 소요기술을 분석하고(총 190건의 핵심 기술 식별) 이 중 국내에 없는 기술들을 파악하고 이를 확보하는 방안을 강구하며 전력화 지원 조사를 실시하였다.

이와 같이 항공모함 개발에 필요한 각종 연구를 해군으로부터 발주 받아서 자체적으로 수행하고 함재기 운용 기술 확보와 스마트 함정 기술 선행 연구를 위한 산학연 협력도 자체 투자를 통해서 시행했다.

한화오션은 스마트 솔루션인 DS4를 개발하고 이를 함정에 적용하기 위한 신속획득사업을 방위사업청으로부터 수주함으로써 경항공모함을 위한 핵심 기술을 직접 개발할 수 있는 태세를 갖추었다.

한화오션의 항공모함 개발 역사는 오래 전부터 항공모함과 관련된 연구를 시행한 것이다.

한화오션은 자체적으로 다양한 연구를 수행하면서 축적한 정보와 기술을 활용하여 한국형 항공모함 개념 설계를 만들었으며, 이를 트리에스테급 LHD(Landing Helicopter Dock)를 개발한 이탈리아 핀칸티에리의 설계 자문을 받아서 개선하면서 상세화 작업을 진행했다.

트리에스테급 LHD는 만재배수량 37,000톤으로 만재 배수량 45,000톤의 한국형 경항공모함에 가장 근접한 항공모함이라고 할 수 있다. 두 항공모함 모두 2개의 아일랜드에 듀얼밴드 AESA 레이더가 통합된다는 것도 비슷하다.

이 때문에 트리에스테를 설계하면서 축적한 정보와 데이터, 선험적인 설계 노하우를 보유한 핀칸티에리는 한국형 항공모함의 설계에 필요한 조언을 제공할 수 있는 협력 파트너이다.

한화오션은 이탈리아 국방부의 승인 하에 트리에스테 항공모함의 설계도를 열람한 바 있으며, 한화오션이 만든 한국형 항공모함의 개념 설계를 상세화하면서 핀칸티에리 측의 자문을 제공받기도 하였다.

특히 트리에스테의 설계를 분석하면서 한화오션에서 한국형 항공모함 설계를 담당하는 엔지니어들은 트리에스테의 설계가 경량화와 효율에 중점을 둔 설계라는 것을 파악할 수 있었다고 한다.

이에 한화오션의 엔지니어들은 핀칸티에리측 엔지니어들과 협의하고 토론하면서 한국형 항공모함 기본 개념안의 경량화에 중점을 둔 효율적인 상세화 작업을 진행했다.

다만 지나치게 경량화에만 비중을 둘 경우 자칫 생존성이 경시된 설계가 도출될 수 있다.

이 때문에 항공모함의 생존성 측면에서 설계 노하우를 갖춘 우크라이나의 SRDSC(State Research and Design Shipbuilding Center)와도 협력했다.

해당 업체는 생존성이 강력한 구 소련의 키예프급 항공순양함 등의 설계에 참여하면서 항공모함의 생존성 강화 설계 관련하여 노하우를 갖추고 있었기 때문이다.

​[디펜스투데이]