전전기 잠수함

1. 개요

전통적으로 잠수함에서 추진동력원으로 사용되는 디젤엔진이나 원자로 대신 리튬 전지같은 대용량 전력 저장기술을 사용하는 잠수함.

현재 재래식 디젤 잠수함도 AIP 기술이나 리튬이온 배터리 기술의 발전으로 원자력 잠수함에 버금가는 성능으로 급속히 발전하고 있다. 리튬전지에 저장된 에너지 만으로 출항해서 귀환까지 전력을 모두 감당할 수 있다면 AIP는 물론 디젤엔진 조차도 필요가 없어질 수 있다. 즉 기지에서 전지를 100% 만충전하고 출항하고 통상적 작전기간인 4주-8주 정도를 오직 배터리 만으로 잠항 작전하고 재충전없이 기지에 귀환하므로 굳이 디젤엔진도 스노클링도 발전기도 필요없어 진다. 즉 전기자동차와 같은 개념이다.

현재의 AIP 로 사용되는 연료전지나 스털링 엔진는 리튬 전지 등 대용량 에너지 저장기술이 충분히 발전하지 못한 과도기의 기술이다. 또한 현재 잠수함에 적용된 리튬 배터리 기술로는 배터리 만으로는 2주 정도 밖에 잠항시간을 가질 수 없어 디젤 잠수함의 통상적 작전기간인 3-4주를 확보하기 위해서 디젤엔진과 스노클링과 재충전이 필요하다. 하지만 현재 잠수함 무게와 부피의 1/3 정도를 차지하는 무거운 디젤엔진과 연료탱크 및 납배터리등을 제거하고 그 무게와 부피를 전부 리튬전지로 대체해 리튬배터리의 용량을 대폭 늘리면 충분히 4주-8주의 작전기간을 확보할 수 있다. 즉 전전기(全電氣 full electric) 잠수함도 충분히 가능하다. 여기에 전전기화 됨으로써 소음이 줄어 소음감소 설비량도 줄어들어 더욱 컴팩트 해진다. 잠수함의 정숙성과 공간활용도가 높아져 톤수나 규모 대비 전투함으로서의 효용이 높아진다.

특히 잠수함용 리튬 배터리의 발전은 매우 빨라서 충전을 위한 부상없이 연속으로 수중작전을 할수 있는 기간도 원자력 잠수함의 90일에 버금가는 80일 정도를 실현할 수 있다. 또한 수중 최대속도도 리튬전지 만으로도 원자력 잠수함과 동등한 20노트 급을 달성하고 있다. 즉 원자력 잠수함의 최대 장점인 수중작전시간과 수중항주속도에서 거의 동급의 성능을 달성하고 있다. 이러한 발전은 핵잠수함/재래식 잠수함의 통상적 전략 개념을 근본적으로 바꿀 수 있는 게임체인저이다.

이미 프랑스 등에서는 전전기 잠수함으로 SMX-31의 개념설계를 2018년에 발표하였다. ## ##

2. 특징

전전기 잠수함은 배터리로 움직이므로 무소음인 것은 기본이고 기관부와 동력전달부의 설계가 간단해져 유지와 운용 및 보수도 매우 간단해져 유지비용이 적게 들고 정비 인력 수요와 기간도 단축할 수 있다. 배터리는 선체 외곽이나 배치의 자유도가 높아 공간활용성이 높아 크기와 배수량 대비 무장 공간 활동공간이 넓고 승조원 수가 적어 1인당 거주공간은 넓어 거주성을 올리면서도 전체 거주공간도 축소할 수 있다. 또한 기지에서 정비관련 지상지원 시설도 훨씬 규모가 축소될 수 있고 귀항 후 재출항까지 정비기간도 훨씬 단축할 수 있어 정비인력도 적게 들어간다. 공간활용성이 뛰어나 작은 크기로도 많은 무장을 하고 더 장기간 작전할 수 있으며 정비기간도 짧아 연간 작전 가동율도 크게 높일 수 있다. 같은 잠수함 전력을 확보하고 유지하는 데 디젤잠수함보다 더 작은 배수량으로 더 적은 수의 잠수함만으로 충분해 실직적으로 예산도 덜 들어가는 전략적 게임체인저 이다.

부피도 컴팩트 해지고 운용의 자동화가 쉬워져 기관부의 유지에 드는 승조원의 인력 수를 대폭 감축할 수 있다. 또한 수명이 짧고 많은 유지보수가 필요한 디젤엔진 등이 없어져 잠수함의 수명도 연장할 수 있다. 리튬 배터리 잠수함은 50년간 연속 가동한다고 해도 용량감소는 10% 미만이다. 같은 무장력을 탑재하는데 더 적은 배수량이 필요하므로 건조비가 디젤 잠수함보다 적게들고 수명이 길고 유지보수및 승조원 인건비가 절약되어 같은 잠수함 전력을 유지하는데 디젤잠수함 보다 비용도 절약된다.

3천톤급 잠수함을 현재의 1/3 정도인 15-20명 정도의 인원으로 운용할 수 있다. 또한 지상 정비기간도 짧아져 기지 귀항후 재출항 까지의 기간을 수일 이내로 대폭 단축할 수 있고 이는연간가동일 수를 크게 늘일 수 있어서 잠수함의 가동률을 1.5-2배 가량 극적으로 높일 수 있다. 다만 승조원의 휴식기간이 극단적으로 짧아지므로 원자력 잠수함에서 블루팀과 골드팀이 각각 70일 씩 교대근무하는 것과 같이 한 전전기 잠수함도 2개조의 승조원을 배치해 매 항차마다 교대로 근무하는 체제로 바꾸어야 할 수도 있다. 팀은 2배로 늘어나지만 팀당 인원은 1/2 이하로 줄어들어 실제 인력소요는 더 적어질 수 있다.

다만 현재 리튬전지 기술은 3원계(NCM) 리튬이온 배터리 중심인데 리튬인산철/망간(LPF/LPMF) 배터리가 발열이 적어 안전성이 높고 수명도 길고 가격도 30% 더 저렴해 잠수함용으로 더 적합해 이의 개발이 시급하다. LPF 가 무게나 부피가 더 나가지만 일부러 밸러스트를 다는 잠수함용으로는 큰 문제가 되지 않는다. LPF가 저온에서 성능이 저하하는 것도 선박용으론 문제되지 않는다. 다수의 전지다발을 열전도도가 높은 알미늄 케이스로 모듈화 격리시켜 정비를 쉽게하고 과열 위험을 줄일 수 있다.

3. 원자력 잠수함과의 비교

원자력 잠수함은 사실상 수중에서 작전할 수 있는 기간에 제한이 없고 수중에서도 20-30 노트의 고속으로 무제한 항주할 수 있다. 그래서 따로 항속거리에 제한이 없어 전세계 어디라도 잠항으로 도달할 수 있다. 다만 원자력 잠수함도 식량 등 보급과 승조원 휴식과 교체를 위해 70-90일마다 귀항해 재보급을 받아야 한다. 승조원의 휴식을 위해 블루팀과 골드팀이 각각 70일 씩 교대근무하고 있다.

전전기 잠수함은 수중속도는 이미 리튬전지만으로도 20노트를 달성하고 있다. 또 리륨전지는 대량방전이 가능하므로 설계에 따라 충분히 원자력 잠수함과 동등하거나 더 고속의 잠항속도를 실현할 수 있다. 리튬배터리는 단시간에 대량방전도 가능하고 대량방전하거나 만충전, 완전방전해도 배터리의 용량이나 수명이나 출력이 줄어들지 않는다. 잠수함 납배터리는 단시간에 대량방전하면 용량과 출력이 급격히 줄어들어 대량방전 하기 어렵고 과충전 과방전하면 수명과 용량 출력이 줄어들고 수소 발생등 위험하므로 40% 용량이 남을 때 까지만 방전한다. 리튬전지는 100% 고속방전과 충전이 가능하다. 잠항중에도 전속력으로 항주할 수 있어서 현재 수중최대항주속도는 20노트도 가능하고 설계에따라 원자력 잠수함보다 빠른 30-40노트도 실현할 수 있다. 이는 공격용 잠수함으로서는 엄청난 이점이다.

무엇보다 척당 가격이나 개발비도 원자력 잠수함의 1/3-1/4 정도에 불과하고 운항에 필요한 승조원 수도 1/2-1/3 에 불과하다. 기술 개발에 들어가는 기간도 원자력 잠수함보다 훨씬 더 짧고 난이도나 개발실패 위험성도 낮다. 정숙성에서는 터빈을 돌려야하는 원자력 잠수함보다 월등히 우월하다.

하지만 전전기 잠수함은 작전중 충전을 할 수 없으므로 전지의 용량에 따라 고속잠항을 지속할 수 있는 시간에 제한이 있다. 그래도 수 십 시간 정도는 고속항주가 가능하고 이는 실전에는 충분한 시간이다. 이는 부상하건 잠수하건 전력을 소모하므로 장거리 항해를 하는 항속거리는 수천 km 정도로 하드한 제한이 걸린다. 즉 태평양을 건너서 작전하기에는 부적합하다. 전전기 잠수함도 원자력 잠수함만큼 작전기간이 길고 휴식기간이 짧아 원자력 잠수함과 같은 2팀이 교대 근무 하는 방안이 필요하다.

3.1. 원자력 잠수함 보유 대안

한국은 북한의 핵무기 위협에 대항하기 위해 이를 억지할 수 있는 원잠 보유를 추진하고 있다. 하지만 전전기 잠수함이 이런 원잠의 작전일수나 잠항속도와 대등한 성능을 달성할 수 있으면 굳이 비싸고 어려운 원잠의 보유할 필요성이 없어진다.

전전기 잠수함이 60-80일 정도의 작전일수을 확보하면 한국 디젤 잠수함의 통상적 작전주기인 3-4주는 물론 원자력 잠수함과 대등한 수중 작전을 수행할 수 있다는 것을 의미한다. 수중고속항주를 지속할 수 있는 시간은 수 십 시간 정도로 제한이 있지만 한국해군이 실전작전에서는 충분한 시간이다. 또 항속거리도 수천 km 정도의 일정한 제한이 있을 수 있지만 태평양을 건너 작전할 일없는 한국 해군에는 충분하다. 그 정도면 굳이 한국이 대한민국의 원자력 잠수함 보유 항목에 나열된 문제점을 안고 원자력 잠수함을 보유할 필요없다.

진해에서 출발해 텐진이나 도쿄만 까지 리튬배터리 만으로 고속으로 왕복하며 SRBM (잠수함 발사 탄도미사일) 이나 순항미사일 등을 발사하거나 동중국해 해저에서 60일 정도 순찰작전을 할 수 있는 수중항속거리나 수중작전기간을 확보하는 것은 충분히 실현가능한 중기 목표이다.

4. 하이브리드 방식

하이브리드식도 고려해볼 수 있는데 가스터빈이나 디젤엔진을 규모를 1/4 정도로 대폭축소해서 1천 kW 급 정도의 작은 엔진과 발전기를 장비하고 스노클링으로 리튬배터리를 저속으로 충전가능하게 할 수 있다. 이 경우 통상 6-12시간인 디젤 잠수함의 충전시간보다 몇 배 더 장시간이 걸릴 수도 있다. 그래서 한번에 완전방전에서 만충전을 하기 보다는 상황과 필요에 따라 어느정도 배터리가 소모되면 스노클링으로 단시간 부분 충전하는 식으로 운용해 최대항주거리와 작전기간을 늘일 수 있다. 하지만 이런 하이브리드식은 전전기 잠수함의 저소음 과 컴팩트함 등 여러 장점을 깍아먹으므로 통상적 작전에는 터빈의 가동없이 배터리만으로 운용하는 것을 기본으로 하고 스노클링은 통상적 운항방식이 아니고 특별히 장거리 작전이나 장기 작전 또는 배터리 용량이 크게 부족할 때 등 위험을 감수하고 충전을 하는 예외적 운용모드로서 또는 장거리 장기간 작전에 특화된 함체길이 연장형 특수설계 모델로 운용하는 것이 바람직하다.

비상용으로 배터리의 백업 추진설비로 소규모의 가스터빈발전기를 고려할 수도 있다. 만약의 배터리 계통의 완전 고장이나 사고 또는 배터리 완전 방전의 경우에 수상에 부상해 가스터빈으로 저속으로 기지에 자력귀환할 수 있다. 하지만 리튬배터리는 자체방전이 적어 전력을 장기간(1년) 저장할 수 있고 고장이 적고 정비가 쉬우므로 이런 화석연료 기관들 보다 압도적으로 신뢰성이 높으므로 배터리 계통을 다중으로 여러 곳에 분산해 일부의 고장을 대비하고 따로 비상용으로도 리튬배터리를 비상용 전원으로 사용하는 것이 더 나을 수 있다. 내연기관은 규모 때문에 여러 개로 다중화나 분산하기 어렵지만 배터리는 함체내 어디나 배치가 자유로와 여러군데 분산해 설치하면 모두 동시에 고장나거나 방전하는 일은 일어나기 어렵다. 리튬배터리는 자체방전율이 낮아서 한번 충전하면 1년 이상 전력을 저장할 수 있어서 평소 작전에 쓰지 않다가 고장이나 사고 급기동 급부상 등 긴급시에만 사용하는 비상용으로도 유리하다.

5. 미래

앞으로 잠수함에 리튬전지 적용하는 기술이 성숙해지면 중기적 목표로 배터리 만으로 작전일수를 80일 정도로 연장하는 것은 충분히 기술적 타당성이 있고 이러면 원자력 잠수함 (통상적 작전일수 70-90일)의 지위도 위협할 수 있다. 건조나 유지비용도 원자력 잠수함의 1/4-1/3에 불과하다. 이는 세계의 잠수함 전략의 근본적 개념을 바꾸는 게임체인저라 하지 않을 수 없다. 이러한 목표는 배터리 자체의 획기적 기술발전 없이도 충분히 10년 이내에 실용화 될 수 있고 이는 한국이 굳이 핵잠수함을 보유할 필요성을 없앨 수 있다.

미래 재래식 잠수함 기술 선도와 원자력 잠수함 보유 좌절에 대한 대안으로도 한국도 이러한 전전기 잠수함의 연구에 착수하는 것이 필요하다.