함정의 특별한 요구사항이라면 더 빠른 속도, 높은 기동성, 그리고 물 속에서 가능한 한 적은 소음발생이다. 음파는 물을 통해 먼 거리를 이동하며 프로펠러의 독특한 소리는 파도 밑에 잠복해 있는 바다의 포식자인 잠수함에 의해 바다의 다른 소음들 사이에서 선박 종류를 쉽게 파악해 낼 수 있게 한다. 수중 음파탐지기 운영자는 소음 신호로부터 특정 등급의 선박이나 잠수함 및 개별 선박까지 식별해 낼 수 있다. 이같은 함정 설계의 열쇠는 프로펠러에 있고 이 프로펠러 설계에서 특히 주요한 과제는 이른바 캐비테이션(공동화)의 영향을 관리하는 것이다. 중국이 이 소음을 90%까지 줄이는 비밀 시스템으로 잠수함을 더 은밀하고 강력하게 만들 수 있게 된 것으로 알려졌다. 더 이상 이전의 많은 소음을 내고 쉽게 추적되는 중국 핵잠수함들을 보기 어렵게 될 것이란 얘기다. 이는 서방세계를 긴장시키기에 충분하다. 우리나라는 북한의 잠수함 발사 탄도 미사일(SLBM) 잠수함 대응에 최적이라는 핵잠수함을 보유하고 못하고 있다. 디젤엔진보다도 소음이 적다는 핵 잠수함의 프로펠러 소리를 줄이고 추진 효율을 높인 중국의 펌프 제트 기술 개발 성과와 서방국가들의 제트펌프 기술 적용 잠수함을 살펴봤다.

중국, 잠수함 소리없애는 스텔스 기술 성과

중국 연구팀이 진동을 90% 이상 최소화하면서 잠수함 추력을 높일 수 있는 새로운 펌프-제트 추진 시스템 개발 사실을 발표했다고 사우스차이나모닝포스트(SCMP)가 14일 보도했다.

중국 연구팀은 로터의 회전을 방해하지 않고 물이 덕트로 들어가는 것을 막는 밀폐제(sealant)를 만들었다. 그러나 보도에 따르면 이 시스템의 정확한 성격은 여전히 기밀로 남아 있다.

상하이 자오통대 기계시스템 및 진동 국가핵심실험실 교수인 화홍싱은 지상 시험 시설에서 시험한 결과 “새로운 디자인은 낮은 속도에서 펌프제트의 추진력을 높이는 동시에 ‘최대 특성 주파수에서’ 소음 진동을 크게 줄일 수 있었다고 말했다.

추진용 워터제트를 생산하는 로터를 덕트 안에 감싸는 덮개식 프로펠러(shrouded propeller)가 현대 잠수함에서 사용되기도 한다.

기존 잠수함에서는 로터 블레이드와 덕트의 내벽 사이 거리는 1mm 정도로 작다. 하지만 그것은 여전히 많은 난류나 거품을 만들어 잠수함의 속도를 늦추고 그것의 위치를 드러낼 수 있다.

보도는 상하이 지아통대 연구원들의 논문을 인용, 새로운 펌프 제트 블레이드의 바깥쪽 가장자리는 로터에 의해 덕트 벽안쪽으로 들어가게 되는데 이에따라 로터 끝부분이 움직일 때 물과 접촉하지 않는다고 지적했다.

이 연구는 중국 선박연구저널(Chinese Journal of Ship Research)에 발표됐다. 이 저널은 우한에 있는 중국의 주요 군함 설계기관인 701 연구소에 의해 운영된다.

이 개발 핵심인 펌프 제트는 잠수함 추진력을 위해 워터제트(물 분사)를 생성하는 장치로서 펌프 제트, 하이드로 제트 또는 워터 제트로 알려져 있다.

이탈리아의 발명가 세콘도 캄피니가 1931년 베네치아에서 최초의 덕트 프로펠러를 만들었다. 이 펌프-제트 기술은 1980년대에 영국 해군에 의해 트라팔가급 잠수함에 처음 사용되었다.

현재, 미국의 시울프, 버지니아, 컬럼비아급과 프랑스의 트리옹팡급 잠수함 등 세계에서 가장 강력한 잠수함들 중 일부가 펌프 제트 추진력을 사용한다.

이 기계적 시스템은 축류(軸流) 펌프, 원심 펌프, 또는 축류 및 원심 설계를 모두 결합한 혼합류 펌프가 된다.

연구 팀에 따르면 궁극적인 소음 해결책은 펌트제트의 간격을 완전히 없애는 것이다.

이를 위해 화 팀은 덕트 벽에 도랑을 만들어 로터 끝이 안에서 자유롭게 움직일 수 있도록 했다.

그러나 이렇게 설계된 새 펌프 제트를 효과적으로 작동시키기 위해서는 로터의 움직임을 방해하지 않고 물을 트렌치 밖에 있게 해 줄 밀폐물질(실런트)이 필요했다.

중국 연구진은 이상적인 물질을 발견했고, 이러한 규격을 만족시킬 수 있는 미세 섬유로 구성된 부드러운 밀폐재 구조를 만들었다고 주장했다. 물질의 정확한 성분은 기밀로 취급된다.

연구원들은 또한 오랜 시간 동안 마모를 줄이기 위해 로터 블레이드 팁에 코팅을 했다.

새로운 기술의 주요 관심사 중 하나는 블레이드 팁이 덕트를 지속적으로 문지르면 펌프 제트가 얼마나 잘 작동하느냐다. 과학자들은 그 장치를 물 터널에 넣고 다양한 속도로 추력과 진동을 측정했다.

이들은 덕트와 간격이 없는 무간격 펌프 제트가 실제로 최고 속도를 낼 때 기존의 설계보다 다소 덜 효율적이라는 것을 발견했다.

그러나 항력을 발생시키는 무작위 난류를 최소화함으로써, 시스템은 더 낮은 속도에서 약 10% 더 큰 추진력을 생성할 수 있었다. 또한 날이 빠르게 회전할 때 캐비테이션(추진기 뒷쪽에 생기는 진공 부분)기포가 적게 형성됐다. 이 시험 결과 넓은 주파수 대역에서 시험한 결과 큰 진동의 강도는 기존 펌프제트의 10분의 1~35분의 1 수준으로 나타났다.

초기 중국의 핵잠수함들은 많은 소음을 냈고, 다른 나라들이 그들의 움직임을 추적하는 것을 매우 쉽게 만들었다고 한다. 하지만 일부 군사 전문가들은 중국 잠수함 함대의 최신 기종이 펌프 제트 같은 최첨단 기술을 채택한 결과 더 빠르고 조용해졌다고 주장한다.

영국, 어슈튜트급에 롤스로이스 5날 저소음 프로펠러 적용

이 분야에서 70년 이상의 개발 역사를 가지고 있는 롤스로이스는 스웨덴 크리스티네함에 있는 유체역학 연구 센터에 있는 세계에서 가장 바쁜 캐비테이션 시험 터널 중 하나에서 매년 약 40개의 새로운 테스트를 하고 있다.

이 문제를 해결하기 위해 이곳 설계자들은 배의 선미에 있는 두 개의 갑판에 걸쳐 167m²의 다이아몬드 모양의 유리 외관을 만들었다.

이곳 기술자들은 다양한 디자인의 고급 컴퓨터 모델과 함께 선박 프로펠러의 물리적 모델을 사용해 선박의 효율성을 해치지 않고 까다로운 소음과 진동 요구 사항을 충족하기 위해 5개의 블레이드가 있는 고도로 치우친 프로펠러를 최적화했다.

이렇게 개발된 것 가운데 하나는 5개의 블레이드로 설계된 프로펠러다. 이 장치는 14MW의 전력을 공급해 21노트의 최고 속도를 낼 수 있었고, 4개의 블레이드 설계로 달성할 수 있는 것보다 훨씬 낮은 수위로 물속의 진동과 압력 변동을 유지할 수 있었다. 블레이드를 비틂으로써 날 전체에 걸쳐 선체로부터 물의 흐름이 원활해져 하중을 분담하고 물을 통한 선박의 이동으로 인한 교란으로 인해 발생할 수 있는 압력 펄스를 줄일 수 있었다.

그러나 기포가 블레이드를 떠나면서 이러한 공동 주변의 압력이 변화하여 격렬하게 폭발하고 터진다. 이것은 마치 누군가가 선체 바닥에 돌을 반복적으로 던지는 것과 같은 탁탁거리는 소음을 발생시킨다.

이렇게 개발된 롤스로이스의 5날 펌프 제트 추진기는 현재 영국 해군의 어스튜트급 원자력 잠수함에 사용되고 있다. 이것은 덕트 안에 있는 로터 블레이드를 사용해 흡입구를 통해 물을 흡입하고 뒤쪽의 노즐에서 물을 밀어내고 더 빠른 속도에서 공동의 위험을 낮추면서 더 조용한 추력을 발생시킨다.

롤스로이스는 다른 설계 및 성능 요구사항의 측면을 감안 각 프로펠러 길이를 직경 6.7m로 제한해 최대 속도에서 극한의 부하가 걸리도록 했다.

롤스로이스는 혁신적 조정식 볼트 프로펠러를 선택했다. 즉, 엔진의 RPM에 맞춰 프로펠러를 조정할 수 있도록 했다. 개별 블레이드가 손상된 경우에도 교체할 수 있도록 했다. 각 프로펠러의 무게가 각각 약 33톤에 달하기 때문에, 이 모듈식 설계는 프로펠러 전체를 교체해야 하는 것보다 훨씬 쉽게 수리할 수 있게 됐다. 이 설계는 프로펠러가 각각 약 5만 마력의 힘을 낼 수 있도록 해주었다.

미국은 버지니아급에서 이미 적용

캐비테이션과 그로 인해 생성되는 원치 않는 소음 문제를 극복하기 위해 사용되는 새로운 유형의 추진 시스템도 있다.

미국 해군의 최신형 버지니아급 공격잠수함은 원래 영국 BAE시스템즈가 영국 해군의 구형 스위프트슈어급 잠수함을 위해 개발한 조용하고도 강력한 펌프제트 추진기를 사용한다.

러시아도 슈크발 어뢰에 슈퍼캐비테이션 설계 적용

러시아도 이미 최대 200노트의 속도를 낼 수 있는 VA-111 슈크발 어뢰에 슈퍼 캐비테이션을 설계를 사용했다. 뉴햄프셔에 본사를 둔 줄리엣 마린 시스템스는 이 현상을 이용한 고속함 시제품을 제작했다.

캐비테이션이란

프로펠러가 물을 통해 빠르게 회전할 때 블레이드 앞쪽에는 높은 압력을 만들고 뒤쪽에는 낮은 압력을 만든다. 이 압력차가 프로펠러로부터 추진력을 발생시키는 데 도움이 되는 반면, 너무 높아지면 블레이드 주변의 물이 증발해 블레이드 표면에 가까운 물에서 거품과 공동을 생성할 수 있다.

캐비테이션(caviataton)이란 이처럼 추진기의 뒤쪽에 생기는 진공, 또는 공동화 부분으로 해석된다.

회전하는 프로펠러에서 발생하는 최초의 캐비테이션 유형인 날개 끝 소용돌이는 물 밖으로도 방사되고 배로도 돌아오는 소음을 발생시킨다. 소음은 또한 40~100Hz 사이의 넓은 주파수 대역에 걸쳐 발생하는데, 이는 선박 구조 자체 내에서 공명할 수 있다는 것을 의미한다. 배에 타고 있는 사람들에게 불쾌감을 줄 수 있고 성가시기까지 하다.

1897년 영국의 찰스 파슨스 경이 함선의 속도를 늦추는 원인이 ‘캐비테이션’이라는 것을 발견한 지 거의 130년이 지났다. 하지만 캐비테이션은 여전히 선박 설계자, 승객, 승무원들에게 어려움을 주고 있다. 프로펠러는 빠른 속도로 회전하면서 그 뒤에 있는 물을 끓어오르게 하고, 물 속에 거품이나 공동을 만들 수 있다.

이것은 선박을 전진시키는 데 도움을 주기보다 에너지를 낭비한다. 이는 현대 선박에서 발생하는 소음과 진동의 상당 부분의 원인이 되는 데다가 시간이 지남에 따라 금속을 부식시켜 프로펠러를 망가뜨릴 수 있다.

많은 경우 함선의 프로펠러 디자인을 바꾸는 것만으로는 충분하지 않다. 프로펠러 나사는 보통 배의 뒤쪽에 있기 때문에, 프로펠러가 만나는 물은 대부분 안정적이거나 부드러운 흐름을 보이지 않는다.

해양 프로펠러는 항상 입력 전력 단위당 높은 추력을 발생시키고 효율성을 극대화할 필요가 있다. 프로펠러에서 발생하는 소음과 진동을 줄이기 위한 추가적인 설계 요구는 끊이지 않고 이어지고 있다.

미래 트렌드

첨단 컴퓨터 시뮬레이션과 설계의 도움으로, 미래의 선박들은 추진 설계시 더 조용하고 더효율적인 추진방식을 찾아내게 될 것이다.

예를 들면 중심 대신 주변으로부터 프로펠러 샤프트를 회전시키는 림(rim)을 형성하는 영구 자석 모터와 같은 새로운 시스템은 효율과 소음 감소를 더욱 개선할 것으로 보인다.

또 네덜란드 왕립 해군은 무엇보다도 프로펠러 날에 사용되는 새로운 재료의 잠재력을 조사하기 시작했다.

대다수 현대 선박용 프로펠러는 니켈 알루미늄 청동으로 만들어지는데, 이 청동은 사용 중 발생할 수 있는 침식을 견딜 수 있을 만큼 단단하다. 그러나 탄소 섬유 및 레진과 같은 복합 재료를 사용하면 새로운 유형의 유연한 프로펠러 블레이드는 압력에 의해 굴절될 때까지 견고하게 유지돼 캐비테이션을 감소시키는 데 도움을 준다. 이들은 또한 선체에서 흐르는 수압 차이를 흡수하는 데 사용될 수 있다.

예를 들어 네덜란드의 설계 회사인 에어보어링 컴퍼지트는 탄소, 유리 및 에폭시 수지를 사용해 네덜란드 왕립 해군의 기뢰 소해정용 복합 프로펠러 시제품을 제작했다.

테스트 결과 손상과 사용 스트레스에 견딜 수 있을 만큼 충분히 강했지만, 프로펠러 날은 하중으로 인해 구부러져 캐비테이션을 감소시키는 유체 탄성 효과를 내는 것으로 나타났다.