전제
다음은 1999년에 공영경 박사가 발표한 어뢰 추진체계 기술현황이란 논문을 발췌 축약 하였으며, 추가로 국방과학연구소 수중 해양무기체계에서 일부 필요한 자료를 발췌 첨가하였다.
http://www.add.re.kr/
서두
초기의 전지는 연축전지를 사용하였으나 에너지손실이 많고 에너지밀도가 200Wh/kg 이하 수준이어서 고성능 추진원으로서는 적합하지가 않았다.
1930년대에 들어와서 비축형 아연 산화은 電池라는 해수전지가 개발된 이래로 그 후 각종 열기관들이 개발되어 사용되어지고 있으나 여전히 전지를 이용한 추진기술이 계속해서 사용되고 있다.
어뢰 추진체계 분석
1. 아연 산화은 電池
1960년대에 들어서 빠르고 긴 항주거리 요구에 따라 아연 산화은 알카리전지 개발이 이루어져 지금까지도 重어뢰의 대표적인 동력원으로서 자리 잡고 있다. 에너지밀도 면에서 연축전지에 비해 두 배 이상의 성능을 가지고 있다.
캐소드(양극)의 활물질로 산화은 (AgO)을 사용하는데 일부 과산화은(Ag2O)을 사용하는 경우도 있다. 아노드(음극)에는 아연, 전해액으로는 수산화나트륨(NaOH)이나 수산화칼륨 수용액을 사용한다. 아연극 특성 때문에 당시는 수명이 5년 정도밖에 되지 않아 사용 어뢰 수명까지 사용을 할 수 없는 것이 단점이다.
전해액은 비축형으로서 발사와 동시에 해수와 전해액을 전지에 주입시킨다. 주입시키는 방법은 크게 두 가지 방식을 사용하고 있는데 압축공기 이용 방식(유럽)과 추진제 이용 가스발생 방식(미국)이 있다.
군사용은 알칼리 전해액으로 20~30%의 KOH(강알칼리성)용액을 사용하는데 이온전도도가 높아 전지 내부의 전자이동이 쉬워져 급격한 大 電流가 흐를 수 있는 등의 특징이 있기 때문에 높은 전류를 얻을 수 있다. 수산화칼륨(KOH)을 가성칼리라고도 한다.
2. 마그네슘 염화은(Mg/AgCl) 및 알루미늄 산화은(Al/AgO) 해수전지
1960년대 輕어뢰용으로 개발된 마그네슘 염화은(Mg/AgCl) 해수전지 및 1990년대 알루미늄 산화은(Al/AgO) 해수전지가 있다.
초기의 Mg/AgCl 전지 단점은 부하시 전압이 떨어져 균일속도 유지가 곤란하다는 것과 해수의 염도와 온도에 따른 특성변화가 일어난다는 것이다. 이러한 단점들은 전해액 재순환 방식을 채택함으로서 부분적으로 해결이 되었다.
그러나 최근에 와서 보다 더 강력한 전원요구에 따라 Mg/AgCl의 에너지 밀도보다 두 배 큰 Al/AgO 전지를 개발하여 실용하고 있다.
Al/AgO전지의 경우 보관 수명도 기존전지 보다 두 배 정도 향상되었다. 이 전지의 특성은 Mg/AgCl 전지와는 달리 일정량의 고형 알카리를 전해액 탱크에 보관하고 있다가 해수 유입 시 해수에 녹아 적정 수준의 전해액을 구성, 사용하는 것이 다른 점이다.
그러나 알루미늄 전지는 부수적으로 전해액 탱크, 가스분리기, 온도조절밸브 및 열 교환기 등이 필요하기 때문에 전지부 전체로서의 중량분포는 유사하나 체적분포는 그다지 우수하지 못하다.
알루미늄 전지는 당분간 계속해서 輕어뢰용으로 사용될 전망이나 열 추진기관과 경쟁할 수 있는 전지로서는 에너지 밀도 면에서 볼 때 기술적 한계를 가지고 있다.
* 대한민국은 세계 2번째로 고밀도 알루미늄 산화은 전지를 개발하여 輕어뢰인 청상어에 탑재하였다.
3. 리듐 염화 디오닐 전지(Li/SOcls Battery)
리듐 염화 디오닐 전지를 重, 輕어뢰용으로 개발 중에 있다. 리듐전지는 에너지 밀도 면에서 열 추진기관과 거의 대등한 수준을 가지고 있어 앞으로 충분히 경쟁 가능한 좋은 특성을 지니고 있다.
당시 50kW급까지 제작되어 시험된 실적을 가지고 있어서 2000년대에 가서는 실용화가 예상되었고 열 추진기관과 더불어 계속적으로 사용될 전망이었으나 아직 현용에 배치된 자료는 없다.
☞ 전동기(motor)
구동원인 전동기는 직류전동기 중심으로 단일방향 및 반전방향 전동기로 크게 두 가지로 나누어져 개발되어 왔다. 重어뢰용은 반전전동기 형태로 輕어뢰용은 고속 단일전동기 형태로 주로 사용되고 있는 경향으로서 발전 추세는 고에너지 밀도화 되는 것이다.
아주 쉽게 구분하는 point로 經어뢰는 프로펠러가 거의 하나(1)이고, 重어뢰는 프로펠러가 둘(2)이다.
전체적으로 직류전동기의 최대 단점인 정류 문제와 소형 경량화 문제가 있기 때문에 이 문제 극복을 위해 교류전동기 개발로 변환되는 추세에 있다. 초기의 1kW/kg급에서 지금 현재는 3kW/kg급까지 발전되어 있는 상태이며 앞으로 4kW/kg급의 전동기까지 향상될 것으로 예견되고 있다.
☞ 열기관(Mono-propellant)
특정한 환경에서 급속도로 팽창하는 화학 혼합물을 사용, 이때 발생하는 가스 압으로 추진력을 얻는 방식. 과거 압축 공기 사용 어뢰와 유사한 원리
현재의 전기추진체계의 이론적 에너지밀도 한계 때문에 50노트 이상의 고속 성능을 내기 위해서는 열 추진체계가 대부분 사용되고 있는 실정이고, 배기가스처리문제, 심도에 따른 출력저하 및 소음문제 등의 단점을 가지고 있다. 1970년대에 이런 단점을 극복하기 위한 방편으로 폐회로 열 추진체계 개발이 진행되어 오토(Otto)연료라고 하는 액상연료를 이용한 5기통 왕복엔진 제작에 성공하였다.
오토연료는 특허화합물의 명칭으로서 자신이 산소를 보유하고 있고 에너지 효율이 높고, 안전하고 취급이 용이한 장점을 가지고 있다. 초기 장약(Pyrotechnic Charge)에 의해 점화된 후부터는 연소는 계속해서 유지된다. 연소에 의해 생성된 고온 가스는 연소실에 분사되는 해수로서 냉각됨과 동시에 그것에 의해 생긴 과열 증기와 가스가 혼합되어 엔진을 구동한다. 연료의 저장, 공급이 간단하고 펌프나 압력용기가 필요하지 않는 점이 장점이다.
미 해군에서는 효율이 좋고 배압특성은 우수한 반면 소음특성이 떨어지는 회전 경사판식 엔진을 선정하여 MK-48 重어뢰 엔진에 탑재하였다.
최대 단점인 배기가스 배출은 Garrett 폐회로 엔진시스템(CCES)을 개발하여 심도에 무관하게 출력이 일정하게 유지되도록 개선하였다.
영국의 경우 미국이 개발한 어뢰 엔진이 저속에서 소음특성이 좋지 않자 새로운 형태로 연료문제 해결을 위해 오토연료에 산화제인 과염소산염(HAP, Hydroxylamine Per Chlorate)을 혼합하여 열효율을 40%까지 높이는 방법을 채용하였다.
이 방법에서 어려운 것은 HAP를 혼합하기 전까지는 오토연료와 접촉되어서는 안 되는 점과 HAP와 오토연료 사용량을 폭넓게 변화시켜 연소실로 공급하는 연료펌프 설계였다. 이렇게 해서 개발된 것이 Spearfish이다.
소결론
각각의 추진체계마다 장단점을 가지고 있기 때문에 그 선택은 자국에 가장 적합한 시스템으로 선종되었을 것이다. 크게 보아서 열 추진 체계는 미국을 중심으로, 전기추진 체계는 유럽을 중심으로 하여 기술이 발전되어 왔다.
단지, 중국과 북한은 구소련의 기술을 copy하고 개량한 경우이다.
유도방식 과 추진체계 비교 fact
현대 어뢰는 초기 단순히 목표물을 향해 직진, 접촉해 폭발하는 수준이 아니라 잠수함·수상함의 거리와 음향에 따라 중간유도(midcourse guidance) 단계와 종말(terminal) 유도단계를 갖춘 복합 유도시스템으로 발전했다.
어뢰는 구성으로 볼 때 대체로 미사일과 유사하지만 수중 음향의 독특한 환경에서 표적의 탐지·추적이 어려운 관계로 함정 소나의 기능에 부가해 어뢰 자체에 탐색 모드와 표적 분실 시 재탐색할 수 있는 기능을 갖춘 것 등이 미사일과 전술 성능 상 다른 점이다.
重어뢰는 중간 유도 단계에서 항법 유도(navigational guidance)를 사용하고 표적 탐지 후에는 능동 또는 수동형의 탐색 유도(homing guidance) 방식을, 輕어뢰는 ASROC 또는 헬기를 운반체로 사용하는 방식의 중간 유도와 표적 탐지 후 주로 능동형 소나로서 표적을 탐지하는 탐색 유도 방식을 사용하는 유도 무기다.
☞ 추진기(propulsor)는 크게 2가지 형태로 구분된다.
㉠ 고스큐 프로펠러(high skew screw propeller) 방식
㉡ 펌프제트(pump jet) 방식
✔ 북괴 어뢰와 크게 대비되는 방식(증거)
※ 사진 예)
☞ 선(wire)유도 방식 : Towed coil 장착(어뢰프로펠러 후부에 유선 수용함 장착)
✔ 북괴 어뢰와 크게 대비되는 방식(증거)
※ 장착 예)
1. 미국
어뢰 추진체계 방식에서 열기관<mono-propellant(단일 추진제)>방식은 미국을 중심으로 개발되었으며 크기가 한정된 어뢰에서 가장 이상적인 방법이다. 유일한 현용 重어뢰이다.
▲ Mk 48 Torpedo
☞ 엔진 : swash-plate piston engine +pump jet
※ Almen A-4 barrel engine
※ Swash-plate animation. Note that the swashplate is fastened to the shaft, so it rotates with it.
http://wapedia.mobi/en/Swashplate_engine
☞ 추진제 : Otto fuel II(산화제 없이도 스스로 에너지를 방출하며 propylene glycol dinitrate를 주성분으로 2-nitrodiphenylamine과 dibutyl sebacate 가 혼합된 것이다)
☞ 유도방식 : operate with or without wire guidance(2008-present Mod 7 : Common Broadband Advanced Sonar System)
☞ 탄두 : high explosive plus unused fuel
http://en.wikipedia.org/wiki/Mark_48_torpedo
※ Mk 48 Torpedo guidance without wire
사진링크 : 상기 포함해서 저작권이 있을 수 있습니다.
http://www.rcgroups.com/forums/attachment.php?attachmentid=435452
2. 영국
▲ Spearfish(1992년)
☞ 엔진 : Hamilton Sundstrand gas-turbine with Pump-jet
사진출처 : 2010년 11월 21일 검색(현재 불명으로 근거 미약)
http://www.hssensorsystems.com/hsc/details/0,10389,CLI1_DIV25_ETI5520,00.html
☞ 추진제 : HAP / Otto fuel II (hydroxyl ammonium perchlorate는 산화제)
☞ 유도방식 : 선유도(Wire-guided with autonomous active terminal homing sonar)
☞ 탄두 : Aluminised PBX explosive
http://en.wikipedia.org/wiki/Spearfish_torpedo
사진링크 : 저작권이 있을 수 있습니다.
http://www.flickr.com/photos/sarge_schultz/2896106682/in/photostream/
伐초 (
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