공기 불요 추진

공기 불요 추진(空氣不要推進, Air-independent propulsion, AIP) 또는 비대기 의존 추진(非大氣依存推進)은 주로 재래식 잠수함에서 스노켈없이 지속적인 항해를 위해 개발된 시스템이다.

연료전지, 스털링 기관, 폐쇄형 디젤 등의 방식이 있다.

 역사 
섬네일|right|바르셀로나에 있는 몬투리올의 선구적인 잠수함인 익티네오 II의 복제품이다.
잠수함 개발에서 만족스러운 형태의 수중 추진력을 찾는 것은 지속적인 도전 과제였다. 초기 잠수함은 손으로 크랭킹한 프로펠러로 구동되어 공기 공급이 빠르게 고갈되었다. 그 결과 이러한 함정은 종종 해치를 열고 수면 위에서 운항하거나 어떤 형태의 호흡관을 사용해야 했는데, 이는 본질적으로 위험한 일이었으며 수많은 초기 사고로 이어졌다. 나중에 기계적으로 구동되는 함정은 압축 공기, 증기 또는 전기를 사용하여 해안이나 선상의 유산소 엔진에서 재충전해야 했다.

혐기성으로 연소되는 연료에 대한 최초의 시도는 1867년 스페인 엔지니어 나르시소 몬투리올이 화학적으로 구동되는 혐기성 또는 공기 독립 증기 기관을 성공적으로 개발했을 때였다. 이 엔진은 염소산칼륨과 아연의 혼합물로 구동되었으며, 염화칼륨과 아연이 반응하여 열과 편리하게 산소를 생성했다.A steam powered submarine: the Ictíneo Low-tech Magazine, 24 August 2008

1908년 러시아 제국 해군은 압축 공기를 공급받고 물속에서 배기되는 가솔린 엔진을 사용하는 잠수함 포흐토비를 진수했다.

이 두 가지 접근 방식, 즉 개방형 사이클 시스템에 에너지를 공급하는 연료의 사용과 폐쇄형 사이클에서 유산소 엔진에 산소를 공급하는 것이 오늘날 AIP의 특징이다.

 종류 
공기 독립 추진(비핵)은 다양한 형태로 나타날 수 있다. 현재 활동 중인 모든 AIP 잠수함은 일반적으로 액체(LOX)로 저장되는 AIP를 위해 산소가 필요하다. AIP 잠수함의 사거리는 주로 운반할 수 있는 LOX의 양에 의해 제한된다.

 오픈 사이클 시스템 
섬네일|미국 잠수함 부대 도서관 및 박물관에 전시된 X-1 중형 잠수함
제2차 세계 대전 동안 독일 회사 발터는 물속 산소 공급원으로 고농축 과산화수소를 사용하는 잠수함을 실험했다. 이 잠수함들은 과망간산칼륨 촉매에 의해 과산화수소가 분해되어 생성된 수소/산소 대기에서 디젤 연료를 연소시켜 가열된 증기를 사용하는 증기 터빈을 사용했다.

여러 대의 실험용 잠수함이 생산되었지만, 이 작업은 실행 가능한 전투 함정으로 발전하지 못했다. 한 가지 단점은 관련 연료의 불안정성과 희소성이었다. 또 다른 단점은 시스템이 수중에서 높은 속도를 내기는 했지만 연료가 넘쳐났다는 점이었다. 첫 번째 잠수함인 V-80은 50해리(93킬로미터)를 이동하는 데 28톤의 연료가 필요했고, 최종 설계는 그다지 나아지지 않았다.

전쟁이 끝난 후, 제2차 세계 대전이 끝날 무렵 침몰한 1형 XVII 보트 U-1407은 인양되어 HMS 운석으로 영국 해군에 재취역되었다. 영국은 1950년대 후반에 두 가지 개선된 모델인 HMS 익스플로러와 HMS 엑스칼리버를 제작했다. 이 운석은 승무원들에게 인기가 없었고, 승무원들은 위험하고 휘발성이 강하다고 여겼기 때문에 공식적으로 75% 안전하다고 평가받았다. 엑스칼리버와 익스플로러의 평판은 조금 나아졌지만, 이 보트들은 엑스크루시터와 익스플로러라는 별명을 얻었다.

소련도 이 기술을 실험했고, 월터 엔진에 과산화수소를 사용하는 실험 보트 한 척이 건조되었다.

미국은 또한 XVII형 보트인 U-1406을 받아 두 개의 AIP 잠수함 프로젝트를 시작했다. 프로젝트 SCB 66은 1955년 9월에 진수된 실험용 소형 잠수함 X-1을 개발했다. 이 잠수함은 원래 과산화수소/디젤 엔진과 배터리 시스템으로 구동되었으나 1957년 5월 20일 과산화수소 공급도중에 폭발했다. X-1은 나중에 디젤-전기로 전환되었다.

두 번째 미 해군 프로젝트는 1950년 SCB 67, 나중에 SCB 67A로 명명된 대형 AIP 잠수함이었다. SSX로 명명된 이 잠수함은 발터 개방 사이클 과산화수소 공장(알튼이라고 불림), 액체 산소 증기 공장(엘리스), AIP 가스터빈(울버린) 등 세 개의 추진 공장 중 하나를 개발 중이었다. 1951년 말, 해군은 경쟁 중인 원자력 설계가 차폐로 인해 더 무겁지만, 세 개의 AIP 공장보다 더 컴팩트하다는 것을 깨달았다. SSX는 SSN보다 거의 40피트 더 길어질 것이다. SSN은 이 시기의 AIP 기술보다 더 조용하고 덜 복잡할 가능성이 높았다. 1952년까지 원자로는 현재 개발 중이었기 때문에 SSX 잠수함은 임시 방편으로 필요하지 않을 것으로 보인다. 이 프로젝트는 1953년 10월 26일에 취소되었다.

당시 이 기술을 실험하고 있는 것으로 알려진 유일한 다른 국가였던 소련과 영국도 미국이 잠수함 추진을 위해 원자로를 충분히 작게 개발하자 원자로를 포기했다. 독일과 스웨덴을 비롯한 다른 국가들도 나중에 AIP 개발을 재개했다.

영국과 소련은 어뢰 추진을 위해 보유하고 있었지만, HMS 시돈 비극 이후 러시아 잠수함 K-141 쿠르스크의 손실은 과산화수소 추진 어뢰와 관련된 사고로 인해 발생했다.

 폐쇄형 디젤 엔진 
이 기술은 일반적으로 표면에서 작동할 수 있는 잠수함 디젤 엔진을 사용하지만, 물에 잠겼을 때 일반적으로 액체 산소로 저장되는 산화제도 제공할 수 있다. 엔진의 금속은 순수한 산소에서 연소되기 때문에 일반적으로 산소는 재활용 배기가스로 희석된다. 엔진이 시동될 때 배기가스는 아르곤으로 대체된다.

1930년대 후반 소련은 폐쇄 사이클 엔진을 실험했고, REDO 시스템을 사용하여 여러 척의 소형 M급 선박을 건조했지만 1941년 독일 침공 이전에는 완성되지 않았다.

제2차 세계 대전 동안 독일 크릭스마리네은 발터 과산화물 시스템의 대안으로 이러한 시스템을 실험하여 각각 XVII형 U보트와 XXVIIB 제훈트 중형 잠수함인 XXIIIK와 XXVIIK의 변형을 설계했다. 그러나 두 잠수함 모두 전쟁이 끝나기 전에 완성되지는 않았다.

전쟁 후 소련은 650톤급 소형 잠수함을 개발했으며, 그 중 30척은 1953년에서 1956년 사이에 건조되었다. 이 잠수함들은 세 개의 디젤 엔진을 가지고 있었는데, 두 개는 재래식 엔진이었고, 하나는 액체 산소를 사용하는 폐쇄형 사이클 엔진이었다.

소련 시스템에서 "단일 추진 시스템"이라고 불리는 이 시스템에서는 배기가스가 석회 기반 화학 흡수제를 통해 여과된 후 산소가 추가되었다. 잠수함은 스노클을 사용하여 디젤을 운행할 수도 있었다. 퀘벡에는 세 개의 구동축이 있었다: 중앙 축에는 32D 900 bhp(670 kW) 디젤이, 외부 축에는 두 개의 M-50P 700 bhp(520 kW) 디젤이 있었다. 또한 100 hp(75 kW) "크리프" 모터가 중앙 축에 연결되었다. 보트는 중앙 디젤만 사용하여 저속으로 운행할 수 있었다.

액체 산소를 무한정 저장할 수 없기 때문에 이 보트는 기지에서 멀리 떨어진 곳에서 운항할 수 없었다. 위험했는데, 최소 7척의 잠수함이 폭발을 겪었고 그 중 한 척인 M-256이 폭발과 화재로 침몰했다. 담배 라이터라는 별명을 얻기도 했다. 이 기술을 사용한 마지막 잠수함은 1970년대 초에 폐기되었다.

독일 해군의 이전 205형 잠수함 U-1(1967년 진수)은 실험용 3,000마력(2,200kW) 부대를 장착하고 있었다.

 폐쇄형 증기 터빈 
프랑스 MESMA(Module d'Energie Sous-Marin Autonome) 시스템은 프랑스 조선소 DCNS에서 제공한다. MESMA는 아고스타 90B 및 스코르펜급 잠수함에 사용할 수 있다. 이 시스템은 본질적으로 에탄올과 산소에서 발생하는 열을 이용한 원자력 추진 시스템의 변형 버전이다. 특히, 기존의 증기 터빈 발전소는 에탄올 연소에서 생성된 증기로 구동되며 60기압의 산소를 저장한다. 이 압력 연소는 배기 압축기 없이도 배기 이산화탄소를 어떤 깊이로든 배 밖으로 배출할 수 있게 한다.

각 MESMA 시스템의 비용은 약 5천만 달러에서 6천만 달러이다. 스코르펜급 잠수함에 설치될 때는 잠수함에 8.3미터(27피트), 305톤의 선체 부분을 추가해야 하며, 속도와 같은 변수에 따라 잠수함이 수중에서 21일 이상 작전할 수 있게 된다. 아고스타 90B에서는 AIP 시스템을 통해 잠수함이 수중에서 16일 동안 작전할 수 있으며, 1,400해리(2,600km; 1,600마일)의 항속거리를 제공한다.

해저 전쟁 매거진의 한 기사는 다음과 같이 언급합니다: "MESMA는 다른 대안들보다 더 높은 출력을 제공할 수 있지만, 그 고유의 효율성은 네 가지 AIP 후보 중 가장 낮고 산소 소비율도 그에 따라 더 높다."

 스털링 사이클 엔진 
섬네일|샌디애고에 정박중인 HSwMS Gotland

스웨덴 조선업체 코쿰스는 스웨덴 해군을 위해 고틀란드급 잠수함 3척을 건조했으며, 이 잠수함에는 액체 산소로 디젤 연료를 연소시켜 75kW의 발전기를 추진 또는 충전 배터리로 구동하는 보조 스털링 엔진이 장착되어 있다. 1,500톤급 선박의 수중 내구성은 5kn(시속 5.8km, 시속 9.3km)으로 약 14일이며, 약 1700해리의 항속거리를 자랑한다.

코쿰스는 스털링 AIP 플러그인 섹션을 갖춘 스웨덴 베스테르예틀란드급 잠수함을 개조하고 업그레이드했다. 스웨덴에서는 두 척(쇠데르만란드와 외스테르예틀란드)이 쇠데르만란드급으로, 싱가포르에서는 두 척(궁수와 검객)이 아처급으로 운항 중이다.

코쿰스는 스털링 엔진도 일본에 인도했다. 일본 잠수함 10척에는 스털링 엔진이 장착되어 있었다. 이 잠수함의 첫 번째 잠수함인 소류는 2007년 12월 5일에 진수되어 2009년 3월에 해상자위대에 인도되었다. 소류급 잠수함의 열한 번째 잠수함은 스털링 엔진 없이 리튬 이온 배터리를 장착한 최초의 잠수함이다. 이 잠수함은 AIP의 항속거리가 6500해리이며 40일 동안 잠수할 수 있다.

새로운 스웨덴 블레킹급 잠수함은 스털링 AIP 시스템을 주요 에너지원으로 사용한다. AIP를 사용하면 수중 내구성은 5노트에서 18일 이상 지속된다.

 연료전지 
섬네일|right|독일 해군의 212형 잠수함으로 연료 전지 AIP가 장착되어 있다.
섬네일|인도 DRDO가 개발한 연료 전지 AIP 모듈의 다이어그램

지멘스는 연료와 산화제의 화학 에너지를 전기로 변환하는 장치인 30-50킬로와트 연료 전지 유닛을 개발했다. 연료 전지는 화학 반응을 유지하기 위해 수소와 같은 연료와 산소를 지속적으로 공급해야 한다는 점에서 배터리와 다르다. 이 중 9개의 유닛은 독일 해군의 212형 잠수함를 위한 리드십인 Howaldtswerke Deutsche Werft AG의 1,830톤급 잠수함 U-31에 통합되어 있다. 이 클래스의 다른 보트와 HDW의 AIP가 장착된 수출 잠수함인 돌핀 클래스, Type 209 모드 및 214형 잠수함는 지멘스의 120kW(160마력) 모듈 두 개를 사용한다. Type 212는 21일 동안 잠수할 수 있으며, 2016년에는 한 잠수함이 AIP에서만 1600해리를 항해했다. Howaldtswerke Deutsche Werft AG의 수출 활동이 성공한 후, 여러 건설업체가 잠수함용 연료 전지 보조 유닛을 개발했지만, 2008년 현재 이와 같은 장비를 갖춘 잠수함에 대한 계약을 체결한 조선소는 없다.

스페인 해군의 S-80 클래스에 구현된 AIP는 반응 챔버와 여러 개의 중간 코프록스 원자로로 구성된 바이오에탄올 프로세서(아벤고아의 Hynergreen 제공)를 기반으로 하며, 이들은 바이오에탄올을 고순도 수소로 변환한다. 이 출력은 콜린스 에어로스페이스의 일련의 연료 전지(우주 왕복선용 연료 전지도 공급)를 공급한다. 개질기는 연료로 바이오에탄올을 공급받고, 산소(고압 극저온 탱크에 액체로 저장)를 공급받아 부생물로 수소를 생성한다. 생성된 수소와 더 많은 산소가 연료 전지에 공급된다.

중국은 AIP 잠수함용 연료전지 엔진을 연구해 왔다. 다롄 화학물리연구소는 100kW와 1MW 연료전지 엔진을 개발한 것으로 알려졌다.

인도 국방 연구 개발 기구의 해군 물자 연구소는 라센 & 투브로 및 써맥스와 협력하여 스콜펜 설계를 기반으로 한 칼바리급 잠수함에 전력을 공급하기 위해 270킬로와트 인산 연료 전지(PAFC)를 개발했다. 칼바리급 잠수함 6척 모두 첫 업그레이드 시 AIP를 장착할 예정이다. 보로하이드라이드 나트륨에서 생성된 수소와 저장된 산소와 반응하여 전기를 생산하고 인산은 전해질 역할을 한다.

포르투갈 해군 트리엔테급 잠수함에도 연료 전지가 장착되어 있다.

 원자력 
공기 독립 추진은 일반적으로 추진되는 잠수함의 성능을 향상시키기 위해 사용되는 용어이다. 그러나 보조 동력원으로서 원자력은 AIP의 기술적 정의에 속한다. 예를 들어, 캐나다 원자력공사(AECL)가 "핵 배터리"로 명명한 보조 동력용 소형 200킬로와트 원자로를 사용하자는 제안은 캐나다 잠수함의 저빙 능력을 향상시킬 수 있다.

원자로는 1950년대부터 잠수함에 동력을 공급하는 데 사용되어 왔다. 최초의 잠수함은 1954년에 취역한 USS 노틸러스 (SSN-571)이다. 오늘날 중국, 프랑스, 인도, 러시아, 영국, 미국은 핵추진 잠수함을 성공적으로 건조하고 운용한 국가들이다.

 각주 

분류:잠수함
분류:스페인의 발명품