순항속력 작전요구도 조정을 통한 함정 운용성능 개선 효과 연구

2.1 함정의 연간 운용속력 분석

본 절에서는 해군에서 운용하는 전투함 중 연안작전 임무를 주로 수행하는 호위함형의 연간 운용 패턴을 분석한 결과를 보고한다. 함정명, 측정 년도, 기타 보안과 관계된 내용은 공개치 않았다.

실제 전투함형의 연간 운용속력을 매 시간단위로 기록, 누적한 결과를 Figure 1에서 보이며, Figure 2에서 5kts 단위로 구분하여 나타낸 연간 함정 운용 속력의 비율을 보인다.

Figure 1:

Speed record by cruise and mainly used speed of a naval fighting ship

Figure 2:

Ratio of a naval fighting ship's speed tendency of a year

Figure 3은 동절기(12~3월), 하절기(6~9월)의 함정 운용 속력의 비율을 비교하여 나타낸다.

Figure 3:

Ratio of a naval fighting ship's speed tendency by season

5~10kts의 속력 운용비율은 ROC 상 순항속력이 포함되는 15~20kts 범위 운용비율의 10배에 해당되며, 10~15kts의 속력 운용비율은 순항속력 범위의 7배에 해당된다. 평균적으로 파고가 높게 유지되는 동절기에 1~10kts 운용 비율이 전체 운용 비율의 90% 이상을 차지하며, 하절기에는 5~15kts 운용 비율이 전체의 80% 이상을 차지한다.

ROC 상 순항속력 범위인 15~18kts의 연간 운용 비율은 매 항해 차수마다 편차는 있으나 최소 2% ~ 최대 13% 범위로, 매우 낮은 비율(평균 4.8%)을 차지한다. Figure 4의 약 15~18kts 속력에서 가장 많은 운용 비율을 보이는 미 해군의 호위함형의 운용 속력 패턴[3]과는 대조적인 결과를 보인다.

Figure 4:

Mission profile for frigate of US navy [3]

조사된 전투함정이 주로 운전되는 속력 범위는 ROC 상의 순항속력보다 낮은 5~15kts 사이라 할 수 있으며, 함정의 실제 운용속력을 고려하여 디젤엔진에 국한하여 최적 선택할 경우, 디젤엔진의 성능은 5~15kts 사이에서 특히, 가장 많은 운전 비율을 보이는 평균 8~12kts 구간에 최적화될 필요가 있다고 판단된다.

2.2 경제성(연료소비율) 개선을 위한 엔진 최적화

Figure 5는 2.1절에서 다룬 호위함형의 운용속력에 따른 실제 연료소비율을 나타낸다. 함정이 주로 운전되는 속력 구간(Figure 1, Figure 2)인 8~12kts 에서의 연료소비율(g/kWh)은 현 ROC 상 순항속력(18kts)의 연료소비율 보다 약 1.2~2 배 가까이 높다. 즉, 현재 전투함정은 경제적 운전을 위한 함정의 최적 조건(ROC)에 비해 비경제적으로 운전되어지고 있다.

Figure 5:

Fuel consumption when diesel engine used for a naval fighting ship

본 절에서는 18kts에서 연료소비율이 최소가 되도록 선택된 현재 전투함정의 추진용 디젤엔진을 8~12kts에서 연료소비율이 최소가 되도록 다시 선택하였을 때, 연료소비율 측면에서의 경제적 효과에 대해서 검토한 결과를 보고한다.

엔진을 새롭게 선택하는 과정에서, 엔진회전수(rpm, 식 (1)의 n)는 고정한 채 실린더 수의 조정, 연료분사량의 조정만을 통해 출력(BHP, Brake Horse Power)을 낮추어 요구속력에 최적화하게 되면 전체 연료소비율이 동시에 증가하게 되고(Figure 6) 추진축의 회전을 위한 토크(torque, 식 (1)의 T)를 만족시킬 수 없다. 따라서 엔진의 rpm을 낮추는 방법을 통해 출력을 조정하는 방식 즉, 중고속에서 중속, 저속 범주의 디젤엔진을 선택하는 방법을 선택할 필요가 있다.

Figure 6:

Measured fuel consumption rate of MTU 1163 series at factory acceptance trial

여기서, p_me: 정미평균유효압력, V:실린더 체적, n:회전수, T:토크를 의미한다.

이러한 방식을 통해 실제 운전 패턴에 맞는 디젤엔진을 다시 선택할 경우, 전체 연료소비율의 증가 없이 주 운전속력 범위(8~12kts)에서 연료소비율을 최소로 할 수 있으며, 요구되는 토크를 만족시킬 수 있다는 점, 그리고 엔진의 선택폭이 넓어진다는 장점이 있다.

엔진의 실린더에서 생성된 지시마력(IHP ; Indicated Horse Power)은 엔진 축 끝단에서의 제동마력(BHP)으로 전환된 후, 축계 및 프로펠러를 거쳐 함정의 추진에 필요한 유효마력(EHP ; Effective Horse Power)으로 전환된다. 마력의 전달 과정에서 전체 저항(R) 및 함형과 관계되는 Admiralty 상수(C_adm), 배수량(∇)이 동일할 때, 추진에 필요한 제동마력(BHP)은 식 (2)와 같이 속력(V)의 세제곱에 비례한다[4].

순항속력은 엔진 최대출력(100%부하)의 약 80% 지점에서 결정하여 경제성을 극대화시키는 것을 가정하여 수식에 반영하였다.

기존 ROC 상 순항속력 18kts(ref.) 조건에서 추진에 필요한 추진용 디젤엔진 2대의 총 BHP는 7,200kW 이므로, 여기서 배수량 및 함형, Admiralty 계수와 관계되는 식 (2)의 상수 C 는 약 0.988 이다.

8~12kts 범위에서 순항속력을 달성하기 위해 새롭게 선택되는 디젤엔진 1대에 필요한 총 BHP, 달성 가능한 최대속력의 계산결과 및 이때 필요한 rpm을 Table 1에 나타낸다. 가스터빈의 사용을 고려하여 기존에 함정에서 사용되는 감속기어 및 축계를 동일하게 유지할 필요가 있으므로, 새롭게 선택되는 디젤엔진의 rpm은 기존에 함정의 performance diagram을 참조하였다.

Table 1:

Specification of the engine needed for cruise speed 8~12kts

3.1 경제성(연간 연료소비량) 변화

엔진의 선택 변화가 함정의 경제성에 미치는 영향은 연료소비량의 변화에서 잘 나타난다.

Figure 8은 실제 전투함정에 탑재된 추진용 원동기의 운전 시 속력에 따른 연료소비량(총 적재량 대비 소비량)을 나타낸다.

Figure 8:

Fuel Consumption according to prime mover for propulsion

기존 전투함정은 20kts 까지 디젤엔진으로 운전하다가 20kts 이상의 속력이 요구될 때 추진용 원동기를 디젤엔진에서 가스터빈으로 전환한다. 반면, 조정된 순항속력(18kts→12kts) 조건에서는 13kts에서 추진용 원동기를 가스터빈으로 전환하여야 하며 기존 디젤엔진이 구동되는 13~20kts 구간은 가스터빈이 대신 구동된다.

따라서, 순항속력 ROC를 조정하게 되면 Figure 8의 Ⓐ 영역에서는 연료가 소폭 절감되지만, Ⓑ 영역에서는 오히려 가스터빈 구동에 따라 연료 소비량이 상당량 증가하게 된다.

그러나 2장에서 고찰한 바에 따르면 Figure 8의 Ⓐ 영역에 해당하는 13kts 이하의 속력 구간은 실제 함정 운전 시간의 약 80%를 차지하는 반면, Ⓑ 영역의 속력 구간이 차지하는 운전시간 비율은 약 16% 에 불과하다는 점이 함께 고려되어야 한다.

변화된 연료소비 패턴과 각 속력별 운용 시간의 비율을 고려하여, 순항속력 ROC 개선 전과 후의 연료소비량 변화를 계산한 결과, ROC 개선 시 연간 연료소비량의 약 13.8%(약 21만 리터)의 연료유 절감 효과가 있으며, 해군에서 사용하는 고유황 경유의 면세가(약 450~500원/리터)를 고려 시 연간 약 0.95~1.05 억원의 예산 절감이 가능할 것으로 추산되었다. (함정의 수명 주기 약 30년)을 고려 시, 약 30억 절감 가능)

3.2 작전능력의 변화

함정의 연료소비량이 약 13.8% 절감된다는 점은 동시에 함정의 작전반경과 작전 지속시간이 약 13.8% 증가한다는 것을 의미한다.

또는 동일한 작전반경과 작전 지속시간 조건에서 총 연료유 적재량의 13.8%에 해당하는 연료유 무게(약 70~75톤) 만큼의 선택 가능한 다른 화물의 적재가 가능하다는 것을 의미한다. 전투함정에서 화물은 곧 무기체계, 탄약 등 전투에 사용되는 화물이다.

순항속력 ROC 조정을 통해 절감 가능할 것으로 추산되는 70~75톤의 무게만큼 함정에 추가 탑재 가능할 것으로 판단되는 무기체계는 먼저 수직발사대(VLS, Vertical Launcher System)를 들 수 있다. 수직발사대는 현대 함정에서 사용되는 유도무기체계의 핵심 구성장비로, VLS 1개 모듈(8개 Cell)의 무게는 15톤이며, VLS 구성을 위한 부수장비의 무게는 2.472톤, Cell안에 들어가는 탄의 무게를 0.9톤으로 보았을 때, 총 3개 모듈(24개 Cell)의 운용을 꾀할 수 있다. Table 2는 3개의 모듈로 구성된 수직발사대의 무게 제원을 나타낸다[6].

Table 2:

The weight of 3VLS module in Operation

수직발사대를 운용함으로써 얻을 수 있는 작전능력으로는 미사일 운용 시 발사 불가구역 제거, 24개 cell에 각기 다른 목적의 유도탄(대함, 대잠, 대지)를 통한 무장 운용의 다양화를 들 수 있다.

다음은 수상 전투함정에서 주력 무기체계로 활용되는 대함미사일(SSM, Surface to Surface Missile)을 들 수 있다. 대함미사일은 발사대(약 0.7톤)와 미사일(발사관 포함 약 1.1톤)로 구성되어 있으며 발사대 1기에 최대 4기의 미사일을 장착할 수 있으므로[7], 약 70~75톤의 무게 절감량 조건에서 최대 56기까지 미사일을 추가적재 가능하다.

그러나 현실적인 획득비용과 적재공간(갑판)을 고려할 필요가 있으므로 50~60톤의 무게만큼 선체(steel)의 크기를 증가시켜 적재공간을 확보하고 약 8기(10.2톤)~16기(20.4톤)의 미사일을 추가적재 하는 안이 적합하다고 판단된다. 또는 동일한 방법으로 함미갑판과 격납시설을 확충 시키고 대함미사일의 추가적재 대신에 약 5~7톤[8]에 해당하는 해상작전헬기 1대와 부가적인 탑재무장을 추가 운용하는 안도 적합하다.

이와 같은 방법을 적용하면 승조공간과 내부 장비 간의 구성 간격을 확장시킬 수 있기 때문에 함정의 승조환경 개선과 장비의 정비성 개선을 동시에 달성할 수 있다.

3.3 조정된 순항속력 적용 시 제약

화물선, 상선 등을 건조 시, 선주(owner)는 수명주기 간 선박이 운항될 항로와 운항 주기, 화물의 종류에 따라 주운항속력과 최대요구속력을 정하여 이를 조선소에 제시한다. 이후, 조선소는 해당 속력에 따라 추진용 엔진의 MCR(Maximum Continuous Rating)과 NCR(Nominal Continuous Rating)을 정하고 이를 구현하는데 적합한 엔진을 선택한다.

2장에서 고찰되어온 과정은 위에서 언급한 선주와 조선소 간의 의사결정 과정과 유사하다.

즉, 논의 과정에서 함정이 갖는 특수성과 유사시를 대비한 장래성은 배제하였으며, 더 싸게 더 많은 양의 화물을 탑재하도록 하기 위한 선박 본연의 경제성과 현실성에 무게를 두었다.

따라서, 함정의 특수성과 미래의 실제 전장에서 활용되는 장래성을 고려한다면 경제성과 현실성 중심으로 조정된 순항속력 적용은 다음과 같은 제약이 따를 수 있다.

첫째, 작전지역에서 가스터빈의 사용이 제한(고장, 손상 등)될 경우, 지휘관에게 주어진 속력의 선택범위가 감소된다.

둘째, 가스터빈을 사용한 고속하상 전까지 상대적으로 저속화된 디젤엔진의 운용으로 인해 모항으로부터 이격된 작전지역까지의 목적항해 시 경제성이 저하 또는 시간의 추가소요가 발생할 수 있다. 이 제약사항은 함정이 대형화될수록 부각될 것이다.

셋째, 함정 설계 시 순항속력용 추진용 디젤엔진의 선택폭이 감소한다.

넷째, 가스터빈의 운전비율의 상대적 증가에 따라 전투, 고속기동 등 유사시 활용되는 가스터빈에 대하여 높은 신뢰도와 정비성이 요구된다.