1. 서 론
본 논문은 수중에서 운동하는 수중운동체 중 초공동현상을 활용한 로켓 추진기관에 대한 국내외 연구 동향을 기술한다. 어떠한 물체가 임의의 매질에서 운동을 할 경우 강한 마찰과 저항이 발생하게 되고, 이 매질의 밀도가 고밀할수록 마찰과 저항이 커진다. 바닷물의 밀도(1.020~1.030 g/cm3)[1]는 공기의 밀도(1.1883 kg/m3)보다 크게는 약 860배 이상 크며 이는 수중에서 운용되는 어뢰가 고속으로 직진하는데 항력으로 작용하게 된다. 이때 임의의 힘이 작용하여 물의 압력이 포화증기압보다 낮아질 경우 물이 기화하여 캐비티(cavity)가 생기는데 이러한 현상을 공동(cavitation)이라고 한다. 공동현상은 강한 소음을 유발하며 운동체의 직진을 방해하는 현상으로 제어가 되어야하는 현상이지만, 공동 발생시 캐비티를 운동체에 전체적으로 감싸게 될 경우 운동체와 해수와의 접촉이 차단되기 때문에 이를 이용한 현상을 추진효율 증대에 활용하게 된다(supercavitation). 초공동 상태에서는 운동체가 해수에 맞닿아 있지 않기 때문에 기존의 프로펠러형 추진기관은 활용이 매우 제한적이다. 그렇기 때문에 로켓추진방식을 사용한 초공동이 많은 무기체계에 활용된다[2].
초공동 로켓무기체계를 위해서는 초공동을 발생시키면서 고속으로 항주할 수 있는 적합한 외형이 필요하며, 초공동을 발생시킬 수 있는 일정속도 이상의 초기 속도가 요구된다. 뿐만아니라 공동현상을 유지할 수 있도록 매질의 유체역학적 항력을 보상할 수 있는 충분한 추력이 반드시 필요하다. 본론에서 기술할 러시아의 쉬크발(Shkval)은 초공동 현상을 발생시킬 수 있는 가스발생기 기술이 적용되었고, 바닷물을 산화제로 활용하여 약 200 노트(370 km/h) 이상의 고속이동이 가능하다[3]. 이는 전기모터 혹은 내연기관을 사용한 프로펠러형 어뢰가 50 노트(92 km/h)수준인데 이는 적군이 해당 어뢰를 탐색했을 때 어뢰를 타격하여 방어하는 수단을 강구하기 용이하며, 타격체가 50 노트보다 빠를 경우 타격이 어렵다.
본 논문에서는 현재까지 진행되고 있거나 개발이 완료된 해외의 사례를 들어 초공동 어뢰와 무기체계에서 사용한 기술에 대하여 기술하고 고찰하였다. 이로부터 개발이 필요한 국내 초공동 어뢰의 필요성을 강조하고 연소/추진기술 개발을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
2. 초공동 무기개발 및 적용 현황
2.1 서구권의 연구·기술 동향
2.1.1 러시아(구소련)
초공동 현상을 최초로 무기체계에 적용한 사례는 구 소련이다. 구소련은 미국의 고속 원자력 잠수함 간의 교전과 항공모함을 공격하는 목적으로 개발에 착수하였다. NII-24 연구개발 기관에서 1960년대에 쉬크발(Shkval)이라는 명칭으로 개발을 시작하였으며, 약 200 노트(370 km/h)의 속력으로 바닷속에서 항주가 가능하며 이는 당시 기존의 어뢰들보다 4배에서 5배 빠른 속력으로 알려져있다. 쉬크발의 자세한 제원은 Table 1에 기술 되어있다.
Table 1.
Specification of Shkval
| Spec | Value |
| Length | 8.23 m |
| Diameter | 0.533 m |
| Wieght | 2,700 kg |
| Kill vehicle weight | 210 kg |
| launch velocity | 50 kn (93 km/h) |
| Max. velocity | 200+ kn (370 km/h) |
| Max. range | ~10 km |
쉬크발(Fig. 1)은 개발 이후 1977년에 실전배치가 되었으며 현재까지도 러시아에서 운용중이다. 주요 구조의 경우 앞쪽에 공동을 형성하는 캐비테이터가 장착되어 있으며, 이 캐비테이터에 공기를 직접적으로 공급하는 압축공기 탱크가 있고, 그 뒤로 추진력을 발생시키는 로켓엔진으로 구성이 되어있다. 쉬크발은 로켓이 시동된 이후 연소된 연소생성물을 앞쪽 캐비테이터에 배출시키면서 물을 뜨겁게 만들어 기화시켜 공동을 형성하였다. 개발 초기에는 자동항법에 의한 직주만 가능했지만 현재는 종말유도가 가능하도록 성능이 개량되었다고 알려져있다.
러시아는 초공동 기술을 적용한 수중 무기체계 ‘포세이돈(Poseidon)’을 개발완료하였고, 이를 핵추진 잠수함인 ‘벨고로드(Belgorod)’에 탑재한다고 하였다. 포세이돈은 핵추진을 이용한 수중 드론으로 탄두중량을 약 2톤까지 탑재할 수 있으며 경우에 따라 핵무장이 가능하도록 개발하였다. 최대 속력은 약 56 노트로 기존의 수중무기에 비해 느린 속력이지만 항속거리가 10,000 km로 기존의 어뢰를 능가하는 성능을 갖추고 있다[4,5].
그뿐만 아니라 포세이돈(Fig. 2)의 경우 최대 1 km까지 잠수가 가능한 함정에서 운용이 가능하기 때문에 통상적으로 운용되는 잠항심도 300~600 m 유인잠수함으로는 추적이 불가능하다. 더불어 SLBM과 다르게 미사일 방어체계(MD 체계)에 막힐 우려가 없기 때문에 조기경보레이더를 회피하여 기습적으로 적군의 해군기지, 항구 등에 직접적으로 타격이 가능하다. 하지만 직경 1.8 m 이상 길이 24 m 나 되는 육중한 어뢰를 공동으로 뒤덮어 초공동상태로 만들 수 있는지에 대한 논란이 있으며, 초공동을 형성시킬 수 있는 초기속도를 낼 수 있는가에 대한 평가도 있어 많은 의혹이 동시에 있는 무기 체계이다.
2.1.2 독일
1988년 독일은 초공동화연구를 시작하여 최근까지 최대속력 800 km/h을 만족하는 바라쿠다 어뢰(Fig. 3)를 개발하여 현재 운용중에 있다. 바라쿠다의 제원은 Table 2에 기술되어있다. 개발기관인 DIEHL BGT Defence에 의하면 바라쿠다는 수중 및 수상의 타켓뿐만이 아니라 러시아에서 운용하고 있는 쉬크발 어뢰를 직접적으로 요격이 가능하다고 공개하였다. 2005년 5월 싱가포르의 군사무기 전시회(IMDEX ASIA)에서 첫 프로토타입을 공개하였고 고체연료 로켓엔진, 관성항법시스템을 갖추고 있다고 발표하였다[6]. 더불어 2004년도에는 새로운 초공동 어뢰개발을 착수하였으나 뚜렷한 프로젝트의 성과는 보여주지 못하고 있다.
Table 2.
Specification of Barracuda[6]
| Spec | Value |
| Length | 2.3 m |
| Diameter | 0.16 m |
| Weight | 110 kg |
| Max velocity | 220+ kn (400 km/h) |
| Max range | ~1.0 km |
2.1.3 미국
미국의 경우 다른 서방국가들과 비교하여 후발주자로 개발에 착수하였으며 현재까지 활발하게 연구 및 개발을 수행하고 있다. 미 해군은 1997년 수중에서 최초로 수중음속(1,500 m/s)보다 빠르게 물체가 항주하는 운동체 시험을 성공적으로 마쳤다고 발표했다. 제원과 운용방식의 경우 독일의 바라쿠다와 유사할 것으로 추정하고 있다. 이후 개발 진행과정에 대한 정보는 상당히 제한적으로 공개를 해오고 있고 미국해군연구소(US Office of Naval Research)에서 장기과제체제로 개발을 주도하고 있다고 알려져있다. 뿐만 아니라 해군연구실 어뢰 개발 담당자는 2004년 인터뷰에서 초공동 어뢰를 전력화 하기 위해서는 최소 15년 이상의 개발기간이 소요될 수도 있다고 발표하기도 하였다. 또한 2002년 Euro Naval 전시회에서 로키드마틴(Lockheed Martin)이 시험발사체를 공개하기도 하였다[7].
2.2 동구권의 연구·기술 동향
2.2.1 중국
초공동을 이용한 어뢰의 경우 운동체의 안정적인 공동을 형성시키기 어려우며, 초공동 상태에서의 방향전환이 어렵다는 한계가 존재한다. 그렇기 때문에 초공동은 방향전환이 되지않는 직주어뢰에서만 적용되고 있던 기술이였다. 중국은 2014년 이러한 초공동의 한계점을 극복할 수 있는 새로운 연구결과를 발표하게 된다. 하얼빈 공업대학의 연구팀에서는 저속으로 운동하는 운동체의 표면에 얇은 막(membrane)을 이용하여 운동체 표면과 해수와의 마찰력을 저감하는 특수 액체를 공급하여 운동체를 덮고, 초공동이 형성되는 속도 이상(75 km/h) 에서 자연스럽게 초공동 단계에 접어들게 되는 방법을 제시하였다[8]. 운동체 전체에 설치되어있는 멤브레인에서 배출되는 특수 액체의 양을 운동체의 운동방향과 상관없이 양을 위치별로 조절의 압력차이로 방향전환을 용이하게 한다는 아이디어였다. 이러한 발표가 공개되었을 시기는 중국이 초음속 잠수함을 개발하고 이에 따라 해당 기술을 접목시킨 어뢰를 제작하게 될 것이라는 긍정적인 평가도 있었지만 기술실현에 대한 어려움을 지적하는 많은 학자들도 있었다. 이후 중국의 어뢰에 대한 개발이나 진행사항이 공개되지 않았기 때문에할 수 있으며, 이로부터 운동체 표면간 해당 기술이 활용되었을까에 대한 회의적인 평가도 많다. 현재까지 공개된 연구내용을 소개하면 아래와 같다.
중국 국방대학교의 Liya 등은 50%의 마그네슘, 30%의 HTPB(Hydroxy-terminated polybutadiene)와 20%의 AP(Ammonium perchlorate)를 사용한 금속계열의 추진제를 사용하여 Fig. 4와 같은 추진기관을 제작하였고, 담수를 분사시켜 다양한 변수에 대한 연소시험을 수행하고, 이로부터 발생되는 추력에 대한 고찰을 수행하였다. 뿐만 아니라 당량비를 다르게 하여 물분사를 한번 하였을 때, 후단에 재공급할 때의 연소특성과 효율을 계산하였다[9].
뿐만 아니라 금속계열의 추진제일수록 점화시점에 금속 파티클이 용융이 되어야하고 물이 기화되어야 하는 프로세스에 대한 연구를 수행하였다. 이로부터 증기와 메탈의 혼합도가 추진기관의 효율에 직접적으로 영향을 미친다는 것을 실험적으로 확인하였다[10].
같은 기관의 Huang 등은 위 연구와 동일하게 마그네슘 계열의 추진제를 사용하여 Fig. 5의 노즐을 장착한 추진기관 시험을 수행하였고, 연소 이후에 슬래그가 노즐에 쌓여 연소효율이 급격하게 낮아졌음을 확인하였고, 이는 산화 마그네슘임을 확인하였다[11]. 뿐만 아니라 마그네슘의 함유량이 많을수록 안정적인 연소가 가능하며 이에 따른 연소효율도 증가함을 확인하였지만 물과의 당량비가 적절하지 못할 경우 위에서 언급한 슬래그가 Fig. 6과 같이 노즐부에 급격하게 쌓일 수 있음을 시사하였다.
2.2.2 이란
이란은 2006년 4월 2일과 3일 양일에 걸쳐 자체개발 초공동 어뢰인 후트(Hout) 의 발사시험을 진행하였고 성공적으로 목표물에 타격했다는 영상(Fig. 7)을 공개하였다[12].
후트(Fig. 8)는 후미에 8개의 제트노즐이 설치되어있고, 몸체에 팝아웃(pop out)형태의 4개의 안정핀이 있다. 이러한 형태는 러시아의 쉬크발과 같은 형태로 2006년에 러시아로부터 구매한 후 역설계하여 개발한 것으로 추측되어진다. 2009년 전미과학자협회(FAS: Federation of Amerian Scienctist)는 이슬람혁명수비대(IRGC: Islamic Revolution Gard Corps)의 유출자료에서 ‘러시아가 2004년 이란 남부의 항구도시 자스크(Jask)에서 VA-111 쉬크발을 전시했다’는 기록을 발표하였으며 ‘2008년 이슬람혁명수비대가 이란항공우주산업기구(Iran Aerospace Industrial Organization)와 후트 어뢰의 설계 생산 및 엔진테스트에 관한 계약을 체결했다’라는 기록을 공개하였다. 당시 전미과학자협회에서는 해당 자료의 신뢰성을 찾을 수 없으며 계약의 실행여부도 불확실하다고 하였지만 2014년 5월 6일 이란의 FARS News Agency가 후트의 실물사진과 작동원리 및 구조에 대하여 상세하게 발표함으로서 공식적으로 이란의 초공동 어뢰의 보유사실을 공표하였다[13]. 뿐만 아니라 2015년 10월 3일 이슬람혁명수비대가 해군전시회에 해당 어뢰를 전시하면서 초공동 어뢰의 보유를 확실시하게 되었다[14].
University of Science and Technology의 Ghassemi 등도 마그네슘 기반의 추진제와 수반응 연소에 대한 연구를 수행하였다[15]. 이 연구에서는 화학종 계산을 사용하여 성능분석을 수행하였고, 마그네슘-수반응 연소의 경우 3,100 K까지 화염온도가 올라간다고 예측하였다. 뿐만 아니라 특성속도가 최대 1,700 m/s까지 상승할 수 있음을 시사하였다. 이란에서는 이러한 연구결과를 활용하여 후트 개발을 수행하였을 것으로 판단된다.
2.3 국내 연구·기술 동향
2.3.1 국내 대학 연구 동향
초공동 로켓 추진기관 개발을 위해서는 다양한 요소기술들이 필요하고, 이를 위한 다양한 기초연구가 대학을 중심으로 이루어졌다. 한국항공대학교에서는 공동현상이 발생할 때 기상과 액상이 공존하기 때문에 다상유동으로 수치해석을 수행하여 시험결과와 비교 분석하는 연구를 수행하였다[16]. 수치해석으로부터 수중운동체의 표면에서의 압력계수를 계산하였고, 케비테이션 수가 증가할수록 운동체를 감싸고 있는 공동의 크기가 감소하고 압력회복 구간이 전방으로 이동한다는 결과를 도출하였다. 더불어 특정 케비테이션 수에서 공동이 발생하지 않는 임계점을 찾았고 이때 공동이 발생하지 않으므로 압력회복이 가장 빠르다는 것도 밝혀냈다.
부산대학교에서는 알루미늄-해수 반응에 대한 해수 흡입 램젯 추진기관에 대한 개념설계를 Fig. 9와 같이 수행하였다[17]. 초기 모델을 수립하기 위하여 러시아의 쉬크발을 차용하였으며 이로부터 유체역학적 계산을 통해 항력 등의 성능해석을 수행하였다. 뿐만 아니라 알루미늄-해수의 반응으로부터 발열량을 계산하여 추진성능을 최종적으로 도출하였다.
하지만 부산대의 개념설계의 경우 산화알루미늄의 산화피막을 제거하는 반응과정이 해석에 포함되지 않아 과도하게 추력이 계산되었을 가능성이 있고, 미립화의 과정이 포함되지 않아 추력을 획득하는데 필요한 열량이 계산되지 않아 이를 보완한 설계가 필요하다고 평가하였다.
동 대학의 다른 연구진에서는 케비테이터에서 토출되는 고온 분사가스에 대한 수치해석을 수행하였다[18]. 수치해석 결과 분사가스 온도가 증가함에 따라 공동의 길이가 증가하는 것을 확인하였고 두께 또한 비례적으로 증가함을 밝혀냈다. 이러한 이유는 분사가스 토출로 주변에서 서로 다른 상에서의 열교환과 열전달이 함께 발생하고 공동이 형성됨에 따라 수중 운동체의 후방까지 발달하며 후단의 공동특성까지 영향을 미침을 확인하였다. 더불어 분사가스온도가 일정 수치를 초과할 경우 공동의 표면이 불안정하게 형성되는 것을 파악하였다.
한양대학교의 경우 초공동 유동에서 회전하는 비축대칭 케비테이터의 현상을 제안하였다[19]. 수중운동체에서는 해수와 가장 먼저 접촉하는 전방의 형상이 매우 중요한데 초공동 추진기관의 경우 케비테이터가 운동체의 최전방에 위치하고 있기 때문에 형상이 매우 중요하다. 그렇기 때문에 다양한 설계 변수들을 무차원화 시켰고, 시뮬레이션을 통하여 케비테이터의 회전속도가 공동의 크기와 항력계수에 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다. 뿐만 아니라 회전속도가 항력계수와 정비례함을 확인하였고, 케비테이션 수에 반비례함을 밝혀냈다. 이는 케비테이션수로부터 공동의 크기를 결정할 수 있는 변수가 됨을 확인하는 결과였다. 이러한 연구결과(Fig. 10)는 수중운동체의 케비테이터의 크기와 길이 등의 형상정보를 결정하는데 활용이 가능함을 시사하였다.
서울대학교 연구진에서는 초공동 수중운동체의 케비테이터의 항력과 양력에 대한 특성을 수치해석적으로 연구를 수행하였고 이로부터 해수의 흡입유도로에서의 압력손실을 Fig. 11과 12와 같이 예측했다[20]. 그 결과 수중운동체의 길이 대비 직경의 크기는 항력계수 및 압력손실계수와 반비례함을 확인하였고 속도비 또한 동일한 영향을 미침을 파악하였다. 그뿐만 아니라 해수 흡입구의 곡률은 항력 및 양력계수에는 영향을 미치지 않음을 확인했고, 반대로 압력손실계수가 큰 영향을 미침을 파악하였다. 이러한 연구 결과는 수중운동체의 케이테이터의 형상을 결정할 뿐만 아니라 수중운동체 전체의 대략적인 형상을 결정할 수 있는 연구결과이다.
조선대학교 연구진에서는 수중 추진을 위한 수반응성이 높은 알루미늄 분말을 사용하였고, 반응 촉진을 위하여 NaBH4를 첨가하였다[21]. 이에 따라 NaBH4의 비율에 따른 연소특성을 파악하였고 NaBH4의 첨가 유무에 따라 끓는점보다 낮은 온도에서도 알루미늄 분말이 물과 반응한다는 것을 확인하였다. 하지만 일정 비율을 초과할 경우 오히려 연소온도가 감소하여 연소 효율이 감소하는 것을 Fig. 13과 같이 실험적으로 확인하였다.
2.3.2 산업체 및 연구기관 연구 동향
국방과학연구소는 초공동 및 해수흡입 로켓 추진기관 개발을 위하여 기반 기술 확보를 목표로 다양한 연구들을 수행하고 있다. 특히 2000년대 중후반부터 꾸준히 관련 연구를 수행하고 있지만 다른 나라들처럼 다양한 추진제에 따라 달라지는 연소특성 등의 연구 결과를 확보하지 않아 현재 이를 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 이 중 수중운동체의 초기 속도를 확보하기 위한 시동부스터의 연구가 이루어졌고, 시동부스터 연소 시 발생되는 미연소 추진제의 이탈 특성이 연소 효율을 감소시킨다는 연구결과 Fig. 14와 같이 발표했다[22]. 이에 대한 문제점을 해결하기 위하여 연소 중 크기가 감소하는 추진제의 이탈을 막기 위한 리테이너링을 보강하였고 그 결과 추진제 이탈을 최소화할 수 있음을 실험적으로 확인하였다.
또한 수반응 추진제의 경우 물과 반응하는 과정에서의 연소속도가 필요한데 일반적인 스트랜드버너로는 연소속도를 계측할 수가 없다. 이를 해결하기 위하여 연소속도 데이터를 확보하기 위한 Fig. 15와 같은 소형 연소기를 제작하여 시험하였고, 이러한 결과는 물-추진제의 당량비, 연소면-해수 인젝터간의 형상학적 변수 등을 결정하는데 중요한 역할을 하였다[23]. 뿐만 아니라 연소면과 인젝터사이의 간격을 일정하게 하기 위하여 연소면을 인젝터쪽으로 이송을 시켜야하는데 이를 위한 장치(Fig. 16)를 적용한 연소기를 제작하여 실험을 수행하였다[24]. 이송장치에서 추진제 외곽부는 연소관과의 마찰이 최소화 하여야하고, 연소가 되지 않는 난연재로 제작이 되어야한다. 그렇기 때문에 다양한 소재로 이송시험을 수행하였고, 실제 시스템 디자인에 적용 가능한 설계변수를 도출하였다.
마지막으로 충남대학교 연구진과 협업하여 케이테이터에 압축공기를 분사하여 인공 케비테이션 현상을 모사하였고, 압축공기의 분사량에 따른 특성을 초공동 내부압력을 계측하며 시험적으로 연구를 Fig. 17과 같이 수행하였다[25]. 그 결과 Froude 수가 감소할수록 부력이 증가하고 초공동의 유효길이가 감소하는 결과를 발표하였으며, 완전한 초공동 상태가 형성된 이후에는 압축공기 분사량을 감소시키더라도 초공동의 형상은 그대로 유지가 되는 현상을 관찰하였다.
3. 결 론
초공동 로켓 추진기관의 국내 생산/개발을 위한 다양한 이론적, 실험적 연구가 이루어지고 있어 본 논문에서는 국내외 연구개발 동향을 조사하였고, 현재 필요한 소요기술을 식별하였다. 이란, 러시아 등에서 기 개발된 모델과 연구결과를 모사하여 국내에서 필요한 수준의 로켓 추진기관을 정의하고 연소 효율 및 유체역학적 효율을 증대시키기 위한 연구를 대학 및 산업체에서 주도적으로 수행하고 있다. 현재 요구조건을 만족하는 추진제의 조성을 결정한 수준에 그치고 있지만 이송장치, 소형 연소기 등에 대한 연구도 동시에 이루어지고 있어 빠른 시일 내에 초공동 로켓 추진기관의 개발이 이루어질 수 있을 것으로 기대하고 있다.
