잠수함은 어떻게 작동하는가?

잠수함은 어떻게 작동하는가?

수중에서의 항해는 이미 1620년대에 이루어졌지만 인력에 의해 구동되는 원시적 형태였다. 그러다 19세기에 이르러 증기기관을 거쳐 20세기 초부터 디젤기관을 사용하게 되었다.

수중에서의 항해는 이미 1620년대에 이루어졌지만 인력에 의해 구동되는 원시적 형태였다. 그러다 19세기에 이르러 증기기관을 거쳐 20세기 초부터 디젤기관을 사용하게 되었다. 현대적 잠수함이 제 모습을 갖출 무렵 제1차 세계대전이 발발하였다. 이 시기의 잠수함들은 제한된 기능으로 인해 연안을 수색하거나 비무장의 배를 공격하는 데 사용되었다.

그러다 제2차 세계대전에서는 독일의 U-보트가 연합군을 상대로 많은 전과를 올림에 따라 잠수함의 중요성이 증대되었다. 독일의 잠수함은 수면에서는 디젤 기관으로 동력을 얻고, 잠수 시에는 모터로 동력을 얻는 현재의 디젤/축전기 추진 체계를 사용하였다. 또한 연합군의 전자장비와 대잠무기가 발달하자 스노클(snorkel)을 잠수함에 적용하였다.

이것은 수중에 있는 동안 잠수함에 공기를 공급하는 배기관을 말한다. 이와 같이 제2차 세계대전을 거치면서 현재의 잠수함의 원형이 완성되었다. 1954년에는 미국에 의해 세계 최초의 원자력에 의해 구동되는 잠수함인 노틸러스(Nautilus)가 만들어졌다. 원자로는 산소가 필요 없기 때문에 산소 공급을 위해 수면 위로 부상할 필요가 없어 적에게 탐지될 가능성이 적다. 소량의 핵연료는 장기간 동력을 제공할 수 있어 장기간의 운행이 가능해졌다. 기술의 발달로 점점 우수한 잠수함이 개발되고 있으며 군사적으로 중요한 전략 무기로 인식되고 있다. 잠수함과 관련된 물의 성질에는 어떤 것이 있는지 알아보자. 해수는 담수(fresh water)와 달리 소금뿐만 아니라 다른 많은 성분이 있어서 잠수함에 중요한 영향을 미친다. 해수에 가장 많이 존재하는 성분은 소금이다. 해수의 염도는 물에서 용해되지 않은 상태인 소금의 총량을 가리킨다.

이는 해수 1kg에 용해되어 있는 고형물질의 g수로 표시하고 단위는 S(salinity)를 사용한다. 해수의 주요 구성 원소를 보면 96.5%가 순수한 물이고, 나머지 3.5%는 무기염류이다. 무기염류에는 나트륨과 염소가 용해되지 않은 상태로 85%를 차지하며 따라서 염도가 해수에서 가장 중요한 변수임을 알 수 있다.

그 외 무기염류로는 염화마그네슘, 황산마그네슘, 황산칼슘 등이 있으며 이들 순으로 함유량이 크다. 염분비 일정의 법칙에 의하면 염도는 지역과 계절에 따라 다를 수 있지만 염류의 상대적인 비율은 일정하다고 한다. 해수의 염도는 전기전도율을 측정해 구하게 된다. 염도가 가장 낮은 곳은 극지방과 강 하구로 0-30% 정도 된다. 해수의 평균 염도는 34.7% 정도 된다.

해수의 중요한 다른 성질에는 밀도가 있다. 특히 해수는 깊이가 증가할 수 록 밀도가 증가한다. 이와 같은 수직방향의 밀도분포는 해수 내부파(internal wave)의 원인이 되는 데, 이는 유체의 수직 변위에 대해 밀도 차이에 의한 중력이 회복력으로 작용하여 생성된다. 최근의 해양학자들의 연구에 의하면 내부파는 수중의 음파 전달시 음파의 진폭, 위상차 등을 변화시킬 수 있다는 것이 밝혀졌다.

또한 해수의 밀도는 잠수함의 잠수 및 부상과 밀접한 연관이 있기 때문에 잠수함의 설계 시 운용될 해수의 밀도는 중요한 설계 인자가 된다.

해수에서는 통신의 주요 수단으로 소리가 사용되기 때문에 음향의 특성도 중요하게 된다. 일반적으로 유체에서 소리의 속도는 온도, 밀도, 압력 등의 함수이다. 깊이가 증가할 수 록 해수 온도는 감소해 소리의 속도도 감소하는 경향을 보인다. 그러나 해수에서의 통신에는 수평방향의 음파의 속도 분포가 더 큰 영향을 미친다. 특히 해저에서는 소리의 퍼짐이 구의 형태가 아닌 실린더 형태를 이루기 때문에 아주 먼 곳에서 들려오는 소리도 잡아낼 수 있다.
잠수함이 물속에 가라앉거나 뜨는 이유는 아르키메데스의 원리로 설명할 수 있다. 이 원리에 따르면 물체를 들어 올리려는 힘인 부력(buoyant force)은 물체가 밀어낸 유체의 무게와 같다. 따라서 이 힘은 유체의 밀도, 물체의 부피(또는 물체가 밀어낸 유체의 부피), 중력 가속도의 곱으로 표현된다.

실제로 부력을 조절하는 방법은 이 밀도와 연관이 있다. 잠수함에는 밸러스트 탱크(ballast tank)라는 것이 있는 데 바로 여기에 잠수함이 필요로 하는 부력을 제공하기 위해 공기나 해수를 채우게 된다. 즉 물 위로 떠오르기 위해서는 밸러스트 탱크에 공기를 채워 잠수함 전체의 평균 밀도를 해수보다 낮게 한다.

잠수함과 바깥 해수 사이에 존재하는 밀도 차에 의해 잠수함은 부력을 받게 되고 따라서 잠수함은 위로 상승하게 된다. 반대로 밸러스트 탱크에 해수를 채우면 잠수함의 평균 밀도가 증가하고 그러면 잠수함은 아래로 내려가게 된다. 이와 같은 원리는 열기구와 풍선에도 사용된다. 열기구는 버너로 내부의 공기에 열을 가해 팽창을 시키고 그러면 공기의 밀도는 주위 공기보다 낮아지고 이 밀도 차에 의해 열기구는 위로 상승하게 된다. 풍선에 주입되는 헬륨은 공기보다 밀도가 낮아 풍선이 하늘로 떠오르게 한다.

해양구조물의 몸통에 해당하는 부분은 보통 선체(hull)라고 불린다. 이는 항공기의 동체에 해당하는 부분으로 주요 수화물과 승객이 위치하게 된다. 선체는 압력선체(pressure hull)와 외부선체(external hull)로 이루어진다. 압력선체는 잠수함이 물속으로 잠수할 때 작용하는 수압을 지탱하는 선체이며, 외부선체는 압력선체를 유선형의 형태로 외부에서 감싸면서 수중에서의 물에 대한 저항을 줄여 주는 선체이다. 잠수함이 막 개발됐던 제2차 세계대전 당시 잠수함의 안전한 잠수 깊이는 100m 정도였다. 현재는 기술의 발달로 400-600m까지 가능하게 되었다. 이와 같은 성능 개선에는 구조적 특성이 우수한 선체(hull)의 개발 덕분이라고 할 수 있다.

압력선체는 잠수함의 중요한 구조의 하나로 해수가 가하는 압력과 수중폭발에 의한 압력파(pressure wave)를 지탱해야 한다. 곡률을 가지고 얇은 막으로 된 구조물을 막(membrane)구조라고 하고 풍선, 기구, 비행선, 비행기의 동체와 날개, 선박이나 잠수함의 선체 등에서 볼 수 있다. 이들 막구조는 기본적으로 물체를 잡아당기는 인장응력(tension)을 받을 때 주로 쓰인다. 기구나 비행선의 경우 내부의 압력이 외부보다 높고 주로 인장응력을 받으므로 막구조가 이런 인장응력을 지탱할 정도로 튼튼하게 설계된다면 기본적으로 안정하게 된다. 그러나 잠수함과 같이 외부 압력이 더 높을 경우 막구조에 물체를 내리누르는 압축응력(compression)이 가해지기 때문에 구조는 불안정하게 된다.

안정성(stability)이란 여러 분야에서 사용되는 개념으로 공으로 설명할 수 있다. 공이 평면에 있다면 중립의 상태라 하고 공은 제자리에 멈추어 있게 된다. 공이 아래로 오목한 곳에 있으면 외부에서 힘을 가해 공을 움직이더라도 제 위치에 오게 되고 이러한 상태를 안정하다고 한다. 그러나 공이 위로 볼록한 곳에 있을 경우 공에 조그만 힘을 가하더라도 공은 제 위치에서 계속 멀어지게 되고 이를 불안정하다고 한다.

그런데 구조물은 탄성(elasticity)을 가지고 있는 데 이것은 스프링에서 흔히 볼 수 있듯이 물체를 당기거나 누르면 복원력이 작용해 원래의 위치로 돌아오는 성질을 말한다. 초고속 카메라로 촬영한 핸드폰의 영상을 보면 핸드폰이 마치 젤리처럼 휘는 것을 볼 수 있는 데 이것은 바로 플라스틱이 가지고 있는 탄성 때문에 일어나는 현상이다.

플라스틱뿐만 아니라 콘크리트나 철 또한 이와 같은 탄성이 존재하는 데, 육교 위를 걸을 때 울렁거리는 느낌은 바로 육교가 하중을 받아 위아래로 움직이기 때문이다. 그리고 여객기의 날개 옆 좌석에 앉아서 날개를 지켜보면 날개가 위아래 천천히 움직이는 걸 볼 수 있는 데 이 또한 금속이 가진 탄성에 의한 현상이다. 구조물에 가해지는 힘이 탄성 허용 범위 내에 있을 경우 구조물은 원래의 상태로 돌아오고 이때는 안정하다고 하며 원래 상태로부터 멀어져 구조물의 변형이 점점 더 커지면 불안정하다고 한다. 이런 불안정성은 압축응력이 작용할 때 더 잘 일어나고 압축응력에 의한 구조물의 과도한 변형을 좌굴(buckling)이라는 부른다.

잠수함의 선체는 좌굴을 막기 위해 원통형의 단면에 원형의 보강재를 첨가하여 원주방향의 힘을 흡수하도록 설계된다. 압력선체의 막구조와 보강재의 복합된 작용으로 잠수함은 해수의 고압을 견딜 수 있다. 구조적인 보강 외에도 압력선체를 이루는 재료의 특성도 중요한 데 해수의 고압을 견디기 위해 잠수함용의 고장력강(steel)을 개발해 사용하고 있다. 고장력강은 주로 니켈, 크롬, 몰리브덴의 합금으로 만들어진다. 선체 재질의 강도에 따라 HY(high yield) 등급을 부여하고 이는 재질이 견딜 수 있는 극한점의 1평방 인치당 1,000파운드 단위로 표시한다. 따라서 HY-130은 1평방 인치당 13만파운드의 압력에 견딜 수 있음을 의미한다. 이 고장력강으로 만들어진 미국의 원자력 잠수함 시울프는 해저 600미터까지 잠수가 가능하다.

잠수함의 조종 장치로는 수직타(rudder), 선미 수평타(elevator), 선수 수평타가 있다. 수직타(rudder)는 선미의 프로펠러 뒤에 부착되어 있는 조종장치로 그 단면이 비행기의 날개처럼 유선형을 이룬다. 수직타는 날개에서와 동일한 원리로 양력을 생성해 잠수함에 회전력을 제공한다. 선수 수평타와 선미 수평타(elevator)는 상하 방향의 운동을 제어해 잠수함의 부력의 방향을 바꿔가며 잠수함의 잠수 깊이를 조절하는 역할을 한다.

조종 장치와 관련한 중요한 특성으로 동적안 정성(dynamic stability)이 있다. 이는 앞에서 설명한 구조적 안정성의 개념을 잠수함의 동적 특성에 적용한 것이다. 똑바로 가고 있는 잠수함이 바람이나 파도를 만나면 선회하게 된다. 바람이나 파도가 사라졌을 때 잠수함이 더 이상 선회하지 않고 직진한다면 이 잠수함은 동적으로 안정하다. 만일 바람이나 파도가 사라진 후에도 잠수함이 계속 선회한다면 이 잠수함은 동적으로 불안정하다. 대부분의 잠수함은 동적으로 불안정하더라도 타를 계속 움직임으로써 똑바로 갈 수 있다.

그러나 동적으로 불안정하면 똑바로 가기 위하여 빈번하게 타를 움직여야 한다. 동적으로 불안정한 잠수함은 매우 다루기 어렵고 타의 움직임으로 인한 부가 저항이 증가하여 속도도 크게 떨어지게 된다. 따라서 설계 시 적절한 동적안정성을 가지도록 해야 한다.

밸러스트 탱크(ballast tank)는 잠수함에 부력을 제공하기 위해 해수나 압축공기를 채우는 탱크를 말한다. 부상 시에는 밸러스트 탱크에 압축공기를 밀어 넣어 바닷물을 빼냄으로써 부력을 증가시키고, 잠수 시에는 공기를 빼내고 재빨리 바닷물을 채움으로써 잠수함을 가라앉히는 것이다. 밸러스트 탱크 내 해수유입은 보통 10초 이내로 끝난다. 잠수정의 경우에는 잠수함보다 밸러스트 탱크의 용량이 크고, 큰 잠수함은 작은 잠수함보다 작은 밸러스트 탱크를 사용한다.

중량 보상 탱크(compensating tank)는 잠수함이 일정한 깊이에서 잠수한 상태를 유지하게 해 준다. 잠수함은 항해 중에 주위 환경의 변화로 밀도가 변하게 되면 뜨거나 가라앉게 된다. 일례로 염도가 낮은 곳에서 높은 곳으로 이동하면 잠수함의 밀도가 주위보다 낮아지게 되고 그러면 잠수함은 위로 상승하게 된다. 이를 막기 위해서는 중량 보상 탱크에 해수를 채워 준다. 이외에도 식량의 소모에 의해 중량이 감소하거나, 잠수 깊이 증가에 따라 부피가 감소할 때에도 중량 보상 탱크에 해수를 채워 주어야 한다. 중량 보상 탱크는 두 개 또는 네 개를 설치하며 잠수함의 균형을 고려해 함 중앙부에 설치된다.

수평 탱크(trim tank)는 잠수함의 수평을 유지해주는 탱크를 말한다. 함수와 함미 쪽에 위치해 있고, 동체가 한 쪽으로 기울어지면 그 쪽으로 물을 이동시켜 수평을 유지해 준다. 만약 잠수함의 전방부가 상승하면 수평 탱크 안의 물을 후방으로 보내고, 잠수함의 후방부가 들리면 수평탱크의 물을 전방으로 보내 수평을 잡아준다. 수평 탱크는 잠수함의 앞과 뒤 끝단에 배치된다.

초기의 잠수함은 수상 항해와 수중 항해를 모두 고려해 앞부분이 수상함과 비슷한 형태를 하였다. 그러나 수중 항해의 비중이 커짐에 따라 수중 항해에 적합하도록 그 형태가 물방울처럼 매끄러운 유선형으로 바뀌었다. 즉 중앙단면은 가능한 넓게 하고 양끝은 날씬한 형상으로 하여 수중에서의 속도를 높이고 물의 저항을 최소화 하고 있다.

잠수함 표면에서 물이 가하는 저항은 그 크기가 클수록 모터의 추력이 더 많이 필요하게 되므로 최대한 줄이는 것이 좋다. 수중에서는 파도에 의한 저항은 없으므로 주로 잠수함의 선체의 형상과 관련된 저항만 존재한다. 선체의 형상에 의해 발생하는 물의 저항을 줄이기 위해서는 물과의 접촉면적을 줄이면 되고 이를 위해 주어진 배수량에서 최대의 선체 직경과 최소의 선체 길이를 가지도록 해야 한다. 그리고 돌출된 부위에서는 매끈한 곡면을 주어 물의 흐름이 자연스럽게 빠져나가게 해야 하고 함미에서는 비행기 단면의 끝단과 같이 뾰족한 모양으로 만들어 함미 부근에서의 유체 흐름의 급격한 변화를 방지한다.

잠수함에는 탐색을 위해 잠망경과 레이다가 있지만 이들의 사용은 수상함이나 항공기 관측 등에만 제한적으로 사용된다. 음향을 이용해 물체를 인식하는 소나(SONAR, SOund NAvigation RAnging)는 수중에서의 중요한 탐색 수단이다. 레이더에서 발사되는 전자파는 물속에서 전달되지 못하기 때문에 잠수 중인 잠수함 등을 탐색하는 데는 소나가 주로 사용된다. 소나는 음파의 사용방법에 따라 수동소나(passive SONAR)와 능동소나(active SONAR)로 나누어진다. 수동소나는 목표물이 내보내는 소음을 듣기만 함으로써 위치를 알아내는 반면 능동소나는 자신이 내보낸 음향이 목표물에 부딪혀 돌아오는 것을 통해 위치를 알아낸다.

능동형은 자체에서 음향에너지를 방사하기 때문에 잠수함의 존재가 노출될 위험이 크고, 반사음을 이용하므로 음향에너지의 전달손실이 커지는 단점이 있으나 소음이 적은 표적을 탐지할 수 있으며 정확한 거리정보를 알 수 있는 장점을 가진다. 수동형은 소음이 적은 표적을 감지하기 어렵고 정확한 거리정보를 알 수 없는 단점이 있으나, 잠수함의 존재가 노출되지 않으며 표적에서 방사되는 음향에너지의 전달손실이 적다는 장점을 가진다.

음향 탐지는 제1차 세계대전과 제2차 세계대전을 거치면서 상당한 발전을 이룬다. 두드러진 성과로는 음파 전달 매질에 관한 특성의 이해, 센서의 발달 및 전자공학의 발달에 힘입어 탐지 자료를 표시할 수 있는 혁신적인 지시방식의 출현이다. 그러나 당시의 소나성능은 매우 미흡하였고 게다가 성능이 지역과 시간에 따라 매우 불규칙하게 변하였다. 수직수온측정기의 개발로 깊이에 따른 온도 측정이 가능해짐에 따라 깊이에 대한 온도 변화가 음의 전달특성을 좌우하게 되고 탐지 불능대가 생김을 알아내게 되어 이 문제를 해결할 수 있게 되었다. 해수에 대한 성질을 파악해감에 따라 수중의 음파전달 특성이 매우 난해하고 전달과정이 환경에 크게 지배를 받는 것을 알게 되어 미국의 경우 여러 분야의 과학자들로 대단위 연구팀을 구성해 이론정립은 물론 이에 대한 이용법 등을 연구하게 되었다.

제2차 세계대전이 끝난 후에 압전소자 적용으로 감도가 향상된 센서가 개발되었고 전자공학의 발달에 힘입어 다양하고 복잡한 배열센서의 신호를 실시간으로 처리할 수 있는 현대 소나의 면모를 갖추어 발전을 거듭하고 있다. 1970년대까지가 아날로그 회로에 기반을 둔 것이라면 1980년대 이후는 특히 디지털 기술의 급속한 발전과 더불어 푸리에 변환(Fourier transform)을 이용한 시공간적 신호처리를 가능하게 함으로써 다양한 용도의 소나가 출현하였음은 물론 보다 많은 정보를 수집/분석하고 이에 대응하는 사격통제가 이루어질 수 있도록 장비 구성이 복잡화됨과 동시에 통합체계화 되고 있다.

소나의 음파 송신기(transducer)는 압전 효과(piezoelectric effect)를 나타내는 세라믹으로 구성된다. 이들 세라믹에 흐르는 전류의 세기를 일정한 주파수로 변화시켜주면 이들이 진동하면서 같은 주파수의 음파를 발생한다. 외부에서 음파를 받을 경우 전기에너지를 발생시키고 이를 분석해 음파의 성분을 찾아낼 수 있다. 압전효과를 나타내는 소재는 다양하게 존재하고 있으나 가장 일반적으로 사용하는 것은 압전 세라믹 소재이다. 압전 소재의 압전 효과를 이용하여 수중에서 전기적 에너지를 음향 에너지로 또는 음향 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 기능을 갖는 센서를 통칭하여 수중 음향 트랜스듀서라고 한다.

수중 음향 트랜스듀서는 사용되는 목적과 환경에 따라 많은 종류가 있으나 가장 보편적인 형태가 샌드위치형 트랜스듀서이다. 압전 세라믹 소재의 수축과 팽창을 이용하여 음향 에너지를 수중으로 잘 전달하도록 압전 세라믹 소재와 물과의 임피던스 부정합을 교정하기 위하여 음향 에너지가 방사되는 방향에서는 가벼운 금속을 사용하며 반대방향으로는 음향에너지가 잘 방사되지 않도록 무거운 금속을 주로 사용한다.

잠수함의 분류는 통상적으로 용도와 크기, 추진기관에 따라 나누어진다. 용도에 따른 분류에 의하면 군사적 사용을 목적으로 하는 군용과 과학적 연구나 구조, 레저 관광용으로 주로 쓰이는 민간용 등으로 나눌 수 있다. 크기에 따라 분류하면 잠수정(submersible)과 잠수함(submarine)으로 나눌 수 있다. 잠수정은 크기가 작아 무인으로 작동하거나 소수의 인원이 탑승할 수 있는 것을 주로 일컫는다. 주로 민간용의 비군사적 목적으로 사용되며 해저탐사, 개발, 관광 등에 쓰이고 있다. 잠수함은 잠수정에 비해 잠수상태를 오랫동안 유지할 수 있고 수중에서의 항속거리가 상대적으로 긴 것을 일컫는다. 대부분 잠수함은 군사적 목적에 사용되고 있어서 무기를 탑재하고 있다. 잠수함은 추진기관에 따라 분류하기도 하는 데 디젤/축전지 추진 체계, 외부 공기의 주입이 필요 없는 무급기 추진 체계(AIP, Air independent Propulsion system), 원자력을 이용하는 원자력 추진 체계 등으로 나누어진다.

디젤/축전지 추진 체계는 재래식 잠수함에 가장 오랫동안 사용되어 온 추진 체계로서 디젤 엔진으로 발전기를 구동시켜 전력을 만들고 이를 대형 축전지에 충전한 후 축전지 전력으로 전기구동 모터로부터 추진력을 얻는다. 디젤기관은 발전에 쓰이고 발전기 구동을 위해서는 함 외부로부터 공기를 공급받아야 하므로 수면 근처까지 부상하여 스노켈(snorkel)을 노출시키고 충전 작업을 실시해야 한다. 그런데 충전을 위해 디젤엔진을 구동하면 소음이 크게 발생하고 직경이 큰 마스트도 노출시키기 때문에 적에게 탐지될 가능성이 증가된다. 3시간의 충전으로 5노트의 잠항 속도로 3일 정도 쓸 수 있다. 여기에서 노트(knot)는 1시간에 1해리(1852m)를 전진하는 속도로 시속 1.8km에 해당한다.

이 추진 체계는 핵 추진 체계에 비해 수중항속 능력이 떨어지지만 가장 신뢰성이 있고 조용한 추진 체계이며 현존하는 잠수함의 3분의 2는 이 추진 체계를 사용하고 있다. 또 디젤 엔진은 가솔린 엔진에 비해 열효율이 더 높아 잠수함뿐만 아니라 선박용으로도 광범위하게 사용되고 있다. 현재 우리 해군은 독일 HDW사가 만든 9척의 209급 디젤 잠수함을 운용하고 있다.

무급기 추진 체계는 디젤/축전기 추진 체계와는 달리 함 내에 저장된 산소 및 연료를 사용하여 수중에서 충전 및 추진에 필요한 전원 공급이 가능한 시스템이다. 이는 기존의 디젤/축전기 추진 체계의 단점인 스노클 없이 축전기를 만드는 것이다. 디젤기관, 가스터빈기관, 스털링기관 등을 이용한 추진 체계가 개발 중에 있다. 동력원으로 디젤을 사용하는 폐회로 디젤 시스템(Closed Cycle Diesel System)은 연소 후 생성된 배기가스 중 수증기 및 이산화탄소(CO₂)를 제거한 후 함 내에 저장하고 있는 산소(Liquid Oxygen)를 첨가시켜 흡기 쪽으로 되돌려 주므로 외부 공기와 무관하게 운전된다.

제거된 이산화탄소는 압축기를 이용하여 함 외로 배출하거나 해수에 용해시켜 배출하며, 또한 화학 물질에 용해시켜 함 내에 저장하거나 가스 상태로 이산화탄소 저장 탱크에 저장한다. 함 내에 적재된 산소의 소모량을 줄이기 위해 수중에 있을 때는 폐회로 디젤 시스템을 가동하고 수상 또는 스노클 시에는 대기 중의 산소 사용한다.

원자력 추진 체계는 핵분열에 의해 발생하는 열을 이용해 터빈을 돌려 추진력을 얻는다. 30노트(시속 56km) 이상의 속도를 낼 수 있고, 핵연료의 교체 주기가 15년이기 때문에 잠항 시간이 진 장점이 있다. 그러나 터빈에서 나오는 높은 회전수의 운동을 저회전의 프로펠러에 전달하기 위해 감속기어를 사용하기 때문에 감속하는 과정에서 기어의 이가 미끄러짐에 따라 소음을 만들게 된다.

이와 같은 소음으로 인해 적에게 탐지될 가능성이 큰 것이 단점이다. 또한 방사능에 대한 차폐시설을 추가로 설치해야 하므로 잠수함의 중량이 증가하기도 한다. 이와 같은 추진 체계는 주로 전략 핵잠수함에 사용되는 데 이것은 핵전쟁 발생 시 적의 핵 선제공격에서 생존해 핵 보복 공격을 가할 목적으로 운용되고 있으며 핵무기를 탑재하고 있다. 따라서 전략 핵잠수함이 주는 핵 보복에 대한 공포감은 핵전쟁의 억지력으로 작용한다. 전략 핵잠수함은 현재 UN 안보리 상임이사국인 미국, 러시아, 영국, 프랑스, 중국 등에서만 운용되고 있다.
프로펠러는 잠수함의 동력원으로부터 모터 또는 터빈을 거쳐 최종적으로 추진력을 얻게 하는 장비이다.

프로펠러는 물과의 마찰로 인하여 공동현상(空洞現象, cavitation)이 발생한다. 이것은 해수가 고속으로 회전할 때 압력이 낮아지는 부분이 생겨 기포가 형성되는 현상으로 잠수함의 최대의 소음원이다. 공동현상은 소음 외에도 회전 날개의 과도한 침식과 부식을 유발하고 유동의 형태를 변화시켜 효율을 감소시키기 때문에 바람직하지 않다. 따라서 프로펠러의 형상과 개수를 바꾸거나 회전수를 조절해 이를 최대한 줄여 주어야 한다.

일반적으로 고속으로 주행하는 물체 주위에는 도장(painting)을 한다. 자동차의 차체, 비행기 동체와 날개, 선박의 선체 등에는 금속이 수분을 만날 때 일어나는 녹슬음과 같은 부식현상을 막기 위해 도장을 반드시 해야 한다. 잠수함은 높은 수압을 견디기 위해 선체가 금속으로 만들어지는 데, 선체가 물속에서 녹슬지 않고 항해할 수 있는 것은 바로 이 도장을 하기 때문이다.

해수의 염분과 물방울 등은 잠수함 표피에 접촉해 많은 문제를 초래하므로 도장은 잠수함의 건조에서 중요한 역할을 차지한다. 특히 표피에는 해양생물이 부착될 경우에 선체의 저항이 증가해 잠수함의 성능을 떨어뜨리기 때문에 오염방지용 도장을 해야 한다.

어뢰는 잠수함에서 가장 중요한 무기로 잠수함과 수상함을 공격하기 위해 만들어졌다. 어뢰는 수중에서 프로펠러를 이용해 추진된다. 미사일은 공기 중을 날기 때문에 목표물 추적에 전자파나 적외선 등을 사용하나, 물속에서는 이들의 사용이 불가능하기 때문에 함정의 소나와 같이 높은 주파수의 음파를 사용하여 목표물을 추적한다. 미사일의 속도는 마하 단위로 매우 높으나, 어뢰의 속도는 수십 노트로 미사일에 비하여 매우 낮은 속도로 진행한다. 그러나 미사일과 어뢰가 추적, 공격하고자 하는 목표가 각각 항공기나 함정이기 때문에 효과측면에서 유사하다. 어뢰는 가속도계 및 고도계나 심도계 등을 사용하여 원하는 목표지점까지 유도를 하며, 목표물 파괴를 위해 고폭화약이 사용된다.

기뢰는 선박이나 잠수함이 닿으면 폭발하도록 고안된 무기다. 육상에서 사용되는 지뢰와 구분하기 위해 수뢰라고도 부른다. 기뢰의 폭발장치는 선박이나 잠수함이 닿거나 접근하면 폭약을 터뜨린다. 대개 기뢰부설함이라고 부르는 특수 선박이나 비행기가 바다에 떨어뜨리도록 되어 있다. 잠수함 또한 기뢰를 설치할 수 있고 선박이나 비행기보다 더 은밀히 임무를 수행할 수 있는 장점이 있다. 설치된 기뢰는 공이나 달걀 모양을 한 강철 껍데기 속에 공기가 들어 있어서 물에 떠 있을 수 있다. 감응기뢰는 제2차 세계대전 이후 가장 널리 사용되는 대표적인 기뢰로서, 선박이 움직임에 따라 필수적으로 수반되는 선박 주변의 자기, 음향, 압력 등의 변화를 먼 거리에서 감지하여 폭발하게 되는데, 이런 물리량 변화 중의 하나 혹은 몇 가지를 조합하여 사용된다

미사일은 제2차 세계대전 직후 미국과 소련에 의해 개발됐으며 제트엔진이나 로켓에 의해 추진되며 수면 가까이에서 고속으로 비행해 레이더나 적외선 장비로 목표를 탐색한다. 잠수함 발사 탄도 미사일(SLBM, Submarine Launched Ballistic Missile)은 긴 사정거리를 가지고 있으며 핵탄두까지 장착할 수 있다. 1개의 탄두는 12개로 분리되어 각각 다른 표적을 타격할 수 있고 1개의 핵탄두는 히로시마에 투하되었던 핵폭탄에 비해 8배의 위력을 보유하고 있다. 미 해군의 오하이오(Ohio)급 잠수함은 트라이던트 유도탄 24기를 장착하고 있어 핵탄두는 288개이며 그 위력은 히로시마에 투하되었던 핵폭탄의 2,400배가 된다.

우리나라는 1987년 독일 호발트슈벨케-도이체 베르프트(Howaldtswerke-Deutsche Werft GmbH, HDW)사로부터 209급 잠수함을 도입함으로써 잠수함을 보유하게 되었다. 우리 해군의 잠수함에는 우리나라 역사상 유명한 수군(水軍) 장수들의 이름을 붙인다.

1번함인 장보고함은 1991년 독일의 HDW 조선소에서 진수되어 1992년에 한국해군에 인도되었다. 2번함 이천함은 부품을 들여와서 대우 옥포 조선소에서 건조 하였다. 92년 10월에 진수되어 94년 4월에 취역하였다. 3번함인 최무선함은 93년 8월에 진수하였고 95년 2월에 취역하였다. 4번함인 박위함은 94년 5월에 진수해서 95년 6월에 취역하였다.

5번함인 이종무함은 95년 5월에 진수 되어서 96년 8월에 취역하였다. 6번함인 이순신함은 98년 5월에 진수하여 2000년 2월에 취역하였다. 함명인 이순신은 충무공(忠武公) 이순신(李舜臣)의 수하 장수였던 무의공(武毅公) 이순신(李純信)의 이름을 땄다. 이순신함은 하픈(Harpoon)이라는 잠대함 미사일을 발사할 수 있도록 발사관이 개조 되었다. 8번함인 나대용함은 99년 6월에 진수해서 2000년 12월에 취역하였다. 9번함인 이억기함은 2000년 5월에 진수해서 2001년 12월에 취역하였다. 이억기함은 장보고급의 최종함이다. 이억기함은 국내에서 개발한 HY-80 고장력강을 사용하여 잠수할 수 있는 깊이가 깊어졌다.

209급 잠수함은 배수량이 1200톤이고 수중에서 최고 속도 21노트 정도이고 2개월간 단독 작전이 가능하다. 디젤엔진/축전지 추진 체계를 가지고 있어서 배터리를 충전하기 위해 3일에 한 번 부상해야 되기 때문에 적에게 노출될 위험이 있다.

독일 HDW사는 독일해군을 위해 개발한 212급 잠수함에 적용한 새로운 기술을 바탕으로 기존의 우리나라에 도입된 209급을 능가하는 배수량 1800톤의 214급 잠수함을 설계하였다. 214급 잠수함은 연료 전지형 AIP를 탑재하여 스노클 없이 장기간 잠항할 수 있다. 214급 잠수함에는 독일해군의 212급 잠수함이 탑재한 34KW급 연료전지보다 용량이 더 큰 120KW급 연료전지가 탑재되있다.

장비의 부피가 크게 줄어들었고 정비유지도 한결 간소화 되었다. 214급 잠수함에 연료전지 체계와 함께 채택된 영구자석 추진모터는 기존의 교류전동기에 비해 소모 전력과 소음이 낮은 최신기술로 제작되었다. 선체에는 HY-100 고장력강을 채택하여 잠항심도가 209급 잠수함에 비해 크게 신장되었고 함교탑의 형태도 유선형으로 제작되어 유체소음을 감소시킬 수 있도록 하였다. KSS-II 사업으로 214급 잠수함은 현재 3척을 도입하기로 결정돼 현대중공업에서 건조 중에 있다.

<참고문헌> ⊙ 합동참모본부(http://www.jcs.mil.kr) ⊙ 합동참모본부(http://www.jcs.mil.kr) ⊙ 해군(http://www.navy.mil.kr ) ⊙ 국방과학연구소(http://www.add.re.kr ) ⊙ 잠수함공학 개론, 손호재?박창수 ⊙ 진해 해군 제9잠수함 전단, 조선일보 ⊙ 동해는 ‘북한 잠수함 천국‘ 최고 방어망은 어민 신고, 신동아 ⊙ 밀리터리월드 2003년 2월호                                                                              <검수위원 : 한국해양연구원 김수환 박사>