일본 설계방안과 오야시오급(親潮級)은 디젤엔진에 납축전지를 채용으로 본 타이완의 잠수함은 리튬전지를 사용

일본 설계방안과 오야시오급(親潮級)은 디젤엔진에 납축전지를 채용으로 본 타이완의 잠수함은 리튬전지를 사용

글: 이호(李昊)
타이완의 잠수함은 일본의 소류급(蒼龍級) 제11호, 제12호를 모델로 설계되고 건조되었다. 공기불요추진시스템을 버리고 디젤엔진과 리튬전지의 조합을 채용했다. 그렇다면, 왜 일본은 스털링엔진을 사용하지 않았을까? 그리고 타이완은 왜 잠수함에 리튬전지를 채택했을까?
이 문제에 대하여 대답하려면, 우리는 일본의 최근 3대 잠수함의 설계방안을 살펴보아야 한다. 오야시오급(親潮級)은 디젤엔진에 납축전지를 채용했다. 소류급은 스웨덴의 스털링엔진을 채용했는데, 소류급의 마지막 2척과 새로 만든 다이게이급(大鯨級)에서는 일본이 돌연 스털링엔진을 버리고, 디젤엔진에 리튬전지의 조합을 사용했다.

전통적인 디젤엔진잠수함은 어떤 결점이 있을까?
우리는 먼저 전통적인 디젤엔진잠수함에 어떤 결점이 있는지 알아보자. 전통적인 디젤엔진 잠수함은 수면을 항행할 때, 디젤엔진으로 발전하여, 프로펠러를 회전시켜 구동한다. 동시에 전지에 충전을 한다. 그러나 수중으로 내려가면, 디젤엔진을 끄고 전지구동에 의존하여 프로펠러를 회전시켜 전진한다. 전지를 다 사용하면 수면으로 올라와야 한다. 그래서 디젤엔진잠수함이 수중에서 머무는 시간은 일반적으로 3일에서 5일이다. 만일 고속으로 항해하면 겨우 몇시간이면 수면위로 올라와야 한다. 현재의 전쟁환경에서 잠수함이 수면으로 올라오는 횟수가 많으면 많을수록 그것은 적에 의해 발견될 확률이 올라간다는 말이다. 그래서 공기불요추진시스템이 나타나게 된다.
소위 공기불요추진시스템이라 함은 잠수함이 수중에서 공기를 필요로 하지 않고, 전진할 동력을 얻는 것이다. 이를 약칭하여 AIP(Air-independent propulsion)라 부른다. 그중 가장 통상적으로 사용하는 것이 스털링엔진이다.

스털링엔진은 수중에서 2주일간 머물 수 있다.
스털링엔진은 원래 영국인이 가장 먼저 발명했다. 그리고, 스웨덴인들이 가장 먼저 자신의 고틀란드급잠수함에 응용했다. 고틀란드급잠수함은 스털링엔진을 채택한 후, 물 속에서 2주일간 머물 수 있었다. 스웨덴인들은 어떻게 이런 일을 해낼 수 있었을까?
스털링엔진은 간단히 말해서, 열팽창냉수축의 원리를 통하여 열에너지를 기계에너지로 전환시키는 엔진이다. 두 개의 실린더를 가지고, 두 개의 실린더에는 각각 피스톤이 있다. 하나의 실린더는 뜨겁고, 하나의 실린더는 차갑다. 순환이 시작되면, 뜨거운 실린더의 기체는 열팽창을 일으켜 피스톤운동을 추진한다. 여기서 주의할 것은 중간의 이 기계구조를 링크라고 부른다. 그것은 운동때 다른 실린더의 피스톤이 움직이게 만들고, 기체를 다른 실린더에 들어가게 한다. 이 실린더는 차갑기 때문에 수축한다. 기체의 압축으로 피스톤의 상하운동을 일으키게 만든다. 이런 순환이 왕복되면서 열에너지가 기계에너지로 전환된다. 이것이 바로 스털링엔진이다.
스털링엔진의 두 개의 실린더가 하나는 뜨겁게 만들고 하나는 차갑게 만들면 물속에서 동력을 만들어 낼 수 있다. 디젤엔진처럼 반드시 공기연소를 통하여 프로펠러를 회전시키지 않아도 되는 것이다.
공기가 필요하지 않다는 것 이외에 스털링엔진의 또 다른 장점은 비교적 조용하다는 것이다. 내연기관처럼 격렬한 연소가 일어나지도 않고, 강렬한 진동이 일어나지도 않는다. 그것은 기체의 열팽창과 냉수축을 이용하여 링크의 운전을 일으키는 것이다.
스털링엔진을 채택한 후, 스웨덴의 고틀란드급잠수함은 물속에서 6노트의 속도로 2주일간 항행할 수 있었다. 2005년 스웨덴의 고틀란드급잠수함은 NATO의 대서양훈련때 미국의 핵잠수함을 이겨버렸다.
2005년 또 다른 연습에서 고틀란드급잠수함은 미군의 대잠방어를 뚫고, 미국레이건호항공모함에 명중시킨다. 미국인들이 보기에 고틀란드급잠수함이 괜찬흔 것같았고, 그래서 연구를 했다. 그리하여 2004년 미국은 스웨덴에 고틀란드급잠수함을 임차했고, 임차기간만료후에는 다시 1년을 연장했다.

두 가지 약점 일본인들이 돌연 쓰지 않게 된다.
이후 고틀란드급 잠수함과 스털링엔진의 명성은 크게 올라간다. 그리고 일본의 소류급의 이전 10척도 두 세트의 디젤엔진과 4세트의 스털링엔진을 장착했다. 최대잠행속도는 20급에 이르고 수면위로 부상한 후에는 13노트이다. 6노트의 속도로 물속에서 3주간 지낼 수 있었다.
스털링엔진이 이렇게 좋은데, 왜 일본인들은 돌연 사용하지 않게 되었을까? 스털링엔진은 이전의 순디젤엔진잠수함에 비하여 적지 않이 업그레이드되었고, 수중운동능력과 수중에 머무는 시간을 크게 증강시켰다. 다만 스털링엔진은 두 가지 문제에 부닥치게 된다. 첫째는 일률(power)이 떨어진다. 스털링엔진은 기체팽창과 수축으로 일하는데, 고틀란드급의 1대의 스털링엔진의 일률은 겨우 75킬로와트이다. 대체로 100마력에 해당한다. 이게 무슨 개념일까? 포드 무스탕은 400마력에 달하고, 소류급의 디젤엔진은 3,900마력에 이른다.
즉, 소류급의 스털링엔진의 일률은 자신의 디젤엔진에 비하여 40분의 1밖에 되지 않는다. 자가용차량 1대를 끌 정도의 마력도 되지 않는다. 이것이 바로 스털링엔진을 사용할 때, 스웨덴의 잠수함이건 아니면 일본의 소류급이건 물속에서 10킬로미터도 되지 않는 속도로 저속운행해야 하는 이유이다. 기본적으로 사람이 걸어가는 것보다 조금 빠른 수준이다.
그렇다면 스털링엔진의 두번째 약점은 무엇일까? 바로 디젤유와 액체산소를 소모한다는 것이다. 스털링엔진의 원리는 냉원과 열원을 만들어 열에너지를 기계에너지로 전환시키는 것이다. 그런데 하나의 문제가 있다. 잠수함의 열원이 어디서 오는가? 두 손으로 실린더를 문질러서 가열시킬 수는 없다. 기실 스털링엔진의 열원은 디젤유와 액체산소의 연소에서 나온다. 그래서 공기에 의존하지 않을 수 있는 것이다. 그러나 액체산소에는 의존한다. 잠수함이 나갈 때는 반드시 대량의 액체산소를 휴대해야 한다. 이것이 바로 물속에서 머무를 수 있는 기간이 2,3주인 이유이다. 왜냐하면 액체산소를 다 쓰면 다시 떠올라야 하는 것이다.

폐순환디젤엔진
여기까지 얘기하면, 어떤 친구는 이런 의문을 가질 것이다. 스털링엔진에 액체산소와 디젤유를 사용하면 왜 직접 액체산소와 디젤유를 연소시켜 디젤엔진을 추진하지 않는 것일까? 이것은 아주 좋은 질문이다. 엔지니어들은 확실히 그렇게 생각했고, 그렇게 해보았다. 그렇게 해서 나온 것이 바로 AIP시스템의 두번째 상용방식인 폐순환디젤엔진이다.
이게 무슨 뜻인가? 잠수함의 액체산소와 비활성기체 예를 들어, 헬륨을 혼합하여, 디젤엔진에 공급하여 연소하고 남은 기체는 다시 처리한다. 이산화탄소를 흡수하고 남은 헬륨을 다시 액체산소와 혼합하여 다시 디젤엔진에 공급하여 연소한다. 이렇게 하면 잠수함은 공기가 필요없게 된다. 헬륨은 반복해서 이용할 수 있고, 산소는 액체산소에서 공급받는다. 그저 산소통만 가지고 가면 되는 것이다. 이것이 바로 폐쇄식순환디젤엔진이다. 소련사람들이 아주 좋아했다. 냉전시기에 30척의 Q급 잠수함을 건조했다. 다만 당시는 기술이 안정되지 못하여, Q급 잠수함은 화재가 발생하여 액체산소가 폭발했고, 잠수함이 침몰하는 사고도 일어났다. 그래서 사람들이 별명을 붙였다. "해상라이터" 그래서 70년대초기에 모조리 해체시켜버린다.
이제 소위 공기불요추진시스템의 3가지 자주 보이는 방식을 설명해보자. 첫째방식은 위에 얘기한 스털링엔진이다. 둘째방식은 폐쇄식순환디젤엔진이다. 세번째는 연료전지이다. 연료전지에 관해서는 뒤에 기회가 있으면 따로 얘기하기로 하자.

일본인들이 리튬전지로 바꾸어 넣었다.
그렇다면, 일본의 소류급으로 돌아가서, 일본이 보기에 스털링엔진은 액체산소가 필요하다. 그리고 2주, 3주면 다시 수면위로 올라와야 한다. 그렇다면 이 스털링엔진을 사용하지 않고 납축전지와 스털링엔진의 공간을 모조리 리튬전지로 교체하면 어떨까? 리튬전지의 같은 체적이면 용량은 납축전지의 2,3배에 이른다. 그렇게 되면 핵잠수함의 전기량을 크게 늘일 수 있지 않을까? 이런 전기량이면 전기를 한번 충전했을 때, 물속에서 2,3주 잠행하고, 성능은 스털링엔진보다 나아지지 않을까?
이것이 바로 일본인들이 리튬전지로 갈아끼운 아이디어이다. 이치에 맞는다. 일본인들은 아주 총명하다. 그들은 스웨덴의 스털링엔진을 도입하고 이런 문제를 생각했다. 일본인이 소류급을 디자인할 때 이미 이런 계획을 세운다. 마지막 4척은 리튬전지를 사용하기로 했다. 그들은 절반을 만든 후에 마지막 몇 척만 시험해서 설계를 바꿔본 것이 아니라, 처음부터 그렇게 정했던 것이다.

4대장점
리튬전지는 스털링엔진에 납춘전지를 추가한 것에 비하여 이런 장점이 있다. 첫째, 잠행시간이 더욱 길다. 소류급의 스털링엔진과 납축전지를 모두 리튬전지로 바꾸니 잠행시간이 45% 늘어났다. 고속운행의 경우에 리튬전지의 장점은 더욱 분명해졌다. 구체적인 수치는 없지만 관련보도를 보면, 고속운행의 경우 속항능력이 스털링엔진때보다 70%가 늘었다고 한다.
둘째, 충전방전시간이 더욱 빨라졌다. 납축전지를 사용할 때, 납축전지에 충전을 다하려면 최소한 몇시간이 필요하다. 다만 지금 설치된 리튬전지는 충전속도가 더욱 빠르다. 1시간이명 충전을 완료한다. 이렇게 되면 잠수함이 수면위에서 머무는 시간을 더욱 줄일 수 있어, 잠수함의 은폐성에 도움이 된다.
셋째, 물속에서 고속항해하는 시간이 증가되었다. 우리는 스털링엔진은 비록 물속에서 전력을 제공하지만 그 일률이 비교적 낮다는 것을 알고 있다. 리튬전지로 바꾼 후에 물속에서 고속항해하는 시간이 크게 증가되었고, 이는 소류급과 다이게이급의 수중엔진능력을 증강시켰다.
넷째, 소음이 더욱 적어졌다. 물속에서 리튬전지를 사용하면 디젤엔진과 스털링엔진을 켜지 않는다. 그래서 큰 기계진동이 없다. 완전히 전지에서 엔진으로 전기를 공급하여, 프로펠러를 구동하거나 펌프를 구동시킨다. 우리는 잠수함의 소음을 알고있다. 그것은 주로 동력구조에서 나온다. 엔진을 켜지 않아서 소류급과 다이게이급의 소음을 크게 감소시킬 수 있었다. 현재 공식 수치는 없다. 그러나 필자의 추정에 따르면, 다이게이급의 소음은 소류급보다 훨씬 적다.

리튬전지의 결점: 쉽게 불이 붙는다.
리튬전지가 좋기는 좋지만, 결점도 있다. 즉 쉽게 불이 붙는다는 것이다. 테슬라로부터 삼성의 핸드폰까지 불이 난 사례가 몇년전에 계속 일어난 바 있다. 다만 일본의 리튬전지기술은 세계제일이다. 리튬전지를 발명한 일본인은 2019년에 노벨상을 받은 요시노 아키라(吉星彰)이다. 리튬전지가 전자공업에서 광범위하게 사용되면서, 일본은 리튬전지에서 최근 몇년단 계속 기술적으로 혁신을 이루었다. 소류급에 사용한 리튬전지는 일본의 전지공급업체 유아사(湯淺)회사에서 만들었다.
2018년 3월 유아사회사는 최긴 리튬전지제품을 출시한다. 일본 소류급의 제11호에 이 신제품이 채택되었다. 이를 보면 일본인들은 자신의 리튬전지기술을 매우 신뢰하고 있는 것같다. 그리고 지금까지 3년이 지났지만, 일본의 리튬전지에서 문제가 발생했다는 말을 들리지 않는다.
타이완은 소류급설계방안을 채택하는 것이 최선의 선택이다.
우리는 일본의 3세대 잠수함 오야시오급, 소류급, 다이게이급을 얘기하면서, 일본이 왜 공기불요추진시스템을 버리고 리튬전지설계방안을 채택하게 되었는지 설명했다. 다시 되돌아 타이완의 경우를 보자. 타이완이 소류급 설계방안을 취하는 것은 최선의 선택이라고 본다. 최선의 선택중 하나가 아니라. 왜 그런가?
첫째, 스털링엔진은 살 수가 없다. 일본의 스털링엔진은 스웨덴에서 생산라이센스를 받아 도입한 것이다. 그래서 스웨덴이 동의하지 않으면 타이완은 스털링엔진을 쓸 수가 없다.
둘째, 일본은 아주 성숙된 잠수함설계와 제조경험을 지니고 있다. 일본의 잠수함은 매년 1척씩 진수하며 30년동안 계속되었다. 이렇게 말할 수 있다. 세계최강의 재래식잠수함 제조역량을 가지고 있다. 일본의 기술을 채택하는 것은 아주 성숙되고 신뢰할 수 있다.
셋째, 리튬전지는 타이완해협의 작전환경에 아주 적합하다. 리튬전지를 한번 충전하면 물속에서 3주 내지 4주간 항해할 수 있다. 우리는 알고 있다. 타이완해협에서 일단 전쟁이 발발하면, 가장 관건적인 것은 첫 1달 내지 2주의 기간이다. 어떤 친구는 타이완에 핵추진잠수함이 있으면 좋다고 하는데, 그럴 필요가 없다. 왜 핵추진잠수함이 필요없을까? 미국, 호주는 핵추진잠수함이 필요하다. 왜냐하면 그들은 먼 바다에서 작전을 수행해야 하기 때문이다. 호주에서 본토에서 남해까지 잠수함을 운행해 와야 하고, 미국은 서해안에서 일본, 타이완까지 와야 한다. 이때는 당연히 핵추진잠수함이 필요하다. 타이완주변해역에서 작전을 수행하는데에는 핵추진잠수함이 그다지 큰 도움이 되지 않는다.
그리고, 타이완잠수함은 물속에서 정음(靜音)효과가 아주 좋다. 은폐성이 크게 제고되었다. 그래서 이상의 몇가지 점을 고려하여 일본 소류급 잠수함 마지막 2척의 설계방안을 채택한 것이다. 리튬전지에 디젤엔진을 조합한. 필자의 생각에 이것은 심사숙고를 거쳐 최선의 방안을 선택한 것으로 생각된다.

日本设计方案和亲潮级采用柴油发动机铅蓄电池后，台湾潜艇使用锂电池。

文章:李昊
台湾的潜艇是以日本苍龙级第11号和第12号为模型设计建造的。 放弃空气不必要推进系统，采用了柴油发动机和锂电池的组合。 那么，日本为什么不使用斯特林发动机呢？ 台湾为什么会在潜艇上使用锂电池呢？
要回答这个问题,我们必须考察日本最近三大潜艇的设计方案 亲潮级柴油发动机采用了铅蓄电池。 小流级采用了瑞典的斯特林发动机，在小流级最后两艘和新建的大鲸级发动机中，日本突然放弃斯特林发动机，在柴油发动机中使用了锂电池的组合。

传统的柴油机潜艇有什么缺点？
我们先来看看传统的柴油机潜艇有什么缺点。 传统的柴油机潜艇在水面上航行时，由柴油机发电，螺旋桨旋转驱动。 同时给电池充电。 但是下到水中后，关闭柴油发动机，依靠全球驱动，旋转螺旋桨前进。 电池用完了要上水面。 因此柴油机潜水艇在水下停留的时间一般是3天到5天。 如果高速航行，仅需几个小时便可浮出水面。 也就是说，在目前的战争环境下，潜艇升入水面的次数越多，被敌人发现的概率就越高。 因此出现了空气不必要推进系统。
所谓空气不必要推进系统，就是潜艇在水中不需要空气，获得前进的动力。 这个简称AIP(Air-independent propulsion)。 其中，最常用的就是斯特灵发动机。

斯特林发动机可以在水中停留2周。
斯特林发动机最初是由英国人发明。 瑞典人最先应用在了自己的哥特兰级潜艇上。 "哥特兰"级潜艇采用"斯特林"发动机后，可以在水中停留两周。 瑞典人怎么会做出这样的事情呢？
斯特林发动机就是通过热膨胀冷水轴的原理将热能转化为机器能量的发动机。 有两个气缸，两个气缸各有活塞。 一个汽缸热，一个汽缸冷 循环开始时，热气缸的气体会引发热膨胀，从而推动活塞运动。 这里需要注意的是，中间的这个机器结构叫做链接。 它使其他气缸的活塞运动起来，使气体进入其他气缸。 这个气缸因为冷而收缩。 气体的压缩引起活塞的上下运动。 随着这种循环的往返，热能转换为机械能。 这就是斯特林发动机。
斯特林发动机的两个汽缸一个是热的，一个是冷的，可以在水中产生动力。 就像柴油发动机一样，无需通过空气燃烧使螺旋桨旋转。
除不需要空气外，斯特林发动机的另一个优点是比较安静。 不会像内燃机一样发生剧烈的燃烧，也不会发生强烈的震动。 它利用气体的热膨胀和冷水轴来驱动链接的运转。
采用斯特林发动机后，瑞典的哥特兰级潜艇在水中以6节的速度航行两周。 2005年，瑞典的哥特兰级潜艇在北约大西洋演习时战胜了美国的核潜艇。
在2005年的另一场演习中，戈特兰级潜艇突破了美军的反潜防御，击中了美国里根号航空母舰。 在美国人看来，哥特兰级潜艇似乎摇晃得不错，因此进行了研究。 因此，2004年美国向瑞典租借了哥特兰级潜艇，在租赁期满后再次延长了1年。

两个弱点日本人突然不再使用。
此后，哥特兰级潜艇和斯特林发动机的声誉大大提高。 另外，日本小流级之前的10艘也安装了两套柴油发动机和四套斯特灵发动机。 最大潜行速度为20级，浮出水面后为13节。 以6节的速度在水中度过了3周。
斯特林发动机这么好，为什么日本人突然不使用呢？ 斯特林发动机较之前纯柴油发动机潜艇升级不少，大大增强了水中运动能力和停留在水下的时间。 但是，斯特林发动机将面临两个问题。 第一，一律(power)下降。 斯特林发动机因气体膨胀和收缩而工作，而哥特兰级一台斯特林发动机的日率仅为75千瓦。 大致相当于100马力。 这是什么概念呢？ 福特翻毛皮达到400马力，小流级柴油发动机达到3900马力。
也就是说，小流级斯特林发动机的日率仅为自己的柴油发动机的1/40。 这还不够吸引一辆私家车的魔力。 这就是为什么在使用斯特林发动机时，无论是瑞典的潜艇还是日本的小流级，都要以不到10公里的速度低速运行的原因。 基本上比人走得快一些。
那么，斯特林发动机的第二个弱点是什么呢？ 就是消耗柴油和液体氧。 斯特林发动机的原理是制造冷源和热源，将热能转换为机器能源。 但是有一个问题。 潜艇的热源从何而来？ 不能用双手搓气缸加热。 Gisil Sterling发动机的热源来自柴油和液氧的燃烧。 因此可以不依赖空气。 但是依赖于液态氧。 潜水艇出舱时必须携带大量的液氧。 这就是为什么能在水中停留两三周的原因。 因为用完液氧就要重新浮起来。

废循环柴油发动机
说到这里，有的朋友会有这样的疑问。 如果斯特林发动机使用液氧和柴油，为什么不直接燃烧液氧和柴油，推进柴油发动机呢？ 这是一个很好的问题。 工程师们确实这么想，也试过。 由此产生的就是AIP系统的第二个常用方式—废循环柴油发动机。
这是什么意思？ 潜艇的液氧和非活性气体，例如氦气混合，供应给柴油发动机燃烧后剩下的气体，再进行处理。 吸收二氧化碳后剩下的氦气再与液氧混合，再供给柴油发动机燃烧。 这样潜水艇就不需要空气了。 氦可以反复使用，氧气则由液氧供应。 只要带上氧气瓶就行。 这就是封闭式循环柴油发动机。 苏联人非常喜欢。 冷战时期建造了30艘Q级潜艇。 只是当时技术还不稳定，Q级潜艇发生火灾，导致液氧爆炸，潜水艇沉没。 所以人们给他起了绰号。 "海上打火机"于70年代初全部解体。
现在让我们来解释一下所谓的"空气不必要推进系统"的3种常见方式。 第一种方式是上面提到的斯特灵发动机。 第二种方式是封闭式循环柴油发动机。 第三是燃料电池。 关于燃料电池，以后有机会再谈。

日本人改装成锂电池。
那么，回到日本的小流级，在日本看来斯特林发动机需要液体氧。 然后2周、3周后再次浮出水面。 那么，不使用斯特林发动机，将铅蓄电池和斯特林发动机的空间全部换成锂电池如何呢？ 锂电池的相同体积，容量是铅蓄电池的 2 3 倍。 这样一来，核潜艇的电量会大大增加吧？ 这种电量充一次电，在水中潜行两三周，性能会不会比斯特林发动机好？
这就是日本人用锂电池换来的主意。 合乎道理。 日本人很聪明。 他们引进了瑞典的斯特林发动机，想到了这个问题。 日本人设计小流级时已经制定了这样的计划。 最后4艘船决定使用锂电池。 他们做了一半后，不是只试验了最后几艘船来换设计，而是从一开始就这么定的。

四大章节
与斯特林发动机增加纳春电池相比，锂电池具有上述优点。 第一，潜行时间更长。 小流级斯特林发动机和铅蓄电池全部换成锂电池，潜行时间增加了45%。 在高速运行方面，锂电池的优点更加明显。 虽然没有具体数据，但从相关报道来看，高速运行的快航能力比斯特林发动机增加了70%。
第二，充电放电时间进一步加快。 使用铅蓄电池时，给铅蓄电池充电至少需要几个小时。 只是现在安装的锂电池充电速度更快。 1小时充完电。 这样一来，潜艇在水面上停留的时间将进一步缩短，有助于潜艇的隐蔽性。
第三，水中高速航行的时间增加了。 我们知道,斯特林发动机虽在水中提供电力,但其日率较低 改为锂电池后，水中高速航行时间大大增加，增强了小流级和大流级水下发动机能力。
第四，噪音更小了。 在水中使用锂电池，不开启柴油发动机和斯特灵发动机。 因此没有大的机械震动。 完全由电池用发动机供电，驱动螺旋桨或泵 我们知道潜艇的噪音。 它主要来自动力结构。 发动机没开，大大降低了小流级和大流级的噪音。 目前没有正式数据。 但据笔者推测，戴革级的噪音远小于小流级。