2.1 어뢰의 구성부

대부분의 어뢰는 선수가 유선형으로 원기둥 모양을 띠고 있다. 발사관 또한 당연히 어뢰를 탑재할 수 있도록 원기둥 형상으로 되어있다. 어뢰의 형상은 기능을 수행할 수 있는 범위 내에서 최대한 빠른 속도를 낼 수 있도록 유선형으로 만들어진다. 저항을 최소로 하는 구조를 가져야 에너지 소비를 줄일 수 있고 추진계통을 최적화 하여 빠른 속도를 구현할 수 있기 때문이다.

어뢰는 능동 및 수동으로 표적 위치를 식별하는 음향 탐지부, 표적에 충돌하거나 근접 시 폭발하는 탄두부, 식별된 표적위치로 어뢰가 주행되도록 제어하는 유도제어부, 어뢰의 수중추진을 담담 하는 추진 장치부로 구성된다. 이중 음향 탐지부는 표적을 탐지하고 탐지된 표적 정보를 유도 제어부에 전달하여 수상함 및 잠수함 표적을 공격하도록 하는 역할을 담당한다.

다음 그림에서와 같이 우리나라의 대표적인 어뢰는 중어뢰 백상어와 경어뢰 청상어가 있다. 크기와 발사 플랫폼에 따라 구분하지만, 전체적인 구성이나 형상은 동일하다. 역시 표적을 탐지하는 방법도 두 가지 모드로 동일한데, 표적으로부터 방사되는 음향신호를 분석하는 수동모드와 어뢰에서 송신된 음향신호가 표적으로부터 방향 되는 음향신호를 수신하여 분석하는 능동 모드로 구분된다.

운용목적에 따라 탄부부의 교체로 연습어뢰와 전투어뢰로 구분 가능하다. 두 어뢰 모두 각 구성품 이 독특한 고유의 기능을 갖도록 구성되어 있으며, 수밀 및 정비 유지의 용이성을 위하여 음향탐지부, 전투 탄두부, 유도제어부, 추진전지부, 동력 장치부 등 크게 5가지로 구성 된다^(27-40).

그림. 1. 어뢰 체계 형상과 구성부 ⁽¹⁾

Fig. 1. Torpedo system shape and section ⁽¹⁾

그림. 2. 경어뢰 발사장면_수상함 ⁽¹⁾

Fig. 2. Light torpedo launch scene_warship ⁽¹⁾

그림. 3. 중어뢰 발사장면_잠수함 ⁽¹⁾

Fig. 3. Heavy torpedo launch scene_submarine ⁽¹⁾

2.2 음향탐지부

그림. 4. 어뢰의 표적 탐지 기술 ⁽¹⁾

Fig. 4. Torpedo target detection ⁽¹⁾

그림. 5. 어뢰음향 탐지기술 ⁽⁴⁾

Fig. 5. Torpedo sound detection technology ⁽⁴⁾

그림. 6. 소나 탐지 방식 ⁽⁴⁾

Fig. 6. Sonar detection method ⁽⁴⁾

2.2.1 음향전환장치

그림. 7. 압전 세라믹 소자를 이용한 수중 트랜스듀서 ⁽⁵⁾

Fig. 7. Underwater transducer using piezo-electric ceramic element ⁽⁵⁾

음향전환장치는 신호처리장치로부터 인가되는 송신 출력 신호를 음향 신호로 변환하여 수중으로 송신 빔을 방사하는 송신기능과 송신 빔에 의한 표적발사신호 또는 표적에서 발생되는 표적방사소음을 전기적 신호로 변환 하여 수신 신호를 신호처리장치로 출력하는 수신기능을 수행하는 장치로 나뉜다.

어뢰의 가장 앞쪽에 위치하고, 신호변환(전기신호 ↔ 음향신호)을 위한 여러 개의 음향 센서(압전형진동소자)로 구성되어있다. 압전 세라믹 소자의 원리는 압전 현상을 이용한 것으로 세라믹에 인가된 전류의 세기를 일정한 주파수로 변화시켜 진동하면 동일한 주파수의 음파를 만들어 낸다. 압전 세라믹 소자를 이용한 트랜스듀서는 해군 수중무기체계의 음향탐지 및 유도제어의 핵심 센서로서 수상함, 잠수함 등에 사용하는 어뢰, 기만기, 예인배열소나시스템에 장착되는 중요 부품이다.

여러개의 음향센서를 배열로 구성해 빔을 형성하면 송수신 전압을 높일 수 있고, 송신시간을 제어하는 방법으로 빔을 조향할 수 있다. 음향센서를 배열할 때 일반적으로 그림 8과 같이 평면 배열을 이용하면 시제 구현과 빔 형성 및 빔 조향 등이 용이하다. 반면 그림 9와 같이 곡면배열일 경우 빔폭이 넓어 탐지각이 매우 큰 장점이 있으며 주행 시 전면부가곡면이기 때문에 저항이 감소하는 효과가 있다^(53-54).

그림. 8. 평면배열, 러시아 UGST ⁽⁹⁾

Fig. 8. Planar array, Russia UGST ⁽⁹⁾

그림. 9. 곡면배열, 독일 DM2A4 ⁽¹⁰⁾

Fig. 9. Conformal array, Germany DM2A4 ⁽¹⁰⁾

2.3 탄두부

어뢰에 장착된 탄두에 따라 폭발 방식은 Direct Damage, Bubble Jet Effect, Shaking Effect 3가지로 분류할 수 있다. Direct Damage 방식은 직접 타격을 가하는 공격방식이며 어뢰가 표적에 충돌하면 타격을 당한 부위에 관통이 되거나 움푹 들어가게 된다. 어뢰와 표적의 충돌 시 탄체 및 충격신관에 순간적으로 큰 가속도가 가해진다. 이러한 가속도가 설정한 조건이상으로 가해질 경우 기폭관에 에너지가 인가되어 탄두를 폭발 시키게 된다. 경어뢰의 경우 구조상 작은 사이즈 때문에 탄약량의 증대가 어렵고 폭발력이 떨어진다. 그래서 화약의 형태를 가운데가 오목한 깔대기 모양으로 변형시켜서 폭발 위력이 분산되지 않고 집중될 수 있는 성형작약(Shaped Charge)을 사용함으로서 지향성 에너지에 의해 선체 관통 능력을 증대 시키고 있다.

Bubble Jet Effect 방식은 간접 공격방식이며 어뢰가 표적과의 일정거리에 도달하게 되면 주위의 자기장 변화에 의해 근접신관이 작동한다. 신관에 의한 어뢰의 수중 폭발 시 발생하는 충격파가 수중으로 전파되고, 이어서 고온, 고압의 폭발 가스로 인해 버블이 형성된다. 이때의 충격으로 적함의 선체는 두 조각으로 된다. 중어뢰의 경우 크기의 증대로 폭약량이 많아짐에 따라 주로 이 방식을 사용한다.

Shaking Effect는 강력한 충격파로 선체를 흔드는 방식이다. 이때 선체에는 수백에서 수천 개의 작은 균열이 발생하고 각종 장치 및 파이프 등에 심각한 손상을 입힐 수 있다. 승조원의 경우 충격파로 인해 신체에 심각한 부상 및 사망에 이를 수 있다^(58-59).

그림. 10. 중어뢰에 의한 선체폭발 장면

Fig. 10. Warship explosion scene by heavy torpedo

신관은 어뢰의 저장, 취급 또는 운용 시 안전을 보장하고, 어뢰가 표적에 충돌할 때 또는 접근할 때 탄두를 기폭 시키는 장치로서 기계식 안전장치, 전자식 안전장치로 구성되고, 폭발 방식에 따라 근접 신관(Proximate Fuze)과 충격신관(Contact Fuze)으로 분류할 수 있다^(60-61).

2.4 유도제어부

유도제어부는 유도조종장치(GCU : Guidance Control Unit)와 관성측정장치(IMU : Inertial Measurement Unit)로 구성되며, 어뢰가 표적에 명중되기까지 자세, 방향 및 운용 특성 등을 제어하며 최적의 유도 궤적을 생성하도록 모든 데이터를 내부에서 계산하여 어뢰를 표적에 명중하도록 작동기를 제어한다.

그림. 11. 수중운동체 유도, 제어, 항법구조 개념도 ⁽⁴⁾

Fig. 11. Concept map of underwater vehicle movement guidance, control, navigation structur ⁽⁴⁾

그리고 유도제어부의 역할은 발사 전/후 두 단계로 나누어 수행이 된다. 발사 전 과정은 함 내의 사격통제장치로부터 사전 입력 값을 받아 유도 로직을 수행할 준비를 하며, 어뢰의 정상 상태를 판단하게 된다. 발사 후 과정은 음향탐지부에서 입력되는 표적 정보와 관성측정장치, 속도계, 심도계 센서에서 입력되는 자세, 속도, 위치 정보 등을 타각 정보로 산출하게 된다. 산출된 타각 정보는 추진부에 있는 상하 방향타와 좌우 승강타를 제어하여 어뢰가 표적에 도달할 수 있게 해준다^(62-77).

2.5 전지부

그림. 12. 어뢰 SUT의 전투용 전지 ⁽⁶⁾

Fig. 12. Torpedo SUT combat battery ⁽⁶⁾

그림. 13. 어뢰 SUT의 연습용 전지 셀 ⁽⁶⁾

Fig. 13. Torpedo SUT exercise battery ⁽⁶⁾

그림. 14. 중 어뢰 전투용 전지 형상 ⁽⁶⁾

Fig. 14. Heavy torpedo combat battery shape ⁽⁶⁾

그림. 15. 경 어뢰 해수 전지 형상 ⁽⁶⁾

Fig. 15. Light torpedo seawater battery shape ⁽⁶⁾

최근에는 안전성 및 에너지효율 면에서 우수한 리튬폴리머, 리튬이온 전지가 사용된다. 리튬폴리머 전지는 타 2차전지의 에너지밀도 비교 시 납축전지의 4배, 니켈금속합금전지의 2배 이상의 높은 에너지 밀도를 가질 수 있으므로 소형화 경량화의 장점이 있다^(80-93).

그림 14는 백상어의 대표적인 전투용 전지이다. 특징으로는 발사 신호 전 비활성화 상태이고, 전해액 누액 센서가 내장되어있다. 안전밸브를 이용한 불의의 활성화 방지 시스템이 구성되어 있고, 저온 성능향상을 위한 히팅 시스템이 내부에 내장되어 있다.

그림 15는 청상어의 전지이다. 특징으로는 운송/보관 시 비활성 상태를 유지하고, 외부의 압력변화에 무난한 Hull 구조를 자기고 있다. 전해액 순환시스템에 의한 가스분리 및 배출이 가능하고, 중 어뢰용 전지와 마찬가지로 저온 성능 향상을 위한 히팅 시스템이 내장되어 있다.

2.6 추진부

추진부는 어뢰가 설정목표경로로 이동할 수 있는 추진동력을 발생시키는 장치이다. 유도제어부로부터 속도 명령 및 타각 명령을 지령 받으면 목표 위치로의 이동을 위해 추력을 발생시키고, 승강타와 방향타를 구동하여 자세제어를 한다. 추진부의 구성으로는 추진전동기, 회전축, 구동타, 로터, 덕트, 작동기 등으로 구성되어있다.

2.6.1 추진전동기

그림. 16. 중어뢰용 직류직권 전동기 ⁽³⁾

Fig. 16. DC series motor for Heavy torpedo ⁽³⁾

그림. 17. 경어뢰용 BLDC전동기 ⁽³⁾

Fig. 17. BLDC motor for light torpedo ⁽³⁾

추진전동기는 전지부로부터 전원을 받아 프로펠러의 회전력을 이용하여 원하는 속도로 추진하는 동력원이다. 군사용으로 사용되고 있는 전동기는 많은 것이 고려되지만 그 중 가장 기본적인 설계 개념이 경량화와 고출력이 요구된다. 따라서 기존의 내연기관 추진방식 대신 전기식 추진방식으로 대체 되는 추세이다. 추진전동기는 직류전동기 중심으로 단일 방향 및 반전방향 전동기로 크게 두 가지로 나눌 수 있고, 중어뢰용은 반전 전동기 형태로 내 외부 전기자 및 계자세트가 서로 반전하는 직류직권 전동기로서 어뢰의 프로펠러를 양방향으로 회전시켜 Rolling Moment를 없애 명중률을 높이는 특징이 있다. 경어뢰용은 고속 단일 전동기로 사용하고 있다^(100-103).

현재는 기존의 직류 전동기에서 고효율, 고 출력, 고 토크, 제어 용이성 및 낮은 고장율 등의 장점을 가지고 있는 영구 자석형 BLDC (Brushless DC) 전동기를 사용하는 추세이다. BLDC 전동기는 회전자에 부착된 영구자석에 의해 계자가 발생되고 고정자에는 전기자 전류가 입력되어 서로 직교하는 힘에 의해 회전력을 발생 시키는 전동기로써 기본적으로는 DC 전동기의 원리와 같으나, 회전자에 전원을 공급하고 제어하는 방식에서는 큰 차이가 있다. 일반적인 DC전동기는 브러쉬를 이용한 기계적인 제어방식이나, BLDC전동기는 전력소자(제어반, 스위칭 소자, 속도/위치 검출기 등)를 이용한 전기적인 제어방식이다. 청상어는 7상 6극의 다상 BLDC 전동기를 채용하여 운용 중에 있다^(104-108).

2.6.3 로터와 덕트

그림. 18. 중어뢰 백상어 추진부 ⁽⁸⁾

Fig. 18. Heavy torpedo white shark propulsion section ⁽⁸⁾

그림. 19. 중어뢰 백상어의 로터와 덕트 ⁽¹¹⁾

Fig. 19. Heavy torpedo white shark of rotors and ducts ⁽¹¹⁾

어뢰의 추진기는 저소음과, 유연한 회전, 높은 회전 효율등의 이유로 펌프제트(Pump Jet) 방식을 사용한다. 펌프제트는 많은 날개를 가지고 회전하는 로터(Rotor), 회전하지 않는 스테이터(Stator) 및 로터를 둘러싸는 덕트(Duct)로 구성되어 있다. 펌프제트 추진기는 한쪽 방향으로 회전하는 로터와 회전 반대방향으로 작용하는 힘을 상쇄하기 위한 스테이터로 구성된 방식, 서로 반대 방향으로 회전하는 로터를 각각 1개씩 적용한 이중반전 추진방식으로 구분된다. 이중반전 추진방식을 구현하기 위해서는 추진전동기도 추진기에 힘을 전달하는 내축과 외축을 각각 반대방향으로 회전시킬 수 있어야한다^(109-112).

그림. 20. 어뢰의 펌프제트 방식 추진기 ⁽¹⁾

Fig. 20. Torpedo pump jet propeller ⁽¹⁾

펌프제트는 로터와 스테이터의 위치에 따라 전류 스테이터 펌프제트(Pre-swirl pumpjet), 후류 스테이터 펌프제트(Post-swirl pumpjet) 및 반전 로터 펌프제트(Contra-rotating pumpjet)로 구분하고 있다. 전류 스테이터 펌프제트는 대부분 잠수함에 적용되고 있으며, 후류 스테이터 펌트제트와 반전 로터 펌프제트는 어뢰의 추진기로 채택되고 있다.

전류 스테이터 펌프제트는 전류 스테이터에 의한 유입 유동의 정류로 비정상에 의한 진동 및 소음을 감소시킬 수 있으며, 비정상성에 의한 유입 유동의 입사각의 변화로 야기되는 캐비테이션 발생을 감소시키는 장점이 있다. 그러나, 스테이터의 항력 발생으로 추진 효율을 저하시키는 단점이 있으며, 어뢰에서 필요로 하는 토오크 균형을 유지하기 힘든 단점이 있다. 후류 스테이터 펌프제트는 스테이터에 의한 추력 분담으로 효율 및 캐비테이션 성능의 향상을 가져올 수 있으며, 후류 스테이터에 의해 후류 회전 모멘트를 제거함으로써 토오크 균형을 유지할 수 있어 어뢰의 추진장치로 많이 활용되고 있다. 그러나, 반전 로터 펌프제트에 비하여 비설계점에서는 토오크 불균형이 증가할 수 있다. 반전 로터 펌프제트는 두 개의 로터에 의한 추력 분담으로 추진 효율 및 캐비테이션 성능을 향상시킬 수 있으며, 설계점 및 비설계점에서 토오크 균형의 유지가 가능하다. 그러나, 두 개의 로터를 회전시키기 위해서는 기계적으로 복잡한 축계 구조를 필요로 한다^(113-116).

2.6.4 회전축 및 구동타

회전축은 추진전동기에서 전달된 회전력과 회전속도를 로터에 전달하는 기능을 한다. 구동타와 가동타는 작동기의 회전축에 연결되어 어뢰의 운동을 제어하는 역할을 한다.

그림. 21. 어뢰 추진부의 구동타 및 가동타 ⁽⁷⁾

Fig. 21. Drive and movable rudders of torpedo propulsion section