빠른 속도와 무거운 무게 ‘모순의 벽’
해군 함정 기동성 높이려면 무게 줄여야
‘탄소섬유’ 설계했더니 연료소비 48%↓
탄약 적재량 3배로…13일 더 오래 작전전함은 ‘모순’의 결정체라고 볼 수 있습니다. 장기간·장거리 작전을 위해 많은 무기와 연료를 싣지만, 전투에서 승리하기 위해 빠른 속도를 갖춰야 합니다. 적의 포탄에 맞아도 파괴되지 않는 높은 방호력도 필요합니다. 이런 모든 목표를 동시에 달성하는 건 거의 불가능합니다. 그래서 과거엔 무거운 강철로 전함을 감싸고 엔진 출력을 최대한 높이는데 집중했습니다.

‘알루미늄’이라는 더 가벼운 재료가 나왔지만, 강철과 마찬가지로 금속이어서 함선 무게를 줄이는데 한계가 있었습니다. 2차 세계대전 이후 ‘강화플라스틱’(FRP)이라는 신소재에 관심이 쏠렸지만, 전투에 쓸만큼 단단하지 않고 화재에 취약한 게 단점이었습니다. 그래서 길이 50~60m 정도의 소형 경비정에 적용하는 게 전부였습니다.●강철보다 강하면서 가벼워…꿈의 신소재‘탄소섬유’는 발견된 지 이미 100년이 넘었지만, 산업계가 본격적으로 주목하게 된 건 2000년대부터입니다. 충격과 열에 강한 것이 특징인데, 플라스틱과 결합해 ‘탄소섬유 강화 플라스틱’(CFRP)이라는 꿈의 소재로 거듭났습니다. 강철보다 강하고 훨씬 가벼우면서 화재도 일으키지 않는 장점이 있습니다. 과거엔 가격이 비싸 항공우주 분야에 주로 사용됐지만, 대량생산이 가능해지면서 최근엔 자동차, 생활용품 등 다양한 분야로 확산되고 있습니다.

그럼 이 CFRP를 전투에 사용하는 해군 함선에 적용한다면? 국내 연구팀이 실제로 연구해봤더니, 놀라운 성능이 확인됐습니다. 12일 목포해양대, 해군사관학교, 중소조선연구원 연구팀이 한국복합재료학회에 제출한 ‘500t급 탄소섬유 복합소재 경비함 건조가능성 검토’ 보고서를 봤습니다.함선의 경량화는 전 세계 해군이 안간힘을 쓰는 목표입니다. 1995년 출시된 미 해군 특수부대 상륙용 고속정 ‘마크V’는 탄소섬유 복합 소재를 갖췄습니다. 그러나 이 고속정은 길이 25m, 배수량은 60t에 불과해 기술의 진보로 보긴 어려웠습니다. CFRP가 본격적으로 적용된 전투함은 2005년부터 배치된 스웨덴의 만재배수량 640t급 초계함 ‘비스비’입니다. 연구팀은 이 함선의 모양을 바탕으로 ‘모의 설계’ 작업에 착수했습니다.

●만재배수량 25%나 감소…작전 반경 대폭 확대분석 결과 55.5m 길이의 경비함을 기존과 같이 강철·알루미늄 소재로 만들면 만재배수량이 595.6t인 것으로 추정됐습니다. FRP를 써도 561.1t으로 비슷했습니다. 그런데 CFRP를 썼더니 예측 배수량이 443.4t에 불과했습니다. 일반 함정과 비교해 최대 25.6%나 무게를 줄일 수 있다는 겁니다. 배수량은 엔진, 기어박스, 추진기, 통신장비는 물론 승무원까지 모두 포함시켜 계산했습니다.최대 속력 40노트로 운항한다고 가정할 때 CFRP 함정은 강철·알루미늄 소재 함정보다 시간당 연료를 48%나 덜 소비했습니다. 속도는 4노트 빨라졌습니다. 그래서 같은 연료로 107해리(198㎞)를 더 운항할 수 있었고, 작전반경이 훨씬 커졌습니다.

순항속력 15노트로 운항하면 연료 19t, 물 108t을 더 실을 수 있어 강철·알루미늄 함선보다 13일 더 오래 작전할 수 있습니다. 만약 물과 연료를 싣지 않고 무장을 강화하면 76㎜, 40㎜ 함포 포탄 적재량이 3배로 늘어납니다. 더 빨리, 더 오래 항해할 수 있는데다 탄약까지 더 많이 보유할 수 있다면 전투력이 급상승할 겁니다.

이번 보고서에선 언급되지 않았지만, CFRP로 확보할 수 있는 ‘스텔스’ 기능을 감안하면 효용성은 훨씬 높아질 수 있습니다. CFRP는 소재를 쌓아올리는 ‘적층형’ 방식을 주로 이용하는데, 쌓는 과정에 레이더파를 흡수하거나 열전달을 억제하는 소재를 갖추면 함선의 스텔스 기능이 대폭 강화됩니다. 스웨덴의 초계함 비스비도 이런 목적으로 개발됐습니다.●높은 건조비 단점…기술 고도화로 극복해야문제는 이런 첨단 기술을 동원해 함선을 개발할 경우 건조비가 큰 폭으로 상승할 수 있다는 겁니다. 스웨덴의 비스비는 5척을 건조할 예정이었으나, 비슷한 배수량의 함선보다 2배 이상 비싼 가격 때문에 2015년까지 4척을 건조하는데 그쳤습니다.

다만, 최근 수년간 CFRP 기술이 빠른 속도로 고도화되고 대량생산이 이뤄지면서 소재 가격이 낮아지고 있어 함선에 적용할 날이 가까워지고 있습니다. 특히 최근 한국은 탄소섬유 기술 강국으로 부상, 수출까지 하고 있습니다. 지난해 국내에서는 아시아 최초로 20노트급 차세대 고속정이 실제로 개발돼 국제선급 인증을 받기도 했습니다. 관련 소재 연구에 더욱 박차를 가해 더 빠르고 가벼운 차세대 함선 표준을 만들어낼 수 있길 기대합니다.