AIP 잠수함이란 무엇인가요?

키워드 : 항공자립발전소(AIP)

폐쇄사이클 디젤 스털링엔진 연료전지

서문

재래식 디젤-전기 잠수함의 수중 체공 시간과 거리, 스노클의 노출률 감소, 재래식 잠수함의 전투 효율성 향상 등 세계 주요 해군은 공기역학 장치(AIP)를 탑재한 하이브리드 디젤-전기 잠수함을 활발하게 개발하고 있으며, 독일, 영국, 스웨덴, 네덜란드 등 [1].

세계 여러 나라의 AIP 개발 이력과 현황을 살펴보면 우리가 선택할 수 있는 AIP 솔루션은 폐쇄사이클디젤엔진(CCD) AIP, 스털링엔진(SE) AIP, 연료전지 등이다. (FC) AIP. 이 세 가지 AIP 체계는 다양한 해군에 의해 채택되었습니다[1]. 예를 들어, 영국과 네덜란드는 CCDAIP 체계를 채택했고, 스웨덴은 SEAIP 체계를 채택했으며, 독일은 FCAIP 체계를 채택했습니다.

이 기사에서는 세 가지 유형의 AIP 장치의 구성 및 작동 원리를 소개하고, 다양한 AIP 솔루션의 특성을 분석 및 비교하며, 우리나라의 재래식 잠수함용 AIP 개발에 대한 의견을 제시합니다.

다양한 AIP 기술 원리 및 장치의 구성

폐쇄 사이클 디젤 엔진 AIP(CCDAIP)

폐쇄 사이클 디젤 엔진을 발전기 원동기로 사용하는 시스템입니다. . 디젤 엔진이 공기 공급 없이 작동하려면, 시뮬레이션된 공기 구성의 흡입 가스가 제공되어 디젤 엔진이 점화되고 연소될 수 있어야 합니다. 이를 위해 디젤엔진에서 배출되는 배기가스에 CO2 가스의 일부가 CO2 흡수기를 거쳐 흡수되고, 배기가스 중 미흡수된 부분에 적당량의 산소를 첨가하여 인공적인 분위기를 형성하게 된다. 그러나 이 인공 대기의 CO2 함량은 항상 신선한 공기보다 높기 때문에 일반 표준 디젤 엔진이 폐쇄된 환경에서 정상적으로 작동하도록 하기 위해 인공 공기의 비열 값은 일반 공기의 비열 값보다 낮습니다. 사이클 상태에서는 일반적으로 재순환 가스에 적당량이 추가됩니다. 단원자 가스 아르곤은 혼합 인공 대기의 비열 비율을 일반 공기의 비열 비율과 일치시킵니다. 이러한 방식으로 디젤 엔진은 폐쇄 사이클 상태 또는 개방 공기 공급으로 정상적으로 작동하여 개폐를 실현할 수 있습니다. 디젤엔진 배기가스 중의 CO2를 효율적으로 흡수하기 위해서는 먼저 온도 350~400℃, 압력 0.2~0.5Mpa의 배기가스를 80~100℃까지 분무 냉각해야 한다. 냉각된 배기가스는 CO2 해수 흡수 장치로 보내져 해수가 CO2 가스를 완전히 용해 및 흡수하고, 다른 구성 가스는 흡수 장치에서 소량 흡수됩니다. "세척된" 배기 가스는 혼합 챔버로 들어가 산소 및 아르곤과 혼합된 후 재활용됩니다. 다량의 용존 CO2를 함유한 해수는 해수처리시스템(WMS)을 통해 선외로 배출됩니다. 해수처리 시스템은 심해 에너지를 이용하여 많은 에너지(300m 다이빙 시 30bar)를 소비하지 않고 저압의 해수(2~5bar)를 심해로 방출하는 반면, 워터펌프의 전력 소모는 이를 극복하기 위해 사용된다. 흐름 저항이 있으므로 전력 소비가 적고 전체 장치가 더 효율적입니다.

AIP 시스템 전체를 조화롭게 작동시키기 위해 컴퓨터 제어 시스템을 구축해 수처리 시스템의 해수 흐름, 산소 공급 등을 제어해 전체 시스템이 원활하게 작동하도록 한다. 정상적인 작동을 보장하기 위해 디젤 엔진 부하 및 잠수함 다이빙 깊이의 변화에 ​​적응할 수 있습니다.

산소 공급을 보장하기 위해 CCDAIP는 더 큰 용량의 액체 산소 탱크(액체 산소 저장 온도 -180°C)를 설치했습니다. 아르곤 가스 소비량은 매우 작기 때문에 AIP 장치에는 더 작은 부피의 아르곤 가스 병 몇 개만으로도 충분합니다.

스털링 엔진 AIP(SEAIP)

스털링 엔진(SE) AIP는 공기 독립형 스털링 엔진을 발전기 원동기로 사용합니다. 스털링 엔진은 외부 가열식 연속 연소 엔진으로, 외부 연소의 고온 가스를 사용하여 가열 튜브를 통해 내부 순환 작동 유체를 가열합니다(선박용 스털링 엔진은 일반적으로 내부 순환 작동 유체로 헬륨을 사용합니다). 유체 열팽창으로 인해 피스톤이 작동하여 엔진이 샤프트 동력을 출력하게 됩니다. 공기가 없는 조건에서 엔진이 지속적으로 작동하려면 연소와 열을 위한 산소의 지속적인 공급도 필요하므로 SEAIP에는 더 큰 용량의 액체 산소 탱크도 장착되어 있습니다. 연소 후 배기가스를 제거하기 위해 선택할 수 있는 두 가지 방법이 있습니다. 하나는 배기가스 압력을 이용하여 해수로 직접 배출하는 방법인데, 이는 높은 연소압력(약 30bar)이 필요하며, 미연소 O2는 배기가스와 함께 선외로 직접 배출되어 미연소 O2가스와 CO2가 생성된다. 녹을 시간이 없습니다. 공기가 바다 표면으로 올라갑니다.

또 다른 방법은 CCDAIP 시스템과 같은 배기 냉각, O2 해수 흡수 장치 및 물 관리 시스템을 장착하는 것입니다. 이 장치는 배기 가스를 직접 배출하는 방법보다 복잡하지만 연소 압력을 낮출 수 있으며 연소가 발생하지 않습니다. 다이빙 깊이의 영향을 받으며 버블 트랙이 생성되고 은폐 기능이 향상됩니다.

연료전지FC(FCAIP).?

독일 해상 시험용 선박에 장착된 연료전지는 수소-산소 연료전지의 기본 작동원리이다. 수소와 산소의 반응으로 직접 전기를 생산하는 동안 부산물은 물뿐인데, 이는 전기분해를 통해 물을 분해하는 것과 정확히 반대되는 과정입니다. 연료전지는 수소와 산소를 지속적으로 공급해야 하기 때문에 AIP 장치는 더 큰 용량의 액체산소탱크를 갖춰야 할 뿐만 아니라 더 큰 용량의 액체수소 저장탱크도 갖춰야 한다. 액체산소는 훨씬 더 많습니다.

2 세계 3대 잠수함 AIP 기술의 장단점 비교

3대 AIP의 특성 분석

CCD-AIP에서는, 디젤 엔진 자체는 큰 개선이 거의 필요하지 않습니다. 호스트 기술은 성숙되어 있으며 재순환 가스 혼합, 배기 가스 분사 냉각, CO2 해수 흡수 원리 및 수처리 시스템 원리와 같은 기타 보조 시스템 문제가 관련 단위에서 연구되었습니다. 이며, 큰 기술적 위험은 없습니다. 따라서 CCDAIP의 개발은 낮은 기술적 리스크와 낮은 투자(예를 들어 CCD 도입 비용이 150만 달러에 불과)로 달성 가능하며, 우리의 기술 및 산업 수준이 갖춰지면 최대한 빨리 확보할 수 있습니다. 달성. 물론 상대적으로 말하면 디젤 엔진 자체의 구조적 소음과 공기 소음은 상대적으로 크지만 현대의 제진 기술은 제진 후 디젤 엔진의 소음 지수가 요구 사항을 완전히 충족하도록 할 수 있습니다. 수처리 시스템은 에너지를 덜 소비하기 때문에 CCDAIP 시스템의 효율은 35%에 달할 수 있습니다.

SE-AIP의 주 엔진은 외부 연속 연소로 작동 유체를 가열하여 작업을 수행하므로 디젤 엔진에 비해 구조 소음과 공기 소음이 적습니다. 그것의 주요 특징. 현재 우리나라는 효율이 35%인 75kW 스털링 원리 프로토타입을 개발했습니다. 디젤 엔진에 비해 효율이 약간 낮고 기술 성숙도에 큰 격차가 있어 작동 신뢰성을 추가로 테스트해야 합니다. 현재 고성능 히터 소재, 히터 헤드의 균일한 작동 온도, 균일한 작동 유체의 흐름, 작동 유체의 밀봉, 전력 제어, 압력 연소 등 더욱 해결해야 할 기술적인 문제가 있습니다. 따라서 SEAIP 개발에는 필연적으로 대규모 투자가 필요하며(예: 열풍기 도입에는 300만 달러, 캐빈에는 1억 달러 필요) 기술적인 위험도 CCDAIP보다 높습니다. 한국은 스웨덴 스털링 엔진을 도입한 뒤 부품의 40~70%를 자체 생산할 수 없다고 판단해 SEAIP 계획을 거부했다고 한다. 다른 소식에 따르면 호주는 평가 테스트를 위해 스웨덴에서 열풍기를 구입했지만 3개월 내에 정격 출력에 도달하지 못해 거절당했다고 합니다. 이에 따라 SEAIP 개발 주기도 길어질 것입니다.

연료전지는 중량 대비 에너지 비율이 가장 높고 효율이 높으며(최대 50~60%) 배기가스를 거의 배출하지 않고 조용하게 항해할 수 있습니다. 그러나 잠수함에 액체수소를 저장하는 데는 기술적 어려움이 크다. 동시에 수소는 폭발성 및 가연성이 있기 때문에 수소 사용에 대한 엄격한 안전 요구 사항이 있으며 장치의 멤브레인은 미국에서 수입해야 하며 국내 생산 능력은 없습니다. 연료전지 기술은 어렵고 높은 산업 기반을 필요로 한다고 볼 수 있는데, 보트에 연료전지를 AIP 동력으로 사용하려면 높은 기술 보유량이 필요하고, 우리나라의 연료전지 연구 수준은 아직 상대적으로 낮다. 따라서 FCAIP가 개발되면 개발주기가 길어지고(최소 10~15년 정도 소요될 것으로 추정) 투자금액도 엄청날 것이다. 직접 개발하려면 최소 1억 위안의 비용이 소요되며 동시에 기술적 위험도 높습니다.

위 3가지 유형의 AIP는 각각의 성능지수를 종합적으로 평가해 특정 성능이 가장 좋을 경우 '좋음', 중간 정도의 성능을 보이는 경우 ''로 분류된다. "보통"이고 성능이 낮은 것은 "상대적"으로 분류됩니다. "나쁨"(참고: "나쁨"은 성능이 잠수함 사용 요구 사항을 충족할 수 없다는 의미가 아니라 비교하여 "나쁨"을 의미할 뿐입니다. 3명과 함께). 두 개 또는 세 개의 AIP 간에 성능에 있어 뚜렷한 이점이 없는 경우 둘 다 "양호" 또는 "중간"으로 간주됩니다.

비교 결과는 다음과 같습니다.

표 13 AIP 성능 지수 평가 AIP 방식 성능 지수 CCDAIP SEAIP FCAIP 범위 중간 중간 좋음 잠수 수심 중간 중간 좋음 저소음 수준 나쁨 중간 좋음 선외 열 방출 매체 보통 좋음 개발 비용이 좋다 약간 나쁘다 운영 비용이 좋다 약간 나쁘다 개발 주기가 좋다 약간 나쁘다 기기 안전성이 좋다 보통 좋다 유지 관리 성능이 좋다 보통 좋다 개발 경험이 좋다 약간 나쁘다

의견

CCDAIP 디젤 엔진 기술은 매우 성숙하기 때문에 진동 및 소음 감소 후 진동 및 소음은 기존 잠수함의 "조용한" 요구 사항을 충족할 수 있으며 개발 비용이 낮고 주기가 짧으며 위험이 적고 결과가 좋습니다. 따라서 CCDAIP는 심도 있게 연구되어 실용화를 지향하고 있습니다. SEAIP는 우리나라에도 일정한 기술 기반을 갖추고 있으며 기술이 성숙되면 보트 적재 성능이 향상되므로 미래가 있는 AIP이기도 합니다. 연료전지는 높은 위험성, 높은 비용, 긴 개발 주기로 인해 뛰어난 성능에도 불구하고 실제적인 여건으로 인해 최근 적용 전망이 크게 제한되어 있습니다. 그러나 이것이 향후 개발의 주요 방향이며 우리가 해야 할 일은 다음과 같습니다. 기술 추적 분야에서 좋은 일을 했습니다.

기존 디젤엔진 호스트 기술을 CCDAIP 실험연구에 활용하면 폐쇄사이클 디젤엔진을 빠르게 개발할 수 있을 뿐만 아니라 CO2 흡수장치, 수처리 등 보조시스템 개발에도 성공할 수 있을 것으로 예상된다. 실험적 개발을 통해 주 엔진과 보조 엔진 시스템을 동시에 개발할 수 있으며 AIP 잠수함의 실현이 멀지 않을 것입니다.

또한 CCDAIP의 CO2 용해 및 배출 기술, 액체 산소 저장 기술 등이 SEAIP에 이식될 수 있기 때문에 CCDAIP를 조속히 개발하면 SEAIP의 연구 활동이 촉진될 수 있다는 점도 주목해야 한다. 따라서 상대적으로 짧은 기간에 CCDAIP의 성공적인 개발은 SEAIP의 연구 개발을 촉진할 수 있습니다.

요컨대, 국제 및 주변 국가의 재래식 잠수함 AIP 현황에 따르면 재래식 잠수함 장비 AIP는 필연적인 발전 추세이다. 그러나 AIP는 첨단기술, 첨단기술이기 때문에 전적으로 수입에 의존한다면 남의 통제를 받을 가능성이 크다. 그러므로 우리는 우리나라의 AIP, 특히 CCDAIP의 연구개발을 가속화하고, 가능한 한 빨리 투자를 늘리며, AIP 시스템에 대한 연구를 강화하여 가능한 한 빨리 실제 보트를 장비하고 해양의 기능을 최대한 발휘할 수 있도록 해야 합니다. 재래식 잠수함의 위력.