AIP는 Air Independent propulsion의 약어로 공기가 필요 없는 추진이라는 말이다. 우리말로 ‘공기불요추진체계’라고도 하는데 이 한자식 말이 어려워 근래에는 그냥 AIP라고 많이 사용한다.

잠수함을 추진체계를 기준으로 분류하면 원자력 잠수함과 재래식 잠수함으로 분류할 수 있다. AIP는 공기가 필요 없는 추진체계라는 말인데 그러면 일반적인 잠수함 추진체계는 공기가 필요하다고 이해할 수 있다. 재래식 잠수함은 전기잠수함이다. 프로펠러를 전기모터가 돌려서 추진력을 얻는데 전기모터의 동력은 바로 배터리이다. 배터리는 물론 공기가 없어도 작동한다.

하지만 배터리가 방전된 이후 재충전을 하려면 디젤기관을 작동해야 한다. 결국 디젤기관은 공기가 필요하고 그 공기를 빨아 들이기 위해 잠수함은 수상항해를 하거나 스노클 항해를 해야만 한다.  AIP 잠수함이란 이러한 기존 디젤-전기 추진 이외에 별도의 추진동력을 얻을 수 있는 시스템을 갖춘 잠수함을 말한다.

그러면 원자력잠수함은 AIP 잠수함이 아닐까? 원자력잠수함은 원자로내에서 핵반응으로 동력을 얻기에 공기가 필요없다. 그래서 용어적인 의미로는 AIP가 맞다. 하지만 이 AIP의 개념이 나온 것은 재래식잠수함이 어떻게 공기 없이도 물속에서 동력을 얻을 수 있을 까 하는 것이기에 AIP는 재래식잠수함의 영역에서 사용하고 있다. 

독일의 발터 교수는 1930년대 외부공기 없이도 추진 가능한 잠수함을 개발했다. 이때 연료는 과산화수소(H₂O₂)이었다. 시중에서 소독제로 사용하는 과산화수소수는 농도가 3% 정도이기에 연료로 사용할 수 없다.

순수한 과산화수소는 촉매에 의해 분해돼 고열 증기와 산소를 생성한다. 이것이 디젤 연료와 혼합하여 산소를 연소시키고 고속 터빈을 움직인다.

1940년 발터의 실험 잠수함 V80은 수중속력이 28.1노트에 달했는데, 이 시기 다른 잠수함들의 수중속력은 10노트 이하였다. 독일해군은 350톤급 17형, 1,600톤급 18형, 800톤급 26형 3개타입을 주문했는데, 18과 26형은 건조되지 않았고 17형 7척을 완성했다. 이것이 오늘날 일컫는 AIP잠수함의 시초인데 종전으로 인하여 실제 사용되지 않았고 이후 전승국들은 17형 유보트를 참고하여 AIP 잠수함을 개발했다. 

영국은 독일의 17B형 U-1407을 HMS Meteorite(미디오라이트)함으로 취역시켰다. 1950년대 중반 실험용 발터엔진 잠수함 HMS Explorer(탐험가), HMS Excalibur(마법의 검)을 취역시키고 시험을 했으나 결과는 매우 비효율적이고 폭발위험이 높아 별명으로 HMS exploder(뇌관), HMS excruciating(고통)으로 불려졌다.

소련은 프로젝트 617(Whale) 발터엔진 잠수함 1척을 건조하여 1956년 취역시켰다. 수중 22노트로 당시 소련잠수함 중 가장 빨랐으나, 안전성에 문제가 있어 폭발사고 후 퇴역시켰다. 그리고 프로젝트 615(Quebec)급에 폐회로 디젤엔진을 장착하고 액화산소를 설치했으나 1957년 액화산소 폭발사고가 발생, 프로젝트가 취소되고 원자력잠수함 개발에 매진했다.

미국은 유보트 17형, U-1406과 26형에 계획된 7,500마력 엔진을 확보해 폐회로 발터엔진을 시험해 오다 잠수함 원자로가 개발되면서 이 프로젝트를 취소했다. 실험용으로 사용했던 소형잠수함 X-1, 하이브리드 디젤·과산화물 추진잠수함은 1973년까지 실험함으로 유지하다 현재 박물관에 전시하고 있다.

세계 최초의 원자력잠수함인 미국의 노틸러스함은 1958년 북극빙하 밑으로 성공적으로 항해하게 되고, 이어서 소련의 K-3 잠수함이 1962년 북극을 통과함으로써 원자력잠수함시대가 되었고 잠수함선진국들의 AIP에 대한 관심은 사라졌다.

1980년대에 들어서면서 재래식 잠수함을 운용하는 나라들은 원자력잠수함보다 가격이 싸면서 수중에 오래 머무를 수 있는 잠수함 개발에 관심을 가지기 시작했다. 1988년 스웨덴은 잠수함 탑재가 가능한 최초의 AIP 스털링엔진을 개발하였고, 1996년 최초의 현대식 AIP 잠수함 Gotland함을 취역시켰다.

이 시기부터 여러 가지 방식의 AIP가 개발되었다. 지금까지 개발된 AIP는 폐회로 디젤 엔진(closed-cycle diesel engines), 폐회로 증기 터빈(closed-cycle steam turbines), 스털링 엔진(stirling engines), 연료전지(fuel cells) 총 4가지가 있다. 

폐회로 디젤 엔진은 재래식잠수함이 기존 사용하는 디젤엔진을 수중에서 저장된 액화산소로 공기를 공급해서 수중에서 엔진을 작동하고 배기가스는 해수와 섞어 함외로 배출하는 방식이다. 이는 이미 설치된 디젤엔진을 사용할 수 있는 장점이 있는 반면, 액화산소 저장 공간이 제한되고, 액화산소 사용시 폭발 위험과 디젤엔진 작동시 소음이 발생하는 단점을 지녔다. 독일은 이를 시험용으로 독일 205급에 탑재하여 사용한 바 있으나 현실화 되지는 않았다.

폐회로 증기 터빈은 재래식 스팀 터빈을 이용하는 방식으로, 스팀은 에탄올과 압축 산소(850psi로 저장) 연소로 생성하고 압력 점화 후 이산화탄소를 배기 압축기 없이 어떤 심도에서도 외부로 배출해야 한다. 이는 모든 AIP중 가장 출력이 좋다는 장점이 있는 반면, 산소소모율이 높고. 효율이 낮다는 단점이 있다. 이는 프랑스 MESMA 시스템에 적용하여 프랑스 수출용 재래식 잠수함 스콜피온급과 아고스타 개량형에 적용되었다. 

스털링 엔진은 열엔진으로 실린더 상부에 냉각기가 있고, 하부에 가열기가 있어서 압축과 팽창을 반복하며 피스톤이 열을 받으면 올라가고, 냉각되면 내려가면서 열에너지가 기계적 작동으로 전환되는 원리이다. 매우 간단한 메커니즘이고 상대적으로 조용하다는 장점이 있는 반면, 출력에 비해 엔진이 크고, 출력 조절이 어렵다는 단점이 있다. 스털링 엔진은 스웨덴, 일본 잠수함에 적용되었고 중국도 사용하는 것으로 알려져 있다. 

연료전지는 저장된 수소와 산소를 전기화학 변환장치를 통하여 전기와 물, 열을 생산하는 방식으로 지속적인 출력이 가능하고 배출물로 물을 생산한다는 장점이 있는 반면, 폭발성이 높은 수소를 저장해야 하고, 출력이 낮다는 단점이 있다. 독일의 자국 및 수출용 잠수함에 적용되었으며 스페인과, 인도, 러시아에도 사용되고 있고, 우리나라도 손원일급과 도산안창호급에 사용중이다. 

AIP 잠수함은 재래식 잠수함의 잠항시간을 대폭 증대시킬 수 있는 장점이 있다. AIP가 없는 잠수함은 스노클 없이 잠항시간이 3~4일이지만 AIP잠수함은 스노클 없이 3주에서 1달까지 잠항항해가 가능하다. 이렇게 수중지속항해 시간이 길어지면 적에게 탐지될 가능성도 낮아져 황해 등 얕은 바다에서 은밀작전이 가능하다. 

AIP 잠수함에도 한계는 존재한다. 출력이 제한적이어서 저속에서만 사용할 수 있다. 수중 고속항해에는 부적합하다. 저장된 연료를 소모하고 나면 해상에서는 재충전이 안 된다는 제한점도 있다. 원자력잠수함보다는 훨씬 싸지만 AIP가 없는 잠수함보다는 별도의 설치 비용과 소모용 연료 비용이 많이 들어가고, 훈련과 정비에 추가 노력이 필요한 단점도 있다.

이러한 한계보다 장점이 더 크기에 오늘날에는 약 13개국이 AIP 잠수함을 운용하고 있고, 앞으로도 운용국은 더 늘어날 추세여서 AIP 잠수함은 미래의 재래식 잠수함을 주도할 것으로 보인다. 한편, 스털링 AIP를 사용하던 일본은 AIP를 제거하고 고성능 리튬배터리 만을 사용하여 타이게이급 신형잠수함을 건조했다. .

오늘날 재래식잠수함(비원자력잠수함)의 추진체계는 다양해져 가고 있다. 배터리의 성능도 급속히 발전하고 있고, AIP도 그 성능이 급격히 발전하고 있다. 앞으로 재래식잠수함의 추진동력을 고성능 배터리가 평정할 지 아니면 AIP가 평정할 지 또 아니면 복합적으로 가게 될 지 지켜보아야 하겠다. // 최일 잠수함 연구소장

P.S. 경남 김해에 있는 잠수함연구소는 국내 최대규모의 세계 잠수함 기록물 전시관(International Submarine Archive)입니다. 이메일 kommandantchoi@gmail.com으로 방문을 신청할 수 있습니다.