잠수함의 원리

잠수함의 원리  

잠수함은 수중에서 가라앉아도 안되고, 떠서도 안되며,

중성부력(Neutral Buoyancy)을 유지하여야 한다.

 

중성부력이란 주위의 해수와 잠수함이 같이 어우러지는 상태를 의미하며,

공학적으로는 잠수함의 평균밀도(비중)와 주위 해수의 평균밀도가 동일한 것을 말한다.  

 

   

 

잠수함이 부두에서 출항시 좌측 그림의 ③번 해수탱크에 해수를 충수하여 중성부력으로 조절한다.

이 탱크는 함이 부두에 입항하면 해수를 배출하여 함을 가볍게 만들고,

출항시는 중성부력을 맞추기 위하여 일정량의 해수를 충수한다.

 

그림의 ①, ②는 부력탱크라 하는데,

수상과 수중을 드나들기 위한 목적의 탱크이다.

잠수함이 수중에서 항해 중일 때는 부력탱크에 해수가 충수되어 있다.

이 부력탱크에 압축공기를 불어넣어 해수를 배출하면 잠수함이 수상으로 부상하게 된다.

즉, 수상에서는 주 부력탱크에 압축공기가 들어 있고,

수중에서는 공기 대신 해수가 충수되어 있는 것이다.

 

 

ㅇ 잠수함의 수상항해

 

 

잠수함이 수상항해를 하는 경우는 주로 출.입항시나 아니면 수상에서 항해하여야 하는 특별한 목적이 있을 때 항해하는 모드이다.

그림에서 보는 바와 같이 수상항해 모드에서는 디젤발전기를 구동하여 전력을 생산하고,

여기서 생산된 전력의 일부는 추진모터에 사용하며, 나머지는 축전지를 충전하는 데 사용된다.

디젤발전기의 작동에 필요한 공기는 주 헤치를 통하여 함내로 유입되어 디젤발전기로 흡입된다.

 

 

ㅇ 잠수함의 잠항(수상→수중)

 

통상적으로 잠수함은 전진기동을 하면서 수상에서 수중으로 잠항하거나, 혹은 수중에서 수상으로 항해상태를 변경하게 된다.

잠항이나 부상하는데 있어서 주 부력탱크에만 전적으로 의존하는 것은 아니다.

이때 주 부력탱크에 압축공기를 불어넣거나 배출하면서 동시에 함수와 함미에 장착하고 있는 비행기 날개모양의 수평 타기를 사용하여 수상 혹은 수중으로 기동하게 된다.

 

잠수함이 잠항할 때는 그림에서 보는 바와 같이 수상항해 상태에서 잠수함의 주 부력탱크내의 공기배출밸브를 열고,

수평 타기를 아래로 향하도록 작동하면, 부력탱크 내에 있던 공기가 공기배출밸브쪽으로 빠져나가고, 이 공간에 해수 충수구를 통하여 해수가 충수되면서 함은 수중으로 내려간다.  

 

 

그림에서 중간에 우측으로 배열된 그림은 함의 부력탱크에 어느 정도의 해수가 충수되었는가를 나타내는 그림으로 개념적인 그림이다.

이 과정에서 부력탱크내에 잔여 공기가 남아있는 것을 방지하기 위하여 3~4회 정도 돌고래 모양으로 함의 앞뒤를 흔들어 주는 기동을 한다.

만약에 잠수함이 수중에서 기동할 때 부력탱크 내에 공기방울이 잔존해 있으면 잠수함의 조종에 막대한 영향을 끼친다.

 

1998년 6월 동해안에 침투한 북한의 유고급 잠수정이 수중으로 도주하지 못하고 좌초된 적이 있다.

이것은 장비의 고장으로 함수에 있는 주 부력탱크의 공기를 배출하지 못함으로써 수중으로 도주하지 못했던 것이다.

잠수함에서 부력탱크의 기능을 잘 설명해 주는 사건이었다.

 

 

ㅇ 잠수함의 수중항해

 

재래식 잠수함이 수중에서 항해할 때에는 축전지에 저장된 에너지밖에는 사용할 에너지가 없기 때문에 전적으로 축전지의 성능이 곧 수중항해능력이 되는 것이다.

원자력잠수함이나 최근에 개발되고 있는 공기불요체계(AIP : Air Independent Propulsion)를 제외하고는 현재까지 수중에서 외부공기 없이 에너지를 생산할 수 있는 방법은 없다.

 

현재까지 개발된 재래식잠수함용 축전지는 경제속도로 항해할 때 약 3~5일 정도 항해가 가능하며, 최고속도로 항해하면 약 1 시간 정도의 항해가 가능하다.

 

수중항해 중에는 그야말로 모든 것을 외부와 차단하고 잠수함 독자적으로 행동을 해야 하기 때문에 승조원들은 잠수함 내부에 갇힌 공기를 들여 마셔야 한다.

승조원들은 함내공기 중에 섞여있는 탄산가스를 제거하고 여기에 산소를 추가하면서 계속적으로 갇힌 공기로 호흡을 해야 한다. 

 

 

ㅇ 잠수함의 부상(수중→수상) 

 

 

 

잠수함이 수중에서 수상으로 부상할 때에는 부력탱크 내에 압축공기를 불어넣으면서 동시에 수평 타기를 위로 작동하면 부력탱크에 있던 해수가 해수 충수구로 빠져나가고 함은 수상 쪽으로 부상한다.

 

수상항해시는 부력탱크내부에 압축공기가 채워져 있으며, 공기배출밸브는 닫혀있다.

그러나 실제 부상 시에는 수중에서 바로 부상하는 것이 아니고 함 안전목적상 수상의 상태를 확인하는 절차를 거친 후 부상한다.

 

※ 참고자료
- 재미있는 잠수함 이야기, 양서각, 2000, 최성규 저.