해병대에 필요한 날으는 배

언젠가 영화에서 비행기가 배처럼 수면을 스치듯이 날아가는 장면을 본 적이 있었다. 그런데 우리나라에서도 그런 비행체인 ‘위그선’이 1m 부상하여 바다위를 날으는데 성공하였다. 북한이 서해안의 갯벌에서도 속도를 낼 수 있는 공기부양정을 많이 보유하고 있는 현실 속에서 상용 위그선의 군용화에 대한 가능성은 매우 높다고 본다.

현재 해병대의 수송임무가 UH-1H 2대로 운영되고 있는 실정을 감안할 때 위그선과 같은 기종이 무기체계화하여 획득이 가능하다면 각 군별로 특히 해병대에서 가장 유용하게 활용될 수 있을 것이다. 위그선을 개발한 (주)인피니티기술의 이재국 사장을 만나 위그선이 부상되어 시운전에 성공하기까지의 과정과 군용화 가능성에 대하여 알아보았다.





1. 위그선 연구개발의 취지와 목적은?



해면 효과익선(WIG: Wing-In-Ground Effect Ship: 이하 위그선)은 1960년대 초부터 러시아가 군사목적으로 개발을 시작한 새로운 개념의 해상 운송 수단이며, 수면 위를 일정높이로 떠서 운항함에도 불구하고 국제해사기구IMO(International Maritime Organization)와 국제 민간 항공 기구(ICAO: International Civil Aviation Organization)의 협약에 의해 선박으로 분류된다.



위그선은 운송비용이 고가인 항공기의 단점과, 저속인 선박의 단점을 동시에 해결할 수 있는 획기적인 차세대 운송 수단으로 각광 받아왔으며, 위그선 개발 및 상용화의 성공은 곧, 해상 물류체계의 혁신으로 이어져 물류비용을 획기적으로 절감할 수 있을 것으로 판단되어졌다. 또한 수상에서 이·착수가 가능하므로 공항이나 항구 건설과 같은 대규모 사회간접자본의 투자가 필요 없으며 육지로부터 중장거리이며 지리적 및 경제적 여건으로 볼 때 선박 또는 항공기의 투입이 어려운 도서지역의 교통 대체수단으로 활용이 기대되어왔다.



그러나 이러한 위그선의 여러 가지 장점에도 불구하고, 위그선은 파도가 높은 해역에서 이수전저항의 증가로 파랑중 이수 속도에 도달하지 못해 이·착수가 어려워지고 운항률이 낮아져 경제성이 떨어지는 치명적인 약점 때문에 상용화 및 군수용에 치명적인 약점으로 지적되어 왔다.



이에 (주)인피니티기술에서는 상용화를 위한 애로 기술이 극복된 위그선을 개발하여 치명적 문제점인 파랑중 이착수 문제점을 보완하면 위그선의 시장 수요를 폭발적으로 증대시킬 뿐만 아니라 현재 상담중인 수출 계약에 결정적 영향을 미쳐 엄청난 부가가치 창출 및 조선선진 기술의 확보한 우위를 점할 수 있는 기회 제공할 것으로 판단하여 2000년 4월에 20인승급 소형 위그선 개발을 시작하였다.

현재 인피니티의 특수선 설계기술과 한국해양연구원등 정부 출연 연구소에서 보유하고 있는 설계 평가, 성능 평가 등의 기술을 접목시켜, 20인승급의 축소형 모델인 속력 120㎞/h의 4인승급 위그선을 개발 상용화함으로써, 이를 기반으로 10인승 및 20인승은 물론 200인승 여객선 및 대형 화물운반 위그선 등의 설계 및 상용화를 목표로 개발을 추진하게 된 것이다.



해면효과(=지면효과 :Ground Effect)는 물속을 달리는 수중익이 수면에 근접할수록 효율이 떨어지는 반면, 공기중을 항행하고 있는 날개는 수면에 가까워질수록 효율이 향상된다는 원리이다. 즉, 양력은 증가하지만 저항은 그다지 증가하지 않는다는 원리<그림 1>를 이용한 것이다.

위와 같은 이유로 해면효과를 이용한 위그선을 운용하면 추진효율이 향상되고, 따라서 연비가 향상되어 경제성이 뛰어나고, 항공기처럼 수상 2~3m를 떠서 운항함으로 기존 초고속선에 비하여 2~10배(120~500㎞/h)까지의 빠른 속력을 얻을 수 있다.

위그선이 차세대 해상운송 시스템으로 각광 받는 이유가 또 하나 있다. 그것은 바로 수송효율이다. <그림 2>는 Karman-Gabrelli의 수송효율 도표이다. 이 도표는 지금까지 개발된 수송수단의 속도-양항력비를 나타낸 것으로서, 현재까지 개발된 수송수단은 모두 Karman-Gabrelli선(이하 K-G선) 밑에 위치한다. 이 선이 공학적인 수송효율의 한계선이며, 이 선에 근접하면 효율이 좋다고 할 수 있다. 저속에서는 300이상의 양항력비를 가진 대형선박(도표에서는 ship)이 효율이 우수하며, 100㎞/h부근에서는 기차가 양항력비 100정도로, 500㎞/h이상에서는 항공기가 양항력비 10-20의 범위로 효율이 우수함을 알 수 있다.



배수량선(도표에서는 ship)은 30㎞/h이하의 속도에서 효율이 우수하나, 그 이상의 속도에서는 효율이 저하된다. 최근 인기가 있었던 초고속선 (도표에서는 hovercraft, hydrofoil)은 50-100㎞/h범위에서 양항력비 10이하이다. 같은 속도에서 기차가 100이상, 자동차가 30부근임을 감안하면 매우 적은 수치이다. 즉, 수송효율이 기차나 자동차에 비해 3배 이상 낮으며, 이것이 초고속선의 치명적 약점이다. 이 약점을 극복하기 위해 초고속선의 대형화가 중요하며 이를 위해 최근 많은 연구개발이 진행되고 있다.



이 도표를 자세히 보면 K-G선을 따라 고효율의 수송수단이 개발되어 있지만, Delta Zone영역의 수송수단이 없음을 알 수 있다. 속도 100-500㎞/h, 양항력비 10-40의 영역이다. 이 도표는 이 영역의 수송수단의 출현을 예고하고 있다. 국내외에서 개발에 몰두하고 있는 내륙수송수단인 자기부상 초고속 열차가 그 일례이다. 항공분야의 저속화, 고효율화가 달성된 수송수단의 출현도 기대된다. 해상에서 이 속도의 영역으로 항주할 수 있는 선박은 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)에 의하여 선박으로 분류된 위그선이 유일하다고 할 수 있다





2. 개발기간과 양산 시점은 언제이며, 개발비용은 얼마나 소요되었는지?



현재 개발된 4인승급 위그선은 (주)인피니티기술에서 개발 목표하는 20인승급 위그선의 축적비1/2.4 축소형 모델로 20인승급 위그선을 개발하는 과정에서 도출된 상품이었다.



4인승급 위그선의 개발은 총 3단계로 진행되며 진행 과정 및 내용은 다음과 같다.



4인승급 위그선 개발

쪾개발기간 : 2001. 4~2003. 7 (총 39개월)

1단계: 기본 성능 검증

(2000. 4~2002. 3)

쪾개발 완료: 현재의 위그선이고 판매중임

2단계: 자세제어 및 충돌회피

시스템 탑재

(2002. 5~2003. 2)

능동형 자세제어 및 충돌회피시스템이 탑재되고 자동항법이 가능한 위그선

3단계: 양산화 단계

(2003. 3~2003. 7)



쪾개발소요예산: 총 9.5억 (현재까지 6.5억 소요됨)



(주)인피니티기술은 현재 보유하고 있는 초고속선 기술을 바탕으로, 1999년부터 위그선의 시장성 및 기술적 타당성을 검토하였으며, 2000년 위그선의 본격적인 기본설계에 착수하였다. 개발을 위한 초기 설계요건으로는



첫째, 위그선의 최대약점이었던 유의파고 1.5m의 파랑중에서 이·착수가 가능한 선형 설계,

둘째, 구조적 측면에서 비행기와 초고속선 구조를 결합한 구조방식으로써의 경량화를 고려한 구조의 최적화,

세째, 해면효과를 고려한 익형/선형의 최적화로 설정 하였으며,



완료된 기본설계<그림 3>를 바탕으로 1/5축소 무인 시험선<그림 4>을 제작하여 성능파악시험을 거치는 동안 4번의 선형수정과 2번의 익형 변경 등 다양한 조건에서 실제시험을 통한 최적화 단계를 거쳐 4인승급 유인 시험선 건조에 착수하였고, 4인승급 유인 시험선<그림 5>은 2001년 8월 건조를 시작, 2002년 3월 완공하여 4월부터 현재까지 인천 앞 바다에서 성공적인 실해역 시운전을 수행하였으며, 시운전 결과 시제선은 만족할 만한 성능을 보여줌으로써 설계의 타당성이 검증되었다.



시험선은 선체를 경량화하기 위해 Carbon Sandwich Composite 재질을 사용하였고 초고속선 규정(HSC CODE)을 엄격히 적용하여 100% 구조강도를 만족시켰으며, 수중에서의 저항을 최소화 할 수 있는 최적의 선형을 구현함으로써, 파랑중 이·착수성능을 파고 1.5m까지 가능토록 하였다. 또한, 민수용 임을 감안, 저속에서의 자세 안정성을 혁신적으로 보완하였다.



현재 양산을 계획중인 모델은 갈매기 4호선과 동일한 방법으로 설계 및 1/5축소모형시험을 거쳐 개발된 쌍동형(Catamaran Type)의 위그선<그림 6>으로써, 갈매기 4호에 비하여 ‘횡방향 안정성’(ROLL축 안정성)이 더욱 보완되었다는 평을 받고 있다. 이 쌍동형(Catamaran Type) 위그선은 9월 말부터 양산 예정에 있으며 초기 3개월에 1척 이후, 년간 10척을 생산할 계획이며 생산량은 수요량에 맞추어 증·감할 예정이다.





3. 수요처의 상황에 따라 다르겠지만 양산시 최대 탑승 인원과 주요 활동 지역에 대하여?



현재에 개발된 것은 4인승급(조종자 포함)으로 객실 개조를 통해 최대 5명까지 탑승가능하며 설계 및 건조경험에서 축적된 설계 및 건조기술 등을 바탕으로, 10인승(Catamaran Type) 및 20인승(Mono-Hull Type) 위그선 설계에 착수한 상태이며, 10인승은 내년에, 20인승급은 3년 내에 실선화 시킬 계획이다.



현재 4인승급 위그선의 용도 및 수요처로는

◇ 수상 레저 스포츠 및 항공 클럽

◇ 국내 연해 및 도서지역의 관광객 운송용의 Sea Taxi

◇ 해상구난, 긴급방제, 밀입국감시, 긴급출동용 해양 방위 등과 같은 해양경찰업무 지원용

◇ 병원선 및 신속작전지원 등의 특수선

◇ 밀수단속과 같은 정확한 세관 감시를 위한 우수한 기동성 및 초고속이 가능한 세관선

◇ 해양 및 강, 호수 등의 수질 감시선

◇ 수자원공사의 강 및 댐관리선

◇ 항공 해상 관측용



개발되고 있는 10 ~20인승급의 수요처로는

◇ 여객선 및 관광용

◇ 병원선

◇ 해난구조 및 해양 경비

◇ 세관정

◇ 군전술적 운용

가. 탐색 작전

나. 구조 작전 (고도 300m 필요)

다. 상륙작전 및 특수작전 지원

라. 대함 작전

마. 기뢰전 (공격기뢰 부설)



그러나, 위그선의 실용화가 이루어지고 대형화되면, 그 수요처 및 활동 지역은 폭발적으로 확대될 것으로 보인다. 수요가 예상되는 지역으로는 Sea-Air-Land가 인접한 지역 또는 Sea-Air-Land의 복합운송지역으로 극동아시아지역, 지중해지역, 카리브해지역 등을 들 수 있다. 특히 극동아시아 물류의 중심지인 우리나라의 경우 hub port가 될 영종도 신공항을 중심으로 새로운 물류수송체계가 정립되어져야 하며, 위그선의 새로운 역할이 기대된다.



예를 들면 인천 ↔ 중국의 경우 위그선의 소요시간은 <그림 7>에서 보는 바와 같이 2 - 4 시간으로 기존의 선박과는 차별화 되며 항공기와도 대등한 조건을 가지므로 신공항과의 연계수단으로 매우 적합하다. 특히 공항설비가 없는 중국의 위해, 연태, 청도, 대련 등지와의 여객 및 항공화물의 연계수단으로는 매우 적합하다.



또한 국내의 경우(통일 후) 신의주, 평양, 해주, 군산, 목포 등 서해안지역의 승객 및 항공화물은 김포공항(국내선)을 경유하여 신공항으로 이동하는 것보다는 위그선을 이용하여 직접 신공항으로 접근하는 것이 효율적이며 또한 시간을 많이 절약할 수 있다. 즉, 위그선을 이용할 경우 우리나라의 전 도서뿐만 아니라 중국 동안 및 일본의 서안까지도 위그선을 활용한 일일 생활권(표 1 및 그림 7참조)이 될 수 있다는 이야기다.





4. 국방규격화를 따라야하는 군용과 민수용은 차이점이 확실히 있다고 보는데, 군수용으로도 전환이 가능하다면 위그선이 국방품질 요구조건에 맞도록 어떻게 설계가 되어 있는지?



위그선 개발을 위한 TLR(Top Level Requirement) 작성시 무기획득체계를 고려하지 않고 민수화를 위한 애로기술 극복에 중점을 두어 별도의 국방규격화 작업은 수행하지 않았다.

다만, 개발시 위그선은 각 단계별로 철저하게 초고속선 규정(HSC CODE)를 준용하였고 피로강도를 고려한 구조 설계에 MIL-STD-810를 적용하였다. 따라서 안전성 및 운용성에는 전혀 문제가 없을 것으로 보인다.

추후 10~20인승급 위그선의 군수요 창출을 위해 국방규격화가 필수적이라 판단된다.





5. 위그선과 같이 ‘날아다니는 배’의 역할을 하는 군수용 제품이 다른 나라에는 어떻게 편재되어 있는지?



러시아는 1960년대부터 군사목적으로 위그선을 개발한 결과, 초고속으로 항해할 수 있고, 활주로 없이 수면에 직접 이착륙하여 적의 레이더에 노출되지 않는 특성을 보이는 위그선을 확보하여 군수물자 수송용, 대 잠수함 작전용, 상륙지원용, 해상 구난용으로 사용하였다. 그 외에 위그선을 개발중인 나라로는 독일, 중국, 일본 등에 지나지 않으며 이들 국가들 모두 민수용 목적으로 상용화를 위한 개발의 단계이며 실전에 배치된 예는 러시아를 제외하곤 없는 것으로 알려져 있다. 다음은 러시아의 실전배치의 예 및 그 외의 국가의 개발현황이다.



5.1 러시아



1972년에 건조된 Orlyonok는 140톤급 중형 위그선으로 가장 성공적인 작품으로 평가되고 있으며 1985년에 시운전된 Lun은 400톤급으로서 전술한 KM을 개량 발전시킨 것으로서 1987년 유도탄 함정으로 실전 배치되었다. 다음은 대표적인 러시아의 위그선사진 및 제원들이다.



5.2 독일



1960년에서 1970년대에 A. Lippisch가 연구한 Lippisch-Wing 형태의 X-112, 113, 114형 위그선을 개발하였다. 그 중, X-114형은 1977년 RFB사가 서독 정부의 지원하에 개발한 6인승 순시 및 인명구조용 위그선이다.

이후, 80인승의 위그 여객선의 상품화를 목표로 국가의 지원을 받아 2개의 각각 독립된 기관에서 연구 개발중이다. Fischer Flugmechanik사에서는 Proto Type으로서 HW-2VT을 개발하였고, Techno Trans E.V.사에서는 VT-01모델을 제안하였다. 모두 2인승급으로서 시운전을 성공적으로 수행하였다.



가장 성공적인 모델로 평가되는 것이 HW-2VT Hoverwing이다. 추진기의 후류를 포획하여 표면 효과선과 같은 구조를 갖는 선체에 공기를 공급한다. 이수시 표면효과 선과 같은 성능을 갖기 때문에 정수에서의 이수에는 효과적이라고 판단되나, 파랑중의 성능에는 의심의 여지가 많다.

5.3 중국



해양설계연구소(MARIC)에서 1985년 PAR-Wing(Power Augmented Ram-Wing) 형태의 Type-751을 개발하였으며 최근 20인승급 위그선을 건조하여 관광용으로 호수에서 운항중이다. 이 선박은 기본적으로 러시아의 Volga-II<그림 5)와 같은 형상을 지녔으며 내항성능이 취약하여 해상용으로는 사용이 어렵다.

또한, 중국 선박과학센터(CSSRC)에서는 1992년 4인승 XTW-1과 1995년 14인승 XTW-2를 개발하였으며, 현재 20인승급 실용화를 목표로 연구개발 중에 있다.





6. 위그선이 군수용으로 사용된다면 어떤 임무를 수행할 수 있는지요?



해면 효과익선의 강점은 초고속 기동성과 탑재능력의 조화 그리고 수면 위를 낮게 운항함으로써 레이더에 의한 피탐 가능성이 적으며 수상 이착륙이 가능하다는데 있다. 전술했듯이 위그선은 군사목적으로 러시아에서 처음 개발되었으나 파랑중 이·착수능력의 한계(유의파고 0.3m)로 활용 여건이 극히 제한적이었으며 위그선 상용화의 가장 큰 장애물로 여겨져 왔다.



그러나, (주)인피니티기술에서 개발한 위그선은 그 동안 위그선의 치명적인 약점으로 지적되어왔던 파랑중 이·착수 성능을 획기적으로 향상, 유의파고 1.5m에서 이·착수가 가능한 설계능력을 보유함으로써 상업적 용도는 물론 군사목적으로 활용도가 한층 넓어졌다고 할 수 있겠다.



위그선의 성능을 현재 전술적으로 운용되고 있는 유사기종과 비교해보면(표 2) 위그선의 군사적 목적 이용시의 장점을 파악할 수 있으며, 군수용으로서 다음과 같은 임무에 활용이 기대된다.



(1) 탐색 및 구조작전



위그선을 해양에서 탐색 및 구조작전에 투입할 경우 대단히 유용할 수 있다. 위그선은 항공기에 버금가는 빠른 속력으로 신속하게 조난해역으로 이동할 수 있으며, 항공기와 동일한 고도에서도 탐색이 가능하며, 특히 수면에 가까운 근접고도에서 정밀 수색을 할 수 있다는 장점이 있다. 이번에 개발된 위그선은 국제 해사기구(IMO)에 의해 일반선박으로 이용할 경우 고도의 제한(150m)을 받으나, 군사목적으로 사용할 경우 예외가 됨으로써 기존 위그선의 개념에서 규정되었던 저고도에서 비효과적인 시각탐색 범위 및 통신전파 수신거리가 짧아진다는 제약은 받지 않는다고 볼 수 있다. 특히 수면 이착륙이 가능함으로 조난자의 근접 경호 및 구호가 가능하다.



(2) 상륙작전지원



상륙작전 지원용으로 위그선을 이용할 경우 표 2 에서 보여주듯이 위그선은 공기부양선(40kts)에 비해 5배의 빠른 속력(190kts)으로 지원물자 및 병력을 수송할 수 있으며, 특히 위그선은 수면과 접하지 않음으로 적 기뢰부설 지역 통과시, 공기부양선 보다 빠르고 안전하게 통과할 수 있다. 수송능력 면에서 헬기와 단순 비교할 경우 10대의 헬기는 1회에 12톤의 화물을 수송할 수 있는데 반하여 중형급 위그선 3척은 60톤을 수송할 수 있기 때문에 헬기 보다 5배의 수송력을 발휘할 수 있다.

그러므로 상륙수송용으로 중·대형 위그선을 3~4척정도 보유시 이를 평상시에는 해상수송이나 해난 구조용으로 운용하고, 유사시에는 상륙작전에 운용할 수 있기 때문에 효과를 극대화 할 수 있다.



(3) 특수작전



위그선을 군사목적으로 사용할 경우 가장 유리한 점이 수상 이착륙 및 레이더에 의한 피탐 가능성이 없다는 것이다. 이런 점에서 중·소형 위그선은 특수임무 지원용으로 활용도가 매우 높다. 특히 위그선은 스텔스처럼 반사 단면적이 작기 때문에 적의 경비망이나 레이더에 포착되지 않고 해안에 접근이 가능하다. 현재 북한이 침투용으로 사용하고있는 반 잠수고속정과 위그선을 비교 해보면 (표 3)에서 보는 바와 같이 속력은 위그선이 2.5배 이상 빠르다는 것을 알 수 있다. 소음 면에서는 반 잠수정과 비슷하다고 가정하여도 위그선은 수중 방사소음이 없기 때문에 적에게 노출될 가능성은 크게 감소된다.



(4) 대함작전



위그선을 소형에서부터 대형까지 단계적으로 군사적 목적으로 확보할 경우, 항만 방어를 위한 경비정, 연안 경비를 위한 초고속정, 대함 작전을 위한 유도탄정 등에 이르기까지 다양한 임무수행이 가능하리라 예상된다.

위그선은 속력이 대단히 빠를 뿐 아니라 육상, 갯벌이 있는 해안, 수심이 얕은 지역, 양식장 등의 장애물 지역에 구애를 받지 않고 비행이 가능하기 때문에 의심선박의 검문 검색이 가능하며, 정밀 검색이 필요할 경우에는 선박을 정선시킨 후 해상에 착수하여 저속이동 및 정지간 검색이 가능하다.

북한의 경우 130여 척의 공기부양정을 자체 건조하여 운용하고 있으며, 공기부양정은 해상은 물론 갯벌에서도 기동이 가능하여, 1척당 지상군 1개 소대 규모의 무장 병력을 승선시켜 동·서해안 대부분의 지역에 접안이 가능하다. 특히 50kts의 고속기동성으로 생존성을 제고시킬 수 있는 장점이 있어 동시 다발적인 기습상륙공격에 운용될 수 있다.

위그선은 적의 이러한 공기부양선의 침투에 효과적인 대응 수단이 될 수 있다. 즉, 중·대형 위그선에 대함, 대공 탐색 레이더를 탑재해서 운용할 경우 초고속으로 넓은 해역을 감시할 수 있어 조기경보 등의 임무수행에 적합하다. 특히 수심이 낮고 갯벌이 많은 서해안의 경우 고속정이나 초계함으로 공기부양정에 대한 상륙작전을 방어하기에는 적합하지 않기 때문에 위그의 효용성은 더욱 크다할 수 있다.

중·대형 위그선의 경우 200kts의 속력으로 해면상을 기동하기 때문에 적의 지대공 유도탄으로는 공격이 불가능하며, 대함 유도탄으로부터의 회피성능이 우수하여 생존성이 높다. 위그선은 고속기동으로 원거리공격 및 회피능력 면에서 유리하므로 함대함 유도탄이나 함대지 유도탄을 탑재해서 수상전력으로 운용한다면 대함 작전이나 지상군에 대한 기습 화력지원전력으로서도 활용이 가능하다.



(5)기뢰전



기뢰부설 수단으로는 수상함, 잠수함, 항공기를 이용하는 것이 일반적이다. 유사시 위그선을 적 해역에 대한 공격기뢰 부설수단으로 이용할 경우 잠수함처럼 은밀하지는 못하지만 초고속으로 신속하게 접근하여 부설 후 철수할 수 있으며, 탑재량이 많아 일시에 대량의 부설이 가능하고 필요시 반복작전을 수행할 수 있다.





7. 한국 해양연구원과 연구개발을 함께 한 것으로 알고 있는데 개발 과정에서 있었던 일 중 가장 보람 있었던 일과 힘들었던 일이 있다면?



축소모형시험시 북한강에서 여름에 시작된 시험은 겨울까지 이어졌고 겨울이 되자 대부분의 호수와 하천이 결빙되어 얼지 않은 시험장소를 찾아 전국을 헤맸다. 막상 시험장소를 결정하고 나면 그 전날까지 얼지 않았던 시험장소가 밤새 꽁꽁 얼어서…

올초 시험선을 인천 앞바다에 이동하여 시험은 시작되고, 숱한 시행착오 끝에 첫 실해역 시운전을 하던 순간까지도 긴장은 계속됐다. 초봄 황사는 왜 그리도 심하고 한겨울보다도 더 매서운 초봄 바닷가, 그러나 그 많은 노력에도 위그선은 이수에 실패하고, 뜨지 않았다. 선체의 모든 부분을 다시 점검하고, 재조립 및 교정하기를 3개월 여, 위그선이 떴다. 누구의 입에서 먼저라고 할 수없이 ‘야! 떴다, 완전히 떴다’라는 말이 연신 흘러 나왔다.