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J. KIMS Technol > Volume 27(5); 2024 > Article
잠수함 항해레이더 적용 가능한 수중케이블 설계

Abstract

Since the creation of the first submarine telegraph cable connecting England and France in 1850, today, due to the rapid development of the Internet and Communications fields, the demand for submarine communication cables has increased and continues to develop. Submarine cables are designed and manufactured to be suitable for the maritime environment, and many parts are imported from overseas, and several domestic cable manufacturers are producing them for commercial purposes. Field-proven and reliable commercial submarine communication cable technology is also being applied to the military field, and is especially actively utilized in naval surface ships and submarines. This paper is about the design of an underwater cable applicable to submarine(KSS-III Bach-II) navigation radar and also is to secure the performance of an underwater cable with bending durability in extreme marine environments, emergency diving, and repeated mast raising and lowering. Finally, we hop that the domestic development of underwater cables will help improve the performance of navigation radars for submarines.

1. 서 론

1850년 영국과 프랑스를 연결하는 최초의 해저 전신 케이블 제작 이래로, 오늘날 해저용 통신 케이블 개발은 지속적으로 발전하고 있으며, 지구를 하나로 서로연결해 주는 무선통신 및 인터넷 발전에 기여하고 있다[1]. 해저케이블은 상업용으로 발전하면서 통신 및 해상 풍력 발전소 등에 적용되고 있으며, 특히 해저케이블이 극한의 해상환경에 적합하도록 급속도로 발전되고 있다. 이러한 상업용 해저케이블 설계 및 제작공정 발전으로 해외 도입에서 점차 국산화 개발로 접어들고 있고, 역수출 단계까지 이르렀다. 상업용 해저케이블 제품 성능향상으로, 군사 분야, 특히 해군의 함상 및 수중용 장비에 적용되는 케이블에 해저케이블 기술이 적용되고 있으며, 성능도 해외 도입 품보다 우수한 것으로 평가받고 있다.
본 논문에서 소개되는 잠수함(KSS-III Batch-II) 항해레이더에 적용되는 수중케이블은 극한의 해상환경 및 긴급 잠항 등에 의한 극저온과 충격을 극복해야 하며, 반복적인 마스트(Mast)의 상승과 하강에 따른 굽힘(Bending) 내구성에 대한 성능이 보장되어야 한다. 초기 한국형 잠수함(Korea Submarine, KSS) 사업에 적용된 수중케이블들은 해외 도입으로 적용 되어졌고, 작전 운용 중 발생하는 문제점들에 대한 후속 조치가 일정 내에 이루어지지 않아 국산화 개발이 절실히 필요한 실정이다. 이에, 수중케이블 국산화 개발을 착수하게 되었고, 잠수함(KSS-III Batch-II) 항해레이더의 운용환경을 고려한 수중케이블의 요구조건을 만족하도록 선재설계, 시제품의 제작과 검증을 수행하였다.
본 논문의 2장에서는 수중케이블 설계에 관한 것으로 잠수함(KSS-III Batch-II) 항해레이더의 기본 구성과 각 장비들 간의 계통도, 다음으로는 수중케이블 요구조건, 선재에 대한 물리적, 전기적 설계 내용에 대해 언급했고. 3장에서는 수중케이블 제작공정 및 환경시험(수압)을 통한 검증 내용을 언급하였다. 마지막으로 4장에서는 결론 및 향후 계획에 대해 제시하였다.

2. 수중케이블 설계

2.1 잠수함(KSS-III Batch-II) 항해레이더 구성

잠수함(KSS-III Batch-II) 항해레이더 구성은 해상환경에 직접적으로 영향을 받는 선체 외부에 설치되는 함외 장비와 승조원들이 생활하는 선체 내부에 설치되는 함내 장비로 구분한다. 주요 구성은 Fig. 1과 같이, 함외 장비는 레이더표적 식별과 항해레이더의 운용에 필요한 제어 및 장비의 정상 유무(Built In Test, BIT)를 파악하는 함교전시기, 레이더 신호를 송신하고 표적에 의해 반사되는 신호를 수신하는 안테나, 360° 안테나 회전을 위한 안테나구동기, 레이더 신호를 생성 및 증폭하고, 미약한 수신신호를 증폭 및 하향 변환하는 펄스(압축) 송수신기와 저피탐(Low Probability Intercept, LPI) 송수신기가 있고, 2개의 송수신기를 보호하는 송수신하우징으로 구성되어 있다. 펄스(압축)송수신기는 전형적인 펄스(Pulse)레이더 모드에서 사용되는 장비이고, 저피탐(LPI) 송수신기는 잠수함의 작전 은밀성을 보장하기 위해 낮은 송신 전력으로 표적탐지를 위한 장비이다. 함내 장비는 안테나구동기를 제어하는 안테나 구동 제어장치, 레이더 신호를 처리하고 각 장비에 대한 제어 및 점검신호(BIT)를 수집을 하는 레이더 데이터 서버(Radar Data Sever, RDS)가 있고, 레이더 표적 비디오 신호를 전시하는 보조영상전환장치로 구성되어 있다. 함외 장비와 함내 장비의 설치공간은 물리적으로 분리되어 있으며, 관통 구(Pressure Hull Penetrator, PHP)를 이용하여 전기적으로 장비들 간 연결이 되는 구조를 가지고 있다. 또한 잠수함(KSS-III Batch-II) 항해레이더 운용 소프트웨어와 각 장비별 정비지원 목적으로 정비 지원 장비 소프트웨어가 구성되어 있다.
Fig. 1.
The equipment configuration diagram of KSS-III Batch-II Navigation Radar
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잠수함(KSS-III Batch-II) 항해레이더의 운용환경은 앞부분에 언급했듯이, 극한의 해상환경과 수압에 대한 성능보장이 요구되기 때문에 본 논문에서는 수중케이블의 수압 60 bar에서 수밀 및 전기적 특성이 보장되는 것을 목표로, 수중케이블의 선재설계, 제작공정 및 성능검증에 대해 제시하였다.

2.2 수중케이블 요구조건

잠수함(KSS-III Batch-II) 항해레이더 수중케이블의 요구조건 분석은 Table 1과 같이 잠수함 체계에서 제시된 요구사항으로부터 시작된다. 잠수함의 특성상 잠항과 수상을 반복하는 관계로, 수심에 따른 극저온에서 혹서기의 복사열로 외기온도 상승을 감안 한 운용온도 범위까지 요구된다. 수밀 요구사항은 해수 및 수심에 따른 수압특성으로 잠수함의 작전 수심까지 성능보장이 되어야 하며, 수중케이블의 굽힘반경(Bending Radius, BR)은 함외 장비가 마스트(Mast)에 장착되어 상승 및 하강을 반복적으로 운용되어 제한이 요구된다.
Table 1.
The requirements for underwater cables o KSS-III Batch-II Navigation Radar
항목 요구내용 요구수준
운용온도 운용온도 만족 -28 ∼ +50 ℃
수밀 수압조건을 만족 시험압력: 60 bar
굽힘반경(BR) 최대 허용 반경만족 케이블 외경(D: Diameter)의10배 또는 15배

2.3 수중케이블 설계

2.2절의 수중케이블 요구조건을 만족하기 위해, 물리적, 전기적 측면에서 설계를 진행하였다. 수중케이블은 Fig. 2와 같이 4개의 장치와 4개의 관통 구(PHP)로 연결되는 구조이며, 함교전시기용, 안테나구동기 제어용, 안테나구동기 전원용, 그리고 송수신하우징용으로 구분되어 있다. 함교전시기용은 이더넷(Ethernet)통신으로 선재는 Enhanced category 5(C5e)로 구성되어 있고, 안테나구동기 제어용은 안테나의 방위각 정보, 제어 및 전원 선으로 구성되어 있으며, 안테나구동기 전원용은 고전류용 전원선이며, 송수신하우징용은 시스템 클럭 및 무선(Radio Frequency, RF)신호용 동축선, 펄스(압축) 및 저피탐(LPI)송수신기용 전원선 및 제어선의 복합 구성으로 되어 있다.
Fig. 2.
The underwater cables connection of KSS-III Batch-II Navigation Radar
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2.1절에서 언급했듯이, 해수와 수압에 직접적인 영향을 받는 함외 공간과 승조원들이 생활하는 함내 공간 사이 관통 구(PHP)가 위치하며, 관통 구(PHP)를 기준으로 함외 장비는 수중케이블로 연결되는 구조를 가진다. 관통 구(PHP)는 두 공간의 수압 차이를 극복하기 위한 것으로, 승조원의 생명과 직결되기 때문에, 고도의 신뢰성과 안정성이 보장된 해외 도입 품에 의존하고 있으나, 일부 국산화 개발이 추진 중에 있다.

2.3.1 물리적 측면

잠수함이 잠항을 하면 선체에 가해지는 수압이 증가하는데, 수중케이블도 동일한 수압을 받는다. 수압단위는 여러 가지 물리적 단위로 표현되며, 해수면에서 대기의 무게로 인해 발생하는 기압은 14.7 psi, 이것을 대기압(Atemosphere, ATM)으로 표기된다. 또한 면적당 압력 표기로 파스칼(Pascal, Pa)이 있으며, 기본 단위는 N/m2이다. 대기 1 ATM은 대략 100,300 Pa이고 이것은 1.013 bar와 같으며, 아래 식 (1)에 표시하였다[2].
(1)
1 Pa=1 N/m21bar=100,000 Pa1ATM=101,300 Pa=1.013bar
해수면 기준 수심 10 m당 1 ATM 씩 증가하며, 잠수함이 600 m 잠함을 하면, 수중케이블은 60 bar 정도의 수압을 받는다. 이런 높은 수압을 극복하기 위해서, 대표적인 두 가지 설계공법으로 필러(Filler) 또는 수밀 충진재 공법을 사용하며, 케이블 선재 연합 작업 시 적용된다. Fig. 3은 필러(Filler)를 적용한 수중케이블 단면과 수밀 충진재를 적용 수중케이블 단면과 필러(Filler)의 한 종류로 E.P.D.M(Ethylene Propylene Diene Monomer) String 형상을 제시하였다. 필러(Filler)인 경우, 케이블 연합 작업 시 빈 공간이 있거나 원형 유지가 안 될 시 사용되며, 수밀 충진재는 액상 상태로 케이블 연합 시 경화제와 같이 투입하고, 이후 경화 공정을 거쳐 고체 상태로 경화가 되는 방식이다. 본 논문에 적용된 수중케이블은 수밀 충진재 방식을 적용하였다.
Fig. 3.
Comparison of underwater cable cross-section structure according to hydraulic side design method
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통신선 중 RS-422 및 CAN(Controller Area Network)인 경우는 페어(Pair) 단위로 통신하기 때문에, 수압에 의한 페어(Pair) 간 피치나 거리 등이 변화하지 않도록 Fig. 4와 같이 충실 배딩(Bedding)이 추가된 페어(Pair) 구조로 설계하였다[3].
Fig. 4.
Communication line with Bedding structure in underwater cable in KSS-III Batch-II Navigation Rada
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잠수함(KSS-III Batch-II) 항해레이더는 레이더용 마스트(Mast)를 통해서 운용되며, 마스트(Mast)의 상승과 하강으로 수중케이블 굽힘(Bending)이 발생한다. 잠수함 체계에서 요구되는 수중케이블에 대한 굽힘반경(BR)은 아래 Table 2와 같으며, 수중케이블 설치 위치에 따른 마스트(Mast)용과 함교전시기용으로 구분되어 있다. 정적(Static) 굽힘반경(BR)은 외경(D)의 10배 이하이며, 동적(Dynamic) 굽힘반경(BR)은 외경(D)의 15배 이하이다. 정적(Static) 굽힘반경(BR)은 통상 장력(Tension)이 없는 상태를 말하며, 동적(Dynamic) 굽힘반경(BR)은 장력(Tension)과 굽힘(B)을 동시에 받는 상태를 의미한다.
Table 2.
The requirements for the detailed underwater cables bending radius in KSS-III Batch-II Navigation Radar
구분 케이블 기능 외경(D) 정적굽힘반경(BR) 동적굽힘반경(BR)
마스트 송수신하우징용 Φ25 ± 0.2 mm 10D 이하 15D 이하
안테나구동기 전원용 Φ19.9 ± 1.0 mm 10.55D 이하 15.83D 이하
안테나구동기 제어용 Φ20.8 ± 1.0 mm 10.57D 이하 15.8D 이하
함교전시기 함교전시기용 Φ25 ± 0.2 mm 10D 이하 15D 이하
잠수함 도입 초기부터 잠수함 설계 및 건조에 필요한 구성품은 전적으로 해외 도입으로 이루어졌으며, 수중케이블도 여기에 포함된다. 해외 도입된 수중케이블을 분석하여 굽힘반경(BR) 검토를 수행하였다.
Fig. 5를 보면 일반선으로 구성된 케이블(Type A), 전원 공급용 케이블(Type B), 통신선과 동축 선로 그리고 일반선으로 구성된 복합 케이블(Type C)로 구분하였다. 해외 도입 케이블은 외경(D)의 8배에서 10배 수준의 정적(Static) 굽힘반경(BR) 특성을 보이며, 별도의 장력(Tension)에 대한 부재가 없는 것으로 확인하였다.
Fig. 5.
Features of overseas underwater cable structures
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Fig. 6.
The results of bending radius analysis of overseas underwater cables
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또한, 해외 도입 수중케이블의 동적(Dynamic) 굽힘반경(BR) 정도를 전용 분석 도구인 Cable CAD[4]로 분석한 결과, Fig. 6과 같이, 외경(D)의 15배 굽힘반경(BR) 해석 시, 최대응력이 약 105 MPa 및 122 MPa로 도체 소선 항복응력 150 MPa의 80 % 이하로 분석 되었으며, 이것은 굽힘반경(BR)이 외경(D)의 15배까지 가능하다는 의미이다. 굽힘반경(BR)에 대한 해외 도입 수중케이블 구조 분석 결과를 토대로, 잠수함(KSS-III Batch II)용 항해레이더의 수중케이블의 물리적 설계를 진행하였다.

2.3.2 전기적 측면

잠수함(KSS-III Batch-II) 항해레이더에 적용되는 수중케이블의 허용전류 산출은 일본 자동차 표준기구(JASO[5], Japanese Automotive Standard Organization)에서 발행된 자동차용 전선 허용전류산출 기준(JASO D609)을 적용했으며 그 내용은 다음과 같다.
(2)
I2r=(T1T2)/R
여기에서, I는 전선의 전류이며 단위는 A, r은 전선의 도체 저항이며, 단위는 Ω/cm, T1은 도체 최고 사용온도이며, 단위는 ℃, T2은 주위온도이며, 단위는 ℃, R 은 열 저항이며, 단위는 ℃ cm/W을 의미한다.
T1 ℃에 있어, 도체저항 r T1
(3)
rT1=r20(1+0.00393(T120))
여기에서, r20은 20 ℃에서의 도체저항이고, 열 저항 R 은 아래 식 (4)과 같다.
(4)
R=R1+R2
여기에서, R1은 절연체의 열 저항이고, 단위는 ℃·cm/W, R2은 표면방산 열 저항이고, 단위는 ℃·cm/W이다. 절연체의 열 저항 R1은 아래 식 (5)과 같이 표현되며,
(5)
R1=(P1/2π)ln(d2/d1)
여기에서, P1은 절연체의 고유 열 저항이고, 단위는 ℃·cm/W, d1은 도체 외경이며, 단위는 mm, d2는 절연체 외경이며 단위는 mm이다.
표면 방열저항은 R2는 식 (6)과 같다.
(6)
R2=10P2/πd2
여기에서, P2은 전선의 고유 표면 방열저항이며, 조건은 다음과 같다.
d212.5 mm 에서는 P2=300+32 d2 d2>12.5 mm 에서는 P2=700
상기 식 (2), (3), (4), (5) 및 (6)을 이용하여 수중케이블 선재에 대한 허용 및 소모 전류 값을 아래 Table 3에 제시하였다.
Table 3.
Allowable(Consumption) current design values for underwater cables in KSS-III Batch-II Navigation Radar
구분 (25 ℃) 함교전시기용 안테나구동기 제어용 안테나구동기 전원용 송수신하우징용
Coaxial 2.8 A (미사용) 미사용 미사용 2.8 A (10 mA)
8 AWG × 4 Core 미사용 미사용 63.8 A (50 A) 미사용
20 AWG × 1 Pair 13.5 A (6 A) 13.5 A (2 A) 미사용 미사용
22 AWG × 1 Pair 9.8A (미사용) 미사용 미사용 9.8 A (9.9 A)
STP C5e 8.6 A (80 mA) 미사용 미사용 미사용
RS422 미사용 미사용 미사용 11.3 A (50 mA)
CAN 미사용 미사용 미사용 11.9 A (0.3 A)
제시된 소모전류 기준으로, 열 해석 Tool인 COMSOL 사, Software for Multiphysics simulation for thermal analysis[6]를 이용하여 외기 환경조건 50 ℃에서 해석하였다. Fig. 7에 보면, 함교전시기용 수중케이블은, 최대 50.35 ℃, 안테나구동기 제어용 수중케이블은 최대 50.19 ℃, 안테나구동기 전원용 수중케이블은 최대 56.26 ℃, 그리고 송수신하우징용 수중케이블은 최대 51.66 ℃까지 올라가나, 외기 환경조건 50 ℃에서 온도변화가 거의 없는 것으로 열적 안정성을 보장함을 확인하였다.
Fig. 7.
Thermal analysis results for each underwater cable in KSS-III Batch-II Navigation Radar
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다음은 통신선에 대한 특성 임피던스(Impedance) 분석에 대해 언급하겠다.
잠수함(KSS-III Batch-II) 항해레이더에서 사용되는 통신방식은 이더넷(Ethernet), CAN 및 RS-422이 있다. 각 통신방식 별 전기적인 규격은 이더넷(Ethernet) 라인은 ANSI/TIA/EIA-568-A[7]에 정의되어 있으며, 특성 임피던스는 100 Ω이고, CAN 라인은 ISO 11898-2[8]에 정의되어 있으며, 특성 임피던스는 120 Ω이며, RS-422 라인은 TIA/EIA-422-B[9]에 정의되어 있고, 특성 임피던스는 100 Ω이다. 수중케이블 선재에 대한 각 통신선에 대한 정의된 특성 임피던스 값을 기준으로 환경(수압)특성을 고려한 설계를 수행하였다. 선재의 물리적 제원은 Table 4에 제시하였으며, 검증을 위한 전계해석 프로그램인 맥스웰(Maxwell)[10]을 이용하여 모의시험을 수행하였다. Fig. 8을 보면 맥스월(Maxwell) 프로그램에서 선재의 단면도를 CAD형식의 작도(Drawing)하고, 선재 주변에 전계형성을 확인하였다. 선재주변, 페어(Pair)를 감싸고 있는 베딩(Bedding)주변으로 전계가 균일하게 형성됨을 확인하였다.
Fig. 8.
Ethernet, RS-422 and CAN line electromagnetic field analysis using Maxwell
kimst-27-5-596f8.jpg
Table 4.
The physical design values for Ethernet, RS-422 and CAN communication line impedance
구분 설계내용
도체 절연외경mm 베딩외경mm 차폐
STP C5e 7 /0.203TA 1.45 3.6 A/Mylar tape + Braid
RS-422 19 / 0.16TA 1.85 4.3 AI/PS tape + Braid
CAN 2.15 4.9
또한, 각 통신선에 대한 인덕턴스(Inductance)와 정전용량(Capacitance) 값을 Fig. 9와 같이 얻을 수 있었다.
Fig. 9.
The Capacitance & Inductance values for RS422, CAN and Ethernet line using Maxwell Tool
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Table 5는 이더넷(Ethernet) 선 정전용량이 45.861 pF/m, 인덕턴스는 0.5184 uH/m이며, RS-422 선의 정전용량은 48.703 pF/m, 인덕턴스는 0.5448 uH/m이다. CAN 선은 정전용량 44.063 pF/m이며, 인덕턴스는 0.5998 uH/m 값을 얻었다. 모의시험으로 얻어진 정전용량과 인덕턴스 값을 이용하여 아래 식 (7)에 대입하여 특성 임피던스를 계산하였다.
Table 5.
The simulation values for Ethernet, RS-422 and CAN communication line impedance
구분 시뮬레이션(@1MHz)
C pF/m L uH/m Zo Ω
Ethernet (STP C5e) 45.861 0.51841 106.32
RS-422 48.703 0.5448 105.77
CAN 44.063 0.5998 116.58
(7)
Zo=R+jwLG+jwC2
결과적으로, 모의시험으로 얻은 정전용량과 인덕턴스 값을 이용하여 계산된 특성 임피던스는 Table 5와 같이 이더넷(Etherent)은 106.32 Ω, RS-422은 105.77 Ω 그리고 CAN은 116.58 Ω 값을 얻었다. 여기서 손실성분인 저항(R)은 AWG 22 기준으로 0.053 Ω/m이고, 컨덕턴스(G)는 일반적으로 polyethylene 계열로써, 10-16 ∼ 10-12 S/m 수준이다.
다음은 동축 선로에 대한 특성 임피던스 및 감쇠 량에 대해 언급하겠다. 우선 동축 선로 물리적 구조와 외부도체의 내부 직경(Diameter)과 편조계수(Kb)와의 관계 그래프를 Fig. 10에 도시하였다. 식 (8)은 동축 선로에 대한 특성 임피던스를 구하는 식으로, 내부도체 외경(d)과 유전체의 유효외경(De)에 의해 영향을 받는다[11].
Fig. 10.
Coaxial line cross-section structure & the graph for relationship between inner diameter of outer conductor and braid coefficient[12]
kimst-27-5-596f10.jpg
(8)
Zo=138.2ϵr2[log10(D±1.5dwd)]
여기에서,
ϵr: 절연체의 비유전율 (PTFE: 2.1)
D: 절연체의 외경 (0.83 mm)
d: 내부도체의 외경 (0.306 mm)
dw: 외부도체 부품와이어 유효외경 (0.102 mm)
D±1.5*dw(De: 유전체의 유효외경 (mm)
동축 선로에 대한 감쇠 량은 내부도체의 거리와 가닥수에 연관이 있으며, Fig. 11에 도식화하였다. 동축 선로 내부도체의 형태는 단일선과 연선으로 구분되어 있으며, 각각의 파라미터 값으로 제시하고 있다. 연선의 개수에 따른 유효 내부도체 직계계수(K1), 연선의 외경에 대한 승수(P), 그리고 연선 내부도체에 대한 감쇠 보정계수(K2)들로 관계 표를 제시 및 외부도체 형태에 따른 유전체의 유효외경 값을 제시하였다. 결론적으로 동축 선로 길이에 따른 감쇠 량은 아래 식 (9)과 같이 표현된다.
Fig. 11.
Coaxial line cross-sectional structure diagram[12]
kimst-27-5-596f11.jpg
(9)
α=8.686102{2.287103εrflog10De(K1d)(K2ρ1de+Kbρ2De)+1.047104εrtanδf}
여기에서,
α: 감쇠 량 (dB/m)
ε r: 절연체의 비유전율 (PTFE: 2.1)
f: 주파수 (MHz)
D e: 유전체의 유효외경 (mm)
d: 내부도체의 외경 (0.306 mm)
K1: 유효 내부도체 직경 계수 (0.94)
K2: 연선 내부도체에 대한 감쇠 보정 계수
K b: 편조 외부도체에 대한 감쇠 보정 계수
ρ1: 저항성 내부도체 (Ω·m)
ρ2: 저항성 외부도체 (Ω·m)
tanδ: 절연체 유전율 손실계수
상기 식 (8)과 (9)를 이용하여 특성 임피던스와 감쇠 량을 Table 6에 제시하였다. 특성 임피던스는 50.771 Ω으로 양호한 값이 산출되었고, 감쇠 량은 주파수 별로 2 MHz, 10 MHz, 75 MHz에서 각각, 4.51, 10.09, 그리고 2 7.76 dB/m로 계산 되었다. 동축 선로의 특성 임피던스와 감쇠 량은 내부와 외부도체 간의 거리, 즉 절연 외경이 중요한 변수로 통상적인 발포 절연인 경우는 수압 60 bar 환경에서 절연 수축으로 인한 특성 변화의 가능성이 높아, 이를 해결하기 위해, 폴리테트라플루오르에티렌(Ploy Tetra Fluoro Ethylene) 비발포 절연 구조를 적용하였다.
Table 6.
The calculation values for characteristic impedance & Insertion loss in Coaxial line
구분 계산 값 단위
특성 임피던스 50.771 Ω
감쇠 량 2 MHz 4.51 dB/m
10 MHz 10.09
75 MHz 27.76
추가적으로, Maxwell를 이용하여 동축 선로에 대한 특성 임피던스를 Fig. 12의 구조와 같이 모의 시험하였다. 모의 시험 결과는 주파수 100 MHz에서 정전용량은 102.81 pF/m, 인덕턴스는 0.21672 uH/m 값을 얻었다. 식 (7)을 이용하여 특성 임피던스를 계산하면, 45.91259 Ω 정도의 값을 얻었다. 식 (8)과 Maxwell을 이용해서 얻은 특성 임피던스 값을 비교해볼 때 10 % 내의 오차가 발생하나, 잠수함(KSS-III Batch-II) 항해레이더 무선주파수(RF) 특성 범위 내에 있어, 성능에는 문제없다.
Fig. 12.
Coaxial lien electromagnetic field analysis using Maxwell
kimst-27-5-596f12.jpg

3. 수중케이블 제작 및 검증

3.1 수중케이블 제작공정

잠수함(KSS-III Batch-II) 항해레이더 수중케이블의 제작공정은 Fig. 13에 제시하였다.
Fig. 13.
Production process flow chart for underwater cables
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제작공정을 설명하자면, 우선 제작에 필요한 구성품 들인 연결기, 엔드벨, 케이블 선재, 에폭시, 프라이머, 우레탄, 튜브, 솔더슬리브 등에 대한 수입검사를 수행한다. 제작 작업 진행 전, 부품 종수와 수량을 확인하고 제작을 진행한다. 케이블 선재를 요구되는 길이로 절단하고, 연결기에 배선 작업을 진행한 후 기계적, 전기적 특성을 판단하는 자주 검사를 수행한다. 이후 환경(수압)특성에 영향을 주는 1차 및 2차 몰딩 작업을 수행하고 상온(약 25 ℃)에서 최소 3일의 경화 과정을 거친다. 경화 후 완성품 검사를 수행하고 환경(수압)시험을 진행하여 전기적 특성이 규격에 만족하는지 확인한다.
수중케이블 제작공정 중 환경(수압)특성에 가장 많은 영향을 주는 것은 배선 작업 부위에 진행되는 2번의 몰딩 작업 공정이다. 이것은 극한의 해상환경에서 수중케이블의 정상동작을 판가름하는 주요한 요소로 본 논문에서 제시된 수중케이블 몰딩 기법은 수밀 연결기 전문업체인 독일 기스마(GISMA)[13]社에서 연결기 및 몰딩에 필요한 자재인 프라이머, 에폭시, 우레탄을 도입하여 연결기와 엔드벨 그리고 부트를 조립한 후 그 내부에 에폭시(1차 몰딩) 및 우레탄(2차 몰딩)을 충진 하는 내부 충진 방식을 적용하였다. Fig. 14에 내부 충진 방식 몰딩 기법을 적용한 수중케이블 형상을 제시하였다. 참고로, 이 공법은 금속 재질 또는 유리 강화 에폭시 재질의 연결기 하우징과 에폭시(1차 몰딩) 및 우레탄(2차 몰딩)을 접착시켜 수밀을 유지하는 오버 몰딩 기법보다 수밀 특성 면에서 우수하다는 장점이 있다.
Fig. 14.
Underwater cable shape using internal filling molding technique
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잠수함(KSS-III Batch-II) 항해레이더 수중케이블 주요 제작공정을 Fig. 15에 제시하였다. 여기서, 케이블 샌딩과 단자 조립 및 세척 과정은 Fig. 13의 배선작업에 해당한다. 케이블 샌딩 작업은 몰딩 부위 케이블 표면을 거칠게 만들어 우레탄(2차 몰딩)이 케이블 표면과 흡착이 잘되도록 만들어 주는 작업이며, 단자 조립 및 세척 작업은 연결기에 단자를 조립한 후, 단자 외부 불순물(이형제)로 인한 에폭시(1차 몰딩) 경화 시 간극 발생을 억제하기 위한 작업이다.
Fig. 15.
Main manufacturing process of underwater cable in KSS-III Batch-II Navigation Radar
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1차 몰딩액(에폭시) 주입 작업은 Fig. 13의 1차 몰딩작업에 해당하며, 연결기와 엔드벨을 조립하여 내부 납땜 또는 단자 작업 부위를 에폭시로 채워주는 공정이다. 2차 몰딩액(우레탄) 주입 작업은 Fig. 13의 2차 몰딩작업에 해당하며, 에폭시(1차 몰딩) 완전 경화 후, 엔드벨 외부를 세척하고 금속 재질인 엔드벨과 우레탄 접착을 위해 엔드벨 외부에 프라이머를 간극 없이 도포하여 경화시킨 후 부트를 조립하고 엔드벨 및 부트 내부를 우레탄으로 채워주는 공정이다.

3.2 수중케이블 성능검증

잠수함(KSS-III Batch-II) 항해레이더 수중케이블을 구성하는 선재 및 수중케이블 단위 환경(수압)시험을 수행 하였다.

3.2.1 선재 단위 성능검증

선재 단위 성능검증에 대해 Fig. 16과 같이 시험구성 및 수압시험 프로파일을 선정하였다. 시험구성은 수압시험을 위한 수압 챔버, 전기적 특성을 측정하기 위한 계측기로 구성되며, 시험 항목은 특성 임피던스, 삽입손실이다. 수압시험을 위한 가수압 프로파일은 최고 수압 60 ± 5 bar 동적 구간 5 회, 정적 구간 12 시간 유지하게 구성되고, 수압 챔버 해수 또는 담수를 넣고 구간별 전기적 성능 추이를 관찰하고 기록하였다.
Fig. 16.
Water pressure test configuration and verification method for individual wire in underwater cables
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이더넷(Ethernet) 선에 대한 환경(수압)특성은 Fig. 17, Fig. 18 그리고 Fig. 19에 제시하였다. 삽입손실(Insertion Loss, IL)은 제한 규격(빨간색) 5 dB/100m 보다 낮은 특성을 보이고 있고, 근단누화(Near-End Cross-Talk, NEXT)는 제한 규격(빨간색) 50 dB 보다 우수 하고, 반사손실(Return Loss, RL) 또한 제한 규격(빨간색) 25 dB 보다 우수함을 확인하였다.
Fig. 17.
During water pressure test, insertion Loss for Ethernet line
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Fig. 18.
During water pressure test, Near-End Cross-Talk for Ethernet line
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Fig. 19.
During water pressure test, Return Loss for Ethernet line
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다음은 동축 선로 및 통신선(RS-422)에 대한 환경(수압)특성을 Fig. 20Fig. 21에 각각 제시하였다.
Fig. 20.
During water pressure test, insertion loss for coaxial line
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Fig. 21.
During water pressure test, characteristic impedance for RS422 line
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동축 선로인 경우, 주파수 범위 100 MHz ∼ 1 GHz 에서 감쇠 특성이 주파수 범위에서 일정함을 확인하였고, 통신선(RS-422)은 특성 임피던스 기준값 100 ± 20 Ω으로 가압 구간에서 일정하게 유지됨을 확인하였다.

3.2.2 수중케이블 단위 성능검증

수중케이블 단위 성능검증에 대해 Fig. 22와 같이 시험구성과 검증 방안을 제시하였다. 시험구성 및 검증 방안은 내부 심선 단위 성능검증과 유사하나, 다만 사용되는 수압 챔버의 모양이 원통형으로 시험대상 수중케이블의 길이, 외경(D)을 감안 하여 원통형 수압 챔버로 선정 하였다. 또한 전기적 성능 측정을 위한 다양한 계측기(케이블 분석기, 네트워크 분석기, 디지털 멀티메타, 절연 저항계, LCR 메타)를 사용하였다. 수중케이블 단위 가압 프로파일은 최고 수압 60 ± 2 bar에 대해 정적 구간 5회, 정적 구간 12시간 이상 유지하게 구성하고, 수압 챔버 내 해수 또는 담수를 넣고 구간 별 전기적 성능 추이를 관찰하고 기록하였다.
Fig. 22.
Water pressure test configuration and verification method for underwater cables
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3.2.2.1 함교전시기용 수중케이블

함교전시기용 수중케이블 내부 심선은 이더넷(Ethernet)으로 되어 있으며, 수중케이블 단위 이더넷(Ethernet)의 전기적 특성은 Table 7에 제시하였다.
Table 7.
During water pressure test, electrical performance for bridge display in underwater cable in Submarine(KSS-III Batch-II) Navigation Radar
구분 환경(수압)특성
사전 가압 후 감압 후
Ethernet (STP C5e) 임피던스 Ω 101 99 101
전기적 저항 Ω 1.73 1.73 1.73
절연저항 Ω 2000 M 2000 M 2000 M
특성 임피던스는 사전 101 Ω, 가압 후 99 Ω, 그리고 감압 후 101 Ω로 규격 범위, 100 ± 15 Ω에서 유지됨을 확인하였고, 전기적 저항 및 절연저항도 수압시험 간 값이 유지됨을 확인하였다.
Fig. 23은 이더넷(Ethernet) 핀들에 대한 수압 시험 중 측정한 특성 임피던스 값을 캡쳐 한 사진을 제시한 것이다.
Fig. 23.
During water pressure test, measured impedance for Ethernet line in bridge display underwater cable in Submarine (KSS-III Batch-II) Navigation Radar
kimst-27-5-596f23.jpg

3.2.2.2 안테나구동기 제어용 수중케이블

안테나구동기 제어용 수중케이블 내부 심선은 일반선(20 AWG)으로 구성되어 있으며, 수중케이블 단위 환경(수압)특성에 대한 전기적 특성은 Table 8에 제시하였다.
Table 8.
During water pressure test, electrical performance for antenna driver control in underwater cable in Submarine(KSS-III Batch-II) Navigation Radar
구분 환경(수압)특성
사전 가압 후 감압 후
일반선 (20 AWG) 전기적 저항 Ω 0.8 0.79 0.8
절연저항 Ω 2000 M 2000 M 2000 M
전기적 저항 및 절연저항은 사전 0.8 Ω, 가입 후 0.79 Ω, 그리고 감압 후 0.8 Ω으로 거의 일정하며, 절연저항도 마찬가지로 일정한 특성을 보였다.

3.2.2.3 안테나구동기 전원용 수중케이블

안테나구동기 전원용 수중케이블 내부 심선은 일반선(8 AWG)으로 구성되어 있으며, 수중케이블 단위 수압에 대한 전기적 특성은 Table 9에 제시하였다.
Table 9.
During water pressure test, electrical performance of antenna driver power underwater cable
구분 환경(수압)특성
사전 가압 후 감압 후
일반선(8AWG) 전기적 저항 Ω 0.07 0.06 0.07
절연저항 Ω 2000 M 2000 M 2000 M
정전용량 nF 3.88 3.88 3.87
전기적 저항 및 절연저항은 사전, 가압 후 그리고 감압 후에도 거의 일정한 값을 유지하고, 정전용량에 대해서도 사전, 가압 후 3.87 ∼ 3.88 nF로 일정한 값을 유지함을 확인하였다.

3.2.2.4 송수신하우징용 수중케이블

송수신하우징용 수중케이블 내부 심선은 동축 선로, 통신선(CAN, RS-422) 및 일반선(22 AWG)으로 되어 있으며, 각 해당 선들에 대한 수중케이블 단위 수압에 대한 전기적 특성은 Table 10에 제시하였다.
Table 10.
During water pressure test, electrical performance without testing cable for transceiver housing in underwater cable in Submarine(KSS-III Batch-II) Navigation Radar
구분 환경(수압)시험
사전 가압 후 감압 후
동축선로 특성임피던스 Ω 50.19 48.91 48.91
삽입손실dB 2 MHz 2.67 2.62 2.62
10 MHz 4.51 4.49 4.49
75 MHz 8.02 7.72 7.72
반사손실dB 2 MHz 14.65 15.09 15.09
10 MHz 26.10 26.42 26.42
75 MHz 40.24 40.26 40.26
CAN 선 특성임피던스 Ω 107 107 107
RS-422선 특성임피던스 Ω 96 96 96
일반선 (22 AWG) 전기적저항 Ω 1.24 1.24 1.24
절연저항 Ω 2000 M 2000 M 2000 M
동축 선로는 특성 임피던스, 삽입손실, 그리고 반사손실 항목을 측정하였고, 특성 임피던스는 50 ± 5 Ω 범위 내에서 값이 유지되었고, 삽입손실(IL)과 반사손실(RL)도 각각 주파수에 따른 요구 규격에 만족함을 확인하였다. CAN 선은 요구되는 특성 임피던스 규격 120 ± 20 Ω 범위 내에서 값이 유지하였다. 통신선(RS-422) 또한 요구되는 특성 임피던스 규격 120 ± 20 Ω 범위 내에서 값이 유지하였다. 마지막으로 일반선(22 AWG)은 전기적 저항 및 절연저항도 환경(수압)시험에서 일정하게 유지됨을 확인하였다.
Fig. 24는 송수신하우징용 수중케이블에 대해 환경(수압)시험 중에 측정한 동축 선로의 특성 임피던스, 삽입손실, 그리고 반사손실과 통신선(CAN, RS-422)의 특성 임피던스 측정한 것을 제시한 것이다.
Fig. 24.
During water pressure test, measured characteristics impedance for coaxial, CAN and RS-422 line, insertion loss, and return loss for Ethernet line in transceiver housing underwater cable
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Fig. 25는 잠수함(KSS-III Batch-II) 항해레이더 적용 가능한 수중케이블 시제품 형상이며, 함교전시기용 수중케이블은 14 m, 안테나구동기 제어용 및 전원용 수중케이블은 20 m, 그리고 송수신하우징용 수중케이블은 19 m로 제작되었다. 본 시제품은 잠수함(KSS-III Batch-II) 항해레이더의 요구조건을 만족하며, 전기적 성능 및 환경(수압)시험으로 입증되었다.
Fig. 25.
The shape of development product of navigation radar underwater cable for Submarine(KSS-III Batch-II) Navigation Radar
kimst-27-5-596f25.jpg

4. 결 론

본 논문에서는 잠수함(KSS-III Batch-II) 항해레이더에 적용 가능한 수중케이블의 물리적 및 전기적 성능에 대한 설계, 제작 및 검증에 대해 언급하였다.
수중케이블의 물리적 설계에 대해서는 레이더용 마스트에 장착되는 관계로, 마스트의 상승과 하강이 빈번히 이루어지는 운용환경에서 수중케이블의 굽힘(Bending)과 깊은 수심에서의 수밀을 유지하는 요구조건을 만족하는 설계 내용을 제시하였다. 또한 전기적 설계는 이더넷(Ethernet), 통신선(RS-422, CAN) 및 일반 선에 대한 특성 임피던스, 삽입손실, 반사손실, 전기적 저항 및 절연저항 값을 제시하였다.
수중케이블의 제조공정에 대한 주요 공정은 케이블 선재와 커넥터 단자 조립, 1차 및 2차 몰딩 그리고 경화 이후 완성품 검사 순으로 진행되었다. 여기서 몰딩 작업은 수밀 특성에 직접적인 영향을 주며, 내부 충진 방식을 적용하여 우수한 수밀 특성을 가지게 하였다.
수중케이블의 시제품에 대한 검사 방법은 시험 절차서에 따른 외관검사, 전기적 성능 및 환경(수압)시험으로 진행되었다. 외관검사는 무게, 길이 및 형상 검사로 이루어졌고, 전기적 성능시험은 이더넷선, 통신선, 그리고 일반 선에 대한 전기적 성능을, 그리고 환경(수압)시험은 사전, 가압 후 및 감압 후 단계별 전기적 성능을 측정하는 절차로 수행 되었다.
잠수함(KSS-III Batch-II) 항해레이더에 적용되는 수중케이블의 전기적 성능 및 환경(수압)시험 결과는 모두 합격판정을 받았으며, 수중케이블의 국산화 개발로 향후 한국형 잠수함(KSS) 사업에 일조가 되기를 희망한다.

후 기

이 연구는 무기체계 부품 국산화 개발지원 사업 수행으로 국방기술진흥연구소의 지원을 받아 연구되었음.

REFERENCES

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crossref
[2] Steven W. Moore, "Underwater Robotics, science, design & fabrication," Marine Advanced Technology Education center, Monterey, CA, 2010.

[3] S. Y. Yang and J. S. Kim, "Development of Cable for Towed Array Sonar System," Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology, Vol. 19, No. 5, pp. 559–566, 2016.
crossref
[4] CableCAD, https://www.cablecad.com.

[5] JASO D609, Automotive parts-Current capacitry of low tension cables, https://www.jsae.or.jp/en/standard/docu/List_SEP2021.pdf.

[6] Software for Multiphysics simulation for thermal analysis, https://www.comsol.com.

[8] ISO 11898-2, https://www.iso.org.

[10] Ansys Maxwell, https://www.ansys.com.

[11] Calculation Formulas for Signal Transmission Characteristics of Coaxial Cables, https://www.junkosha.com/en/innovation/technical/wire04.

[12] Junkosha, https://www.junkosha.com.

[13] GISMA STECKVERBINDER GmbH, https://www.gisma-connectors.de.

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