국내 방산업계에 놀라운 소식이 전해졌습니다.
두산에너빌리티가 방산 수출 부품 국산화 세미나에서 전투기 엔진 개발에 필수적인 핵심 기술들을 대거 공개한 것인데요.
터빈 입구 온도 1,650도짜리 내열 부품을 독자 개발할 수 있는 설계 기술부터 전략물자로 분류되어 수출이 금지된 해석 프로그램까지 자체 확보했다는 발표가 나왔습니다.
더욱 놀라운 것은 16,000파운드급 엔진의 상세 설계를 이미 완료했다는 소식입니다.
10년 전만 해도 선진국들에게 참깨 대우를 받았던 한국이 이제는 미국 방산업체로부터 선수금을 받고 엔진 수출 요청을 받고 있다는 것이죠.
과연 두산이 어떤 기술적 혁신을 이뤄냈는지, 그리고 이것이 우리 방산업계에 미칠 파급효과는 무엇인지 자세히 살펴보겠습니다.
1,650도 내열 부품 독자 개발, 10년 만의 기술 도약
두산에너빌리티가 이번 세미나에서 공개한 가장 놀라운 성과는 바로 터빈 입구 온도 1,650도에서 작동하는 내열 부품을 독자 개발했다는 점입니다.
이는 단순한 부품 개발이 아닌 설계 기술까지 완전히 확보했다는 의미인데, 내열 부품 개발에 필요한 설계 소프트웨어까지 자체 개발했다고 밝혔습니다.
이 기술이 얼마나 대단한 것인지 이해하려면 10년 전과 비교해봐야 합니다.
2013년 정부가 주축이 되어 5,500파운드급 엔진을 개발하기 위해 확보한 관련 기술은 터빈 입구 온도가 1,350도(캘빈 온도 1,600도)에 불과했습니다. 10년 만에 섭씨 300도나 높인 셈이죠.
현재 두산은 터빈 입구 온도 1,500도 가스터빈을 완성해 상업 운전을 완료했으며, 소형 가스터빈에서는 터빈 입구 온도 1,620도를 달성해 시운전까지 준비하고 있습니다.
더 나아가 다른 모델에서는 터빈 입구 온도 1,650도를 확보해 고객사에 납품을 완료한 상태입니다.
이미 터빈 입구 온도 1,700도인 부품 제작까지 시작했다고 하니, 고내열 소재 설계 기술과 다양한 코팅 기술, 블레이드 냉각 기술에서 급진적인 기술 발전이 이루어지고 있는 것입니다.
세계 최고 수준과 견줄 수 있는 기술력 확보
두산이 확보한 1,700도 기술이 세계적으로 어느 정도 수준인지 살펴보면 더욱 놀랍습니다.
F-35 전투기의 심장인 F-135 엔진이 터빈 입구 온도에서 가장 높은데, 이것이 섭씨 1,980도(캘빈 온도 2,200도)입니다.
두산의 1,700도는 이보다는 낮지만, 타이폰이나 라팔, F-16 전투기에 사용되는 엔진들보다는 훨씬 높은 온도입니다.
터빈 입구 온도가 왜 중요한지 이해해야 합니다.
이는 엔진을 가동할 때 가장 높은 온도에 도달하는 부분으로, 대부분 연료가 분사되어 점화되는 연소실에 사용되는 부품들이 가장 높은 초내열 부품이 적용되는 곳입니다.
내열성이 높은 엔진이 사용될 경우 더 강력한 연소가 가능하기 때문에 연료 효율과 추력을 순식간에 낼 수 있어 군용 엔진을 평가하는 데 중요한 요소가 되는 것이죠.
F-35 전투기에 적용된 엔진이 섭씨 2,000도에서도 부품들이 작동하면서 가장 강력한 엔진으로 평가받고 있는 것도 터빈 입구 온도가 경쟁 엔진보다 월등히 높기 때문입니다.
대한민국이 기초 기술도 없었던 상황에서 10년 만에 두산이 가스터빈 엔진을 자체 개발에 성공하면서 1,700도짜리 엔진 부품 개발이 가능해진 것은 소수 업체가 독점하고 있는 시장에서 파란을 일으키고 있는 것입니다.
전략물자 해석 소프트웨어까지 자체 개발
두산의 진짜 경쟁력은 하드웨어뿐만 아니라 소프트웨어 기술까지 완전히 확보했다는 점입니다.
전략물자로 확보하기 어려운 해석 프로그램까지 성능이 확인되고 있다고 밝혔는데, 이는 정말 대단한 성과입니다.
설계와 해석 소프트웨어가 왜 중요한지 이해해야 합니다. 이것들이 전략물자로 선진국에서 판매하지 않기 때문입니다.
특히 항공용 부품의 해석과 설계, 냉각 설계 소프트웨어는 한 카피당 수십억 원이 넘는 것으로 알려졌지만,
프랑스 사프란, 영국 롤스로이스, 미국 제너럴 일렉트릭 및 프랫 앤 휘트니사가 전투기 엔진을 개발하는 소수 국가로 독점하고 있으며 현재 수출을 엄격히 금지하고 있습니다.
설사 판매를 허가한다고 해도 신버전으로 업그레이드하거나 유지보수에 막대한 비용을 요구하는 것으로 알려져 수입 국가의 기술이 종속될 수 있다는 문제점이 있는 것이죠.
이 때문에 두산도 10년 전부터 가스터빈 엔진을 개발하고자 했을 당시 이런 소프트웨어를 자체 확보하기 위해서 상당한 노력을 했던 것으로 알려졌습니다.
두산에너빌리티는 자체적으로 설계한 부품에 대한 오차율을 지속적으로 보정하면서 지금은 상당한 소프트웨어 정밀도를 갖춘 것으로 파악됩니다.
고압 터빈과 핵심 부품에 대한 냉각 설계 과정을 시뮬레이션으로 미리 검토할 수 있으며, 가상으로 설계 후 이런 데이터를 활용해 실제품을 만들었을 때 시험 과정에서 오차가 거의 없었다는 점을 강조했습니다.
16,000파운드급 엔진 설계 완료, KF-21 블록3 장착 목표
두산은 이미 16,000파운드급 엔진에 대한 상세 설계를 완료한 것으로 알려져 한화에어로스페이스와 협력이 가능할 정도로 빠르게 성장하고 있다는 분석입니다.
방위사업청이 추진하고 있는 16,000파운드급 엔진에서 애프터버너 가동 시 24,000파운드급을 낼 수 있으며, KF-21 전투기 블록3부터 장착 가능한 개념으로 개발 계획을 세우고 있는 것으로 파악되었습니다.
이 엔진의 사양은 상당히 인상적입니다.
직경은 88cm급으로 길이는 약 3.5m~5m 정도로 설계될 것으로 보이며, 라팔이나 타이푼 전투기에서 사용하는 엔진보다 출력은 높으면서 반응 속도를 빠르게 한 신형 엔진을 설계할 것으로 알려져 주목을 받고 있습니다.
두산이 이런 고성능의 목표를 처음으로 설정한 이유는 현재 보유한 기술력이 상당한 수준으로 평가받고 있으며,
엔진에 대한 3D 설계까지 완료하면서 각 부위에 맞는 최적화 부품 개발까지 착수한 것으로 알려져 하드웨어적인 성능을 빠르게 확보하는 것이 가능하다고 판단하기 때문입니다.
현재 진행하고 있는 항공용 과제를 보면 국가연구개발사업으로 만 파운드급 엔진 레이아웃 설계와 구성품 해석 사업, 터빈 블레이드 주조품 제작 및 후가공 사업, 연소기 및 시험 리그 제작 용역 사업을 진행 중이며,
세 가지 사업에 대한 완료 시기는 2027년으로 잡혀 있어 5,500파운드급에서 만 파운드급 항공용 엔진 개발이 추가로 진행되고 있음이 공개되었습니다.
3D 금속 프린터로 생산비 혁신, 세계 최초 대형 가스터빈 적용
두산의 또 다른 혁신은 3D 적층 제조 기술입니다.
370MW급 대형 발전기에 처음으로 3D 적층 금속 프린터를 사용해서 부품을 제작해 시험까지도 성공한 것으로 알려져 관심을 받고 있습니다.
소형 발전기에서 일부 국가에서 3D 금속 프린터로 생산한 부품을 적용해서 시운전에 성공하기도 했지만, 대형 가스터빈 부품에서는 세계 최초로 금속 3D 프린터를 자체 개발하고 분말 금속과 적층 기술까지도 확보한 것입니다.
이는 항공용 터보 엔진에 적용할 경우 양산 전의 부품을 검증할 수 있는 것뿐 아니라 엔진 제작에 사용할 경우 생산비를 크게 낮출 수 있을 것으로 예상됩니다.
현재 KF-21 전투기가 대당 1억 원 이하로 생산 단가를 맞춰 경쟁력을 높이고 있지만, 미국에서 수입하는 엔진은 대당 130억 원으로 두 개를 장착하기 때문에 KF-21을 양산하기 위해서는 260억 원의 엔진 비용이 지출되어야 하는 것이죠.
엔진 가격이 너무 비싸서 수출 경쟁력이 악화될 가능성이 높아 두산이 3D 프린터를 생산에 적극적으로 운용할 경우 사업 전체에도 긍정적인 영향을 미칠 것입니다.
시제품 엔진을 빠르게 완성할 수 있으며 기존 엔진 부품도 제작할 수 있는 길을 연 것입니다.
미국 업체가 선수금까지 주며 러브콜, 글로벌 주목
가장 놀라운 것은 미국 방산업체가 두산에게 소형 항공기 엔진을 수출해 달라고 요청하고 있다는 소식입니다.
미국 업체는 두산에게 선수금을 제공하고 있으며, 내년쯤에 관련 소식이 공개될 것으로 파악되었다고 합니다.
10년 전에는 선진국들에게 참깨 대우를 받았지만, 지금은 오히려 두산이 확보한 항공 산업 관련 부품과 통합 설계의 기술에 대해서 관심이 높아져 기존의 소수 업체가 독점하고 있는 엔진과 부품 조달 시장에서 크게 주목을 받는 것이 확인되었습니다.
전투기 엔진의 경우 개발에 오랜 시간이 필요하고 완성을 해도 수출 가능성이 높지 않기 때문에, 미국에서 활발한 소형 민간용 엔진을 추가로 개발해 시장성을 확보하는 계획으로 알려졌습니다.
유럽 국가들이 연합해서 타이푼 전투기에 장착된 엔진을 빠른 시간 내에 개발했듯이,
한화에어로스페이스와 적극적인 협력을 통해 단시간 내에 개발하는 방안을 검토하고 있는 것으로 알려져 이번 세미나를 통해 협력 방안이 주목을 받고 있습니다.
두산 그룹의 강점은 가스터빈 사업에서 전 세계 다섯 번째로 독자 개발에 성공했으며, 이를 바탕으로 항공용 엔진을 설계하고 있다는 점입니다.
자체적으로 소재 데이터베이스와 소프트웨어 기술을 확보해서 이를 검증했다는 것이죠.
이는 OEM으로 사업을 진행한 경쟁사에서는 엄두를 내지 못하는 핵심 기술로 국내 업체 중에서 처음으로 확보한 것으로 알려져, 가스터빈을 위해서 개발한 해석 소프트웨어를 항공용으로 사용할 수 있다는 점이 큰 장점입니다.
생각보다 두산의 기술력이 무서울 정도로 빠르게 발전되고 있습니다.
미국 방산업체가 선수금을 미리 주고 소형 엔진을 수출해 달라고 했다는 점에서 전 세계적으로도 두산 그룹을 주목하고 있다는 것을 알 수 있습니다.