잠수함(노틸러스)의 탄생과 창의적 함정설계 방법에 대하여

창원대학교 공과대학 조선해양공학과 특별강의, 2011년 11월 30일
: 잠수함(노틸러스)의 탄생과 창의적인 함정설계 방법에 대하여…
한 소년의 위대한 결심과 그 위력
2011년 11월 30일
박 진 원
jwpark1@gmail.com

Robert Fulton(1765~1815)
✓ 1765년 美 펜실바니아주 리틀 브리테인에서 태어남
✓ 1786년(21세) 때 화가의 꿈을 안고 영국 유학
✓ 1797년 ‘방적기’와 ‘증기기관’을 보고 파리에서 증기선 설계
: 독학으로 기계/수학/설계 공부, 제임스 와트(증기기관 발명자)와 교류
✓ 1801년 4인용 잠수함인 ‘노틸러스(Nautilus)’ 설계 및 제작
: 4인용/인력추진/화약기뢰/3시간 수중체류
✓ 1803년 프랑스 ‘세느강’에서 나폴레옹 위해 시험운항
✓ 1807년 '클레어몬트'호 시험운항 성공 후 뉴욕~알바니간
상업운항 시작 : 첫 상업용 증기선 개발자
http://www.exposea.com/sun1.htm
150마일, 30~32시간 소요
http://en.wikipedia.org/wiki/Robert_Fulton

✓ 1828년 프랑스 낭트의 페이도섬에서 태어남
✓ 1848년(20세) 파리에서 법률공부
: 문학살롱 드나들며 ‘뒤마’와 교분 쌓으며 희곡 집필 등에 몰두
✓ 1863년 ~ 당시 비행기나 잠수함, 우주선이 만들어지고
상용화되기 전 우주, 하늘, 해저여행에 대한 과학소설 창작
: 해저2만리(1869), 80일간의 세계일주(1873) 등 60여 편
✓ 대표작 ‘해저 2만리’에 ‘노틸러스(Nautilus)’라는 잠수함 등장
: 오늘날 잠수함 성능과 비교해 개념적으로 크게 다르지 않음
Jules Verne(1828~1905)
1954년 1월 세계 최초 원자력추진 노틸러스함(SS-571)
http://en.wikipedia.org/wiki/Jules_Verne
http://www.online-literature.com/verne/
http://surbrook.devermore.net/adaptationsbook/2kluts/nautilus.jpg

Simon Lake(1866~1945)
✓ 1866년 美 뉴저지주 플레전트빌에서 태어남
✓ 12세때 쥘 베른의 ‘해저2만리’를 읽고 이후 잠수함 개발에
헌신하고자 결심
✓ 1897년 모든 자금을 투입하여 ‘아고너트(Argonaut)’ 개발
: 못 배우고, 가난한 몽상가라며 美 해군은 그의 노력을 비웃음
✓ 1898년 해군기지에 침입, 항구에 부설된 기뢰 위치를 해도에
표시 후 해군에 제출
: 美 해군은 스파이협의로 투옥하려 하였으나, 각개각층의 구명을 받아 무사
✓ 1898년 버지니아 노퍽에서 뉴욕 시까지 약 500㎞ 잠항항해
: 역사상 최초의 장거리 잠항항해 성공(해전에서의 잠수함 가치 증명 위해)
✓ 첫 잠항항해 성공 후 쥘 베른으로부터 축전을 받음
USS SEAL(1912) USS HOLLAND(1900)
http://simonlake.com/html/
http://en.wikipedia.org/wiki/Simon_Lake
http://inventors.about.com/od/hstartinventors/a/JohnHolland_2.htm

http://simonlake.com/html/jules_verne.html

R=VDVivid Dream Realization
✓ 사진 VD : 멘토의 사진을 구해서 24시간 가지고 다닌다.
또한 생활 공간 이곳 저곳에 붙인다.
✓ 소리 VD : 소망이 이루어졌다고 현재형으로 외친다.
예) “나는 그림으로 억만장자가 될 것이다.”, “나는 돈과 인연이 없다”
✓ 글 VD : 종이에 적어 가지고 다닌다.
예) 1년 단위로 미래 20년 계획을 적어 수첩에 넣어 다닌다.
✓ 장소 VD : 꿈의 장소에 직접 찾아가 생생하게 상상해본다.
✓ 동영상 VD : 동영상으로 자신의 모습을 상상해 본다.
환상을 현실로 만들어 보면, 더욱 더 큰 환상을 만들 수 있게 된다. 그리고 바로 그것이 창조 과
정이다. 밥 프록터(강사, 컨설턴트)
사람들은 대부분 정말로 원하는 것이 있어도 그것이 이루어지리라고 결코 생각지 않는다. 어떻게
해서 이루어질지 상상이 되지 않기 때문에. 잭 캔필드(카운슬러)
* 론다 번의 '시크릿’, 디팟 초프라 ‘바라는 대로 이루어진다’, 밥 프록터 ‘위대한 발견’, 잭 캔필드 ‘마음을 열어 주는 101가지 이야기’ 등
충실하고 현명한 조언자 또는 스승

Early Submarines,
Milestones of Submarine History(1990~)
and Future Submarines

Submarine Timeline
✓ 1620 Drebbel : 첫 번째 성공적인 잠수정
✓ 1776 Turtle : 첫 번째 군사목적 잠수정
✓ 1864 H.L. Hunley : 첫 번째 적함 격침 잠수정
✓ 1867 Ictineo II : 첫 번째 추진엔진 탑재 잠수정
✓ 1941 U-boats : 전쟁 통한 잠수함 역할 재조명
✓ 1954 Nautilus : 첫 번째 원자력추진 잠수함
• 1864~1880 : 어뢰개발
• 1859~1880 : 축전지 개발
• 1892 : 디젤엔진 개발
• 1916 : 스노클장치 개발(1943년 U-boat~)
http://lejonkung.hubpages.com/hub/The-History-of-Nuclear-Submarines-From-World-War-1-to-present

초기형 잠수함
❑ 1620년 Cornelis J. Drebbel(네덜란드)의 Drebbel
❍ 영국왕 James 1세의 후원 하에 제작된 최초의 원시적 형태 잠수함
❍ 목재와 기름 묻힌 가죽을 주재료로 건조
❍ 12 또는 16개의 노로 추진(3가지 버전으로 건조)하며, 15피트(약 4.5m)까지 잠항,
3시간 동안 2마일 항해 가능
http://www.gizmag.com/go/3715/
http://www.gizmag.com/go/3715/
공기흡입장치

❑ 1776년 David Bushnell의 Turtle(미국)
❍ 군사목적 잠수정의 효시로 미국 독립전쟁 시 英國함대 공격 목적으로 건조
❍ 높이 약 1.8m, 폭 약 0.9m, 속력 약 3.0kts, 68kg짜리 폭탄 장착, Floating Egg 외형
❍ 1776년 허드슨강에서 英군함 이글호 공격 실패, 1777년 뉴런던에서 英군함 셀빌러스호 손상
http://www.nytimes.com/2006/11/12/books/review/Davidson.t.html
http://www.submarinehistory.com/EarlyUnderwaterWarfare.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Turtle_(submersible)

❑ 1863년 Horace. L. Hunley의 HUNLEY(미국)
❍ 美 남북전쟁시 남군(CSS)의 공격용 잠수정으로 인류 최초로 적함 격침
❍ 1864년 2월 함수 Boom 끝 폭탄 이용, 북군(USS)의 1200톤급 HOUSATONIC함 격침
❍ 배수량 6.8톤, 길이 12m, 폭 1.17m, 수상 4kts, 승조원 8명(장교1명 포함)
❍ 공격성공 후 복귀 중 원인미상으로 찰스톤항 부근에서 침몰, 승조원 전원 사망
http://en.wikipedia.org/wiki/H._L._Hunley_(submarine)
http://www.numa.net/articles/hunley_in_historical_context.html
http://militaryhistory.about.com/od/navalbattles1800s/p/hunleyhousa.htm
http://www.ratestogo.com/blog/charlestons-south-carolina-attractions/

❑ 1867년 Narcis Monturiol의 ICTINEO II(스페인)
❍ 실질적으로 수면 하 잠항 및 항해가 가능했던 최초 잠수함(인명구조용)으로 간주
❍ 이중선체, 최초 Steam-driven 엔진 탑재, 올리브 목재와 2mm 두께의 구리판으로 제작
❍ 길이 14m, 폭 2m, 높이 3m, 46톤, 속력 3.5~4.5kts, 긴급부상장치, 발라스트 탱크 등 장착
❍ 수심 90피트 잠항 가능, 수중에서 7.5시간 체류 가능 : 상업적으로는 실패
http://www.travelinginspain.com/barcelona/ictineo.htm
http://time-az.com/main/detail/1360

❑ 1st Milestone : HOLLAND VI(미국, 1900)
❍ 최초의 근대식 잠수함(First Real Submarine)으로 잠수함의 원형(Prototype)이 됨
❍ 당시 여러 해군(미국/영국/네덜란드/일본 등)에서 건조
❍ 축전지, 내연기관, 부상탱크, 잠망경과 어뢰발사관/Dynamic Gun, 승조원 7명
❍ 길이 약 63ft, 직경 약 12ft, 수상104톤/수중120톤, 수중속력 약 6~7kts, 500nm @ 7kts
최초의 근대식 잠수함 탄생
수상항해 시 가솔린엔진, 수중항해 시 전기모터 사용
http://usscubera.org/us_sub_hist.ph
http://en.wikipedia.org/wiki/USS_Holland_(SS-1)
http://www.navy.mil/navydata/cno/n87/usw/issue_19/holland5.htm
당시 Vickers조선소(현 BAE)

❑ 2nd Milestone : Type VII(독일, 1936)
❍ 2차 세계대전(1939~45) 초기 활약한 독일해군의 대표적인 공격잠수함
❍ 길이 약 67m, 직경 6.2m, 2x디젤엔진, 수상 17.7kts·769톤/수중 7.6kts·871톤, 항속거리
8200nm, 시험잠항심도 230m
❍ 5x어뢰발사관, 14x어뢰/39x기뢰, 1x88mm 함포 등
1차 세계대전 경험 토대로 대형화, 고속화, 고심도화 및 무장적재능력 강화
http://en.wikipedia.org/wiki/German_Type_VII_submarine#
http://www.uboataces.com/uboat-type-vii.shtml
http://military.discovery.com/technology/vehicles/submarines/submarines-01.html

❑ 3rd Milestone : Type XXI(독일, 1943~45)
❍ 2차 세계대전 종전 직전 대량 건조된(118척) 독일 해군 주력 잠수함
❍ 수중항해에 유리한 선체, 축전지 출력 증대로 수중작전을 주 임무로 하는 최초의 잠수함
❍ 길이 76.7m, 전폭 8m, 흘수 5.3m, 수상 15.6kts·1621톤/수중 17.2kts·2100톤,
수상 항속거리 15,500nm @ 10kts, 수중 항속거리 340nm @ 5kts
❍ 승조원 56명, 6x어뢰발사관, 23x어뢰 또는 17x어뢰 & 12x기뢰, 4x20mm포 등
전쟁 초기 대비 획기적 성능 개선 및 수중작전을 주임무로 하는 최초의 잠수함
http://en.wikipedia.org/wiki/German_Type_XXI_submarine
http://military.discovery.com/technology/vehicles/submarines/submarines-09.html

❑ 4th Milestone : Albacore(미국, 1953)
❍ 최초의 물방울형(Tear Drop)선체 채용 수중작전 위주로 종래 잠수함 개념의 획기적 전환
❍ 함교탑 소형화 및 유선형화(마찰저항/유체소음 감소) : 수중속도 및 항속거리 증대
❍ 길이 62.1m, 전폭 8.2m, 수상 25kts·1240톤/수중 33kts·1540톤, 승조원 54명, HY-80강 적용
재래식 잠수함의 종전 작전개념을 “수중작전 위주”로 획기적으로 전환
http://www.hazegray.org/havhist/albacore.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/USS_Albacore_(AGSS-569)
http://www.globalsecurity.org/military/systems/ship/agss-569.htm

❑ 5th Milestone : Nautilus(미국, 1954)
❍ 세계 최초의 원자력추진(가압수로형 원자로: PWR) 잠수함
❍ 길이 97.5m, 전폭 8.5m, 수상 2980톤/수중 3520톤, 최대속력 23kts
❍ 10MW급 원자로 탑재, 승조원 105명, 6x어뢰발사관
❍ 58년 세계 최초 북극해 바다(알래스카->그린란드) 아래 통과 기록 보유
http://kookbang.dema.mil.kr/
http://militaryhistory.about.com/od/shipprofiles/p/ussnautilus.htm
http://www.athropolis.com/arctic-facts/fact-nautilus.htm
필요시 잠항하는 잠수함에서 “필요시 부상하는 잠수함”으로 개념 전환

❑ 6th Milestone : Skipjack(미국, 1959)
❍ 세계 최초의 원자력 추진체계(PWR) + 물방울 선형 채택으로 이후 핵잠수함의 원형이 됨
❍ 길이 약 76m, 전폭 약 9m, 수상 3070톤/수중 3513톤, 최대속력 29kts, 시험심도 약 220m
재래식 잠수함의 근원적 제한사항을 극복하기 위해
“원자력추진체계+물방울 선형”을 세계 최초로 채택한 잠수함
http://en.wikipedia.org/wiki/Skipjack_class_submarine
http://www.globalsecurity.org/military/systems/ship/ssn-585.htm

❑ 7th Milestone : Gotland(스웨덴, 1995)
❍ 세계 최초 무급기 추진방식(AIP : Air Independent Propulsion)의 재래식 잠수함
❍ 길이 60.4m, 전폭 6.2m, 수상 10kts·1240톤/수중 20kts·1494톤, 승조원 25명 등
❍ 축전지 충전 위한 스노클링 없이 수주간의 수중작전 능력 보장
재래식 잠수함의 수중작전지속능력 강화 위해
“무급기추진방식(AIP)”을 세계 최초로 채택한 재래식 잠수함
http://articles.janes.com/articles/International-Defence-Review-95/WORLD-S-FIRST-PRODUCTION-AIP-SUBMARINE.html
http://www.military-today.com/navy/gotland_class.htm
http://cybercity2030.110mb.com/cyber2/Retro06.html
스털링엔진(Stirling engine) 장착
• 연료전지(PEM) : 독일 212/214급
• MESMA : 프랑스 Scorpene급
• CCD(Closed-Cyde Diesel) : 독일/네덜란드

❑ Modern Submarine Development Tree
Type XXI
Albacore
1970/80s
Teardrop SSK
1990s
AIP SSK
Nautilus(PWR)
2nd Gen. SSN
Skipjack
3rd Gen. SSN
LA/Seawolf
4th Gen. SSN
Virginia Class
1st Gen. SSBN
Ohio Class
2nd Gen. SSBN
0000 Class
1950s Postwar
Conventional SSK SSN SSBN
Attack Submarine Nuclear Powered Submarine Nuclear Powered Ballistic missile Submarine
고용석, “잠수함 설계개론”, 국방과학기술아카데미 2008

❑ 미래형 잠수함
❍ 야마토(Yamato)-1(일본, 1992)
- 초전도상태에서 발생하는 전자기유체력(MHD)을 추진력으로 이용
- 기존 프로펠러 추진 대비 진동이나 소음 발생 감소(잠수함에 유리)
- 길이 30ｍ, 너비 10.4ｍ, 톤수 280톤, 계획속도 8노트, 10인승
- 함정 속도 제어와 추진 효율 향상으로 빠른 속력으로 항해 가능
초전도전자기추진선(Superconducting Electromagnetic Propulsion Ship)
http://kookbang.dema.mil.kr/
http://bemil.chosun.com/nbrd/gallery/view.html?b_bbs_id=10044&num=13670
워터젯 추진기와 유사하게 물을 후방으로 뿜어내는 원리, 단 전자기유체력 이용
Magneto-hydrodynamics
“플레밍의 왼손법칙”

❍ SSGT(英 BMT社, 2004)
- 2004년 영국 BMT社가 제안한 가스터빈(G/T) 장착 고속 스노클 항해 신개념 잠수함
- 고속 이동시(가스터빈) 전구(Bulb) 형태 구조물 수면 노출하여 스노클 상태 이동
- 길이 109m, 직경 7.6m, 수상 30kts·3700톤/수중 20kts·4195톤, 항속거리 6000nm @ 20kts, 25명
- 가스터빈 1기, AIP 연료전지 + 리포머(Reformer)
- 6x어뢰발사관, 8x수직발사관, 무인잠수정(UUV) 4기 등
Ship Submergible Gas Turbine
가스터빈
공기흡입 마스트
수직발사관 해치
UUV 수용공간
http://www.bmtdsl.co.uk/BMT/bmt_media/bmt_media/33/2007-09-26Concept-SSGTDataSheet.pdf

❍ Tango Bravo(美 DARPA, 2009)
- 차기 원자력추진 순항미사일 잠수함(SSGN)으로 오하이오급 대체 전력으로 구상 중
- 버지니아급 공격원잠 수준의 크기와 성능이나 건조비는 절반 정도를 목표
- 일체형 추진체계, 외부 무장발사관, 함수 특수소나, 함정 자동화 등 관련 기술 동반 발전 요구
UUV
외부 어뢰발사관
수직발사관(양현)
차세대 소나
일체형 추진체계
http://en.wikipedia.org/wiki/Virginia_class_submarine#Tango_Bravo

❍ SMX-25(프랑스 DCN, 2010)
- 전통적인 잠수함의 제한점을 驛撥想해 ‘수상 고속기동(70km/h)’ 가능 신개념 잠수함 제시
- 전장 109m, 최대잠항 100m, 반잠수 38kts·2850톤/수중 10kts·4850톤, 승조원 27명 등
- 가스터빈 3대, 워터제트 추진기, UAV 탑재, 어뢰발사관 4문, 수직발사관 16셀 등
- 수상함과 잠수함의 장점 동시 활용, 다양한 임무수행 및 합동작전(Wolfpack 작전 유사) 수행
영화 나디아 ‘노틸러스호’
VLS
UUV
UAV
함수타
프랑스 DCN사 ‘SMX-25’
함수타
VLS(16)
UAV
수중추진기
유로네이벌 2010
http://www.secretprojects.co.uk/forum/index.php?topic=11460.0
http://defense-and-freedom.blogspot.com/2010/09/smx-25.html

❍ Underwater Express(美 DARPA, 2006~2013)
- 초공동현상(Super cavitation) 이용 선체-해수 분리(마찰저항 감소)시켜 초고속 기동하는 개념
- 수중에서 100kts 이상 고속 10분 동안 유지 가능한 8ft 직경 무인 또는 유인잠수함 개발을 목표
- 수중에서 공동현상 안정적으로 유지하는 기술이 핵심(c.f, 獨 바라쿠다, 러 쉬크빌 200kts 급 이상)
http://en.wikipedia.org/wiki/Supercavitation
http://en.wikipedia.org/wiki/VA-111_Shkval
http://www.defenseindustrydaily.com/the-need-for-speed-all-aboard-the-underwater-express-02782/

❍ 미래 잠수함 발전 추세
- 고속화 : 초전도현상, 초공동현상, 가스터빈 탑재, 필요시 수상/스노클 고속 이동개념 등
- 소형화 : 추진체계 일체화/소형화/효율개선, 함정 자동화, 차세대 소형 탐지체계,
외부 무장 장착, 전통적인 함형(Tear drop) 탈피 등
- 무인잠수함/항공기 탑재 : 정보전자전(원거리 정찰, 특수요원 침투) 능력 강화

Relativities …

ANSWER
무엇에 쓰는 물건인고? (1)
• 강신장, “오리진이 되라”, 쌤앤파커스 2010

ANSWER

함정설계 특성

Sail to
Steam
Battleships to
Aircraft Carriers
Fossil Fuel
to
Nuclear Power
Guns to
Missiles
Task Force
to FORCEnet
Teletype
to Email
❑ 함정 발전추세
❍ 과거에서 현재까지
* NAVSEA, “Summer Naval Surface Ship Design Course”, 2007

GET connected
GET unmannedGET modular
❍ 현재 진행형

Littoral Combat Ship – “One Hull, Three Missions”
Only possible with an Open Systems approach
Mine Warfare
Littoral Surface
Warfare
Littoral ASW
Warfare
❍ “GET modular” Example
U.S. Navy LCS1 ‘Freedom’, General Dynamics

❑ 함정 설계/건조 특성 : 복잡, 비선형적(A complicated nonlinear system)
☑ 복잡한 시스템 조합(Synthesis) 및 다학제적(Multi-disciplinary) 특성 ☞ 복잡(Complex)
☑ 시스템과 시스템, 시스템과 하부시스템간 비선형적 상호작용 수반 ☞ 비선형적(Nonlinear)
* 손귀현, 국방대 강의자료“수상 전투함 소개”, ’08년 12월

❍ 효과적인 함정설계의 중요성
설계비용은 총 획득비의 5% 가량이지만,
설계가 시스템 성능에 미치는 영향은 70% 이상

“포괄적인 접근방법(HOLISTIC APPROACH WITH A GLOBAL PERSPECTIVE) 적용 필요”
* Alan Brown, “Ship Design Note”, Virginia Tech, 2005“Real Design Web”
Complex, Nonlinear , Concurrent
“Conceptual Design Spiral”
Simple, Linear, Sequential
❍ 함정설계의 특성

美 해군 함정설계 프로세스 및 설계방법론
SECNAVSINST
5000.2D
(2 Pass 6 Gate)
DON Requirements Acquisition
MS BMS A
* Captain Norbert Doerry, “Fleet Capabilities Based Assessment”, May 2009
; Preliminary Design(초기설계)
9 Contract Design(계약설계)
; Detail Design and Construction(상세설계 및 함 건조)
9 Analysis of Alternative
(대안분석)
官 주도 안정된 요구사항 도출 활동
(Requirement Synthesis)
民 주도(官 감독) 요구사항
만족 위한 설계결과 도출 활동
(Design Synthesis)
9 System Design Specification

❑ 美 해군 함정설계 방법론
- 초기단계 설계에서 요구사양을 토대로 비용 대비 임무 효과도 등 상쇄 검토를 광범위, 신속 수행 가능
• 전산환경 기반下 공학적/수학적 모델을 이용, 신속한 최적 대안 도출 용이로 美 해군 광범위하게 활용 중
• 최적화 이론인 Response Surface Method(RSM), Design of Experiment(DOE) 및 Genetic Algorithm
(GA) 등 결합, 다목적 최적화(Multi-Objective Optimization) 수행 ☞ 균형 잡힌(Balanced) 최적 설계대안 도출
* 적용 예 : 버지니아텍(VT) , 미해군대학원(NPS), MIT, 조지아텍(GIT) 등 함정/항공기 설계 예
- 현재 개념탐색 수준 모델링 및 정확도로 기본설계 이상 단계에는 적용 곤란: 낮은 정교성, 전산환경 제한 등
• Parametric equations, Empirical equations 사용
* 전산환경의 급격한 발전을 기반으로 점차 SBD를 초기설계 수준까지 확대하려는 노력 시도 중(Caption Doerry, NAVSEA)
* David J. Singer, “What is Set-Based Design?”, May 2009
* James S. Webster, US Navy ”Warship Design Course”, Summer 2007
❍ Synthesis Model Based Design Optimization(SBD) : 최적화 기반 설계조합

❍ Set Based Design : 집합 기반 설계
- Synthesis Based Design 대비 정확성 및 모델의
정교성 높음
- 각 설계분야별(전기, 통신, 선체 등) 성능 수준 및 요구
요구 사양 등을 식별하여 설계팀 내 조정/통제를
통해 全 분야 교집합을 1차 도출하고,
- 도출된 교집합 기준으로 만족 가능한 해결책 범위
(Range of solutions) 산정
- 해결책 범위내 점진적으로 교집합을 확대해가며
全분야 요구사양을 동시 충족 가능한 최종 결과 도출
※ 美 해군도 아직은 Pre-PD 및 초기설계(PD) 단계에서 나선형 설계방식과
개념적으로 혼재
From TOYOTA Production System : Engineers communicates in terms of sets, Multiple design alternatives are developed in parallel
* Chris Paredis, “Set-Based Design: A Decision-Theoretic Perspective”
Ex) TOYOTA 생산시스템,
FORD MOSTANG,
BOEING 설계시스템 등

❍ Design Spiral 설계
- 요구조건 충족을 최우선으로 하는 설계 진행시
설계대안을 순차적으로, 반복하여 정제함으로써
최종 설계대안(Final design) 도출 유리
- 앞서 언급한 설계방법 대비 더욱 정교한 모델링
및 설계 가능하므로,
- 기본설계 및 상세설계 시 통상 활용됨
- 다만 반복적, 순차적으로 설계 진행하므로 기간/
인력 소요 과다하다는 단점 내포
Ⅹ

구 분 정확도/정밀도 신속성 비용/인력 활용 분야
나선형 설계 상 하 대 기본설계, 상세설계
집합기반 설계 중 중 중 기본설계 초기(Pre-PD)
최적화 기반 설계조합 하 상 소 초기단계(개념탐색, 개발)
Conventional Approach
(Design Spiral)
New Approach
(Synthesis-Based Model, Set-Based Model)
Few design alternatives
manually generated
Many more design alternatives
by an automated design process
Time-consuming nature Time-saving nature
A small amount of information Maximum amount of information
Local Optimization Global Optimization

❍ Vision of New Approaches
“MORE KNOWLEDGE,
MORE FLEXIBLE DESIGN”
* 최동훈, “최적설계 신기술 세미나, 국과연”, 2000

함정 초기단계 설계용
통합설계최적화(PIDO) 프레임
Based on Synthesis Model based on Design Optimization

❑ 함정 초기단계 설계용 PIDO 프레임
❍ 통합설계최적화(PIDO) 프레임 일반
“Process capturing, Process automation, simulation robot”
“Process Integration”
☑ 해석프로그램, In-house 코드, 엑셀 등 다양한
설계 지원수단(모듈)간 데이터 활용 용이로 단일
프레임 내 동시(통합, 자동화) 설계
☑ 설계모듈의 재활용 및 수정 용이
☑ Trial-and-Error를 신속, 효과적으로 수행 등
PIDO = “신속·정확하며 효율적인 시스템 설계 지원 수단”
* Nick Tzannetakis, “The state of process integration and design optimization”, 2005
“Design Optimization”
“Decision support, Design exploration, Robust design”
☑ 광범위한 설계영역(대안)에 대한 탐색 가능
☑ 다목적 최적화로 설계목표 달성 용이 및 의사결정을
위한 고급 정보 (비용 대 효과 등) 제공
☑ 수작업 최소화 및 설계자 직관 배제 가능 등

☑ 설계변수 정의 모듈 : 1EA
☑ 분야별 설계모듈 : 8EA
☑ 제한조건 모듈 : 1EA
☑ 목적함수 모듈 : 3EA
☑ 최적화 모듈 : 1EA
☑ PIDO 상태(조합) 감시모니터 : 4EA
구 성
☜ “Total 18
modules”
☑ 설계모듈(exe) : Fortran, excel, etc
☑ 입력/출력 : input, output
☑ 데이터베이스 : 전투체계, 추진체계
☑ 모듈 연결파일 : File-wrapper
입력자료
☑ 설계모듈 개발 또는 재활용(일부 수정)
☑ 모듈간 연결(Link)
☑ 제한조건/설계변수/목적함수 설정
☑ 최적화(유전자 알고리즘) 설정
☑ PIDO 실행
실행절차
☞ “Best alternatives”
❑ 함정 초기단계 설계용 PIDO ver. 1

❑ Sequenced Design Structure Matrix(SDSM)
DVs Combat Prop. Hull Tankage Space Electric
Resistan
ce Weight
Feasibilit
y
OMOE Cost Risk MOGO
DVs ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■
Combat ■ ■ ■ ■ ■ ■
Prop. ■ ■ ■ ■ ■ ■
Hull ■ ■ ■ ■
Tankage ■ ■ ■ ■
Space ■ ■ ■ ■
Electric ■ ■ ■
Resistance ■ ■ ■
Weight ■ ■
Feasibility ■
OMOE ■
COST ■
RISK ■
MOGO
Independent
(Concurrent)
Dependent
(Sequential)
Independent
(Concurrent)
No interdependent(Feedback)
(Coupled)
OutputInput
DATA
WORK
“Dependon….”

PIDO 실행 동영상(1min. 22 sec.)

❍ PIDO 예제(연안형 소형 잠수함)
구 분 정 의 설계영역
LOA Length Overall 100ft ~ 180ft
B Beam Length 22ft
D Depth 22ft
Cmanning Automation factor 0.5 ~ 1.0
Ts Mission length 14 ~ 30 days
Depth Operational depth 250 ~ 350ft
Emin Minimum Endurance 500NM at 10kts
Vs Minimum Sprint Speed 15kts
Es Minimum Sprint Range 25nm
NT Maximum Personnel 35 mans
Ebattery Battery capacity 5000 ~ 15000 kw.hr
Wfuel Fuel weight 5 ~ 15lton
ASW Anti-submarine warfare Option 1 ~ 4
C4I C4I warfare Option 1 ~ 3
ISR ISR warfare Option 1 ~ 2
MCM Mine Countermeasure Option 1 ~2
SPW Special Warfare Option 1 ~ 4
Ndeguess Degaussing system Yes or No
PSYS Propulsion system Option 1 ~ 6
BATtype Battery type Option 1 ~ 3
Npim Payload interface modules Option 1 ~ 4
Design Alternatives

❍ PIDO 최적화 결과(10 Generations ~ 200 Generations)

❍ PIDO 예제 결과(Best Designs optimized)
구 분 Design 1 Design 2 Design 3
LOA 121ft 143ft 135ft
Beam 22ft 22ft 22ft
Depth 22ft 22ft 22ft
Light weight 590lton 611lton 675lton
Max. Speed 22.7 kts w/ 40NM 22.5kts w/ 40NM 21.7kts w/ 39NM
Endurance 660 NM at 10kts 617NM at 10kts 884NM at 10kts
Mission day 21days 28 days 28 days
Personnel 14 mans 14 mans 14 mans
OMOE 0.527 0.671 0.720
OMOR 0.847 0.932 0.730
COST 0.798 0.850 0.909
Automation 0.6 0.7 0.8
3D PARETO chart
Feasible space
2D PARETO chart

❍ PIDO 결과 활용 : Key Performance Parameters(KPP) 식별
10095908580757065605550454035302520151050
Ebattery
BATtype
Ng
PSYS
Depth
Wfuel
SPW
D
C4I
B
Ndegaus
Cmanning
ASW
Lbow
Laft
Lmid
Npim
MCM
Ts
29%
29%
7%
5%
4%
4%
4%
4%
3%
2%
2%
2%
2%
1%
1%
1%
0%
0%
0%
임무 효과도 주효과 획득비용 주효과
☑ 가변임무모듈 수량, 축전지 형태, 임무일수,
연료량, 추진체계 : ~ 64%
☑ 축전지 용량, 축전지 형태, 소자체계 : ~ 65%

창의적이며 체계적인 함정설계 위한
포괄적 사고방식과 시스템엔지니어링(SE)

Holistic
: Emphasizing the importance of the
whole and the interdependence of
its parts
& American Heritage Dictionary of the English Language
• Think holistically
Encompass all aspects of the task
at hand, taking into account the
influences and consequences of
anything that might interact with the
task
• Focus on critical aspects
• Maintain holistic perspective
Part, product, organization,
enterprise, societal, regulatory, …
포괄적인 사고(Think Holistically)?

Picasso의 창조적 사고방식
• Think holistically - with a global Perspective
: 큰 그림을 그릴 수 있도록 포괄적으로 고민하라
• Be synthetic first, analytic Second
: 먼저 생각을 종합하라. 다음 분석하라
• Learn from creative and critical thinking
: 창조적이고 핵심적인 사고로부터 학습하라
• Learn from best practices in SA
: 협동 작업 시 최고의 기술을 습득하라
• Share best practices
: 최고의 기술은 공유하라
“Good artists copy,
Great artists steal”
Pablo Picasso(1881 ~ 1973)
조르주 브라크
Man with a guitar(1911)
파블로 피카소
Accordionist(1911)

Macintosh Desktop-1984
Xerox Star GUI – 1981
Windows 1.0-1985
Bitmapped Display, GUI, 아
이콘, 폴더, 마우스, 이더넷 네트워
킹, 파일 서버, 프린트 서버, 이메일
등
* 상업적으로는 실패
마우스 이용 창과 아이콘을 좀 더 쉽게 사
용, 최초로 파일과 폴더를 끌어 복사되는
시스템
* 최초 상업적으로 성공
멀티태스킹, GUI, 32픽셀 아이콘, 컬러 그래픽 등
* 애플의 일부 특허 무단사용으로 소송 논쟁
➢ 제록스 ↔ 애플 : 투자 관계
➢ 애플 ↔ MS : 하청 관계

Macintosh Desktop-1984
Xerox Star GUI – 1981
Windows 1.0-1985
Mac OS X 라이온 - 2011
Windows 7.0-2009
Bitmapped Display, GUI, 아
이콘, 폴더, 마우스, 이더넷 네트워
킹, 파일 서버, 프린트 서버, 이메일
등
* 상업적으로는 실패
마우스 이용 창과 아이콘을 좀 더 쉽게 사
용, 최초로 파일과 폴더를 끌어 복사되는
시스템
* 최초 상업적으로 성공
멀티태스킹, GUI, 32픽셀 아이콘, 컬러 그래픽 등
* 애플의 일부 특허 무단사용으로 소송 논쟁
➢ 제록스 ↔ 애플 : 투자 관계
➢ 애플 ↔ MS : 하청 관계

Think Differently
When asked what single event was most
helpful in developing the Theory of Relativity,
Albert Einstein replied,
"Figuring out how to think about the Problem”
- W. Edwards Deming
Einstein의 창조적 과학 사고
“It’s what to do
When you don’t know what to do”
“Don’t believe everything you believe”
Albert Einstein(1879~1955)

ART ≒ SCIENCE
“Think holistically, Think differently”

ART ≒ SCIENCE
“Think holistically, Think differently”
새로운
시공간(공간-시간) =
새로운
입체주의
Albert Einstein
Pablo Picasso

구글 회장, ‘에릭 슈미트’
플라로이드 카메라 개발자,
‘에드윈 랜드’
애플 煎 CEO, ‘스티브 잡스’
소프트뱅크 회장, ‘손정의’

‘데니스 홍’교수의 7가지 로봇 이야기(16min 12sec)
과학잡지 Popular Science가 뽑은 세계 젊은 천재 10명중 1명
Source: http://www.ted.com/
* KBS1TV 글로벌 성공시대 1회 “꿈을 설계하다 - 로봇공학자, 홍원서”

아름다운 이론 ≠ 아름다운 그림
“그들 사이의 기본적인 일치”
복잡한 현실을 간단 명료하고
일목요연하게 기하학적
기본 요소로 환원시키고자 했음
독일 과학사가, 에른스트 페터 피셔

아름다운 이론 ≠ 아름다운 그림
“그들 사이의 기본적인 일치”
복잡한 현실을 간단 명료하고
일목요연하게 기하학적
기본 요소로 환원시키고자 했음
독일 과학사가, 에른스트 페터 피셔
“SYSTEM
ENGINEERING”
?

An Example of Reductionism : Human Anatomy
http://www.innerbody.com/htm/body.html

Another example of Reductionism → Total Ship System
☑ 전투/무장 장비
☑ 선체, 추진 및 전기/보기 등
☑ 전투체계(Combat Sys.)
☑ 추진제어, 손상보수체계 등
☑ 분야별 운용인력
☑ 보수/지원인력 등
☑ 전략/전술적 임무
☑ 공격/방어개념 등
“Traditional Ship System”
Level I
Level II
Level III
Level IV
ELECTRONIC WARFARE SYSTEMS
COMBAT SYSTEMS
HULL SYSTEMS
PROPULSION SYSTEMS
TS(H/W, S/W, Man, etc)
Systems
Subsystems
Piece-Parts
TOTAL SHIP
<Total Ship Hierarchy>
제품분할구조(Product Breakdown Structure)
작업분할구조(Work Breakdown Structure)
조직분할구조(Organization Breakdown Structure)
비용분할구조(Cost Breakdown Structure)

☑ 체계화(절차 또는 표준) 미흡 / 경험 부족 → 두려움/기피
: 복잡성 / 비선형성 등 ex) “Gantt charts”(1차 대전~)
“함정설계 ≠ 시스템엔지니어링 or 함정설계 ≒ 시스템엔지니어링 ?”
함정설계와 시스템엔지니어링
“함정설계 = 시스템엔지니어링”
ICD/CDD/CPD
ROC
CONOP
Mission Scenario
Ship Type
Ship Size
HM&E
Combat sys, etc
Requirement Loop
Design Loop
“Validate”
* Captain Norbert Doerry, “Total Ship Functional Analysis In Support Of Knowledge Management in Ship Design”, May 2009

- 함정 임무, 외부환경, 불확실성 등 상호 작용하는 모든 사항을 고려한 해결책을 제시하는
체계적 공학관리(Engineering Management) 활동
- 시스템과 시스템, 시스템과 하부시스템간 상호작용을 조정·관리하여 균형된(Balanced)
시스템 설계목표(부분최적화가 아닌 전체 최적화) 달성을 위한 공학적 조정·관리 활동
Total Ship System Engineering(TSSE) = Total Ship + System Engineering
; Minimize cost and risk, maximize effectiveness

Role of Project Manager and S.E. Engineer
콘서트마스트

12 System Engineering Roles
Adrian Pop, Erik Hertzog, Tutorial on SysML Modelica Eclipse and ModelicaML, ModProd 2009 Workshop, 2009.Feb
Sarah A. Sheard, Twelve Systems Engineering Roles, 1996 INCOSE Symposium

방위사업관리규정158호(‘11. 8. 9)
제96조(체계공학에 관한 절차의 적용)
통합사업관리팀장 및 연구개발주관기관은 효율적
인 연구개발을 위하여 대상 무기체계에 대한 모든
이해관계자와 전체 수수명주기를 고려하여 체계공
학에 관한 절차를 적용해야 하며, 이에 관한 세부절
차는 별도의 지침으로 정한다
• 방위사업청, 철도청, 한국항공우주산업,
한국전력기술, LIG NEX1/삼성탈레스
등 방산기업 대부분
http://www.focus.com/fyi/best-jobs/

요 약
✓ 새로운 것에 대한 상상력(질문)과 창조의지가 근대 잠수함 탄생의 출발 ex) 사이먼 레이크
✓ 모든 발명과 발견은 無에서 창조된 것이 아니라 이미 있는 것으로부터 아이디어들을 얻고
(때론 모방해서/훔쳐서) 조합하고 조정함으로써 얻어짐 ex) 갈릴레오 갈릴레이, 제임스 와트, 스티브 잡스 등
✓ 잠수함 성능의 획기적인 진보는 특정 역사적 이벤트(전쟁, 획기적 발명 등)를 기점으로 이루어진 과학혁명적
(Scientific Revolution; paradigm) 구조 띰 ex) Civil War → WWI → WWII → Post War → Cold War(~1990)
✓ 미래 잠수함 개발은 조선공학 기술 외에도 전기/전자공학, 재료공학, 기계/항공공학, 美학,
화학, 해양학, 컴퓨터공학, 산업/인간공학 등 다양한 학문의 통섭(Consilience) 불가피
✓ 함정탑재 장비의 성능 고도화, 복잡화, 네트워크화 등으로 미래 함정개발을 위한 창의적이며, 포괄적인 관점
과 설계도구 개발 필요 Naval ship is more than naval engineering: TSSE, Computer-based Design, etc.

남기는 말…
✓ 자신의 꿈(Vision/Dream) 생생하게, 현재형으로 자주 되뇌어 자기 신념화 R=VD
✓ 튼튼한 지식 축척을 기반으로 모든 사물을 포괄적으로 때로는 남과 다르게 볼 수 있는
사고 습관 구축 필요 Think differently and holistically ex) “T”, General Specialist, etc.
✓ 인문학적 성찰과 상상력을 끊임없이 모색 Communicate w/ liberal art and imagine something different
✓ 새로운 학문이나 분야, 사람에 대한 경험 기회에 두려워하지 않고 다가가기
* 子曰學而時習之不亦悅呼 (공자가 말하길 “배워 때에 맞춰 익히니 또한 기쁘지 아니한가”)
* Carpe Diem; Memento Mori
* KBS 1TV '수요기획' 11월 11일 밤 11시40분 '세상을 이끄는 1% 천재들의 독서법'
더 생생하게, 더 소리 높여 꿈꾸라!
유한 길이의 수명을 가진 인간이 과거와 미래를 주어진 수명내 간접경험할수 있는 유일하며 효과적인 방법(讀書), 단 읽고 사고하지 않으면, 실천하지 않으면 편협된 사고방식 고착됨
미지의 새로운 것에 대한 끊임없는 동경. 자아에 문을 열수 있는 비밀번호/열쇠를 알 수 있도록…
다양한 분야 인물 만나기, 다양한 아르바이트, 다양한 실패의 경험 등

Back Up

* 피카소는 시간을 공간으로 변화, 그의 시간은 그림 속에서 공간으로 표현
아비뇽의 아가씨들(1907)
기존(~1907)의 미술틀(감정표출 도구)
공간적 동시성(평면→입체 재구성)시간과 공
간 동시 표현
수학, 과학, 특히 기하학 의존
게르니카(1937)

“예술 없는 과학은 잔혹하고, 과학 없는 예술은 우스꽝스럽다”
美 소설가 , 레이먼드 챈들러
뉴턴 : 시간과 공간은
분리된 불변의 상수
아인슈타인 : 시간과 공간은
연속체
* 아인슈타인은 공간이 물질에 의해 변형됨(질량=에너지)
* 피카소는 시간을 공간으로 변화, 그의 시간은 그림 속에서 공간으로 표현
아비뇽의 아가씨들(1907)
기존(~1907)의 미술틀(감정표출 도구)
공간적 동시성(평면→입체 재구성)시간과 공
간 동시 표현
수학, 과학, 특히 기하학 의존
게르니카(1937)

다양한 분야들이 서로 연관되어 설계 변수 다수,
복잡한 공학적 해석 요구
과다 설계 비용과 시간(CPU time) 소요
❍ Multi-Disciplinary Design 일반적 특성
❍ 설계구조행렬(DSM) 단순화 절차
❖ 설계구조행렬 (Design structure matrix, DSM)
Design sequence
A
C
D
B Feed-Forward
Feed-Back
* Effect of System Decomposition : reduce iterations* 최동훈, “최적설계 신기술 세미나, 국과연”, 2000
* James L. Rogers, “REDUCING DESIGN CYCLE TIME AND COST THROUGH PROCESS”,
1997
* 모듈(분야)간 입/출력 관계 간단히 표현
❑ 통합설계최적화(PIDO) 이론적 배경

Aero
Model
Aero
Analysis
Rigid
Aero
Pressure
and
Deflection
Flexible
Aero
Stability
and
Dynamics
Develop
Geometry
Dynamic
Model
Structural
Model
Structural
Analysis
Structural
Mode
Aero
Elastic
Analysis
Control
Analysis
Initial
Data
Revise
Initial
Data
Weight &
Inertia
Analysis
Mission
Perform-
ance
Final
Data
Vehicle
Perform-
ance
Aero
Elastic
Properties
Stability
Qualities
Structural
Weight
❍ 항공기 통합설계 및 다목적 최적설계 예
1997* 최동훈, “최적설계 신기술 세미나, 국과연”, 2000

Aero
Model
Aero
Analysis
Rigid
Aero
Pressure
and
Deflection
Flexible
Aero
Stability
and
Dynamics
Develop
Geometry
Dynamic
Model
Structural
Model
Structural
Analysis
Structural
Mode
Aero
Elastic
Analysis
Control
Analysis
Initial
Data
Revise
Initial
Data
Weight &
Inertia
Analysis
Mission
Perform-
ance
Final
Data
Vehicle
Perform-
ance
Aero
Elastic
Properties
Stability
Qualities
Structural
Weight
❍ 항공기 통합설계 및 다목적 최적설계 예
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
21
20
1
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7
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21
20
1
2 STABDYN
3 STRMODL
4 STBQUAL
5 STRMODE
6 GEOMDEV
7 AEPROP
8 AEANALY
9 CTANALY
10 FLXAERO
11 INIDAT
12 RVSEDAT
13 MISPERF
14 VEHPERF
15 RGDAERO
16 AEROANL
17 PRESDEF
18 STRANAL
19 STRCTWT
20 WIANALY
21 AEROMDL
process
DYNMODL
반복연산 야기 → CPU time 증대
Many Feed-Back

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
21
20
Process
16 DYNMODL
15 STABDYN
4 STRMODL
18 STBQUAL
11 STRMODE
3 GEOMDEV
19 AEPROP
14 AEANALY
17 CTANALY
13 FLXAERO
2 INIDAT
21 MISPERF
20 VEHPERF
6 AEROANL
7 PRESDEF
8 STRANAL
9 STRCTWT
10 WIANALY
5 AEROMDL
1 RVSEDAT
12 RGDAERO
▪ 유전자 알고리즘의 조합 최적화 방법을 통해  
각 분야를 재배열(re-sequencing) 
▪ feed-Back loop ▶ feed-Forward loop
▪ 반복연산 감소
A
C
D
B
C
A
D
B
(re-sequencing) 
❍ Sequential Decomposition
획기적으로 FEEDBACK LOOP 감소 → CPU TIME 대폭 감소(1/6)
Feed-Back
Conventional DSM
<<Sequenced DSM>>

❍ Sequential Decomposition 효과
Design Structure Matrix (DSM) Sequenced DSM
Sequential  
Decomposition
Genetic Algorithm
Time and cost
Time and cost
구 분 DSM Sequenced DSM
CPU time 21,340 3,800 : abt. 1/6
COST 19,640 3,220 : abt. 1/6
* 최동훈, “최적설계 신기술 세미나, 국과연”, 2000
1997

과학이 기술에, 기술이 과학에
• 과학이 기술에...
패러데이 실험실의 전자기 유도 효과 → 전동기와 발전기
헤르츠 실험실의 전자기파 효과 → 무선통신
* 그러나, 과학적 효과의 발견이 곧바로 기술로 이어지는 것은 아님
• 기술이 과학에...
산업혁명기의 증기기관 → 열역학의 주요한 문제 제공
벨의 전화기 → 미세 전류 측정 장치로 개조
통신 위성의 노이즈 분석 → 우주 배경 복사의 발견
• 과학과 기술의 다양한 접점
과학: 다양한 수준의 이론, 실험실에서의 실천, 기기, 숙련 등의 복합체
기술: 다양한 수준의 지식, 실험, 숙련, 설계 능력, 인공물 등의 복합체
단순결합은 불가능. But 다양한 층위에서 접점 형성 가능
현대에 올수록 둘 사이의 경계가 모호한 새로운 공간(e.g. 기업 연구소, 대학의 반도
체 연구소)이 늘어가고 있음
Dream

잠수함(노틸러스)의 탄생과 창의적 함정설계 방법에 대하여

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