몰수체는 수중에서 작동하는 모든 운동체를 의미하며, Remotely operated vehicle(ROV), Automonous underwater vehicle(AUV), 수중무기, 잠수함 등이 포함된다(Kim et al., 2012). 몰수체는 해양자원 탐사 및 채취, 수중작업, 적함 공격 및 회피기동과 같은 각각의 고유한 임무에 적합한 조종성능을 보유해야 한다. 따라서 설계 초기단계에서 몰수체의 조종성능을 추정하기 위한 방법이 요구된다.

몰수체의 조종성능을 추정하기 위한 동유체력 모형에 대한 연구는 1960년대부터 이루어졌다. Gertler and Hagen(1967)은 잠수함의 동유체력을 운동변수와 제어변수의 Taylor급수전개식을 이용하여 다항식 모형으로 제안한 바 있다. 급격한 선회운동이나 긴급부상과 같은 고영각(High incidence angle) 운동을 하는 경우의 조종운동을 모사하기 위하여 Feldman(1979)은 Gertler모형에 횡교차항력(Cross flow drag)과 세일보텍스(Sail vortex)와 같은 성분을 추가하거나 식을 변형시키는 방식으로 새로운 모형을 제안한 바 있고 Watt(2007)는 수평면과 수직면에 국한되지 않은 영각을 정의하여 동유체력을 모델링한 바 있다. 동유체력 모형 내의 유체력 미계수는 전통적으로 수조모형시험을 통하여 도출된다. 유체력 미계수 추정을 위한 모형시험은 평면운동장치 시험(Planar motion mechanism test), 회전팔 시험(Rotating arm test), 제어형 예인전차시험(Computerized planar motion carriage test) 등이 있다. 평면운동장치 시험은 수직면 혹은 수평면 방향으로 몰수체 모형을 강제운동 시키며 힘과 모멘트를 측정하는 방식으로 수행되며 수직면으로 운동시킬 경우 상하동요와 종동요 운동에 관련된 미계수를 도출할 수 있고, 수평면으로 운동시킬 경우 좌우동요와 선수동요 운동에 관련된 미계수를 도출할 수 있다. 몰수체의 평면운동장치 시험은 Rhee et al.(2000), Seol(2005), Jung et al.(2014) 등에 의하여 수행된 바 있다. 회전팔 시험과 제어형 예인전차 시험은 주로 몰수체의 좌우동요와 선수동요에 관련된 미계수를 도출하기 위한 시험방법으로서 Feldman(1987), Feldman(1995), Kim et al.(2000), Kim et al.(2012)에 의하여 수행된 바 있다. 전통적으로 수행되는 수조모형시험이 아닌 풍동시험을 통해 동유체력을 계측하거나 잠수함 주위 유동을 관찰하여 유체역학적인 특성을 파악하는 등의 연구도 수행되고 있다(Nguyen et al., 1995; Quick et al., 2012; Quick et al., 2014).

몰수체의 경우 수상함에 비해 정복원력과 질량관성 모멘트가 작기 때문에 횡동요 모멘트 변화에 매우 민감하다. 또한 횡동요, 종동요 및 선수동요의 회전운동이 동시에 복합적으로 일어날 수 있는데 위에서 언급한 시험방법으로는 횡동요와 연성된 유체력 미계수를 도출할 수 없다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 Davidson Laboratory(DL)의 Lewandowski(1991)은 항공기의 유체력 미계수를 추정하기 위해 사용되던 원추형시험 장비를 잠수함 수조모형시험에 처음으로 적용하였고, 후에 Rhee et al.(2000)이 원추형 시험 장비를 이용하여 횡동요와 연성된 유체력 미계수를 도출한 바 있다. 하지만 앞서 소개한 연구 이외에는 원추형 시험을 몰수체에 적용한 연구사례를 찾기 어렵고, 소개한 문헌에서도 원추형시험의 수행방법이나 해석방법에 대하여 자세히 다루지는 않고 있다.

본 논문은 평면운동장치 시험, 회전팔 시험과 같은 일반적인 몰수체 시험에 비해 잘 알려져 있지 않은 원추형시험의 수행방법과 시험결과 해석법을 정립하고 자세히 설명하고자 하였다. 원추형 시험으로부터 동유체력만을 얻기 위하여 고려해야 할 사항은 크게 두 가지가 있다. 첫째, 원추형 시험 결과에는 구해야 하는 동유체력 뿐만 아니라 관성력, 중력 및 부력이 포함되어 측정된다는 점이다. 둘째, 원추형 시험 중 모형에 작용하는 힘들로 인해 센서(Sensor)의 스팅(Sting)에 변형이 생겨 초기에 설정된 시험조건과 달라진다는 점이다. 위와 같은 문제를 해결하기 위하여 원추형 시험에 앞서 선행되어야 하는 시험을 관성계측시험, 영점변화계측시험, 스팅변형계측시험으로 구성하고 각각의 시험법을 설명하였다. 앞서 기술된 영향을 보정하여 도출된 동유체력을 회귀분석하여 유체력 미계수를 구하였고, 계산된 유체력 미계수를 이용하여 추세선 추정한 결과와 시험결과를 비교하였다.

원추형시험을 수행하기에 앞서 육상에서 수행해야 하는 시험이 있다. 센서 캘리브레이션, 모형의 관성계측시험, 스팅변형계측시험이 육상시험에 해당된다. 센서 캘리브레이션의 개념과 수행방법은 잘 알려져 있기 때문에 이와 관련된 내용은 생략하기로 한다. 본 연구에서 사용된 센서는 스팅형의 방수형 6분력 밸런스이다. 방수형 6분력 밸런스의 모습과 밸런스의 각 방향 최대허용힘과 모멘트를 각각 Fig. 4와 Table 1에 수록하였다.

수중모형시험은 저항시험, 사항시험, 원추형시험으로 구성된다. 각각의 시험에서 계측되는 힘과 모멘트는 식 (17)과 같이 무차원화한다.

여기서, A는 몰수체의 중앙단면적을 의미한다. 시험 해석 시 힘과 모멘트에 대하여 이전 시험 해석을 통해 알고 있는 동유체력 성분은 소거한 후 Residual 힘과 모멘트를 통하여 동유체력 계수를 도출하였다. 유체력 미계수를 도출할 때는 최소자승법을 사용한 회귀분석법을 사용하였다. 시험 종류별로 유체력 미계수를 도출하는 순서를 Table 2에 표기하였다.

원추형시험의 순수 횡동요시험은 원추각과 설정 횡경사각을 0°으로 설정한 시험을 의미한다. 실제 몰수체는 높은 레이놀즈수(Reynolds number)의 영역에서 운항하게 되므로 주위의 유동장은 난류유동이라고 할 수 있다. 하지만 모형시험에서는 모형의 크기가 작고 속도가 낮으므로 낮은 레이놀즈 수의 영역에서 진행할 수 밖에 없다. 그러므로 실제 몰수체의 운항환경에 최대한 맞추기 위하여 수중시험을 수행하기 이전에 난류촉진장치를 모형에 부착하였다. 본 연구에서는 ITTC recommended procedure(ITTC, 2002)를 참고하여 본 시험에 적절한 난류촉진 장치를 부착하였다. 모형에 난류촉진장치를 부착한 모습과 규격 및 부착 위치를 Fig. 7과 Table 3에 수록하였다.

본 논문은 몰수체의 횡동요 연성 운동의 영향을 파악하기 위해서 개발된 원추형시험의 수행방법과 해석방법에 대하여 설명하였다. 동유체력 모형으로는 DL에서 사용된 모형을 원추형 운동 특성 및 모형의 대칭성을 고려하여 본 시험에 맞게 수정하여 사용하였다. 수중 시험을 수행하기에 앞서 스팅변형시험을 통해 하중에 따른 센서 스팅의 변형정도를 확인하였고, 육상시험을 통해 몰수체 모형의 관성력을 계측하였다. 서울대학교 해양시스템공학연구소의 직선예인수조에서 몰수체에 대한 저항시험, 사항시험, 원추형시험이 수행되었다. 중력과 부력으로 인한 영점의 변화와 관성력이 포함되는 원추형시험 결과에서 동유체력만을 도출하는 방법을 제시하였다. 도출된 동유체력 중 횡동요 방향 모멘트는 횡동요 각속도가 커질수록 감쇠모멘트가 증가하는 경향을 보임을 확인하였다. 도출된 유체력 미계수를 이용하여 추세선 추정한 결과와 시험결과가 잘 일치하는 것을 확인하였다. 그러나 본 연구는 추진기가 없이 시험을 수행하였기 때문에 추진기로 인한 후류가 조종성능에 큰 영향을 미치는 몰수체의 유체력 미계수를 정확하게 도출했다고 판단하기 어렵다. 향후 센서의 스팅에 부가적으로 추진기를 달아 선미 유동을 재현하며 몰수체 시험을 수행할 수 있는 방법에 대한 추가적인 연구가 필요하다.