1. 서 론
최근 해양레저에 대한 관심이 증가하면서 레저보트에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. Jeong et al.(2008)은 선속 25노트 이상, 전장 20m 이하의 고속활주선 80여척을 분석하여 초기선형 개발에 활용할 수 있는 주요제원 추정을 위한 통계자료를 제시하였고, Kwon et al.(2012)은 고속 활주선의 종방향 자세 안정성을 향상시키기 위한 새로운 핀(Fin)을 개발하였다. Jeong et al.(2013)은 쌍동형 고속 레저보트에 대한 연구를 통하여 쌍동형 보트의 두 선체 사이에 부착하는 Center body가 어떤 속도 범위에서는 부가적인 활주선 역할을 하면서 저항성능에 큰 영향을 준다고 설명하였다. 이러한 대부분의 연구들은 유리섬유(GFRP, Glass fiber reinforced plastic) 소재의 전장 9m(30피트) 이하의 비교적 소형 레저보트에 대한 연구들로, 해외에서 널리 사용되고 있는 알루미늄 합금이나 경량탄소섬유(CFRP, Carbon fiber reinforced plastic) 소재를 이용한 중대형 레저보트에 대한 연구/개발 사례는 아직 부족한 현실이다.
본 연구는 Oh et al.(2013)에 의하여 수행된 CFRP 소재의 크루즈보트 연구를 토대로, 서로 다른 선형특성을 갖는 두 척의 50피트급(약 15m) CFRP 소재 고속 파워요트의 저항특성을 모형시험을 통하여 분석하였다. CFRP 소재의 보트는 기존의 GFRP 보트에 비하여 선체 중량이 가볍기 때문에 흘수가 낮고, 따라서 고속선에서 저항성능에 큰 영향을 미치는 챠인(Chine)의 위치와 선저경사각 등이 변하게 된다. 고속 활주선에서 챠인은 양력발생을 통한 활주자세 변화 뿐 아니라 선체의 균형을 잡아주는 역할을 하고 있다. 따라서 적절한 챠인의 위치는 중요한 설계변수이나, 이 위치는 배수량, 선저경사각, 흘수, 선폭 등 많은 설계인자들과 함께 움직이는 변수인 관계로 그 적정 위치를 찾는 것은 많은 경험을 필요로 한다. 본 논문에서는 두 척의 대상선의 흘수 변화에 따라 챠인과 수선면이 만나는 위치가 활주성능과 저항성능에 미치는 영향을 모형시험을 통하여 분석함으로서 향후 유사선 개발 시 활용할 수 있는 방안을 제시하였다.
2. 선형특성
본 연구에서 대상으로 한 두 척의 보트 형상과 주요제원을 비교하여 Table 1과 Fig. 1에 각각 나타내었다. Hull-A는 Hull-B에 비하여 수선간 길이, 폭 그리고 침수표면적이 다소 작은 반면 배수량은 크다.
Hull-A의 경우, 선수부 단면형상이 오목형상인 반면 Hull-B는 직선형 단면형상이다. 오목한 단면형상은 슬래밍(Slamming) 현상에 의한 선수부 충격에 취약한 문제가 있으나 저항성능에 유리한 장점이 있고 직선형 단면형상은 생산성이 우수한 장점이 있다(Kihara and Ishii, 1986).
활주성능에 민감한 영향을 주는 종방향 중심위치는 선미단에서 수선길이의 40% 정도가 적당하다고 알려져 있다(Niwa, 2002; Clement, 2004). Hull-A의 경우, 이 값은 40.3% 정도이나, Hull-B의 종방향 중심위치는 37.6%로 Hull-A에 비하여 다소 선미부에 위치하고 있다. 이는 Hull-B의 선수 수선면 형상이 뾰족한 형상이기 때문에 선미에서 배수량을 확보하기 위한 결과이다.
선저경사각은 저항성능 뿐 아니라 운항 중 자세 안정성에도 큰 영향을 미친다. Kihara and Ishii(1986)의 파랑 중 모형시험 결과에 따르면 선저 경사각이 커질수록 파랑 중 선수 상하 가속도가 줄어드는 경향을 보이지만, 이 각이 지나치게 커지면 추진효율이 나빠지는 문제가 있다. 따라서 선수부는 최대 30°가 넘지 않도록 하고, 선미부는 추진효율을 고려하여 선미단에서 10°~15° 정도를 제안하고 있다. 이 선저경사각은 배수량과 흘수 뿐 아니라 무게중심 위치와도 밀접한 관계를 갖고 있다. 본 연구 대상선은 CFRP 소재인 관계로 선체 중량이 기존의 GFRP 소재 보트에 비하여 가볍기 때문에 배수량을 만족시키기 위하여 선미부 선저경사각이 21°로 다소 큰 편이다.
3. 모형시험
3.1 시험조건
모형시험은 서일본유체기술연구소 고속회류수조에서 Froude number(Fn) 0.7~1.8 범위에서 수행하였다. 시험모형은 Lpp=0.8m 크기로 하드우레탄으로 제작하였다. 자세한 시험조건은 Table 2와 같다.
Case-1과 Case-3은 각각 Hull-A와 Hull-B의 설계조건으로, 두 경우 모두 챠인이 흘수선과 6 Station에서 만난다. Case-2와 Case-4는 임의로 흘수를 증가시킨 경우로, Csae-2는 흘수선과 챠인이 8.5 Station 부근에서, 그리고 Case-4는 7 Station 부근에서 각각 만나게 된다. Case-2와 Case-4의 종방향 중심(Lcb) 위치는 선미단에서 배 길이의 각각 40.7%와 37.7%로 흘수차이에 따른 위치 변화는 크지 않다.
3.2 시험결과
계측된 저항 값은 배수량으로 무차원화 하여 비교하였다. 소형 고속선에서 배수량이 저항성능에 큰 영향을 미치기 때문에 상대적인 성능 비교를 위하여 배수량으로 무차원화된 저항값을 널리 사용하고 있다(Niwa, 2002).
Case-1과 Case-2의 배수량 톤당 저항성능을 비교해 보면(Fig. 2), Fn=1.2를 기준으로 저속영역에서는 Case-1이, 고속영역에서는 배수량을 증가시킨 Case-2가 우수한 특성을 보인다. 이는 저속영역에서는 배수량 증가에 비하여 저항증가가 상대적으로 크다는 의미이고, 고속영역에서는 그 반대로 저항증가량이 작다는 것을 의미한다.
항주트림(Fig. 3)과 침하량(Fig. 4) 변화를 보면 Case-1의 트림 변화는 전속도 영역에서 비교적 일정한 반면, Case-2의 경우 선수부가 많이 부상되면서 저속영역에서 선미트림이 비교적 크게 발생하고 있다. Case-2는 Case-1에 비하여 배수량이 약 75% 정도 증가되었음에도 불구하고 선체 부상량이 상대적으로 더 크다. 이는 Jeong et al.(2012)과 Jeong et al.(2013)이 활주형 고속선 연구에서 언급한 바와 같이 배수량을 증가시킨 경우 챠인이 선수부터 수면하부에 위치하면서 선수부 챠인에 유체력이 추가적으로 작용하였기 때문이라고 판단된다.
비교적 저속영역인 Fn-0.85와 Fn=1.14에서는 Case-1에 비하여 Case-2의 트림이 크고 선미파가 크게 발생하고 있다. Fn=1.2 이하에서 Case-2의 저항증가가 상대적으로 큰 이유는 이러한 큰 선미파가 주원인이다. 그러나 고속영역인 Fn=1.52에서는 Case-2의 선체 부상량이 크고, 우수한 파계를 보인다. 고속영역에서 Case-2의 저항증가량이 상대적으로 작은 이유이다. 두 경우의 Lcb 위치가 큰 차이가 없음에도 발생하는 이러한 차이는 앞에서 언급한 바와 같이 Case-2의 챠인이 선수부터 수면하부에 위치하면서 선수부 챠인에 작용한 유체력에 의한 Moment가 상대적으로 크기 때문이다.
속도가 증가할수록 배수량을 증가시킨 Case-4의 배수량톤당 저항값이 Case-3에 비하여 작은 경향을 보이나 Hull-A와 같은 큰 차이는 없다. 또한 항주트림 뿐 아니라 선체 부상량 차이도 Hull-A에 비하여 상대적으로 작다. 그 이유는 두 경우의 Lcb 위치 차이가 거의 없을 뿐 아니라, 흘수선과 만나는 챠인의 위치가 각각 6번과 7번 Station 부근으로 선수부 챠인에 작용하는유체력에 의한 Moment 차이가 상대적으로 작기 때문이라고 판단된다.
모든 속도 영역에서 파계의 큰 차이는 나타나지 않고 있다. 배수량 증가에도 불구하고 저항증가가 크지 않은 이유라고 판단된다.
이상에서 살펴본 바와 같이 선형 특성이 다른 본 대상선 두 척 모두에서 챠인이 흘수선과 만나는 위치는 트림과 선체부상을 변화시켜 저항성능에 큰 영향을 미친다는 것을 확인하였다.
전반적으로 두 경우 유사한 특성을 보인다. 비교적 낮은 속도 영역에서 Case-1의 선체 부상량이 상대적으로 작음에도 저항성능이 다소 우수한 이유는 침수표면적 차이로 마찰저항이 작은 것이 한 원인이라고 판단된다. 속도가 증가하면서 안정된 활주 상태에서는 두 경우의 저항성능은 거의 동일하다.
종방향 중심위치, 선저경사각, 선수부 수선면 형상 등 두 선형의 특성이 서로 다름에도 불구하고 설계조건에서의 저항성능과 항주특성이 유사한 이유는 이 조건에서 두 선형의 흘수와 만나는 챠인위치가 동일한 것이 한 원인이라고 판단된다. 따라서 잘 설계된 활주선에서 챠인과 수선면이 만나는 위치는 항주 트림 변화와 활주성능에 큰 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 그러나 고속영역에서 활주성능향상을 위하여 이위치가 지나치게 선수부에 위치할 경우, 특정 속도영역에서 지나치게 큰 선미 트림이 발생할 수 있으므로 면밀한 주의가 필요하다.
4. 결 론
본 연구는 서로 다른 선형특성을 갖는 두 척의 50피트급 CFRP 소재 고속 파워요트의 저항특성을 모형시험을 통하여 분석하였다. 본 연구에서 대상으로 한 두 척의 활주선은 설계조건에서는 저항 성능, 항주트림 및 선체부상량에 큰 차이가 없으나, 흘수를 증가시킴으로 수선면과 챠인이 만나는 위치가 변하면서 성능이 크게 변하는 것을 확인하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
활주선에서 챠인과 수선면이 만나는 위치는 항주트림 변화와 활주성능에 큰 영향을 미친다. 이위치가 선수부에 위치할수록 챠인에 작용하는 유체력에 의한 Moment가 증가하여 선미트림이 크게 발생한다. 그러나 고속영역에서 활주성능향상을 위하여 이위치가 지나치게 선수부에 위치할 경우, 특정 속도영역에서 지나치게 큰 선미트림이 발생할 수 있으므로 면밀한 주의가 필요하다. 향후 모형시험에서 도출된 자세(Trim and sinkage)에서의 CFD 해석을 수행하여 모형시험결과와의 비교연구를 수행할 예정이다.
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