선박이 시속100km이상의 속력으로 운행하는 대형 초고속선 시대가 열리고 있다. 일본이 시속93km의 1천톤급 화물선, 노르웨이가 시속93Km의 5백톤급 초고속여객선을 개발했고 미국에선 시속102km의 1만9천톤급 대형 초고속선을 개발중이다. 육상의 고속도로에 도전한 첨단 초고속선의 개발현황을 알아본다
CFD 연구를 초고속선 선형개발에 활용한다면 선체주위의 유동장 계산결과로부터 압력 및 속도, 자유표면 파고분포 등 초고속선의 설계 및 기본계획 단계에서 필요한 저항 및 추진성능 자료를 얻을 수 있다. 이러한 기능을 더욱 개선 발전시키면 선형개발에 더 많은 적용이 예상된다. 또한 항주 시간에 따른 초고속선의 운동특성을 고려할 수 있게 된다면 앞으로 항주자세제어 및 내항성능과 승선감의 추정도 CFD 연구를 통해서 가능하리라 믿는다. 이제 국내 조선소를 중심으로, 21세기에 도래할 것으로 예측되는 고속 해상수송 수단에 대한 수요에 대응하고 조선기술의 우위확보를 위해 고부가가치, 고성능이 요구되는 초고속선 기술개발에 연구를 집중해야겠다.
수치 해석적 방법으로서의 CFD(Computational Fluid Dynamics)는 급속한 전산기성능의 발달과 더불어 많은 발전을 거듭하고 있으며, 특히 선박분야에 있어서도 일반선형에 대한 주위의 유 동장해석 및 성능추정, 초기설계에의 응용에서 그 활용성이 입증되고 있다. 따라서, 초고속선에 대하여도, CFD의 대표적 장점이라 할 수 있는 실선에 대한 수치실험이 짧은 시간에 저가의 경비로 가능하다는 것과 그 결과가 모형선 실험결과보다 상세하고 충실한 정보의 확보가능 등을 감안한다면, 앞으로 초기 초고속선 선형개발단계에서 CFD의 적용을 기대해 볼만 할 것이다. 이러한 관점으로부터, 본 고에서는 초고속선의 선형개발에 있어서 CFD의 활용성에 관하여 고 찰해 보고자 한다.
고속선의 발전방향은 초고속화와 더불어 대형화에 초점이 맞추어져 있으며, 고속선의 대형화는 새로운 복합 지지방식을 필요로 한다. 복합 지지방식은 종래의 지지방식을 두 가지 이상 병행 이용하는 것인데, 현재 개발되고 있는 복합 비비방식들을 보면 내항성이 우수한 전몰 수중동 체(submerged lower hull)나 수중익등이 많이 응용되고 있다. 이는 초고속선에서 내항성능이 차지하는 비중이 매우 큼을 보여주는 것이라 하겠다. 또한, 선박의 대형화 그 자체도 내항성능을 제고시키는 한 방법이 된다. 이상에서 초고속선의 내항성능에 대해 개략적으로 살펴보았다. 현재 각국에서 대형 초고속선의 개발에 경쟁적으로 나서고 있음은 주지의 사실이다. 국내에서도 이에 대한 활발한 연구가 이루어지기를 바라고, 머지 않은 장래에 연구성과가 결실을 맺어 웬만한 황천에서도 안락한 항해가 가능한 우수한 초고속선이 개발되기를 기대해 본다.
초고속선에 관련된 점성유동은 저한성능 향상과 운항자세 제어를 위해 사용되는 다양한 선체부 가물의 저항 예측과 초고속선에 많이 사용되는 물분사 추진장치 입구 형상의 설계 그리고 임펠 러에 이르는 덕트 유동의 예측을 중심으로 관심을 받아왔다. 본 소고에서는 통상적인 선박의 경우와는 구별되는 초고속선 고유의 점성유동 특성에 관하여 간략히 논의하기로 하고 내용을 크게 선체-부가물 점성유동과 물분사 추진장치에 관련되어 있는 덕트유동으로 나누어 기술하 였다.
고전적인 고속선형에서 탈피한 새로운 형태의 고속선형에 대한 효시는 1960년경의 수중관통형 수중익선의 개발이라 할 수 있다. 그 후, 1980년대까지는 일반적인 중,저 속의 화물선 및 LNG 운반선에 대한 유체역학적 특성의 향상을 위한 선형 개발 경쟁이 국내외적으로 활발하게 진행 되어져 왔다. 그러므로, 이러한 기간중인 약 20여년간은, 선박의 선형 개발면에서는 기존의 선 박형태를 탈피하지 못한 채 유체역학적 성능을 향상시키려는 소극적인 진전이 있었을 뿐, 발전이 매우 더딘 편이었다. 1980년대 후반에 들어서 국내외적인 물동량의 증가와 해상고속운송의 필 요성이 대두되면서 고속선의 개발에 대한 열기가 시작되었다. 그간의 고속선개발은 주로 미국을 중심으로 군사적인 목적면에서 진행되어 왔고, 일본은 거의 일반상선의 선형개발에 중점을 두어 왔으나, 1980년대 후반부터는 일본도 아시아지역에서의 물동량변화와 고속화의 필요성에 따라 고속선 개발에 뛰어들게 되었다[1, 2, 3]. 특히 최근의 50knots를 넘는 대형의 화물운송용 초고 속선 개발은 주목할 만한 연구가 되고 있다'4'. 국내에서도 1990년대에 들어서면서 소형이지만 이러한 초고속선의 선형개발을 시작하게 되었으며, 실용화된 예도 몇몇을 가지고 있다. 본고에 서는 이제까지 연구된 몇가지 초고속선형들에 대한 예와 장단점, 또한 조파저항 성능면에 대해 기술하여 보고자 한다.
21세기를 향한 여객선의 추세는 초고속화, 대형화(국제화), 성에너지화, 우수한 내항성능, 저진동 및 저소음 등을 갖춘 선박을 요구하고 있다. 이런 관점에서 초고속선으로 속력에 한계가 있는 단동선 (monohull), 쌍동배수량형(catamaran), 최소수면 쌍동선(SWATH)의 선형과 대형화가 곤란한 수중익선 (hydrofoil)보다는 속력면에서 유리하고 대형화가 가능한 표면 효과선 또는 앞 에서 언급한 고속 선형의 장점을 복합시킨 각종 복합선형이 개발되리라고 생각한다. 그러나 복 합선형이 실용화되기까지는 경제적인 건조비, 운항자세 제어 시스템, 신소재를 이용한 경구조화, 진동과 소음, 추진 시스템 등에 대한 요소 기술의 개발이 선행되어야 한다. 끝으로 선박의 속력이 50노트가 넘는 초고속선을 설계, 제작, 운항을 하는데 있어 그 개념이 조선공학에서 다루어지는 통상 선박기술의 연장이라고 그 영역을 정리하는 경향이 있다. 이 글을 정리하면서 느낀 것이 지만 해상교통 수단의 초고속화가 이루어질수록 그 지지기술 및 자세제어기술 등에 있어서는 항공기 기술에 가까워짐을 알게 되었다. 그러한 뜻에서 초고속선 개발에는 항공기 기술에서 얻 어진 노하우를 잘 활용하는 일도 중요하리라 생각된다.
21세기의 고속해상교통수단으로 등장할 초고속화물선의 필요성, 핵시기술, 개발실적, 실용화에 대하여 소개하였다. 더 나아가 해상급유를 고려한 태평양항로용 대형초고속화물선도 여러분야의 고도기술력과 집중적 개발비 그리고 산.학.연.관의 추진체계로 가능할 것이다. 세계물동량의 대부분이 해상수송으로 이루어지고 있어 초고속화물선의 등장으로 21세기에는 door-to-door 서비스의 일관된 물류시스템이 우리 곁에 다가올 것으로 기대해 본다. 아울러 초고속선 기술은 조선산업의 고부가차기화를 통한 국제경쟁력을 강화시키고 우리나라 조선산업의 미래 조선산업에서의 주도적 역할 수행에 기여할 것으로 보인다.
배수량형 초고속선의 선형 설계방법 및 최적치수 선정과 저항특성 추정을 위한 체계적인 이론적, 실험적 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 먼저 최소저항이론 및 단면변화 선형식에 의한 배수량형 초고속선의 선형 설계 방법을 정립한 후 개발된 방법을 활용하여 주요 설계변수의 체계적인 변화에 따른 60척의 계열선형(series hull form)을 설계하였으며 계열선형에 대한 모형시험을 수행하여 그 결과에 대한 회귀분석을 수행하였다. 초고속선에 대한 이와 같은 체계적인 다목적 연구는 세계 최초라고 생각되며 연구 수행이 성공적으로 완료되어 준비된 전산 프로그램은 배수량형 초고속선 설계를 위한 휼륭한 도구로써 현재 극히 유용하게 활용되고 있다.
초고속선의 구조설계에 있어서 가장 중요한 요소중의 하나가 구조부재에 대한 경량화이며, 이점에서 최근 알루미늄하니콤 샌드위치판이 초고속선의 선각재료로서 주목을 받고있다. 본 논문에서는 80미터급 초고속 카훼리에 대한 시설계를 통하여 알루미늄 샌드위치판의 초고속선의 선각재료로서의 유용성을 확인코져 한다. 이를위해, 먼저 사례연구 대상선박의 사양을 정하고, 기존의 알루미늄 보강판 방식과 샌드위치 방식으로 구조설계를 수행, 이들의 설계결과를 비교함으로써 샌드위치구조의 구조경량화 가능성을 검증코져 한다. 선박의 경제성을 검토하기 위해서 선박건조비 및 운항비를 포함한 전체비용을 두가지 방식에 대하여 정량적 비용분석을 수행코져 한다. 끝으로, 현재 초고속대형선의 선각재료로서 알루미늄하니콤 샌드위치판이 사용되지 못했던 원인과 앞으로 해결해야할 과제들에 대해서 고찰하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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