구상선수
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1. 개요
구상 선수는 선박의 선수 하부에 부착되는 돌출된 구조물로, 물의 저항을 줄여 선박의 속도와 연비를 향상시키는 데 기여한다. 1900년 이전에 군함 예인 시험을 통해 수중 충각 형태가 저항을 감소시킨다는 것이 밝혀진 후, 제1차 세계 대전 중 데이비드 W. 테일러에 의해 처음으로 개념이 제시되었다. 이후 독일의 브레멘과 유로파 여객선에 적용되며 주목받기 시작했고, 일본 제국 해군과 대한민국의 조선 산업에서도 기술이 발전했다. 구상 선수는 선수가 만드는 파도와 상쇄되는 파도를 생성하여 조파 저항을 감소시키며, 소나 돔을 배치하는 데에도 활용된다. 또한, 선박 안전을 위해 벌브 선수 마크를 게시하며, 충돌 사고 시에는 충각 역할을 할 수 있다는 점이 특징이다.
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| 구상선수 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 명칭 | 구상 선수 |
| 영어 명칭 | Bulbous Bow |
| 일본어 명칭 | バルバス・バウ (Barubasu Bau) |
| 설명 | 선박의 선수(뱃머리) 아랫부분에 튀어나온 구(球) 형태의 구조물 |
| 기능 및 원리 | |
| 주요 기능 | 파도 저항 감소 연비 향상 선박 성능 향상 |
| 원리 | 구상 선수에서 발생하는 파동과 선체에서 발생하는 파동을 상쇄시켜 파도 저항을 줄임 수면 아래에서 물의 흐름을 조절하여 선체 저항을 감소시킴 |
| 효과 | |
| 연비 개선 효과 | 10~15% (특정 선박 및 운항 조건 하에서) |
| 최적 속도 | 특정 속도 영역에서 효과 극대화 (선박 설계에 따라 다름) |
| 적용 대상 | |
| 일반적인 적용 대상 | 대형 선박 고속 선박 컨테이너선 유조선 여객선 군함 |
| 적용이 어려운 선박 | 소형 선박 저속 선박 어선 예인선 |
| 설계 고려 사항 | |
| 주요 고려 요소 | 선박의 크기 선박의 속도 선박의 운항 조건 파도 특성 |
| 설계 방법 | 수조 실험 컴퓨터 시뮬레이션 |
| 역사 | |
| 초기 개발 | 20세기 초 |
| 주요 개발자 | 데이비드 W. 테일러 (미국 해군 건축가) |
| 상용화 시기 | 1960년대 이후 |
| 발전 | 컴퓨터 기술 발전과 함께 설계 정확도 및 효율성 향상 |
| 추가 정보 | |
| 참고 | 구상 선수는 선박의 전체적인 디자인과 조화를 이루어야 함 구상 선수의 효과는 선박의 운항 속도와 해상 조건에 따라 달라질 수 있음 최근에는 에너지 효율을 높이기 위해 더욱 발전된 형태의 구상 선수 개발이 진행 중임 |
2. 역사
벌버스 바우의 기원은 고대 그리스 군함 갤리선의 뱃머리에 부착된 충각이었다. 이것들은 주로 해전 시 상대 군함의 흘수선 아래 선체를 뚫어 침몰시키기 위한 병기로 사용되었으며, 현대처럼 조파 저항 감소를 목적으로 한 것은 아니었다.
1900년 이전 군함의 예인 시험을 통해 수중 충각 형태가 수중 저항을 감소시킨다는 것이 밝혀졌다.[5]
이후 초기 발전과 일본의 기여를 거쳐 현대적인 모습으로 발전하였다. 1935년 블라디미르 유르케비치(Vladimir Yurkevich)가 설계한 프랑스의 초대형 여객선 SS 노르망디는 대형 선수 전각과 재설계된 선체 형태를 결합하여 30노트(56 km/h)가 넘는 속도를 낼 수 있었다. SS 노르망디는 깨끗한 물 진입과 현저히 줄어든 선수파를 포함하여 여러 가지 면에서 유명했다. RMS 퀸 메리는 전통적인 선미 및 선체 설계를 사용하여 SS 노르망디와 동등한 속도를 달성했지만, SS 노르망디가 RMS 퀸 메리보다 약 30% 적은 엔진 출력과 그에 따른 연료 사용량 감소로 이러한 속도를 달성했다는 중요한 차이점이 있었다.
2. 1. 초기 발전
1911년, 미국 해군의 조선관이었던 데이비드 왓슨 테일러 소장이 렉싱턴급 항공모함에 구상선수를 처음 채용하였다.[7] 이는 USS 델라웨어 전함 설계에 적용된 것이었다. 초기에는 널리 받아들여지지 않았으나, 워싱턴 해군 군축 조약 이후 항공모함으로 개조된 렉싱턴급 항공모함에서 큰 성공을 거두면서 주목받기 시작했다.[7]1920년대에는 독일의 여객선 브레멘과 유로파가 진수되면서 구상선수 설계에 큰 변화가 일어났다. '독일의 북대서양 그레이하운드'라고 불린 이 두 대형 상업용 여객선은 대서양 횡단 여객 경쟁을 벌였다. 두 선박 모두 블루 리본을 획득했는데, '브레멘'은 1929년에 27.9kn의 횡단 속도로, '유로파'는 1930년에 27.91kn의 횡단 속도로 기록을 경신했다.[8]
이 설계는 1920년대 후반과 1930년대 초에 건조된 미국의 'SS 말로로'(SS Malolo), 'SS 프레지던트 후버'(SS President Hoover), 'SS 프레지던트 쿨리지'(SS President Coolidge) 여객선에서도 찾아볼 수 있다. 그럼에도 불구하고, 당시 많은 조선업자와 선주들은 이 아이디어를 실험적인 것으로 간주했다.[9]
2. 2. 일본의 기여
1960년대, 도쿄 대학교의 이누이 다카오(乾 崇夫|이누이 다카오일본어) 박사는 벌버스 바우에 대한 심층적인 연구를 통해 현대적인 설계 개념을 정립했다.[10] 그의 연구는 조파 저항을 최대 5%까지 줄일 수 있음을 밝혔다.[10] 일본 제국 해군은 쇼카쿠급 항공모함, 야마토급 전함 등 다양한 군함에 벌버스 바우를 채택하여 성능을 향상시켰다.[10]3. 작동 원리
벌버스 바우는 선박이 항해할 때 발생하는 끌림파의 에너지를 상쇄하는 원리를 이용한다. 일반적인 형태의 선수는 선수파를 발생시키는데, 구상부는 물을 위로 흐르게 하여 골을 형성한다.[2] 이 골이 선수파의 마루와 만나면 두 파가 상쇄되어 선박의 뒤따르는 물결이 감소한다.[6]
선박 선체에 구상부를 추가하면 전체 습윤 면적이 증가하여 저항도 증가한다. 하지만 빠른 속도에서는 선수파가 물을 통해 앞으로 나아가는 것을 방해하는 가장 큰 힘이 되므로, 선수파 발생을 억제하는 것이 더 큰 이점이 된다. 파도 상쇄 효과는 선박의 더 높은 속도 범위에서만 중요하므로, 구상 선수는 저속에서는 에너지 효율이 떨어진다.[2]
구상 선수는 선수파와 구상부에서 나오는 상쇄 파도 사이의 상호 작용에 따라 다르게 설계될 수 있으며, 설계 변수로는 위쪽 곡률, 수선에 대한 구상부 위치, 구상부 체적 등이 있다.[1] 또한 구상 선수는 선박의 종방향 피칭 모멘트에서 떨어진 거리에 질량을 증가시켜 피칭 모멘트를 감소시킨다.[1]
현대식 구상 선수(bulbous bow)는 1950년대와 1960년대에 도쿄 대학교의 이누이 타카오 박사에 의해 개발되었다. 이누이는 테일러가 구상 선수(bulbous forefoot)가 장착된 선박이 예측보다 훨씬 낮은 저항 특성을 나타낸다는 것을 발견한 후 과학자들이 수행한 초기 연구 결과를 바탕으로 연구를 수행했다. 1980년대에 브리티시컬럼비아 대학교의 연구자들이 컴퓨터 모델링 기술을 통해 성능을 실용적인 수준으로 향상시키기 전까지 널리 활용되지 않았다.
3. 1. 조파 저항 감소
조파 저항은 선박이 수면을 가르며 나아갈 때 발생하는 끌림파로 인해 에너지가 소모되는 현상이다. 이 파도를 만드는 데 에너지가 쓰이므로, 이 에너지 손실이 곧 저항으로 작용한다.; 원리
벌버스 바우는 수면 아래에서 전방으로 돌출된 구조를 하고 있다. 이 구조는 선박의 선수에서 발생하는 파도보다 먼저 파도를 발생시킨다. 벌버스 바우가 발생시킨 파도는 선수에서 발생하는 파도와 위상이 반대가 되어 서로 상쇄 간섭을 일으킨다. 즉, 각각의 파도의 마루와 골이 서로 상쇄되어 파도가 작아진다.[6]
결과적으로 파도가 작아지면 조파 저항이 줄어들어 선박의 연비가 향상되고 속도가 증가한다.
; 역효과
선체가 벌브 선수의 설계대로의 흘수를 유지한다면 높은 조파 저항 감소 효과를 기대할 수 있다. 그러나 적재량 변화 등으로 흘수 높이가 크게 변하거나, 특히 빈 배 상태에서 선체가 너무 떠올라 벌브 선수가 수면 위로 나오게 되면 오히려 기존 선수 형태보다 역효과가 발생한다. 또한, 프루드 수가 0.5를 넘는 고속 선박에서는 효과가 거의 없어진다.[17]
3. 2. 형상 저항 감소
구상 선수(벌버스 바우)는 일반적인 형태의 선수가 발생시키는 선수파를 상쇄 간섭시켜 뒤따르는 물결을 감소시킨다.[6] 구상부는 물을 위로 흐르게 하여 골을 만들고, 이 골이 선수파의 마루와 만나 서로 상쇄되도록 한다. 이로 인해 선체 전체의 압력 분포가 바뀌어 파도 저항이 감소하는데, 이를 형상 효과라고 한다.[2]
일반 선체 형태에 날카로운 선수는 구상 선수와 같이 파도와 낮은 저항을 생성하지만, 측면 파도에 더 강하게 부딪힌다. 반면 뭉툭한 구상 선수는 앞쪽 넓은 영역에서 더 높은 압력을 생성하여 선수파가 더 일찍 시작되도록 한다.[2]
구상 선수는 선수파와 구상부에서 나오는 상쇄 파도 사이의 상호 작용에 따라 다르게 설계될 수 있으며, 설계 변수로는 위쪽 곡률, 수선에 대한 구상부 위치, 구상부 체적 등이 있다.[1]
4. 설계 고려 사항
구상선수는 선박의 운항 속도, 흘수(Draft), 선형 등 다양한 요소를 고려하여 설계해야 한다. 구상 선수 하단은 거친 바다에서 슬래밍(slamming)을 최소화하기 위해 보통 V자형으로 만든다.[5]
4. 1. 형상 및 크기
구상 선수(Bulbous bow)는 다음과 같은 특징을 가진다.[5]- 길이 방향의 형태
- 단면
- 전방 돌출 길이
- 형태 축의 위치 (예: 전방 또는 위쪽)
구상 선수의 주요 목적은 운항 속도에서 선박을 추진하는 데 필요한 동력을 줄이는 것이지만, 내항성(sea-keeping characteristics)도 중요하다. 선박의 운항 속도에서의 파도 생성 특성은 프루드 수에 반영된다.[11][12] 선박 설계자는 운항 속도에서 선박을 추진하는 데 필요한 구상 선수를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우의 설계에 대한 수선(water line) 길이를 비교할 수 있다. 속도가 높을수록 동일한 동력 요구 사항을 달성하기 위해 더 긴 수선이 필요함을 줄이는 데 있어 구상 선수의 이점이 더 커진다. 일반적으로 구상 선수 하단은 거친 바다에서 슬래밍(slamming)을 최소화하기 위해 V자형으로 되어 있다.[5]
4. 2. 운항 조건
벌브 선수는 특정 설계 조건에서 최대의 효과를 발휘한다. 선박의 흘수가 설계 조건과 일치하면 조파 저항 감소 효과가 크지만, 적재량 변화 등으로 흘수 높이가 크게 달라지면 효과가 떨어진다. 특히 빈 배 상태에서 벌브 선수가 수면 위로 나오면 오히려 역효과가 날 수 있다. 프루드 수가 0.5를 넘는 고속 선박에서는 벌브 선수의 효과가 거의 없을 수 있다.[17]4. 3. 대한민국 조선 산업의 특화
대한민국 조선소들은 다양한 선종과 운항 조건에 맞는 벌버스 바우 설계 기술을 축적해왔다. 특히, 전산 유체 역학(CFD) 등 첨단 기술을 활용하여 설계 최적화를 달성하고, 고객 맞춤형 솔루션을 제공한다.4. 4. 소나 돔 배치
군함에는 벌브 선수 내부에 소나 돔을 갖춘 함정이 다수 존재한다. 주로 적 잠수함의 위치와 움직임을 파악하기 위해 사용되는 군용 소나를 배치하는 장소로, 선체 앞부분 수중에 위치한 큰 구형의 벌브 선수는 매우 적합하기 때문이다.소나 돔 내부는 수중 진동파(수중 음파)의 진동자와 수신 센서가 구형으로 다수 장착되어 있으며, 틈새는 물 등으로 채워져 있다. 벌브 선수의 외부 커버는 섬유 강화 플라스틱 또는 합성 고무로 제작되어 내부를 보호함과 동시에 센서의 감도를 떨어뜨리지 않도록 배려한다.
4. 5. 대한민국 해군의 적용
대한민국 해군의 구축함, 호위함 등 주요 전투함에도 소나 돔을 포함한 벌버스 바우가 적용되어 있다. 군함의 벌브 선수 내부에 소나 돔을 설치하면 적 잠수함의 위치와 움직임을 파악하는 데 유리하다. 소나 돔 내부는 수중 음파의 진동자와 수신 센서가 구형으로 다수 장착되어 있고, 틈새는 물로 채워진다. 벌브 선수 외부 커버는 섬유 강화 플라스틱 또는 합성 고무로 제작되어 내부를 보호하고 센서 감도를 유지한다.[1] 이는 대잠수함 작전 능력을 강화하고 해상 방위력을 높이는 데 기여한다.5. 벌버스 바우 마크
벌브 선수를 가진 선박은 선수 부근을 통과하는 다른 선박에게 좌초 위험을 알리기 위해 벌브 선수 마크를 표시한다.[18]
5. 1. 대한민국 해상 안전
대한민국 해양수산부는 선박의 안전 운항을 위해 벌브 선수 마크 표시를 의무화하고 있다. 이는 선박 간 충돌 사고를 예방하고 해상 안전을 확보하는 데 중요한 역할을 한다.[18] -- --6. 사건/사고 사례
2017년, 이즈 반도 해역에서 미국 해군의 이지스함 "피츠제럴드"가 필리핀 선적의 컨테이너선과 충돌했다. 이 사고로 미국 병사 7명이 사망했으며, 이지스함은 한때 침몰 위기에 처했다.[1] 컨테이너선의 구상선수가 충각처럼 작용하여 이지스함의 선저에 큰 손상을 입혔고, 이로 인해 피해가 커졌을 가능성이 제기되었다.[1]
참조
[1]
웹사이트
What's The Importance Of Bulbous Bow Of Ships?
https://www.marinein[...]
2017-10-09
[2]
웹사이트
Bulbous bows
http://www.dieselduc[...]
2005-04
[3]
서적
Ship Design and Performance for Masters and Mates
https://books.google[...]
Elsevier
2004-07-09
[4]
서적
The Theory of the Bulbous Bow and its Practical Application
Newcastle upon Tyne
[5]
서적
Ship Design for Efficiency and Economy
https://books.google[...]
Elsevier
1998-10-15
[6]
간행물
Seventeenth Symposium on Naval Hydrodynamics: Wakes, Free Surface Effects, Boundary Layers and Viscous Flows, Two-phase Flow, Propeller/appendage/hull Interaction
https://books.google[...]
Office of Naval Research
[7]
서적
U.S. Battleships: An Illustrated Design History
Naval Institute Press
[8]
서적
Record breakers of the North Atlantic, Blue Riband Liners 1838-1952
Chatham
[9]
서적
Uncle Sam Enters The Atlantic Race (article on the new construction in the 1930s)
https://books.google[...]
Popular Mechanics
1931-02
[10]
웹사이트
Yamato Museum
http://yamato.kure-c[...]
[11]
서적
Marine hydrodynamics
MIT Press
[12]
문서
[13]
웹사이트
船のこと もっと船を勉強してみよう
https://www.mod.go.j[...]
防衛省
[14]
웹사이트
「大和」級戦艦を設計した戦前日本の底力
http://business.nikk[...]
2006-04-03
[15]
논문
高速客船くれない丸におけるWaveless Bulbの船首波打消しに関する研究 第1報-水槽試験
[16]
저널
造船資料保存活動の報告
https://doi.org/10.2[...]
神戸大学大学院海事科学研究科
2010-03
[17]
서적
内航客船とカーフェリー
成山堂書店
2008-07-18
[18]
서적
史上最強カラー図解 プロが教える船のすべてがわかる本
ナツメ社
[19]
웹사이트
イージス艦、船首下部突起で穴か
https://web.archive.[...]
2017-06-20
[20]
뉴스
국내최초, 세계 두 번째의 컨테이너선 성형수술
http://www.economyta[...]
2013-05-08
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