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스태빌라이저

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목차

1. 개요

스태빌라이저는 선박의 롤링을 줄이기 위해 사용되는 장치로, 핀을 통해 물의 흐름을 이용하여 양력 또는 다운포스를 생성하는 방식으로 작동한다. 일반적으로 선박 양쪽에 한 쌍의 핀이 설치되며, 핀의 각도는 선박의 흔들림에 따라 자동으로 조정된다. 핀 스태빌라이저는 1922년 일본에서 발명되었으며, 1930년대부터 영국 군함에, 1950년대부터 미국 해군에 적용되었다.

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스태빌라이저

2. 작동 원리

핀 스태빌라이저는 선박이 움직일 때 발생하는 물의 흐름을 이용하여 양력 또는 다운포스를 생성한다. 핀에 의해 생성된 양력은 선박의 롤링 모멘트에 반대로 작용하여 롤링을 감소시킨다. 일반적으로 선박의 양쪽에 한 쌍의 핀이 설치되며, 핀의 각도는 선박의 흔들림에 따라 자동으로 조정된다. 일부 대형 선박에 설치되는 핀에는 플랩이 장착되어 핀의 양력을 약 15% 증가시키기도 한다. 핀 스태빌라이저의 제어 시스템은 바람, 파도, 선박의 움직임, 흘수 등 빠르게 변하는 수많은 변수를 고려하여 작동한다.

20세기 말부터 많은 배에서는 좁은 수로나 접안 시, 흔들림이 없을 때는 핀을 뿌리 부분에서 꺾어 선체 내에 격납할 수 있게 되었다[10]。

군함이나 여객선·카페리 등 많은 배에서 사용되고 있다. 핀 스태빌라이저는 미쓰비시 조선의 모토요시 신타로 박사가 발명하여, 1923년에 쓰시마 상선 "무쓰마루"에 세계 최초로 장착되었다[11]。하지만, 제어 기술이 미숙했던 당시에는 충분한 효과를 발휘할 수 없어, 특허는 영국 기업 Denny Brown에 매각되었고, 제2차 세계 대전에서는 영국이나 미국의 구축함이 장비했는데 일본의 군함에는 장비되지 않았다는 야기-우다 안테나와 같은 상황에 빠졌다. 전후에 해외에서 기술을 역도입하는 형태로 일본의 조선 업계에 들어와, 특허료를 지불하고 이용하고 있다[11]。

배의 흔들림은 그 원인이 되는 파도가 단순한 정현파뿐만이 아니기 때문에 예측이 어려워, 핀 스태빌라이저의 세밀한 제어는 실제 선체의 요동을 가속도 센서 등으로 감지하는 것으로 이루어진다.

2. 1. 효율성

핀 스태빌라이저는 선박의 속도가 빠를수록 더 효율적으로 작동하며, 선박이 최소 속도 이하일 때는 효과가 떨어진다.[1] 정박 중이거나 저속으로 운항할 때는 핀 스태빌라이저의 효과가 제한적이다. 이러한 상황에서는 능동적으로 제어되는 핀(예: 롤스로이스의 ''정지 시 안정화'' 시스템[2])이나 마그누스 효과를 이용하는 회전 실린더와 같은 다른 안정화 기술이 사용되기도 한다. 이러한 시스템은 필요에 따라 접거나 펼 수 있어, 도킹 시 선박의 폭을 줄이고 항해 중에는 항력을 감소시킨다.

3. 종류

핀 스태빌라이저는 크게 접이식과 비접이식으로 나눌 수 있다. 핀은 선박이 움직일 때 양력 또는 다운포스를 생성하여 작동하며, 핀에 의해 생성된 양력은 선박의 롤 모멘트에 반대 작용을 한다. 이를 위해 선박의 양쪽에 수중으로 설치된 두 개의 날개가 사용된다.[1] 스태빌라이저의 움직임은 항공기 에일러론과 유사하다.

스태빌라이저 제어는 바람, 파도, 선박의 움직임, 흘수 등 빠르게 변하는 수많은 변수를 고려해야 한다. 핀 스태빌라이저는 속도가 빠를 때 훨씬 더 효율적이며, 선박이 최소 속도 이하일 때는 효과가 떨어진다.[1] 정박 또는 저속에서의 안정화에는 능동적으로 제어되는 핀(예: 롤스로이스가 개발한 ''정지 시 안정화'' 시스템[2]) 및 마그누스 효과를 이용하는 회전 실린더가 있다. 후자의 두 시스템은 접이식이다.

3. 1. 접이식 핀 스태빌라이저

핀은 선박이 움직일 때 양력 또는 다운포스를 생성하여 작동한다. 핀에 의해 생성된 양력은 선박의 롤 모멘트에 반대 작용을 해야 한다. 이를 위해 선박의 양쪽에 수중으로 설치된 두 개의 날개가 사용된다. 스태빌라이저는 다음과 같이 구분할 수 있다.

  • 접이식: 모든 중대형 크루즈선과 페리선은 핀이 필요하지 않을 때 추가적인 연료 소비를 피하고 선체 간격을 줄이기 위해 선체 내부 공간으로 핀을 접을 수 있다.
  • 비접이식: 요트와 같은 소형 선박에 사용된다.


스태빌라이저의 움직임은 항공기 에일러론과 유사하다. 일부 유형의 핀, 특히 대형 선박에 설치된 핀에는 플랩이 장착되어 있어 핀의 양력을 약 15% 증가시킨다.[1]

3. 2. 비접이식 핀 스태빌라이저

핀은 선박이 움직일 때 양력 또는 다운포스를 생성하여 작동한다. 핀에 의해 생성된 양력은 선박의 롤 모멘트에 반대 작용을 해야 한다. 이를 위해 선박의 양쪽에 수중으로 설치된 두 개의 날개가 사용된다. 비접이식 핀 스태빌라이저는 요트와 같은 소형 선박에 사용된다.[1]

4. 역사

현대적인 선박 안정화 기술은 19세기 말 영국 군함에 설치된 안티롤 탱크에서 시작되었다고 알려져 있다.[3] 초기 안정화 기술 중 하나는 안티롤링 자이로 또는 자이로스코프 안정 장치였다. 1915년, 미국 구축함 USS Worden (DD-16)에 자이로스코프 안정 장치가 처음으로 장착되었다.[3] 1917년, 제1차 세계 대전 수송선 USS ''Henderson''에 자이로 안정 장치가 설치되었는데, 이는 대형 선박에 적용된 최초의 사례였다.[3] 이 배에는 배 중앙 근처에 설치된 직경 2.7m, 무게 23ton의 플라이휠 2개가 75마력 AC 모터로 분당 1100회전(RPM)했다. 테스트에서 이 시스템은 가장 거친 바다에서 롤을 3도까지 줄일 수 있었다.

1917년 건조 당시 수송선 USS ''Henderson''에 설치된 25톤 롤 안정 자이로스코프 2대.


1932년, 이탈리아 여객선에는 3개의 대형 플라이휠을 이용한 자이로스코프 안정 장치가 설치되었다.[3] 1934년, 네덜란드 여객선에는 선체 양쪽에 설치된 튜브에 압축 공기나 증기를 주입하여 롤링을 제어하는 독특한 방식의 안정화 시스템이 도입되었다.[6]

핀 스태빌라이저는 1922년 일본의 모토요시 신타로 박사가 발명하여 특허를 획득했으며,[4] 1933년 일본 크루즈선에 처음으로 사용되었다.[5] 한국에서는 1923년 쓰시마 상선 "무쓰마루"에 세계 최초로 핀 스태빌라이저가 장착되었으나,[11] 당시 제어 기술 미숙으로 큰 효과를 보지 못했다.[11] 이후 핀 스태빌라이저 특허는 영국 기업 Denny Brown에 매각되었고,[11] 제2차 세계 대전 당시 영국과 미국의 구축함에 장착되었지만, 일본 군함에는 장비되지 않았다.[11] 이는 야기-우다 안테나와 비슷한 사례로, 일본이 개발한 기술이 해외에서 먼저 상용화된 경우이다.[11]

1930년대 후반부터 영국은 자국 군함에 Denny-Brown 핀 안정 장치를 적극적으로 설치하기 시작했다. 미국 해군은 롤 탱크에 대한 실험을 거듭하다가, 1956년 USS Gyatt, 1958년 USS Bronstein (DE-1037)에 핀 안정 장치를 성공적으로 설치하였다. 전후, 핀 스태빌라이저 기술은 해외에서 역도입되어 한국 조선 업계에 들어왔으며, 특허료를 지불하고 사용하게 되었다.[11]

2018년, 블루 오리진은 ''New Glenn'' 발사체 부스터 스테이지의 해상 착륙 플랫폼으로 사용하기 위해 '''''Stena Freighter'''''를 구매하여 유체역학적 안정화 기술을 적용했다.[7]

5. 제어 시스템

핀 스태빌라이저의 제어는 선박의 흔들림을 예측하고 핀의 각도를 조절하는 방식으로 이루어진다. 배의 흔들림은 그 원인이 되는 파도가 단순한 정현파뿐만이 아니기 때문에 예측이 어렵다. 따라서 핀 스태빌라이저의 정밀한 제어는 실제 선체의 움직임을 가속도 센서 등으로 감지하여 이루어지는 것이 일반적이다.[11] 이 때문에 핀 스태빌라이저는 선박의 흔들림을 크게 줄일 수 있지만, 완전히 없애는 것은 어렵다.

참조

[1] 웹사이트 Quantum Rotary Stabilizers https://www.youtube.[...] YouTube 2009-06-02
[2] 웹사이트 Stabilisation at rest http://www.rolls-roy[...] Rolls-Royce Group PLC
[3] 서적 Italian Liner To Defy The Waves https://books.google[...] Popular Mechanics 1931-04
[4] 특허
[5] 뉴스 Fins to Stop Ship's Rolling Governed by Gyro https://books.google[...] 1933-04
[6] 뉴스 Compressed Air Stabilizer Stops Roll of Ship https://books.google[...] 1934-10
[7] 뉴스 Cargo ship for Blue Origin's New Glenn launches arrives to Florida https://www.orlandos[...] 2018-10-24
[8] 뉴스 Building on New Shepard, Blue Origin to pump a billion dollars into New Glenn readiness https://www.nasaspac[...] 2018-09-20
[9] 뉴스 Blue Origin reveals the 'New Glenn' takeoff and landing sequence in new video https://techcrunch.c[...] 2017-03-07
[10] 서적 船舶知識のABC 成山堂書店
[11] 웹사이트 日本財団図書館（電子図書館）　「日本造船学会創立１００周年記念講演」報告（日本造船学会誌８２１号記事抜粋） https://nippon.zaida[...] 日本財団 2020-09-16
[12] 뉴스 세월호참사 사고원인은? https://news.naver.c[...]


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