선박의 과학 – 선박의 조정성능

출처 : http://www.kordi.re.kr (한국해양연구소)

 

육안으로는 보이지 않지만 바다에도 항로라고 하는 길이 있어서 선박은 항로를 따라가며 항해한다. 이 항로는 육상의 도로처럼 변화가 많지는 않으나 해상의 바람이나 조류 등이 선박의 진행 방향에 큰 영향을 주므로 항해자는 항로를 따라가기 위하여 계속 선박을 조종하여야 한다. 또한, 항로에서 다른 항행 선박이나 예기하지 않았던 장애물이 나타날 때에는 이를 피하여야 한다.

항해자가 선박을 조종할 때 이에 반응하여 움직이는 선박의 능력을 선박의 조종성능(操縱性能)이라 한다. 조종성능을 선박의 방향을 바꿀 수 있는 능력만으로 좁게 한정하는 경우도 있으나 일반적으로는 방향 및 자세 유지와 정지 및 후진 등의 속도 제어 성능도 함께 포함한다. 선박의 조종성능은 주로 선박의 조종장치의 성능과 선박의 수면 아래의 형상과 관계가 있다. 선박의 설계자는 선박을 설계할 때 설계 선박이 안전하고 효율적으로 항해할 수 있는 정도의 조종성능을 갖추고 있는지 검토하여 설계한다. 함정의 경우에 조종성능은 상선에 비하여 그 중요성이 큰 편인데 이는 효율적인 전투나 작전 수행을 위하여 신속한 함정의 움직임이 필수적이기 때문이다. 이런 의미에서 함정에서는 전통적으로 조종성능을 기동성능(起動性能)이라고도 부른다.

자동차는 조향장치, 브레이크, 후진기어 등을 사용하여 바퀴의 움직임을 제어하여 회전, 정지, 후진 등을 한다. 선박은 바퀴가 없으므로 이러한 회전, 정지, 후진 등을 위하여 다른 방법을 사용하여야 한다. 노를 사용하는 원시 선박에서는 추진 장치인 노에 가해지는 힘을 우현과 좌현에서 적절하게 조절하여 조종하였는데 이는 오늘날의 카누, 카약, 보트도 마찬가지다. 혼자서 젓는 경우에는 양쪽 힘을 같이 하기 어려워 똑바로 가기 곤란한데 이는 유원지의 보트를 혼자서 저어 본 사람이면 알 수 있을 것이다. 좀 더 진보한 고대 대형 선박에서는 선미에 별도의 키를 부착하고 타수에 의하여 선박을 좀 더 수월하게 조종하고 있다.

이러한 선미의 키는 초기에는 사용할 때만 내리는 형식이었으나 효율성을 높이기 위하여 타를 수면 아래에 고정하는 형식으로 바뀌게 된다.

현대 선박의 조종장치도 이러한 고대 선박에서 크게 벗어나고 있지 않다. 그림4에서 보는 선미의 프로펠러 뒤에 부착되어 있는 타(舵, Rudder)가 대부분의 현대 선박이 채용하고 있는 조종장치이다. 타의 단면은 비행기의 날개와 같이 유선형으로 이루어져 타를 돌렸을 때 타에 유기되는 양력(揚力, Lift)으로 선박의 회전력을 얻게 된다. 그러나 그림 5에서 보는 여러 가지 타의 단면은 비행기 단면에 비하여 너비가 두꺼운 편이고 끝 부분의 모양도 다른데 이는 강도를 키우고 큰 타각에서도 실속(失速, Stall)이 일어나지 않도록 하기 위한 것이다.

수상선의 경우는 해상에서만 움직이므로 수평방향의 조종만 필요하다. 그러나 물밑에서 움직이는 잠수함과 같은 수중 운항체는 상하 방향의 운동도 조종할 필요가 있다. 따라서 타 이외에 상하 방향의 운동을 제어하는 선미 수평타(Elevator), 선수 수평타 등이 별도로 부착되어 있다(그림6).

    

  

선박의 조종성능을 세분하면 다음과 같이 나눌 수 있다.

– 침로안정성능(針路安定性能, Course Keeping Ability)

– 변침성능(變針性能, Course Changing Ability)

– 선회성능(旋回性能, Turning Ability)

– 정지성능(停止性能, Stopping Ability)

침로안정성능은 선박이 원하는 방향으로 똑바로 갈 수 있는 능력을 말한다. 침로안정성능과 관련 있는 것으로 동적안정성(動的安定性, Dynamic Stability)이 있다. 똑바로 가고 있는 선박이 외부로부터 일시적인 교란(예를 들어 바람이나 파도)을 받게 되면 선회하게 된다. 이 교란이 잠시 후 사라졌을 때 선박이 더 이상 선회하지 않고 직진한다면 이 선박은 동적으로 안정한 선박이라고 한다. 만일 교란이 사라진 후에도 선박이 계속 선회한다면 이 선박은 동적으로 불안정한 선박이다. 대부분의 선박은 동적으로 불안정하더라도 타를 계속 움직임으로써 똑바로 갈 수 있다. 그러나 동적으로 불안정하면 똑바로 가기 위하여 빈번하게 타를 움직여야 한다. 동적으로 불안정한 선박은 항해자로서는 매우 다루기 어려운 선박이 되고 타의 움직임으로 인한 부가 저항이 증가하여 속도도 크게 떨어지게 된다. 따라서 설계시 동적안정성의 확보 여부를 검토하여야 한다. 동적안정성은 선박이 사항(斜航)할 때 선박에 작용하는 유체력의 작용점(lν)과 선박이 선회(旋回)할 때 선박에 작용하는 유체력의 작용점(lγ)과의 관계로부터 판단할 수 있다. 즉, lγ이 lν보다 앞쪽(선수쪽)에 있으면 동적안정성이 있는 선박이고 그렇지 않으면 불안정한 선박이다. 동적안정성을 쉽게 이해하려면 풍향계를 생각하면 된다. 풍향계는 언제나 바람이 불어오는 방향을 가리킨다. 외부에서 힘을 주어 방향을 돌려놓아도 다시 제자리로 돌아가게 된다. 풍향계(그림7)를 살펴보면 뒤쪽에 넓은 날개를 달아 도심(圖心)을 뒤쪽에 놓이게 하고 앞쪽에는 무거운 화살촉을 놓아 무게중심은 앞쪽에 놓은 것을 알 수 있다. 동적안정성이 우수한 선박의 설계는 이러한 개념을 이용하면 된다. 그러나 선박의 경우는 화물 적재, 저항성능 등 다른 요소들을 고려하여야 하므로 동적안정성만을 고려할 수 없어 제한이 많이 따른다.

변침성능은 선박이 충돌이나 좌초 등이 일어날 수 있는 상황에서 방향을 바꾸어 위험을 회피할 수 있는 능력을 나타내는 척도이다. 변침성능은 직진 상태에서 정해진 방향으로 바꾸는데 필요한 시간으로 판정할 수 있다. 한 쪽 방향으로 돌고 있는 선박의 방향을 반대 방향으로 바꾸는 능력도 변침성능에 포함된다.

선회성능은 선박의 진행 방향을 180도 바꿀 때 필요한 공간의 크기로 판단한다. 선박이 진행 중에 앞에 장애물이 있는 경우 방향을 바꾸어 옆으로 비껴 가는 것이 첫 번째 생각할 수 있는 선택이다. 만약 옆으로 피할 공간이 없는 경우에는 정지하여야 할 것이다. 그러나 선박은 관성력이 커서 프로펠러를 역전시켜 정지를 시도한 후 멈추기까지의 정지거리가 매우 길다. 통상 선박의 정지거리는 배 길이의 10배에서 15배에 이르므로, 200m 길이의 선박은 장애물을 발견하고 정지 명령을 내리더라도 2∼3km 앞으로 더 나아간 후 정지하게 된다. 따라서 선박 앞의 장애물이 가까운 거리에 있는 경우에 최후의 선택은 방향을 바꾸는 것이다. 이 때 선박이 방향을 바꾸기까지 나아가는 거리는 통상 배 길이의 5배 이하이므로 효과적인 회피 수단이 된다. 이러한 의미에서 선박을 360도 회전시켰을 때 차지하는 공간의 크기가 작을수록 선회성능이 우수한 선박이다.

정지성능은 앞에 설명한 바와 같이 정지할 때까지 필요한 거리가 판단 지표이다. 정지성능을 향상시키려면 큰 후진력을 낼 수 있는 프로펠러와 엔진이 필요하다.

항해자는 자기가 운항하는 선박의 조종성능이 좋고 나쁨을 직접 운항해봄으로써 느낄 수 있다. 즉, 이 선박은 직진 성능이 좋지 않지만 선회성능은 매우 좋다는 등의 평가를 할 수 있다. 그러나 이러한 평가는 주관적이기 때문에 다른 선박과 비교하여 얼마나 좋은지 나쁜지에 대한 객관적인 평가는 어렵다. 선박 설계자로서도 조종성능이 우수한 선박을 설계하려면 자신이 설계한 선박이 어느 정도의 조종성능을 갖고 있는지에 대한 정량적인 평가 수단이 필요할 것이다. 조종성능에 대하여 정량적으로 평가할 수 있는 방법으로서 조종성능 시험이 있다. 조종성능 시험은 선박을 건조하여 선주에게 인도하기 전에 수행되는 실선시운전시 수행하게 된다.

조종성능을 평가하는 조종시험의 종류는 수십 가지에 이른다. 이는 각국이 각기 독자적으로 조종성능을 평가하는 시험방법을 고안했기 때문이다. 그러나 조종시험을 수행하는 경비 문제와 서로 통일된 기준을 확보할 필요가 있어 현재는 선회시험(旋回試驗, Turning Test), 지그재그시험(Zig-Zag Test), 나선시험(螺旋試驗, Spiral Test), 정지시험(Stopping Test) 등 4가지 조종시험이 표준 조종시험으로서 정착되었다. 앞에서 언급한 주요한 조종성능인 침로안정성능, 변침성능, 선회성능, 정지성능의 평가와 관계가 있는데 이들 각 시험의 시험방법, 평가항목 및 조종성능과의 관계 및 IMO(International Maritime Organization, 국제해사기구)에서 안전을 위하여 요구하고 있는 조종성 기준에 대하여 각각 살펴보기로 한다.

선회시험은 선회성능을 평가하는 조종시험으로서 매우 직관적이기 때문에 가장 오래 전부터 널리 사용된 시험방법이다. 이 시험은 일정 속도(보통 설계속도)로 직진하다 최대 타각(통상의 선박은 35도)으로 돌리고 프로펠러 엔진은 제어하지 않고 일정하게 유지한 상태에서 선박이 360도 회전할 때까지 수행한다. 시험중 변하는 선속, 선수각, 선박의 궤적을 기록한다. 그림8은 선회시험시 계측된 선박의 전형적인 궤적이다. 이 그림에서 전진거리(Advance)와 가로이동거리(Transfer)는 타를 작동한 후 선박이 90도 회전할 때까지 이동한 전진방향과 횡방향의 이동거리를 나타내며 전술직경(戰術直徑, Tactical Diameter)은 선박이 180도 회전했을 때까지 이동한 횡방향 거리이다. 전진거리는 앞에 나타난 장애물을 선회에 의하여 회피할 때 필요한 최소거리라는 점에서 선회능력을 판단하는 중요한 값이다. 과거 해군의 전술에서는 최소의 이동으로 함정을 180도 회전하는 것이 중요하였다. 전술직경은 이러한 개념에서 나온 것으로 선회능력을 나타내는 또 하나의 값이다. IMO 조종성 기준을 만족하려면 35도 타각 혹은 최대 타각에서 수행한 선회시험 결과에서의 전진거리가 선박 길이의 4.5배 이하, 전술선회직경이 선박 길이의 5배 이하가 되어야 한다.

변침성능을 살펴보기 위한 시험으로 Zig-Zag 시험이 있다. Zig-Zag 시험은 일정 속도(보통 설계속도)로 직진하다 타각을 10도 돌리고 선회하는 선박의 선수각이 10도에 도달할 때까지 기다렸다 타를 반대 방향으로 10도 돌린다. 선박이 반대 방향으로 방위각이 10도가 되면 다시 반대 방향으로 타를 돌리게 되는데 이 때 선박은 Zig-Zag 운동을 하게 되므로 시험 이름을 Zig-Zag 시험이라 한다. Zig-Zag 시험은 목적에 따라 타각과 타를 작동시키는 기준이 되는 선수각을 바꿀 수 있는데 타각이 10도, 선수각이 5도인 경우는 10。/5。 Zig-Zag 시험이라 부르고 타각이 5도 선수각이 1도인 경우는 5。/1。 Zig-Zag 시험이라 부른다. 통상 수행되는 시험은 10。/10。 Zig-Zag 시험과 20。/20。 Zig-Zag 시험이다. 그림 9는 Zig-Zag 시험할 때 계측된 타각과 선수각이다.

그림에서 보듯이 선회하고 있는 선박에 반대 방향의 타각을 가하여도 선박은 바로 반대 방향으로 움직이지 않고 얼마간 더 선회 방향으로 돌게 된다. 타 작동 후에도 더 돌아가는 각도를 Overshoot 각도라고 하여 첫 번째 Overshoot각도와 두 번째 Overshoot각도를 변침성능의 정도를 판단하는 자료로 사용한다. Overshoot각이 크면 클수록 변침성능이 나쁘다.

첫 번째 Overshoot각도는 선박의 직진 안정성과도 관계가 있어 불안정한 선박의 경우는 첫 번째 오버슈트(Overshoot)각이 크다. 10。/10。 Zig-Zag 시험에서 처음에 타를 돌리고 선수각이 10도에 도달한 시간을 초기선회시간(Initial Turning Time)이라 하는데 초기 선회능력을 나타내는 척도로 사용한다. 즉, 이 값으로부터 타를 돌린 후 얼마나 빨리 원하는 선수각을 얻을 수 있는지를 알 수 있다.

 

IMO에서 요구하고 있는 기준은 10。/10。 Zig- Zag 시험의 첫 번째, 두 번째 Overshoot 각과 20。/20。 Zig-Zag 시험의 첫 번째 Overshoot 각 등 3가지에 대하여 표 1과 같이 규정하고 있다. 여기서 기준이 L/V(선박 길이/속도 비)에 따라 다른 것은 속도가 빠른 배의 경우 항해사가 대처할 시간이 부족하기 때문에 기준을 더 엄격하게 설정한 것이다.

나선시험은 선박의 침로안정성을 정량적으로 측정하기 위한 시험이다. 나선시험은 일련의 타각에 대한 선회시험이라고 생각할 수 있다. 시험은 처음에 20도 우현 선회시험을 시작으로 15도, 10도 등으로 타각을 줄여가며 반대편 타각 좌현 20도 선회시험까지 수행한다. 다음에는 반대로 타각을 늘려가며 우현 20도까지 선회시험을 수행한다. 각 선회시험에서 측정된 선박의 선회각속도를 타각에 대하여 그린 곡선을 나선(螺線, Spiral) 곡선이라 하는데 이 곡선으로부터 선박의 침로안정성 여부를 판단할 수 있다. 침로안정성이 있는 선박은 그림10의 윗 그림과 같이 단일 곡선으로 나타나나 침로 불안정한 선박의 경우는 아래 그림과 같이 이중 곡선(Hysteresis Loop) 형태를 보인다. 안정한 선박은 한 타각에 대하여 한가지 선회 각속도만 나타난다. 반면에 불안정한 선박은 Spiral 루프 내의 타각에 대하여는 선회 각속도가 Spiral 루프의 높이 범위에서 어떤 값을 가질 지 알 수 없다. 즉, Spiral 루프를 갖는 선박은 Spiral 루프의 폭보다 작은 타각으로는 조타를 하면 상황에 따라 우현 선회할 수도 있고 좌현 선회할 수도 있기 때문에 제어할 수 없다. 따라서 이 루프의 크기가 크면 클수록 불안정한 선박이라고 할 수 있다.

정지시험은 프로펠러의 후진력에 의하여 선박을 정지시킬 수 있는 능력을 평가하기 위한 시험이다. 정지시험은 최대 속도로 전진하다가 프로펠러를 가능한 최대 회전수로 역전시킨 후 선박이 완전히 정지할 때까지의 거리를 측정하는 시험이다. 정지시험중에 타는 작동하지 않는다. 따라서 대부분의 선박은 시험중 직진안정성이 없게 되어서 작은 외란에도 침로에서 벗어나게 된다. 그림11은 정지시험시 측정되는 선박의 궤적으로 프로펠러 역전을 시작하여 선박이 정지하기까지 이동한 전체거리인 정지거리(Track Reach)가 주로 정지성능 평가에 사용된다. IMO 조종성 기준은 정지 거리가 배 길이의 15배이다.

 

일부 선진국에서는 자국에 출입하는 선박에 대하여 IMO 조종성기준 만족여부를 조사하고 만족하지 못하는 선박의 입항을 금지하고 있다. 이 때문에 조선소에서 건조된 선박의 최종 성능을 평가하는 시운전에서 조종성기준을 만족하지 못하면 선주는 선박을 인수하는 것을 거부할 수 있다. 따라서 선박 설계시 선박의 조종성능을 미리 추정하고 설계한 선박이 기준을 만족시킬 지 사전에 검토하여야 한다.

선박을 설계할 때 우선 고려하는 것은 선주가 요구하는 선박의 크기, 화물 적재량, 선속 등을 경제성 면에서 만족시키는 것이고 다음은 선급에서 요구하는 안전과 관련된 여러 가지 기준을 만족시키는 것이다. 이러한 조건들을 만족시킨 선형이 결정되면 조종성능을 추정하여 IMO 조종성기준을 만족시킬 수 있는지 검토하고 만일 만족하지 못하면 선형을 수정하여 앞의 단계로 돌아간다.

조종성능을 추정하는 방법은 크게 과거 유사 실적선들의 조종성능을 참조하여 추정하는 방법, 자유항주시험(自由航走試驗, Free Running Test)에 의한 방법, 조종운동의 수학모형을 이용한 시뮬레이션 계산에 의한 방법 등 3가지를 들 수 있다. 첫 번째 방법은 과거에 건조된 선박들의 시운전자료로부터 새로운 선박의 조종성능을 추정하는 방법으로 새로이 설계하려는 선박과 유사한 선박에 대한 자료가 있는 경우 유용한 방법이다. 그러나 설계하려는 선박과 유사한 선박이 없는 경우에는 추정이 어려워진다. 두 번째 방법인 자유항주시험은 모형 선박을 이용하여 실선시운전에서 수행하는 선회시험, Zig-Zag 시험 등을 수행하고 이로부터 조종성능을 직접 평가하는 것이다. 모형선 안에는 타 및 프로펠러를 제어할 수 있는 조종제어장치, 모형선 운동 계측 장치들이 탑재된다. 실선시험과 달리 모형선에 항해사가 탈 수 없으므로 자유항주시험은 무선모뎀 등을 이용하여 원격조종하여 수행된다. 자유항주시험은 공간이 넓은 사각수조에서 보통 수행되나 모형선이 커서 사각수조에서 수행하기 어려운 경우는 옥외 저수지에서 수행하기도 한다. 그림12와 13은 자유항주 모형선에 설치된 장비들과 시험 모습을 보여준다.

자유항주시험은 물리적인 모형인 모형선을 만들고 여기에 타, 프로펠러 등으로 조종하였을 때 나타나는 모형의 조종운동을 계측하는 것이라고 할 수 있다. 반면에 물리적인 모형선을 대신하여 선박의 조종수학모형을 만들고 타나 프로펠러의 움직임에 대한 선박의 운동을 계산에 의하여 추정할 수 있는데 이를 시뮬레이션에 의한 조종성능 추정이라 한다. 조종수학모형이란 Newton의 운동 제 2법칙을 선박에 적용하여 얻은 운동방정식이다. 즉, 선박에 작용하는 외력과 선박의 운동 가속도의 관계를 나타낸 것으로 외력으로는 선체, 타, 프로펠러가 물속에서 움직임에 따라 발생하는 조종유체력이 있다. 이 조종유체력은 선체, 타, 프로펠러의 형상과 이들의 운동 상황에 따라 달라지는데 이들 조종유체력을 추정하는 기술이 시뮬레이션 기술의 핵심이다. 조종유체력을 측정하는 시험을 구속모형시험이라고 하는데 조종유체력을 가장 정확히 추정할 수 있는 방법이다. 구속모형시험은 타각, 프로펠러 회전, 선박의 전진방향, 횡방향, 선회방향에 대한 운동을 가하고 이 때 선박에 걸리는 힘을 측정하는 시험이다. 구속모형시험장치로는 PMM(Planar Motion Mechanism)과 회전팔(Rotating Arm)시험장치가 있다. PMM 시험장치는 모형선에 횡방향과 선수 회전방향으로 조화운동(調和運動, Sinusoidal Motion)을 주면서 모형선에 걸리는 힘을 측정하는 장비이고, 회전팔시험장치는 수조 가운데 축을 중심으로 일정한 각속도로 회전하는 팔에 모형선을 매달고 힘을 계측할 수 있는 시험장치이다.

모형시험에 의하여 조종 유체력 계수를 추정하는 것은 시간과 경비가 많이 들기 때문에 선형을 조금씩 바꾸어가며 평가해야 하는 초기설계단계에서는 사용에 어려움이 있다. 따라서 시뮬레이션에 의하여 조종성능을 추정하되 조종 수학모형에 필요한 조종 유체력계수를 모형시험에 의하지 않고 유체력의 데이터베이스나 이론계산에 의하여 구하는 방법이 설계단계에서 사용될 수 있는 실용적인 방법이다. 그러나 실선시운전 데이터베이스와 마찬가지의 문제가 유체력의 데이터베이스에도 해당되고 이론계산의 경우 아직 정도 높이 예측될 정도의  기술수준이 아니라는 문제가 있다. 이 때문에 이론계산결과와 구속모형시험결과의 데이터베이스를 이용하여 조종유체력을 계산하는 추정식을 만들고 이를 이용하는 방법이 현재 가장 널리 쓰이고 있는 방법이다.

선박의 조종성능은 주로 수면 아래의 선박 및 타의 크기와 형상에 의하여 결정된다. 여기서는 조종성능과 관련된 여러 선박의 설계 요소들을 살펴보기로 한다.

조종성능은 선박의 주요 제원인 길이(L), 폭(B), 흘수(T), 방형비척계수(CB)에 가장 영향을 받는다. 이들 4가지 제원은 각기 연관되어 있어 어느 하나만 변화시키기는 곤란하다. 그러나 이해의 편의를 위해 1가지 제원만 변화시키고 나머지 3가지 제원을 고정시킬 수 있다면 각 제원의 변화가 침로안정성에 미치는 영향은 다음 표와 같다.

주요 제원의 비로서 살펴보면 L/B는 클수록 B/T는 작을수록 침로 안정성이 높다. 선회성능은 침로안정성과 상반된 관계이므로 침로안정성이 높아지면 선회성능은 나빠지는 것으로 생각하면 된다.

선박의 크기의 영향에 대해서는, 만일 선박의 형상을 일정하게 닮은 꼴을 유지하며 크기만 키운다면 조종성능도 길이 축척비에 따라 변한다. 즉, 선회직경이나 정지거리 등은 배의 길이에 비례하여 커진다. 그러나 대부분의 경우 선박의 크기가 커지면 L/B는 작아지고 CB가 커지기 때문에 침로안정성은 떨어지는 것이 일반적이다.

선박의 종류도 조종성능에 영향을 크게 미치는데 이는 선박 종류에 따라 선박의 주요제원의 범위 및 속도가 대부분 결정되기 때문이다. 그림 16은 선박 종류에 따른 주요 제원의 범위 및 침로안정성 분포를 보여준다. 이 그림에 의하면 컨테이너선은 상대적으로 작은 CB, 큰 L/B를 갖고 이에 따라 침로안정성이 있다. 반면에 탱커나 큰 Bulk Carrier는 CB와 B/T는 크고 L/B가 작기 때문에 침로안정성이 일반적으로 나쁘다.

기본적으로는 옆에서 보았을 때 풍향계와 같이 선미 뒷 부분의 면적이 커질수록 침로안정성이 커진다. 따라서 일반적으로 선수의 벌브는 클수록 침로안정성은 나빠지며, 선미에 스케그를 부착하면 침로안정성이 좋아진다(그림17). 비슷한 이유로 선미트림은 뒷 부분의 선체 면적이 증가하는 효과를 나타내므로 침로안정성을 좋게 한다.

옆에서 본 단면적의 형상은 같더라도 3차원 선미 형상에 따라 조종성능은 크게 달라진다. 그림 18은 똑같은 배수량을 가진 선박이나 선미 프레임라인을 변화시킨 선형을 보여준다. 조종성능 관점에서 보면 U-형 선형이 좋은 것으로 알려져 있다. 이와 같은 3차원 선형의 형상과 조종성능과의 관계는 조종운동중 선체 주위의 복잡한 유동과 관계가 있는데 이러한 관계를 규명하기 위한 연구는 아직 진행중에 있다.

 

 

다른 선형요소와 달리 타의 크기를 키우면 침로안정성과 선회성능 모두 향상된다. 그러나 타를 키우면 저항이 커지기 때문에 속도가 떨어지고 큰 용량의 조타기를 사용하여야 하므로 설계자는 필요한 조종성능을 만족할 수 있는 최소 크기의 타를 설계하게 된다. 그림19는 타의 면적을 선박의 길이와 흘수의 곱 LT에 대하여 나타낸 것이다. 작은 선박의 경우는 타의 면적이 LT의 2.5%정도 되나 큰 선박의 경우는 1.5% 정도인 것을 알 수 있다.

대부분의 선박의 최대 타각은 35도이다. 이 최대 타각을 45도까지 키울 수 있다면 선회성능을 크게 향상시킬 수 있다. 그러나 최대 타각을 키우려면 큰 타각에서도 실속(失速, Stall: 타각이 어느 이상 커지면 타 효과가 오히려 감소하는 현상)이 일어나지 않도록 타의 단면 설계가 이루어져야 하며, 큰 용량의 조타기를 사용하여야 한다. 타의 회전속도를 높이는 것도 조종성능 향상 수단이나 이는 소형선박이나 고속선박에 대하여만 효과가 있다. 대부분의 선박은 타 회전속도는 2.33도/초 정도로 거의 동일하다.

 

프로펠러 및 엔진은 정지성능에 주로 영향을 끼친다. 엔진의 후진마력과 프로펠러 직경을 키우면 정지성능은 향상된다. 반전 프로펠러(CRP)를 채용한 선박은 특히 정지성능이 우수하다. 2축선들은 저속에서의 조종성능이 우수한 것으로 알려져 있다.

대부분 선박의 경우 타는 프로펠러 후류에 위치한다. 프로펠러 후류는 주위의 유속보다 빨라 프로펠러 뒤에 놓인 타의 효과를 높이는 역할을 한다. 간혹, 2축 2타선의 경우 타가 프로펠러의 후류에서 옆으로 떨어진 곳에 위치한 경우가 있는데 이러한 경우에 조종성능은 크게 떨어진다. 프로펠러 직경이 클수록 타가 프로펠러 후류 영향을 많이 받게 되므로 조종성능이 향상될 수 있다.

설계단계에서 조종성능의 평가는 주로 외란이 없고 잔잔한 깊은 바다에 대한 것이다. 그러나 실제 해상에는 바람, 조류, 파랑 등의 외란이 있고 수심도 낮은 곳이 있기 때문에 이들이 조종성능에 미치는 영향을 알아둘 필요가 있다.

바람이 불면 선박은 수면 위의 선체 및 갑판 구조물에 바람에 의한 힘을 받아 침로에 영향을 받는다. 따라서 바람에 의한 영향 및 효과는 선박의 수면 위 형상과 불어오는 바람의 상대속도와 방향에 좌우된다. 바람의 영향은 수면 위의 면적이 큰 컨테이너선이나 Ro-Ro선 등이 특히 크게 받으나 일반 선박도 저속에서는 큰 영향을 받는다. 그림 20은 선박의 선회시험시 바람이 배의 진행방향과 반대방향으로 각기 선속보다 4배 큰 속도로 불어 올 때의 궤적을 나타낸다. 선회중 바람에 의하여 선박이 크게 밀리는 것을 볼 수 있다.

조류의 영향은 선박과 해수의 상대속도 개념으로 고려할 수 있다. 즉, 선속 8노트로 달리는 선박이 진행방향으로 4노트의 조류를 만나면 선박은 육지에서 볼 때는 12노트의 속도로 달리는 것처럼 보인다.

파랑에 의한 조종운동에의 영향은 파랑의 주기(週期)성분과 표류(漂流)성분으로 나누어 생각할 수 있다. 표류 성분은 일정한 방향으로 흐르는 성분으로 이는 조류 효과와 같다고 할 수 있다. 주기성분은 진동하는 힘으로 주로 주기가 긴 파의 경우 선박의 조종운동에 영향을 준다. 이외에 파랑은 선박에 연직방향의 운동 특히 횡동요 운동을 유기시킴으로써 조종운동에 영향을 준다.

선박 길이의 2배 정도의 파장과 선속과 거의 같은 속도를 갖는 파도가 진행하는 선박의 뒷 쪽에서 비스듬히 들어오게 되면 갑자기 선박이 침로안정성을 잃고 선박이 파도를 옆으로 받는 상태로 도는 경우가 있다. 선박은 급한 선회로 횡경사되고 여기에 횡파가 가해지면 선박이 전복되게 된다. 선박이 돌 때 타를 사용하여 선회를 막으려 하여도 그 효과가 전혀 없다.

이러한 현상을 Broaching-to 라고 하는데 작은 선박, 특히 어선의 경우 귀항할 때 종종 발생한다. 이 현상의 원인은 좀 더 규명하여야 할 부분이 아직 남아있지만 현재까지 밝혀진 바로는 크게 두가지로 보고 있다. 첫째는 파가 뒤에서 들어오면서 타에 들어가는 유효속도가 줄어 들어 타 효과가 크게 감소하면서 선박이 침로 불안정하게 되는 것이다. 둘째는 뒷 쪽에서 들어오는 파도의 힘에 의해 매우 큰 선회모멘트가 유기되는 것이다. 이러한 Broaching-to 조건이 발생했을 때 선박은 속도를 줄여 Broaching-to 조건에서 벗어나는 것이 전복을 피할 수 있는 방법이다.

선박이 수심이 낮은 해역이나 좁은 수로를 항해할 때는 넓은 바다에서 항해할 때와 다른 조종운동 특성을 갖는다. 이는 선박 주위로 흐르는 유동이 해저와 수로벽에 제한받게 되어 선박이 훨씬 큰 저항을 받기 때문이다. 수심이 조종성능에 미치는 영향은 수심/흘수 비에 따라 크게 변하는데 수심/흘수 비가 5보다 크면 대체로 수심의 영향을 무시할 수 있다. 그림 21은 탱커선형의 수심/흘수 비가 4.2(Deep), 1.5(Medium), 1.2(Shallow)일 때의 선회시운전 결과이다. 수심이 작아짐에 따라 선회직경이 크게 증가하는 것을 볼 수 있다. 일반적으로는 수심이 작아짐에 따라 침로안정성이 좋아지고 선회성능은 나빠지지만 수심/흘수 비가 1.2에서 2.5 사이에서는 선형에 따라 일시적으로 침로안정성이 떨어지는 구간이 존재하기도 한다.

선박이 협수로를 통과할 때 수로 중심선에서 벗어나 수로벽에 가까이 가면 선박은 수로벽으로 끌리면서 선수는 벽에서 멀어지는 쪽으로 돌아가려는 힘을 받게 된다. 이를 안벽효과(Bank Effect)라고 하는데 그림 22에서 보듯이 벽에 가까워질수록, 수심이 작을수록 크게 나타난다.

안벽효과와 유사한 원리로 두 선박이 항해중 교행하거나 추월할 때 상대 선박에 의하여 힘을 받는다. 이러한 힘때문에 대형선박이 소형선박을 추월할 때 소형선박이 침로안정성을 잃어 사고를 일으키기도 한다. 그림 23은 대형선박 A가 소형선박 B를 추월할 때 상호작용으로 각 선박이 느끼는 힘을 측정한 실험결과이다. 아래 그림에 추월하는 상황별로 각 선박이 느끼는 횡방향 힘과 모멘트를 화살표로 표시하였고 그 크기는 윗 그림에 보인다. 힘의 크기와 방향이 추월 과정에서 크게 변한다. 나란히 되는 위치에서 두 선박은 서로 당기는 힘이 최대이며 추월하는 순간 작은 선박은 선수가 바깥쪽으로 돌려지는 방향으로 커다란 모멘트를 받게 되는 것을 알 수 있다.

선박이 대양에서 항해할 때는 충돌이나 좌초 등의 위험이 거의 없어 자동조타로도 안전 항해할 수 있으나 지형이 복잡하고 주위에 항행하는 선박도 많은 상황인 입출항 항해에서는 조선(操船)에 매우 주의하지 않으면 사고의 위험성이 높다. 입출항 항해시에는 안전을 위하여 대양에서의 항해속도의 60-70% 정도의 낮은 속도에서 항해하며, 수로 및 항만 지리에 밝은 도선사(Pilot)가 선장 대신 조종하는 경우가 많다.

입출항 항해시에는 저속으로 항해하기 때문에 타의 효과가 크게 감소한다. 즉 타의 힘은 속도의 제곱에 비례하므로 속도가 70% 정도이면 타 효과는 반으로 감소한다고 할 수 있다. 따라서 대형 선박의 경우는 단독의 힘으로 입출항하기 어려워 예인선(Tug Boat)의 도움을 받게 된다(그림24). 그러나 예인선의 사용료가 매우 비싸므로 예인선 도움 없이 혹은 사용 예인선의 수를 줄여 경비를 절감하기 위하여 일부 선박들은 보조조선장치나 특수타를 장착하기도 한다. 특히, 이러한 보조조선장치와 특수타는 작업선, Cable-Layer선, 해양조사선 등과 같이 제자리에서 선회하거나 게처럼 횡방향으로 이동하여야 하는 등의 특별한 조종성능이 요구되는 선박에 많이 장착된다.

가장 널리 사용되는 보조조선장치는 횡방향 스러스터(Side Thruster)가 있다(그림25). 횡방향 스러스터는 프로펠러를 선수나 선미에 횡방향으로 부착하여 선박에 횡방향의 힘과 모멘트를 유기시키는 장치이다. 횡방향 스러스터는 선체를 관통하여 설치된 턴넬식과 아래 방향으로 돌출된 Z-drive 형식이 있다(그림6). 횡방향 스러스터는 속도가 커지면 그 효과가 크게 떨어지게 되므로 주로 타의 효과가 떨어지는 저속에서 사용된다.

특수타는 일반타의 약점인 저속에서의 성능저하와 실속 현상 때문에 타각을 어느 이상 키우면 타력이 오히려 떨어지는 점을 보완한 타이다. 현재 개발된 특수타들은 같은 타각에서 좀 더 높은 양력을 얻을 수 있거나, 실속이 일어나는 타각이 매우 커서 큰 타각까지 사용할 수 있도록 고안되었다. 그림27에 보이는 타는 특수타의 하나로 일반타와 3가지 면에서 다른 모습을 보인다.

첫째 타의 상단과 하단을 플레이트를 붙였는데 이는 타에 흘러들어온 유동이 상하로 빠져나가는 것을 막아 타의 양력을 키우는 역할을 한다. 둘째, 플랩타(타의 뒤쪽 부분이 앞쪽과 별개로 돌 수 있도록 힌지로 연결된 타)를 채용하였는 데 이 역시 양력을 높이는 효과가 있다. 셋째로 앞쪽의 구상으로 만든 타 모양은 실속이 일어나는 타각을 키운다.


그림28은 이 타 주위의 유동이 큰 각도에서도 상당히 뒷 부분까지 박리되지 않고 흐를 수 있음을 보여준다. 그림29는 특수타와 특수추진장치를 결합한 조타 시스템을 보여준다. 타의 앞뒤에 설치된 프로펠러는 방향을 돌릴 수 있어 추진기 역할뿐만 아니라 선박의 방향을 바꾸는데도 쓰인다. 타의 앞면에는 회전하는 원통 실린더가 붙어있는데 이는 타에 들어오는 유동을 가속시켜 실속이 일어나는 각도를 키운다.

이와 같은 특수 조선장치를 설치하면 그림30에서 보는 바와 같이 거의 제자리에서 선박을 선회시키는 것이 가능하다. 그러나 이러한 조선장치들은 고가이고 저항 증가의 원인이 되기 때문에 특수 선박에만 주로 사용되고 있다.

입출항 항해시의 안전을 향상시키기 위하여는 선박의 조종성뿐만 아니라 항만의 항해사의 조선기술과 항행환경도 함께 향상시켜야 한다.

   

특히, 해난사고들의 원인중 항해사의 부주의나 실수에 의한 사고 비율이 매우 높아서 항해사의 교육이 매우 중요하다. 또한, 항만, 부두, 수로 등을 새로이 건설하거나 증설할 때 통행할 선박의 종류 및 교통량을 고려하여 안전성을 사전에 검토하여야 한다. 이러한 해상에서의 선박의 항해와 관련하여 항해사의 훈련 및 해상교통 안전성 평가를 위하여 선박운항 시뮬레이터가 사용되고 있다(그림31). 선박운항 시뮬레이터는 실제 선박과 동일한 선교, 창밖의 시계를 표현하는 3차원 그래픽 화면, 선박의 조종운동을 묘사하는 운동시뮬레이션 시스템 등으로 구성되어 항해사가 선박을 모의로 조종할 수 있도록 만든 것이다. 최근 급속히 발달하고 있는 3차원 그래픽 기술을 도입하여 만든 시뮬레이터는 항해사가 실제 선박과 차이를 못 느낄 정도로 현실감이 높아 훈련 효과도 매우 높은 것으로 알려져 있다(그림32).

미국, 유럽 등의 국가에서는 이미 오래 전부터 시뮬레이터에서의 훈련을 승선 경력으로 인정해 주고 있다.