손상 수상함의 조종성능 특성 연구

Abstract

본 연구는 손상 수상함의 비대칭 조종성능에 관한 연구이다. 비손상상태와 손상상태에서의 조종운동 유체력은 서울대학교 예인수도에서의 구속모형시험을 통하여 획득하였다. 모형시험 결과를 분석하여 비대칭 유체력 모델을 정립하였고, 유체력 모델을 이용하여 조종운동 시뮬레이션을 수행하여 손상상태가 조종성능에 미치는 영향에 관하여 살펴보았다. 대상 선형으로는 Office of Naval Research Tumblehome (ONRT) 선형을 사용하였다. 이 선형은 선박의 조종성능 및 유체성능과 관련한 국제 학술 워크샵(Workshop on Verification and Validation of Ship Manoeuvering Simulation Methods 2019 (SIMMAN 2019) & Tokyo 2015 Workshop on CFD in ship hydrodynamics)에서 채택하고 있는 표준 함정 선형이다. 손상 조건은 영해군(UK Navy)과 미해군(US Navy)의 함정 손상구획 규정을 참고하여 선정하였다. 손상구획의 길이는 선체 수선면길이의 15%이고, 선체 중앙종격벽까지를 손상구획의 폭으로 사용하였다. 손상상태에서는 우현 횡경사 2.925o과 선수침수 종경사 0.429o가 발생하였다. 손상상태의 구속모형시험은 이 손상 평형 종경가 및 횡경사에 고정시켜서 수행하였다. 1/48.9 축척비의 ONRT 선형을 사용하였으며, 모든 부가물이 부착된 상태의 모형선을 사용하였다. 부가물은 프로펠러, 스트럿, 샤프트, 빌지 킬, 타 모두를 포함한다. 모든 구속모형시험은 자항상태에서 수행하기 위해, 구속모형시험 이전에 저항시험, 프로펠러 단독시험, 자항시험을 수행하였다. 저항시험은 비손상상태와 손상상태의 결과를 비교하였는데, 설계 Fn = 0.20 이하에 대해서는 거의 차이를 보이지 않았다. 본 연구에서는 구속모형시험으로써 PMM 시험을 수행하였다. 정적시험으로는 정적 편류각 시험, 정적 타각 시험, 편류각 타각 조합시험을 수행하였고, 동적시험으로는 순수 좌우동요 시험, 순수 선수동요 시험, 편류각 선수동요 조합시험을 수행하였다. 대부분 시험 결과에서 비손상상태에 비해 손상상태에서 더 큰 조종운동 유체력이 계측되었다. 하지만 손상상태에서 우현/좌현의 유체력 차이는 크지 않았다. 이는 손상상태의 종경사에 의한 수선면 하부의 형상 변화가 횡경사에 의한 좌우 비대칭 효과보다 더 큰 영향을 미치기 때문인 것으로 보인다. 비손상상태에서의 대칭형태 유체력 모델을 확장시켜 손상상태에서의 비대칭 조종운동 수학모형을 정립하였다. 다항식 기반의 식 형태를 그대로 유지하였으며, 그 형태를 변화시키고 항들을 추가하는 것으로 완성하였다. 완성된 수학모형을 이용하여 시뮬레이션을 통해 조종성능을 평가하였다. 선회시험과 지그재그시험 시뮬레이션을 수행하였으며, 선회시험의 경우 비교적 뚜렷한 차이를 보였으며, 지그재그시험에서는 손상상태의 영향이 드러날만큼 큰 차이를 보이지 않았다. 이는 손상상태의 유체력의 차이가 크지 않아, 선회시험과 같이 비교적 긴 시간의 시뮬레이션에서 손상상태의 영향이 더 잘 보이는 것으로 예상된다.