손상 수상함의 조종 성능 추정을 위한 비대칭성이 고려된 3자유도 운동모델 개발

Abstract

해상조난사고란 해상에서 발생하는 선박 관련 물리적 해양사고를 말하며 침몰, 좌초, 충돌, 화재, 기관고장 또는 추락 등의 사고를 일컫는다. 최근 해상교통량 증가에 따라 해상사고의 발생 가능성이 증가하고 있으며 특히 함정의 경우 비손상 상태의 조종성능 뿐만 아니라 손상 시 조종 성능 또한 중요하게 되었다. 본 논문에서는 비손상·손상 함정의 조종성능 추정을 위해 기존의 조종 운동 수학모형을 참고하여 모형실험 조건을 준비하고 3자유도 PMM(Planar Motion Mechanism) 시험을 통해 수학 모형 내 유체력 미계수를 획득하였다. 이후 비손상·손상 수치 시뮬레이션으로 조종 성능 변화 추이를 비교 및 분석하고 손상상태에서의 구속모형시험 결과를 바탕으로 한 조종 운동 수학모델을 제시하였다. 구속모형시험은 서울대학교 예인수조에서 수행하였으며 대상함은 미 줌왈트급 구축함의 모선인 ONR Tumblehome 선형으로 최신 함형 설계 이론을 반영한 선형이다. 손상 구획은 해군 복원성능 적용기준에 따라 우현 선수에 놓아 초기 횡경사 각과 종경사 각을 갖도록 하였고 손상 시 초기 트림은 종방향 0.429°, 횡방향 2.925°였으며 좌현 선미가 살짝 들리는 것을 확인하였다. 추후 모형선 자유항주시험과의 비교를 위해 모형선 자항점에서 수행하였다. 조종운동 모델은 1) 일반적인 비손상 조종모델과 2) 손상으로 인해 좌우비대칭 특성을 각기 다른 배로 보는 손상 분리형 조종모델 3) 손상으로 인한 좌우비대칭을 하나의 선박의 고유 특성으로 보는 손상 통합형 조종모델로 두고 이들을 비교하고자 하였다. 실험 결과 타각시험에서는 비손상 대비 손상으로 인한 차이를 확인할 수 없었으나 사항시험 및 동적시험에서는 손상으로 인한 차이를 명확히 얻어낼 수 있었다. 구속모형시험 결과를 이용해 선회 시뮬레이션 및 지그재그 시뮬레이션을 수행하였는데 선회 시뮬레이션에서 우현 선회의 경우 비손상 대비 손상의 영향을 크게 찾아볼 수 없었으나 좌현 선회의 경우 비손상 대비 손상 선회 시뮬레이션에서 전술선회경의 -20% 이상의 차이를 보였다. 하지만 지그재그 시뮬레이션에서는 큰 차이를 볼 수 없었다. 분리형 조종모델은 좌우비대칭을 고려하여 좌∙우현 선회 시 각각 다른 선형으로 보고 모델링 하였고 통합형 모델은 좌우비대칭을 고려하지만 좌∙우현 선회를 하나의 배의 특성으로 보고 비선형 항을 2차, 3차로 추가하여 모델링하였다. 분리형 조종모델의 특성으로는 타 기관의 조종 미계수를 직접 비교 가능하다는 장점이 있는 반면 손상 상태의 좌∙우현에 대한 침로 안정성 평가는 가능하지만 비손상 상태와 침로 안정성 비교는 불가능하다는 단점이 있었다. 통합형 모델의 장점으로는 비손상 상태와 침로 안정성 평가는 가능하나 식이 복잡해지고 타 기관과 계수에 대한 비교가 불가능하다는 단점이 있었다. 통합형 모델이 분리형 모델에 비해 조종 성능 시뮬레이션에서 전술선회경을 8% 정도 크게 추정하는 경향이 있었다.