손상 수상함의 조종성능 추정을 위한 자유항주모형시험법 연구

Abstract

최근 5년간 해양 사고는 점점 증가하는 추세에 있다. 이는 상선뿐만 아니라 해군 함정 또한 마찬가지이며 함정의 사고는 국방력의 저하로 이어지기 때문에 더욱 심각하게 다루어진다. 사고가 발생하더라도 함정의 손상이 단시간 내에 침몰과 좌초로 이어지는 경우는 거의 없다. 대부분의 함정 손상은 자력 귀환이나 안전한 지역으로의 대피가 가능한 수준이다. 이러한 경우 구조를 기다리는 것보다 자력 운항을 통해 대피하는 것이 더욱 효율적인 방안이 될 수 있다. 손상 선박과 같이 비대칭성이 강하게 나타나는 선박의 경우 구속모형시험을 수행하려면 많은 제약 사항이 존재하고 모형시험과 조종성능 시뮬레이션 시에도 복잡한 과정을 거쳐야 한다. 따라서, 손상 선박의 조종성능 추정 시 자유항주모형시험이 더 간단하고 효율적이다. 하지만, 현재까지 손상 선박의 조종성능 관련 연구는 구속모형시험에 머물러 있다. 본 연구에서는 손상 선박의 조종성능을 확인하기 위한 자유항주모형시험법을 개발하고 ONR Tumblehome 선형에 대해 실험을 수행하였다. 우현 선수 방향에 손상 구획을 설치하고 그 상부를 대기 중에 노출시켜 실험의 반복성을 높였다. 또한, 손상 선박에 적용할 수 있는 타각 입력 방식을 정의하고 자유항주모형시험 시나리오를 설계하였다. 자유항주모형시험은 속도시험, 선회시험, 지그재그시험으로 나눠 수행하였다. 속도시험을 통해 손상 선박의 자항점과 중립 타각을 확인하였다. 손상 선박과 비손상 선박의 자항점의 프로펠러 회전수는 거의 같았다. 손상 선박은 침수 유동으로 인해 음의 선수동요모멘트가 발생해 직진을 위해 중립 타각이 필요함을 확인하였다. 선회시험을 통해 손상으로 인한 선박의 선회성능 변화를 확인하였다. 좌현 선회 시 손상 선박의 선회직경은 감소하였다. 하지만, 우현 선회 시 손상 선박과 비손상 선박의 선회직경은 거의 같았다. 또한, 우현 선회 시 손상 선박의 전진거리가 증가하였다. 타각이 커지면 선체에 가해지는 선회력이 커져 손상이 선회성능에 미치는 영향이 작아졌다. 지그재그시험을 통해 손상으로 인한 선박의 변침성능 변화를 확인하였다. 손상 구획의 유동으로 인한 감쇠 효과가 발생해 손상 선박의 운동응답은 느려지고 1차, 2차 오버슈트각은 증가하였다. 선회성능과는 반대로 타각이 커지면 손상이 변침성능에 미치는 영향이 커졌다. 자유항주모형시험 결과와 조종운동 시뮬레이션 결과의 비교를 수행하였다. 조종운동 시뮬레이션 결과는 우선회 시 손상 선박의 전진거리가 증가하는 경향이나 지그재그시험 시 1차 오버슈트각이 증가하는 경향이 제대로 모사되지 않았다. 구속모형시험에서는 손상 구획 주변 유동의 영향에 상관없이 선박의 자세가 고정되어 손상으로 인한 선박의 비선형적 변화를 모사하기에 한계점이 존재하기 때문으로 판단된다. 자유항주모형시험에 대해 불확실성 분석을 수행하였다. 손상 구획 내부의 불규칙한 유동의 영향으로 선회시험, 지그재그시험 모두 손상 상태의 우연 표준 불확실성이 더 크게 나타났다. 지그재그시험의 우연 표준 불확실성이 선회시험보다 더 크게 나타났으며 이는 선회시험에서만 궤적의 보정이 이루어졌기 때문으로 판단된다.

The number of marine distresses is increasing recently. This is not only true of merchant ships but also of warships. The accident of a warship is more serious because it leads to a decline in defense capabilities. When an accident of a warship occurs, damage to a warship rarely leads to sinking and stranding in a short period. Most ship damage is minor enough to allow self-return of evacuation to a safe area. Hence, evacuating through self-service rather than waiting for rescue may be beneficial to the survival of warships. For ships with strong asymmetry, such as damaged ships, there are many constraints to carry out the captive model tests. Also, it is necessary to undergo complex processes for model tests and maneuvering simulations. Thus, for damaged ships, free-running model tests are simpler and more efficient. However, research on maneuverability of damaged ships remains in the captive model tests. In this study, a method for free-running model tests for a damaged ship was developed, and free-running model tests of the damaged ONR Tumblehome were conducted. Damaged compartment was set up in the direction of starboard bow. The upper part of the damaged compartment was exposed to the atmosphere, increasing the repeatability of the experiments. A method of inputting rudder angle was defined, and the free-running model test scenario was designed. Speed tests, turning circle tests, and zigzag tests were conducted in the free-running model tests. Propeller revolution rate in the self-propulsion point and the neutral rudder angle were found in the speed test. Propeller revolution rate in the self-propulsion point was almost same in the intact and damaged conditions. Because of inflow to the damaged compartment, negative yaw moment occurred. Hence, Neutral rudder angle was required for straight maneuver. Turning circle tests were conducted to identify the effect of damage on the turning ability of the test model. In port turn, tactical diameter of the test model decreased in the damaged condition. However, in the starboard turn, it was almost same in the two conditions. In addition, the impact of damage on the turning ability was reduced when the rudder angle increased. Zigzag tests were conducted to identify the effect of damage on the yaw checking ability of the test model. The damping effect of the inflow to the damaged compartment resulted in the delay of the damaged model and increased overshoot angle. The impact of damage on the yaw checking ability increased when the rudder angle increased. Results of free-running model tests were compared with the results of maneuvering simulations. Increase of advance of damaged ship in starboard turn was not shown in maneuvering simulations. Also, Increase of overshoot first overshoot angle was not shown in maneuvering simulations. It can be referred that captive model test has limitation in simulating nonlinear change of ship, which is because the posture of ship is fixed regardless of effects caused by the flow in and around the damaged compartment. Uncertainty analysis of free-running model tests was conducted. Random standard uncertainty of both turning circle tests and zigzag tests was larger in damaged condition, due to the impact of irregular flow in the damaged compartment. In addition, random standard uncertainty of zigzag tests was greater than that of turning circle tests, which was because the trajectory was corrected only in the turning circle tests.