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ISSN : 2671-9940(Print)
ISSN : 2671-9924(Online)
Journal of the Korean Society of Fisheries and Ocean Technology Vol.56 No.2 pp.172-182
DOI : https://doi.org/10.3796/KSFOT.2020.56.2.172

Evaluation of the maneuverability of a real ship with flap rudder

Jang-Young AHN, Kwang-il KIM, Min-Son KIM1, Chang-Heon LEE*
Professor, College of Ocean Sciences, Jeju National University, Jeju 63243, Korea
1Professor, Marine Production System Major, Kunsan National University, Jeonbuk, 54150, Korea
*Corresponding author: leech@jejunu.ac.kr, Tel: +82-64-754-3491, Fax: +82-64-756-3483
20200310 20200426 20200504

Abstract


In order to offer specific information needed to assist in operation of a ship with same type rudder through evaluating the maneuverability of training ship A-Ra with flapped rudder, sea trials based full scale for turning test, zig-zag test with rudder angle 10° and 20°, and spiral test at service condition were carried out on starboard and port sides around Jeju Island according to the standards of maneuverability of IMO. As a result, the angular velocity of port turn was higher than that of starboard turn. Therefore, the size of turning circle was longer on the starboard side. In addition, variation of the transfer due to various factors was more stable than those of the others. In the Z-test results, the mean of 1st and 2nd overshoot angles were 9.8°, 6.3° and 15.3°, 9.2° respectively when the port and starboard was 10°; the 1st overshoot angle were 18°, 13.7° when using 20°. Her maneuverability index T’ and K’ can be easily determined by using a computer with the data obtained from Z-test where K’ and T’ are dimensionless constants representing turning ability and responsiveness to the helm, respectively. In the Z-test under flap rudder angle 10°, the obtained K’ value covered the range of 2.37-2.87 and T’ was 1.74-3.45. Under the flap rudder angle 20°, K’ and T’ value showed 1.43-1.63, 1.0-1.73, respectively. In the spiral test, the loop width was unstable at +0.3° and –0.5°-0.9° around the midship of flap rudder. As a result, course stability was comparatively good. From the sea trial results, training ship ARA met the present criterion in the standards of maneuverability of IMO.



Flap rudder를 이용한 조종성능 평가

안장영, 김광일, 김민선1, 이창헌*
제주대학교 해양과학대학 교수
1군산대학교 해양생산시스템전공 교수

초록


    Jeju National University

    서 론

    선박의 조종성능은, 주로 전속으로 항행 중에 최대 타각을 주었을 때 생기는 궤적을 종거, 횡거, 선회경 등으로 나누어 조종성능을 표현한다. 이처럼 선회권 을 더욱 세분하여 나타낸 조종성능은 지금도 중요하 게 사용되고 있으나 선회권만으로 다양한 선형과 다 양한 크기의 선박들의 조종성능을 표현하기에는 부족 하다. 선박의 조종성능의 추정방법은 실선 시험에 의한 방법과 이론적으로 계산하는 방법으로 크게 두 가지로 나누고 있다(Kopp, 1993;Matsumoto and Suemitsu 1980;Yasukawa and Yoshimura, 2015). 실선 시험에 의한 방 법 중 하나는 자유 항주시험을 수행하여 직접 조종성능 을 판단하는 방법이고 다른 하나는 수조실험에서 여러 가지 시험을 통하여 유체력 계수를 구한 후 시뮬레이션 에 의해 추정하는 방법이지만, 운항자가 그 선박에 대해 해상에서 조종성능을 평가하는 것이 무엇보다 더 중요 하다. 특히 어선들이 밀집해서 조업하고 있는 어장이나 협수로, 항로, 항계부근, 항내에서 조선자는 자선의 선체 운동을 정량적으로 파악해야 할 필요가 있으며 자선의 조종성능을 파악함에 있어서 경험과 감각에만 의존하는 것은 조선(操船) 당시의 주변 여건에 따라 큰 편차를 불러오기 때문에 경험해보지 못한 상황이 발생하면 조 선자의 판단에 착오를 가져올 수 있다. 일반적으로 선박 의 조종특성을 측정하기 위한 해상의 주변 환경은 가능 한 조종특성에 영향을 미치지 않는 범위내에서 측정하 도록 권고하고 있으며, 많은 시험이 이러한 조건하에서 이루어지고 있다. 선박 운항중 기상과 주변환경의 변화 는 지속저으로 발생하고 특히, 항내 이·접안 과정에서 교통량의 폭증과 급격한 기상 악화로 인한 사고 발생가 능성은 매우 높다.

    IMO에서는 선박의 충돌을 방지할 목적으로 조종성 기준(maneuvering standards)을 제정하여 적용을 받도록 하고 있다. 그러나 IMO에서 제시하는 조용한 날씨와 해면상태 조건하에서의 선박 조종특성은 환경 변화가 많은 해상에서 늘 같다고 할 수는 없다. 따라서 조종성능 측정시, 해상조건이 달라지므로 선회권의 크기를 포함 한 다른 특성들도 각기 달라질 것으로 판단되나, 실제 해상에서의 연구는 많지 않은 실정이다. 특히, Lee et al. (2017)와 같이 대부분의 연구가 선박 운항의 여건상 1~2회 측정으로 선박의 특징을 나타내기 때문에, 측정 당시의 인적, 물적 차이 등으로 인하여 다소의 오차를 포함하고 있는 것으로 판단된다. 따라서 이들 값의 평균 을 구한 후, 오차의 정도를 측정하여 선박의 조종성능을 파악할 수 있도록 제공된다면 운항자에게 큰 도움이 될 것이다. 최근에는 타에 의한 선박의 조종성능을 향상시 키기 위하여 45°까지 조타 가능한 특수타인 flap rudder 의 설치가 추세이고, 이와 관련하여 Lee et al. (2000), Kim et al. (2006), An et al. (2015), Lee et al. (2015) 등의 연구들이 있다. 따라서 flap rudder를 설치한 실선 을 이용한 수회의 시험을 통해 실제 선박의 선회권의 크기 변화, 조종성지수의 변동 등 선박 조종에 관한 기초 자료를 제공하여 해상환경에 따른 선박운항자의 항행 역량을 높일 목적으로 본 연구에서는 실습선을 이용하 여, 해상에서 선회 및 Z-test 등을 실시하였다.

    재료 및 방법

    2018년 진수한 시험선박 아라호의 선형과 주요 제원 을 Fig. 1 및 Table 1에 나타내었다. 시험선박은 flap rudder를 설치하였는데, rudder의 flap은 사용함에 있어 별도의 타각을 주지 않고, rudder 타각의 크기에 따라 자동으로 변하면서 최대 45°까지 사용할 수 있으며, 제 원은 Table 2와 같다.

    제주주변의 조석은 주로 동서로 나타나는 특징이 있 으며, 선박의 선회권에 미치는 이러한 외력의 영향을 파악하고, 측정 위도에 따른 경도 길이의 차이에 의한 선회권 크기의 오차를 줄이기 위하여 heading 090°, 270°의 선수 방위를 주로 이용하여 선회권 측정 및 Z-test를 실시하였다. 이들 조종성능의 평가를 위한 선회 권(starboard & port 5°, 10°, 20°, 30°, 35°, 45°), Z-test (starboard & port 10°, 20°)의 실시 해역 및 내용은 Table 3에 나타내었다. 이외에 Fig. 2와 같이 일정 해역 범위내에서 선수방위를 동서남북으로 운항하면서 선회권을 측정하 였으며, 이들 모두 측정시 선속은 대지속력 14.0 kt's 기 준으로 해상실험을 하였다. 이들 flap rudder에 의한 선 박 선회 및 조종성능은 선체의 흘수 및 trim 등 여러 요소의 영향을 받지만, 일반적인 항해시의 조건에서 그 특징을 파악하는 것을 목적으로 하였기에, 선수흘수 4.3~4.6 m, 선미흘수 5.0~5.3 m의 범위내에서 특별한 조건을 정하지 않았다. Fig. 1의 모식도와 같이 선박의 운항에 따른 항적, 선속, 풍향·풍속, 유향·유속, 선체 기 울기, 회두각속도, 수심 등 관련 data를 저장할 수 있는 Voyage data recorder (VR-7000, Furuno)기록 장치를 이 용하여 선속, 위치, heading course, rudder angle, 유향· 유속, 풍향·풍속 등의 조종성능과 관련된 자료를 저장· 분석한 후 기존의 semi-balanced rudder의 선회특성과 flap rudder의 조종 성능을 비교함과 동시에 국제해사 기구에서 채택된 IMO 기준과 비교·〮검토하였다.

    결과 및 고찰

    선회권 시험

    실습선의 heading을 270°로 유지하면서 측정한 선회권 의 일부를 대수선속과 대지선속으로 나누어 함께 Fig. 3 에 나타내었다. 측정한 실습선의 선회특징은 우선회권 이 좌선회권의 크기보다 전반적으로 크게 나타나고 있 었고 이때 유향 및 유속은 ENE, 0.6 knot의 범위를 나타 내고 있었다. 이처럼 차이의 가장 큰 원인으로는 선박의 우선회 추진기의 작용으로 인한 결과뿐 아니라, 측정시 의 풍·유압의 영향도 포함된 것으로 판단된다. 대수속력 (a)의 경우 선회 반경의 크기가 클수록 선회횡거 이후의 속도가 일정하게 나타나고 있었으며, 선회반경이 작을 수록 즉, 타각이 클수록 선회횡거 이후에 선속 감속이 나타났다. 대지속력 (b)의 경우, 대수속력과 달리 유향· 유속에 따라 선속변화가 나타나는 것으로 판단되는데, 선수쪽에서 유속을 받을 경우, 선속 감소를 나타내고 있다. 대각도 45° 선회시 (a)의 좌현의 경우 대수속력이 시간이 지날수록 줄어들고 있지만, (b)의 대지속력에서 는 오히려 상대적으로 증가한 것으로 나타났다. 이것은 대각도 선회시 선속 감소로 인하여 유향·유속의 영향을 많이 받는 것으로 판단된다. 전반적으로 대수속력의 경 우 선회권의 크기가 작을수록 선회경의 선속의 변화가 크고, 대지속력의 경우 선회권의 크기가 클수록 선속의 영향이 높게 나타나고 있어 선회권의 결정에 유향·유속 및 선속의 상호작용이 영향을 미치는 것으로 판단된다.

    각각의 선회권 크기를 나타내는 지점에서 우선회와 좌 선회의 측정 결과, 전체의 평균 및 표준편차를 Fig. 4에 함께 나타내었다. 그 결과 실시한 타각이 클수록 선회권 의 크기가 적어지고 있었으며, 전체적으로 선회권의 크 기를 나타내는 선회경을 포함한, 선회종거, 정상선회경 의 모든 요소가 우선회에서 크게 나타나고 있었다. 일부 측정에서 전타각이 큰 경우 우선회의 값이 좌선회보다 적은 경향도 나타났는데, 이것은 측정 당시의 유향·유속 등 풍·유압의 영향이 나타난 것으로 판단된다.

    선회권의 크기는 선체의 방형계수, 흘수, 트림, screw propeller의 회전 방향등을 포함한 선체요소 등에 따라 다르게 나타나게 되는데, 이에 따라 수회에 걸친 측정결 과 선박의 선회권의 크기는 실시한 flap rudder 타각에 따라서 최소 수 m에서 수십 m까지 다양한 선회권의 크 기 차이를 나타내고 있었다. 따라서 해상상황에 따른 변화가 선회권의 차이에 큰영향을 미치는 것으로 판단 되므로, 선박 운항자는 이들에 대한 편차의 크기를 인지 하고 있는 것이 중요하다. Fig. 4에서 선회횡거는 다른 요소들과 달리 상대적으로 큰 편차를 보이고 있지 않았 으나, 선회종거를 포함하여 선회횡거를 지난 이후 선회 경이나 정상선회경에서는 이러한 외력의 영향이 상대적 으로 크게 나타나고 있었다. 특히, 정상선회경은 일반적 으로 선회경의 80% 내외인 것이 정상적인 형태임에도 불구하고 Fig. 4에서와 같이 우선회 및 좌선회의 편차가 간헐적으로 크게 차이가 나타나는 것도 이러한 풍조류 등 외력의 영향이 큰 것을 나타내고 있는 것으로 보인다. 주로 외력의 영향은 선회경과 정상선회경에서 상대적으 로 높았다. 그러나 편차가 존재하여 선회권이 크다고 하여도, Table 4의 IMO 기준은 일반적으로 최저기준을 나타내기 때문에 전타시 IMO에서 제시하는 Advance < 4.5 L, Tactical diameter < 5.0 L의 규정에는 적합하다 고 할 수 있다.

    Flap rudder의 Port 35°의 타각을 이용하여 Fig. 2와 같이 각각의 선수 heading을 바꾸면서 선회권의 크기를 측정한 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 해상 상황이 같은 조건이라고 판단되는 좁은 해역에서 720°의 선회를 실 행하였지만 동서방향과 남북방향으로 선회종거에 있어 서 다소의 차이가 나타나고 있는 것으로 판단되며, 측정 결과, 전체적으로 풍향 풍속을 포함한 유향 및 유속에 의해 북서방향으로 밀리고 있는 것으로 추정되었다. 특 히 heading 270°의 경우, 조석변화로 인한 차이로 인하 여 나머지 선회권과 다른 궤적을 나타내고 있었다. 이들 모두 선회시 부터 유향의 변화등 외력에 의해 선체 선회 가 영향을 받고 있었는데, 720° 이상의 선회를 이용하여 유속에 의한 선회권의 영향 정도를 파악할 수 있는 것으 로 추정되었다.

    Fig. 6에 선회 측정시 전타각 45°, 35°, 20°, 15°, 10°로 인한 선체 선회동안 선박의 heading 변경에 따른 풍속 및 유속의 변화를 나타내었다. 선체가 rudder의 타각에 의해 선회함에 따라 상대적으로 선체에 미치는 풍속과 유속의 증감이 나타나고 있었고 이로 인한 영향이 선회 권의 크기의 편차에 영향을 미치는 것으로 판단된다.

    Zig-zag 및 Spiral 시험

    선박조종성능을 판단하는 데 일반적으로 선회권만으 로는 선박이 조타 동작에 어느 정도 추종을 빨리 하는지, 그에 따른 선회속도가 어떻게 변하는지를 알 수가 없다. 따라서 이러한 조종성능은 Z-test로 추정하게 되는데, 이 때 측정한 overshoot angle의 발산방향의 크기로 그 여부 를 판정하게 된다. IMO의 Yaw-checking ability 기준은 Z-test의 overshoot angle로 규정하고 있으며 타각 Z-test 10°/10° 조타법 및 Z-test 20°/20° 조타법에 의한 과도선 수각인 overshoot angle로 평가한다. 조종성 지수 K, T의 값은 선박의 크기, 배수량, 선형, 타각, 선속, 수심, 해상 상태 등에 의해 달라지므로 무차원화하여 사용하지만, 이때 구한 K, T를 이용하여 선회권을 작도하면, 좌우가 같은 크기의 선회권을 얻게 된다. 그러나 일반적으로 선박에서 좌우 선회권의 크기는 같지 않으며, 특히 프로 펠러 회전 방향 등에 따라서 선회권의 크기가 달라짐에 도 하나의 K, T 만으로 그러한 상황을 나타내기 어렵다. 따라서 좌현 및 우현일 때의 Z-test에 의한 K, T값을 각 각 구한 후, 이를 바탕으로 선회권을 작도하면 실제와 유사한 선회권을 얻을 수 있고, 운항자가 이를 이용한 조선을 행한다면 향상된 항행능력을 이룰 것으로 판단 된다. 따라서 시험선의 조종성능에 대한 K, T를 구하기 위하여 10°와 20°에 대한 Z-test를 실시한 결과를 Table 5 및 Fig. 7에 나타내었다.

    선회권 측정시 본선의 특징은 좌선회권의 크기가 우 선회권보다 적은 값을 나타내기 때문에 본선의 선회권 측정시 선회성 지수는 우현쪽 K가 작을 것으로 추정되 었으나 ±10° 측정에서 대부분 우현쪽이 높게 나타났다. 이처럼 좌현보다 우현이 높게 나타난 것은 측정시 조선 자의 조타 전타 시간의 오차 뿐아니라 선체에 미치는 상대 유속 및 풍속 등의 외력영향으로 부정확한 결과가 나타난 것으로 판단되며, ±20°의 경우 주로 좌현쪽이 높게 측정되어 상대적으로 정확한 것으로 추정되었다. 또한 이들 조종성 지수는 타각의 크기 및 지속시간에도 영향을 크게 받는 것으로 추정되므로, Z-test 10°/10°, 20°/20°의 측정시 좌우현 타각 크기되었는지 확인하기 가 비슷하게 유지위하여, t통계량으로 유의수준 α=0.1 에서 검정을 실시한 결과 No. 8에서 좌우현의 타각의 크기가 같은 것으로 나타났다. No. 8의 측정값은 좌선회 시 K와 T의 값은 0.136, 15.13를 나타내고 있으며, 우선 회시는 각각 0.121, 11.92를 나타내고 있었다. 이 값을 이용하여 타각 20°의 좌현과 우현의 선회권을 작성한 것이 Fig. 7이며, 이와 함께 No. 8에 대한 Z-test의 결과 를 Fig. 8에 나타냈다.

    보통 Z-test는 선박 조종시 first overshoot angle (FOA)보다 second overshoot angle (SOA)의 크기가 크 기 때문에 일반적으로 선박의 대각도 타각에 따른 선수 요억제 및 보침의 수단으로 많이 사용된다. Fig. 8의 본 선의 측정결과 우현 및 좌현시 전타시각 t4, t5에 차이가 있었으며, 좌현 Z-test의 측정시간이 우현보다 전체적으 로 약 20여초 내외 길게 측정되었다. Fig. 9에 본선의 Z-test 10°/10°의 FAO, SOA를 함께 나타내었다. x축은 선박길이에 대한 선속의 비로(L/V, L: length, V: ship speed) 이때의 값은 11.9, 이에 대응하는 y축의 각각의 좌·우현 10°에 대한 Z-test의 FAO, SOA를 나타낸 결과, 좌현 10°에서는 SOA의 값이 FOA와 거의 비슷한 값을 보였으나, 우현 10°에서는 SOA가 FOA보다 크게 나타 났다. 전반적으로 좌현시의 각속도가 높게 나타나 flap rudder에 의한 좌선회의 특성이 민감한 것으로 판단되 며, Fig. 10의 20°에 대한 Z-test의 결과도 10°에 대한 결과와 비슷하였으나 IMO 규정이 FOA만 규정하므로 SOA는 표시하지 않았다. 4회에 걸친 측정에서 FOA는 좌선회시, 우선회시의 평균이 각각 -18°, 13.7°로 IMO 기준 이하로 나타나 기준에는 만족하고 있지만 운항자 는 이러한 특성을 파악하여 선박의 안전운항을 유지하 는 것이 중요하다.

    시험선의 Z-test는 Fig. 8과 같이 대략 160초 내외로 끝나고 있는데, Fig. 11에 Z-test시 타각 변침시각 전후 3초의 범위 내에서 조선자의 타각 변경 시간 오차 발생 가능성에 따른 선회성 지수 K의 변동폭을 나타내었다. 10°/10°를 이용한 본선의 경우 우선회와 좌선회의 표준 상태의 K를 각각 No.1의 0.241, 0.222로 가정하여, 각각 의 시간변화의 오차를 주었을 때, 우현 변침시 변동폭이 크게 나타나고 있었고, 특히, 변침시각 t1에서는 시각이 지연될수록 높아지고, t2와 t3에서는 반대로 그 값이 적 어지는 경향으로 인하여 큰 오차 변화가 나타날 가능성 이 높았다. t4~t7로 시간이 지날수록 오차의 변동폭이 크게 줄어들고 있으며, t6 이상에서는 거의 측정시간 오 차에 의한 선회성 지수 K의 변동은 거의 없었다. 반면 좌현시는 상대적으로 우현시보다는 안정된 변동폭을 나 타내고 있었다. 따라서 선체 길이가 작을수록 측정시 전타에 따른 작은 시간 오차로도 특히, 본선의 경우 우선 회에 따른 선회지수의 변동이 크게 예상되므로, Z시험 시 세심한 주의가 요구된다.

    Table 6에 과거 조사된 semi-balance rudder 선박들의 조종성 지수들을 나타내어 본 실험에서 flap rudder를 이용하여 구한 지수와 비교하였다. flap rudder를 이용하 였을 때 선회성 지수 K′가 높아 상대적으로 선회성이 아주 양호한 것으로 판단되었고, 추종성 T′또한 기존 선박보다 상대적으로 높지 않아 추종성도 양호하며, 어 선의 적용에 적합한 것으로 판단된다. Table 7에 타각 10° 및 20°의 선회권에 의해 구한 조종성 지수 K를 나타 내었다. 해상 조건이 달라 다소의 편차는 보이고 있지만, 좌현 K와 우현 K를 비교하면 좌현의 값이 높게 나타나 좌현쪽 선회성이 높았다. Z-test를 이용하여 구한 K와 비교하였을 때 전체적으로 비슷한 범위내에 포함되는 것으로 판단된다. Fig. 12에 heading을 090°로 유지하면 서 Z-test 실시중 일부 측정값에 대한 선박의 위치에 따 른 항적 및 선속 변화를 heading의 변화와 함께 나타내 었다. 측정중 선속의 변화로 진출거리의 차이가 나타나 고 있으며, 선속의 감소뿐 아니라 유향 유속의 영향에 의해 선박의 항적이 결정되는 것으로 판단된다. Z-test 실시중 초기 속도는 대략 14 kt's에서 실시하였지만 최종 속도를 포함한 평균속도로 이용한다면 초기속도보다 약 1~2 kt's의 선속 차이를 나타내고 있다. 이 평균 속도로 계산하면 본선에서는 대략 조종성 지수 Kˊ, Tˊ의 값이 각각 0.2정도의 차이를 나타내었다.

    AN et al. (2015)의 결과에서 flap rudder의 Z-test를 나타내고 있으나, flap의 작동없이 측정하여 비교가 어 려웠다.

    Fig. 13에 선박의 보침성능을 평가하기 위한 나선시험 결과를 나타내었는데, 이러한 평가는 r - δ관계 곡선에 서 δ = 0부근의 기울기나, 루프가 있는 경우 루프의 폭, 높이 등이 그 기준이 된다(Lee and Lee, 1998).

    본 시험선의 경우는 타각 0° 부근에서 +0.1°~0.3°, – 0.5°~0.9° 정도 불안정한 loop폭을 나타냈지만, 일반적 으로 타각이 0°에서 직진하지 않는 것이 보통이다. 실험 결과 타각 0°에서는 침로 불안정한 loop가 보였지만 전 반적으로 타각과 정상 각속도에 비례하는 경향인 선형 변화를 보여 안정된 선박이라고 판단 할 수 있었다. 선회 후 타각을 midships로 정침시 선박의 침로안정성을 확 인하기 위하여, heading을 090°로 진행중 선회각도 5°후 타각을 0°으로 했을 때의 결과를 Fig. 14에 나타내었다. 우선회 후 타각을 midships로 정침했을 때 우현시의 각 속도는 -0.11을 보이면서 선박이 직진성을 보이고 있으 나, 좌선회 후 타각을 midships으로 정침하였을 때 각속 도는 -0.18로, 우현선회시 보다는 좀더 큰 각속도로 좌선 회를 나타냈다. Lee et al. (2000)에 의하면 flap rudder를 채택한 선박의 조종특성에서, 선회성이 아주 향상되었 으며, 타의 응답속도도 빨라졌으나, 직진 안정성이 다소 떨어진다고 보고하고 있다. 본 실험에서 선회성은 양호 하였으며, overshoot angle도 선회 방향에 따라 SOA가 적게 나타나 타의 응답속도가 빨라지는 경향이 보였고, Fig. 14와 같이 직진 안정성이 다소 떨어지고 있는 등 flap rudder의 실험특성들이 잘 나타나고 있었다. 이러한 특성을 감안하여 시험선을 안전하게 운영하기 위해서는 좌선회 후 정침을 하기 위해 좀더 우현으로 타를 사용할 필요가 있으며, 본선의 선적항인 제주 서귀항의 경우, 약 90 m 정도로 입출항 입구가 좁고 또한 입항시 항내의 좌측 여유 수역도 거의 없다. 따라서 출입항의 폭이 좁은 곳은 slow ahead 이하로 출입시 유향 유속 변화에 따른 영향이 높게 나타날 것이므로, 가능한한 협소 공간에서 좌현으로 치우지지 않도록 지속적인 우현 타각을 이용 하여 입항하는 것이 중요하다고 판단된다.

    결 론

    선박 운항자들에게 flap rudder를 설치한 선박의 특성 및 여러 외력의 영향에 의한 크기의 변화 등, 충돌 사고 예방뿐 아니라 해상 관측시 외력에 의한 변화폭을 예상 할 수 있는 있는 기초적인 자료를 제공하고자, 실습선 아라호를 이용하여 flap rudder의 조종성능을 파악하기 위한 실선시험을 행하였다.

    해상실험에서 선회권 실험결과는 전반적으로 우선회 보다 좌선회의 선회권 크기가 작았으며, 선회횡거의 편 차가 가장 적은 반면 선회경, 정상선회경은 외력의 영향 으로 판단되는 크기의 편차가 높게 나타났다. 이처럼 선회권이 작을수록 선속감소로 인한 외력의 영향이 높 고, 선회권이 클수록 선속 영향보다는 거리 증가에 따른 외력 영향이 높은 것으로 판단되었다. 좌선회에서는 선 회권의 크기가 우선회권보다 작기 때문에 좌선회 변침 이 유리한 선박으로 추정되나, 좌선회후 정침시 선박이 좌선회로 치우쳐, 좌현측 여유수역이 없는 해역에서 선 박조종은 다소 부담으로 생각된다. Z-test 결과에서는 좌 ·우현 10°일 때 FOA는 우현, 좌현이 각각 평균 6.3°, 9.8°이며 SOA의 경우, 우현 및 좌현은 각각 15.3°, 9.2° 이었다. 이 때 선회성 지수 Kˊ, 추종성 지수 Tˊ는 각각 2.37~2.87, 1.74~3.45의 범위에 있었다. 좌·우현 20°일 경우, FOA는 우현 및 좌현이 13.7°, 18°이고, 조종성 지수는 선회성이 1.43~1.63, 추종성이 1.0~1.73이었다. Semi-balance rudder를 사용한 타 선박들과 이들 범위를 비교한 결과, flap rudder의 영향으로 선회성이 높아지 고, 추종성은 상대적으로 낮은 것으로 판단된다.

    나선시험에서는 타 중앙을 중심으로 타각 0°의 접선 이 타각과 정상 각속도에 비례하는 경향이 보였으며 다 소 불안정한 loop폭과 함께, 타 중앙을 중심으로 +0.3° 및 -0.5~-1.1의 범위를 나타내고 있으나, 일반적으로 타 각이 0°에서 직진하지 않는 것이 보통이기 때문에 침로 안정성 측면에서는 양호한 선박으로 판단된다. 추후 선 속별 선회권의 크기변화 및 원인, 선수재의 형상에 따른 선체 swing의 영향, 접·이안시 flap rudder의 효율 등 세 심한 연구 관찰이 필요하다고 판단된다. 실습선은 학생 실습중 주로 소형어선들이 밀집한 해역에서 관측을 하는 중에 빈번한 정지, 항해, 변침 등을 해야 하는 선박이므 로 비록 IMO 조종성능 기준에 기초하여 정량적으로 분석 한 결과는 전반적으로 만족스럽다. 다만, 안전항해를 위 해서 선박 운항자는 선박의 특성을 주의 깊게 확인하면서 주변 해상의 안전운항에 관심을 가져야 할 것이다.

    사 사

    이 연구는 2019학년도 제주대학교 교원성과지원사업 에 의하여 연구되었습니다.

    Figure

    KSFOT-56-2-172_F1.gif
    Configuration of measurement system of training ship A-RA.
    KSFOT-56-2-172_F2.gif
    Track for maneuverability by the training ship A-RA.
    KSFOT-56-2-172_F3.gif
    Turning trajectory according to flap rudder turn by the real sea trial.
    KSFOT-56-2-172_F4.gif
    Turning circle according to the rudder angle of training ship A-RA.
    KSFOT-56-2-172_F5.gif
    Effects of current and wind on path of turning circle (720°) of port 35°.
    KSFOT-56-2-172_F6.gif
    Effect of current and wind in turning according to rudder angle.
    KSFOT-56-2-172_F7.gif
    Turning circle of experimental ship by 20˚ Z-test.
    KSFOT-56-2-172_F8.gif
    Trace of heading and rudder angle for ±20° zig-zag test.
    KSFOT-56-2-172_F9.gif
    1st, 2nd overshoot angles of port and starboard 10° Z-tests.
    KSFOT-56-2-172_F10.gif
    1st overshoot angles of port and starboard 20° Z-tests.
    KSFOT-56-2-172_F11.gif
    Variation of Maneuvering Index, K according to position of time coordinate.
    KSFOT-56-2-172_F12.gif
    Trajectories of Zig-zag test of port 20°.
    KSFOT-56-2-172_F13.gif
    Plotted in r - δ diagram by the spiral maneuver of A-Ra.
    KSFOT-56-2-172_F14.gif
    Course keeping ability on path after turning circle of port and starboard.

    Table

    Particulars of training ship A-RA
    Particulars of rudders used in maneuverability
    Tests of turning circle and Z-test according to the flap rudder angle of training ship A-RA
    Standards of ship maneuverability in IMO
    Calculated maneuvering indices K, T of the T.S. A-RA
    The comparison between indices of the experimental ship and the other ships at 10° Z-test
    Calculated maneuvering index, K by turning circles of the T.S. A-RA

    Reference

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