일반적으로 선박 조종성능은 정수 중 성능을 기준으로 하여 평가하여 왔다. 그러나 조종성능은 대상 선박의 하중 조건, 운항 선속, 해상 환경 등에 따라 현저하게 변화한다. 더불어 최근 탄소중립을 위한 IMO 규제 강화로 신조 선박의 엔진 출력 및 운항 선속이 낮아지는 추세이며, 특히 저속 화물선의 황천 중 최소한의 조종성능 확보를 위한 최소추진추력 잠정 지침도 발효된 바 있다 (IMO, 2021). 따라서 최근에는 선박 운항 환경을 복합적으로 고려한 조종성능 평가 기술이 더 빈번하게 요구되고 있다.

파도 중 선박 조종성능의 실험적, 혹은 이론적 접근법에 대해서는 다양한 선행 연구들이 있으며, 이 중에서 본 논문과 직접 관련되는 실험적 연구에 초점을 두어 정리하면 다음과 같다. Hirano et al. (1980) 는 규칙파 중 RoRo 선박의 자유항주 선회 모형시험을 수행하였으며, Hirayama and Kim (1994) 은 탱커선 모형의 장파정 및 단파정 불규칙파 중 지그재그 시험을 실시한 바 있다. Ueno et al. (2003) 은 규칙파 중에서 탱커선형의 표준 조종 모형시험을 수행하고 특히 선회 궤적의 밀림거리 및 각도 정의에 대하여 논하였다. Yasukawa (2006; 2008) 연구에서도 컨테이너선 모형의 자유항주 선회, 지그재그 및 정지시험을 수행하고, 정수 중 조종운동 모델 외력에 파표류력 성분을 추가한 시뮬레이션을 병행하였다. 이후 Yasukawa et al. (2015) 에서 KVLCC2 탱커를 대상으로 불규칙파 중 모형시험 및 시뮬레이션의 후속 연구가 수행된 바 있다. Sanada et al. (2013; 2018) 는 ONR tumblehome 함정에 대한 자유항주 시스템을 구성하고 규칙파 중 직진, 선회, 지그재그 모형시험을 실시하였다. Sprenger et al. (2017), Shigunov et al. (2018) 는 황천 중 선박 조종 및 추진출력 성능에 초점을 둔 EU SHOPERA 프로젝트에서 DTC 컨테이너선, KVLCC2 탱커의 기관 별 벤치마크 모형시험 및 수치계산 결과를 비교, 분석하였다. 그리고 최근 Kim et al. (2019; 2022)에서 KVLCC2 탱커의 규칙파, 불규칙파 중 선회성능, 그리고 Kim et al. (2020)에서 KCS 컨테이너선의 규칙파 중 초기선회성능에 초점을 둔 자유항주시험이 수행되었다. Rabliås and Kristiansen (2022) 는 DTC 컨테이너선의 규칙파 중 자유항주 조종시험 및 수치시뮬레이션을 비교하였다. Suzuki et al. (2020; 2023) 는 파도 중 모형선 조종 및 추진성능의 실선 확장을 시도하고 특히 단파장에서의 침로유지 상황을 모형시험 및 시뮬레이션으로 다룬 바 있다.

본 연구에서는 공개 벌크선형인 KSUPRAMAX 선형을 대상으로 IMO 최소추진출력 잠정지침 내에 정의된 황천 불규칙파 조건을 해양공학수조에서 재현하고, 자유항주 모형시험을 통하여 파도 중 조종성능을 분석하였다. 단, 수조의 제한된 영역 내에서 황천 불규칙파 중의 조종성능을 통계적으로 도출하려면 많은 반복시험이 필요하다. 불규칙파는 매 순간 조우 파도 시계열이 변화하므로 직진 이외의 지그재그 등 조타 시나리오가 있을 경우 조타 시점에 따라 오버슈트각 등 성능 지수들의 편차가 매우 커질 수 있다. 이와 같이 불규칙파 중 조종 상황은 파도와 조타시점의 임의성이 합쳐져서 결과의 편차가 커지며 통계 해석에 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 불규칙파 중 조종성능을 유사하게 재현할 수 있는 대응 규칙파를 탐색하였다. 먼저 대상선의 설계속도 부근에서 불규칙파 중 선회시험을 반복하였다. 초기 직진속도, 선회궤적 밀림이 해당 불규칙파 중의 전후동요 방향 부가저항과 좌우, 선수동요 방향 파표류력을 대표하는 값으로 판단하여 두 결과를 모두 유사하게 재현할 수 있는 규칙파를 탐색하였다. 그리고 황천 중 실선은 주로 저속에서 운항됨을 고려하여, 불규칙파와 대응 규칙파 중에서 저속 영역의 파향 별 침로유지시험을 수행하였다. 불규칙파 중 침로유지 궤적과 더불어 중립타각, 선체 편류각, 선속의 시간 평균값이 대응 규칙파 중에서 유사하게 재현될 수 있음을 확인하였다.

대상선은 KSUPRAMAX 벌크선이며, 실선을 1/64 축소한 모형선으로 자유항주시험을 수행하였다. 실선, 모형선 제원 및 자유항주 모형선 사진을 각각 Table 1, Fig. 1에 나타내었다. 설계 실선의 GM은 8.586m 이나 모형선 장비 밸러스팅 과정에서 KG가 초기 설계값 대비 50% 증가하고, 그에 따라 GM은 감소하였다. 모형선 GM 0.080m 을 실선 스케일로 환산하면 5.129m이다.

Fig. 1 
KSUPRAMAX model ship

선박해양플랜트연구소 해양공학수조 (길이 56m × 폭 30m × 깊이 4.5m) 에서 자유항주 모형시험을 수행하였으며, Fig. 2와 같다. 전차를 운용하지 않고 육상에서 모형선 PC에 원격 접속하여 모형선을 제어하며, 자이로, 경사계, 추력 및 조타 제어기, 무선모뎀 등이 선내에 탑재된다. 실내 환경이므로 GPS 대신 모형선 갑판에 고정된 프리즘을 레이저 추적하는 방식으로 모형선 위치를 실시간 추적, 기록하였다. 시스템 구성은 Yun et al. (2015) 및 Kim et al. (2019) 에 소개된 바 있다. 단, 선행 연구에 비하여 모형선 갑판의 위치 추적용 프리즘 타겟을 2개에서 3개로 늘려서 모형선 3차원 변위를 계측할 수 있도록 시스템을 개선하였다.

Fig. 2 
Free-running test in KRISO Ocean Engineering Basin

제 76차 MEPC 회의를 통하여 최소추진출력 잠정 지침 내 정의된 황천 조건은 Table 2와 같다.

Table 2에 따라 황천 불규칙파 조건을 Table 3과 같이 설정하였다. 본 시험에서 바람은 생성하지 않았으며, 평균풍속 19.0 m/s 바람이 추가될 경우 동일 전진속도를 유지하기 위한 모형선 자항점은 본 시험 값보다 다소 높아질 것임을 밝혀둔다.

자유항주 모형시험 조건은 Tables 4~6 과 같다. Table 4와 같이 정수 중 실선 설계속도 14.5 knots 에 대응하는 모형선 자항점 19.0 RPS를 고정하고, 장파정 불규칙파 중에서 35° 좌현선회를 총 5회 반복하였다. 그리고 Table 5처럼 규칙파 조건을 총 8가지로 변경하면서 35° 좌현선회 시험을 하고, 불규칙파 중의 초기 직진속도 및 선회궤적 밀림을 유사하게 재현하는 규칙파를 탐색하였다. 최종 선택된 규칙파와 불규칙파 중 파향 별 저속 직진시험을 수행하였고, Table 6과 같다.

불규칙파 중 파향 별 저속 침로유지성능이 대응 규칙파 중에서 잘 재현되는가 확인하기 위하여, 목표 선수각을 0°(선수파 조우)부터 –180°(선미파 조우)까지 30° 간격으로 변경하면서 침로유지시험을 수행하였다. 모형 프로펠러 자항점은 8.0 RPS로 고정하였으며 이는 정수 중 실선 속도 5.2 knots 에 대응하고, 선수파 중에서 약 2.5 knots로 감소한다. 타각 δ는 식 (1)과 같이 목표 선수각 ψ_d를 추종하는 PD제어로 작동하였고, 비례 및 미분제어 게인 P, D 는 각각 9 °/°, 6 °/(°/s) 로 하였다.

Figs. 8, 9는 불규칙파 및 대응 규칙파 중에서 실선 기준 320초 (모형선 기준 40초) 동안의 파향 별 직진 궤적이다.

Fig. 8 
Straight-run trajectories in irregular waves

Fig. 9 
Straight-run trajectories in regular waves (REG07)

Figs. 10, 11은 각각 불규칙파 및 대응 규칙파 중에서 목표 선수각 별 중립타각 평균값이다. 그리고 Fig. 12, 13은 선체 편류각, Fig. 14, 15는 전진속도이다. 선수사파 중 중립타각 등에 일부 차이는 있지만, 전체적으로 불규칙파 중에서의 각 파향 별 침로유지 궤적 및 중립타각, 편류각, 선속 등 주요 성능을 대응하는 규칙파 중에서 유사하게 재현 가능한 것으로 판단된다.

Fig. 10 
Check helms in irregular waves

Fig. 11 
Check helms in regular waves (REG07)

Fig. 12 
Drift angles in irregular waves

Fig. 13 
Drift angles in regular waves (REG07)

Fig. 14 
Ship speeds in irregular waves

Fig. 15 
Ship speeds in regular waves (REG07)

본 연구에서는 KSUPRAMAX 공개 벌크선형의 1/64 축소 자유항주모형시험을 수행하고, 불규칙파와 규칙파 중에서 설계속도 부근의 직진, 선회성능 및 저속 영역의 파향 별 침로유지성능을 확인하였다. 주요 결론은 다음과 같다.

• • 정수 중 실선 설계속도에 대응하는 모형선 자항점 19.0 RPS 로 황천 불규칙파 중 선회시험을 반복하고 초기 직진속도, 궤적밀림의 평균 및 표준편차를 도출하였다.
• • 불규칙파와 파 에너지 플럭스가 동일하도록 파고는 불규칙파 유의파고/2, 주기는 불규칙파 에너지주기로 하여 규칙파를 생성하였다. 해당 규칙파 중 선회궤적 밀림거리는 불규칙파 중 결과와 유사하나, 초기 전진속도는 다소 낮다. 이는 파도 중 선체의 상대운동의 차이 때문으로 추정된다.
• • 초기 전진속도와 선회궤적 밀림거리가 모두 불규칙파 중 결과와 유사한 규칙파를 재탐색하였다. 불규칙파와 에너지 플럭스가 동일한 규칙파 기준으로 파 기울기는 유지, 파고와 파장을 10% 감소시킨 경우 초기 전진속도와 선회궤적 밀림거리 모두 유사하게 재현되었다.
• • 불규칙파 및 탐색된 대응 규칙파 중에서 각각 자항점 8.0 RPS 조건의 파향 별 저속 침로유지시험을 수행하고, 직진 궤적과 중립타각, 편류각, 선속의 시간 평균값이 전체적으로 유사함을 확인하였다.