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1 한국해양공학회지제 30 권제 5 호, pp , 2016 년 10 월 / ISSN(print) / ISSN(online) Original Research Article Journal of Ocean Engineering and Technology 30(5), October, Explorations of Hydrothermal Vents in Southern Mariana Arc Submarine Volcanoes using ROV Hemire Pan-Mook Lee *, Bong-Huan Jun *, Hyuk Baek *, Banghyun Kim *, Hyungwon Shim *, Jin-Yeong Park *, Seong-Yeol Yoo *, Woo-Young Jeong *, Sehun Baek * and Woong-Seo Kim ** * Korea Research Institute of Ships & Ocean Engineering, Marine Robotics Laboratory, Daejeon, Korea ** Korea Institute of Ocean Science and Technology, Deep-sea and Seabed Mineral Resources Research Center, Ansan, Korea 심해무인잠수정해미래를이용한남마리아나아크해저화산열수분출공탐사 이판묵 * 전봉환 * 백혁 * 김방현 * 심형원 * 박진영 * 유승열 * 정우영 * 백세훈 * 김웅서 ** * 선박해양플랜트연구소수중로봇연구실 ** 한국해양과학기술원심해저광물자원연구센터 KEY WORDS: Deep-sea ROV 심해원격조종무인잠수정, Seabed exploration 해저탐사, Mariana Arc submarine volcanoes 마리아나아크해저화산, Hydrothermal vent 열수분출공, Hemire 해미래 ABSTRACT: This paper presents the explorations of hydrothermal vents located in the Marina Arc and Back Arc Basin using the deep-sea ROV Hemire. These explorations were conducted by KRISO and KIOST to demonstrate the capability of Hemire in various applications for deep-sea scientific research. The missions included the following: (1) to search the reported vents, (2) conduct visual inspections, (3) deploy/recover a sediment trap and bait traps, (4) sample sediment/water/rock, (5) measure the magnetic field at the vent site, and (6) acquire a detailed map using multi-beam sonar near the bottom. We installed three HD cameras for precise visual inspection, a high-temperature thermometer, a three-component magnetometer, and a multi-beam sonar to acquire details of the bottom contour or identify vents in the survey area. The explorations were performed in an expedition from March 23 to April 5, 2016, and the missions were successfully completed. This paper discusses the operational process, navigation, and control of Hemire, as well as the exploration results. 1. 서론심해무인잠수정해미래는 6,000m급 ROV(Remotely operated vehicle) 이며해양수산부의지원으로수행된연구사업의결과물로써 2007년개발됐다 (Lee., 2007). 이사업의 2단계연구로 2007년부터 2012년까지해미래를이용한활용연구가진행됐다 (Lee, 2012). 해미래를이용한동해탐사는지금까지 7회수행됐으며, 2015년 6월에는 15일탐사일정으로동해의관심해역 8개지점에대해심해퇴적물채집, 생물채집, 심해생태계관찰및심해저환경모니터링등을수행했다 (Kim et al., 2015a). 해미래는 2014년과 2015년성능개량이이루어졌다. 아날로그타입의영상시스템은디지털타입의 HD 카메라시스템으로개 선됐다 (Beak et al, 2014; Baek et al., 2015). 기존에개발자위주로되어있는사용자인터페이스구조 (Lee et al., 2007) 를운용자중심으로대체하여, 클라이언트-서버구조로개편했다 (Kim et al., 2014). 심해탐사를위한다양한임무요구에효과적으로대응하기위해하드웨어와소프트웨어측면에서장치확장성을확보하는연구가수행됐다 (Kim et al., 2015b). 2015년수행된동해탐사는대상해역이여러곳이지만왕돌초협곡을제외한대부분의지역이평평하고완만한경사를갖는다. 심해화산과같이지형변화가심한급경사지역을대상으로해미래의탐사성능을검증할필요가있었고, 이에따라 2016년에는지형변화가심한해저화산탐사를결정했다. 대상해역은연구가활발히진행되었던남마리아나아크해저화산지역으로 Received 20 July 2016, revised 12 September 2016, accepted 7 October 2016 Corresponding author Pan-Mook Lee: , pmlee@kriso.re.kr c 2016, The Korean Society of Ocean Engineers It is noted that this paper is revised edition based on the proceedings of the Korean Marine Robot Technology Society 2016 spring conference 389

파일럿이 작업하는 중에도 과학자가 자유롭게 해저를 관측하 는 것과 수중작업 효율성 제고를 위해 HD 카메라 2대를 추가 제작했다. 제작된 카메라는 HD 칼라 카메라 모듈을 내압하우 징에 탑재하고, 이더넷 광변환기를 이용해 선상제어실과 통신 한다(Beak et al, 2014; Baek et al., 2015).

2 390 Pan-Mook Lee et al. 열수생물 채집을 위한 미끼어망 설치 및 회수 열수분출입자 포집을 위한 침전물포집장치 설치 및 회수 열수분출공 주변 퇴적물 샘플링(푸시코어링, 스쿠핑) 열수분출공 수온측정, 해수 채수 및 암석 샘플링 해저화산 주변 지자기 측정, 정밀 지형측정 이 임무 수행을 위해 HD 카메라 채널 확장과 함께 이더넷 기 반의 계측장치 인터페이스를 위하여 통신계통을 개선했다. 파일럿이 작업하는 중에도 과학자가 자유롭게 해저를 관측하 는 것과 수중작업 효율성 제고를 위해 HD 카메라 2대를 추가 제작했다. 제작된 카메라는 HD 칼라 카메라 모듈을 내압하우 징에 탑재하고, 이더넷 광변환기를 이용해 선상제어실과 통신 한다(Beak et al, 2014; Baek et al., 2015). 카메라 전용 내압용기 를 별도 제작해 모든 카메라 신호는 전용용기와 내압용기의 이 더넷 스위치를 통해 선상으로 전송된다. Fig. 2는 카메라 시스템 Fig. 1 Location map of ROV survey for seafloor hydrothermal vents (indicated by red box). 선정했으며, 해미래의 탐사성능을 검증하고 보완하기 위한 목 적으로 열수분출공 정밀탐사가 추진됐다. 탐사대상해역은 1,500m 수심의 해저화산과 3,000m 수심의 Archaean 열수분출공 지역으로 선정됐다. 이곳은 서태 평양 미국령 괌에서 서쪽 km에 위치한 마리아나 열도 및 후열도 확장대(Fig. 1 참조)이며, 열도화산작용에 의해 생성된 열수공이 열수를 분출하고 있는 것으로 보고되어 있다(Embley et al., 2004; Baker et al., 2005; Embley et al., 2007). 해미래의 해저화산 탐사작업은 열수공 수색, 영상관측 및 주변해역에서 의 해양과학 데이터 취득을 목적으로 한다. 이를 위하여 의 네트워크 연동을 나타낸다. 파일럿과 과학자 카메라(HD Cam 1, 2)는 각각 P/T(팬/틸트)장치로 조정할 수 있고, 수직카 메라(HD Cam 3)는 램프프레임에 고정했다. 300 이상의 열수 온도측정을 위해서는, 고온센서를 로봇팔 로 집어 2m 이상 떨어진 거리의 열수 온도를 측정할 수 있어야 한다. 본 논문에서는 이를 위하여 전용 고온센서를 개발했다. 온 도센서는 백금 RTD(Resistance temperature detector) 프로브와 변환기(Muesen Technik, HART MTS885; 범위: -200~600 )를 이용하고 독립 내압용기에 통신변환기를 내장해 제작했다. 스프 링 형태로 제작된 수중 케이블이 경통형 보호관에 고무줄로 당 겨들어 가는 구조의 열수온도측정용 센서를 개발했다. Fig. 3은 해미래 툴슬레드(Tool-sled)에 설치된 고온센서를 보인다. 침전물포집장치는 한국해양과학기술원이 보유한 시계열 퇴적 물 포집장치(McLane Parflux Mark8 3; 높이 116cm, 폭 66cm, CTD(Conductivity, temperature and depth) 센서, CO2-CH4(이 산화탄소-메탄) 센서를 활용한 해양물리자료 획득, 푸시코어 (Push core), 스쿠프(Scoop), 채수장치(Niskin bottle), 미끼어망 (bait trap) 등을 활용한 지질 생물시료 획득, 열수공으로부터 분출되는 입자플럭스 측정을 위한 침전물포집장치(Sediment trap)의 설치 회수, 해저면 근접 정밀 지형 측정 및 해저화산 주변의 지자기 측정 시험 등을 포함한다. 마리아나 해역 열수탐사는 2016년 3월 23일부터 4월 5일까지 14일 일정으로 수행됐고, 이 탐사를 통해 심해무인잠수정 해미래 의 열수분출공 탐사 기능을 확인할 수 있다. 본 논문은 2장에 열수 탐사를 위한 해미래의 HD 카메라 시스템 확장, 열수계측센서 및 기타 탐사장비 인터페이스에 대해 설명하고, 3장에 열수탐사를 위 한 잠수정 운용 프로세스, 임무에 따른 제어 절차, 데이터 분석 및 탐사결과를 기술하고, 마지막 장에 결론을 정리했다. 2. 해미래의 성능개량 및 장비 인터페이스 마리아나 열수해역 탐사를 위한 해미래 임무는 다음과 같다. 열수분출공 수색, 영상자료 취득 및 주변 해저관찰 Fig. 2 Network and interface of the equipment of Hemire for the hydrothermal vent exploration (the red blocks are added).

Explorations of Hydrothermal Vents in Southern Mariana Arc Submarine Volcanoes using ROV Hemire 391 봉종단에설치했다. 자력계는해미래상단으로부터 1.63m 돌출됐으며, Fig. 4에서설치상태를볼수있다.

M3 소나는 MBS 모드로운용되며 (Dive-01~05), 지형변화가심해곳에설치된미끼어망회수시작업을지원하거나흑연열수수색시보조정보로사용할경우에는 AC 모드로운용됐다 (Dive-06~09). 3. 남마리아나해저화산및확장대열수탐사 Fig. 3 Extractable high-temperature thermometer.

3 Explorations of Hydrothermal Vents in Southern Mariana Arc Submarine Volcanoes using ROV Hemire 391 봉종단에설치했다. 자력계는해미래상단으로부터 1.63m 돌출됐으며, Fig. 4에서설치상태를볼수있다. 불규칙한지형특성을갖는해저화산지역에서정밀작업을위해 M3 소나 (Kongsberg Mesotech; 멀티빔소나 (MBS, Multi-Beam Sonar) 모드또는초음파카메라 (AC, Acoustic Camera) 모드운용 ) 를추가탑재했다. M3 소나는비디오제어캐니스터를통해연결되어이더넷으로통신되며, Fig. 2에연동체계가나타나있다. M3 소나는 MBS 모드로운용되며 (Dive-01~05), 지형변화가심해곳에설치된미끼어망회수시작업을지원하거나흑연열수수색시보조정보로사용할경우에는 AC 모드로운용됐다 (Dive-06~09). 3. 남마리아나해저화산및확장대열수탐사 Fig. 3 Extractable high-temperature thermometer. 마리아나해저화산및후열도확장대탐사를위한지역은당초포케스트 () 해저화산, Seamount X, 남마리아나후열도확장대 (Archaean vent site) 등열수활동이알려진세곳이었으나, 탐사를진행하면서두지역에집중했다. 포케스트해저화산 : E, N 남마리아나후열도확장대 : E, N 해미래는과학잠항 9회및기술잠항 1회를포함하여총 10회잠항했다. 탐사진행중관심사항이변경됨에따라잠항임무가수정됐으며, 잠항내용과일정은해상조건과잠수정상태에따라수시로조정됐다. 마리아나열수지역탐사를위한해미래의잠항기록을 Table 1에요약했다. 3.1 포케스트해저화산열수분출공탐사포케스트해저화산은마리아나해저화산대남단에위치하고, 수심 1450m인정상부에는 5개의열수분출공이보고되어있다 (Embley, 2006). 이중에서 3개열수분출공을정상부에서찾아탐사를수행했고, 3개열수분출공의위치는다음과같다. Fig. 4 Hemire ROV equipped with the sampling devices for Dive-04. 포집표면적 0.25m 2, 중량공기중 42kg, 수중 18kg) 를이용했다. 이포집장치는해류에밀리거나쓰러지는것을방지하기위하여발라스트웨이트를하부프레임에부착했고, 중간에손잡이를장착해공기중중량이약 60kg( 수중약 33kg) 에이른다. 해저설치 회수방법은포집장치를해미래툴슬레드에적재해해저로보내고로봇팔을이용해지정위치에설치 회수하는것으로정했다. Fig. 4는침전물포집장치설치를위한잠항인 Dive-04 의계측 샘플링장비탑재상태를보인다. 해저화산지역의지자기계측을위하여해미래에자력계를추가장착했다. 지자기센서는 3성분디지털자력계 (Honeywell HMR2300; ±1G 범위에서정확도 <0.5 FS, ±2G 범위에서해상도 70μG, 10~154 sps, RS232) 이다. 자력계는잠수정자체의자기장영향을최소화하도록긴봉을램프프레임에고정시키고 Vent 1 : N, E Vent 2 : N, E Vent 3 : N, E 탐사에앞서온누리호멀티빔소나를이용하여포케스트해저화산지형도를제작했고 (Fig. 5 참조 ), 이를기준으로모선, 해미래, 해누비디프레서 (Lee, 2007) 각각의수중위치를모니터링하며해미래시스템을통제했다. 목표수심이약 1,500m이므로해미래잠항속도를고려하여목표점으로부터약 1km 떨어진위치에서잠수정을진수시키고, 목표점방향으로 0.5노트 (0.257m/s) 이하선속으로예인하며잠항했다. 잠항시에윈치케이블페이아웃 (Pay-out) 속도가 20m/min 을넘는경우에해누비상하운동이과도해져 A프레임의케이블시브 (Sheave) 가점핑하는현상이종종발생했다. 따라서잠항속도는 20m/min 을넘지않게운용했다. 한편부상속도는잠항속도보다높아도점핑현상이없으므로윈치케이블홀인 (Haul-in) 속도는 20~40m/min 범위에서유지했다. 해미래가고도 50m에도달하면탐사모드로전환했고, 목표점

4 392 Pan-Mook Lee et al. Table 1. Dive summary of Mariana explorations of Hemire. Dive No. Dive-01 Dive-02 Dive-03 Dive-04 Dive-05 Dive-06 Dive-07 Dive-08 Dive-09 Station/ Target volcano volcano volcano volcano volcano Archean vent site Mission - Search for hydrothermal vent and visual inspection - Biological sampling at vent 2 & 3 - Searching for possible sediment trap site - Bait trap installation - recovery of two bait traps at Dive-02 - Water sampling, rock sampling - Sediment trap install., water sampling, coring /scooping at the same location - Magnetic and multi-beam survey on summit region - Install bait trap at vent 3 - Recovery of bait trap at dive03 - Water/rock sampling - Visual inspection of hydrothermal vents at Archean - Water sampling Scientific Equipment PC(6), SC, HN, SB, HTP, CTD, CO2, MBS, MAG PC(2), BT(2), SC; SB, CTD, CO2, MBS, MAG PC(2), BT, NB, CTD, CO2, MBS, MAG ST, PC(2), NB, SC, SB CTD, CO2, MBS, MAG BT, NB(2), CTD, CO2, MBS, MAG NB, SB, CTD, CO2, MBS (AC) Vent 3 - Recovery of sediment trap CTD, CO2, MBS (AC) Vent 3 - Recovery of two bait traps CTD, CO2, MBS (AC) Archean vent site - Visual inspection of hydrothermal vents at Archaean CTD, CO2, MBS (AC) Date Deploy/ Recovery Time On/Off Bottom Observation :11/17:24 12:20/16:00 3h 40m :22/15:59 11:00/14:22 3h 22m :10/15:37 12:08/14:05 1h 57m :07/19:35 12:57/18:03 5h 06m :12/17:35 15:25/16:25 1h 00m :40/13: :53/14:29 12:44/13:13 0h 28m :01/19:53 17:51/19:03 1h 12m :55/17:50 13:49/15:34 1h 45m AC: acoustic camera, CTD: conductivity temperature depth, BT: bait trap, HN: hand net, HTP: high temperature probe, MAG: magnetometer, MBS: Multi-Beam Sonar, PC: piston corer, SB: sample box, SC: scoop. ST: sediment trap, NB: Niskin bottle Fig. 5 Bathymetry map of the volcano. 200m 전방지점부터해미래고도를 10m 이내로낮추어포케스트화산을관측했다. 위치측정은 USBL(Ultra short baseline) 과관성항법시스템을이용했다. USBL 은리스폰더모드를이용했으며, 신호수신상태에따라트랜스폰더모드로전환하여운용했다. 4초또는 6초마다위치정보가업데이트됐다. 해미래통합제어는관성항법시스템정보를사용했고, USBL 과의위치바이어스오차가커지면 USBL 신호로위치를보정하는방식으로운용했다. HD 카메라영상에는관성항법시스템위치정보가기록된다. Fig. 6은 Dive-01 에서 USBL로계측된해미래및해누비디프레서의 X-Y평면궤적을나타낸다. 그림은 USBL 아웃라이어를제거한상태이나, 아웃라이어는 Dive-01 탐사 3시간 40분동안 6회발생할정도로거의일어나지않았고, 위치오차는표준편차로 4~5m이다. 그림에서 USBL 신호의빈도가높은지역은열수분출공이발견된곳으로써해미래가체류하는시간이긴지점이다. 탐사전반기에 ROV가목표지점에도달했으나, 모선이목표궤적추적에어려움이있어풍향을고려하여모선방향을변경했

5 Explorations of Hydrothermal Vents in Southern Mariana Arc Submarine Volcanoes using ROV Hemire 393 Fig. 6 X-Y trajectory of Hemire and Henuvy in Dive-01. 다. 모선이변침하면서해누비가서쪽으로드리프트했고, ROV 는해누비를따라이동하며대기했었다. 그림에서상단좌측타원형궤적은열수분출공에서서쪽으로벗어난잠수정위치를나나낸다. 탐사후반기에잠수정은남쪽방향으로약 200m 내려오면서포케스트정상부를관찰했고다시북상하며관찰했다. Fig. 7은 Dive-01 에서의해미래운항정보및과학센서계측데이터세트를나타낸다. 수심신호중에서 USBL 수심은해저탐사시간동안 6회의아웃라이어가있었음을알수있다. 고도신호는피크형태로 0 의값을보이는부정확한계측이위치에따라빈번하게발생했다. 해저정상부는경사도가매우심하고지역에따라수직절벽이존재한다. 이런지역에서는반사파의영향및 DVL(Doppler velocity log) 빔수신이불가능한경우가발생하여속도와고도계측이부정확했다. 이때얻어진 DVL 속도신호는신뢰할수없는값이며, 속도정보를이용하는수중관성항법은오차가점차누적된다. 따라서해미래는탐사중심도제어와헤딩제어만을이용했고, USBL 과관성항법오차가 20m 에이르거나해미래가정지상태일때에 USBL 신호로수평면위치를리셋했다. 해미래는열수분출공이있는곳에서정밀관측을위하여경사진바위언덕에툴슬레드앞부분을걸치고작업했다. 이상태에서해미래툴슬레드부분은바위언덕에고정되나, 몸체는공중에떠있으므로좌우또는상하로서서히흔들렸다. 이상태 (Fig. 7의 6,500초구간과 8,000초구간 ) 에서는롤 (Roll) 또는피치 (Pitch) 가옵셋값을갖는데, 이는해미래가선수를경사진바위에걸치고수직추진기로누르는힘을주면서주추진기로전 진방향힘을주고있으므로, 해미래온도, 전도도, 염도및 CO 2 센서의분압을나타낸다. 열수가분출되는지역에서온도와전도도가올라가며, 염도가변동했다. CO 2 분압도열수분출공지역에서변동하는것을알수있다. Fig. 8은 Dive-01, 02, 03에서온도변화가있는곳을표시한그림으로써, Vent 3 부근의해수온도가높게나온것을알수있다. 포케스트해저화산열수분출공탐사를위한잠항은총 7회실시됐다. Fig. 9는 Dive-01~08 각각에대하여해미래의수평면궤적을나타낸다. 해미래은 Vent 1, 2, 3을관측했고, 특히 Vent 2와 3를정밀조사했으므로 Fig. 7 Hemire status and measurements in Dive-01: (1) depth, altitude, (2) velocities Vx, Vy, Vz, (3) roll, pitch, yaw, (4) CTD (Temp. Cond. Sali.), CO2.

394 Pan-Mook Lee et al. Fig. 8 Temperature variation map near the vents area. Fig. 9 ROV tracks for hydrothermal vents on summit area of the volcano.

관찰된열수분출공은투명한열수를분출하고있으며, 열수공침니에는생태계가형성되어많은수의눈먼게, 장님새우및심해달팽이가관측됐다 (Fig. 10 상 & 중참조 ). 이주변에는활동을멈춘침니 (Dead chimney) 가산재해있다 (Fig.

영상관측을위해해미래가이동중에, 로봇팔로핸드네트를꺼내들어부유플랑크톤을채집했다. 이채집실험에서, 해미래는 20분동안약 250m 거리를이동했고 (Fig. 11 하 ), 평균이동속도는 0.4노트였다.

10 (top/mid) Vent 3 and vent community, (bottom) temperature measure with pyrometer. 파악할수있었다 ( 열수공주변열수온도가 20~30 로측정됨 ).

열수탐사에서미끼어망설치및회수, 푸시코어와스쿠프를이용한해저퇴적물채집, 채수장치를이용한해수샘플링, 열수온도측정, 암석채집등모든샘플링작업은로봇팔을이용했다.

6 394 Pan-Mook Lee et al. Fig. 8 Temperature variation map near the vents area. Fig. 9 ROV tracks for hydrothermal vents on summit area of the volcano. 위치신호가이부근에밀집되어해미래가장시간체류했음을보인다. Dive-01 에서는해저화산정상부에서열수분출공을탐지하는임무를수행했다. 해미래가남쪽으로이동하면서부유입자밀도가증가하는것을관측했고, 최종적으로열수분출공 Vent 3 가확인됐다. 관찰된열수분출공은투명한열수를분출하고있으며, 열수공침니에는생태계가형성되어많은수의눈먼게, 장님새우및심해달팽이가관측됐다 (Fig. 10 상 & 중참조 ). 이주변에는활동을멈춘침니 (Dead chimney) 가산재해있다 (Fig. 11 상 ). Vent 1 지역은주로규모가작은분출공이분포하고, Vent 2는 Vent 1과 Vent 3의중간규모이다. 정상부남쪽에서는많은개체의심해산호군락이형성되어있음을확인했다 (Fig. 11 중 ). 영상관측을위해해미래가이동중에, 로봇팔로핸드네트를꺼내들어부유플랑크톤을채집했다. 이채집실험에서, 해미래는 20분동안약 250m 거리를이동했고 (Fig. 11 하 ), 평균이동속도는 0.4노트였다. Vent 3를대상으로열수온도를측정했다 (Fig. 10 하 ). 고온센서를열수분출공의중심에안정적으로유지하는것이여의치않아수온측정이정확하지않았으나, 온도가올라가는경향은 Fig. 10 (top/mid) Vent 3 and vent community, (bottom) temperature measure with pyrometer. 파악할수있었다 ( 열수공주변열수온도가 20~30 로측정됨 ). 열수공에서분출하는열수온도를정확하게측정하기위해서는분출공의작은틈으로센서를삽입할수있도록로봇팔조작에능숙해야한다. 수중 3차원공간에서작업을정확히수행하는조종훈련이필요하며, 센서프로브를보다길게 ( 깊게 ) 만드는것이요구된다. 열수탐사에서미끼어망설치및회수, 푸시코어와스쿠프를이용한해저퇴적물채집, 채수장치를이용한해수샘플링, 열수온도측정, 암석채집등모든샘플링작업은로봇팔을이용했다. 해미래는로봇팔을이용하여미끼어망을 Vent 2와 Vent 3 지역에각각 2개씩설치했다. 미끼어망을설치한후 1일 ~3일경과후회수했으며, 눈먼게, 새우붙이, 장어등의생물이채집됐다. 처음제작된미끼어망은그물망이성긴것으로써회수과정에서대부분의심해생물들이빠져나가는것이목격됐다. 미끼어망에조밀한망을추가했고, 보완조치이후에는많은개체를채집할수있었다. Fig. 12( 상 ) 은조밀한망을갖는사각형미끼어망에많은수의생명체가잡혀있는것을보인다. 이트랩에열수생명체가

Explorations of Hydrothermal Vents in Southern Mariana Arc Submarine Volcanoes using ROV Hemire

포케스트 해저화산의 열수분출공에서 유출되는 입자플럭스를 측정하기 위하여 침전물포집장치를 설치했다.

설치순서는 포집장치를 우측 로봇팔로 들고, 이 상 태에서 툴슬레드를 끌어들이고, 경사진 해저 퇴적토 중에서 설 치하기에 가장 적합한 지점으로 로봇팔을 길게 뻗어 포집장치를

Vent 3으로부터 동남동 방향으로 약 50m 떨어진 완만한 경사면에 해미래를 착지하고 침전물포집장치를 설치했다. Fig.

13 하), 시료 바구 니를 밀어내었다. 이때 수직 카메라와 파일럿 카메라를 이용하 여 시료바구니와 포집장치의 간섭을 확인하며 작업을 수행했다.

해미래가 수면 근처 (약 100m)에 도달했을 때 유압시스템을 다시 작동하여, 포집장 치를 잡고 있는 그래버에 유압을 가했다. 전원이 차단될 경우 그래버는 유압이 빠진다.

chimneys, (mid) Deep-sea corals, (bottom) sampling zooplankton with hand-net. Fig.

7 Explorations of Hydrothermal Vents in Southern Mariana Arc Submarine Volcanoes using ROV Hemire 마리 채집됐다. 하단 그림은 성긴 망으로 만들어진 원통형 미 끼어망 회수장면이며, 큰 크기의 눈먼게만이 포획됐다. 포케스트 해저화산의 열수분출공에서 유출되는 입자플럭스를 측정하기 위하여 침전물포집장치를 설치했다. 퇴적물 포집장치 는 크기가 클 뿐만 아니라 중량이 무거운 편이므로 작업에 주의 가 필요했다. 설치순서는 포집장치를 우측 로봇팔로 들고, 이 상 태에서 툴슬레드를 끌어들이고, 경사진 해저 퇴적토 중에서 설 치하기에 가장 적합한 지점으로 로봇팔을 길게 뻗어 포집장치를 위치시키고, 포집장치를 수직방향으로 내려놓으면서, 지면에 닿 은 후에도 서서히 누르며 착지시켜 수직한 자세가 되도록 설치 했다. Vent 3으로부터 동남동 방향으로 약 50m 떨어진 완만한 경사면에 해미래를 착지하고 침전물포집장치를 설치했다. Fig. 13(상)은 Vent 3 근처에 설치된 퇴적물 포집장치를 나타낸다. 침전물포집장치 회수는 설치의 역순으로 수행했다. 우측 로봇 팔을 이용하여 포집장치를 들은 다음에(Fig. 13 하), 시료 바구 니를 밀어내었다. 이때 수직 카메라와 파일럿 카메라를 이용하 여 시료바구니와 포집장치의 간섭을 확인하며 작업을 수행했다. 툴슬레드가 충분히 빠져나온 후 포집장치를 틀슬레드 위에 올 려놓았다. 이후 양쪽 로봇팔로 포집장치를 붙잡은 상태에서 유 압 전원을 차단하고 해미래를 부상시킨다. 해미래가 수면 근처 (약 100m)에 도달했을 때 유압시스템을 다시 작동하여, 포집장 치를 잡고 있는 그래버에 유압을 가했다. 전원이 차단될 경우 그래버는 유압이 빠진다. 따라서 수면근처에서 파도운동에 의 해 침전물포집장치가 흔들려 불안정한 자세가 될 수 있으므로 Fig, 11 Visual inspection: (top) dead chimneys, (mid) Deep-sea corals, (bottom) sampling zooplankton with hand-net. Fig. 12 Bait trap recovery near Vent 3 of volcano: (top) Pilot view, (bottom) top view with vertical camera. 이를 방지하기 위한 조치이다. 해미래에 장착된 멀티빔소나와 3성분자력계를 이용하여 해저 면 근접 정밀지형조사 및 지자기 변화를 계측했다. 이 실험은 Fig. 13 (top) Sediment trap deployed at volcano, (bottom) recovery of the sediment trap 5 days later.

396 Pan-Mook Lee et al. 침전물포집장치 설치 임무를 완수한 이후 이어서 수행됐다. 해 저산 정상부 주능선 방향을 따라 약 150m 길이의 측선 2개와 이에 수직한 측선 1개를 설정하고, 이 측선을 따라 해미래가 이 동하며 3성분자력계와 멀티빔소나 신호를 취득하는 전략이다.

이 방법은 부력에 의한 외력을 순방향 보상함으로써 안정적 인 심도 제어를 구현할 수 있다. 수중부력이 변하는 경우에는 순방향 제어성분을 변경하는 것이 필요하다.

해미래가 해저화산 정상부에서 약 30m의 고도를 갖도록 1,418m 수심을 유지하게 제어했다. DP(Dynamic positioning)를 갖추지 못한 온누리호가 주어진 측선을 정확하게 추적하는 것은 어려운 작업이다.

8 396 Pan-Mook Lee et al. 침전물포집장치 설치 임무를 완수한 이후 이어서 수행됐다. 해 저산 정상부 주능선 방향을 따라 약 150m 길이의 측선 2개와 이에 수직한 측선 1개를 설정하고, 이 측선을 따라 해미래가 이 동하며 3성분자력계와 멀티빔소나 신호를 취득하는 전략이다. 한편, 앞서 언급한 바와 같이 침전물포집장치는 수중 무게가 약 33kg이므로, 해미래가 포집장치를 내려놓으면 부력이 33kg 증가 하게 된다. 한편, 해미래는 부력에 의한 정적하중을 순방향 궤환 (Feed forward)으로 보상하고 심도 오차를 PD제어하는 방식 depth con tr ol feed for war d 으로 심도제어기가 구성되었다. 이 방법은 부력에 의한 외력을 순방향 보상함으로써 안정적 인 심도 제어를 구현할 수 있다. 수중부력이 변하는 경우에는 순방향 제어성분을 변경하는 것이 필요하다. 본 연구에서는, 해 미래가 침전물포집장치를 설치한 이후, 수동제어 모드로 전환 하여 추진기를 수동으로 제어하며 심도를 유지하는 수직추진기 명령을 찾았으며, 이 값을 순방향 궤환 제어력으로 대체하고, 심도제어 모드로 전환하여 자동제어를 수행했다. 본 실험에서 해미래는 일정 수심을 유지하도록 심도제어를 수행하면서 궤적 을 추적했다. 해미래가 해저화산 정상부에서 약 30m의 고도를 갖도록 1,418m 수심을 유지하게 제어했다. DP(Dynamic positioning)를 갖추지 못한 온누리호가 주어진 측선을 정확하게 추적하는 것은 어려운 작업이다. 해미래가 궤 적을 따라 이동하기 위해서는 해누비가 함께 이동해야 하는데, 온누리호가 해누비를 정확한 궤적으로 이동하도록 예인하는 것 은 거의 불가능하다. 본 연구에서는 해누비가 측선을 개략적으 로 따라가도록 온누리호 항해사가 해누비 위치를 모니터링하면 서 모선을 수동으로 조종했고, 해누비가 이동하는 궤적을 따라 해미래를 조종하며 지자기를 측정했다. Fig. 14는 포케스트 해 저화산 주변의 지자기 측정을 위한 해미래의 이동궤적을 나타 낸다. 굵은 적색실선은 3개 측선을 따르는 해미래 궤적을 나타 낸다. DP 비장착 모선이 여러 개의 측선을 타기 위해서는 커다 란 선회반경이 필요했고 오랜 시간이 소요됐다. 비록 궤적은 곡 선이나 해미래의 위치, 운동과 자세 측정치를 이용하여 지자기 측정값을 보정할 수 있다. 지자기 측정결과는 한국해양연구원 Fig. 15 Sampling with the manipulator of Hemire (top) push coring, (mid) Scooping, (bottom) rock sampling 심해저광물자원연구센터에서 분석중이다. 그림에서 하단의 8 자 궤적은 지자기 센서의 캘리브레이션을 위한 것으로써 8자 궤적을 2회 반복하였다. 해누비 궤적이 직선이 아니었고, 해미 래의 궤적 또한 구부러진 궤적을 보이고 있다. 8자 궤적은 해미 래를 일정속도로 전진하면서 선수각을 일정한 속도로 변경하며 만들었다. 한편, 탐사지역은 지형이 심하게 경사지고 굴곡져 있어, 지형 특성상 M3 소나의 음향반사 신호에 손실과 왜곡이 많이 발생 했다. 또한 해저정밀지형 탐사가 주목적이 아니라 3성분 자력탐 사실험과 병행하여 계측해 얻어진 자료이기 때문에, 빔의 중첩 이 거의 이루어지지 않아서 포케스트 해저화산의 정밀 해저지 형도 작성에는 무리가 있었다. 멀티빔소나를 이용하여 해저지 형을 정밀하게 매핑하기 위해서는 보다 조밀한 간격으로 신호 를 계측할 필요가 있다. Fig. 14 Planar track of Dive-04 for multibeam survey and magnetic field measurement with magnetometer. 포케스트 화산 정상은 용암이 분출되어 지형변화가 매우 심 하여 퇴적물이 쌓인 곳을 찾기 쉽지 않았다. 침전물포집장치를

Explorations of Hydrothermal Vents in Southern Mariana Arc Submarine Volcanoes using ROV Hemire 397 설치한지점이퇴적물채집에가장유리한곳이므로, 포집장치를설치하고 2~3m 뒤로이동한지점에서푸시코어링과스쿠핑을실시했다.

니스킨보틀 (Niskin bottle) 을이용한채수는필요한지점에서로봇팔을이용하여채수기의트리거버튼을눌러취득했다. 3.2 알키안 (Archaean) 열수분출공탐사알키안열수분출공을탐사는 Dive-06과 Dive-09 2회시도됐다.

9 Explorations of Hydrothermal Vents in Southern Mariana Arc Submarine Volcanoes using ROV Hemire 397 설치한지점이퇴적물채집에가장유리한곳이므로, 포집장치를설치하고 2~3m 뒤로이동한지점에서푸시코어링과스쿠핑을실시했다. 화산지역에쌓인퇴적믈층이얕아푸시코어러를 10cm 이상누르면해미래본체가들렸다. 따라서퇴적물채집을위하여한지점에서푸시코어링을마치고수평으로이동해다시푸시하는과정을 5회반복해서코어링하여퇴적물을채집했다. 스쿠핑은해저면표층을따라스쿠프를훑으며뜨는방식으로수행했다. Fig. 15( 상 ) 과 ( 중 ) 은푸시코어링과스쿠핑장면을보인다. 니스킨보틀 (Niskin bottle) 을이용한채수는필요한지점에서로봇팔을이용하여채수기의트리거버튼을눌러취득했다. 3.2 알키안 (Archaean) 열수분출공탐사알키안열수분출공을탐사는 Dive-06과 Dive-09 2회시도됐다. Dive-06는잠항중해상상태악화로인하여모선에과도한피칭이발생했으며, 과도피칭이반복되면서 1차케이블터미네이터절연이손상되어탐사를중단하고해미래를회수했다. 터미네이터복구후, 탐사우선순위에따라포케스트해역의 Dive-07, 08을먼저실시하고이어서알키안열수탐사 Dive-09 을수행했다. 남마리아나트러프의확장축바깥쪽경사면에위치하는알키안열수분출공은약 3,000m 수심에분포하고, N, E 주변에존재하는것으로보고됐다. Dive-09에서는남북방향으로 200m 거리를갖는 2개의경유점을지정하고, 이중심으로부터약 2km 북쪽방향에서잠수정을진수하여 0.5노트이하로예인하며잠항했다. 수심 2,950m, 목표점 500m 북방지점부터해미래를탐사모드로전환했고, 남쪽으로이동하면서알키안열수지역해저를관측했다. Fig. 16은알키안열수지역을탐사한해미래의 USBL 궤적을나타낸다. 수심이포케스트지역보다깊어해미래가잠항할때모선과의이격거리가커지며 USBL의위치수신에아웃라이어가포케스트의경우보다는더자주발생했다. 해미래가해저면근처에이르러서는한동안블랙아웃현상이발생했다. 블랙아웃이발생하면해미래는관 Fig. 16 ROV tracks for hydrothermal vents on Archaean vent site in the southern Mariana Trough. Fig. 17 A crack of the rock of the Archaean vents area in the Southern Mariana Trough. 성항법시스템만을이용하여운항했으며, 유효한 USBL 신호가얻어지면이를이용하여위치를보정했다. 그림에서붉은선은해미래항법궤적, 파란선은 USBL 측정신호를나타낸다. 그림중앙의해미래항법궤적에아웃라이어가발생한것은 USBL 신호를이용한해미래항법위치보정에잘못된 USBL 신호가이용된까닭이다. 정상 USBL 신호를이용해보정한이후에는해미래궤적이정상으로돌아왔다. 탐사시작지점에는퇴적물이얇게덥힌화산암구조가관측됐으며, 지각확장에따른변형구조로보이는갈라진틈들이종종목격됐다. Fig. 17은알키안열수분추공을수색하며이동중에발견한지형으로서지각이갈라진모습을확인할수있었다. 이지역은삿갓형태의포케스트해저화산지역과는달리지각이갈라지면서협곡이만들어진형태의지형을보였다. 열수분출공을수색하며이동중에약 20m 높이언덕을수차례넘었다. 해저면암반위에는검회색의입자들이쌓여있었으며, 해수중부유물이다량존재하여열수활동이매우활발함을알수있었다. 잠수정이목표지역에접근함에따라열수공주변에서식하는것으로보이는생물들이보이기시작했고, 황색혹은흑색의퇴적물이관찰됐다. 이어서데드침니 (Dead chimney) 와데드침니가무너진것으로추정되는바위조각들이확인됐다. 녹황색퇴적물이흘러내린흔적이있는경사면을따라부상하자검은연기를활발하게분출하는흑연열수분출공 (Black smoker) 을발견했다. Fig. 18은알키안지역에서찾은흑연열수분출공의상단, 중앙, 기저부를나타낸다. 다수의침니가다발로뭉친흑연분출공높이는약 3~4m로추정된다. 열수공중심부는검은연기를맹렬하게분출하고있으며, 분출입자가넓은영역으로확산되는것을확인했다. 탐사를종료하고해미래가수상으로부상할때약 150m 이상고도까지상승한후에도검은연기가관측됐다. 해미래는열수분출공주위를상하-좌우로이동하며영상으로기록했으며, 열수공서식생명체, 지질및퇴적물에대한영상자료를취득했다. 알키안열수분출공해역도가파른경사면이불규칙적으로존재해고도변화가심한지역이므로, 고도신호및속도신호계측은측정불가한경우가포케스트지역에서와유사한수준으로발생했다. 알키안열수분출공탐사에서는별도의샘플링작업을수행하지않았다.

398 Pan-Mook Lee et al. 경우에 USBL 신호로항법시스템의위치를리셋했다. 향후 USBL 신호를항법시스템에융합하여안정한연속위치정보를제공하는복합항법기술개발이필요하다. 해미래를이용한첫심해열수탐사를통하여두지역에서서로다른열수분출공에대한영상자료를얻었고, 열수생태계정밀관찰, 생물 광물 퇴적물 해수시료취득등다양한성과를올렸다.

후 기 본논문은해양수산부에서지원하는 심해유무인잠수정기술개발및운용인프라구축 - 기술개발 과제로수행된연구결과의일부임을밝히며연구비지원에감사드립니다. 또한해미래의태평양열수해역탐사를위해 DP 미장착연구선인온누리호의위치를수동으로제어한온누리호강선규선장을비롯한승무원들께감사드립니다. References Fig.

이번탐사를통하여, 지형변화가심한해저화산지역에서열수분출공을수색하고, 침전물포집장치와미끼어망을설치하고회수하는임무등을성공적으로수행함으로써해미래의운항제어및탐사성능을입증했다. 또한열수측정을위한고온센서를개발했고, HD 카메라를 3채널로확대하여해미래를이용한심해탐사를효과적으로수행할수있는기반을만들었다.

10 398 Pan-Mook Lee et al. 경우에 USBL 신호로항법시스템의위치를리셋했다. 향후 USBL 신호를항법시스템에융합하여안정한연속위치정보를제공하는복합항법기술개발이필요하다. 해미래를이용한첫심해열수탐사를통하여두지역에서서로다른열수분출공에대한영상자료를얻었고, 열수생태계정밀관찰, 생물 광물 퇴적물 해수시료취득등다양한성과를올렸다. 이번탐사는우리나라잠수정과연구조사선으로우리나라과학자와공학자가협동하여열수분출공을성공적으로탐사했다는데에그의의가있다. 앞으로해미래의활용기회가확대될것으로예상되며, 이에대비해운용전담인력확보와유지관리인프라의조기구축이필요하다. 또한다양한심해탐사요구에대응하는기능확장과온누리호 이사부호등연구선특성에따른특화된운용방안이개발되어야한다. 후 기 본논문은해양수산부에서지원하는 심해유무인잠수정기술개발및운용인프라구축 - 기술개발 과제로수행된연구결과의일부임을밝히며연구비지원에감사드립니다. 또한해미래의태평양열수해역탐사를위해 DP 미장착연구선인온누리호의위치를수동으로제어한온누리호강선규선장을비롯한승무원들께감사드립니다. References Fig. 18 A black smoker in the Archaean vents. 4. 결론본논문은심해무인잠수정해미래를이용한남마리아나아크해저화산과열수분출공탐사에관한것이다. 탐사는 1,500m 수심의포케스트해저화산과 3,000m 수심의후열도확장대알키안열수해역에서수행됐다. 이번탐사를통하여, 지형변화가심한해저화산지역에서열수분출공을수색하고, 침전물포집장치와미끼어망을설치하고회수하는임무등을성공적으로수행함으로써해미래의운항제어및탐사성능을입증했다. 또한열수측정을위한고온센서를개발했고, HD 카메라를 3채널로확대하여해미래를이용한심해탐사를효과적으로수행할수있는기반을만들었다. 다수의 HD 카메라를각각조종하여해저환경을모니터링하고, 다각도에서수중작업상황을입체적으로감시함으로써효율적인탐사가이루어졌다. 해미래의 USBL 위치정밀도는 1,500m 수심에서약 4.5m 표준편차를보였다. DVL 신호를보조센서로이용하는해미래복합항법시스템은드리프트하는특성이있으므로, 이번탐사에서주기적으로또는 USBL과항법시스템의상대위치오차가 20m를초과하는 Baek, S., Kim, B.H., Baek, H., Lee, P.M., Jun, B.H., Improvement of Video and Communication System for a Deep-sea ROV Hemire using Ethernet Fiber Optic Converter. Proceedings of the Fall Conference of the Korea Ocean Engineering Society, Baek, S., Lee, P.M., Kim B.H., Baek, H., Operation of Video System for a Deep-sea ROV, Hemire. Proceedings of the Korean Association of Ocean Science and Technology Societies (KAOSTS) Conference, Baker, E.T., Massoth, G.J., Nakamura, K.I., Embley, R.W., de Ronde, C.E.J., Arculus, R.J., Hydrothermal Activity on Near-Arc Sections of Back-Arc Ridges: Results from the Mariana Trough and Lau Basin. Geochemistry Geophysics Geosystems, Vol 6, No. 9, Embley, R.W., Submarine Ring of Fire 2006 : Mariana Arc Submarine Volcanoes. R/V Melville Cruise Report MGLN02MV, April 18 - May 13. Embley, R.W., Baker, E.T., Butterfield, D.A., Chadwick Jr., W.W., Lupton, J.E., Resing, J.A., de Ronde, C.E.J., Nakamura, K.I., Tunnicliffe, V., Dower, J.F., Merle, S.G., Exploring the Submarine Ring of Fire, Mariana Arc - Western Pacific. Oceanography, 20(4), Embley, R.W., Baker, E.T., Chadwick, W.W., Lupton, Jr., J.E., Resing, J.A., Massoth, G.J., Nakamura, K., 2004.

11 Explorations of Hydrothermal Vents in Southern Mariana Arc Submarine Volcanoes using ROV Hemire 399 Explorations of Mariana Arc Volcanoes Reveal New Hydrothermal Systems. Eos, 85(4), Kim, B.H., Baek, H., Shim, H., Baek, S., Lee, P.M., Park, J.Y., Jun, B.H., Jeong, W.Y., Kang, H., Kim, W.S. 2015a. Seabed Exploration of the East Sea using a Deep-sea ROV, Hemire. Proceedings of the Fall Conference of the Korea Ocean Engineering Society, Kim, B.H., Lee, G.M., Baek, H., Lee, P.M., Jun, B.H., Improvement of Operating Software for a Deep-sea ROV Hemire. Proceedings of the Fall Conference of the Korea Ocean Engineering Society, Kim, B.H., Lee, P.M., Baek, H., Baek, S., 2015b. Device Scalability of a Deep-sea ROV, Hemire. Proceedings of the Korean Association of Ocean Science and Technology Societies (KAOSTS) Conference, Lee, P., Jun, B., Kim, K., Choi, H., Li, J., Lee, C., Ryu, S., Baek, H., Hong, S., Lim, Y., Kim., D., Cho, S., Park, D., Gu, B., Lee, J., Jung, H., Yoon, S., Park, C., Choi, M., Seo, Y., Sea-trial and Experimental Results of the Deep-sea Unmanned Underwater Vehicles, Hemire and Henuvy. Symposium on Underwater Technology, Lee, P.M., Development of an Advanced Deep-sea Unmanned Underwater Vehicle (1st Phase). KORDI Technical Report UCM , April 30. Lee, P.M., Development of an Advanced Deep-sea Unmanned Underwater Vehicle (2nd Phase). KIOST Technical Report UCPMS , July 31.

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE Nov.; 26(11),

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2015 Nov.; 26(11), 985991. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2015.26.11.985 ISSN 1226-3133 (Print)ISSN 2288-226X (Online) Analysis