세일링요트의선형설계 유재훈, 안해성, 반석호 한국해양연구원해양시스템안전연구소 Hull Form Study of Sailing Yacht Jaehoon Yoo, Haeseong Ahn, Suak-Ho Van Korea Ocean Research & Development Institute Abstract An overview of the sailing yacht design is provided, with an emphasis on the hull form parameters and the shape. The dimensions of the hull form should be determined by considering the purpose of the yacht itself. Also the heel must be considered seriously with respect to resistance performance. Keywords : Sailing Yacht( 요트 ), Hull Form( 선형 ), Resistance( 저항 ) 1. 서론세일링요트는선체의형상이최소저항을발생하도록설계되어야한다는점에서일반상선이나고속정의설계관점과유사한점이있으나, 세일을이용하여바람의힘으로추진됨에따라풍향과풍속에따라선속과선체항주자세의변화가심하고, 항해조건, 승선자의요구또는해상상황에따라급격하게항주상태, 방향, 선속등을변화시켜야하는점에서는일반선박과는다른점이있다. 특히바람을거슬러범주하는상황에는일반선박과는달리횡경사가매우두드러지게나타난다는특징이있다. 이러한자세변화는유체역학적인비대칭성을유발하며이에따라선체직립상태에서는나타나지않았던여러가지부가적인현상들이나타나게된다. 따라서선형설계자는이러한특징을충분히고려하여선형과부가물들의위치와형상등을설계하여야한다. 본논문에서는일반선박을주로설계하던설계자가세일링요트를설계하는경우일반선박의여러가지설계인자들을세일링요트의독특한특징을반영하여세일링요트의선형설계에적용하기위한방법을고찰해보고자하였다.
2. 선형설계 2.1. 선체길이 (LOA, LWL) 의결정선체길이의결정에대한가장큰요소는건조비용이다. 일반적으로선체의단가는길이의제곱에비례한다고설명하며, 이에따라건조예산이나판매가격등에의해길이를결정하게된다. 2.2. 선폭 (B) 의결정선폭에대한결정은저항성능의평가와더불어복원력에대한평가와거주부등필요공간의확보에따라행하여진다. 폭이커지면당연히데크의공간이넓어지게되며, 거주부등의공간이여유있는설계가될수있으나, 저항성능의차원에서는너무납작한선형이되기때문에파랑관통능력의효과를기대하기가어려워지게된다. 유체역학적으로길이를결정하는가장큰요인은계획선속과조파저항이라고할수있다. 즉, 되도록이면선체에의해발생되어지는파계를고려하여선체길이를선택하게된다. 물론이러한파계에대한검토는모형시험또는 CFD 등을통해평가되어져야하지만, 간단히아래와같은방법으로설계선속 (Vs) 과파장 (λ) 또는수선장 (L WL) 에대한초기추정이가능하다. (1) 위식을사용하면 8노트의선속을가지는선박은기본적으로약 10.8m 의파장을가지는파계를유발하게된다. 만일선박의수선장이 10.8m 라면, 선박은선수와선미에각각파고를가지는파계에잡혀 (squat) 있게되는데, 이를벗어나기위해서는꽤많은추진력이필요하게된다. 다시말하면, 10.8m 의수선장을가지는선박은 8노트를제한속도로가지게된다. 설계자는이정보를바탕으로일차적으로원하는선속에대한선체의길이를대응시킬수있다. 식 (1) 은일반적인배수량형선박의 1차임계속도 (wave barrier) 를계산하는방법이며, 임계속도를넘는선속을원하는경우설계자는플레이닝 (planing) 이수월한선형이나파랑관통 (wave piercing) 능력이뛰어난선형을선택하여야한다. 또한, 요트의엔진마력을산정하는경우에도 (1) 식에의한임계속도계산과이에대한고려는필수적이다. 복원력에대한검토는예상할수있는강풍상태에서 30도정도의힐이발생하도록선형의폭을결정한다. 폭의증가는필연적으로저항성능의악화를유도하게되므로복원력에대한제한조건하에서충분한거주부를확보한후에는최소의폭을갖도록설계하도록한다. 선형의폭에대한검토는발라스트를제외한선형자체만의복원력을검토하는것이필요하다. 이를 선형복원성 : Form Stability 이라부르고이에대한추정을선형폭결정에가장큰요소로활용하기도한다. 일반적으로복원력의확보를위해서건현상부에플레어 (Flare) 를두게되는데, 플레어의크기가큰경우강풍중에큰각도의힐이지게되면저항이매우커지는문제가발생하게되므로복원력의확보를단순히플레어에의지하는설계는효과적이지못한다. 플레어를두는경우에는일반적으로선미부보다는선수부에많은양을배치하는것이좋다. 이는선수부의프레임형상이선미보다는복원력이작을수밖에없다는이유에도기인할뿐더러, 승정원의몸무게를이용한발란싱 ( 힐을줄여주기위한승정원의이동 ) 을시도하는경우승정원의중량을효과적으로사용하기위해서는선수부에적당한플레어에의해데크의폭을넓혀주고, 이렇게선체로부터되도록멀리떨어진끝단에승정원을집중적으로배치하는것이힐을줄여주기에훨씬효과적이기때문이다. 또한선수부에서의플레어의크기는파랑중에서선체가종동요를하는경우이에대한저항력을확보하기위해서검토되는것이필요하다.
2.3. 길이-폭 (L/B) 의비유체역학적인관점에서는폭자체의크기나길이자체에대한검토보다는상대적인길이의비를중요하게검토해야한다. 일반적으로설계되어진요트의경우에는폭 / 길이의값이 0.15~0.35 정도의범위내에존재하게되며, 이값의경향은저항성능에대한평가와더불어만들어진요트에적용하고자하는레이팅 (Rating) 규정에의해결정하기도한다. 일반적으로저항성능은 L/B 값이클수록유리하게된다. 반면에 L/B 값이크면복원성능에문제가생길수있는선형이되며, 아울러필요한만큼의데크공간이좁아지는문제도생길수있다. 따라서어느정도의값에서설계적타협을보는가가중요한설계인자가되며, 이에대한평가는설계자의의도에따라결정되어지는것이일반적이다. 2.4. 주요제원에대한경향최근설계되어지는세일링요트들은크루징용요트와레이싱위주의요트로각각구분하여다음과같은경향의설계가이루어지고있다. 1 크루징요트의경우다양한항만조건, 특히수심이높낮이가불규칙할경우를대비해되도록발라스트킬의깊이를낮추게된다. 이러한경우모자라는복원력을확보하기위해선폭의크기를키우게된다. 2 크루징요트의경우충분한거주부의확보가필수적이므로충분한크기의선폭을가지게된다. 3 풍상항해를위주로하는레이싱요트의경우는보다좋은저항성능과풍상향각도를최소로할수있도록횡저항 (lateral resistance) 을크게하기위해서선폭을최소한으로가지는설계를하게된다. 이러한요트들은킬의중량을키워충분한복원력을확보하게된다. 4 Beam reach 및풍하향범주에서고속의선속을가지고자하는레이싱요트는최대한경량구조를가지도록설계하며, 플레이닝 (Planing) 효과를증대시키기위해서흘수 / 폭의비가작으면서 최대폭의위치를중앙부보다뒤쪽에둔다. 이러한광폭선형은비교적킬의중량이작다. 5 즉, 킬의중량을줄여주고자하는경량요트는선폭을키워충분한복원력을확보한다. 2.5. 선수프로파일선수프로파일의형상은크게유체역학적인특성에따른선택과레이팅규정에따른선택, 그리고선체에소요되는건조비용, 특히재료원가에의한선택으로나누어고려하게된다. 유체역학적인특성으로서는종동요에대한저항력, 즉건현상부에존재하는여분부피에의한복원력확보에대한것과, 선회성능에대한선수부의선회저항력에대한것, 그리고파랑중항해시에파랑관통능력을들수있다. 레이팅룰에의해서는레이팅의기본변수로수선장 (LWL) 을사용하는지, 전장 (LOA) 을사용하는지에따라선택되어진다. 예를들어, 수선장의길이증가가레이팅에손해를주는규정의경우에는수선장의길이를줄이고대신전장을키움으로인해핸디캡손실은없이세일면적을키울수있다. 선수프로파일의형태는 Fig.1 에보이는것과같이크게세가지로나눌수있다. 수선장보다전장이커지게되는 Spoon Bow 형태와선수프로파일이수직하여수선장과전장이비슷하게되는 Destroyer Bow 형태, 그리고복합형인 Knuckle Bow 로나눠진다. Fig.1 Bow shapes 최근의설계는파랑중운동성능보다는저항성능개선에많은비중을두는경향이며, 이에따라구축함형 (destroyer) 선수 (bow) 를채택하는비
율이높다. 하지만구축함형선수가가지는단점을개선하기위한너클 (knuckle) 선수가채택되어지고있다. 특히레이싱요트의경우에선회성능에대한선수부의저항력을개선하기위해서프로파일은구축함형을채택하지만너클의위치를흘수위에두는방법을채택하는경향이뚜렷하다. 반면, 레이팅규정에따라서는수선장에비해배수량이작은경우배수량확보를위해너클을흘수아래로내리기도한다. 비교적선수, 선미의체적분포가균일한선형으로나타난다. 대부분의요트선형은 0.5~0.6 사이의주형계수값을가지게되며, 0.5 정도의주형계수라면전장의 50% 위치부근에 LCB 를가진다. 0.6 정도의주형계수라면 55%~60% ( 선수에서선미방향으로 ) 정도의 LCB 를가지는것이경향이라할수있다. 2.6. 선미트랜섬 ( 프로파일 ) 선미트랜섬의형태는수직한형태, 건현상부가더긴 Raked-After 타입그리고흘수부근이더긴 Reverse-Angle 형태로나눌수있다. 종동요에대한저항을키우기위해건현상부의길이를증가시킬필요가있을때는 Reverse- Angle 형태를선택하게된다. 이경우주조종석의공간이증가되어지는장점이생기며, 불필요한상부구조를제거함으로인해중량감소및저중심설계가된다는장점이있다. 단순히데크상에공간이많이필요한경우 Raked-After 형태를채택하게된다. Fig.2 Transom shapes 2.7. 부력중심위치 (LCB) 및주형계수 (Cp) 선형요소중에가장먼저고려되는것이주형계수의값과그분포이다. 이값은선형의비대성을표현하는것이지만방형계수 (Cb) 에비해좀더구체적으로비대성을표현한다는특징이있다. 특히주형계수의값은 LCB 의위치와더불어요트선형의특성을단적으로표현하게된다. 대부분의요트선형은체적분포에있어서선수선형이비슷한형태를가지게된다는점에서주형계수가큰선형은 LCB 가선미쪽에분포되는선형이되는경우가대부분이고, 반대로주형계수가작은배는 Fig.3 Hull Forms according to LCB (Cp)
이러한주형계수로표현되는선형의비대성은선형자체의특성에있어서매우큰차이를보이게된다. Fig.3 의세번째선형과같이주형계수가크고체적중심이선미쪽으로치우친선형은강풍에서풍하향항해에좋은성능을가지는이른바활주형의선형이되고, 반대로주형계수가작고 LCB 가중앙또는선수쪽에치우친첫번째선형은미풍에서풍상향성능이좋은이른바파랑관통형의선형이된다. 0.6 이상의큰주형계수를가지는경우, 즉, LCB 가 60% 이상에놓이는선형은그선미형상이너무비대해지게되므로대부분의풍속상태에서비교적큰저항을유발하게된다. 2.8. 프레임라인일반적인파워보트의경우일정속도이상의항주시활주상태가되도록선미부선저형상을편평하게설계한다. 일단활주상태가된배는매우급격하게저항이줄어들고매우빠른속도를유지하면서항주하게된다. 요트의경우에도엔진의힘에의해선속을증가시키는메커니즘이불가능하긴하지만, 배의전체적인중량을최대한줄여주고, 선미의형태를적절한형태로만들어준다면, 이러한활주상태의항주가가능하다. 최근에는활주항주를가능하게하기위하여경량재로배를건조하여되도록배를가볍게건조하고선미의모양을편평하게만드는설계가채택되어지고있다. 다만, 요트에있어서는풍향에따라횡경사가생기는문제가필연적이므로횡경사가비교적발생되지않는풍하향에서이러한활주효과를기대하게된다. 이러한활주항주가요구되는선형은이전의일반적인요트선형들과는조금은다른형태로설계되어진다. 우선전체적인체적의분포를선미쪽으로치우쳐분포시키며, 침수표면적을최소로하기위해직선형태의프레임라인을원형으로바꿔주게되며, 선저나선측에급격한유동변화가생기지않도록선형의물흐름방향으로의불균일한형태를가지않도록주의하여설계하게된다. 또하나의선속증가가급격하게발생하는현상으로서서핑 (Surfing: 파도의내려가는경사면 을항주하는것 ) 이있으며, 일반적으로풍하향의항주시에서핑의도움을받아활주가이루어지는것이대부분이다. 서핑을잘하기위한설계는활주를위한선형과크게다르지않으며, 단지선체의중량이가볍지않은요트의경우에도서핑현상은발생할수있다는차이가있다. 하지만발생한서핑현상을지속적으로선속증가에반영하기위해서는필연적으로가볍고편평한선미의선형으로서활주를발생시킬수있어야한다. 7~8 노트의항주를하고있던요트의경우서핑을동반한활주가시작되면 10~12 노트까지선속이증가하게된다. 프레임라인의전반적인형태는선체의중량에따라결정되어진다. 가벼운선체일경우폭이넓고흘수가낮은선형이되며, 반면에선체의중량이큰경우폭이좁고흘수가깊은형태를가져야상대적으로저항성능에유리한선형이된다. 선수부의프레임라인형태는수직한형태의프로파일과같이길이방향으로체적분포에제한을두는경우, 특히파랑관통능력을향상시키기위해물흐름방향의입사각을작게하고자하는경우, 종동요에대한저항력인상부복원력을확보하기위한방법으로서건현상부에플레어가존재하도록하는형태가있을수있다. 2.9. 횡경사의고려일반적으로세일링요트는바람을받아범주하는경우비교적큰횡경사가발생하게되며, 횡경사의크기는설계풍속에서크루징용이냐레이싱용이냐에따라결정되어지는설계인자중하나가된다. 크루징용의경우항해중승정원의안락성을위주로설계하게되며, 원양에서의안정성을위해서비교적작은횡경사를만들려고노력하게되나, 레이싱용의경우는선속을향상시키기위해비교적큰세일면적을채택하게되므로같은풍속에서도횡경사의크기를크게가지게된다. 따라서직립상태를기준으로저항성능이우수하도록잘설계되어진선형이라도횡경사에의해많은저항이부가되는설계라면좋지않은설계가되고만다. 즉, 기하학적인선형의변화로부터시작하여횡경사에의해나타날수있는여러가지유체역
학적인결과를설계에반영하여야한다. 횡경사에의해유발되어지는현상중에두드러진것들을정리하면다음과같다. 종횡비를크게만드는것이필요하다. (3) 비대칭성에의한헬름 (Helm) 의발생횡경사가발생하면선형은좌우비대칭이되게된다. 이러한비대칭성은직립상태에서는나타나지않던선회력을유발하여선체를선회시키게된다. 이러한형상을웨더헬름 (weather helm) 이라고하며, 프레임라인의각도가작은선수부의좌우비대칭성이커짐으로인해주로횡경사의반대방향으로선회력이발생하게된다. 이러한웨더헬름은선수트림이큰선형의경우더욱크게나타나게된다. Fig.4 Waterline change by heel (1) 수선장및침수표면의변화일반적으로설계되어진선형은횡경사가발생하면 Fig.4 와같이수선장이길어지는현상과침수표면적이줄어드는현상이나타나게된다. 수선장의길이증가는저항의감소요인이되는우호적인현상이므로선미부오버행 (overhang) 을미리충분히잡아놓아횡경사시에수선장의증가가원활하게이루어지도록하는것이필요하다. 실제로 30 피트급의세일링요트에대한예인수조모형시험결과에서도설계횡경사 20도에서최소저항이나타나는것이확인된바있다. ( 유재훈등, 2005) (2) 트림 (Trim) 의발생횡경사에의한수선면증가는특히선수부에비해수선면적변화가큰선미부의침수부피를증가시키게되어결국선수트림을유발하게된다. 이러한현상은선미쪽의부피가큰선형일수록심하게나타나며, 이렇게발생되어진선수트림은선수입사부를물에잠기게하므로선회저항 (Yaw Checking Resistance) 을증가시키는문제점을발생하게된다. 이러한문제점은선수프로파일의너클위치를미리높여놓는방법으로해결하게된다. 또한횡경사에의한선수트림이큰선형의경우러더의노출이나타날수도있으므로러더의 3. 결언이상에서살펴본바와같이선주의요구에따라선형및선속이결정되어지는일반선박의설계와는달리요트는승선자가레이싱, 크루징, 또는복합형태의항주를요구하느냐에따라주요제원및선형계수들이정해지게되며특히풍속및풍향에따라자세변화가심하게이루어지는요트의특성상발라스트 ( 항주시복원력또는자세를잡기위한킬등 ) 의제원이선형만큼중요한설계인자로포함되어야한다. 또한일반선박설계와는달리같은급의요트선형도승선자의취향또는유행에따라급격히변화하므로더욱심화된연구를통하여승선자및요트사용자의요구에부합되는선형및부가물의설계기술을확보하는것이필요하다. 참고문헌 [1] Peter van Oossanen, 1993, Predicting the Speed of Sailing Yacht," SNAME Trans., Vol. 101, pp337~397 [2] Lars Larsson and Rolf E. Eliasson, 2000, Principles of Yacht Design, International Marine of McGraw-Hill [3]Steve Killing, 1998, Yacht Design Explained, W. W. Norton & Company