대한조선학회논문집 Journal of the Society of Naval Architects of Korea pissn:1225-1143, Vol. 51, No. 5, pp. 349-355, October 2014 eissn:2287-7355, http://dx.doi.org/10.3744/snak.2014.51.5.349 무인고속전차를이용한활주선모형의저항시험기법연구 이영길 1 하윤진 2, 정광열 2 채순재 1 인하대학교조선해양공학과 1 인하대학교대학원조선해양공학과 2 A Study on the Resistance Test Method for Planning Hull Model using the High Speed Towing Carriage Young-Gill Lee 1 Yoon-Jin Ha 2, Kwang-Leol Jeong 2 Soon-Jae Chae 1 Dept. of Naval Architects and Ocean Engineering, Inha University 1 Dept. of Naval Architects and Ocean Engineering, Graduate School of Inha University 2 This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. The resistance test of a high speed craft such as planing ship is performed with a high speed towing carriage instead of ordinary towing carriage because of the speed limitation. In the resistance test using high speed towing carriage, the model ship is fixed to the carriage to restrain the running attitude for enough measuring time. Such method is called fixed model test method. In the fixed model test method, to get the appropriate running attitude, the model test is iteratively repeated until the trim moment and lift force are close to zero. In this research, trim free model test method is investigated to reduce the number of iteration. And, the limitation of towing speed range in the trim free model test method is investigated. Keywords : High-speed towing carriage( 고속전차 ), Trim free model test( 자유트림시험기법 ), Fixed model test( 완전구속시험기법 ) Planing hull( 활주선형 ), Ship resistance( 선박저항 ) 1. 서론 활주선형등고속으로항주하는선박에대한모형시험은기존예인전차의속도와수조길이의한계등으로인하여많은어려움이있다. 고속선의모형시험시예인전차를이용할경우예인가능속도의제한으로모형선이작아져야하나모형선이작아지게되면모형시험결과의신뢰성에한계가있을것이다. 따라서무인상태에서고속으로예인할수있는경량화된고속전차가필요하다. 인하대학교에서는고속모형선의저항시험을위하여최대 20m/s 까지예인할수있는무인고속전차를제작하였다. 하지만무인고속전차가고속으로주행할때, 정속구간에서모형선의항주자세가정상상태에이르러야하지만충분한수조길이가확보되지않으면, 모형선의항주자세가정상상태에이르기전에모형시험이끝나게될수도있다. 따라서무인고속전차를이용한고속선모형시험시기존의모형시험기법과는다른모형시험기법이요구된다. Kawahara, et al. (1993) 의연구에서는모형선의침하를자유롭게하여트림만을고정시키는모형시험기법 ( 이하 : 자유침하시험기법 ) 에대하여제안하였다. 하지만이시험기법의경우분력계를이용하여추진축방향의힘을측정하여항주시모형선에작용하는부양력과트림모멘트가 0에근접할때까지반복시험을수행하는것이다. 그리고추진축방향의힘을측정하여별도의수식에의하여저항이나부양력, 트림모멘트를추정해야한다. Ikeda (1990) 는 Kawahara, et al. (1993) 의연구와는다르게모형선의침하와트림을모두구속하고저항과부양력, 트림모멘트를 3분력계를이용하여직접계측하는모형시험기법 ( 이하 : 완전구속시험기법, fixed) 을제안하였다. 이연구에서는직접각방향의힘들을계측함으로써수식에의한힘들의추정을수행하지않은장점이있지만, 모형선의침하와트림을모두구속하여실험하기때문에예인횟수가증가하게된다. 따라서 Lee, et al. (2008) 은이러한단점들을극복하고자모형선의트림을자유롭게하여침하만을구속하는모형시험기법 ( 이하 : 자유트림시험기법, trim free) 을제안하였다. 이연구에서는완전구속시험기법에비하여예인횟수가줄었으며, 저항과침하, 트림이정성적, 정량적으로완전구속시험기법과근접한결과를보였다. 본연구에서는 Lee, et al. (2008) 연구에서의고속선모형속 접수일 : 2013 년 4 월 1 일 1 차수정일 : 2014 년 5 월 9 일 게재확정일 : 2014 년 6 월 10 일 Corresponding author : yj_ha0811@hanmail.net, 032-860-8840

무인고속전차를이용한활주선모형의저항시험기법연구 도보다고속으로예인할수있는고속선모형으로자유트림시험기법에대한모형시험결과의신뢰성과시험기법의유용성을파악하고가능한모형시험속도영역을파악하여보았다. 2. 무인고속전차 인하대학교에서는고속선모형시험을수행하기위하여최대 20m/s 까지예인할수있는무인고속전차를제작하였다. Fig. 1과같이 truss 구조로제작되었으며, 외팔보의형식이다. 모형시험시모형선의침하, 트림조정방법은 Fig. 2와같이무인고속전차에축을두어이를고정하는방식으로모형선의침하는구속시킨다. 축아래에는 3분력계가설치되며, 3분력계와모형사이에포텐쇼메타가설치되어있는부분에힌지로트림을자유롭게하였으며, 힌지부분을고정시키게되면트림을구속시킬수도있다. Fig. 3 Measuring system for the high speed towing carriage Fig. 1 Plan of the high speed towing carriage Fig. 4 Free body diagram of a towing model ship Fig. 3은모형시험을위한계측시스템이다. 무인고속전차의경우모형시험시무인으로모형선을예인하기때문에무선계측시스템을구성하였다. 무인고속전차의속도는선형시험수조측면에펄스판을설치하여포토센서로계측을수행하며, 모형선의힘들과트림각은각각 3분력계, 포텐시오메타로계측한다. 3. 완전구속시험기법과자유트림시험기법비교 3.1 모형시험기법비교 Fig. 2 Adjustment methods of sinkage and trim of a model ship 무인고속전차를이용한고속선모형시험은수조길이의한계로인하여예인전차와는다른모형시험기법이요구된다. 따라서 Ikeda (1990) 의연구와같이완전구속시험기법으로모형시험을수행할수있다. 이모형시험기법은 Fig. 4와같이모형선의침하와트림을구속하고 3분력계를이용하여항력과부양력, 트림모멘트를계측하는것이다. 350 대한조선학회논문집제 51 권제 5 호 2014 년 10 월

이영길 하윤진 정광열 채순재 (1) (2) 각속도마다식 (1) 과 (2) 에서부양력과트림모멘트가 0에가까워질때항력 ( 저항 ) 을얻어내는것이다. 하지만이모형시험기법의경우 Fig. 4에서부양력과트림모멘트가 0에근접해질때까지모형선의침하와트림을반복적으로조정해주어야한다. 따라서많은예인횟수가필요할것으로예상된다. Lee, et al. (2008) 의연구에서자유트림시험기법은침하만을조정하고트림은자유롭게두어부양력과트림모멘트가 0에근접해질때까지반복적으로모형시험을수행하는방법이다. 즉, 자유트림시험기법에서의모형선트림각은정상상태에서완전구속시험기법의트림각과근접해질때, 부양력과트림모멘트가 0에근접해지는것이다. 따라서이방법은침하만을조정하기때문에완전구속시험기법보다예인횟수가줄어들가능성이있다. 3.2 모형시험결과비교본절에서는 Lee, et al. (2008) 의연구결과였던완전구속시험기법과자유트림시험기법을이용한모형시험결과들을재검토하였다. 이연구에서는고속경비정 M5008 선형 (West Japan Fluid Engineering Laboratory Co., LTD, 2005) 으로, Fn =0.78 에서 Fn =3.73 까지모형시험을수행하였다. Fig. 5는 Fn =3.73 에서완전구속시험기법과자유트림시험기법의예인횟수를비교한것이다. 완전구속시험기법의경우 6번정도침하와트림을조정하여예인하였을때, 부양력과트림모멘트가 0에근접해가는것을볼수있으며, 자유트림시험기법의경우 3번정도만침하만조정하여예인하여도부양력과트림모멘트의힘들이 0에근접해지는것을확인할수있다. 하지만트림각의경우두모형시험기법모두참고문헌 (West Japan Fluid Engineering Laboratory Co., LTD, 2005) 에서의모형시험결과와근접하지않는것을볼수있다. 이는참고문헌 (West Japan Fluid Engineering Laboratory Co., LTD, 2005) 의모형시험결과의경우본실험결과와모형시험조건이다르기때문에오차를보이는것으로예상되며, 추후고찰이필요할것으로생각된다. 하지만, 두기법모두부양력과트림모멘트의힘들이 0에근접해졌을때트림각의정량적인결과는매우근접한것을확인할수있다. Fig. 6은두모형시험기법을이용하여 Fn =3.73 에서부양력과트림모멘트가 0에근접하였을때, 계측결과들의시간기록이다. 계측결과들을보면, 무인고속전차의정속구간에서약 7초정도유용한결과가얻어지는것을확인할수있다. 또한, 이구간에서두모형시험기법들의항력과트림각이정량적으로근접한것을확인할수있으며, 자유트림시험기법의경우모형선의트림각이무인고속전차의정속구간에서정상상태에이른것을확인할수있다. 또한 Fig. 7은전속도구간에서의모형시험결과이다. 저속구간에서는예인전차로가능한속도구간까지모형시험을수행하였으며, 두속도영역에서예인전차와무인고속전차의 모형시험결과를비교하였다. 예인전차와무인고속전차의모형시험결과를비교하여정량적으로그결과가매우근접한것을확인할수있다. 따라서무인고속전차모형시험결과의신뢰성을파악할수있다. Fig. 5 Comparison of the fixed and the trim free model test methods (M5008, Fn = 3.73, towing speed = 4.50m/s) Fig. 6 Time histories of experimental results from the fixed and the trim free model test methods (M5008, Fn = 3.73, towing speed = 4.50m/s) Fig. 7 Comparison of the total resistance coefficient, the sinkage and the trim angle of the model ship (M5008) JSNAK, Vol. 51, No. 5, October 2014 351

무인고속전차를이용한활주선모형의저항시험기법연구 또한, 완전구속시험기법과자유트림시험기법을비교하면, 두모형시험기법모두정량적, 정성적으로매우근접한것을확인할수있다. 따라서무인고속전차모형시험결과의신뢰성과자유트림시험기법의유용성을파악하였다. 4. 대상모형 예인할수있는 DTMB Series No. 62 Model 4667-1 선형으로자유트림시험기법을이용하여모형시험을수행하였다. 침수표면적은모형을투명하게제작하여모형시험시촬영을통하여계측을수행하는것이관례이지만, 항주자세가 Clement and Blount (1963) 의모형시험결과에근접하기때문에 Clement and Blount (1963) 의침수표면적자료를이용하였다. Lee, et al. (2008) 에서의선형보다고속으로예인할수있는 DTMB Series No. 62 Model 4667-1 선형 (Clement & Blount, 1963) 을이용하여자유트림시험기법에대하여모형시험을수행하였다 (Fig. 8). 본선형의주요제원은 Table 1과같으며, 최대 Fn =5.54( 예인속도 : 6.38m/s) 까지예인시키기때문에모형선의강도를고려하여 FRP 로제작하였다. 또한모형크기결정은무인고속전차가외팔보이기때문에그안정성을고려하였다. Fig. 8 Body plan of the DTMB Series No. 62 Model 4667-1 Table 1 Principal dimensions of the DTMB Series No. 62 Model 4667-1 Reference model (Clement & Blount, 1963) Model(IUTT) Scale ratio 1/3.048 LBP (m) 2.438 0.800 Breadth (m) 0.596 0.196 Draft, moulded F.P. (m) 0.103 0.034 Draft, moulded A.P. (m) 0.106 0.035 Displacement (Kg) 68.150 2.407 Range of Fn 0.26 ~ 5.54 5. 모형시험기법및결과 본연구에서는 Lee, et al. (2008) 에서의선형보다고속으로 Fig. 9 Number of trials of the model tests (DTMB Series No. 62 Model 4667-1, Fn = 3.73, 4.54, 5.54, towing speed = 4.05, 5.23, 6.38m/s) Fig. 9는모형시험시 Fn =3.52, 4.54, 5.54에서의예인횟수이다. Fn =3.52 와 4.54 에서는각각 4, 5번정도예인하였을때, Clement and Blount (1963) 의모형시험결과와근접한것을확인할수있다. 따라서 Lee, et al. (2008) 의연구 (Fig. 5) 와본연구의결과를비교하면, 자유트림시험기법은 3~5 번정도의예인횟수로정량적인결과를얻을수있을것으로생각된다. 하지만 Fn =5.54 에서는 4번정도예인하였을때, 침하와전저항계수의경우 Clement and Blount (1963) 의결과와근접하였지만, 트림각의경우큰오차를보인다. 이를확인하기위하여각 352 대한조선학회논문집제 51 권제 5 호 2014 년 10 월

이영길 하윤진 정광열 채순재 계측결과들의시간기록을확인하여보았다. Fig. 10 은자유트림시험기법을이용하여 Fn =4.54 에서부양력과트림모멘트의힘들이 0에근접하였을때, 계측결과들의시간기록이다. 계측결과들을보면, 무인고속전차의정속구간에서약 4초정도유용한결과가얻어지는것을확인할수있다. 또한모형선의트림각이무인고속전차의정속구간에서정상상태에이른것을확인할수있으며, Fig. 9에서와같이 Clement and Blount (1963) 의모형시험결과와근접한결과를보인다. Fig. 11 은완전구속시험기법과자유트림시험기법으로 Fn =5.54 에서의모형시험결과이다. Fig. 10 Time histories of experimental results from the trim free model test method (DTMB Series No. 62 Model 4667-1, Fn = 4.54, towing speed = 5.23m/s) 완전구속시험기법의경우부양력과트림모멘트의힘들이 0 에근접하였을때의결과이며, Fig. 9에서확인할수있는바와같이 7번정도예인하여 Clement and Blount (1963) 의모형시험결과와정량적으로근접하였다. 하지만 Fig. 11 에서자유트림시험기법의경우트림각이완전구속시험기법에비하여큰결과를보인다. 이는무인고속전차의정속구간에서트림각이정상상태에이르지만, Fig. 11 에서보이는바와같이 Fn =5.54 에서무인고속전차의가속구간에서모형선은과도한선미트림이일어나고, Fig. 12를보면, Fn =4.54 에비하여 Fn =5.54 에서선체에스프레이현상이크게일어나는것을확인할수있다. 무인고속전차의가속구간에서선체에일어나는큰스프레이현상으로인하여정속구간에서트림각이작아지지않는것으로생각된다. 또한이러한영향으로인하여 3분력계로계측된결과들의동요가매우큰것으로생각되며, Fn =5.54 정도이상의속도영역에서는자유트림시험기법을이용한모형시험이어려운것으로판단된다. Fig. 13 은전속도구간에서의모형시험결과이다. Fig. 7 과마찬가지로저속구간에서는예인전차로가능한속도구간까지모형시험을수행하였다. Clement and Blount (1963) 과예인전차, 무인고속전차의모형시험결과들을비교하였을때, 정량적, 정성적으로그결과들이매우근접한것을확인할수있다. Fn =5.54 를제외하고보다고속영역에서 Clement and Blount (1963) 과무인고속전차모형시험결과를비교하면, Fn =4.54 까지는매우정량적, 정성적으로근접한것을확인할수있으며, 약 4초정도의계측결과를얻어낼수있다. 따라서 Fn =4.54 까지는자유트림시험기법이무인고속전차를이용한모형시험시매우유용할것으로판단된다. Fig. 11 Time histories of experimental results from the fixed and the trim free model test methods (DTMB Series No. 62 Model 4667-1, Fn = 5.54, towing speed = 6.38m/s) Fig. 12 Photographs of the model tests at Fn = 4.54, 5.54 (DTMB Series No. 62 Model 4667-1, trim free, towing speed = 5.23, 6.38m/s) JSNAK, Vol. 51, No. 5, October 2014 353

무인고속전차를이용한활주선모형의저항시험기법연구 5번정도의예인횟수가필요하다. 따라서자유트림시험기법이완전구속시험기법에비하여예인횟수를줄일수있다. 2) 본연구결과에서 Fn =5.54 의모형시험결과는무인고속전차의가속구간에서과도한선미트림으로인하여큰스프레이현상이발생하며, 이로인하여무인고속전차의정속구간에서트림각이감소하지않았다. 완전구속시험기법을이용하였을때, 많은예인횟수가요구되었지만, 정량적으로는 Clement and Blount (1963) 과근접한결과를보인다. 모형시험시초기트림을주거나, 무인고속전차의가속구간이길어천천히무인고속전차가가속하게되면, 초기에모형선의과도한선미트림이발생하지않을것으로예상된다. 3) 본연구결과를예인전차와 Clement and Blount (1963) 의모형시험결과들과비교하였을때, 정량적, 정성적으로매우근접하며, Lee, et al. (2008) 의연구결과에서도정도높은모형시험결과를보인다. 따라서무인고속전차를이용하여도정도높은모형시험이가능하며, 자유트림시험기법이무인고속전차를이용한모형시험에서매우유용한모형시험기법으로판단된다. Fig. 13 Comparison of the total resistance coefficients, sinkages and trim angles of the model ship (DTMB Series No. 62 Model 4667-1) 하지만본연구결과만을확인하였을때, Fn =5.54 이상의속도영역에서는무인고속전차의가속구간에서모형선의과도한선미트림으로인하여자유트림시험기법을이용한모형시험은어려운것으로생각되며, 예인횟수가많아지지만 Fn =5.54 이상의완전구속시험기법을이용하는것이적절할것으로판단된다. 6. 결론 4) 자유트림시험기법은완전구속시험기법에비하여예인횟수를줄일수있지만, 본연구결과만을보았을때, Fn =4.54 정도의속도영역까지모형시험이가능한것으로판단된다. 또한자유트림시험기법을이용할때, Fn =4.54 이하의속도영역까지는약 4초이상의계측된데이터를해석할수있다. Fn =5.54 이상의속도영역에서는자유트림시험기법에비하여예인횟수가많지만, 완전구속시험기법을사용하는것이적절할것으로판단된다. 5) 본연구에서는 Clement and Blount (1963) 에서계측된침수표면적결과가있어모형선의침수표면적을직접계측하지않았다. 새로운고속선모형시험시모형선을투명하게제작하여, 촬영을통하여침수표면적을계측할것이며, 이를저항시험과동시에수행하므로무인고속전차를이용하였을때충분한모형시험이가능할것으로생각된다. 후기 본연구에서는활주선형을이용하여자유트림시험기법의유용성을파악하고모형시험이가능한속도영역을파악하여보았다. 1) Lee, et al. (2008) 의연구에서는완전구속시험기법과자유트림시험기법을비교하였을때, 자유트림시험기법이 3번정도로예인횟수를줄였다. 또한본연구의결과로봤을때, Fn = 5.54 에서완전구속시험기법으로는예인횟수 7번정도가필요하였으며, 자유트림시험기법을이용하여서는최대 이논문은인하대학교의지원에의하여연구되었음. References Clement, E.P. & Blount, D.L., 1963. Resistance Tests of a Systematic Series of Planing Hull Forms. Taransactions of The Society of Naval Architects and Marine Engineering, 71. 354 대한조선학회논문집제 51 권제 5 호 2014 년 10 월

이영길 하윤진 정광열 채순재 Ikeda, Y., 1990. Measurement of hydrodynamic forces acting on a high-speed craft model fixed to a three-component load-cell on a carriage. Proceeding of the 19th International Towing Tank Conference, Madrid, Kingdom of Spain, 2, December 1990. Kawahara, U. Suzuki, K. & Yabushita, K., 1993. Resistance Test Method for High-Speed Boats by Using a Trim Fixed Type of Dynamometer. Jounal of Kansai Society Naval Architects, Japan, 220, pp. 71-82. Lee, Y.G. Ha, Y.J. Kim, K.S. & Chae, S.J., 2008, A Development on the method of resistance test using unmanned high-speed towing carriage. Proceedings of the Society of Naval Architects of Korea, Jeju, Republic of Korea, 30, May 2008, pp. 1243-1249. West Japan Fluid Engineering Laboratory Co., LTD., 2005. Tank Test of High speed planing hull, Nagasaki Pref. Japan, Report No. 11283-1. Japan: West Japan Fluid Engineering Laboratory Co. 이영길하윤진정광열채순재 JSNAK, Vol. 51, No. 5, October 2014 355