1. 서 론

최근에 발생되고 있는 해양사고 척수는 매년 점차 증가하 고 있으며, 10톤 미만의 선박이 매우 큰 비중을 차지하고 있 는 것으로 보고되고 있다(Korean Maritime Safety Tribunal, 2021). 10톤 미만의 소형선박들을 크기별로 더 세분화시켜 매년 해양사고 통계 자료로 활용되고 있다. 소형선박 중 ‘소 형어선’은 총톤수 10톤 미만의 어선이라고 정의되고 있다 (Ministry of Oceans and Fisheries, 2020). 소형어선은 파랑 영향 등에 의해 발생하는 전복 사고와 같은 중대한 해양사고 발 생 위험이 높은 선박이라고 판단된다. 따라서 10톤 미만인 소형어선 중 서로 다른 크기의 선박을 대상으로 파랑 중 운 동성능을 조사 및 분석하여 그 특성에 적합한 선박별 안전 운항 대책 마련이 필요하다고 할 수 있다.

총톤수 약 7톤의 소형어선을 대상으로 횡동요 특성을 파 랑과의 만남각 및 선속 변화에 따라 분석한 연구가 실시되 었다(Kang et al., 2007). 이 연구에서는 횡파에서 가장 큰 횡 동요가 발생하고, 속력이 높아질수록 운동 응답도 커지는 결과를 확인하였으나, 단일 선박만을 대상으로 횡운동 특성 만 분석하였기 때문에 서로 다른 크기의 소형어선에 대한 전반적인 운동 특성을 비교하는 연구가 필요하다. 100톤급 이상의 어선들을 대상으로 어선의 크기별 응답 특성을 비교 한 연구가 실행 되었지만(Kang et al., 1996;Datta et al., 2011), 소형어선에 대한 상호 비교 연구는 현재까지 거의 수행되지 않고 있다. 약 15미터 길이의 어선을 대상으로 횡동요 실험 및 전복경고시스템 개발에 관한 연구가 수행되었으며(Yang and Kwon, 2017), 3톤급 어선의 부가물이 저항성능에 미치는 영향에 대한 연구도 실행되었다(Park, 2018).

본 연구에서는 소형어선 3척을 대상으로 규칙파 중 종운 동 및 횡운동 응답 특성을 각 선박별로 상호 비교·분석하였 다. 수치계산은 계산속도가 빠르고 계산 결과에 대한 신뢰 성이 비교적 높은 스트립 방법(Tezdogan et al., 2014)을 이용 하였다.

2. 해양사고 분석

최근 5년간 발생한 해양사고에 대하여 중앙해양안전심 판원에서 발간하는 해양사고 통계를 토대로 분석하였다 (Korean Maritime Safety Tribunal, 2021). Fig. 1은 선박의 총톤 수(gross tonnage)별 해양사고 현황을 나타내고 있다. 2016년 부터 2020년까지 발생한 해양사고 선박의 전체 척수는 2,549 척, 2,882척, 2,968척, 3,274척, 3,535척인데 이 중에서 상위 4 개의 톤수 범위의 선박만을 Fig. 1에 표시하고 있다. 가장 많 이 해양사고가 발생하고 있는 톤수 범위는 5톤이상 10톤 미 만의 선박들이고, 이어서 3톤이상 5톤미만의 선박들이 많이 발생하고 있는 것으로 나타난다. 최근 5년간 발생한 전체 해 양사고 척수는 15,208척이며, 10톤 미만의 선박들은 9,896척 으로 전체 해양사고의 65.07%를 차지하고 있다. 즉 전체 해 양사고 발생 선박들 중 10톤 미만의 선박들이 상당 부분을 차지하고 있으며 또한 매년 해양사고가 증가하고 있는 현황 을 확인 할 수 있다.

Fig. 2는 사고 종류별 해양사고 현황 중 전복 사고에 대한 내용만을 보여주고 있다. 전복 사고가 가장 많이 발생한 선 박의 크기는 10톤 미만의 선박들임을 알 수 있다. 즉 소형선 박일수록 전복과 같은 중대한 해양사고가 발생할 위험이 높 다고 판단된다.

Fig. 3은 총톤수별 인명사고 현황으로서 사망·실종된 인원 을 나타내고 있다. 가장 많은 인명사고를 발생시킨 선박의 크기는 5톤이상 10톤 미만의 선박들인 것으로 확인된다.

3. 수치계산

3.1 수치계산 방법

본 연구에서는 최근 해양사고 및 인명사고가 많이 발생하 고 있는 선박의 크기인 10톤 미만의 소형어선을 대상으로 파랑 중 운동응답을 분석하기 위하여 수치계산을 실시하였 다. 선박의 크기별 운동응답 특성을 비교하기 위하여 총톤 수 3톤급, 7톤급 및 10톤급 어선을 선정하였다. 자세한 제원 은 Table 1에 나타내고 있으며, Fig. 4는 각각의 소형어선 정 면도 모습을 보여주고 있다.

수치계산에 사용된 스트립 방법은 전진속도 영향이 고려 되며 어선의 내항성능 분석(Masuya, 2007)에도 활용된 NSM (New Strip Method)을 이용하였다. 선박의 운동응답 값은 규 칙파 중에서의 종운동인 종동요와 상하동요, 횡운동인 횡동 요를 대상으로 분석하였다. 횡운동 계산시 횡동요 운동응답 에 중요한 영향을 미치는 감쇄력이 고려되어야 한다. 본 연 구에서는 마찰성분, 조파성분, 양력성분 및 조와성분이 포 함된 감쇄력 계수를 제안한 Ikeda(1984)의 추정식을 사용하 였다. 소형어선의 선체 형상별 운동특성을 비교하기 위하여 빌지킬 영향을 고려하지 않았다.

파랑과의 만남각(χ )은 Fig. 5와 같이 선수파(head sea), 선 수사파(bow sea), 횡파(beam sea), 선미사파(stern sea), 선미파 (following sea)인 상태에서 계산하였다. 선수파는 만남각이 180도, 선미파는 0도인 상태를 의미한다. 선체운동응답은 파 진폭(ζ) 및 파수(K)에 의하여 무차원화된 값으로 표현하였 다. 3톤급 어선의 경우 년간 약 80 %를 11노트의 속력으로 운항하고 있다고 조사되었다(Kim et al., 2017). 그러나 본 연 구에서는 선속이 운동응답에 미치는 영향을 파악하기 위하 여 정지상태를 포함한 4가지의 속력 조건에서 수치계산을 실행하였다.

3.2 종운동 특성 분석

수치계산에 의한 상하동요 및 종동요 결과를 Fig. 6 및 Fig. 7에 나타내고 있다. 좌측 그래프는 3톤급 어선, 중앙은 7 톤급 어선, 우측은 10톤급 어선에 대한 계산결과이다.

Fig. 6의 선수파(χ = 180°)에서의 상하동요 운동 특성을 살펴보면, 파장이 선박 길이의 2배 정도가 될 때까지의 파장 영역에서는 선박의 크기와 상관없이 정지상태에서 가장 큰 운동응답 값이 나타나고 있는 모습을 확인할 수 있다. 그러 나 λ/L = 2.0 이상이 되는 장파장 영역에서는 속력이 높아 질수록 상하동요도 함께 커지고 있는 현상이 나타나고 있 다. 다만, 10톤급 어선에서는 λ/L = 2.7 이상에서 정지시의 상하동요가 가장 커지는 것을 볼 수 있다.

정지상태에서의 소형어선은 파장이 길어지면서 종동요 운동도 커지고 있는 것을 알 수 있다. λ/L = 2.0보다 파장이 긴 영역에서는 선속이 높아질수록 종동요도 커지고 있으며, 가장 작은 3톤급 어선의 응답이 다른 크기의 어선보다 더 크게 나타나는 특성을 보여주고 있다. λ/L = 3.0 이상의 장 파장 영역에서는 정지상태의 10톤급 어선에서 매우 높은 종 동요 및 상하동요 운동응답이 나타나고 있어 주의가 필요하 다고 할 수 있다. 또한 속력이 높을수록 운동응답이 커지기 때문에 7노트와 같이 속력을 감속하여 운항하는 것이 종운 동을 경감시킬 수 있는 방법이라고 판단된다.

다음으로 선미파(χ = 0°)에서의 상하동요 특성을 분석해 보면(Fig. 7), 15노트 속력의 3톤급 선박이 λ/L = 0.8에서 나 타나는 피크 값을 제외하면 모든 크기의 어선은 전진 중인 속력과 상관없이 일정한 운동값인 1.0에 근사하고 있는 모습 이 확인되고 있다. 정지상태에서는 파장이 길어질수록 운동 응답도 같이 커지고 있으며, 10톤급 어선에서 제일 큰 변화 를 보여주고 있다.

종동요 운동응답은 상하동요와 유사하게 속력과 상관없 이 일정한 운동값에 근사하고 있으며, 정지상태에서는 장파 장이 될수록 운동응답도 커지고 있는 모습을 나타내고 있 다. 선수파에서와 마찬가지로 선미파에서도 정지상태인 10 톤급 어선의 경우 λ/L = 3.0 이상의 장파장 영역에서 상하 동요 및 종동요 운동응답이 매우 커지고 있으므로 이러한 상황을 피하도록 운항해야 될 것으로 판단된다.

3.3 횡운동 특성 분석

Fig. 8 ~ Fig. 10은 규칙파에 의한 횡동요 운동응답 계산 결과를 선수사파(χ = 120°), 횡파(χ = 090°) 및 선미사파 (χ = 060°)로 구분하여 각각 나타내고 있다.

Fig. 8의 선수사파 상태에서의 횡동요 운동 특성을 분석해 보면, 선박의 크기와 관계없이 정지상태에서 점차 속력이 높아질수록 운동응답의 최대값이 장파장 영역으로 이동되 는 특성을 확인할 수 있다. 3톤급과 7톤급 어선은 속력이 높 을수록 최대값 또한 점차 커지고 있는 것을 보여주고 있다. 3척의 선박 모두 속력이 가장 높은 15노트에서 횡동요 운동 이 가장 크게 나타나는 것을 알 수 있다.

정지상태에서는 3톤급과 7톤급에서 λ/L = 1.7일 때 최대 값을 나타내고 있으며, 10톤급에서는 λ/L = 1.2에서 최대값 을 나타내고 있다. 또한 7노트 이상의 속력에서는 λ/L = 2.0 이상의 장파장 영역에서 운동응답이 커지고 있다. 선수사파 를 받으면서 항행할 경우 횡동요가 심하게 발생하면 가능한 한 속력을 낮추는 것이 횡운동 영향을 감소시킬수 있는 방 법이라고 추정된다.

Fig. 9는 정횡 방향에서 파랑을 만나게 되는 상황의 횡동 요 운동응답 계산 결과를 보여주고 있다. 횡동요 운동응답 결과는 선수사파에서 나타나는 현상과는 다른 모습을 나타 내고 있다.

정횡 방향의 파랑에 의한 횡동요는 속력 및 선박의 크 기와 관계없이 특정 파장에서만 급격히 커지는 경향을 보 이고 있으며, 속력이 높을수록 최대값도 조금씩 커지고 있 는 것을 확인할 수 있다. 3톤급 및 7톤급에서의 최대값은 λ/L = 1.7에서, 10톤급은 λ/L = 1.1에서 가장 큰 운동응답 값을 보여주고 있다.

마지막으로 만남각이 χ = 060°인 선미사파인 경우(Fig. 10), 횡동요는 정지상태에서만 상대적으로 크게 나타나고 전 진 속력이 있는 경우에는 운동응답이 매우 작게 발생하고 있는 모습을 알 수 있다. 특히 선수사파와 비교하게 되면 선 미사파에서의 확연한 횡동요 감소 현상을 파악할 수 있다. 본 연구에서 선택된 소형어선들의 경우 크기와 관계없이 선 수사파, 횡파보다는 선미쪽 비스듬한 방향에서 파랑을 받으 며 항해할 경우 횡동요 영향을 대폭 감축시키면서 운항할 수 있을 것으로 추정된다.

파도와의 만남각별 횡동요 운동의 최대값만을 비교할 경 우, 선수사파와 횡파에서 최대속력인 15노트일 때 가장 큰 값을 나타내고 있으며 횡파보다는 선수사파에서 더 크게 응 답하는 것으로 확인된다. 특히 7톤급 어선에서 그 차이가 더 큰 것으로 보여진다. 정지상태에서는 3방향의 만남각에서 각각 큰 차이는 없는 것으로 나타난다.

4. 결 론

본 연구에서는 최근 해양사고가 점차 증가하고 있는 10톤 미만 소형어선의 규칙파 중 운동응답 특성에 대하여 수치해 석을 통하여 분석하였다.

선수파인 경우, λ/L = 2.0 이상이 되는 장파장 영역에서 속력이 높아질수록 상하동요 및 종동요 응답도 커지고 있는 현상을 확인하였다. 가장 작은 3톤급 어선의 운동응답이 다 른 크기의 어선보다 더 크게 나타나는 특성을 보여주었다. 선수파에서는 속력을 감속하여 운항하는 것이 종운동을 경 감시킬 수 있는 방법이라고 판단된다.

모든 크기의 소형어선은 정지상태를 제외하고 속력과 상 관없이 일정한 종동요 및 상하동요 운동응답 값에 근사하고 있는 모습이 선미파에서 확인되었다.

선수사파 상태에서의 횡동요 운동은, 선박의 크기와 관계 없이 정지상태에서 점차 속력이 높아질수록 운동응답의 최 대값이 장파장 영역으로 이동되는 특성을 확인할 수 있었 다. 3척의 소형어선 모두 속력이 가장 높은 15노트에서 횡동 요 운동이 가장 크게 나타나는 것을 알 수 있었다. 선수사파 를 받으면서 항행할 경우 속력을 낮추는 것이 횡운동 영향 을 감소시킬수 있는 방법이라고 보여진다.

횡파에 의한 횡동요는 속력 및 선박의 크기와 관계없이 특정 파장에서만 급격히 커지는 경향을 보이고 있으며, 속 력이 높을수록 최대값도 커지고 있는 것을 확인하였다. 선 미사파인 경우, 횡동요는 정지상태에서만 비교적 크게 발생 하고 전진 속력이 있는 경우에는 운동응답이 매우 작게 나 타났다. 특히 선수사파와 비교하게 되면 선미사파에서의 확 연한 횡동요 감소 현상을 확인할 수 있었다.

10톤 미만의 소형어선일지라도 선박의 크기 및 속력에 따 라 선체운동응답의 최대값이 나타나는 특정 영역이 있으므 로 이 운동 영향을 최소화 시킬 수 있는 운항방법이 고려되 어야 할 것으로 보인다.

단일 어선의 횡동요만을 분석한 기존 연구에 비해, 본 연 구에서는 소형어선 3척을 대상으로 규칙파에서의 종운동 및 횡운동에 대하여 수치계산을 수행하였다. 향후 더 많은 선 형 자료를 확보하여 다양한 불규칙파 상황에 대한 선체운동 응답 함수를 데이터베이스화 하면 유의진폭치 및 평균주기 등을 이용한 안전운항 기술개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.