Hull Form and Layouts of 740-ton Replacement Vessel for R/V Eardo of KIOST: Ship Design and SMRs

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1. 서 론

한국해양과학기술원이 보유하고 있는 이어도호(R/V Eardo) 는 총톤수가 350톤인 지역해급(Regional class) 연구선으 로서 코리아타코마조선(현 한진중공업)에서 ‘해양250’ 유

인잠수정 모선으로 건조하여 1992년 취항하였다. 유인잠 수정이 퇴역한 이후에는 우리나라 관할해역을 대상으로 해양관측연구를 전문으로 수행하여 왔다.

우리나라 해양연구에 있어서 변변한 연구인프라 하나 갖추지 못했던 1990년대 초 지역해급 해양연구 전문연구 선의 등장은 노르웨이에서 건조하여 같은 시기에 취항한

Note

740톤급 종합해양연구선 이어도호 대체선 선형 및 설계 특성

박정기

^1*

· 박동원

¹

· 이근창

¹

· 김영준

¹

· 민영기

²

1한국해양과학기술원 종합연구선건조사업단

(49111) 부산광역시 영도구 해양로 385

2서울대학교 해양시스템공학연구소

(08826) 서울특별시 관악구 관악로 1

Hull Form and Layouts of 740-ton Replacement Vessel for R/V Eardo of KIOST: Ship Design and SMRs

Cheong Kee Park

^1*

, Dong-Won Park

¹

, Gun Chang Lee

¹

, Young Jun Kim

¹

, and Young Ki Min

²

1Research Vessel Building Unit, Korea Institute of Ocean Science & Technology Busan 49111, Korea

2Research Institute of Marine Systems Engineering, Seoul National University Seoul 08826, Korea

Abstract : R/V EARDO, commissioned in 1992, has successfully carried out ocean research campaigns in Korean jurisdictional and adjacent waters, including continental margins and coastal zones within the Korean Exclusive Economic Zone (EEZ), for 29 years. However, it will soon be reaching the end of its useful service life. A replacement for R/V EARDO is urgently needed to ensure the safety of vessel itself and its crews, and efficient ship operation and maintenance, as well as to meet modern scientific mission requirements (SMRs).

Basic specifications for a replacement ship have been devised and reviewed over the past nine months. A test of the proposed hull form was also performed. The total tonnage of the proposed vessel is approximately 740 tons, and the overall length and width are 62.0 and 11.6 m, respectively. The new ship will thus be 73% larger than the current R/V EARDO; in particular, the research workspace will be 4.4 times larger. The major design priorities are the propulsion system, efficiency of radiated noise and vibration control, and the dynamic positioning system. An environmentally friendly emission system, meeting International Maritime Organi- zation (IMO) Tier III regulations, will be installed in the third exhaust pipe. Various wet and dry lab spaces as well as 32 different scientific instruments have also been considered in the ship design.

Key words : research vessel, regional class, basic design, electric propulsion

*Corresponding author. E-mail: [email protected]

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1,400톤 오션급 (Ocean class) 연구선 온누리호(R/V Onnuri) 와 함께 대양 및 공해는 물론 우리나라 관할해역과 지역 해를 대상으로 다학제적인 종합연구와 정밀관측이 가능 한 해양연구인프라를 갖추게 되었다는 것이며, 동시에 불 모지나 다름 없던 우리나라 해양과학분야가 세계적 수준 으로 도약하기 위한 핵심 연구기반이 마련되었다는 것을 의미한다(박 2015).

앞서 설명한 바와 같이 1992년 취항한 이어도호는 연간 200일이 넘는 실해역 연구관측을 수행하여 왔으며, 2018 년까지 731회 현장 연구에 투입되었다. 이어도호가 잠수 정 모선의 연구선임에도 불구하고 주력연구선으로서 역 할이 가능했던 이유는 정밀 탑재장비와 연구지원 설비 뿐 만이 아니라 선박 자체가 종합해양 연구관측 기능을 수행 할 수 있는 지역해급 연구선으로 설계건조되었기 때문에 가능하였다. 최근 영국, 미국, 독일, 일본 등 해양에서 미 래를 찾는 국가들은 자국 관할해역의 해양환경 보호와 보 전을 위해 해양 기후, 해양생태, 에너지/자원의 이용과 해 양방위분야에 이르기까지 해양의 이용과 보전분야에 대 체선 건조로 상징되는 연구시설장비 인프라 개선에 주력 하고 있는 추세이다.

그러나 해양 연구환경 개선과 기술고도화에 괄목할만 한 성과를 이루어왔지만 선령이 29년 경과된 2020년 현 재, 이어도호는 노후화(운항 효율 50% 이하)가 급속히 진 행 중에 있으며, 운항의 안전성이 심각하게 우려됨에 따라 운항범위를 180 km 이내로 제한하여 운용할 수 밖에 없는 기능한계에 이르렀다. 이와 같이 노후화가 가속되는 상황 과는 달리 연구선의 활용에 대한 수요는 해양안전〮방위분 야 뿐만이 아니라 해양기후 환경/보전/모니터링과 자원연 구 분야를 중심으로 더욱 확대되고 있는 추세이다.

이어도호의 선령, 안전성, 기능성, 효율성 등 여러 요소 를 종합적으로 고려하였을 때, 안정적 연구환경개선과 신 규 인프라 구축을 위한 대체연구선 건조 시급성이 대두됨 에 따라 한국해양과학기술원은 2015년 2월 이어도호 대 체선박 건조를 경영성과계획서에 반영하므로서 본격적인 대체선 건조 논의가 시작되었다. 이에 따른 후속조치로 2015년 9월 안전진단(한국선급)과 2016년 1월 성능검사 (만디젤 코리아) 후, 2017년 3월 ‘이어도호 대체선박 건조 기획연구’ 결과를 기반으로 270여일의 설계과정을 통해 2019년 9월 설계를 완료하였다(한국해양과학기술원 2017).

본 연구에서는 우리나라 관할해역과 지역해의 해양연 구관측을 담당하는 주력연구선으로서 이어도 대체선 건 조를 위해 반영된 설계특성과 기본설계 결과를 연구선을 활용할 연구자 관점에서 요약 소개하고 현 이어도호와 비 교 검토하였다.

2. 본론

설계수행 경과

2018년 12월에 ㈜한국선박기술과 설계용역계약을 체 결한 이후, 2019년 9월 설계용역이 종료될 때까지 9개월 간 총 38차에 걸친 설계 및 기술검토를 진행하였다. 설계 를 위한 기술검토는 크게 수요기관(한국해양과학기술원) 의 전문가 요구사항 검토, 주요 요목, 적용기준, 선형 및 제원 확정 등으로 구분될 수 있으며, 세부적으로는 23차 례에 걸쳐 국내외 유사연구선 자료분석, 초기 일반배치 (안) 도출, 추진체계 검토, 주요 제원 및 선형 검토, 주발전 기 기술사양 검토, 초기 속력 및 마력 추정, 수중방사소음 적용기준 분석, 주요 제원과 장비 사양에 대한 기술검토가 진행되었다.

설계용역 5개월차인 24차부터 29차 기술검토에서는 주 로 모형시험 및 선형개선과 관련한 전문가 자문 및 논의 가 이루어졌으며, 30차부터 38차 공정회의까지는 일반배 치 확정과 기본설계 완료를 위한 기술회의를 수행하였다.

설계가 완료되어 최종 확정된 연구선의 주요 제원은 총톤 수 약 740 톤, 선장 62.0 m, 선폭 11.6 m이며, 총 승선인원 은 32명, 연속항해일수 20일 이상 등의 조건을 적용하였 으며, 추진체계는 저진동/저소음 구현, 기관실 공간구성의 효율성 및 선박위치제어가 용이한 전기추진 방식을 적용 하였다(Table 1, Figs. 1 and 2).

Table 1. Main specification of 740-ton R/V Eardo replace- ment vessel

LOA (Length Over All) About 62.0 m

Width 11.6 m

Draft 3.25 m (design)/

3.3 m (scantling) Gross Tonnage738 ton

Speed Cruising 12 knots

Maximum 13.5 knots <

Propulsion Type Diesel-Electric

Power 940 kw × 3 set EnduranceAbout 5,500 km <

Duration 20 days <

Crew Number 32 (Scientist 17, Crew 15)

Thrust system

Bow Pump Jet

Thruster 425 kW

Stern Azimuth

Thruster 1,000 kW × 2 set

Dynamic Positioning System DPS class - I

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선형개발 및 수조 모형시험

연구선을 설계·건조하는데 있어서 가장 중요한 선형 (Hull form)을 확정하기 위한 과정은 총 3단계로 구분하여 수행하였다. 1단계에서는 재화중량, 항해속력/항속거리, 만재흘수, 추진체계, 발라스트 양 뿐만 아니라 선박 운용 목적, 적용법규와 건조비용 등 여러 가지 설계기준과 제약 조건을 고려하여 선박 형태의 유형을 선정하고 2단계에서 는 유사선박을 통해 주요 형상을 결정한 후, 2가지의 기본 선형을 개발하여 전산모델을 통한 저항성능 이론해석 결 과를 바탕으로 초기선형 1종을 선정하였다. 최종 3단계에 서는 수조 모형시험과 내항성능 해석결과를 기반으로 초 기 선형을 개선한 최종 선형을 선정하였다. 특히, 선수하 부에 위치하는 부가물(음향센서돔)이 해류에 의해 발생되 는 기포의 영향을 최소화 할 수 있는 선형을 개발하는데 기술적 검토가 수행되었다.

수조 모형시험은 선박해양플랜트연구소의 선형시험수 조(예인수조 길이 200 m, 폭 16 m, 깊이 7 m)에서 축척비 1/9 목재 모형선을 제작하여 선형개발 및 성능평가를 위한 일련의 시험을 수행하였다(Fig. 3). 모형시험항목은 저항, 수중 기포(버블), 반류분포, 유선조사 등이다. 성능검증과

관련한 모형시험은 2차(1차 2019년 5월, 2차 2019년 7월) 에 걸쳐서 수행하였으며, 1차 초기 설계 선형의 저항과 관 련한 문제점을 개선한 선형을 도출하여 2차 시험을 수행한

Fig. 1. Perspective image of R/V Eardo

Fig. 2. Perspective image (45°) of the back side of R/V

Eardo Fig. 3. Photographs of Model ship (scale of 1:9)

Fig. 4. Photographs of resistance test carried out on the

model ship at 12 knots (left and right photographs

show the first and second hull, respectively)

(4)

결과, 기대성능에 부합하는 선형이 완성되었다(Fig. 4).

선형과 관련하여 선수 하부에 위치하는 부가물(센서돔) 은 영구 탑재되는 음향센서가 밀집되어 배치되어 있는 주 요 구역으로서 연구선이 일정속도로 진행할 때, 선수에서 발생되는 기포에 의한 영향 유무 확인은 필수적이다. 이와 같은 영향요인을 확인하기 위하여 유선시험(Paint smear test)을 수행하였으며, 유선시험 조건은 순항속력 12 노트 속력조건하에서 수행하였다(Fig. 5). 선측과 센서돔 주변 에서 보여주는 유선의 흔적은 선수에서 발생하는 쇄파의 영향이 선저 센서돔이 위치하는 구역에 전달되는 효과가 크지 않아서 선수에서 선측을 따라 이동하는 기포 또한, 선저 센서돔에 직접적으로 끼치는 영향은 크지 않은 것으 로 사료된다.

연구선 일반배치 특성 및 주요 고려사항

일반배치도(Fig. 6)에서 나타나는 바와 같이 Deck구성 은 유류, 식수 저장시설 등이 위치하는 최하단부 TANK PLAN을 제외하고 FLOOR Deck부터 BRIDGE Deck까지

Fig. 5. Results of a “paint smear test” carried out at 12 knots

Fig. 6. General layout of the R/V Eardo replacement vessel (the main laboratories are on the upper deck)

(5)

4개 Deck로 구성하였으며, 전체 면적은 796.1 m²이다.

TANK PLAN 상부 FOOR Deck의 갑판면적은 449.3 m² 으로 전체 Deck 면적의 56.4%를 차지하며, 연구원 거주시 설과 주기관실 등을 배치하였다. UPPER Deck의 면적은 196.4 m²로 면적비율은 24.7%를 점유하고 있고 모든 연 구활동이 집중되는 구역으로 선상 연구장비 운용과 밀접 한 동선을 고려하여 건식/습식 연구실험구역을 집중 배치 하였다. 승조원 거주시설이 있는 F’CLE Deck (면적 79.0 m²)와 연구선 운항통제실인 BRIDGE Deck (면적 71.4 m²)의 면적비율은 각각 총면적의 9.9%, 9.0%이다.

총톤수 700 톤의 중형급 연구선인 이어도호를 설계하 는데 있어서 요구되는 연구기능과 성능을 고려한 공간배 치를 설계하기 전에 우선적으로 고려할 사항으로 크게 선 수 형상, 선저 센서돔 크기와 형상, 추진체계 선정, 동적위 치제어시스템(Dynamic Positioning System, DPS) 적용, 고 정형 USBL (Ultra Short Baseline Underwater Positioning System) 반영과 기관/연돌 설계시 배출가스규제 Tier III 를 만족하는 환경오염저감장치 적용 여부 등이다. 이와 같 은 사항의 반영이 우선적으로 고려될 수 밖에 없었던 이 유는 연구선 건조비용 상승 뿐만 아니라 선박의 제원을 결정하고 연구중심의 시설 배치를 하는데 있어서 심각한 부담요인으로 작용하였지만 향후, 30년간 운용될 연구선 의 기능을 고려하였을 때, 국제규약 및 국내법 준수와 친 환경 연구선 인프라 구축을 위한 불가피한 선택사항으로 서 설계에 반영하였다.

선수 형상은 저항이 감소되고 선측을 따라 이동하는 기 포가 센서돔에 끼치는 영향을 최소화 하기 위하여 연구선 의 흘수선 아래 돌기모양의 구상선수(Bulbous Bow)형상 을 적용하였다(Fig. 2). 선저 센서돔은 Blister형상을 채택 하였다. 추진체계는 동적위치제어시스템과의 연동, 다양 한 조건의 속도제어와 선회, 소음진동 감쇄 등을 고려할 때, 가장 적합한 추진체계로 기존 디젤기관으로 구동하는 가변피치프로펠러(Controllable Pitch Propeller, CCP) 대 신 전기추진 방식의 디젤발전기로 구동하는 전기모터에 의해 360° 자체회전이 가능한 Azimuth thruster 2기를 적 용하였다.

동적위치제어시스템은 연구선의 규모를 고려하여 선수 추진기(Bow Thruster)와 선미 추진기(Azimuth Thruster) 를 연동하여 운용할 수 있는 DPS-I class를 적용하였다.

또한, 향후 잠수정, 음향탐사장비와 수중 영상탐색장비 등 수중예인장비의 정밀 위치측정을 위하여 USBL을 탈부착 방식에서 선내 고정형으로 설치될 수 있는 공간을 설계에 반영하였다. 친환경 연구선을 구현하기 위하여 2016년부 터 발표된 국제해사기구 대기오염방지 3차 규제사항(Tier III)을 만족하는 내연기관 환경오염저감장치를 설계에 적 용하였다.

Table 2. Area and volume of each sector of the proposed vessel

Sector Area

(m

²

) Ratio

(%) Volume

(m

³

) Ratio (%)

Research 155.9 17.5 420.0 14.2

Navigation 64.8 7.3 168.4 5.7

Engine352.3 39.6 963.1 32.6

Residence 216.3 24.3 569.9 19.3

Storage32.2 3.6 83.7 2.8

Tank - - 569.4 19.3

Passage68.2 7.7 181.3 6.1

Total 889.7 100.0 2,955.8 100.0

Table 3. Comparison of area and ratio between the proposed and current vessel

Space New R/V Eardo Current R/V Eardo Area (m

²

) Ratio (%) Area (m

²

) Ratio (%)

Research 155.9 17.5 35.7 7.0

Navigation 64.8 7.3 41.7 8.1

Engine352.3 39.6 181.8 35.5

Residence 216.3 24.3 165.5 32.3

Storage32.2 3.6 32.8 6.4

Passage68.2 7.7 54.7 10.7

Total 889.7 100.0 512.2 100.0

Table 4. Comparison of major specification between new and old vessel

Specification New R/V Eardo Current R/V Eardo Length over all

(m) 62.0 48.98

Width (m) 11.6 8.6

Depth (m) 4.8 4.0

Draft (m) 3.25 2.5

Speed (knots) 12.0 11.5

Propulsion Type Diesel-Electric Diesel Propulsion Power 940 kw × 3 sets 612 BHP × 2 sets

Propeller Azimuth Controllable Pitch Dynamic

Positioning

System DP-I -

Members

(person) 32 32

Full Load Displacement

(ton) 1,423.9 692

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700톤급 이어도호 주요 구역 배치는 크게 연구, 항해, 기관, 거주, 창고와 통로구역으로 구분하여 배치하였다.

연구선은 기본적으로 좁은 공간에서 바다 위의 연구소와 같은 기능을 수행하여야 하기 때문에 공간면적 구성과 이 에 대한 배치는 매우 중요한 설계 고려사항이라고 할 수 있다. 가장 넓은 점유공간(Area)은 기관구역으로 전체 39.6%를 차지하고 있으며, 거주구역(24.3%), 연구구역 (17.5%). 통로구역(7.7%), 항해구역(7.3%)와 창고구역(3.6%) 순으로 점유공간을 구성하였다(Table 2). 이와 같은 설계 결과에서 나타난 점유공간을 현재 운용 중에 있는 이어도 호의 점유공간과 비교하였을 때, 전체면적은 현재 이어도 호 보다 73% 확장하여 구성하였으며, 특히, 연구공간의 경우는 현재 이어도호 보다 4.4배 넓게 반영하여 연구관 측 중심으로 구성한 것이 특징이다(Table 3).

현재 이어도호와 제원을 비교하였을 때, 700톤급 이어 도호의 전장과 폭은 각각 13 m와 3 m 확장되었으며, 추진 마력은 현재 이어도호가 612 BHP 디젤엔진 2기를 탑재한 반면 700톤급 이어도호는 940 kw 발전기 3기를 탑재하였 다. 세부적인 제원 비교결과는 Table 4와 같다.

연구시설 배치 및 탑재 연구장비

Fig. 6에서 보여주는 바와 같이 모든 연구활동과 실험 분석이 집중적으로 이루어지기 위해서는 시료채취 구역 부터 분석공간까지 유기적인 동선을 갖추어야 하기 때문 에 Dry Lab, Wet Lab, Semi Wet Lab과 Lab Equipment Room을 UPPER Deck에 배치하였다. 이와 같이 UPPER Deck의 공간 구성 및 설비 배치를 위해 가장 우선적으로 고려된 것은 시료채취와 견인 수중예인체 운용이 주로 이 루지는 후갑판 A-프레임과 크레인 운용범위를 고려하여 여러 채취 및 관측장비가 갑판에 회수된 후, 시료의 전처 리, 검교정과 실험〮분석이 용이하고 시료 오염을 최소화할 수 있도록 동선과 구역을 고려하였다. 또한, 중형급 연구 선으로서 설계상에 공간확보가 제한적이기 때문에 퇴적 물, 생물, 해수시료 전처리 구역을 반폐쇄형 실험공간(Semi Wet Lab)으로 별도 구성하고 바로 인접한 실험실을 실험 전용 Wet Lab으로 배치하였다. Dry Lab, Wet Lab, Semi Wet Lab과 Lab Equipment Room의 면적은 각각 20.5 m², 16.9 m², 31.9 m²과 13.2 m²로 설계하였다.

주요 연구관측 장비 및 설비는 총 32종을 설계에 반영 하였다(Table 5). 선저 센서돔과 연결된 지구물리장비는 심해용과 천해용 다중음향측심기 각각 1종, 천부지층탐사 기, 과학어군탐지기, 정밀수심측정기와 표층 음속측정기 를 포함한 총 6종을 기본으로 반영하였으며, 수층 물리〮화 학 장비는 수층별 수온염분측정 및 채수시스템, 연속 음속 관측, 초음파 해류 관측장비, 표층 수온염분 측정기, 음속 측정 프로파일러, 1회용 수온관측기 등 6 종을 기본으로

Table 5. List of equipment for the proposed vessel

Equipment New R/V

Eardo Current R/V Eardo 1 Multibeam Echosounder for

Deep-Sea ○ ○

2 Multibeam Echosounder for

Shallow Water ○ -

3 Sub-bottom Profiler ○ ○

4 Scientific Echosounder ○ -

5 CTD with Water Sampler ○ ○

6 Underway CTD System ○ -

7 Precision Depth Recorder ○ ○

8 Acoustic Doppler Current

Profiler ○ ○

9 Thermo-Salino Graphs ○ ○

10 Automatic Meteorological

Observatory System ○ ○

11 Ultra-Low-Temperature Freezer ○ -

12 Refrigerator ○ ○

13 Surface Sound Velocity Probe ○ ○

14 Sound Velocity Profiler ○ -

15 Expendable Conductivity,

Temperature & Depth (XBT) ○ ○ 16 Continuous Underwater Fish Egg Sampler (CUFES) ○ -

17 Pump for CUFES ○ -

18 Multiple Net System ○ -

19 Piston Corer ○ ○

20 Ultra Short Baseline Underwater Positioning System (USBL) ○ - 21 Acoustic Synchronization

System ○ -

22 Automatic Navigation

Information System ○ ○

23 Navigation Data Control System ○ ○ 24 Constant Temperature Incubator ○ - 25 Computer System for

Microscopic Observation ○ ○

26 Oceanographic Winch ○ ○

27 Traction Winch ○ -

28 CTD Winch ○ ○

29 Portable Winch ○ -

30 A-Frame Davit ○ ○

31 Portable J-Frame Davit ○ ○

32 A-Frame Davit for CTD Winch ○ -

33 A/J-Frame, Mobilization Device for CTD ○ ○

34 Stern Roller for Working ○ ○

(7)

고려하였다(Figs. 7 and 8). 시료채취장비는 어란 샘플러, 다중 플랑크톤 채집기, 피스톤 코어러 운용개념을 반영하 였다(Fig. 8). 설비시스템 중 윈치시스템은 다목적 윈치, 트랙션 윈치와 CTD용 윈치와 예비 윈치 총 4종을 적용하 였으며, 프레임은 A-프레임 Davit, J-프레임 Davit, CTD용 A-프레임 Davit을 포함하였다(Fig. 9). 연구관측장비 후처 리용 항해제어시스템, 연구선 동적 기본정보를 제공하는 자동항해정보시스템과 위성위치측정 보조시스템을 반영 하였다. 그 밖에 자동 해양기상 관측장비와 수중 조사장비 위치 탐지기를 설계에 반영하였으며, 연구지원 선박설비 로는 동적위치제어시스템, 선수추진기, 주추진기와 주발 전기를 고려하였다.

3. 결 론

2018년 12월부터 2019년 9월까지 총 9개월에 걸친 수 행된 이어도호 대체 연구선 설계 결과와 현 이어도호와의 주요 제원 비교 결과는 Table 3과 4와 같다. 연구선의 전 장은 62.0 m로서 현재 이어도호의 전장보다 26.5% 증가 되었고 선폭은 3.0 m 넓은 11.6 m로 최종 설계되었다. 주 요 공간의 경우, 연구관측장비 운용, 항해, 기관, 거주, 창 고, 탱크와 통로공간으로 구분하였을 때, 현 이어도호의

Fig. 7. Location of thermosalinograph equipment and conti-

nuous underway fish egg sampler on the upper deck

Fig. 8. Location of piston corer, multiple net system and underway conductivity-temperature-depth sensor (CTD) equipment on the upper deck

Fig. 9. Location of three-type winch system and sound

velocity profiler equipment on the upper deck

(8)

연구조사장비 운용공간은 전체 공간의 7.0% (35.7 m²) 규 모인 반면에 700톤급 이어도호의 연구장비 운용공간은 155.9 m²로 전체면적의 17.5% 규모로 확대 적용하므로서 연구선으로서의 연구활동 공간을 대폭 강화하였다. Dry Lab.과 Wet Lab.의 면적 구성은 1:2 비율로 적용한 반면 에 연구장비실은 별도의 공간으로 적용하므로서 연구관 측 분야별 현장 적용 특성을 반영하여 배치하였다.

2022년 초에 건조가 완료될 예정에 있는 이어도호 대체 연구선은 우리나라 관할해역과 지역해를 중심으로 해양 에 대한 국가현안을 과학적으로 해결하기 위한 첨단의 연 구인프라 구축을 통해 국가해양과학기술이 다시 한번 도 약할 수 있는 대표적인 해양인프라로써 자리매김 할 것으 로 기대된다.

사 사

본 연구는 “이어도호 대체 종합해양연구선 건조(F6270 00)”사업과 관련하여 수행된 결과입니다.

참고문헌