1. 서 론
세일링 요트는 선체의 형상이 최소저항을 발생 하도록 설계되어야 한다는 점에서 일반 상선이나 고속정의 설계 관점과 유사한 점이 있으나, 세일 을 이용하여 바람의 힘으로 추진됨에 따라 풍향과 풍속에 따라 선속과 선체 항주자세의 변화가 심하 고, 항해조건, 승선자의 요구 또는 해상 상황에 따 라 급격하게 항주상태, 방향, 선속 등을 변화시켜 야 하는 점에서는 일반 선박과는 다른 점이 있다.
특히 바람을 거슬러 범주하는 상황에는 일반 선박 과는 달리 횡경사가 매우 두드러지게 나타난다는 특징이 있다.
이러한 자세변화는 유체역학적인 비대칭성을 유 발하며 이에 따라 선체 직립 상태에서는 나타나지 않았던 여러 가지 부가적인 현상들이 나타나게 된 다. 따라서 선형 설계자는 이러한 특징을 충분히 고려하여 선형과 부가물들의 위치와 형상 등을 설 계하여야 한다. 본 논문에서는 일반 선박을 주로 설계하던 설계자가 세일링 요트를 설계하는 경우 일반선박의 여러 가지 설계인자들을 세일링 요트 의 독특한 특징을 반영하여 세일링 요트의 선형 설계에 적용하기 위한 방법을 고찰해 보고자 하였 다.
세일링 요트의 선형 설계
유 재 훈 , 안 해 성 , 반 석 호
한 국 해 양 연 구 원 해 양 시 스 템 안 전 연 구 소
Hull Form Study of Sailing YachtJaehoon 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)
2. 선형 설계
2.1. 선체길이 (LOA, LWL)의 결정
선체 길이의 결정에 대한 가장 큰 요소는 건조 비용이다. 일반적으로 선체의 단가는 길이의 제곱 에 비례한다고 설명하며, 이에 따라 건조 예산이 나 판매 가격 등에 의해 길이를 결정하게 된다.
유체역학적으로 길이를 결정하는 가장 큰 요인 은 계획 선속과 조파저항이라고 할 수 있다. 즉, 되도록이면 선체에 의해 발생되어지는 파계를 고 려하여 선체 길이를 선택하게 된다. 물론 이러한 파계에 대한 검토는 모형시험 또는 CFD 등을 통 해 평가되어져야 하지만, 간단히 아래와 같은 방 법으로 설계 선속(Vs)과 파장(λ) 또는 수선장(LWL) 에 대한 초기 추정이 가능하다.
(1)
위 식을 사용하면 8노트의 선속을 가지는 선박 은 기본적으로 약 10.8m의 파장을 가지는 파계를 유발하게 된다. 만일 선박의 수선장이 10.8m라면, 선박은 선수와 선미에 각각 파고를 가지는 파계에 잡혀(squat) 있게 되는데, 이를 벗어나기 위해서는 꽤 많은 추진력이 필요하게 된다. 다시 말하면, 10.8m의 수선장을 가지는 선박은 8노트를 제한 속도로 가지게 된다. 설계자는 이 정보를 바탕으 로 일차적으로 원하는 선속에 대한 선체의 길이를 대응시킬 수 있다. 식(1)은 일반적인 배수량형 선 박의 1차 임계 속도(wave barrier)를 계산하는 방 법이며, 임계 속도를 넘는 선속을 원하는 경우 설 계자는 플레이닝(planing)이 수월한 선형이나 파랑 관통(wave piercing) 능력이 뛰어난 선형을 선택 하여야 한다. 또한, 요트의 엔진 마력을 산정하는 경우에도 (1)식에 의한 임계 속도 계산과 이에 대 한 고려는 필수적이다.
2.2. 선폭(B)의 결정
선폭에 대한 결정은 저항 성능의 평가와 더불어 복원력에 대한 평가와 거주부 등 필요 공간의 확 보에 따라 행하여진다. 폭이 커지면 당연히 데크 의 공간이 넓어지게 되며, 거주부 등의 공간이 여 유 있는 설계가 될 수 있으나, 저항 성능의 차원 에서는 너무 납작한 선형이 되기 때문에 파랑 관 통능력의 효과를 기대하기가 어려워지게 된다.
복원력에 대한 검토는 예상할 수 있는 강풍 상 태에서 30도 정도의 힐이 발생하도록 선형의 폭을 결정한다. 폭의 증가는 필연적으로 저항성능의 악 화를 유도하게 되므로 복원력에 대한 제한 조건하 에서 충분한 거주부를 확보한 후에는 최소의 폭을 갖도록 설계하도록 한다. 선형의 폭에 대한 검토 는 발라스트를 제외한 선형 자체만의 복원력을 검 토하는 것이 필요하다. 이를 “선형 복원성: Form Stability”이라 부르고 이에 대한 추정을 선형 폭 결정에 가장 큰 요소로 활용하기도 한다. 일반적 으로 복원력의 확보를 위해서 건현 상부에 플레어 (Flare)를 두게 되는데, 플레어의 크기가 큰 경우 강풍 중에 큰 각도의 힐이 지게 되면 저항이 매우 커지는 문제가 발생하게 되므로 복원력의 확보를 단순히 플레어에 의지하는 설계는 효과적이지 못 한다. 플레어를 두는 경우에는 일반적으로 선미부 보다는 선수부에 많은 양을 배치하는 것이 좋다.
이는 선수부의 프레임 형상이 선미보다는 복원력 이 작을 수밖에 없다는 이유에도 기인할 뿐더러, 승정원의 몸무게를 이용한 발란싱(힐을 줄여주기 위한 승정원의 이동)을 시도하는 경우 승정원의 중량을 효과적으로 사용하기 위해서는 선수부에 적당한 플레어에 의해 데크의 폭을 넓혀주고, 이 렇게 선체로부터 되도록 멀리 떨어진 끝단에 승정 원을 집중적으로 배치하는 것이 힐을 줄여주기에 훨씬 효과적이기 때문이다. 또한 선수부에서의 플 레어의 크기는 파랑 중에서 선체가 종동요를 하는 경우 이에 대한 저항력을 확보하기 위해서 검토되 는 것이 필요하다.
Fig.1 Bow shapes 2.3. 길이-폭(L/B)의 비
유체역학적인 관점에서는 폭 자체의 크기나 길 이 자체에 대한 검토보다는 상대적인 길이의 비를 중요하게 검토해야 한다. 일반적으로 설계되어진 요트의 경우에는 폭/길이의 값이 0.15~0.35 정도 의 범위 내에 존재하게 되며, 이 값의 경향은 저 항 성능에 대한 평가와 더불어 만들어진 요트에 적용하고자 하는 레이팅(Rating) 규정에 의해 결 정하기도 한다.
일반적으로 저항성능은 L/B 값이 클수록 유리 하게 된다. 반면에 L/B값이 크면 복원성능에 문제 가 생길 수 있는 선형이 되며, 아울러 필요한 만 큼의 데크 공간이 좁아지는 문제도 생길 수 있다.
따라서 어느 정도의 값에서 설계적 타협을 보는 가가 중요한 설계 인자가 되며, 이에 대한 평가는 설계자의 의도에 따라 결정되어지는 것이 일반적 이다.
2.4. 주요제원에 대한 경향
최근 설계되어지는 세일링 요트들은 크루징용 요트와 레이싱 위주의 요트로 각각 구분하여 다음 과 같은 경향의 설계가 이루어지고 있다.
① 크루징 요트의 경우 다양한 항만 조건, 특히 수심이 높낮이가 불규칙할 경우를 대비해 되도록 발라스트 킬의 깊이를 낮추게 된다. 이러한 경우 모자라는 복원력을 확보하기 위해 선폭의 크기를 키우게 된다.
② 크루징 요트의 경우 충분한 거주부의 확보가 필수적이므로 충분한 크기의 선폭을 가지게 된다.
③ 풍상 항해를 위주로 하는 레이싱 요트의 경 우는 보다 좋은 저항 성능과 풍상향 각도를 최소 로 할 수 있도록 횡저항(lateral resistance)을 크 게 하기 위해서 선폭을 최소한으로 가지는 설계를 하게 된다. 이러한 요트들은 킬의 중량을 키워 충 분한 복원력을 확보하게 된다.
④ Beam reach 및 풍하향 범주에서 고속의 선 속을 가지고자 하는 레이싱 요트는 최대한 경량 구조를 가지도록 설계하며, 플레이닝(Planing) 효 과를 증대시키기 위해서 흘수/폭의 비가 작으면서
최대 폭의 위치를 중앙부보다 뒤쪽에 둔다. 이러 한 광폭 선형은 비교적 킬의 중량이 작다.
⑤ 즉, 킬의 중량을 줄여주고자 하는 경량 요트 는 선폭을 키워 충분한 복원력을 확보한다.
2.5. 선수프로파일
선수 프로파일의 형상은 크게 유체역학적인 특 성에 따른 선택과 레이팅 규정에 따른 선택, 그리 고 선체에 소요되는 건조 비용, 특히 재료 원가에 의한 선택으로 나누어 고려하게 된다.
유체역학적인 특성으로서는 종동요에 대한 저항 력, 즉 건현 상부에 존재하는 여분 부피에 의한 복원력 확보에 대한 것과, 선회성능에 대한 선수 부의 선회저항력에 대한 것, 그리고 파랑 중 항해 시에 파랑 관통능력을 들 수 있다.
레이팅 룰에 의해서는 레이팅의 기본 변수로 수 선장(LWL)을 사용하는지, 전장(LOA)을 사용하는 지에 따라 선택되어진다. 예를 들어, 수선장의 길 이 증가가 레이팅에 손해를 주는 규정의 경우에는 수선장의 길이를 줄이고 대신 전장을 키움으로 인 해 핸디캡 손실은 없이 세일 면적을 키울 수 있 다.
선수 프로파일의 형태는 Fig.1에 보이는 것과 같이 크게 세 가지로 나눌 수 있다. 수선장보다 전장이 커지게 되는 Spoon Bow 형태와 선수 프 로파일이 수직하여 수선장과 전장이 비슷하게 되 는 Destroyer Bow 형태, 그리고 복합형인 Knuckle Bow로 나눠진다.
최근의 설계는 파랑 중 운동 성능보다는 저항 성능 개선에 많은 비중을 두는 경향이며, 이에 따 라 구축함형(destroyer) 선수(bow)를 채택하는 비
율이 높다. 하지만 구축함형 선수가 가지는 단점 을 개선하기 위한 너클(knuckle) 선수가 채택되어 지고 있다. 특히 레이싱 요트의 경우에 선회 성능 에 대한 선수부의 저항력을 개선하기 위해서 프로 파일은 구축함형을 채택하지만 너클의 위치를 흘 수 위에 두는 방법을 채택하는 경향이 뚜렷하다.
반면, 레이팅 규정에 따라서는 수선장에 비해 배 수량이 작은 경우 배수량 확보를 위해 너클을 흘 수 아래로 내리기도 한다.
2.6. 선미 트랜섬 (프로파일)
선미 트랜섬의 형태는 수직한 형태, 건현 상부 가 더 긴 Raked-After 타입 그리고 흘수 부근이 더 긴 Reverse-Angle 형태로 나눌 수 있다.
종동요에 대한 저항을 키우기 위해 건현 상부의 길이를 증가시킬 필요가 있을 때는 Reverse- Angle 형태를 선택하게 된다. 이 경우 주조종석의 공간이 증가되어지는 장점이 생기며, 불필요한 상 부 구조를 제거함으로 인해 중량 감소 및 저중심 설계가 된다는 장점이 있다. 단순히 데크 상에 공 간이 많이 필요한 경우 Raked-After형태를 채택 하게 된다.
Fig.2 Transom shapes
2.7. 부력중심 위치(LCB) 및 주형계수(Cp) 선형 요소 중에 가장 먼저 고려되는 것이 주형 계수의 값과 그 분포이다. 이 값은 선형의 비대성 을 표현하는 것이지만 방형계수(Cb)에 비해 좀 더 구체적으로 비대성을 표현한다는 특징이 있다. 특 히 주형계수의 값은 LCB의 위치와 더불어 요트 선형의 특성을 단적으로 표현하게 된다. 대부분의 요트 선형은 체적 분포에 있어서 선수 선형이 비 슷한 형태를 가지게 된다는 점에서 주형계수가 큰 선형은 LCB가 선미 쪽에 분포되는 선형이 되는 경우가 대부분이고, 반대로 주형계수가 작은 배는
비교적 선수, 선미의 체적 분포가 균일한 선형으 로 나타난다. 대부분의 요트 선형은 0.5~0.6 사이 의 주형계수 값을 가지게 되며, 0.5 정도의 주형 계수라면 전장의 50% 위치 부근에 LCB를 가진 다. 0.6 정도의 주형계수라면 55%~60% (선수에 서 선미방향으로) 정도의 LCB를 가지는 것이 경 향이라 할 수 있다.
Fig.3 Hull Forms according to LCB (Cp)
이러한 주형계수로 표현되는 선형의 비대성은 선형 자체의 특성에 있어서 매우 큰 차이를 보이 게 된다. Fig.3의 세 번째 선형과 같이 주형계수가 크고 체적 중심이 선미 쪽으로 치우친 선형은 강 풍에서 풍하향 항해에 좋은 성능을 가지는 이른바 활주형의 선형이 되고, 반대로 주형계수가 작고 LCB가 중앙 또는 선수 쪽에 치우친 첫 번째 선형 은 미풍에서 풍상향 성능이 좋은 이른바 파랑 관 통형의 선형이 된다. 0.6 이상의 큰 주형계수를 가지는 경우, 즉, LCB가 60% 이상에 놓이는 선형 은 그 선미 형상이 너무 비대해지게 되므로 대부 분의 풍속 상태에서 비교적 큰 저항을 유발하게 된다.
2.8. 프레임 라인
일반적인 파워 보트의 경우 일정 속도 이상의 항주시 활주상태가 되도록 선미부 선저형상을 편 평하게 설계한다. 일단 활주 상태가 된 배는 매우 급격하게 저항이 줄어들고 매우 빠른 속도를 유지 하면서 항주하게 된다. 요트의 경우에도 엔진의 힘에 의해 선속을 증가시키는 메커니즘이 불가능 하긴 하지만, 배의 전체적인 중량을 최대한 줄여 주고, 선미의 형태를 적절한 형태로 만들어 준다 면, 이러한 활주상태의 항주가 가능하다. 최근에는 활주 항주를 가능하게 하기 위하여 경량재로 배를 건조하여 되도록 배를 가볍게 건조하고 선미의 모 양을 편평하게 만드는 설계가 채택되어지고 있다.
다만, 요트에 있어서는 풍향에 따라 횡경사가 생 기는 문제가 필연적이므로 횡경사가 비교적 발생 되지 않는 풍하향에서 이러한 활주 효과를 기대하 게 된다. 이러한 활주 항주가 요구되는 선형은 이 전의 일반적인 요트 선형들과는 조금은 다른 형태 로 설계되어진다. 우선 전체적인 체적의 분포를 선미 쪽으로 치우쳐 분포시키며, 침수표면적을 최 소로 하기 위해 직선 형태의 프레임 라인을 원형 으로 바꿔주게 되며, 선저나 선측에 급격한 유동 변화가 생기지 않도록 선형의 물 흐름 방향으로의 불균일한 형태를 가지 않도록 주의하여 설계하게 된다. 또 하나의 선속 증가가 급격하게 발생하는 현상으로서 서핑(Surfing: 파도의 내려가는 경사면
을 항주하는 것)이 있으며, 일반적으로 풍하향의 항주 시에 서핑의 도움을 받아 활주가 이루어지는 것이 대부분이다. 서핑을 잘 하기 위한 설계는 활 주를 위한 선형과 크게 다르지 않으며, 단지 선체 의 중량이 가볍지 않은 요트의 경우에도 서핑 현 상은 발생할 수 있다는 차이가 있다. 하지만 발생 한 서핑 현상을 지속적으로 선속 증가에 반영하기 위해서는 필연적으로 가볍고 편평한 선미의 선형 으로서 활주를 발생시킬 수 있어야 한다. 7~8노 트의 항주를 하고 있던 요트의 경우 서핑을 동반 한 활주가 시작되면 10~12노트까지 선속이 증가 하게 된다. 프레임 라인의 전반적인 형태는 선체 의 중량에 따라 결정되어진다. 가벼운 선체일 경 우 폭이 넓고 흘수가 낮은 선형이 되며, 반면에 선체의 중량이 큰 경우 폭이 좁고 흘수가 깊은 형 태를 가져야 상대적으로 저항 성능에 유리한 선형 이 된다. 선수부의 프레임 라인 형태는 수직한 형 태의 프로파일과 같이 길이방향으로 체적 분포에 제한을 두는 경우, 특히 파랑 관통능력을 향상시 키기 위해 물 흐름 방향의 입사각을 작게 하고자 하는 경우, 종동요에 대한 저항력인 상부 복원력 을 확보하기 위한 방법으로서 건현 상부에 플레어 가 존재하도록 하는 형태가 있을 수 있다.
2.9. 횡경사의 고려
일반적으로 세일링 요트는 바람을 받아 범주하 는 경우 비교적 큰 횡경사가 발생하게 되며, 횡경 사의 크기는 설계 풍속에서 크루징용이냐 레이싱 용이냐에 따라 결정되어지는 설계인자 중 하나가 된다. 크루징용의 경우 항해 중 승정원의 안락성 을 위주로 설계하게 되며, 원양에서의 안정성을 위해서 비교적 작은 횡경사를 만들려고 노력하게 되나, 레이싱용의 경우는 선속을 향상시키기 위해 비교적 큰 세일 면적을 채택하게 되므로 같은 풍 속에서도 횡경사의 크기를 크게 가지게 된다. 따 라서 직립 상태를 기준으로 저항성능이 우수하도 록 잘 설계되어진 선형이라도 횡경사에 의해 많은 저항이 부가되는 설계라면 좋지 않은 설계가 되고 만다. 즉, 기하학적인 선형의 변화로부터 시작하여 횡경사에 의해 나타날 수 있는 여러 가지 유체역
학적인 결과를 설계에 반영하여야 한다. 횡경사에 의해 유발되어지는 현상 중에 두드러진 것들을 정 리하면 다음과 같다.
Fig.4 Waterline change by heel
(1) 수선장 및 침수표면의 변화
일반적으로 설계되어진 선형은 횡경사가 발생하 면 Fig.4와 같이 수선장이 길어지는 현상과 침수 표면적이 줄어드는 현상이 나타나게 된다. 수선장 의 길이 증가는 저항의 감소요인이 되는 우호적인 현상이므로 선미부 오버행(overhang)을 미리 충분 히 잡아 놓아 횡경사시에 수선장의 증가가 원활하 게 이루어지도록 하는 것이 필요하다. 실제로 30 피트급의 세일링 요트에 대한 예인수조 모형시험 결과에서도 설계 횡경사 20도에서 최소 저항이 나 타나는 것이 확인된 바 있다. (유재훈 등, 2005)
(2) 트림(Trim)의 발생
횡경사에 의한 수선면 증가는 특히 선수부에 비 해 수선면적 변화가 큰 선미부의 침수부피를 증가 시키게 되어 결국 선수트림을 유발하게 된다. 이 러한 현상은 선미 쪽의 부피가 큰 선형일수록 심 하게 나타나며, 이렇게 발생되어진 선수트림은 선 수 입사부를 물에 잠기게 하므로 선회저항(Yaw Checking Resistance)을 증가시키는 문제점을 발 생하게 된다. 이러한 문제점은 선수 프로파일의 너클 위치를 미리 높여놓는 방법으로 해결하게 된 다. 또한 횡경사에 의한 선수 트림이 큰 선형의 경우 러더의 노출이 나타날 수도 있으므로 러더의
종횡비를 크게 만드는 것이 필요하다.
(3) 비대칭성에 의한 헬름(Helm)의 발생 횡경사가 발생하면 선형은 좌우 비대칭이 되게 된다. 이러한 비대칭성은 직립 상태에서는 나타나 지 않던 선회력을 유발하여 선체를 선회시키게 된 다. 이러한 형상을 웨더헬름(weather helm)이라고 하며, 프레임 라인의 각도가 작은 선수부의 좌우 비대칭성이 커짐으로 인해 주로 횡경사의 반대 방 향으로 선회력이 발생하게 된다. 이러한 웨더헬름 은 선수트림이 큰 선형의 경우 더욱 크게 나타나 게 된다.
3. 결 언
이상에서 살펴 본 바와 같이 선주의 요구에 따 라 선형 및 선속이 결정되어지는 일반선박의 설계 와는 달리 요트는 승선자가 레이싱, 크루징, 또는 복합형태의 항주를 요구하느냐에 따라 주요제원 및 선형계수들이 정해지게 되며 특히 풍속 및 풍 향에 따라 자세변화가 심하게 이루어지는 요트의 특성상 발라스트(항주시 복원력 또는 자세를 잡기 위한 킬 등)의 제원이 선형만큼 중요한 설계인자 로 포함되어야 한다. 또한 일반선박 설계와는 달 리 같은 급의 요트선형도 승선자의 취향 또는 유 행에 따라 급격히 변화하므로 더욱 심화된 연구를 통하여 승선자 및 요트 사용자의 요구에 부합되는 선형 및 부가물의 설계기술을 확보하는 것이 필요 하다.
참 고 문 헌
[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
