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구상선수

 

구상선수 [球狀船首, Bulbous bow]

 

구상선수(球狀船首, Bulbous bow)는 선수(bow)의 종류 중 하나로, 선박의 조파저항을 감소시키기 위해 수면하에 둥근 공처럼 설계되었다. 구상선수가 만든 파도와 선수부의 선체가 만든 파도가 간섭(干涉)하여 저항을 감소시키는 원리다.

 

사전에는 아주 간단히 설명되어있습니다. 구상선수의 목적은 바로 “조파저항”을 줄이기 위함입니다.

여기서, 구상선수가 조파저항을 줄이는 방식이 바로 “노이즈캔슬링”기술과 유사하다고 볼 수 있습니다

 

 

주 선체가 생성하는 파도와 위상이 반대인 파도를 발생시켜 전체적인 파도의 크기를 줄여주는 역할을 합니다.

선수 부근에 발생하는 쇄파(Wave Breaking)를 줄여 주는 역할을 하기도 합니다.

 

쇄파(Wave Breaking)현상

 쇄파현상이란, 간단히 설명드리자면 파도가 깨지는 현상이라고 할 수 있습니다. 그렇다면 수상선수의 원리(?)가 무엇일까? 궁굼 하실겁니다.

노이즈 캔슬링과 같은 기술이라고 했는데, 다른 원리가 있다(?), 일단 오늘 포스팅 주제에 말씀드린 “노이즈캔슬링”기술이 “구상선수”에 쓰이고 있다고 했는데 같은 기술일까? 라고 묻는분도 계십니다.

지금까지의 설명대로 보면 같은 기술이지만 엄밀히 다가가 보면 같지만 다른 기술(?)이라고 설명 드릴수 있습니다.

“노이즈 캔슬링”의 경우, 소음으로 발생된 주파수를 파악하여 반대되는 주파수를 생성시켜 이를 상쇄시키는 기술이고, “구상선수”의 경우 선체가 발생시키는 파도의 위상과 반대되는 위상의 파도를 발생시켜 이를 상쇄시키고 있습니다.

결국, 다른거 같지만 같고 같은것 같지만 다른 의미 입니다.

여기서, 다른점은 노이즈켄슬링 기술의 소음제거 방식은 소음주파수를 기계적으로 파악하여 인위적으로 반대 주파수를 발생 시키지만, 구상선수의 방식은 바로 “유체역학”의 원리로 자연스럽게 파도를 없앤다는 것입니다.

 

구상선수의 정면도 및 측면도

 유체역학의 가장 기본적인 공식중에 하나인 유량을 구하는 공식이 있습니다. “유량은 단면적 곱하기 유속(Q = A x V)”입니다.

어떻게 보면 참 간단한 공식하나로 조파저항을 줄일 수 있다는 것이 신기하시죠? 위의 그림에서 보듯이 구상선수의 전면에서 선박이 앞으로 전진하면서 구상선수 윗부분으로 물이 들어올때, 붉은색 화살표와 같이 높이가 달라지는 것을 볼 수 있습니다.

이곳을 단면적으로 보면 선수에서 받은 물의 양은 선미로 빠져 나올때, 항상 같은 양의 물이 빠져 나가는 것이 기본 이론입니다.

물이 구상선수 위를 지날때, 단면적이 줄어들면서 유속이 높아집니다. 이를 토대로 다른 이론은 보면 유속과 압력은 “유속”이 빨라 지면 “압력”은 낮아지는 반비례 관계에 있습니다.

구상선수 윗부분의 압력이 낮아지면서 구상선수 주위의 높은 압력의 파도가 낮은 압력으로 흡수되면서 상쇄되는 원리입니다.

 

구상선수의 오해와 진실? 혹은 장/단점?

 

그렇다면 구상선수는 모든 선박에서 같은 작용을 할까? 현실은 그렇지 않습니다. 물속에 잠겨야지만 본래의 기능을 할 수 있습니다.

수면위로 나와있으면, 경우에 따라 오히려 저항이 될 수도 있는 것입니다.

그래서, 기능면으로 볼때 구상선수를 잘 사용하는 선박은 “컨테이너선”이라고 할 수 있습니다. 그렇다고 다른 선종에서는 비효율적이라는 것은 아닙니다.

그 이유는 “컨테이너선”은 특별한 사유가 아닌한 항상 화물을 가득싣고 항해하기 때문입니다. 여러 항구를 빠르게 돌면서 항상 화물을 싣고 있습니다.

반면, 벌크선(산적화물선, Bulk Carrier)의 경우 공선(어떠한 화물을 싣지않은 상태)에서 운항하는 경우가 많이 있습니다.

물론, 공선 상태라고 하면 선체가 물에 잠기는 정도가 적어 그만큼 저항은 줄어들 수도 있습니다.

어선에 설치한 구상선수

 마지막으로 구상선수를 설치하는 조금 엉뚱한 살례들이 있습니다. 위의 사진과 같이 어선들에도 많이 설치를 하고있습니다.

조선공학 전공자의 입장에서 볼때, 위 사진의 어선들에 설치하는 구상선수는 구상선수의 역활을 하지 못합니다. 저 깊이 만큼 어선에 화물을 싣을 수가 없기때문입니다.

그래서, 생각해보니 어선에 설치하는 구상선수는 저항을 줄이기 위함 보다는 어선이 항해할때, 선수가 앞으로 숙이는 자세(즉, 선수트림 Trim by the head)를 방지하는 일종의 항해시 어선의 자세를 잡아주기 위한 추가 부력의 기능으로 사용하고 있습니다.

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