[잠수함이야기]울리히 가블러의 ＜잠수함 설계＞ (2) / 잠수와 안정성

[cjs5x5]

어제에 이어 울리히 가블러의 <잠수함 설계>를 살펴보겠습니다.

오늘은 잠수와 안정성에 대한 내용입니다. 분량이 길어서 두 편으로 쪼개서 게재하겠습니다.
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울리히 가블러의 <잠수함 설계> (2)

잠수과 안정성
Diving and stability

잠수함 내부에 배치된 각종 탱크들.

1. 잠수(Diving)

잠수함은 두 개의 부양상태를 가진다. 하나는 수상에서의 부양이고 또 하나는 수중에서의 부양이다.

수상항해에서 잠수항해로의 전환은 밸러스트 탱크를 채워서 이루어진다. 밸러스트 탱크는 수상항해때 비어있고 수중항해때 가득찬다.

잠수의 과정은 크게 2가지로 해석될 수 있다. 첫번째 해석은 밸러스트 탱크에 해수로 채움으로써 잠수함의 무게와 용적이 증가하여, 부력중심과 중력중심이 수직방향으로 전환된다는 것이다. 이 해석은 대부분의 국가에서 받아들여지고 있다.

두번쨰 해석은 대략 1938년부터 독일에서 받아들여지고 있다. 이 해석에선 밸러스트 탱크에 해수가 유입되어도 잠수함의 무게는 수상항해때와 변하지 않는다고 여겨진다. 중력중심도 수상항해때와 마찬가지이다. 

다만, 부력중심만 함의 높이와 길이에 연관되어 변화한다. 왜냐하면 부양선(line of flotation, 수상항해 중에 물 위로 선체가 드러나는 지점) 위쪽에 위치하던 압력에 저항하는 부분들이 물에 잠기고 밸러스트 탱크 내용물들의 배수량은 구축(eliminated)되기 때문이다. 이 두번째 해석이 디자인 단계에서 더 유용하게 활용된다.

209급 잠수함. Ulrich Gabler의 작품중 하나.

잠수항해의 준비가 된 잠수함은 반드시 수중무게를 가진다. 이는 배수량과 일치한다. 만약 잠수함이 더 밀도가 높은 물에 잠수한다면 잠수함은 더 무겁게 된다. 그러므로, 잠수함을 물 속에 가라앉히기 위해선 설계단계에서부터 그 잠수함이 맞딱뜨릴 수 있는 (물의) 최대밀도와 최소밀도가 반드시 설정되어야 한다.

예를 들어, 대양 및 대양과 맞닿아 있는 지역의 해수밀도는 1028에서 1030이다(* 단위는 적혀있지 않음). 발트해의 서쪽은 1012이나 동쪽은 많은 부분들이 거의 순수한 청수이기에 1005까지 떨어진다.

잠수중인 선박이 세로로 균형을 잡고 있고(trimmed) 예비 혹은 음성부력 없이 수중에 떠있다면, 그 잠수함은 "예비부력 없이 중립트림(neutral trim)"을 가지고 있다고 말할 수 있다. 

잠수함이 밸러스트 탱크를 비우면 그 선박은 물 위에 뜰 수 있고 살계에 따라 결정되는 고정된 트림(종경사)만을 갖는다. 잠항했을때 예비부력 없이 중립트림을 갖는 무게배분을 유지하는 한 말이다.

수상항해시 트림상태는 잠수함의 형상과 밸러스트 탱크의 위치 및 크기에 따라 결정된다. 그리고 소모품, 청수, 연료와 같은 저장물들은 반드시 함내에 있는 카운터웨이트들을 조정함으로써 보상되어야만 한다.

잠수중인 잠수함이 기관의 힘 없이 부양하고 있을 때, 그 잠수함은 중성적으로 세로균형을 잡고 있다고(neutrally trimmed) 여겨질 수 있으며 아르키메데스의 법칙을 따른다고 추정되어진다. 그러나 방정식상 여러 변수들로 인해 완전히 그렇다고 볼 수 없기도 하다.

예를 들어, 압력선체는 유연하기 때문에 주변 해수보다 더 잘 쪼그라들 수 있다(compressible). 만약 유연한 압력선체를 가진 잠수함이 더 깊게 내려간다면, 압력선체는 점점 더 쪼그라 들 것이며, 그로 인해 내압 배수량(pressure-proof displacement)도 감소한다. 그러므로 잠수함은 더 내려갈수록 더욱 빠르게 가라앉는다.

그래서 유사해 보이는 사례인 공기중에 떠있는 풍선은 잠수함의 사례에선 적용될 수 없다. 잠수함은 탱크들을 채우거나 비우는 방법으로만 정지상태에서 특정 심도에 머물 수 있다.

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2. 수중항해를 위한 필요사항들에 관련된 탱크들의 배치(Arrangement of the tanks with respect to the requirements for submerged cruising)

밸러스트 탱크
밸러스트 탱크는 수상항해시 필요로 하는 부력을 제공해준다. 밸러스트 탱크는 수상항해시 완전히 비게 되고 수중항해시 완전히 가득 찬다. 밸러스트 탱크들은 수중항해시 바다와 완전히 트여있기 때문에 내압 배수량에 포함되지 않는다.

수상항해시 잠수함은 밸러스트 탱크안의 에어쿠션 위에서 뜬다.

밸러스트 탱크의 가능한 한 최대로 낮은 하단에 슬릿형태의 출입구가 있다. 잠수시에 이 출입구를 통해 해수가 유입된다.

잠수시에 밸러스트 탱크에 차있던 공기는 밸러스트 탱크 상단에 위치한 배기 밴트 혹은 밸브를 통해서 배출된다. 이 배기 밴트는 잠수시에 함수가 아래로 향하기 때문에 가능한 한 밸러스트 탱크의 최후단에 위치시킨다. 이 벤트는 잠수를 시작할때 빠르게 열리고, 잠수가 마무리 될 때 다시 닫힌다.

잠항시 밸러스트 탱크 상단의 벤트로 공기를 배출하는 모습

부상시에 잠수함은 잠망경 심도에서 잠망경을 올린다. 그리고 밸러스트 탱크를 압축공기로 불어내면서 부상절차를 시작한다. 

잠수함이 물 위로 올라오면 나머지 해수들은 블로워의 저압 압축공기나 디젤엔진의 배기로 밀어낸다. 이때 소요되는 저압 압축공기는 함교탑의 해치 혹은 공기 공급 마스트를 통해 유입된다.

밸러스트 탱크의 용적은 대략 수상 배수량의 10%에서 40%를 차지한다. 가잠함(Submergible)은 수상에서의 순항능력(감항성, Seaworthiness)이 중요하기에 수중항해를 주로하는 잠수함(Submarine)보다 더 큰 밸러스트 탱크를 가지고 있으며, 잠수함이 클 수록 밸러스트 탱크의 비중은 적어진다.

Type 21이전의 잠수함들은 잠수함(Submarine)이라기보다는 가잠함(Submergible)에 가까웠습니다.

밸러스트 탱크에 해수가 유입되는데 소요되는 가장 짧은 시간은 10초 정도이다. 대개 가잠함보다는 잠수함의 시간이 더 걸린다.

밸러스트 탱크는 해수를 유입시키는 시간을 단축시키기 위해 부양선보다 아래에 위치해있다. 

민간 가잠함들은 대개 상대적으로 큰 밸러스트 탱크를 선체 외부에 구비해두고 있다. 이 선박들은 밸러스트 탱크를 비울때 압축공기로 불어내기도 하지만 몇몇 사례들에서는 펌프로 퍼내기도 한다.
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보상탱크
보상탱크들은 잠수함의 무게를 조절하는데 쓰이며 내압 배수량에 포함된다. 이 보상탱크들은 함중앙(amidship)에 배치되며, 배수량 중력중심의 수직상 중심에 최대한 가깝도록 배치된다.

보상탱크와 트림탱크의 개념도. 한마디로 함의 균형을 맞추는 용도의 탱크들입니다.

보상탱크들은 필요에 따라 바다로부터 해수를 유입시킬 수도 있고 바다를 향해 해수를 배출할 수도 있다. 보상탱크들은 펌프를 이용해 비워낼 수도 있고, 비상시에는 독자적인 전기동력을 이용하여 압축공기로 불어낼 수도 있다. 압축공기쪽이 더 조용하기도 하다. 잠수함은 2개 내지 4개의 보상탱크를 가지고 있다.

보상탱크들은 다음과 같은 중량들을 보상해내야만 한다.
1. 해수간의 무게 차이. 만약 잠수함이 해수밀도가 1008에서 1028사이인 해역에서 잠항한다면 내압 배수량의 2%는 보상되어야 한다.
2. 청수, 연료, 윤활유, 기타 소모품을 소모하고 비게 된 중량.
3. 깊게 잠항함에 따라 감소한 잠수함의 용적. 잠수함이 200m 이하로 잠항할 경우 대략 내압 배수량의 0.3%는 보상되어야 한다.

대부분의 상황에서 보상탱크들은 내압 배수량의 2.5%에서 3.0%의 용적을 차지한다.
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트림탱크
트림탱크들은 잠수함이 중성트림 상태에서 기동할 수 있도록 중력중심을 유지시킨다. 트림탱크들은 크기가 같으며 최대한 함수쪽과 함미쪽에 붙여서 배치한다. 트릠탱크들은 트림배관을 통해 서로 연결되어있다.

트림탱크의 개념도

트림유체는 특정한 펌프나 저압 공기를 이용하여 왔다갔다 한다. 트림유체의 양은 전체 트림탱크 용량의 절반으로 맞춰져 있다. 트림탱크의 용량은 극단적인 중량에도 대응할 수 있도록 정해진다. 트림탱크는 내압 배수량의 0.5%의 용적을 차지한다.

잠수함 끝단에 트림탱크를 배치함으로써 보상탱크와 트림탱크의 기능을 결합할 수도 있다. 이러한 결합은 더 큰 공간을 확보하여 전체적인 잠수함 디자인상의 이점을 가져다 준다. 하지만 비용과 에너지 소비의 측면에서 불리함을 가져온다.

민간 가잠함들도 트리밍 장비들을 필요로 한다. 만약 선체의 길이가 충분치 않다면 선체 외부에 트리밍 장비를 추가할 수도 있다.
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네거티브 탱크
네거티브 탱크는 가잠함이 파도가 치는 상황에서 잠수할 때 사용되었다. 파도치는 상황에서 가잠함은 추가 부력으로 인해 좀처럼 잠항하지 못했다. 이에 네거티브 탱크는 함선이 잠항할 때 추가 음성부력을 부여헸디.

네거티브 탱크는 함선의 중력중심보다 함수쪽에 배치되어 함수쪽에 추가 중량을 부여했다. 잠항 직후나 원하는 심도에 다다랐을때 압축공기를 이용해 빠르게 비워낼 수 있었고, 부상 직후에 빠르게 채워넣을 수도 있었다. 네거티브 탱크의 용적은 대략 배수량의 0.7%를 차지했다.

옛날 가잠함들이 이런 황천에서 잠항할때 활용한 탱크가 네거티브 탱크

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[heidegger]

잘 보고 갑니다 잠수함이 굉장히 복잡하군요

[cjs5x5]

사실 책 자체가 잠수함 설계개론에 가까운 물건이라 그런 감이 있기도 합니다. 낮설은 선박용어들도 찾아가면서 옮기다보니 골머리 좀 썩히는 중이네요. ㅎㅎ.

[heidegger]

cjs5x5 고생하셨네요

[_Arondite_]

잠수과정에 대한 2개의 해석 중 독일의 해석이 공학적으로 더 유용한 해석이네요. 이렇게 해석하지 않으면 잠수함의 최대부력과 최대중량간의 관계를 알기 위해 복잡한 미분방정식을 여러 단계에 걸쳐 풀어야 합니다. 수치적으로는 더 정확할지도 모르지만 시간이 너무 오래 걸리고, 중간에 틀린 부분이 있을 가능성이 매우 높아집니다. 한쪽을 상수로 취급하는 독일식 해석은 설계시간을 단축하면서 충분히 유의미한 결과를 얻을 수 있죠. 어차피 양쪽의 차이는 많아야 5% 이내이고, 일반적으로 독일식 해석 쪽이 보다 큰 부력을 계산해내기 때문에 안전 측면에서 유리하기도 하지요.

[_Arondite_]

참고 : 해수의 밀도 단위는 학술적으로는 g/cm^3을 씁니다만, 공학쪽에서는 단위변환의 편의성 문제로 kg/m^3을 즐겨 씁니다. g/cm^3을 쓸 경우 해수의 밀도는 1.023과 같이 소수점으로, kg/m^3을 쓸 경우 1,023과 같이 천 단위의 숫자로 표시됩니다.
한국 근해의 경우 청수가 지속적으로 유입되는 근해임에도 불구하고 밀도가 평균적으로 높은 편입니다. 특히 서해의 경우 1022~1030까지 높아지며 일부 기간에는 1033까지 높아지기도 하지요. 아무래도 황하의 영향이 크겠지요.