잠수함이야기 울리히 가블러의 ＜잠수함 설계＞ (4) / 잠수함 역학

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울리히 가블러의 <잠수함 설계>를 이어서 살펴보겠습니다.

오늘은 잠수함 역학에 대한 내용입니다. 분량이 길어서 여러 편으로 쪼개서 게재하겠습니다.
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울리히 가블러의 <잠수함 설계> (4)

잠수함 역학
Dynamics

1. 가잠함과 잠수함의 형상차이(Shape of the submarine versus the submersible)

진정한 잠수함과 가잠함은 근본적으로 다른 형상(lines)를 가지고 있다.

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

209급 잠수함. Ulrich Gabler의 작품중 하나. / 가잠함은 필요할때만 잠수하는 배였다면, 잠수함은 거의 언제나 잠수하는 배.

참고도면에서 볼 수 있듯이, 가잠함의 형상은 좋은 내항성(seakeeping qualities, 선박이 파도속에서 항해하는 성능)을 유지시켜 수상에서의 빠른속력을 가능케 할 것이다.

좌상단 도면 2개를 주목.

반대로 진정한 잠수함의 형상은 수중에서의 높은 속력과 그 어떤 속력에서도 긴 항속거리를 가능케 할 것이다.

가잠함은 조파저항(wave resistance, 파도에 의해 발생하는 저항)에 영향을 많이 받으므로 함체의 최대길이가 순항 성능의 중요한 요소로 작용한다. 어뢰정의 형상이 가잠함의 형상으로 제시되곤 하였다. 함중앙(midship)은 최대한 두껍게(full) 제작된 반면, 함수와 함미는 최대한 얆게(fine) 제작되었다.

2번째 줄을 보시면 두꺼운 함중앙과 얇은 함수 및 함미를 보실 수 있습니다. / Type 7C 유보트

가잠함의 함수는 내항성을 향상시키기 위해 플레어형 프레임(* 텀블홀의 반대형상)을 가지게 되었다. 밸러스트 탱크의 크기는 가잠함의 내항성에 결정적 영향을 끼쳤다. 부양선(line of flotation, 수상항해 중에 물 위로 선체가 드러나는 지점) 상단에 위치한 상부구조물의 끝단들은 항해성(seagoing qualities)을 향상시키기 위해 수밀갑판(watertight forecastle) 그리고 수밀함미(watertight stern)의 형태로 제작될 수 있었다.

이러한 수밀갑판과 수밀함미와 같은 공간의 상단에는 벤트가 있었고 하단에는 물이 자유롭게 드나드는 통로가 있었다. 밸러스트 탱크의 상단 벤트와 달리 이 벤트들은 잠수를 위해 열려있었다. 잠수항해시에는 항상 열려있었으며, 함선이 부상하면 이 공간들에서 물은 빠지고 벤트는 다시 닫힌다.

부양선 상단의 배수량 크기와 구성 그리고 적절하게 균형잡힌 안정성 관계식(relationships)은 황천속에서도 함교탑의 콕핏이 젖지 않는지의 여부를 결정지었다.

유보트는 함교탑이 워낙 낮아서 황천이면 별다른 수가 없어 보이기도.

가잠함은 일정한 흘수로 물 위를 순항하기 때문에, 유체역학적으로 유효한 길이를 확보하기 위해여 함미를 높히는 형태로 설계될 수도 있다. 가잠함의 프로펠러들은 특정한 담금각(degree of immersion)이 요구되었기에 함미 하단에 위치되었다.

가잠함의 함미 수평타들은 회전반경을 최대한 줄이기 위해 가능한 한 최대로 작아졌다. 크고 단일한 방향타 혹은 방향타 한 쌍의 배치는 수상에서의 전술기동에 필요로 하는 작은 회전반경(전장Length의 3배에서 3배 반)을 달성했다.

외부선체(* 케이싱)를 더 용이하게 모양잡을 수 있기 때문에 단일선체보다는 이중선체의 잠수함이 좋은 수상형상으로 설계하기 용이하다. 단일선체의 잠수함은 선체의 상당부분이 압력선체와 동일하기 하다. 그러므로 압력선체 잠수함의 함형은 원통형 및 절단된 원뿔형을 가진 압력선체의 형상에 매우 강하게 의존한다.

전환기(intermediate)의 함급들은 수상형상을 중시하여 이중선체와 단일선체 사이의 어딘가에 놓여있다. 

그렇다고 가잠함의 함형이 수중에서 나쁘다는 건 아니다. 왜냐하면 유체흐름의 분리(flow separation)로부터 거의 자유롭기 때문이다. 그럼에도 불구하고 수상항해에 요구되는 상부구조물과 부속물들은 대개 너무 큰 항력(drag)를 일으켰기 때문에 전체적으로 잠수항해시 저항이 커졌다.

이러한 사항과 저조한 추진력이 더해져 가잠함은 수중항해시 느린 속력을 가졌다.

Type 21 이전의 잠수함들은 수중에서 7노트가 고작이었습니다. 심지어 7노트로 달리면 30분내로 배터리가 방전될 지경.

가잠함들은 대개 한 쌍의 추진기를 가졌는데, 왜냐하면 제한된 프로펠러 직경 속에서 충분한 수상항해력을 가지기 위해서였다. 또한 한 쌍의 추진기는 더 나은 기동성을 부여했으며, 한 쌍중 하나의 추진기가 작동하지 않는 상황속에서도 여분의 추진력도 부여했다.

한 쌍의 추진기, 한 쌍의 방향타. 수중보다는 수상항해를 염두한 구조. / U-995. Type 7C 유보트

반면에 잠수함은 전적으로 잠수항해를 위해 설계된 형상을 가져야한다. 잠수함은 깊게 잠수했을때 파도의 항력에 노출되지 않기 때문이다.

시간의 흐름에 따라 변화한 잠수함의 형상들. 수상함의 요소들이 흔적기관처럼 남아있다가 점차 실린더형 함체로 변하는 모습.

다만, 잠수함 직경(압력선체 중앙으로부터 해수면까지로 측정)의 4.5배와 같은 심도에서는 고속항주시 파도의 항력이 완전히 사라지진 않는다. 이에 따라, 직경이 5m인 잠수함은 고속항주시 파도의 항력을 받지 않기 위해 먼저 25m까지 내려가야만 한다. 반면에, 저속에서는 파도의 항력이 미미하다. 심지어 잠망경 심도에서도 말이다.

해저 근처에서 잠수항해할때는 추가적인 저항이 유발한다. 잠수함 표면에서 발생하는 마찰 항력이 지배적인 저항요소이다. 그러므로 이러한 항력을 최소화 하기 위해선 표면적을 최소화해야한다.

이러한 표면적의 최소화는 함선의 직경은 최대화하고 전장은 최소화함으로써 달성된다. 함미쪽을 향한 함체의 얇이(fineness)는 반드시 유체흐름의 분리를 최소화하기 위한 방향으로 설정되어야 한다.

함수쪽 선체와 상부구조물 및 부속물들의 모든 앞쪽 모서리들은 둥그스름하게 만들 수 있으나, 상부구조물 및 부속물들의 뒤쪽끝들은 뾰족한(sharp) 형상을 가져야 한다.

러시아의 알파급 잠수함의 함교탑 형상이 딱 이러합니다.

함미 수평타는 효과적인 방향타와 함께 작은 회전반경을 달성하기 위하여 최대한 축소된다. 잠수항해시 회전반경은 상부구조물을 앞쪽에 둘수록 더 작아질 수 있다.

물리법칙에 따라, 수상항해보다는 수중항해시에 회전반경이 더 작고 저속일수록 더 작아진다.

진정한 잠수함의 형상은 수상항해에 매우 적합하지 않다. 수상항해시 달성가능한 속력은 일반적으로 수중항해시 최대속력보다 떨어지는 것으로 여겨진다.

수상항해중인 시울프급 잠수함. 하얀 포말이 많이 보입니다. 저게 다 물과의 저항입니다.

오늘날의 잠수함들은 대개 단일한 추진기로 제작된다. 왜냐하면 단일한 추진체계가 가장 효율적인 추진효율을 내기 때문이다

독일 212급 잠수함의 추진기. 위쪽의 유보트는 한 쌍이었음에 주목.

가잠함이 잠망경 심도나 수상과 가까이 잠수할때는 파도의 움직임에 더 노출될 것이다. 왜냐하면 비대한 상부구조물과 평평한 갑판을 가지고 있기 때문이다. 반면에 잠수함들의 상부구조물은 작다.

겁나 높고, 복잡하고, 수중저항이 컸던 Gato급 잠수함의 함교탑. 2차대전 당시 미국 주력 잠수함.

심플하고 매끄럽게 잘 빠진 독일 212급 잠수함의 함교탑.

이러한 이유로 인해 가잠함들은 잠수함보다 더 크고 더 효과적인 잠항타를 필요로 한다.

선박이 잠망경 심도에서 항주할 때 파도의 에너지는 심도조절에 간섭할 것이다. 간섭의 정도는 바다의 상태에 따라 다양할 것이다. 해류는 함체를 들어올리는데, 함체가 해류에 맞설때 가장 심하고 해류를 따라갈때 가장 덜할 것이다.

황천속에서의 심도조절은 침로를 정횡방향으로(abeam) 놓았을때 가장 용이할 것이다

잠수함은 물 위에 허리케인이 있을때 수심 80m에서 양 옆으로 8도까지 회전할 수 있다(roll).
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[heidegger]

중간에 212급 사진에 프로펠러에 캐비테이션을 감소하는 장치가 붙어 있는데 명칭을 까먹었네요 작성자분 아시면 댓글로 달아주셨으면 좋겠네요

[cjs5x5]

Vortex Diffuser라고 하네요. 좀 더 흔한 용어로는 Propeller Boss Cap Fins (PBCF)라고 부른다네요.
https://www.thedrive.com/the-war-zone/26281/german-type-212-sub-has-this-propeller-boss-vortex-diffuser-to-reduce-its-acoustic-signature

[heidegger]

댓글 감사합니다

[_Arondite_]

중간쯤에 '잠수함과 U보트' 사진 바로 아래 문단에 약간 수정이 필요해보이는 부분이 있네요. 잠수함 직경을 언급하신 부분인데, 압력선체 중앙으로부터 '해수면'까지가 아니라 '잠수함 표면'까지입니다. 아마도 surface라는 단어를 쓴 듯한데, 해수면을 의미하기도 하지만 이 경우는 잠수함의 표면이라고 해석하는 게 맞다고 보입니다.

[cjs5x5]

네 맞습니다. surface라고 되어있어서 해수면이라고 생각했는데, 지금 다시보니까 잠수함은 다양한 심도에 머물 수 있으니까 잠수함 표면(외부선체)까지가 맞는거 같습니다. 하마터면 그냥 넘어갈 뻔했네요. 감사합니다!