잠수함이야기 울리히 가블러의 ＜잠수함 설계＞ (5) / 잠수함 역학 (이어서)

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간만에 시간이 나서 울리히 가블러의 <잠수함 설계>를 계속 이어서 살펴보고자 합니다.

잠수함 역학에 대한 내용을 계속 이어서 가보겠습니다.

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https://cafe.daum.net/shogun/OCbn/666

울리히 가블러의 ＜잠수함 설계＞ (4) / 잠수함 역학

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2. 수중저항(Submerged drag)

   수중저항은 함체의 마찰저항 및 형상저항으로 구성된다. 마찰저항은 함의 형상(the lines)이 매끄럽고 도장의 상태가 좋을수록 최소화 될 것이다. 형상저항은 함의 형상이 매끄러울수록 아주 작아질 수 있다. 그럼에도 불구하고, 메인 밸러스트 탱크들과 자유충수구역들을 위한 슬릿들에 의해 상당한 저항이 발생한다.

   슬릿은 같은 사이즈의 강판에서 마찰저항보다 네 배에서 다섯 배 정도 더 큰 수중저항을 야기한다. 여기에 더하여, 이 슬릿들은 자유충수구역들 내부에서 수직방향 유체흐름과 와류들이 형성될 때 추가적인 저항을 야기할 수 있다. 이러한 유체흐름 현상에 소요되는 에너지는 추진체계로부터 형성된다. 함체 내부의 유체흐름 현상을 감소시키기 위한 한가지 방법은 자유충수구역 내에서 격벽과 거미줄 형상의 프레임들을 활용하여 적절한 횡단면 분할(transverse subdivision)을 실행하는 것이다.

   그 외의 수중저항은 함체의 상부구조물과 방향타와 안정핀에 의해 야기된다. 볼라드(* 정박할때 홋줄을 매는 기둥), 돌출부, 항해등은 추가 수중저항을 일으키지 않기 위해 수납할 수 있어야한다.

   이러한 수중저항의 총합은 잠수함이 깊게 잠항할 때의 수중저항의 총합을 구성한다.

   위에서 살펴본 수중저항의 구성요소들은 잠수함이 위로 전개가능한 장비들(잠망경, 스노클, 안테나 등)을 모두 접고 있을때를 기준으로 서술된 것이다. 이러한 장비들은 전개 되었을때 상당한 추가 수중저항을 야기한다. 예를들어, 총합 500㎥의 배수량의 좋은 형상을 가진 잠수함이 잠망경을 전개할 때, 전개된 잠망경은 잠수함이 4knot로 항주할 시 수중저항의 30%를 야기한다. 만약 10knot로 증속하면 비율은 8.5%로 줄어든다.

   수중저항은 대략 속력의 제곱에 비례하여 증가한다.

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3. 추진체계(Propulsion)

   가잠함(* submersible, 주로 물 위로 다니다가 필요한 때에만 잠수하는 배. 2차대전 Type XXI 이전의 잠수함들은 사실 가잠함으로 통칭됨. 현재도 가잠함은 존재함)은 같은 프로펠러 분당 회전수(rpm)에서 수상속력과 수중속력을 극복하기 위한 저항값이 다를 것이다. 따라서 프로펠러에 가해지는 부하도 달라질 것이다.

   그러므로 가잠함에 있어서 수상항해와 수중항해 모두를 위한 최상의 프로펠러를 디자인하는 것은 불가능하며 타협이 필요하다. 가잠함의 프로펠러 직경은 종종 제약의 대상이 된다. 프로펠러 날의 끝단은 반드시 물표면으로부터 거리를 두어야 한다. 왜냐하면 황천시 폭기(* aeration, 물에 공기가 유입되어 추진효율이 떨어지는 현상)를 일으킬 위험이 있기 때문이다. 여기에 더하여, 함체가 착저할 수 있도록 프로펠러 끝단은 반드시 용골 기단선(keel baseline)으로부터 충분히 높게 위치해 있어야 한다.

   가잠함이 수상에서 항해할 때 달성 가능한 추진효율은 유사한 프로펠러 부하를 가진 수상함의 그것과 같다. 수상항해시 캐비테이션 현상(* Cavitation phenomena, 프로펠러가 회전하면서 프로펠러 날 끝단의 위치한 물의 압력이 떨어져 100도 이하에서도 기화하는 현상. 잠수함의 주요한 소음원 중 하나)은 반드시 고려대상이 되어야 한다. 가잠함의 추진 효율은 대개 수중항해시 저하된다. 

   가잠함에게 있어서 좀 더 호의적인 추진환경은 가변 피치프로펠러(* variable pitch propellers, 각도를 조절할 수 있는 프로펠러)에 의해 달성될 수 있다. 왜냐하면 피치(* 프로펠러가 1회전할 때 유체를 밀어내는 거리)가 수상항해와 수중항해시의 다양한 부하에 적응할 수 있게되어, 결과적으로 두 가지 경우에서 모두 향상된 결과를 가져오기 때문이다.

  수중항해중인 잠수함의 경우에서 프로펠러의 부하는 모든 속력하에서도 상수가 될 것이다. 왜냐하면 수중저항은 속력의 제곱에 비례하기 때문이다. 이 말인 즉슨, 수중항해시 모든 속력하에서 프로펠러는 같은 효율을 가지게 될 것이라는 뜻이다. 수압은 캐비테이션을 다소 무의미하게 만든다. 이 점은 종종 (* 프로펠러) 최적의 직경을 분당 회전수(rpm)와 가해지는 부하에 따라 선택할 수 있게 해준다.

  표면마찰이 주요한 수중마찰을 구성하기 때문에 잠수함 프로펠러의 날개에는 상당한 마찰흐름(friction wake)이 있다. 만약 프로펠러가 동심항적(concentric wake)에 위치한다면 상당한 추진 에너지가 회복될 수 있다. 이러한 에너지 회복은 이중 추진체계에 비해 단일 추진체계가 가지는 근본적 이점들 중의 하나이다.

   잠항도중, 느린 속력에서의 저소음 추진은 뛰어난 결과를 가져다 준다. 프로펠러가 소음을 방사하기 시작하는 속력은 가능한 높으면 높을수록 좋다. 수중역학적 및 수중음향적 요구사항들은 서로가 서로에게 적용되어야만 한다. 그러므로, 가장 효율이 좋은 3엽 프로펠러 대신 효율은 다소 떨어지나 특정 형태를 가진 5엽 프로펠러나 7엽 프로펠러를 채택하는 것이 타협점이 될 수 있다.

수중역학만 따지면 3엽 프로펠러가 가장 효율적이지만, 은밀성을 위해 수중음향까지 고려하다보니 현대 잠수함들은 단면적을 최대한 늘린 형상(skewed)의 7엽을 채택하고 있습니다.

   종합하자면, 만약 낮은 rpm, 낮은 프로펠러 부하, 무제한의 프로펠러 직경, 마찰흐름(wake)으로부터 추진력을 회복할 수 있는 단일 추진체계의 잠수함은 아주 높은 추진 효율을 가지고 있다고 말할 수 있다. 이러한 효율성은 그 어떤 프로펠러로 추진하는 선박들보다 더 향상될 것이다.

  수중항해에 적합하게 디자인 된 잠수함의 프로펠러는 수상에서의 추진효율도 만족한다고 간주된다.

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음... 한마디로 요약하자면 잠수함의 효율성을 좌우하는 요소들은 이러저러한게 있구나입니다.

[_Arondite_]

유체역학 분야에서는 거진 상식 수준이라 학부생들도 배우는 내용을 담고 있네요.
그만큼 군더더기없이 깔끔한 책이라는 뜻이겠지요.

[cjs5x5]

네. 말 그대로 개론서인 책입니다.

[heidegger]

3엽 프로펠러가 가장 효율적이지만 수중음향까지 고려하여 7엽을 채택하고 있군요