윤현규 (차세대운송체연구사업단 선임연구원)

 바다는 육지와는 달리 항상 파도가 존재한다. 따라서 선박은 파도가 종재하는 상황에서 목적지까지 운항하여야 하는데, 파도는 선박의 종동요(Pitching), 상하동요(Heaving), 횡동요(Rolling) 등을 일으킨다. 이 중에서도 선박의 횡동요는 그 감쇠계수가 다른 운동 방향에 비하여 매우 작아, 파랑에 대한 응답각이 상당히 크며, 운동 주파수 또한 사람의 배멀미에 큰 영향을 미치는 범위에 있다. 다양한 형태의 선박들 중에서 여객선은 극도의 안락성을 요구하고, 함정은 거친 해상환경에서도 운용이 가능하여야 하므로, 승객 또는 승조원의 승선감을 증대하고 이를 통하여 임무 수행 능력을 극대화 하기 위한 횡동요 안정화 장치(Anti-rolling device)가 널리 사용되고 있다.

 횡동요 안정화 장치는 제어방식에 따라 외부 에너지를 사용하는 능동형과 선박의 횡동요 운동에너지를 거꾸로 사용하는 수동형으로 구분된다. 현재까지 선박에 장착되어 사용되는 안정화 장치로는 빌지 킬(Bilge keel), 질량 이동형 장치(Moving weight stabilizer), 감요 탱크(Anti-rolling tank), 핀 스태빌라이저(Fin stabilizer) 등이 있다. 이 중에서 빌지 킬과 핀 스태빌라이저가 각각 대표적인 수동형, 능동형 안정화 장치이다.

 핀 스태빌라이저는 핀에 작용하는 양력을 이용하여 횡동요에 대한 안정 모멘트를 얻는 장치이므로, 함정이 일정 속도 이상으로 운항 할 때만 효과가 발생한다. 불규칙한 해상 상태에서 450톤급 함정에 안정화 장치를 장착한다고 가정할 때, 이상적인 능동형 감요 탱크가 45% 정도의 횡요 감쇠 성능을 발휘하는 반면, 핀 스태빌라이저는 60% 이상의 성능을 얻을 수 있다. 따라서 거친 해상상태에서 빈번하게 고속으로 운항하여야 하는 함정의 경우에는 핀 스태빌라이저를 장착하는 것이 바람직하다.
 현재, 함정용 핀 스태빌라이저는 대부분 해외에서 설계하여, 기계 장치 만을 국내에서 하청 생산하고, 제어 로직을 포함한 제어반은 외국에서 수입하는 실정이다. 따라서 민군겸용기술개발 과제인 ‘파랑중 수상선의 자세제어장비 기술개발’에서는 함정용 핀 스태빌라이저를 설계에서부터 제품화까지 국내 독자 기술로 연구？개발하였다. 


 핀 스태빌라이저는 구성부별로 핀, 핀구동장치, 제어반으로 구분할 수 있다. 핀에서 발생하는 모멘트를 극대화하기 위하여 핀은 선체의 빌지부에 장착되며, 설치 제한상 핀의 최대 스팬길이는 선폭을 넘으면 안된다. 이에 따라 개발 시스템의 핀은 작은 가로-세로비의 NACA0015 단면으로 선정하였다.
   핀구동장치는 유압 장치부와 핀구동부로 구성된다. 유압 장치부는 18.5 kW의 모터를 적용한 유압 펌프와 압력계, 온도계, 수위계 등의 다양한 센서로 구성된다. 핀구동부는 실린더 형태의 액츄에이팅 장치와 핀각 제어를 위한 비례제어 밸브, 잠금 밸브 등으로 구성된다.

  
 제어반은 주제어반(Fin Control Cabinet), 모터 스위치 박스(Motor Switch Box), 함교 제어콘솔(Bridge Operator Panel)로 구성된다. 주제어반은 440VAC 전원을 함정으로부터 인가 받아서 좌현？우현의 유압 모터들에 분배하여 주고, 각종 센서 신호를 취합한다. 또한 내부에 설치된 함정 운동 계측센서 신호를 되먹임하여 제어 명령을 발생하는 핀 스태빌라이저의 두뇌와 같은 부분이다. 여기서 중앙처리장치로는 PLC(Programmable Logic Controller)를 적용하였다. 모터 스위치 박스는 주제어반으로 부터 분배된 전원을 모터 쪽으로 인가하고, 유압장치들에 장착된 각종 신호를 취득하여 주제어반으로 전달하여 준다. 함교 제어콘솔은 승조원들이 함교에서 핀 스태빌라이저의 작동 명령 및 모니터링을 할 수 있도록 하는 장비이다. 

 핀 스태빌라이저와 같은 장비를 개발할 때, 실제 함정에 장착하여 시험평가를 할 수 없으므로, 육상에서 함정의 운동을 모사하여 주는 Target Simulator를 동시에 개발하여 HILS(Hardware- In-the-Loop Simulation) 시험을 수행한다. Target Simulator는 파랑 중 함정의 운동을 계산하는 S/W부와 함정 속력, 타각 등에 대한 입력장치부, 함정의 운동 계측센서를 부착하고 실제 함정 운동을 모사하는 운동대 등으로 구성된다. HILS 시험을 수행하면, 육상에서 개발장비에 대한 대부분의 점검 및 오류 수정을 할 수 있다.

 개발된 핀 스태빌라이저를 함정에서 사용하기 위하여는 진동, 충격, 전자파 시험을 비롯한 다양한 환경시험을 수행하여야 한다. 따라서 작년말부터 국내공인기관에서 이러한 시험을 수행하여 올해 하반기에 모두 마칠 예정이다. 
 함정용 핀 스태빌라이저를 국내에서 독자 개발함으로써 함정 형태가 변화하여도, 많은 비용 소모 없이 능동적으로 개발된 제품을 적용할 수 있게 되었다. 앞으로는 파랑 중 선박의 운동을 감소시키는 ‘외란이 지배적인 시스템’에 적합한 예측제어기법과 같은 최신의 제어기법을 대상 시스템에 적용하여, 외국 제품에 비하여 우수한 성능을 갖도록 계속하여 시스템을 향상시킬 예정이다.

2006-09-26