기 호 설 명
KEn : Normal Kinetic Energy
IEi : Ice Indentation Energy
IEs : Structural Indentation Energy
서 론
대한민국 해군의 영향력 및 작전 영역의 확장은 가까운 미래에 반드시 다가올 것은 자명한 사실이다. 현재까지의 대한민국 해군 활동 영역에서는 결빙지역에 대한 고려가 이루어지지 않고 있다. 결빙지역에서의 작전 필요성은 이후 작전 영역의 확장을 고려하는 경우가 아니더라도, 현재 대한민국 해군의 주요 작전 영역인 겨울철 서해상에서의 활동을 위해서도 반드시 고려해야 하는 상황이다. Fig. 1은 겨울철 서해상에서 결빙 현상이 발생하는 사례를 보여준다.[1–2]
서해의 경우 현재 대한민국 해군의 주요 작전 영역에 포함되어 있으므로 만약 겨울철 결빙 해역에서의 긴급한 작전 수행이 요구되는 상황이 발생할 가능성이 충분히 있다. 이러한 경우 현재 내빙설계가 전혀 고려되지 않고 있는 대한민국 해군 함정이 결빙지역에서 충분히 작전이 가능한지 여부에 대한 평가가 우선적으로 요구된다고 할 수 있다. 미국, 캐나다 및 다수의 북유럽 국가와 같은 빙해역권 국가에서는 해안경비대(Coast Guard)에서 쇄빙능력을 가지고 있는 선박을 운용 중에 있으며 대표적인 쇄빙 능력을 가진 미국과 캐나다 해안경비대 선박은 Fig. 2와 같다.[3–4]
선체 외판 두께와 관련하여 면외 압력을 받는 판의 강도를 기준으로 일반 상선과 함정에 요구되는 외판두께 비교 결과는 Fig. 3과 같이 상선에 비해 함정 외판 두께가 상당히 얇은 것을 확인할 수 있다.[5–7] 이는 앞서 언급한 바와 같이 함정의 경우 선체 경량화를 통해 기동성 확보 및 무기체계 탑재가 설계 요소에서 최우선적으로 반영되어 있기 때문이다.
일반적으로 쇄빙능력 또는 내빙성능을 가지고 있는 선박의 경우, 외판 두께가 일반적인 함정에서 요구하 는 선체 외판 두께 이상을 가져야 한다. 이러한 경우 신속성 및 다수의 무기체계를 탑재하기 위해 선체 자체의 중량을 최소한으로 경량화하여 설계되고 있는 함정 설계의 기본 원칙에 다소 위배되는 설계가 요구될 가능성이 높을 것으로 예상된다.
이러한 이유에서 현재 미국과 캐나다에서는 기존에 건조되어 활동하고 있는 자국 함정을 대상으로 별도의 내빙설계를 고려하지 않은 상황에서 결빙 지역에서의 실제 활동이 가능한지 여부에 대한 기초 연구를 단계적으로 추진하고 있는 것으로 파악된다. 미국 정부에서 발간한 공식적인 문서는 아니지만 내빙설계가 고려되지 않은 자국 해군 함정의 결빙 지역에서의 활동 가능성에 대한 연구가 수행된 바 있다. 분석 결과를 간략하게 요약하자면, 현재 선체 재료요건의 관점에서는 기존에 건조되어 활동 중인 함정의 경우 극지 운항에 요구되는 IACS Polar Rules와 빙해운항선박 지침[8,9]에서 정의하고 있는 극지 등급 중 ‘PC7’ 등급(오래된 빙의 개재(inclusions)가 포함될 수도 있는 얇은 두께의 1년생 빙 조건에서의 하기/추기 운항)을 만족하지만 선체 구조요건의 관점에서는 극지 운항이 제한됨을 확인하였다. 하지만 얼음의 두께가 상당히 얇고(thin), 열려있는 해빙구역(open sea ice fields)에서 대략적인 저속 운항(some low speed operations)이라는 전제조건에서는 비록 내빙설계가 고려되지 않은 함정의 경우에도 활동이 가능할 수 있다는 점을 초기 해석을 통해 확인하였고 추가적인 연구가 진행되고 있다[10].
캐나다의 경우 대한민국 국방과학연구소와 유사한 DRDC(Defense Research & Development Council)라는 연구기관에서 내빙설계가 고려되지 않은 개념상의 구축함을 대상으로 실제 결빙 지역에서의 활동 가능성에 대한 기초 연구가 수행된 결과를 발표하였다[11,12].
본 연구에서는 현재까지 발표된 연구결과에 대한 기본적인 분석을 수행하고 그 결과를 바탕으로 대한민국 해군 함정에서 유사한 제원을 가지고 있는 구축함을 대상으로 내빙설계가 고려되어 있지 않은 함정의 결빙지역에서의 운항 가능성을 평가하고 함정의 구조 안전성 확보 방안에 대해 논의하였다.
국외/대한민국 해군 구축함 제원 비교
문헌조사를 통해 공식적으로 확인 가능한 캐나다 구축함의 주요 제원과 선체구조 관련한 제원을 Table 1과 2에 정리하였다. 여기서 ‘Notional’의 의미는 특정 해군 구축함을 지칭하는 것이 아닌 일반적인 구축함 또는 건조 예정인 구축함을 의미하는 것이다.
Table 1.
Table 2.
캐나다 구축함 제원은 해석을 목적으로 비교적 상세하게 소개되었으나 대한민국 해군에서 현재 활동 중인 구축함의 주요 선체구조에 대한 상세한 제원을 공식적으로 확보하는 것은 불가능하다. 따라서 배수량, 함정길이, 선폭 및 흘수를 기준으로 비교하여 유사한 함정을 대상으로 비교 평가하는 것이 현재로서는 가장 합리적인 접근방법이라 판단하였다. 비교 평가를 통해 현재 활동 중인 대한민국 해군 구축함 중 충무공 이순신급(KD-2)과 세종대왕급(KD-3) 구축함을 주요 제원을 기준으로 가장 적절한 비교 대상인 것으로 판단하였다. Table 3은 공개된 자료를 기초로 캐나다와 대한민국 해군 구축함의 주요 제원을 비교한 결과를 정리하였다.
내빙설계가 고려되지 않은 함정에 대한 결빙지역 운항 가능성 평가
현재까지 공개되어있는 데이터를 바탕으로 앞서 언급한 대로 별도의 내빙설계가 반영되어 있지 않은 구축함이 결빙지역에서의 작전을 수행하는 경우 선체 구조 관점에서의 구조 건전성을 평가하고 실제 운항 가능성에 대한 추가적인 분석을 수행하였다.
앞서 언급한 바와 같이 일반적으로 결빙 지역에서의 운항이 요구되는 선박에 비해 함정의 경우 선체 구조가 상대적으로 가벼운 경향이 있다. 하지만 일반적인 빙하중이 선체에 영향을 미치는 경우를 고려해봤을 때 상당히 국부적인 하중이 작용하는 경우가 대부분이므로, 비록 내빙설계가 고려되지 않은 함정의 선체구조라 하더라도 함정의 전체 강도(Global strength)의 관점에서 고려하면 구조 건전성과 관련한 문제는 없을 것으로 예상된다. 따라서 내빙설계가 고려되지 않은 함정의 결빙지역에서의 활동 가능성을 평가하기 위해서는 국부적인 빙하중이 작용하는 경우(Local ice impact)에 대한 평가가 중요하다.
내빙설계가 고려되지 않은 함정이 결빙지역에서의 활동이 가능한지 여부를 판단할 수 있는 현실적인 기준은 현재 함정 설계 기준으로 건조되어 활동하고 있는 함정이 결빙지역에서 구조 건전성 관점에서 심각한 손상으로 인해 위험이 발생하지 않아야 함을 전제 조건으로, 1) 어떠한 결빙 조건에서까지 활동이 가능한지에 대한 판단과 더불어 2) 최대 안전 운항 속도 범위를 제한하는 것이다. 이러한 판단을 위해 DDePS (Direct Design for Polar Ships)라는 평가방법에서는 실제 결빙지역에서 활동하는 선박이 경험할 수 있는 총 25개 수준의 다양한 선박-빙 상호작용 시나리오에 대한 빙하중 및 선체 구조 건전성 평가 방법을 제시하고 있다[13–16]. 선체 구조 건전성을 고려한 안전 속도 평가를 위해서 제시된 총 25개의 시나리오 중 선박이 결빙 지역을 운항시 항로상에 존재하는 유빙 모서리와의 충돌을 고려한 ‘Case 2a: Glancing collision with wedge edge’ 시나리오를 선정하여 평가하였다(Fig. 4). Case 2a 시나리오는 IACS UR I2에서 설계 빙하중 평가를 위해 선정된 대표적인 빙충돌 시나리오이며, 따라서 본 연구에서도 선체 구조 건전성 평가를 위해 대표적인 시나리오로 채택하여 적용하였다.
결빙지역을 운항하는 선박-빙 상호작용에 의해 발생하는 빙하중 및 선체 구조 변형과의 관계를 Fig. 5와 6을 통해 개략적으로 나타냈다. 상호작용에 의해 발생하는 하중 크기를 수식을 통해 간략하게 평가하기 위해 적용된 방법이 Daley[17]에 의해 제안된 에너지 평형 관계를 이용한 평가 방법이다. 이 방법의 접근법은 1) 선박과 빙을 각각의 체적을 가진 물체로 간주하고 2) 두 물체가 각각의 이동속도를 가지고 충돌하는 경우 3) 두 물체 사이의 운동에너지(Kinematic energy)와 충돌에 의한 빙 변형에 의한 변형에너지(Indentation energy)가 동일하다는 에너지 평형의 법칙을 기초로 하는 평가 방법이다(Fig. 5).
이후 Daley등[18]에 의해 실제 선박-빙 상호작용 시 선체 변형을 고려하는 경우 운항 효율성의 관점에서 선박 운항 속도를 증가시킬 수 있다는 연구 결과가 발표된 바 있다. 선박이 빙과 충돌하는 과정에서 변형 발생 가능성이 충분히 있고, 실제 충돌에 의한 선박 손상사례들이 다수 보고된 바 있다. 하지만 이전 연구에서는 선체는 변형이 절대 발생할 수 없는 강체(rigid body)로 가정하여 운동에너지 전체가 빙 변형에 의한 에너지로 변환된다는 가정을 기반으로 평가되었다. 하지만 이후 연구에서 선체가 강체가 아닌 변형 가능하다고(deformable body) 가정한 경우 동일한 결빙 조건에서 운항 속도가 증가함을 확인한 바 있다(Fig. 6).
특정 결빙 조건에서 운항하는 선박의 안전 운항 속도 평가 결과를 해석하는 방법을 Fig. 7에서 도식화하여 설명하였다. Fig. 7에서의 x축은 결빙 지역에서의 빙 두께를 나타내고 y축은 빙 직경 크기를 나타낸다. 특정 선박에 대한 안전 운항 속도 평가 후 그래프에 표시된 선의 위쪽 구역(붉은색 배경)은 현재 선체 설계 기준으로 구조 건전성이 확보되지 않는 영역을 의미하며 다시 말해 운항할 수 없는 결빙지역 조건을 나타낸다. 반대로 표시된 선의 아래쪽 구역(파란색 배경)에서는 선체 구조 건전성에 큰 위험 없이 결빙지역 조건 내에서 선박이 운항 가능할 것으로 판단되는 영역을 나타낸다. 그래프 상단에 표시된 계열표 중 첨자 ‘EP’의 의미는 선체 변형관점에서의 탄소성 변형(Elasto-Plastic deformation)을 의미하며, 첨자 ‘A’의 의미는 선체 구조 관점에서 허용되는 최대 소성 변형의 크기를 표기한다. 첨자 ‘B’의 의미는 선박의 운항 속도를 표기한다.
좀 더 구체적으로 표시된 그래프의 의미를 설명하자면, 파란색 배경 내 ‘A.O’로 표시된 결빙 조건에서는 운항이 가능하다는 의미이다. 이때의 결빙 조건을 x축과 y축에서 나타난 수치를 반영하여 조금 더 구체적으로 표현하자면 ‘빙 두께가 0.5 m이고, 빙 직경은 20 m인 결빙 조건에서 선체에 A cm 크기 만큼의 소성 변형이 허용된다면 B kts의 속도로 운항이 허용된다’라고 할 수 있다. 반대로 붉은색 배경구역 내 ‘N.A.O’로 표시된 결빙 조건에서는 운항이 불가능하 다는 의미이며 동일한 방식으로 조금 더 구체적으로 표현한다면 ‘빙 두께가 2.0 m이고, 빙 직경은 60 m 인 결빙 조건에서 선체에 A cm 크기 만큼의 소성 변형이 허용된다 하더라도 B kts의 속도로는 운항이 불가하다’라는 의미임을 알 수 있다.
Fig. 8–10은 선체 구조의 관점에서 허용 가능한 최대 소성 변형 크기에 대한 결빙지역에서의 안전 운항 속도를 평가한 결과를 나타낸다. 평가 결과의 전체적인 경향을 요약하자면 1) 운항속도가 낮을수록 활동 가능한 결빙 지역에 대한 제한조건이 낮아짐을 확인할 수 있고 또한 2) 허용 가능한 최대 소성 변형의 크기가 커질수록 다소 가혹한 결빙지역 조건에서의 운항이 가능함을 알 수 있다. 허용 가능한 최대 소성 변형량에 따른 운항 속도에 관계없이 내빙설계가 반영되지 않은 선박에 대해 구조 건전성이 확보될 것으로 평가되는 결빙지역 조건을 Table 4에 정리하였다.
Table 4.
제 원 | 0 cm | 5 cm | 10 cm |
---|---|---|---|
Ice Floe Thickness | ~ 0.1 m | ~ 0.3 m | ~ 0.5 m |
Ice Floe Diameter | ~ 5.0 m | ~ 10.0 m | ~ 15.0 m |
Fig. 11은 동일한 운항 속도조건에서 허용 가능한 소성 변형량의 변화에 따라 실제 선박이 운항 가능한 결빙지역 조건을 비교 평가한 결과를 도식화하였다. Fig. 11과 Table 5에 정리한 것과 같이 동일한 ‘3 kts’라는 속도에서 허용 가능한 최대 소성 변형량 ‘0 cm’, ‘5 cm’와 ‘10 cm’에서의 안전 운항이 보장되는 빙 두께는 0.15 m, 0.35 m와 1.60 m로 각각 변화하며(Fig. 11 x축 기준)), 빙 직경 또한 6.0 m, 21.0 m와 75.0 m 로 범위가 확장(Fig. 11 y축 기준)됨을 알 수 있다. 본 연구에서 분석한 결과들은 해석의 관점에서 선체 구조에 허용 가능한 최대 소성 변형량을 가정하여 평가한 결과이므로, 실제 함정 설계 기준이 반영된 함정 선체 구조 기준에서 허용 가능한 소성 변형량에 대한 면밀한 평가가 필요할 것으로 판단된다.
내빙성능을 위한 함정설계 기본제원 평가
해석을 통한 분석결과를 종합해보면 내빙설계가 고려되지 않은 선박(본 연구에서는 함정을 대상으로 함)의 경우라도 제한적인(빙 두께가 얇고 크기가 작은) 결빙지역 조건에서 활동이 가능할 것으로 판단되며 추가적으로 빙 충돌에 의해 발생 가능한 선체 소성변형을 일정 수준 허용한다면 운항속도 및 더욱 가혹한 조건에서도 활동이 가능한 것으로 평가되었다.
하지만 실제 작전 중 과도한 선체 구조에 대한 영구 소성변형이 허용되지 않는 경우라면 실제 결빙지역에서의 작전 수행에 요구되는 내빙설계가 함정 구조 설계 단계에서의 기본제원 결정에 반영되어야 한다. 공식적으로 대한민국 해군 구축함에 대한 상세한 주요 선체구조 제원확보가 불가능한 상황이므로 비교 대상으로 선정했던 캐나다 구축함 제원, 문헌을 통해 확인된 세종대왕급 구축함 제원 및 Park[19]에 의해 분석된 각국의 유사 함정의 제원을 참고하여 Table 6에 정리하였다. 결정된 함정 선체 주요제원을 기준으로 결빙지역 운항에 요구되는 선체 구조설계 국제 규정을 적용하여 현재 함정 설계기준의 내빙성능 만족 여부를 평가해보았다.
Table 6.
일반적으로 결빙지역을 운항하는 선박의 주요 선체 구조 제원 결정을 위한 규정은 실제 자국 영토에 빙해역을 포함하는 국가에서 과거부터 현재까지 이론적 인 배경과 실제 빙해역에서의 운항을 통해 축적된 계측 데이터를 바탕으로 다수의 규정이 제정되었다. 유럽의 경우 대표적으로 발틱해 연안에 위치한 핀란드와 스웨덴은 자국 빙해역을 운항하는 선박에 적용하는 FSICR(Finnish-Swedish Ice Class Rules) 규정을 적용중이며, 러시아(RMRS IR)와 캐나다(CASPPR) 또한 마찬가지로 별도의 규정을 가지고 있다.
하지만 다수의 국가에서 내빙설계를 위해 별도의 규정을 적용하는 것에 대한 우려의 목소리가 있었으며 이에 2007년 국제선급협회(IACS, International Association of Classification Societies)에서는 빙해역을 운항하는 선박에 공통적으로 적용해야하는 규정을 공표한 바 있다. 한국선급에서도 IACS UR I2 규정을 준용하여 빙해역을 운항하는 선박에 대한 선체 구조설계, 재료요건 및 추진부분 선정 등에 활용하고 있다.
IACS UR I2에 따라 앞서 Table 6에서 정리한 대한민국 해군 함정의 주요 선체구조 제원에 대한 내빙성능을 평가했다. 앞서 정리된 빙 충돌 시나리오 상황을 고려하였으며 극지 등급은 PC7을 고려하였다. 구조 건전성 확인이 필요한 영역은 Fig. 12에서 정의된 대 빙구역 선체 구조 범위를 참고하여 결정하였다.
Table 7에 정리된 바와 같이 현재 대한민국 해군 함정 설계 기준을 준용하여 건조되어 활동 중인 함정의 경우 IACS UR I2 설계 기준을 적용하는 경우 1) 선수 중간구역(Bl)에서는 선저구역(BIb)을 제외한 나머지 구역에서는 내빙성능을 확보하지 못하는 것으로 평가되었고 2) 중앙구역(M)에서는 대빙대구역(Mi)을 제외한 나머지 구역에서는 일정 수준의 내빙성능이 확보되어있음을 알 수 있다. 이는 일반 상선 설계기준 대비 함정의 경우 앞서 언급한 것과 같이 선체 외판의 두께가 상대적으로 얇고 또한 늑골의 크기 및 두께 또한 얇기 때문인 것으로 판단된다. 또한 안전 운항속도 평가를 위해 설정한 선박-빙 충돌 시나리오에서 가장 큰 하중이 발생하는 위치가 선체 중앙구역이 아닌 선수구역임에 따른 영향 또한 있는 것으로 판단된다.
결 론
대한민국 해군 전력이 점차적으로 증가함에 따라 머지않은 시점에 활동영역이 넓어질 것이고 결빙지역에서의 활동을 펼쳐야 하는 시기가 다가올 것은 자명한 사실이다. 최근 우리나라 서해상에서도 겨울철 결빙현상이 발생하는 사례가 빈번하게 보고되고 있으며, 이러한 상황에서 현재까지 함정설계 관점에서의 우선순위가 다소 중요하지 않았던 내빙설계에 대한 고려는 대한민국 해군 함정의 결빙지역에서의 구조안전성 확보와 동시에 비상시 작전 가능성 판단을 위해 필요성이 있다고 판단된다.
본 연구에서는 국외에서 수행중인 연구결과를 참고하여 대한민국 해군 중 가장 유사한 함정급을 대상으로 기초적인 평가를 수행한 결과를 정리하였다. 분석 결과를 요약하면 일정 수준의 선체 소성변형을 감안하는 경우 현 함정설계 기준에서도 결빙지역에서의 최소한의 작전 수행은 가능할 것으로 검토되었으며, 추가적으로 내빙설계 만족 여부 평가를 위해 실제 함정설계에 활용되는 주요 제원을 적용하여 평가해보았다. 그 결과 1) 함정 중앙부 구역에서는 현 함정설계 기준을 적용하더라도 일정 수준 이상의 빙하중에 대한 구조 건전성 확보가 가능할 것으로 평가되었으나 2) 실제 함정이 운항하는 상황에서 대부분의 빙하중을 경험할 것으로 예상되는 함정 선수부에서는 내빙설계 기준에서 요구되는 구조 건전성 확보가 다소 부족할 것으로 예상되었다. 따라서 추후 연구를 통해 현 함정설계 기준을 크게 벗어나지 않는 기준에서 함정의 내빙성능을 증가시킬 수 있는 연구가 필요할 것으로 판단된다.
추후 충분한 내빙능력을 보유한 함정설계 또한 반드시 검토가 필요할 것으로 생각되며 본 연구를 통해 그 필요성에 대한 논의가 시작될 수 있는 계기가 되기를 희망한다.