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1.콘크리트로 만든 배

▲ 1926년 뉴저지의 케이프에서 좌초된 Atlantis호
콘크리트로 만들어진 배가 대양을 항해 할수 있다고 생각 하세요? 아마 불가능 이라고 생각 하실것입니다. 콘크리트는 시멘트와 자갈,모래의 혼합으로 나무나 건물등을 만들때 사용하지 선박을 건조할때 외피로 사용할수 있을까요? 아마 모두들 고개를 저을것입니다... 보통 선박의 건조에 사용 되어진 강철은 무게가 있고 매우 강하기에 19세기후반 부터 큰 배를 만들때 사용하는 대표적인 물질이 되었습니다. 1차 세계 대전 동안 전쟁물자의 수송이나 군인들의 수송을 위하여 많은 배들이 필요하여졌으나 전쟁무기를 만드는데 강철이 많이 들어가 강철이 부족했습니다. 그래서 1912년 배의 외피에 강철대신 콘크리트를 사용하수 있을까? 생각한 선박 건조자들의 아이디어를 노르웨이 발명가가 몇년을 연구하여 특허를 받았습니다. 콘크리트배가 물에 뜰려면은 물보다 더 가벼워야 하거나 콘크리트의 배를 무게보다 물이 받쳐줄수있는 는 부력이 더 커야 합니다. 어떤 물체의 밀도는 볼륨에 의해서 그물체의 부피로 나누어집니다. 뜰려면 배가 돌과 같은 고체나 콘크리트의 입방체가 물의 입방체 와 같은 수량에서 더 밀집해야 합니다 .콘크리트로만 하면 가라앉을것 이지만 많은 내부에 공기를 가지고 , 배의 모양으로 형성될 때 공기를 포함하는 배의 전체 볼륨 때문에 물에 뜨게 됩니다.
1917년과 1918년 영국의 조선 업자들은 콘크리트를 사용하여 바지선,tug 그리고 낚싯배들을 만들었습니다. 미국인들은 야망이 더 커 50백만 달러를 들여서 원양 항해를 할수 있는 콘크리크화물선 12선대를 조선 하도록 의뢰 했었습니다. 그시대의 강철배들은 다자인이 따라서 자르고 용접을 하여 만들지만 콘크리트배들은 강철과 같은 강도와 단단한 구조를 가지기 위해서는 외피가 더 두꺼워야 하기에 그러다보니 강철 배보다 더 무거웠습니다. 또 조선 업자들은 콘크리트가 강철보다 더 다루기 어려워서 배를 만들때 어려움이 많았습니다. 1918년 미국의 노스케롤라이너주 Wilmington의 Liberty Company Shipyard에서 polias라는 콘크리트 첫번재 배가 건조 되었습니다. 그것은 250 피트의 길이에 draft는 22피트이고 beam은 45피트였습니다. 외피(hull)의 두께는 강철선보다 6인치 더 두꺼웠고 규정된 화물선이 되기 위하여 강철이 13개정도 들어갔습니다. 이 콘크리트 배가 운항을 하는 동안 많은 선원들은 그배를 "떠있는 묘비"라고 했으며 serveron으로 별로 좋아 하지 않았다고 합니다. 1차 세계 대전이 끝난후에 그 배들은 유럽에서 전쟁이 끝나 고국으로 돌아오는 군대를 운송하는데 사용 되었습니다. 그후 전쟁이 끝난후라서 곧 강철이 풍부해지고,이들 배를 운항 하는데는 두꺼운 외피(hull)로 인하여 항해를 할려면 많은 연료가 필요해지고, 선속의 경쟁에서도 뒤떨어 졌습니다. 그래서 운항비가 비싸게 먹혀서 점점 더 배로서의 구실을 못하게 되었습니다. 그래서 콘크리트 배들은 하나둘씩 배가 아닌 카지노,레스토랑 등으로 이용이 되었졌습니다. 위의 사진은 1926년에 미국 동부 연안 의 Cape May, New Jersey에서 Cape Henlopen, Delaware까지의 정기ferry 로 사용되어진 altantis는 그때 가지 배로서 임무에 종사하는 가장 유명한 선박이였으나 Cape May 해변에 계류 되어져 있는 동안 그지역에 폭풍이 몰아쳐서 그배를 움직여 폭풍에 대비해 회항을 할려는 모든 시도가 실폐를 하고 일몰이 되어서 좌초가 되어 사진처럼 오늘날 그배에 형체만 남아있다고 합니다.
2.쇄빙선
쇄빙선은 무엇보다도 빙판을 깨뜨리며 전진해야 하므로 같은 크기의 일반 선박에 비해 구조적으로 튼튼하며 엔진출력이 대단히 크고 얼음을 쉽게 깰 수 있는 선체형상을 가지고 있습니다. 쇄빙선에서 선수부 형상이 빙판을 깨뜨리는 쇄빙능력과 가장 밀접한 밀접한 관계가 있으며 엔진과 프로펠러의 출력과도 관련이 있습니다. 쇄빙선은 빙판 위에 올라타 그 중량을 이용하여 빙판을 깨뜨리는데, 선수부와 빙판이 이루는 각도인 선수각(stem angle)이 일반 선박에 비해 작은 20도 정도입니다. 선수각은 빙판을 깨뜨리는 수직하중으로 작용할 뿐만 아니라, 깨어진 얼음조각을 물 속으로 밀어 넣거나 선체 좌우측으로 밀어 내는 데에도 기여합니다. 쇄빙능력을 높이기 위해 쇄빙선은 무게중심이 앞 쪽으로 오도록 선실이 선수부에 주로 배치되어 있습니다. 반면 빙판 위에 선체가 올라서서 빠지지 않으면 곤란하므로 선수부의 아래에는 선박이 얼음판 위로 완전히 올라설 수 없도록 하는 ice knife(또는 bow stopper)가 설치됩니다. 쇄빙선은 뒤에 따라오는 다른 선박을 위해 얼음 속에서 항로를 열어야 하므로 일반 선박에 비해 선수부의 폭이 넓어야 하지만 깨어진 얼음조각이 프로펠러에 끼지 않도록 선미부는 날씬한 형상입니다. 그리고 프로펠러는 보통 2축 내지 3축의 배열로 원통형의 덕트 안에 집어 넣어 보호합니다. 얼음과 선체 사이의 마찰저항을 줄이기 위한 장치인 물분사장치(water jet)나 공기분사장치(air-bubbling)도 설치됩니다. 균일한 두께의 평탄한 빙판에서 쇄빙선은 연속적으로 진행하게 되지만 얼음이 겹쳐 쌓인 두꺼운 빙맥(ice ridge)을 만나면 쇄빙선은 후진, 전진충돌, 후진을 반복하는 충격쇄빙 방법을 사용합니다. 선체가 받는 빙하중은 충격쇄빙시 선수부위가 가장 큰 힘을 받게 되며, 선체의 측면부위도 빙판에 의해 압축을 받게 됩니다. 따라서 쇄빙선의 안전을 위해 이 부분은 특별히 튼튼한 구조로 만들어져야 합니다. 이것을 내빙대(ice belt)라 부릅니다. 지금까지 건조된 쇄빙선은 점차 대형화되고 있고 기관출력도 커져가고 있는데, 현재까지 건조된 것 중 가장 큰 러시아의 Arktika호는 길이 140 m, 배수량 24000 톤에 원자력 추진기관으로 75000 마력을 낼 수가 있습니다. 이 배는 1977년 여름에 14일만에 단독으로 2-3 m 두께의 얼음을 깨며 북극점을 다녀온 바 있는데 이 때 평균속도 11.5 노트를 기록했습니다. 빙해역에서 충돌, 좌초에 의한 해상오염을 방지하기 위해 쇄빙선의 설계와 운항조건을 국제적으로 규정하고 있는데, 이러한 빙해역규정(ice class rule)을 만족시키지 못하는 선박은 빙해역을 운항할 수 없게 되어 있습니다...
19세기 말 최초의 쇄빙선이 건조된 이후 최근까지 많은 쇄빙선이 건조되어 북극권 국가인 러시아, 미국, 캐나다, 핀란드 등에서 겨울철 해상 운송수단으로 사용되어 왔습니다. 러시아는 시베리아의 천연자원 개발을 위해 오래 전부터 막강한 쇄빙선 선단을 운용하고 있는데 1985년 까지 보유한 총 84척의 쇄빙선 중 16척이 북극해용(Polar class)으로 그중 4척은 원자력 추진기관이 설치된 것입니다. 핀란드의 쇄빙선 건조기술은 매우 뛰어난데 가장 최신의 것으로 1993년 건조된 다목적 쇄빙선 Fennica 를 꼽습니다. 이 선박은 겨울에는 발틱해의 항로 확보를 위하여, 여름철에는 북해 유전의 보급선으로서 사용되는데 조정성능이 우수한 특수 프로펠러를 장착하여 180도 방향전환이 가능하며 모든 방향의 쇄빙이 가능하도록 선수부 뿐만 아니라 선측, 선미부도 충분히 보강되었습니다. 캐나다 역시 북극해 주변 천연자원의 개발에 따라 1978년 길이 209 m 에 28,000 톤 규모의 Arctic호를 건조하게 되었는데 이 선박은 과거 일반 선박이 북극해에서 1개월 정도 운항가능했던 기간을 6개월로 연장할 수 있었습니다. 캐나다의 해안경비대는 6척의 북극해용 쇄빙선을 보유하고 있으며 앞으로 3 m 두께의 빙판을 깰 수 있는 원자력 추진 쇄빙선도 계획하고 있습니다. 미국에서는 2차대전중에 건조된 4척의 쇄빙선들을 Wind class 라 부르고 있는데 종전 후까지도 활동하고 있는 것은 Westwind 와 Northwind 가 있으며 현재 미국의 쇄빙선들은 모두 해안경비대에서 운용하고 있습니다. 1955년에는 새로운 쇄빙선 Glacier 가 건조된 바 있으며 70년대에는 빙판 쇄빙능력 1.83 m 의 Polar class 쇄빙선이 건조되었는데 비원자력 추진으로는 세계에서 가장 강력한 엔진출력을 가진 쇄빙선입니다...
3.테크노 슈퍼 라이너
테크노 슈퍼 라이너(TSL: Techno Superliner), 는 시속 90km로 항해를 할 수 있는 일명 바다의 신칸센이라 불리우는 일본의 차세대 쾌속선의 이름입니다. 시속 90km로 항해를 할수 있는 일본의 차세대 쾌속선‘테크노 슈퍼 라이너’는 종래의 선박보다 2배나 빠른 속도로 항해를 할 수 있기때문에 일본에서는 바다의 신칸센 또는 TSL나 飛翔등 으로 불리웁니다. 이배는 1989년부터 장거리·고속·대량 수송을 목적으로 일본의 운수성에서 지원을 하여 연구 개발된 배이고,알루미늄 합금제로 만들어진 대형 경량 선체 구조를 가진 배입니다.이배가 시속 90Km의 고속을 낼수 있는 원리는 쌍동선체를 공기 압력에 의하고 부상시키고워터 제트 펌프로부터 물을 분출시켜 분출된 물의 반력으로 선체를 추진시키는 것입니다.우선 일본 미쓰이 조선에서 테크노 슈퍼 라이너 개발에 종사해 왔던 야마가 히데오씨는 테크노 슈퍼라이너에 대하여 다음과 같이 말했습니다. “테크노 슈퍼 라이너는 속력 50노트(시속 약 93km), 화물 적재 중량 1000t, 파고4∼6m의 거친 바다에서도 안전하게 항행할 수 있는 것을 목표로 하여 이전의 운수성(현재의 국토교통성)의 주도 아래 국가적인 프로젝트로서 연구 개발된 차세대의 쾌속 이다.” 1989년에 개발이 시작된 테크노 슈퍼 라이너의 목적은 운임이 비싼 항공 운송이나 교통 정체 등을 피할 수 없는 트럭 등 육상 운송에서 탈피하여 해상을 통해 보다 낮은 비용으로 신속하게 화물을 운송함으로써 물류를 근본적으로 개혁하려는 것이었다. 통상의 배는 배 자체가 지니는 부력으로 물 위에 떠 있다. 배가 받는 부력은 수중에 들어가 있는 선체가 밀어낸 물의 무게와 같다. 이 방식으로 배를 가속시켜 나가면, 속도의 상승에 따라 수중에 가라앉아 있는 선체가 받는 저항이나 파도의 영향이 급격히 커지게 된다. 그래서 속도를 올리기 위해 아주 큰 마력이 필요하게 되어 고속화에 한계가 있었다. 그래서 개발된 것이 수중익선이나 호버크래프트 등의 쾌속선이다. “그러나 이들 방식은 비교적 단거리의 소형선이 주류이며, 대형선으로 만들어진 경우는 없었다.”고 야마가 씨는 말한다. 그래서 고속이 가능하면서도 선박을 대형화하기 위해 개발된 것이 초고속선 테크노 슈퍼 라이너 라고 하며 이배의 가장 큰 특징은 배 자체가 지니는 부력에 덧붙여 부상을 돕는 기관이나 부상 팬이 장착되어 있는 점이라고 합니다. 종래의 배가 항행할 때는 파도의 저항 이나 물과의 마찰 때문에 추진 성능이 떨어지는데, 테크노 슈퍼 라이너는 부상함으로써 해수와 접촉하는 면적이 줄어들기 때문에 마찰 저항이 적어지고 파도의 영향을 받지 않고 추진할 수 있다고 합니다. 현재의 배는 스크루 프로펠러를 돌려서 물을 뒤로 보냄으로써 추진력을 얻지만 테크노 슈퍼 라이너는 추진 장치로 워터 제트를 사용하고 있어 배 밑에서 빨아올린 물을 뒤쪽으로 분출하여 그 반작용으로 추진력을 얻어 추진을 한다고 합니다.


사진출처 :오가하라(小笠原) http://www.vill.ogasawara.tokyo.jp
테크노 슈퍼 라이너 의 제반 사항
총 톤수 수 : 14,500 톤
전체 길이·전폭 : 140.0m·29.8m
체 재질 : 내식 경합금(알루미늄)
주 기관 : 가스 터빈
여객 정원 : 725인
화물 적재 중량 : 210 톤
항해 속력 : 약40 노트(약 74km/h)
건조비 : 100억엔 이상

미쓰이 조선에서는 현재 1호선인 오가사와라 익스프레스와 같은 방식의 배로 실험선 ‘히쇼’ (크기는 오가사와라 익스 프레스의 약 절반)를 제작하여 최고 속력은 54노트(시속 약 100km)까지 얻어내고 있다. 그러나 오가사와라 익스프레스에서는 최고 속력이 40노트(시속 약 74km)로 제한을 하고 있는데 그것은 경제성의 문제와 장시간 항행하는 여객선이라는 점에서 승선감을 고려한 것이라고 한다. 이 정도의 속도라면 오사카와 중국 상하이 간은 20시간으로 각각 단축된다고 한다. 앞으로 이기술이 더욱 발전하여 마하의 속력이 나오는 선박도 나오지 않을까 생각 된다.
4.초전도 전자추진선(Superconducting Electromagnetic Propulsion Ship)

▲ 세계 최초로 초전도 실험선 일본의 야마토-1
일명 ‘프로펠러 없이 가는 선박’이라고 하기도 한다 .이러한 선박의 원리는 초전도 상태의 자기장과 전류에 의해 발생하는 전자유체력(MHD: Magneto-Hydro-Dynamics)을 추진력으로 이용하는 것으로 전자추진의 원리는 플레밍의 왼손법칙을 직접 선박 추진에 적용한 새로운 추진 방식이다. 즉 선체에 고정시킨 전자석으로 해수에 자장을 형성시키고, 전류를 자장과 직교시켜 흘려보내면 자장과 전장과의 상호작용에 의해 해수에 전자력(Lorentz Force)이 발생되고 그 반작용으로 추진력을 얻는 것이다. 전자추진의 최대 특징은 프로펠러와 같은 회전체를 두지 않고 직접 해수에 힘을 미치게 하는 점이고, 그 결과 전자추진선박이 다른 선박과의 차이는 프로펠러에 의한 진동이나 소음이 없이 조용히 추진되는 선박이라서 기존의 프로펠러에 의한 선박이 추진 할때 프로펠러에 의해 생성된 와류가 선박의 진행을 방해하여 선박의 추진효율을 크게 떨어뜨리게 되는데,이 선박은 이런 현상도 없어져서, 보다 큰 선박 추진효율을 얻을 수 있게 된다. 또한 이초전도체 선박의 전후진의 방향을 단순히 전류의 흐름을 바꾸어 주기만 하여도 되고, 아울러 전류와 자기장의 세기를 조정하면 속도도 쉽게 제어할 수 있기 때문에 기존의 프로펠러 선박과는 달리 기동성이 빠르다. 이 초전도체를 이용한 선박은 이론상으론 시속 180 Km 이상의 속도도 가능하며,선체에 프로펠러나 축과 같은 저항을 주는 거대한 돌출물이 없기 때문에 추진 저항도 없을 뿐만 아니라 외부 선박 구조 설계도 간단해 질 수가 있게 됩니다. 그러나 이 초전도체 선박이 완전히 실용화되려면 아직 해결해야 될 난제가 여럿 남아 있습니다. 비록 현재의 기술로는 저속 운전하는 정도의 시험 단계에 있으나, 향후 많은 과학자들의 연구에 의해 가장 핵심 기술인 초전도 재질이 개발되면 ‘초전도체로 추진되는 선박’이 곧바로 실용화될 수 있을 것입니다.
초전도체 추진선박의 역사
우선 초전도체는 1911년 네덜란드의 물리학자 온네스(Onnes)에 의해서 최초로 발견되었으며,전기저항이 사라지는 물질이라 해서 사람들은 초전도체라 부르게 되었습니다. 1933년 독일과학자 Meissner와 Oschenfield에 의해서 초전도체 내부의 자기장을 밖으로 내보내는 자기반발현상 등 초전도 현상에 대한 과학적 규명이 이루어지면서 혁명적인 산업적 응용가능성이 제기되었습니다. 그후 초전도체를 이용한 전자력(MHD) 추진은 1961년에 덕트형 추진기를 고려한 Friauf에 의해 제시되었고,같은 해 미국의 Rice는 액체금속을 사용한 초전도체를 이용한 전자력(MHD) Pump와 유사한 개념의 MHD 선박 추진으로 특허를 획득했습니다. 1962년에 Philips는 초전도체를 이용한 전자력(MHD) 추진 가능성을 이론적으로 연구하여,10노트의속도와 0.6Tesla(T)의 자기장을 사용했을 때 8%의 추진 효율을 얻을 수 있음을 보였습니다.
1963년에 Doragh는 그 당시로는 실용화가 불가능한 10T 강도의 자석을 사용하면 기존 추진 방식의 추진효율과 비교하여 경제성이 있을 것이라고 주장하였고 Way는 1966년 초전도체를 이용한 전자력(MHD) 추진 잠수함의 모형실험을 수행하여 무게가 900lb이고 길이는 10ft인 실험선(EMS-1)에서 1.5노트의 속도를 얻었습니다. 일본 고베대학의 Lwata 등은 1976년 최초로 초전도 자석을 이용한 MHD 추진실험을 수행하여 외부자장방식의 모형선(SEMD-1)으로 초전도 자석에 의해 0.6T의 자장을 얻었다. 3년 후 길이 3.6m, 중량 700kg의 모형선(ST-500)을 제작하여 실험한 결과 최대 2 T의 자기장과 15Newton의 추진력과 0.6m/s의 속도를 얻었습니다. Hummert는 직류자장식 MHD 추진방식의 추진효율을 연구하여 덕트 크기가 증가되면 추진효율이 낮아지고, 가장 효율적인 덕트 구조는 수축하는 입구덕트와 일직선의 출구덕트임을 밝혔습니다. 일본의 조선해양진흥재단은 1992년 30억엔의 개발비로 일본의 미쓰비시 중공업에서 세계 최초로 초전도 실험선인 전장 30 m, 폭10.39 m, 총 톤수 280톤의 10인승 시험선 야먀토-1을 진수시켜 실용화의 첫발을 내딛었으나 이 배의 속도는 8노트로 기대에 미치지는 못하였습니다. MHD 추진은 10∼20T 정도의 자기장을 낼 수 있는 초전도 자석이 개발되어야만 상용이 가능하다고 알려져 있다. 최근의 고온 초전도 재료 연구는 임계온도가 125 K로 질소(비등점: 77K) 냉각으로도 가능할 수준으로 발전하였고 이러한 재료로 전선 코일을 제조하는 기술적인 문제가 남아 있다. 이러한 기술 발전의 추세는 MHD 선박 추진에 대한 새로운 관심을 갖게 하였다. 일단 고온 초전도 자석의 개발이 가능한 날이 오면 과거의 반도체가 일으켰던 만큼의 새로운 기술혁명이 일어나리라 예상된다.이론적으로는 일본보다 오히려 미국에서 초전도선에 관하여 많은 연구가 진행되고 있다. 1970년 이후 미국에서는 DARPA(Defense Advanced Research Project Agency)와 ONT(Office of Naval Technology)의 주도아래 초전도 선박추진기에 대한 연구가 수행되고 있다. 영국과 독일에서는 축계의 소형화와 기관 배치의 효율성을 목표로 초전도를 이용한 모터개발에 주력하고 있다. 우리 나라에서의 초전도체 연구는 포항공과대학교 첨단유체공학연구센터(AFERC)에서는 1991년부터 MHD 추진에 관한 기초 연구가 수행되었다.
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