글로벌 세계 대백과사전/기술·통신/통신-교통기술/교 통 기 술/선 박

배와 물의 역학

배와 물의 역학

－力學

배는 항공기나 자동차와 달리 물의 부력(浮力)을 이용해서 자중(自重)을 떠받치고 있기 때문에, 여러 가지 이점을 가지고 있다. 예를 들면, 같은 속력일 경우에는 항공기나 자동차가 받는 저항(抵抗)은 무게에 비례하는데 반해서 배의 경우는 거의 무게의 3분의 2 제곱에 비례하므로, 저항이 매우 적어진다. 따라서 같은 무게의 물건을 같은 속력으로 운반할 경우에는 배는 보다 싼 경비로 할 수 있게 된다. 무거운 하물(荷物)을 서두르지 않고 장거리 수송을 할 경우, 해상 운송이 육지나 하늘의 수송에 비해서 대단히 싸게 되는 것도 이 때문이다.

물과 공기와의 경계면을 자유표면(물의 물결)이라 하며 배가 상대로 하는 물의 물결에는 2가지 종류가 있다. 하나는 잔잔한 수면을 배가 달릴 때에, 그 뒤편에 아름답게 나타나는 '배가 만드는 물결'이고, 또 하나는 대양 위에서 움직이고 있는 저기압이나 태풍(颱風) 등, 주로 바람이 원인이 되어 일어나는 '바다의 물결'이다.

'배가 만드는 물결'은 어떻게 저항이 적은 선형(船型)으로 만들어 배를 경제적으로 운항하느냐 하는 문제와 연결되며, '바다의 물결'은 배의 복원성(復原性)·흔들림·강도 등 이른바 배의 안정성 문제와 연결된다.

부력과 복원성

浮力－復原性

배가 가라앉지 않도록 하기 위해서는 ① 배의 자중(自重)에 비등할 정도의 부력을 항상 잃지 않고, ② 중력(重力)과 부력이 만드는 모멘트(moment)가 배가 기울어진 방향과 반대의 방향으로 작용하는 것이 필요하다. 배가 직립(直立)의 자세에서 작은 각도(角度)로 기울어졌을 경우의 부력의 작용선(作用線)과 배의 중심선(中心線)과의 교차점을 메타 센터(meta center)라고 하며, 이것이 중심(重心)보다 높은 위치에 있으면 있을수록 원래 상태로 되돌아가려는 모멘트(復原力)가 커지며, 반대로 중심보다 낮으면 점점 더 기울어진다(〔그림〕－1).

기울어진 배가 원래대로 되돌아가려는 성질을 복원성(復原性)이라고 말하며, 배의 폭이 넓을수록 이 성질이 커진다. 또한 빈배의 경우는 흘수(吃水)가 얕게 되어 중심(重心)이 높아진다. 그래서 좋은 복원성을 위해서는 이중저(二重底)이나 밸러스트 탱크(ballast tank)에 바닷물을 넣어서 흘수를 깊게 하여 안전하게 운행하도록 되어 있다.

롤링

rolling

배는 외력(外力), 예를 들면 물결의 작용을 받아서 여러 가지의 흔들림을 하게 된다.

롤링(배가 좌우로 흔들리는 동요)피·칭(pitching：배가 앞뒤로 흔들리는 동요)·히빙(heaving：배가 상하로 흔들리는 동요) 등이 있으며, 이 중에서도 가장 일어나기 쉬운 것이 롤링이다(〔그림〕－2).

선체가 외력에 의하여 옆으로 기울어진 경우에는 복원력으로 중심(重心)의 둘레로 회전해서 수직의 위치로 되돌아오는데, 또다시 관성(慣性)에 의하여 반대방향으로 기울어진다. 그러나 물의 저항 때문에 경사각(卿斜角)이 감쇠되어 수직의 위치로 되돌아온다.

여기서 좌우 1회전의 흔들림에 소요되는 시간을 '롤링 주기(周期)'라고 이른다. 일반적으로 복원력이 큰 배일수록 그 주기가 작아서 롤링이 심하므로, 배에 탄 사람들에게 불쾌감을 준다. 그래서 안정성이 허용하는 범위 내에서 복원력을 될 수 있는 대로 적게 하고 있다.

배의 롤링을 감소시키는 방법으로서 구조가 간단하고 더욱이 유효한 '빌지 킬(bilge keel)'을 사용하는 것이 보통이다.

그 밖에 객선(客船) 등에 안티롤링 탱크(anti­rolling tank)나 핀 스태빌라이저(fin stabilizer)를 장비하여 롤링을 방지하는 방법도 있다.

선형과 저항

船型－抵抗

배가 전진할 때, 수면 위의 부분은 공기저항을, 그리고 수면 밑 부분은 물의 저항을 받는다.

물의 저항에는 ① 선체표면과의 마찰저항(摩擦抵抗), ② 배가 달릴 때 수면에 일어나는 물결 때문에 생기는 조파저항(造波抵抗), ③ 그리고 선체 표면에 생기는 와류(渦流)에 의한 저항 등이 있다. 이러한 저항 가운데 마찰저항과 조파저항이 커다란 비율을 차지하며, 저속시는 마찰저항이 커지고 고속시는 조파저항이 커진다.

마찰저항은 수면 밑의 선체의 표면적(表面積：浸水面積)에 비례하고, 표면의 미끄러움에 영향을 받으나, 선형이 바뀌더라도 별로 변화되지 않는다.

그러나 조파저항은 선체의 치수비(値數比：길이와 폭·흘수의 비)나 모양에 따라 크게 변화한다. 그래서 고속선의 경우는 날씬한 모양으로 하고 있으며, 선수(船首)나 횡단면의 모양에 대해서 연구가 진행되고 있다.

선체저항(船體抵抗)을 어떻게 해서 적게 하느냐 하는 문제는 복잡하며, 이론을 기초로 해서 실제로 얻은 자료를 해석하고, 새로이 시험수조(試驗水槽)에서 소형모형을 사용해서 실험하여 실제의 배의 저항을 측정하고 있다.

이와 같이 해서 선형은 끊임없이 연구되고 있으며, 최근에는 조파저항을 적게 하기 위해서 선수하단을 부풀게 한 구상선수(球狀船首) 등 특수한 모양이 개발되고 있다. 또한 잠수선은 조파저항이 적고, 고속일수록 유리하므로 앞으로의 과제로 되어 있다.

배의 강도

－强度

선체를 세 부분으로 나누어서 생각해 보면 선체는 선수와 선미(船尾)가 홀쭉하고, 중앙부가 거의 사각형에 가까운 단면(斷面)이기 때문에 정수(靜水) 위에 떠 있어도, 선수·선미부의 부력(浮力)은 그 부분의 선체중량(船體重量)보다 더 흔들리기 때문에 가라앉음이 덜하고, 중앙부는 거꾸로 부력이 커지고 뜨는 모양이 된다. 이러한 상태는 배가 배와 같은 길이의 파장(波長)의 물결을 탔을 경우 가장 두드러지며, 상갑판으로 잡아당기고 선저(船底)에 압축의 힘이 가해진다. 이를 호깅(hogging)이라 한다.

또한 물결의 골이 배 중앙에 왔을 경우에는 이와 반대로 되며, 상갑판에는 압축, 선저에는 장력이 가해진다. 이것을 새깅(sagging)이라고 한다(〔그림〕－4).

이와 같이 배는 물결에 따라 끊임없이 호깅과 새깅을 되풀이하므로 여기에 견딜 수 있는 강도가 필요하며, 이것을 종강도(縱强度)라고 한다. 강도부재(强度部材)로서는 선수와 선미 사이를 쭉 세로로 지나고 있는 선저외판(船底外板)·선측외판(船側外板)·갑판·이중저(二重底) 등이 있다.

한편 가로 방향의 변형을 일으키는 힘으로서 수압 및 화물의 중량과 선체의 구성재중량(構成材重量)이 있으며, 여기에 대한 강도부재로서는 주로 이중저내조판(二重底內助板)·늑골(肋骨)·갑판량(甲板梁)·횡격벽(橫隔壁) 등이 있다(〔그림〕－5).

배의 크기

배의 크기는 톤수로 표시하지만, 톤수의 계산방법에는 여러 가지 방법이 있으며, 그 종류에 따라 수치도 달라진다.

배의 중량을 배수량(排水量)이라고 한다. 이것은 배의 중량이 수면 밑의 선체의 체적(이른바 배수체적)에 상당하는 물의 중량과 같기 때문이다.

만재흘수(滿載吃水)의 배수량에서, 아무것도 싣지 않았을 때의 선체 자체의 중량을 뺀 것을 재화중량톤(載貨重量ton)이라고 하며, DW t으로 표시한다. 재화중량 중에는 적재한 화물을 비롯하여 연료·청수(淸水)·승무원 등의 무게까지 포함되고 있다.

배 내부의 체적을 일정한 방법으로 계산하여 100ft3(2.83㎥)를 톤으로 산출한 것을 '총톤수(gross tonnage)'라고 하며, 배 크기 분류의 기초가 된다.

일반적으로 군함은 배수량, 화물선은 재화중량톤수, 객선은 총톤수를 각각 사용하고 있다.

배의 구조

선체구조

船體構造

배를 모양에 따라 분류한다면 평갑판선(平甲板船)·미시마형선(三島型船)·웰갑판선 등으로 분류할 수 있다.

선체는

킬·거더·론지·프레임(frame)·스치프나·빔(beam) 등의 뼈대와 갑판·외판(外板)·격벽(隔壁) 등의 판으로 이루어진다. 이러한 것들에 강재중량(鋼材重量)을 가볍게 하기 위한 구멍, 수리·점검할 때 사람이 다닐 수 있는 구멍, 파이프를 통하기 위한 구멍 등이 있다(〔그림〕－5).

침수나 화재가 일어났을 때, 일어난 부분에서 막기 위하여 격벽(隔壁)이 마련된다. 탱커에서는 횡방향(橫方向)의 안전을 도모하기 위하여 종격벽(縱隔壁)을 마련하고 있다.

선체의 조립 방법에는 뼈대를 주로 종방향으로 배치하는 종식구조(縱式構造)와 뼈대를 주로 횡방향으로 배치하는 횡식구조(橫式構造)가 있다. 또한 강재(鋼材)의 접착에는 용접을 사용하는데 이것은 빌딩공사 현장 등에서 흔히 볼 수 있는 것과 같은 것이다. 강재의 조립 방법·판두께·재질(材質) 등은 적은 중량으로 배의 강도를 충분히 지탱할 수 있도록 결정한다.

선체의장

船體艤裝

배의 기능을 충분히 발휘하기 위해서는 많은 장치가 필요하며, 그것을 의장장치라고 한다. 항해하기 위해서 가장 중요한 항해선교(航海船橋)에는 선장이 있으며, 자이로컴퍼스(gyrocompass)를 비롯하여 수많은 계기류(計器類)가 있다. 배의 진로를 바꾸기 위해서는 키(rudder)가 있으며, 대형선의 경우에는 항해선교에서 조작할 수 있다. 배에는 선원이 생활하는 거주구(居住區)가 있으나 최신형의 배에는 냉온방이 완비되어 있고 통풍장치·욕실·샤워 등도 갖추고 있다. 또한 고급선에는 풀장을 갖춘 것도 있으며, 방의 수도 많다.

계선(繫船)에는 윈치(로프 또는 계선밧줄을 감는 기계)·윈들러스(앵커를 감아 올리는 기계)·앵커 등을 가진다. 또한 하역은 화물선에서는 윈치 데릭(winch derrick)를 사용한다. 유조선의 경우에는 기름의 하역은 파이프를 통해서 펌프로서 행한다. 최근에는 하역시간이 빨라져 어떤 배의 경우 1시간에 약 10,000㎡의 기름을 하역할 수가 있다. 탱커에는 기름이나 물의 흐름이 부드럽게 이루어지도록 파이프의 배관을 설계하고 있다.

주기관에서 프로펠러까지

主機關－propeller－

배의 주기관으로서는 주로 디젤기관이나 증기터빈이 사용되고 있으며, 프로펠러 샤프트를 통해서 프로펠러에 동력이 전달되도록 되어 있다.

주기관의 위치에 따라 중앙기관선·선미기관선(船尾機關船) 등이 있다. 중앙기관선에는 무거운 기관이 중앙에 있기 때문에 흘수(吃水)의 조절에 편리하나 프로펠러 샤프트가 길게 된다. 또한 선교가 배의 중앙에 있기 때문에 조선(操船)하기가 쉽다. 선미기관선에서는 중앙기관선과 반대가 된다. 화물선의 경우에는 중앙기관이 많으며, 탱커에는 선미기관선이 많다. 탱커에는 굴뚝에서 나오는 불꽃이 탱크 위에 떨어져 폭발하지 않도록 선미기관선으로 되어 있다. 프로펠러의 수에 따라 1축선(一軸船), 2축선, 3축선 등으로 구분된다.

이 밖에 프로펠러의 작동중(作動中)에 날개의 피치(pitch)를 변화시켜 추진기관의 출력을 유용하게 이용할 수 있는, 가변피치 프로펠러(variable pitch propeller)나 배 밑에 붙여서 추진력의 크기와 방향을 자유롭게 변화시킬 수 있는 보이드 시나이더 프로펠러(voith­schneider propeller)도 있다.

배의 안전

－安全

선체구조의 면에서는 강도를 충분히 고려하고, 격벽으로 구획을 만들어 1구획(大型船의 경우에는 2∼3구획 동시에)이 침수되더라도 침몰하지 않도록 충분히 배려한다. 선체의장의 면에서는 구명정(救命艇)·구명대·구명뗏목 등을 준비하고, 다른 배 또는 육상과의 통신용으로 무선설비를 갖추고 있다.

배의 상태를 검사하기 위해서 선급협회(船級協會)가 있다. 영국의 로이드(Royd) 등이 있으며, 선주의 희망에 따라 그 배에 선급(船級)을 부여한다. 또한 배의 안전을 지키기 위한 법률에 따라 선급협회나 해당 관청이 정기적으로 검사를 행한다.

여러 가지 배

여러 가지 배

배에는 종류가 대단히 많으며, 이것을 분류하는 방법도 용도(用途)에 의한 것, 재료에 의한 것, 구조에 의한 것, 추진방법에 의한 것 등 여러 가지가 있으나 용도에 의한 분류방법이 일반적으로 사용되고 있다.

다음에 이러한 배 가운데 일반적인 것을 골라서 제 각기의 특징을 살펴 보기로 한다.

객선

客船

여객을 운반하는 배로서 여객과 화물의 비율에 따라 순객선(純客船)과 화객선(貨客船)으로 나뉜다. 순수한 객선은 화물이 극히 적으며, 여객의 수화물과 우편물 등에 한정되어 있는 것으로서, 대서양 항로의 호화선을 비롯하여 연안·내해항로(內海航路)의 소형 관광선 등이 여기에 속한다.

대형객선은 상부 구조물이 대단히 크고 선체는 몇 층의 갑판으로 되어 있다. 그래서 많은 여객을 태우고 오랫동안 항해하기 위하여 그 내부에는 객실(客室)을 비롯하여 여러 가지 설비가 갖추어져 있어 손님이 배의 여행을 즐기도록 되어 있다. 객선은 그 성질상 고속이 요구되므로 주기관(主機關)도 큰 마력(馬力)의 것이 사용되고 있다. 또한 흘수(吃水)가 낮기 때문에 프로펠러의 효율을 위해 2축으로 하는 경우가 많다.

세계 최대의 객선은 길이 290m, 총 66,348t의 프랑스호(프랑스)이며, 가장 빠른 객선은 총 53,329t, 36kt, 197,500HP의 유나이티드 스테이트호(미국)이다.

컨테이너선

Container 船

오늘날 가장 발달되고 체계화된 해상 운송 수단이다. 컨테이너는 폭이 2.4m 정도로 도로운송이 가능한 최대폭에 가까우며, 높이 2.6m, 길이 약 6m와 12m의 규격품이 주종을 이룬다.

화물은 생산지에서 직접 컨데이너 속에 적재되고 도로나 철도를 이용하여 부두로 운송되며, 부두에서 대형의 컨테이너 선적용 특수 기중기에 의해 적재된다. 컨테이너는 많은 짐을 싣는 장점 외에도 방수형이라 상품이 안전하게 보호되며, 최근에는 3,000개 이상을 싣는 파나막스형 컨테이너선도 경제선형으로 출현하고 있다.

이와 같이 컨테이너선은 연계 운송 시스템 중 가장 장거리 운송을 담당하고, 선박의 속도도 화물선 중 가장 빠른편으로 보통 18노트 이상이고 25∼27노트의 선박도 있다.

유조선

油槽船

선체에 설비한 탱크에 석유를 넣어서 운반하는 배로서, 일반적으로 탱커(tanker)라고 불리어진다. 2차대전 후 석유의 산출과 수요가 급격히 증가하고 이에 따라 원유(原油)를 산지로부터 소비지에 운반하는 유조선도 많이 건조되었다. 더욱이 운항 경제에 유리하다는 점에서 차츰 대형·고속화되고 있다. 20만DWt의 유조선이 한때는 세계 제일을 자랑한 바 있으나 지금은 312,000DWt의 초대형 탱커도 건조되었다.

광석선

鑛石船

광석을 운반하는 배로서, 유조선과 같이 최근에 많이 건조되고 있으며, 더욱이 5∼10만 DW t이라고 하는 대형선으로 발전되고 있다. 갈 때는 석유를 싣고 올 때는 광석을 유창(油倉)에 실을 수 있는 겸용선도 있다. 겸용선은 비중이 큰 광석을 싣기 때문에, 광석창고가 작고 양현(兩舷)의 밸러스트 탱크가 매우 크게 되어 있다. 이것은 갈 때는 빈 배로 가는 경우가 많기 때문에 흘수를 조절하기 위하여 충분한 밸러스트가 필요하기 때문이다.

또한 될수록 광석을 위에 싣도록 이중저(二重底)를 깊게 하고 있다. 하역 설비는 배에 의지하지 않고 모든 것을 항구의 시설에 의존한다.

어선

漁船

오로지 어업에 종사하는 배를 어선이라 칭하며, 어획 방법에 따라 제각기 전용(專用) 어선이 있으므로 그 종류도 많다. 어선은 소형이지만, 고기를 잡기 위하여 원양의 거친 바다에서 조업하지 않으면 안 된다. 그 때문에 구조가 견고하고파도를 타고 넘기 쉬운 스마트한 선형으로 되어 있으며, 고속을 얻기 위하여 비교적 주기관의 마력도 크다. 또한 항해와 더불어 어장(漁場)에서 조업을 하므로 각기 적합한 어구(漁具)를 구비하며, 승무원의 수도 많다.

포경선

捕鯨船

고래를 추적하고 포경포(捕鯨砲)로 작살을 발사해서 포획한다. 고속력을 필요로 하므로 길쭉한 선형에 고마력(高馬力)의 주기관을 설치하고 있다.

포경모선

捕鯨母船

포경선이 포획한 고래를 선미의 커다란 미끄럼판과 같은 슬립웨이(slipway)를 통하여 넓은 작업갑판으로 끌어올려서 해부한다. 그리고 작업갑판 바로 밑에 있는 제유공장(製油工場)으로 보내어 제유보일러에서 경유(鯨油)를 뽑고 유창(油倉)에 저장한다. 고기는 경유운반선(鯨油運搬船)으로 옮겨 실어 냉동한다.

트롤어선

troll 漁船

저인망어선(底引網漁船)의 일종으로서 최근에는 선미에 슬립웨이를 설치하고 그 곳에서 어망을 끄는 선미트롤어선이 많이 건조되고 있으며, 또 대형화되고 있다.

쇄빙선

碎氷船

수면의 얼음을 분쇄하여 항로를 열기 위한 배를 말한다. 장비에 따라서 순쇄빙선, 쇄빙 장치를 장비한 상선, 쇄빙 구조로 된 상선 등으로 분류되며, 또한 추진기의 위치에 따라 미국형과 유럽형으로 나뉜다.

미국형은 선수와 선미에 설치되어 있으며 유럽형은 선미에만 설치되어 있다.

쇄빙선은 선수를 얼음 위로 올려 놓고 쇄빙하는 외에 얼음이 두껍게 결빙되어 있을 경우에는 선내에도 설치된 종경사용(縱傾斜用) 혹은 횡경사용 수조(橫傾斜用水槽)의 물을 펌프로 재빨리 이동시켜서 배를 기울도록 하여 배의 중량(重量)으로 얼음을 깨뜨리도록 되어 있다(〔그림〕－6). 그 때문에 선수의 경사를 크게 하고 쐐기 모양의 견고한 구조로 되어 있는 선측도 경사시켜 놓고 있다.

군함

軍艦

일반적으로는 전투에 종사함을 주목적으로 하는 해군(海軍)이 소유하는 선박을 말하며, 제각기의 임무에 따라 종류도 많다.

군함에는 여러 가지 병기·탄약을 비롯하여 전투에 필요한 장치 이외에도 다수의 승무원을 태우고 있다. 방어를 위해 선체재료로서 고장력강(高張力鋼)을 많이 사용하며, 구조와 이중벽에서는 그 중량을 줄이는 일과 복원성(復原性)을 좋게 하기 위하여 중심(重心)을 낮게 하는 데 최대의 노력을 하고 있다. 또한 기관은 상선용보다는 훨씬 고성능이어서 고속력을 얻을 수 있으며, 1축(一軸) 또는 1기관실이 파괴되어 침수되더라도 배가 움직일 수 있도록 되어 있다.

제2차 세계대전까지는 함대 사이의 전투를 목적으로 만들어졌으나, 과학의 진보와 더불어 군사작전도 바뀌었으며, 군함의 임무도 바뀌게 되었다.

전함

戰艦

구경(口徑)이 큰 포를 많이 탑재하여 유력한 공격력과 완비된 방어력을 지닌 가장 대형의 군함을 가리킨다. 그러나 근대전에는 적합하지 않아 항공모함에 그 위치를 빼앗기고 말았다. 배수량(排水量)은 3∼4만t급이 보통이다.

순양함

巡洋艦

전함 때문에 조그마하게 되었으나, 비교적 대형의 선체와 고속력을 이용해서 각종 미사일 발사함이나 기함(旗艦)으로서 지휘·통신의 중추임무를 맡고 있다. 배수량은 4,000∼1만t, 속력은 30∼35kt이다.

구축함

驅逐艦

강력한 어뢰를 적재하고 고속을 생명으로 하고 있다. 함대(艦隊)의 직위함(直衛艦)으로서 대공(對空)·대잠수함(對潛水艦)이 주요한 임무이다. 배수량은 1,500∼3,000t, 속력은 35∼37kt이다.

항공모함

航空母艦

근대전의 주력으로서 항공기를 많이 적재하고, 이들을 발착시키기 위해서 넓은 비행갑판을 갖고 있다. 항공기는 비행갑판의 앞 부분에서 캐터펄트(catapult)를 사용하여 이륙하며, 착륙은 경사된 방향에 마련된 사착함갑판(斜着艦甲板)에 줄을 매어 제동장치로 쓰고 있다. 공격용의 대형 항공모함은 배수량 3만∼7만t, 속력 31∼35kt, 탑재기 50∼100기이다.

잠수함

潛水艦

항공모함과 함께 근대전의 주역이 되었으며, 바다 속으로 완전히 모습을 감출 수 있는 은밀성(隱密性) 때문에 여러 가지 임무에 사용되고 있다.

선체는 수압에 견디기 위해서 원형 또는 오뚝이 모양으로 되어 있다. 배 둘레를 밸러스트 탱크로 싸고, 여기에 바닷물을 퍼넣기도 하고 또다시 내뿜도록 되어 있어 물 속으로 들어가거나 떠오르도록 되어 있다.

물 위에서는 디젤기관에 발전기(發電機)를 연결한 전기추진(電氣推進)을 사용하나, 잠행중에는 축전지를 동력으로 하고 있으므로 항속력이 길지 않았다. 그러나 최근에 동력에 원자력을 이용해서 건조된 원자력잠수함(原子力潛水艦)은 그 결번을 없애고, 물 속에서 20∼30kt의 속력으로 6만∼8만해리(海里)의 항속력을 가지게 되었으며, 잠항심도(潛航深度)도 300m나 되었다.

보통 잠수함은 배수량이 1,000∼3,000t, 수중속도 10∼20kt, 잠항심도 100∼200m의 것이 많다.

해상작업선

海上作業船

우리가 흔히 보는 해상작업선(Working Vessel)으로서는 항내예인선(Tug Boat)이 있다. 큰 것은 3천∼4천 마력의 엔진을 탑재하여 석유시추선 등의 대형 구조물을 예인하는 대양항해예인선도 있다.

해상작업용으로 1천5백t 이상의 중량을 들어올릴 수 있는 특수 대형 기중기선, 항만의 준설을 연속적으로 해내는 고속준설선, 해난 사고로 인하여 대량으로 유출된 유류를 수거해 주는 유수거선, 해상 소방선 등의 작업선이 있다. 또한 해상석유채취지원선(Supply Vessel)이라 하는 1천t 내외의 선박이 있는데 이 선박은 석유시추 및 채취공의 설치에 필요한 콘크리트 배합물의 운반에 주로 쓰이는 선박으로 해상석유채취가 늘수록 수요증대가 예상되는 배이다.

로로선

Roll­on Roll­off Vessel

로로선은 유럽지방에서 많이 쓰이며 선박에 자동차, 트럭, 트레일러 등을 혼재하여 싣고 바다를 건너 타지역에 옮겨 주는 선박이다.

로로선은 선미나 선수, 선측에 대각선 방향으로 차량이 올라가는 램프(배에서 부두로 향하여 뻗칠 수 있는 다리)를 설치해 두고 있어 차량이 스스로 배에 올라가도록 한 것이다. 적재 속도가 빠르며, 어떤 종류의 차량도 실을 수 있는 점이 장점이며, 컨테이너 부두가 발달되지 않은 항구에는 컨테이너 적재 트레일러로 신속히 화물을 수송할 수도 있다.

특수한 배

호버크라프트

hovercraft

선체의 상부에 마련된 팬(fan)으로 공기를 빨아들여, 이것을 하부의 주위에 있는 제트 노즐(jet nozzle)로부터 안쪽을 향해서 불어대면 에어 커튼(air curtain)이 생긴다. 에어 커튼·선체 및 수면(또는 지면)에 가두어진 공기는 밖으로 나가지 못하며, 자연히 압력이 높아져 에어 쿠션(air cushion)을 만든다. 그래서 마침내 선체의 중량과 맞먹는 점에 이르게 되면 선체를 띄우게 된다. 이것을 지면효과(地面效果)라고 하여 호버크라프트는 이 원리를 응용한 것이다.

에어 쿠션에 탄 배는 별도로 설치된 프로펠러로서 추진한다. 물의 저항이 전혀 없기 때문에 종래의 배보다 3∼5배의 고속을 얻을 수 있으며, 더욱이 대형화할수록 성능이 좋게 되는 경향을 지니고 있다. 호버크라프트의 대형화는 급속히 추진되고 있으며, 영국에서는 160t, 여객 250명, 자동차 35대를 적재할 수 있는 큰 배를 완성한 바 있다.

수중익선

水中翼船

선체 밑에 날개가 설치되어 있으며, 정지중에는 보통 배와 같으나 달리기 시작하면 수중익(水中翼)의 양력(揚力)에 의하여 선체가 수면에서 떠오르게 되어 물의 저항이 적게 됨으로써 고속을 얻을 수 있다. 따라서 같은 속력의 경우라도 기관 마력을 적게 할 수가 있으며, 또한 선체가 수면에서 떨어져 있는 관계로 파랑(波浪)의 영향을 적게 받아서 조용한 항해를 할 수 있다.

현재 유람선(遊覽船) 등에 실용화되어 있으나 아직은 소형에 불과하며, 비교적 평온한 연안이나 하천에서만 사용되고 있다.

제트선

jet 船

보통 배와 같이 프로펠러를 사용하지 않고 강력한 펌프에 의하여 바닷물을 배 밑에서 끌어올려 그것을 뒤쪽으로 내뿜어서, 그 반동력(反動力)으로 고속운행을 할 수 있도록 되어 있다. 또한 방향전환에는 키 대신에 제트의 분출 방향을 바꾸는 방식을 취하고 있다.

제트선의 배 밑에는 추진기(推進器)·키 등의 돌출물이 없기 때문에 아주 얕은 곳에도 운행할 수 있으며, 현재 소방정(消防艇)·구조선 등에 사용되고 있다(〔그림〕－8).

요트

yacht

요트의 돛에는 일반적으로 1개인 것과 2개인 것이 있다. 1개인 돛의 요트를 캐트리그(catrig), 2개 돛의 요트를 슬루프(sloop)라고 한다.

요트는 바람을 이용해서 달리는데, 돛의 방향을 능숙하게 조작함에 따라서 바람이 불어오는 쪽으로 나아갈 수도 있다. 이제 이 돛에 작용하는 바람의 힘을 배의 진행 방향과 여기에 수직된 방향과의 분력(分力)으로 나눈다면, 〔그림〕－9와 같이 배의 전방으로 L의 힘으로 나아가는 대신에 옆으로도 Q의 힘으로 눌리게 된다. 이러한 경우에 배의 수중 부분의 면적을 충분하게 옆으로 넓게 하면 이 방향의 분력은 옆으로 미끄러지는 저항과 마주치게 되어 없어지며 전진력(前進力)만이 남게 된다. 최근의 요트는 수면하종단면적(水面下縱斷面積)이 크기 때문에 옆으로 미끄러짐은 거의 일어나지 않도록 되어 있으며, 충분한 속력으로 바람을 향해서 나갈 수가 있다.

최소수선면쌍동선

Small Water­plane Area Twin Hull

선형을 고속화시킬 때 조파저항이 마찰에 의하여 일어나는 마찰 저항보다 상대적으로 훨씬 커지게 된다. 이 조파저항을 최소로 줄이려면 선체가 물과 만나는 면적을 최소로 하지 않으면 안된다. 이러한 원리를 활용하여 쾌속 선박을 만들어 내려는 노력으로 나온 것이 최소수선면쌍동선이다.

선박의 모양은 넓은 갑판을 가지는 상부선체를 가느다란 지주 2쌍이 받치고 있는 아래에 잠수함 모양의 2개의 동체가 물 속에 잠겨 있으며, 지주는 정확히 수선과 한 곳에서 만나게 하고 있다.

이 배는 갑판 면적을 넓게 가질 수 있어 여객선 컨테이너 운반선, 해양조사단 등에 활용하기 쉽고 큰 갑판 면적이 필요한 군용선(항공모함 등)에 활용될 수 있어 방위산업용으로도 유용하리라 생각된다. 현재 일부 여객선과 해양조사선에 이용중이다.

해양개발 잠수정

海洋開發潛水艇

잠수정이 수심이 깊은 해저에 들어가서 이상없이 활용하기 위해서는 내부에 타고 있는 사람이나 기계를 보호하고 있는 선체가 압력에 충분히 견디어야 한다.

해양개발을 위한 잠수정의 동력원은 육상에서 충전하여 잠수정의 옆구리 등에 달고 들어가는 축전지에 의존할 수밖에 없다. 심해일수록 어둡기 때문에 밝은 조명이 필수적이며, 속력을 높이고 작업용 기계손(Manipulator) 등으로 많은 작업을 할수록 대용량의 축전지가 필요하나 아직 획기적인 대용량의 축전지는 개발된 것이 없어 잠수정의 수중 최고 속도는 3∼4노트가 고작이다.

우리나라에서도 기계연구소 대덕선박분소가 개발한 잠수심도 250m급 3인승선 잠수정이 제작되어 사용되고 있다.

잠수깊이는 6천∼8천m까지 잠수할 수 있는 것이 나와 있고, 사람이 타지 않고 수상의 모선에서 원격조종으로 조사 시료 채취 및 수중작업을 할 수 있는 것도 개발되었다.

배의 건조과정

배의 건조과정

－建造過程

배를 만드는 순서는 배의 종류와 크기에 따라서 여러 가지 다른 점이 파생되나, 여기서는 일반적인 대형선의 경우에 대해서 설명하기로 한다.

계획

計劃

새로운 배를 만들 경우에는 ① 어떤 항로(航路)에 사용할 것인가, ② 무엇을 실을 것인가, ③ 어떠한 항구를 출입할 것인가 등을 생각해서 첫째 배의 종류, 둘째 배의 크기, 셋째 배의 속력 등을 정해서 조선회사(造船會社)에 주문한다.

설계

設計

속력·안정성·강함 등의 중요한 요소의 연관 관계를 잘 생각해서 주문한 측의 희망에 알맞는 배를 만들기 위한 기본 계획을 세운다.

속력에 대해서는 배의 모형을 수조 속에서 달리게 하는 선형시험(船型試驗)에서 그 배에 알맞는 주기관의 출력이나 모양을 찾아낸다. 또한 안정성이나 강함에 대해서도 실험이나 계산에 의해서 계획을 진행시킨다. 선실이나 기계류의 배치도 여러가지 면에서 검토하고 많은 도면(圖面)을 그린다. 이것이 설계인데 대단히 중요한 일이다.

자재의 수배

資材－手配

상세한 공사용의 설계도면(設計圖面)이 완성되기 전에 우선 간단한 재료를 선택하는 도면을 만들어 필요한 재료·기계·기구류(器具類) 등의 표를 만들어 그 때부터 배를 만드는 순서에 맞도록 수배한다.

재료의 가공

材料－加工

상세한 설계가 완성되면 공장에서는 도면에 따라서 강재(鋼材)를 자르거나 굽히거나 한다. 강재를 자를 때는 투영기(投影機)나 매그니그래프로 축적된 원도(原圖)를 실물 크기로 확대해서 강판 위에 그린 다음에 모노포르로 자르는 경우가 많다.

또한 프렘플레너로 강판을 평행으로 절단한 것을 전기용접으로 붙인다. 강재를 정해진 모양으로 구부리기 위해서는 벤딩롤러가 사용된다. 이와 같이 하여서 선체를 조립하는 부품재료(部品材料)를 만들어 간다.

선체조립

船體造立

부품재료가 완성되면 마침내 조립이 시작된다. 우선 부재(部材)를 선대(船臺) 또는 건조독의 옆에 있는 용접 공장에서 배의 몇 부분씩을 전기용접으로 붙여서 조립한다.

이러한 부분 부분을 블록(block)이라고 말하며, 블록을 크레인으로 선대나 건조독으로 운반한다. 거기서 각 블록을 용접으로 연결시켜서 배 모양으로 매듭을 짓는다. 이러한 조선 방법을 블록 건조방식이라고 부르며, 이 방법의 채용으로 배를 만드는 시간이 대단히 단축되었다.

선체가 만들어지면 갑판 위의 구조물이나 프로펠러 등을 장치하고 마침내 진수식(進水式)을 맞이하게 된다.

진수

進水

진수는 선대에서 만드는 경우에는 윤활유(潤滑油)나 볼 베어링(ball bearing) 등을 사용해서 선대 위에서 선미쪽부터 물속으로 밀어보낸다. 그런데 건조독에서 만드는 경우에는 독 속에 물을 넣어서 배를 뜨게 한 다음에 밖으로 끌어낸다.

진수할 때는 관계자가 모여서 배의 탄생을 축하하는 진수식이 거행되며, 이와 함께 배의 명명식(命名式)도 거행된다. 진수식은 배의 한평생 가운데 가장 엄숙한 식이다.

의장

艤裝

진수가 끝난 배는 의장안벽(艤裝岸璧)으로 예인선에 의해서 끌려가서 항해에 필요한 주기관과 기타 여러가지의 기계·기구 등이 실려지며, 또한 여러가지 설비나 선실의 장치 등의 공사가 행해진다. 이것을 의장이라 한다.

해상시운전

海上試運轉

의장 공사가 끝나게 되면 배를 독에 넣어서 배 밑이나 프로펠러를 조사하고 페인트를 칠하고 깨끗하게 단장한다. 그 때부터 예행운전을 한 후에 화려한 공시운전(公試運轉)을 받게 된다.

공시운전에는 관청·선박협회·선주(船主)와 기타 관계자가 입회한다. 배를 실제로 달리게 하여 계획대로의 성능을 나타내느냐의 여부를 조사한다. 전진·후진·선회(旋回)·전속전진·정지 등을 되풀이해서 선체나 엔진의 성능을 조사하고 항해기구나 무선설비도 엄밀하게 검사·확인한다.

공시운전은 말하자면 졸업시험과 같은 것으로서 무사히 합격한 배는 선주에게 인계되어 처녀 항해를 하게 된다.

배의 건조기간과 관련공업

－建造期間－關聯工業

배를 건조하는 데 필요한 기간은 배의 종류·크기·조선소의 설비에 따라서 다르다. 근년에는 용접의 대폭적인 채용, 블록 건조방식의 채용으로 공사기간은 대단히 단축되었다. 선진국에서는 기공에서 진수까지 2∼3개월, 진수에게 의장의 완수까지 2∼3개월이 보통이다.

배를 만들기 위해서는 철강·구리·목재와 기타 각종재료, 그리고 주기관을 비롯한 기계·항해용계기(航海用計器)·기구·통신기·가구 등을 필요로 한다. 따라서 이러한 관련공업이 발달되어 있지 않으면 좋은 배를 만들 수가 없다.

미래의 배 모습

미래의 배 모습

未來－

제2차 세계대전 후의 과학의 급속한 진보와 유통경제의 발달에 따라서 배의 분야에도 여러 가지 변화를 가져왔다.

예를 들면 상선(商船)의 경우, 화물 종류에 따라서 그에 알맞는 전용선(專用船)이 많이 건조되었으며, 대형화·고속화의 방향으로 나아가고 있다. 한편 대형 여객선은 항공만의 발달, 특히 대형 여객기의 출현에 쫓기어 경제적으로 채산이 맞지 않으며, 더욱이 북대서양 항로에 군림해서 세계 1, 2위를 차지했던 퀸 엘리자베스호(Queen Elizabeth：영국, 총 8만 3,673t)나 퀸 메리호(Queen Mary：영국, 총 8만 1,237t)는 최근 호화여객선으로서의 모습을 감추었다.

앞으로도 조선 기술의 진전과 더불어 성능이나 경제성이 높은 배의 출현이 기대되고 있으며, 오늘날의 과제로서는 원자력잠수선과 완전 자동화선(自動化船)의 개발을 들 수 있겠다.

원자력선

原子力船

원자력선은 사용원료로서 기름이나 석탄 대신에 핵연료의 핵분열에 의한 열에너지(熱energy)를 이용해서 고온·고압의 증기를 만들고 그것으로 증기터빈을 돌려서 동력으로 사용하고 있다.

이점으로는 원자에너지가 대단히 가볍기 때문에 연료 탱크의 스페이스가 거의 불필요하게 되었으며 따라서 그만큼 화물을 많이 적재할 수 있고, 항해중에 연료 보급이 필요 없기 때문에 장기항해를 할 수 있고, 또한 연소에 산소를 필요로 하지 않는다는 이점 등이 있다. 그 반면에 핵분열에 의해서 생기는 유해한 방사능을 차폐하기 위해서 많은 차폐재료로 원자로 구획을 둘러쌀 필요가 있으므로, 재래선(在來船)에 비해서 기관부가 비교적 무겁게 된다.

원자력선의 경제성에 대해서는 연료비와 건조비의 경우, 물론 재래선에 미치지 못한다. 그러나 고속·대형선에 이르게 되면 기관의 소요마력이 대단히 크게 되고, 재래선의 경우는 연료유의 중량이 현저히 증가되기 때문에 연료 중량이 극히 작은 소형의 원자력선의 경우가 유리하게 된다.

원자력선에서 중요한 문제는 안전성이다. 만일 충돌하거나 좌초하더라도 원자로(原子盧)에 될 수 있는 한 손상을 주지 않도록 하기 위해서 원자로에 가장 좋은 위치와 주위의 방호구조(防護構造)를 결정하는 것이 중요하다. 또한 방사선의 관리나 원자로의 비상제어, 폐기물의 처리, 그 위에 재해의 보상 등 곤란한 문제가 있다.

배는 고속의 경우, 조파저항(造波抵抗)이 대단히 크게 되며, 그 때문에 대마력의 기관이 필요하게 된다. 그러나 배를 물속에 잠수시키면 조파저항을 그리 많이 만들지 않기 때문에 비교적 소마력으로 고속을 낼 수가 있다. 더욱이 원자력선은 연료를 연소시키는 데 산소를 필요로 하지 않기 때문에 잠수선에는 가장 적합하다. 그 때문에 상선으로서 수압에 미치는 구조를 하지 않으면 안 되나 금후 이 점이 해결된다면 원자력잠수선이 많이 건조될 것으로 전망된다.

자동화선

自動化船

배를 조정하는 경우 직진(直進, 또는 後進)시키는 조정과 방향을 변환시키는 조정으로 나누어서 생각하게 된다.

전자의 조정 수단은 주기관과 프로펠러이며 이것은 또한 속력의 조정을 의미하고 있으며, 선교(船橋)에서 기관실에 지령하여 속력의 조정을 행하고 있다. 또 후자의 조정 수단은 키에 의하여 이것도 역시 선교의 조타륜(操舵輪)을 회전시키는 것에 의하여 선미에 있는 키를 잡는 기계를 컨트롤하도록 되어 있다. 그래서 이와 같이 배를 움직이게 하기 위해서는 여러 가지 기계가 필요하게 된다.

보통의 항양선에는 자동조종장치(自動操縱裝置)가 설치되어 있으며 대양(大洋)을 항해할 때는 이 장치에 맡길 수가 있으나 좁은 수로(水路)나 항구에서는 감시원을 세워서 조선(操船)하거나 또한 착안(著岸)·이안(離岸)의 경우에는 인선(引船)의 수고로움을 받고 있다. 그래서 감시원 대신에 공업용 텔레비전 카메라를 설치하거나 사이드 스러스터(side thruster：선수에 옆으로 붙인 소형 프로펠러)나 액티브 러더(active rudder：소형 프로펠러를 붙인 키)를 설치해서 자력으로 미묘한 조선을 가능하도록 했으며, 출입항의 경우 조타실에서 혼자서 컨트롤할 수 있도록 하는 문제가 검토되고 있다.

화물의 적재와 하역에 요하는 정박일자를 단축시키기 위해서 해치커버를 자동개폐장치(自動開閉裝置)로 하거나 카고윈치를 혼자서 컨트롤할 수 있도록 하거나 또는 컨테이너(container) 방식을 채용하는 등 여러 가지 자동화가 이루어지고 있다.

바닥효과비행정

－效果飛行艇

일명 WIG(Wing­in Ground Effect Machine)라 부르는데 배라고 하기보다 주로 수면 위를 날아다니는 초저공 비행정이라고 불러야 할 기계이다. 비행기 형체의 기체가 해면에 닿을락말락한 높이로 날고 있으며 비행체와 해면 사이에는 비행체 상부보다 상대적으로 짙고 밀도가 높은 공기가 끼워져 강한 에어 쿠션 효과가 생기고 이 효과에 의해 양력이 발생한다.

고공을 나는 비행기처럼 높이 올라가지 않기 때문에 이륙하는 데 필요한 에너지가 절약되고 연료비가 적게 들면서도 그 속도가 수상을 달리는 물체로서는 획기적인 것이 되리라는 예상이다.

이 비행체는 1930년 핀란드의 기술자 카아리오(Kaario)에 의해 처음으로 만들어졌고, 독일을 비롯하여 구소련과 미국이 60년대 중반부터 1천t 이상의 무게에 4백 노트까지 낼 수 있는 WIG 개발을 하였다.

초전도전자기추진선

超電導電磁氣推進船

MHD(Magn­etohydrodynamics, 자기유체역학)식 추진시스템이라고도 하며, 종전의 선박 추진방식인 스크루 프로펠러나 하이드로 제트 등과 같이 물을 기계적으로 밀어서 구동하는 것이 아니다. 이 배는 새로운 원리인 전자기력을 이용, 기계적 추진기에서 고속을 낼 때 필연적으로 대두되는 캐비테이션 문제를 해결함으로써 보다 고속을 얻을 수 있는 장점을 갖고 있다.

기본 원리는 '플레밍의 왼손법칙'이라 불리는 모터의 원리를 선체에 응용하여 물 그 자체를 레일로 삼아 달리는 선형(Linear) 모터 구동이라 할 수 있다.

배의 바닥에 여러 쌍의 강력한 코일을 배열하고 그 코일의 열에 대해서 90도 상태로 플러스와 마이너스 전극도 여러 열을 배열하여 이들 모두에게 전류를 흘린다. 그렇게 하면 전장과 자장 크기의 곱에 비례하는 전자력이 그 두 장치와 직각 방향으로 발생하여 배가 추진된다. 이 때 사용하는 코일로서 초전도체를 쓰면 저항 없이 전류를 계속 흘리고 추진할 수 있다는 것이다.

물의 부력이 지원되는 충전회로의 초전도 전자기 추진선은 자기부상열차와 유사한 방법으로 선박이 추진된다.

현재까지 일본에서 ST－500이란 소형 모형선을 만들어 시험한 예가 있으며 계속하여 1만 2천 t급 쇄빙선 설계를 해두고 연구를 계속하고 있고, 미국 등도 연구에 열을 올리고 있다.

그러나 MHD 추진시스템이 완전히 실용화가 되려면 상온에서 초전도 상태를 유지할 수 있는 신소재의 개발, 해수에 전류를 통함으로써 발생하는 염소의 흡수 처리, 선내 자장에의 영향 처리 등 해결해야 할 과제가 수없이 남아 있다. 그러나 이 추진기술이 완성되면 항공운송에도 대항할 수 있는 새로운 운송 형태로 될 가능성이 충분히 있는 획기적인 것이다.

잠수 탱커

潛水 tanker

석유 자원이 점차 고갈되면 북극이나 남극에서 석유를 채취할 경우 이에 적합한 수송수단인 극지 유조선(polar Tanker)이 필연적으로 필요하게 될 것이고 해빙으로 덮여 있는 극지방에서 운반해 오려면 필수적인 수단이 되어 잠수 탱커(Submersible Tanker)가 출현하게 될 것이다. 그러나 이 탱커는 현재로서는 원자력 추진이어야만 가능하다.

선체를 고속으로 추진하려면 조파저항을 경감시켜야 효율적인데 잠수 탱커는 물속을 항해하기 때문에 유리하다. 이에 따라 원자력 안전기술도 함께 발전되고, 상선에도 영향을 주는 잠수원자력상선의 시대가 올 것이라는 예측도 해 볼 수 있다.