1. 서 론
한국해양과학기술원이 보유하고 있는 이어도호(R/V Eardo)는 총톤수가 350톤인 지역해급(Regional class) 연구선으로서 코리아타코마조선(현 한진중공업)에서 ‘해양250’ 유인잠수정 모선으로 건조하여 1992년 취항하였다. 유인잠수정이 퇴역한 이후에는 우리나라 관할해역을 대상으로 해양관측연구를 전문으로 수행하여 왔다.
우리나라 해양연구에 있어서 변변한 연구인프라 하나 갖추지 못했던 1990년대 초 지역해급 해양연구 전문연구선의 등장은 노르웨이에서 건조하여 같은 시기에 취항한 1,400톤 오션급 (Ocean class) 연구선 온누리호(R/V Onnuri)와 함께 대양 및 공해는 물론 우리나라 관할해역과 지역해를 대상으로 다학제적인 종합연구와 정밀관측이 가능한 해양연구인프라를 갖추게 되었다는 것이며, 동시에 불모지나 다름 없던 우리나라 해양과학분야가 세계적 수준으로 도약하기 위한 핵심 연구기반이 마련되었다는 것을 의미한다(박 2015).
앞서 설명한 바와 같이 1992년 취항한 이어도호는 연간 200일이 넘는 실해역 연구관측을 수행하여 왔으며, 2018년까지 731회 현장 연구에 투입되었다. 이어도호가 잠수정 모선의 연구선임에도 불구하고 주력연구선으로서 역할이 가능했던 이유는 정밀 탑재장비와 연구지원 설비 뿐만이 아니라 선박 자체가 종합해양 연구관측 기능을 수행할 수 있는 지역해급 연구선으로 설계건조되었기 때문에 가능하였다. 최근 영국, 미국, 독일, 일본 등 해양에서 미래를 찾는 국가들은 자국 관할해역의 해양환경 보호와 보전을 위해 해양 기후, 해양생태, 에너지/자원의 이용과 해양방위분야에 이르기까지 해양의 이용과 보전분야에 대체선 건조로 상징되는 연구시설장비 인프라 개선에 주력하고 있는 추세이다.
그러나 해양 연구환경 개선과 기술고도화에 괄목할만한 성과를 이루어왔지만 선령이 29년 경과된 2020년 현재, 이어도호는 노후화(운항 효율 50% 이하)가 급속히 진행 중에 있으며, 운항의 안전성이 심각하게 우려됨에 따라 운항범위를 180 km 이내로 제한하여 운용할 수 밖에 없는 기능한계에 이르렀다. 이와 같이 노후화가 가속되는 상황과는 달리 연구선의 활용에 대한 수요는 해양안전〮방위분야 뿐만이 아니라 해양기후 환경/보전/모니터링과 자원연구 분야를 중심으로 더욱 확대되고 있는 추세이다.
이어도호의 선령, 안전성, 기능성, 효율성 등 여러 요소를 종합적으로 고려하였을 때, 안정적 연구환경개선과 신규 인프라 구축을 위한 대체연구선 건조 시급성이 대두됨에 따라 한국해양과학기술원은 2015년 2월 이어도호 대체선박 건조를 경영성과계획서에 반영하므로서 본격적인 대체선 건조 논의가 시작되었다. 이에 따른 후속조치로 2015년 9월 안전진단(한국선급)과 2016년 1월 성능검사(만디젤 코리아) 후, 2017년 3월 ‘이어도호 대체선박 건조 기획연구’ 결과를 기반으로 270여일의 설계과정을 통해 2019년 9월 설계를 완료하였다(한국해양과학기술원 2017).
본 연구에서는 우리나라 관할해역과 지역해의 해양연구관측을 담당하는 주력연구선으로서 이어도 대체선 건조를 위해 반영된 설계특성과 기본설계 결과를 연구선을 활용할 연구자 관점에서 요약 소개하고 현 이어도호와 비교 검토하였다.
2. 본론
설계수행 경과
2018년 12월에 ㈜한국선박기술과 설계용역계약을 체결한 이후, 2019년 9월 설계용역이 종료될 때까지 9개월간 총 38차에 걸친 설계 및 기술검토를 진행하였다. 설계를 위한 기술검토는 크게 수요기관(한국해양과학기술원)의 전문가 요구사항 검토, 주요 요목, 적용기준, 선형 및 제원 확정 등으로 구분될 수 있으며, 세부적으로는 23차례에 걸쳐 국내외 유사연구선 자료분석, 초기 일반배치(안) 도출, 추진체계 검토, 주요 제원 및 선형 검토, 주발전기 기술사양 검토, 초기 속력 및 마력 추정, 수중방사소음 적용기준 분석, 주요 제원과 장비 사양에 대한 기술검토가 진행되었다.
설계용역 5개월차인 24차부터 29차 기술검토에서는 주로 모형시험 및 선형개선과 관련한 전문가 자문 및 논의가 이루어졌으며, 30차부터 38차 공정회의까지는 일반배치 확정과 기본설계 완료를 위한 기술회의를 수행하였다. 설계가 완료되어 최종 확정된 연구선의 주요 제원은 총톤수 약 740 톤, 선장 62.0 m, 선폭 11.6 m이며, 총 승선인원은 32명, 연속항해일수 20일 이상 등의 조건을 적용하였으며, 추진체계는 저진동/저소음 구현, 기관실 공간구성의 효율성 및 선박위치제어가 용이한 전기추진 방식을 적용하였다(Table 1, Figs. 1 and 2).
Table 1.
Main specification of 740-ton R/V Eardo replacement vessel
선형개발 및 수조 모형시험
연구선을 설계·건조하는데 있어서 가장 중요한 선형(Hull form)을 확정하기 위한 과정은 총 3단계로 구분하여 수행하였다. 1단계에서는 재화중량, 항해속력/항속거리, 만재흘수, 추진체계, 발라스트 양 뿐만 아니라 선박 운용목적, 적용법규와 건조비용 등 여러 가지 설계기준과 제약조건을 고려하여 선박 형태의 유형을 선정하고 2단계에서는 유사선박을 통해 주요 형상을 결정한 후, 2가지의 기본 선형을 개발하여 전산모델을 통한 저항성능 이론해석 결과를 바탕으로 초기선형 1종을 선정하였다. 최종 3단계에서는 수조 모형시험과 내항성능 해석결과를 기반으로 초기 선형을 개선한 최종 선형을 선정하였다. 특히, 선수하부에 위치하는 부가물(음향센서돔)이 해류에 의해 발생되는 기포의 영향을 최소화 할 수 있는 선형을 개발하는데 기술적 검토가 수행되었다.
수조 모형시험은 선박해양플랜트연구소의 선형시험수조(예인수조 길이 200 m, 폭 16 m, 깊이 7 m)에서 축척비 1/9 목재 모형선을 제작하여 선형개발 및 성능평가를 위한 일련의 시험을 수행하였다(Fig. 3). 모형시험항목은 저항, 수중 기포(버블), 반류분포, 유선조사 등이다. 성능검증과 관련한 모형시험은 2차(1차 2019년 5월, 2차 2019년 7월)에 걸쳐서 수행하였으며, 1차 초기 설계 선형의 저항과 관련한 문제점을 개선한 선형을 도출하여 2차 시험을 수행한 결과, 기대성능에 부합하는 선형이 완성되었다(Fig. 4).
선형과 관련하여 선수 하부에 위치하는 부가물(센서돔)은 영구 탑재되는 음향센서가 밀집되어 배치되어 있는 주요 구역으로서 연구선이 일정속도로 진행할 때, 선수에서 발생되는 기포에 의한 영향 유무 확인은 필수적이다. 이와 같은 영향요인을 확인하기 위하여 유선시험(Paint smear test)을 수행하였으며, 유선시험 조건은 순항속력 12 노트 속력조건하에서 수행하였다(Fig. 5). 선측과 센서돔 주변에서 보여주는 유선의 흔적은 선수에서 발생하는 쇄파의 영향이 선저 센서돔이 위치하는 구역에 전달되는 효과가 크지 않아서 선수에서 선측을 따라 이동하는 기포 또한, 선저 센서돔에 직접적으로 끼치는 영향은 크지 않은 것으로 사료된다.
연구선 일반배치 특성 및 주요 고려사항
일반배치도(Fig. 6)에서 나타나는 바와 같이 Deck구성은 유류, 식수 저장시설 등이 위치하는 최하단부 TANK PLAN을 제외하고 FLOOR Deck부터 BRIDGE Deck까지 4개 Deck로 구성하였으며, 전체 면적은 796.1 m2이다. TANK PLAN 상부 FOOR Deck의 갑판면적은 449.3 m2으로 전체 Deck 면적의 56.4%를 차지하며, 연구원 거주시설과 주기관실 등을 배치하였다. UPPER Deck의 면적은 196.4 m2로 면적비율은 24.7%를 점유하고 있고 모든 연구활동이 집중되는 구역으로 선상 연구장비 운용과 밀접한 동선을 고려하여 건식/습식 연구실험구역을 집중 배치하였다. 승조원 거주시설이 있는 F’CLE Deck (면적 79.0 m2)와 연구선 운항통제실인 BRIDGE Deck (면적 71.4 m2)의 면적비율은 각각 총면적의 9.9%, 9.0%이다.
총톤수 700 톤의 중형급 연구선인 이어도호를 설계하는데 있어서 요구되는 연구기능과 성능을 고려한 공간배치를 설계하기 전에 우선적으로 고려할 사항으로 크게 선수 형상, 선저 센서돔 크기와 형상, 추진체계 선정, 동적위치제어시스템(Dynamic Positioning System, DPS) 적용, 고정형 USBL (Ultra Short Baseline Underwater Positioning System) 반영과 기관/연돌 설계시 배출가스규제 Tier III를 만족하는 환경오염저감장치 적용 여부 등이다. 이와 같은 사항의 반영이 우선적으로 고려될 수 밖에 없었던 이유는 연구선 건조비용 상승 뿐만 아니라 선박의 제원을 결정하고 연구중심의 시설 배치를 하는데 있어서 심각한 부담요인으로 작용하였지만 향후, 30년간 운용될 연구선의 기능을 고려하였을 때, 국제규약 및 국내법 준수와 친환경 연구선 인프라 구축을 위한 불가피한 선택사항으로서 설계에 반영하였다.
선수 형상은 저항이 감소되고 선측을 따라 이동하는 기포가 센서돔에 끼치는 영향을 최소화 하기 위하여 연구선의 흘수선 아래 돌기모양의 구상선수(Bulbous Bow)형상을 적용하였다(Fig. 2). 선저 센서돔은 Blister형상을 채택하였다. 추진체계는 동적위치제어시스템과의 연동, 다양한 조건의 속도제어와 선회, 소음진동 감쇄 등을 고려할 때, 가장 적합한 추진체계로 기존 디젤기관으로 구동하는 가변피치프로펠러(Controllable Pitch Propeller, CCP) 대신 전기추진 방식의 디젤발전기로 구동하는 전기모터에 의해 360° 자체회전이 가능한 Azimuth thruster 2기를 적용하였다.
동적위치제어시스템은 연구선의 규모를 고려하여 선수 추진기(Bow Thruster)와 선미 추진기(Azimuth Thruster)를 연동하여 운용할 수 있는 DPS-I class를 적용하였다. 또한, 향후 잠수정, 음향탐사장비와 수중 영상탐색장비 등 수중예인장비의 정밀 위치측정을 위하여 USBL을 탈부착 방식에서 선내 고정형으로 설치될 수 있는 공간을 설계에 반영하였다. 친환경 연구선을 구현하기 위하여 2016년부터 발표된 국제해사기구 대기오염방지 3차 규제사항(Tier III)을 만족하는 내연기관 환경오염저감장치를 설계에 적용하였다.
700톤급 이어도호 주요 구역 배치는 크게 연구, 항해, 기관, 거주, 창고와 통로구역으로 구분하여 배치하였다. 연구선은 기본적으로 좁은 공간에서 바다 위의 연구소와 같은 기능을 수행하여야 하기 때문에 공간면적 구성과 이에 대한 배치는 매우 중요한 설계 고려사항이라고 할 수 있다. 가장 넓은 점유공간(Area)은 기관구역으로 전체 39.6%를 차지하고 있으며, 거주구역(24.3%), 연구구역(17.5%). 통로구역(7.7%), 항해구역(7.3%)와 창고구역(3.6%) 순으로 점유공간을 구성하였다(Table 2). 이와 같은 설계결과에서 나타난 점유공간을 현재 운용 중에 있는 이어도호의 점유공간과 비교하였을 때, 전체면적은 현재 이어도호 보다 73% 확장하여 구성하였으며, 특히, 연구공간의 경우는 현재 이어도호 보다 4.4배 넓게 반영하여 연구관측 중심으로 구성한 것이 특징이다(Table 3).
Table 2.
Area and volume of each sector of the proposed vessel
Table 3.
Comparison of area and ratio between the proposed and current vessel
현재 이어도호와 제원을 비교하였을 때, 700톤급 이어도호의 전장과 폭은 각각 13 m와 3 m 확장되었으며, 추진마력은 현재 이어도호가 612 BHP 디젤엔진 2기를 탑재한 반면 700톤급 이어도호는 940 kw 발전기 3기를 탑재하였다. 세부적인 제원 비교결과는 Table 4와 같다.
Table 4.
Comparison of major specification between new and old vessel
연구시설 배치 및 탑재 연구장비
Fig. 6에서 보여주는 바와 같이 모든 연구활동과 실험분석이 집중적으로 이루어지기 위해서는 시료채취 구역부터 분석공간까지 유기적인 동선을 갖추어야 하기 때문에 Dry Lab, Wet Lab, Semi Wet Lab과 Lab Equipment Room을 UPPER Deck에 배치하였다. 이와 같이 UPPER Deck의 공간 구성 및 설비 배치를 위해 가장 우선적으로 고려된 것은 시료채취와 견인 수중예인체 운용이 주로 이루지는 후갑판 A-프레임과 크레인 운용범위를 고려하여 여러 채취 및 관측장비가 갑판에 회수된 후, 시료의 전처리, 검교정과 실험〮분석이 용이하고 시료 오염을 최소화할 수 있도록 동선과 구역을 고려하였다. 또한, 중형급 연구선으로서 설계상에 공간확보가 제한적이기 때문에 퇴적물, 생물, 해수시료 전처리 구역을 반폐쇄형 실험공간(Semi Wet Lab)으로 별도 구성하고 바로 인접한 실험실을 실험 전용 Wet Lab으로 배치하였다. Dry Lab, Wet Lab, Semi Wet Lab과 Lab Equipment Room의 면적은 각각 20.5 m2, 16.9 m2, 31.9 m2과 13.2 m2로 설계하였다.
주요 연구관측 장비 및 설비는 총 32종을 설계에 반영하였다(Table 5). 선저 센서돔과 연결된 지구물리장비는 심해용과 천해용 다중음향측심기 각각 1종, 천부지층탐사기, 과학어군탐지기, 정밀수심측정기와 표층 음속측정기를 포함한 총 6종을 기본으로 반영하였으며, 수층 물리〮화학 장비는 수층별 수온염분측정 및 채수시스템, 연속 음속관측, 초음파 해류 관측장비, 표층 수온염분 측정기, 음속 측정 프로파일러, 1회용 수온관측기 등 6 종을 기본으로 고려하였다(Figs. 7 and 8). 시료채취장비는 어란 샘플러, 다중 플랑크톤 채집기, 피스톤 코어러 운용개념을 반영하였다(Fig. 8). 설비시스템 중 윈치시스템은 다목적 윈치, 트랙션 윈치와 CTD용 윈치와 예비 윈치 총 4종을 적용하였으며, 프레임은 A-프레임 Davit, J-프레임 Davit, CTD용 A-프레임 Davit을 포함하였다(Fig. 9). 연구관측장비 후처리용 항해제어시스템, 연구선 동적 기본정보를 제공하는 자동항해정보시스템과 위성위치측정 보조시스템을 반영하였다. 그 밖에 자동 해양기상 관측장비와 수중 조사장비 위치 탐지기를 설계에 반영하였으며, 연구지원 선박설비로는 동적위치제어시스템, 선수추진기, 주추진기와 주발전기를 고려하였다.
Table 5.
List of equipment for the proposed vessel
3. 결 론
2018년 12월부터 2019년 9월까지 총 9개월에 걸친 수행된 이어도호 대체 연구선 설계 결과와 현 이어도호와의 주요 제원 비교 결과는 Table 3과 4와 같다. 연구선의 전장은 62.0 m로서 현재 이어도호의 전장보다 26.5% 증가되었고 선폭은 3.0 m 넓은 11.6 m로 최종 설계되었다. 주요 공간의 경우, 연구관측장비 운용, 항해, 기관, 거주, 창고, 탱크와 통로공간으로 구분하였을 때, 현 이어도호의 연구조사장비 운용공간은 전체 공간의 7.0% (35.7 m2) 규모인 반면에 700톤급 이어도호의 연구장비 운용공간은 155.9 m2로 전체면적의 17.5% 규모로 확대 적용하므로서 연구선으로서의 연구활동 공간을 대폭 강화하였다. Dry Lab.과 Wet Lab.의 면적 구성은 1:2 비율로 적용한 반면에 연구장비실은 별도의 공간으로 적용하므로서 연구관측 분야별 현장 적용 특성을 반영하여 배치하였다.
2022년 초에 건조가 완료될 예정에 있는 이어도호 대체 연구선은 우리나라 관할해역과 지역해를 중심으로 해양에 대한 국가현안을 과학적으로 해결하기 위한 첨단의 연구인프라 구축을 통해 국가해양과학기술이 다시 한번 도약할 수 있는 대표적인 해양인프라로써 자리매김 할 것으로 기대된다.
