본 실험에 사용한 3종 카약에 대한 조선공학적 제계산과 복원성능의 평가를 위하여 3차원의 선체표면(hull sur-face) 설계를 하였으며 Figure 1, 3 과 5는 전면, 측면과 상하면이고 Figure 2, 4 와 6은 3차원 역설계를 통한 형상이다.

Figure 1: 
Frame Kayak (Type 1)

Figure 2: 
3D Surface Design of Frame Kayak (Type 1)

Figure 3: 
Needle Knife Kayak (Type 2)

Figure 4: 
3D Surface Design of Needle Knife Kayak (Type 2)

Figure 5: 
V-hull Kayak (Type 3)

Figure 6: 
3D Surface Design of V-hull Kayak (Type 3)

카약 3종에 대한 성능비교를 위해서 3D 선형설계 프로그램인 Maxsurf Hydromax Ver 17.04을 이용하여 기본적인 배수량(△), 부심위치(KB), 침수표면적(wetted surface area, WSA) 등의 유체역학적인 계산을 수행하였고 각각의 카약에 대한 계획만재흘수(design loaded water line, DLWL)에서의 특성값을 계산하였다. 수면에서 카약이 물에 잠긴 최하단까지의 수직거리인 흘수가(draft) 변화될 때, 3종 카약에 대한 흘수별 유체정역학적인 결과치는 각각 Table 1, 2와 3이다.

카약 3종의 실선 무게에 성인 1인(약 80kg)을 포함한 무게를 기준으로 하여 복원성능을 평가하였으며, 복원성능 질량표는 Table 4이다. 그리고 유체역학적 제계산 및 복원성 계산을 통해서 최대 경사각 30도에 대한 복원팔(GZ, Righting Lever)의 최대복원팔(Max GZ)은 Type 3이 가장 크고 Type 1, Type 2순으로 Figure 7과 같으며 카약 종류별 최대복원팔과 경사각은 Type 1이 132.6mm(43.6도), Type 2가 96.1mm (33.6도), Type 3이 140.1mm(39.1도)로 나타났다.

Figure 7: 
Comparison of righting levers

수조시험을 위하여 3종의 카약에 동일한 공기압 15 Psi를 주입하였다. 시험항목은 경사시험(Inclining test), 선회시험(Turning trial test) 및 저항시험(Resistance test)이고 전술한 순서대로 진행하였으며 실선에 대한 시험인 경사시험과 선회시험은 Figure 8과 같은 해양공학수조에서 수행되어졌다.

저항시험의 경우 시험의 환경에 맞추어 모형선을 축소 제작한 후 Figure 9와 같은 회류수조에서 시험을 수행하였다.

Figure 8: 
Photograph of Ocean Engineering Basin ((Ki (2012) [4] with Permission)

Figure 9: 
A photograph of circulating water channel (Ki (2012) [4] with Permission)

카약 3종의 무게중심(KG)을 추정하기 위해서 실선을 통한 경사시험을 수행하였으며, 각각의 지정된 배수량에 맞추어 무게를 균등하게 배분하였으며, 경사를 만들기 위해 약12.5kg의 무게를 횡방향 30cm 이동하였을 때에 기울어지는 각도를 계측하였다.

또한 유체정역학에서 계산된 부력중심(KB), 메타센터(KM) 및 무게중심(KG)을 바탕으로 실제 제작되어진 3종 카약의 최종 횡방향의 무게중심(KG)을 추정하였다.

카약 3종의 선회반경 시험을 위하여 우선 각각의 카약의 실선의 무게에 성인남자(80kg) 한 명이 탑승 시를 기준으로 하여 선회반경 시험을 수행하였다.

카약에는 자체 방향타가 없으므로 방향타를 자체 제작하고, 방향타의 선회각도는 25도 동일하게 적용한 후, 선회반경에 대한 캘리브레이션은 Figure 10과 같이 실시하였다.

Figure 10: 
Calibration for each turning trial

카약 3종의 저항성능 검증을 위하여 Table 5와 같은 제원의 회류수조에서 모형선을 이용하여 시험하였다. 3종의 모형선은 실측선형을 바탕으로 일반적으로 사용되는 FRP를 이용하여 제작하고 축척비는 Type 1이 ⋋= 4.558, Type 2가 ⋋= 4.558, Type 3이 ⋋= 4.558로 축소하였고 Figure 11, 12 and 13과 같이 제작하였다.

Figure 11: 
The reduced scale model ship (frame kayak, Type 1)

Figure 12: 
The reduced scale model ship (needle knife kayak, Type 2)

Figure 13: 
The reduced scale model ship (v-hull kayak, Type 3)

모형선은 주요제원에 나와 있는 바와 같이 목표 하중 상태일 때에 흘수를 조절(Design Load)하여 설치 및 실험을 실시하였다. 또한 시험대상 실선의 설계속도(Design speed)는 5.0 노트를 포함한 2 – 7 knot에서 Figure 14(예, Type 1의 5.0 knot)와 같은 회류수조에서 저항시험이 수행되었다.

카약의 저항성능해석은 Froude의 상사법칙에 따른 선속으로 수행되었으며, 다음과 같은 ITTC 1978해석법을 근간으로 한 2차원법을 적용하였다.

그리고 트림(Trim) 및 침하량(Sinkage)은 무차원화하여 나타내고 다음과 같이 산출하였다.

Figure 14: 
Photographs of resistance test (frame kayak, Type 1) : 5.0 knots

유체정역학에서 추를 포함한 실선에서 계산된 선저에서 부력중심까지의 변위(KB'), 부력중심에서 메타센터까지의 변위(B'M'), 무게중심에서 메타센터까지의 변위(G'M')와 선저에서 무게중심까지의 변위(KG')의 값을 바탕으로 실제 제작된 카약 3종의 최종 횡방향 무게중심(kG)의 결과치는 Table 6과 같다. 목표배수량 시에 무게중심(KG)는 Type 1(0.278m)이 가장 크고, Type 3(0.261m), Type 2(0.128m) 순으로 나타나 튜브의 두께가 두꺼울수록 선저에서부터 무게추가 위쪽으로 올라가 무게중심이 상승하는 효과를 보이는 것으로 판단된다.

카약의 조종성(Maneuverability)에 영향을 주는 선회 성능은 최소 타각도에 대해서 작은 선회반경을 가지는 것이 조종성이 좋은 것으로 평가 하며 3종의 카약 종류에 따른 선회반경의 패턴은 Figure 16과 같다. 선회반경 패턴은 Type 3이 약간 우수하게 나타나고 Type 2는 전반적으로 표류(Drift)가 발생하는 경향을 보였다. 이는 Type 2 카약의 선저(Hull Bottom)가 평평한 형태로 인하여 선회 시에 미끄러짐이 발생되어졌을 것으로 판단되어 진다.

Figure 15: 
Curves of turning performance (mm)

카약 3종의 모형선의 저항시험을 수행한 결과, 5 , 6, 7 노트에서의 저항계수는 Table 7과 같고 특히, 설계속도 5 노트에서 저항계수(CTS)는 Type 2가장 크고 Type 3, Type 1 순으로 나타나 Type 1이 저항면에서 가장 우수하게 나타났다. 그리고 저항계수 패턴은 Figure 16과 같으며 Type 2의 저항계수는 선속도가 증가할수록(약 5 노트까지) 민감하게 증가하였으나 Type 3의 저항계수는 선속도 변화에 관계없이 Type 1보다 크게 나타났으며 유사한 패턴을 보였다.

Figure 16: 
Curves of turning performance (mm)

각각 실선 5, 6, 7 노트일 때의 유효마력은(EHP)은 Table 7과 같으며 모형선-실선 성능추정법을 통하여 설계속도(Design Speed) 5 노트일 때의 전체저항은 Type 1, 2, 3에 대해서 각각 72N, 71N, 93N이므로 Type 2이 가장 작게 나타났으며 Type 1보다 1.4%, Type 3보다 23.7% 저항성능이 우수하게 나타났다(Table 7). 그리고 Type 1과 Type 2는 속도변화에 관계없이 유사한 유효마력 패턴을 보였으며 Type 3가 4 노트 기점으로 다른 Type보다 유효마력의 증가 기울기가 크게 나타나 속도변화에 민감함을 알 수 있었다(Figure 17).

Figure 17: 
Curves of EHP

카약 3종의 속도에 대한 침하량(Sinkage)은 5 노트에서 Type 2, 6 노트에서 Type 3, 7 노트에서 Type 2가 가장 크게 나타났으며 특히, 설계속도 5 노트에서 침하량은 Type 1이 가장 크고 Type 3, Type 2 순이며 모두 음수를 보였다(Table 8). Type 1은 속도가 증가할수록 침하량의 변화가 완만한 반면 Type 3와 Type 2는 5 노트에서 유사하고 6 노트와 7 노트는 반대 패턴을 보였다. 그리고 속도가 증가할수록(5노트 - 7노트) 침하량이 모두 음수로 나타나 수면 위로 상승하지 못하고 침하현상을 보이는 것으로 활주가 일어나지 않음을 반영한 것이다(Figure 18).

카약 3종의 트림(Trim)은 5 노트에서 Type 2가 6 노트와 7 노트에서 Type 3가 가장 크고(Table 8), 속도가 증가할수록 모든 카약의 트림은 유사한 패턴을 보였으며 공통적으로 6 노트에서 최소값을 보였다(Figure 18). 그리고 설계속도 5 노트에서 트림은 Type 2가 가장 크고 Type 3, Type1 순으로 나타나며 모두 음수를 보였다(Table 8). 이는 선수 흘수가 더 크게 나타나 선미 하강 보다 선수 상승이 더 큰 자세를 반영한 것이다.

Figure 18: 
Curves of sinkage and trim