Chapter 01

배의 전체 그림

길이 400 m, 무게 20만 톤이 넘는 강철 구조물이 바다에 떠서 하루 1,000 km를 나아가고, 폭풍 속에서도 부러지지 않고, 지구 반대편 항구에 몇 분 단위로 맞춰 들어간다. 세계 교역 물동량의 대부분이 이렇게 움직인다. 이 장에서는 책 전체를 미리 훑는 지도로서, 배가 해야 하는 일과 배의 종류, 배를 재는 치수와 부위의 이름, 배가 바다에서 움직이는 여섯 가지 방식, 그리고 해운이 쓰는 단위를 시뮬레이터로 만져 본다.

배가 하는 다섯 가지 일

자동차는 땅이 무게를 받쳐 주고, 비행기는 날개가 공기를 아래로 밀어 떠 있다. 배는 둘 다 아니다. 배는 자기 무게만큼의 물을 밀어내서 뜬다. 그 위에 화물과 사람을 싣고, 기울어져도 다시 일어서고, 물의 저항을 이기며 나아가고, 원하는 방향으로 돌고, 파도가 선체를 휘게 해도 부러지지 않아야 한다. 이 다섯 가지 일이 조선해양공학의 큰 갈래이고, 이 책의 장 순서도 이를 따른다.

뜨기부력이 무게와 같아질 때까지 가라앉는다. 무게가 늘면 흘수가 깊어진다.
서기바람·파도·화물 이동으로 기울어도 복원 모멘트가 배를 다시 세운다.
나아가기저항을 이기는 추력을 프로펠러가 만들고, 엔진이 그 동력을 댄다.
방향 잡기타와 스러스터로 돌고 서고 붙고, 항해 장비로 길을 찾는다.
버티기파도 속에서 휘고 비틀리는 선체가 수십 년 동안 부러지지 않아야 한다.
뜨기 · 부력2장 부력과 배수량 서기 · 복원성3장 복원성 · 4장 트림5장 손상 복원성 나아가기 · 저항과 추진6장 저항 · 7장 프로펠러8장 추진 효율 · 9장 주기관 방향 잡기 · 조종과 항해12장 조종성 · 20~22장 항해 버티기 · 구조와 파도10·11장 파도 · 13장 구조 무게 = 부력 · 복원 모멘트 · 추력 = 저항
그림 1-1. 배가 해야 하는 다섯 가지 일과 그것을 다루는 장. 상자를 누르면 해당 장으로 간다. 설계(14장)와 건조(15장)는 이 다섯 요구를 한 척의 배로 묶는 과정이고, 16~19장은 화물·특수선·전력·친환경이라는 관점에서 같은 내용을 다시 엮는다.

다섯 가지 일은 서로 얽혀 있다. 화물을 더 실으면(뜨기) 흘수가 깊어져 저항이 커지고(나아가기), 무게중심이 올라가 복원성이 나빠질 수 있으며(서기), 선체에 걸리는 굽힘 모멘트도 달라진다(버티기). 폭을 넓히면 복원성은 좋아지지만 저항과 구조 중량이 늘고 운하와 항만에 못 들어갈 수 있다. 배를 설계한다는 것은 이 맞바꿈 사이에서 균형점을 찾는 일이다.

화물이 배의 모양을 정한다: 선종 갤러리

상선의 모양은 거의 전적으로 무엇을 싣느냐로 정해진다. 상자를 쌓는 컨테이너선(Container Ship)은 갑판 위로 컨테이너를 높이 쌓고 빨리 달려야 하므로 길고 날씬하다. 철광석·석탄·곡물을 싣는 벌크선(Bulk Carrier)과 원유를 싣는 탱커(Tanker)는 무겁고 값싼 화물을 한 번에 많이 날라야 하므로 뚱뚱하고 느리다. 영하 162 °C의 액화천연가스를 싣는 LNG 운반선은 무게보다 부피가 문제여서 화물이 가볍고 선체가 물 위로 높이 솟는다. 자동차 운반선과 크루즈선은 아예 물 위에 거대한 상자를 얹은 모양이다.

선종마다 대표 속력도 다르다. 같은 길이라도 빨리 달리려면 선체가 날씬해야 하는데, 이 관계는 길이로 무차원화한 속력인 프루드 수(Froude Number) \(F_n = V/\sqrt{gL}\)로 정리된다(6장). 대부분의 상선은 \(F_n\)이 0.15~0.25 범위에 있고, 함정과 소형 고속선은 0.3을 훌쩍 넘는다.

선종화물대표 Cb설계를 좌우하는 것
컨테이너선규격 상자(TEU)0.60~0.68속력, 갑판 적재 높이와 시야, 복원성
벌크선철광석·석탄·곡물0.82~0.87재화중량, 화물창 강도, 하역 속도
탱커(VLCC)원유0.80~0.84재화중량, 이중 선체(유출 방지), 화물 펌프
LNG 운반선−162 °C 액화가스0.72~0.78화물창 부피, 단열, 증발가스 처리
자동차 운반선차량(자력 승하선)0.55~0.62갑판 면적, 풍압, 복원성
크루즈선·카페리사람(+차량)0.60~0.68안전(구획·피난), 쾌적성, 흘수 제한

선종별 설계와 화물 설비는 16장에서, 활주선·쇄빙선·잠수함 같은 특수선은 17장에서 자세히 다룬다.

배를 재는 법: 방향 용어와 주요 치수

배에는 고유한 방향 이름이 있다. 앞은 선수(Bow), 뒤는 선미(Stern), 선수를 바라보고 오른쪽이 우현(Starboard), 왼쪽이 좌현(Port)이다. 배가 어느 쪽으로 가든, 누가 어디서 보든 변하지 않는 이름이라 혼동이 없다. 밤에는 좌현에 빨간 등, 우현에 초록 등을 켜서 다른 배가 상대의 진행 방향을 알아볼 수 있게 한다(21장).

선수 선미 중앙(midship, ⊗) 좌현 Port 우현 Starboard 좌현등(빨강) 우현등(초록) 선미등 중심선 CL 전방 fore · ahead 후방 aft · astern
그림 1-2. 위에서 본 배의 방향 용어. 선수를 보고 서면 왼쪽이 좌현(빨간 등), 오른쪽이 우현(초록 등)이다. 길이 방향 위치는 중앙(midship)을 기준으로 '전방/후방'이라 부르고, 폭 방향 위치는 중심선(CL)에서 잰다.

배의 크기는 몇 개의 치수로 요약된다. 설계와 계산의 기준이 되는 길이는 수선간 길이(Lpp, Length between Perpendiculars)로, 선미의 AP(After Perpendicular, 보통 타두재 중심)에서 선수의 FP(Forward Perpendicular, 계획 흘수선과 선수재가 만나는 점)까지다. 항만과 운하가 따지는 길이는 끝에서 끝까지 잰 전장(LOA, Length Overall)이다. Lpp의 한가운데가 중앙단면(Midship Section, ⊗)의 위치다.

$$\frac{L}{B}\approx 5\text{--}7.5,\qquad \frac{B}{T}\approx 2.3\text{--}3.5,\qquad \frac{L}{D}\approx 10\text{--}14$$
대형 상선의 대표적인 치수비. \(L/B\)가 크면 날씬해 저항이 작고 고속에 유리하며, \(B/T\)가 크면 복원성이 좋아진다. \(L/D\)가 너무 크면 선체가 휘기 쉬워 종강도(13장)가 문제가 된다.
SIMULATOR

주요 치수 도해: 고르면 강조된다

치수 선택
건현 f = D − T—
L/B—
B/T—
T/D—
배수량(근사)—
—
기준 선박: Lpp 200 m, B 32 m, D 18 m, 계획 흘수 11 m(공용 대표 선박). 배수량은 \(\Delta \approx 1.025\,C_b L B T\), \(C_b = 0.7\) 고정 근사다. 해볼 것: 흘수를 계획 흘수 이상으로 올려 건현이 3 m 아래로 줄어들면 경고가 뜬다(실제 최소 건현은 선종과 길이에 따라 규칙으로 계산한다). 측면도의 선체 아래쪽 빨간 방오도료 경계가 계획 흘수선이고, 밸러스트 상태에서는 이 선이 물 위로 드러난다.
해치 코밍·덮개 상갑판(캠버) 선측 외판 호퍼 탱크 이중 선저(밸러스트) 빌지(만곡부) 빌지 킬 용골 화물창 B DTf
그림 1-3. 벌크선의 중앙 횡단면과 부위 명칭(선미에서 선수 쪽을 본 모습). 바닥과 옆이 두 겹(이중 선저·호퍼·톱사이드 탱크)이어서 좌초해도 화물창이 바로 뚫리지 않고, 그 사이 공간은 밸러스트 탱크로 쓴다. 빌지 킬은 횡동요를 줄이는 지느러미다(11장).

선체 각부의 이름: 3D 투시도

대형 상선은 대체로 같은 순서로 나뉜다. 맨 뒤에 기관실(Engine Room)과 그 위의 거주구·선교(Accommodation, Bridge), 가운데 대부분을 차지하는 화물창(Cargo Hold), 맨 앞의 선수 피크 탱크(Fore Peak Tank). 이 구역들은 수밀 격벽(Watertight Bulkhead)으로 나뉘어 한 구획이 침수돼도 배 전체가 가라앉지 않게 한다(5장).

기관을 뒤에 두는 이유는 프로펠러까지 축을 짧게 하고, 화물창을 길게 하나로 이어 쓰기 위해서다. 바닥과 옆이 두 겹인 공간에는 바닷물을 넣었다 뺐다 하는 밸러스트 탱크(Ballast Tank)가 있다. 화물을 내린 빈 배는 너무 떠올라 프로펠러가 물 밖으로 나오고 바람에 밀리므로, 밸러스트로 흘수와 트림을 맞춘다(4장).

3D

선체 투시도: 부위를 눌러 보자

드래그: 회전 · 휠: 확대 · 부위 클릭: 선택
부위
부위—
길이 200 m급 벌크선을 단순화한 배치다(실제 비례와 다를 수 있다). 해볼 것: 외판 불투명도를 낮추고 '이중 선저'를 눌러 화물창 아래 공간을 보자. '수면 보이기'를 켜면 흘수선 아래에 있는 부분(기관 대부분, 프로펠러, 벌브)을 알 수 있다. 프로펠러는 빈 배일 때도 물에 잠겨 있어야 한다. 이것이 밸러스트가 필요한 이유 중 하나다.
형 치수와 외판설계 도면의 B, D, T는 보통 외판의 안쪽 면을 기준으로 한 형(moulded) 치수다. 외판 두께(20~30 mm)만큼 실제 바깥 치수가 조금 크지만, 길이 200 m 배에서 이 차이는 배수량의 0.5% 정도라 계산에서는 보통 '외판 계수'로 보정한다.

바다에서 배가 움직이는 여섯 가지 방식

강체는 공간에서 세 방향으로 움직이고(병진) 세 축을 중심으로 돌 수 있다(회전). 그래서 배의 운동에는 6자유도(6 Degrees of Freedom)가 있다. 축은 보통 배에 붙여서 정한다. x축은 선수 방향, y축은 좌현(또는 우현) 방향, z축은 위(또는 아래) 방향이다. 문헌마다 부호 규약이 조금씩 다르므로 그림을 함께 확인하는 습관이 필요하다.

xsurge(전후) · roll(횡동요) zheave(상하) · yaw(선수 동요) ysway(좌우) · pitch(종동요)
그림 1-4. 배에 붙인 좌표축과 6자유도. 각 축을 따라 미끄러지는 병진(surge·sway·heave)과 각 축을 중심으로 도는 회전(roll·pitch·yaw)이 있다.
운동우리말축정수압 복원력다루는 장
Surge전후 동요x 병진없음저항·추진 6~8장
Sway좌우 동요y 병진없음조종 12장
Heave상하 동요z 병진있음(수선면 면적)부력 2장 · 내항성 11장
Roll횡동요x 회전있음(GM)복원성 3장 · 11장
Pitch종동요y 회전있음(GML)트림 4장 · 11장
Yaw선수 동요z 회전없음조종 12장

표의 넷째 열이 중요하다. 상하·횡·종 운동은 물에 더 잠기거나 덜 잠기면서 생기는 부력 변화가 배를 원래 자리로 되돌리므로, 스프링에 매달린 추처럼 고유 주기를 가지고 흔들린다. 반면 전후·좌우·선수 동요는 되돌리는 힘이 없어, 한번 밀리면 그만큼 떠내려가고 돌아간 만큼 돌아간 채로 남는다. 그래서 바람에 밀리는 배를 붙잡는 일은 앵커와 계류, 또는 스러스터로 위치를 유지하는 DP 시스템(22장)의 몫이다.

3D

6자유도 운동 보기

드래그: 회전 · 휠: 확대
운동 모드
모드—
현재 변위—
복원력—
대형선 대표 주기—
진폭은 보기 쉽게 과장했다(1.0일 때 병진 약 ±6 m, 횡동요·선수 동요 ±12°, 종동요 ±6°). 해볼 것: 각 모드를 차례로 눌러 축과 운동을 짝지어 보자. 'Roll'과 'Pitch'의 대표 주기를 비교하면, 길이 방향으로는 배가 훨씬 단단하게(빨리) 흔들린다는 것을 알 수 있다. '모두'는 여러 운동이 동시에 일어나는 실제 바다에 가깝다. 파도와의 상호작용은 11장에서 계산한다.

얼마나 큰가: 크기 비교

숫자로 "길이 400 m"라고 하면 감이 잘 오지 않는다. 축구장(105 m)을 네 개 가까이 이어 붙인 길이이고, 에펠탑(약 330 m)을 눕힌 것보다 길다. 이런 배의 갑판을 한 바퀴 걷는 데만 10분이 넘게 걸린다. 반대로 항구에서 대형선을 밀고 끄는 예인선은 길이 30 m 남짓이지만, 수천 마력의 엔진으로 자기 무게의 수백 배인 배를 움직인다.

SIMULATOR

배를 눕히고 세워 보기

예시
보기
축구장(105 m)—
보잉 747(70.7 m)—
에펠탑(약 330 m) 대비—
갑판 한 바퀴 걷기(4 km/h)—
건물 높이와 항공기 길이는 대표 값을 반올림했다. 해볼 것: '높이 비교'로 바꾸고 길이를 458 m(1970년대에 건조된 역대 최장 초대형 유조선급)로 올려 보자. 롯데월드타워(약 555 m)에는 못 미치지만 63빌딩(약 250 m)보다 훨씬 길다. 이 거대한 배가 수심 25 m 남짓한 항로를 다닌다는 것을 생각하면, 흘수와 스쿼트(12장)가 왜 중요한지 짐작할 수 있다.

왜 배인가: 세계 교역과 에너지

세계 교역 물동량(무게 기준)의 약 80~90%가 바다로 움직인다. 원유, 철광석, 석탄, 곡물, LNG, 그리고 우리가 쓰는 공산품 대부분이 컨테이너에 실려 배로 온다. 배가 이렇게 쓰이는 이유는 물에 뜬 물체를 수평으로 미는 데 드는 힘이 매우 작기 때문이다. 무게는 부력이 받쳐 주므로 엔진은 물과 공기의 저항만 이기면 된다. 게다가 저항은 속력의 제곱 이상으로 늘어나므로, 천천히 가면 에너지가 크게 줄어든다.

운송 수단의 효율은 화물 1톤을 1 km 옮기는 데 드는 에너지와 CO₂, 즉 톤-킬로미터(t·km)당 값으로 비교한다.

$$E = e\,m\,d,\qquad m_{CO_2} = E\cdot c_f$$
\(e\): 에너지 원단위(MJ/t·km), \(m\): 화물 질량(t), \(d\): 거리(km), \(c_f\): 연료의 CO₂ 배출 계수(디젤·중유 약 0.075 kg/MJ). 아래 원단위는 여러 통계의 대표 범위에서 고른 근사값이며, 적재율·속력·연료에 따라 크게 달라진다.
SIMULATOR

운송 수단별 에너지·CO₂·시간

비교 항목
컨테이너선 CO₂—
같은 일을 트럭으로—
항공 / 선박 배—
화물 규모—
원단위(MJ/t·km): 대형 벌크선 0.07, 컨테이너선 0.15, 디젤 화물열차 0.3, 대형 트럭 1.1, 항공 화물 8. 속력: 벌크선 13 kn, 컨테이너선 18 kn, 열차 평균 50 km/h, 트럭 평균 60 km/h(휴식 포함 하루 10시간 운행), 항공 800 km/h. 바다를 건너는 구간에서 트럭과 열차는 가상의 비교다. 해볼 것: '시간'으로 바꿔 보자. 배는 느리지만 화물 1톤당 비용과 에너지가 압도적으로 작다. 빠름이 꼭 필요한 반도체·의약품은 비행기로, 나머지는 배로 가는 이유다. 속력을 줄여 에너지를 아끼는 감속 운항은 19장에서 다룬다.

해운의 단위: 노트, 해리, 그리고 세 가지 '톤'

바다에서는 거리를 해리(Nautical Mile, nm)로 잰다. 1해리는 지구 자오선을 따라 위도 1분(1/60도)에 해당하는 길이로, 국제적으로 1,852 m로 정했다. 위도 1도는 60해리다. 그래서 해도에서 위도 눈금을 그대로 자로 쓸 수 있다(20장). 속력 단위 노트(Knot, kn)는 시간당 1해리, 즉 1.852 km/h = 0.5144 m/s다.

$$1\ \text{nm} = 1852\ \text{m},\qquad 1\ \text{kn} = 1\ \text{nm/h} = 1.852\ \text{km/h} \approx 0.5144\ \text{m/s}$$
지구 둘레(약 40,000 km)를 360° × 60′ = 21,600으로 나누면 약 1,852 m가 된다. 육상 마일(1,609 m)과 다르다.
SIMULATOR

위도와 해리, 노트 변환기

직접 변환
—
자오선 거리—
km 환산—
속력 환산—
항해 시간—
지구를 반지름 6,371 km의 구로 본 근사다(실제 위도 1′의 길이는 적도 1,843 m에서 극 1,862 m까지 조금 변한다). 해볼 것: 위도 차를 1°로 놓으면 정확히 60해리가 된다. 20노트로 그 거리를 가는 데 3시간이 걸린다. 해리와 노트를 쓰면 '위도 몇 도를 며칠 만에 가는가'를 암산할 수 있다.

'톤'은 더 헷갈린다. 해운에서는 성격이 전혀 다른 세 가지 톤을 쓴다.

$$\Delta = \text{LWT} + \text{DWT}$$
계산 방법과 총톤수 공식 \(GT = K_1 V\)은 2장에서 다룬다. 이 장에서는 무게의 구성을 막대로 쌓아 본다.
SIMULATOR

무게 쌓기: 경하중량 + 재화중량 = 배수량

선종
배수량 Δ—
재화중량 사용—
흘수(근사)—
상태—
경하중량·재화중량은 선종별 대표 값, 흘수는 \(T = \Delta / (\rho C_b L B)\)에서 \(C_b\)를 고정한 근사다(실제로는 흘수가 얕을수록 \(C_b\)가 작아진다). 해볼 것: 크루즈선은 경하중량이 배수량의 대부분이다. 화물을 아무리 바꿔도 흘수가 거의 그대로다. 반대로 VLCC는 재화중량이 배수량의 85%를 넘어 짐을 싣고 내릴 때 흘수가 10 m 이상 변한다. 화물이 없을 때 밸러스트를 채우는 이유를 '공선 항해'로 확인하자.
"20만 톤 배"는 무슨 톤일까?신문 기사에서 "20만 톤급 유조선"은 보통 재화중량, "22만 톤급 크루즈선"은 총톤수, "1만 톤급 구축함"은 배수량이다. 같은 '톤'이라도 무엇을 쟀는지부터 확인해야 한다.

핵심 정리

  1. 배는 뜨고(부력), 서고(복원성), 나아가고(저항·추진), 방향을 잡고(조종), 버텨야(구조) 한다. 이 다섯 요구는 서로 맞물려 있어 하나를 바꾸면 다른 것이 변한다.
  2. 상선의 모양은 화물이 정한다. 컨테이너선은 날씬하고 빠르며(Cb 약 0.65), 벌크선·탱커는 뚱뚱하고 느리다(Cb 0.8 이상). 크루즈선·자동차 운반선은 물 위 부피가 크다.
  3. Lpp는 AP에서 FP까지, LOA는 끝에서 끝까지 길이다. B는 형폭, D는 형깊이, T는 흘수, 건현은 D − T이며 무게를 실을수록 줄어든다.
  4. 대형 상선은 선미에 기관실과 선교, 가운데 화물창, 선수에 피크 탱크를 두고 수밀 격벽으로 나눈다. 이중 선저와 날개 탱크는 밸러스트 공간이자 좌초 시 보호층이다.
  5. 6자유도 중 heave·roll·pitch는 정수압 복원력이 있어 고유 주기로 흔들리고, surge·sway·yaw는 복원력이 없다.
  6. 선박은 t·km당 에너지와 CO₂가 트럭의 약 1/7~1/15, 항공의 약 1/50 이하로, 세계 물동량의 80~90%를 나른다.
  7. 1해리 = 1,852 m = 위도 1′, 1노트 = 1해리/시. 배수량(무게) = 경하중량 + 재화중량이며, 총톤수는 무게가 아닌 부피 지표다.

확인 퀴즈

Q1. 배가 선수를 보고 섰을 때 왼쪽을 무엇이라 하고, 밤에 그쪽에 켜는 등의 색은?

선수를 보고 왼쪽이 좌현(Port)이고 빨간 현등을 켠다. 오른쪽 우현(Starboard)에는 초록 등을 켠다. 마주 오는 배의 빨간 등과 초록 등 중 어느 쪽이 보이는지로 상대의 진행 방향을 판단한다.

Q2. 형깊이 D = 18 m인 배가 흘수 T = 11 m로 떠 있다. 화물을 더 실어 흘수가 13 m가 되면 건현은?

건현 f = D − T. 흘수가 2 m 깊어지면 건현이 그만큼 줄어든다. 만재 흘수선 규정은 이 건현의 최소값을 정해 과적을 막는다.

Q3. 다음 중 정수압 복원력이 없는 운동끼리 짝지은 것은?

수평 방향 병진(surge, sway)과 수직축 회전(yaw)은 잠긴 부피를 바꾸지 않으므로 부력이 되돌려 주지 않는다. 계류나 DP로 붙잡아야 한다.

Q4. 대형 상선의 기관실을 대개 선미에 두는 가장 큰 이유는?

프로펠러는 선미에 있으므로 엔진을 가까이 두면 축이 짧아지고, 축 터널이 화물창을 가로지르지 않아 화물 공간을 길고 넓게 쓸 수 있다.

Q5. 20노트로 위도 2° 떨어진 곳까지 자오선을 따라 가는 데 걸리는 시간은?

위도 1° = 60해리이므로 2° = 120해리. 20노트 = 시간당 20해리이므로 120 / 20 = 6시간.

Q6. 재화중량(DWT)에 대한 설명으로 옳은 것은?

재화중량은 실을 수 있는 무게의 합이다. 빈 배 무게(경하중량)를 더하면 배수량이 되고, 부피 기반 지표는 총톤수다.

Q7. 같은 화물을 같은 거리로 옮길 때 CO₂가 가장 적은 수단은(대표값 기준)?

대형 벌크선은 t·km당 에너지가 0.1 MJ 안팎으로 가장 작다. 물의 부력이 무게를 받치고, 대형화로 화물 1톤당 저항이 작아지며, 느리게 달리기 때문이다.

Q8. 크루즈선이 재화중량은 작은데 총톤수는 매우 큰 이유는?

총톤수는 밀폐 공간의 부피 V에 K₁을 곱한 값이다. 객실과 공용 공간이 물 위로 거대하게 솟은 크루즈선은 부피가 크지만, 사람과 물품의 무게(재화중량)는 작다.