KR20020009573A - 고속 수상기구용 선체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 향상된 유체역학적인 안정성을 갖는 수상기구용 선체에 관한 것으로, 이 선체(1)는 이륙속도와 설계속도 모두에서, 바람직하기로는 이륙속도 이하의 속도에서, 그리고 이륙 및 설계속도 사이와 그 이상의 모든 속도에서, 중력중심 (Cg)이 이 선체의 상승표면의 유체역학적인 양력중심(Cp)과 실질적으로 수직하게 정렬되는 한편, 상기 선체는 설계속도에서 그리고 바람직하기로는 이륙속도에서도 비교적 높은 종횡비(S₁ ²/A₁)를 가지며, 바람직한 실시예에서 상기 선체는 평면도에서 전체적으로 삼각형상이다.

Description

고속 수상기구용 선체 {Hull for high speed water craft}

공지된 기술의 활주형 선체는 다음과 같은 다수의 결점을 갖고 있다.

1) 최소 항력을 위해 요구되는 입사각에 대한 양력중심이 속도에 의해 광범위하게 변화한다. 이 문제를 처리하는 다수의 방법이 상당히 수립되었고, 가로보에 가변적인 트림탭(trim tab)을 고정시키는 것과 평형모멘트(balancing moment)를 제공하도록 프로펠러를 조절하는 것이 포함되나, 이들 방법은 성능에 나쁜 영향을 가져온다.

2) 고속에서 공지된 기술의 선체는 길이방향으로 불안정하게 되기 쉽다. 높은 입사각에서, 이러한 유형의 대부분의 선체는 수면에 잠겼다 솟았다 하기가 쉽게 되는 한편, 이러한 선체 특히 전체적으로 평탄한 뒷부분에 대해 볼록한 진입부가 배치된 선체는 낮은 입사각에서 불안정하게 되기 쉽다.

3) 공지된 기술의 V형상의 선체는, 여러 이유로 인해 항력에 대한 양력의 빈약한 비율로 작용하는 상승표면(lifting surface)을 갖추고 있다. 이러한 선체는 낮은 종횡비, 즉 낮은 스팬²/면적의 값을 갖는 대체로 삼각형상으로 되는 경향이 있는데, 여기서 스팬(span)은 상승표면의 가로폭이고 면적은 상기 상승표면의 면적이다. 이는 현저한 끝손실(tip loss)을 초래한다. 추가적으로, 'L'이 상승표면의 길이방향의 길이일 때, 높은 분무항력(spray drag)과 파도항력을 일으키는 'L'의 높은 값으로 인해 프루드수(Froude number:Vs/(g×L))는 낮게 된다. 더구나, 분무층은 V형상의 진입각 때문에 측면으로 분출되어 전체적으로 상승표면의 아래에서 비말동반되지 않는다.

4) 고속에서 유체역학적인 양력중심은 가로보에 가까이 최적으로 배치되는 한편, 공기역학적인 양력중심은 통상 수상기구의 중심에 가까이 위치되면서 유체역학적인 양력중심의 앞쪽에 상당한 거리만큼 떨어져 위치된다. 이는 공기역학적인 불안정을 초래하고, 잘 알려진 결과로서 수상기구가 초과한 트림각으로 주행하거나 파도내에서 뒤쪽으로 튀어오르는 두드러진 경향을 갖게 된다.

5) 공지된 기술의 많은 선체는 고속으로 특히 파도조건에서 선회하는 동안 "빠져드는" 경향을 갖는다. 이는 중력중심 아래로 지나가는 양력벡터를 일으킬 수 있고, 이로써 수상기구가 측면으로 튕겨나갈 수 있다. 특히 깊은 V형상의 선체인 경우에 이러한 조건하에서 고속으로 조종하기가 너무 어렵다.

6) 정상선회시, 수상기구를 선회시키는 데에 필요한 추진기 또는 키에 의해 가해진 가로힘(side force)과 함께 구심력은 선체에 의해 발생된 등력(equalforce)과 균형을 이루어야 한다. V형상의 활주형 선체는 이러한 가로힘을 제공하는 데에 적합하지 않고, 사실상 상당한 항력을 일으킬 수 있으며, 선체에 걸쳐 형성된 흐름은 추진기에 대한 진입조건을 저해하여 추력의 손실을 초래한다.

최근에 활주형 선체에 대하여 많은 향상방안이 제안되어, 속력을 가진 양력중심의 위치변화를 감소시키고 유체역학적인 안정성을 향상시켰다. 이러한 향상방안의 예로는, 하인즈의 미국 특허 4903626호와 동 5111767호 및 알렉산더의 미국 특허 5685253호가 있는데, 이들 모두는 뒤쪽 가로보에 배출용 컷아웃(cut-out)을 나타내며, 설계상승표면의 유체역학적인 양력중심이 앞으로 이동되어 있다. 이는 설계속도에서 유체역학적인 양력중심이 중력중심과 수직하게 정렬되어 아래로의 트림힘(trim force)을 위한 요구조건이 설계속도에서 무효로 되는 효과가 있게 된다. 더구나, 길이방향으로 뻗은 상승표면은 길이방향의 안정성을 촉진하고, 잠겼다 솟았다 하는 징후를 감소시키는 데에 도움이 된다. 이러한 유형의 선체는 여전히 중력중심의 앞쪽에 있는 유체역학적인 양력중심으로 인한 모멘트를 극복하도록, 이륙속도(lift-off speed:때때로 활주속도라 함)에서 선미에 가해지는 양(+:위쪽으로)의 트림힘을 필요로 하는데, 이륙시 상승표면은 상당한 유체역학적인 항력을 일으키는 뒤로 뻗은 좁은 2개의 다리부를 갖추게 된다.

본 발명은 고속 활주형 보트에 관한 것으로, 특히 이러한 보트의 유체역학적인 안정성을 향상시키고, 유체역학적인 항력을 감소시키는 선체에 관한 것이다.

도 1은 준활주속도에서 작동하는 공지된 기술에 따른 활주형 선체의 측면도,

도 2는 그 설계속도와 자세에서 작동하는 도 1에 도시된 선체의 측면도,

도 3은 공지된 기술에 따른 향상된 선체의 평면도,

도 4는 도 3에 도시된 선체의 측면도,

도 5는 본 발명에 따른 선체를 위에서 바라본 등척의 사시도,

도 6은 도 5에 도시된 선체의 측면도,

도 6a는 상기 선체에 의해 창출된 분무층을 도시한, 도 6에 도시된 선체의 부분 개략도,

도 7은 명확히 하기 위해 뒤쪽 플랩과 프로펠러가 생략된 채로 그 상승표면을 도시한 도 5 및 도 6에 도시된 선체의 평면도,

도 8은 도 6에 도시된 선체의 평면도,

도 9는 도 6에 도시된 선체의 배면도,

도 10은 도 6에 도시된 선체를 밑에서 바라본 등척의 사시도,

도 11은 차인선체(chine hull) 및 접이식 날개를 병합한, 본 발명에 따른 한 실시예의 개략적인 측면도,

도 12a는 그들의 하부위치에 있는 접이식 날개를 도시한, 도 11의 B-B선을 따라 도시된 선체의 단면도,

도 12b는 도 11에 A-A선을 따라 도시된 수상기구의 단면도이다.

본 발명의 목적은 하나 이상의 전술된 단점을 방지하거나 최소화시키는 데 에 있다.

본 발명의 제 1실시예에 따르면 수상기구용 선체를 제공하게 되는 바, 이 선체의 중력중심은 이륙속도 및 설계속도 모두에서 선체의 상승표면의 유체역학적인 양력중심과 대체로 수직하게 정렬되고, 중력중심과 유체역학적인 양력중심은 바람직하기로 이륙 및 설계속도의 사이와 그 이상의 모든 선체속도에서 대체로 수직하게 정렬되며, 이륙속도 이하의 선체속도(즉, 이동속도)에서도 대체로 수직하게 정렬될 수 있다.

이러한 선체는 향상된 유체역학적인 안정성의 장점을 가지며, 전체적으로 트림장치를 필요로 하지 않게 된다.

본 발명의 제 2실시예에 따르면 수상기구용 선체를 제공하게 되는 바, 이 선체는 설계속도와 바람직하기로 이륙속도에서도 비교적 높은 종횡비를 가지며, 설계속도에서 선체의 종횡비는 바람직하기로 2.5 내지 5.0의 범위내에 있고, 이륙속도에서 선체의 종횡비는 바람직하기로 1.5 내지 2.5의 범위내에 있다.

바람직하기로, 설계속도에서 선체의 침수영역의 선수단부(leading edge)는 전체적으로 그 길이의 적어도 일부, 바람직하기로는 주요부를 따라 선체의 앞쪽이동방향에 대해 가로지르고, 이로써 그 사용중에 선체에 의해 창출될 수 있는 분무층은 전체적으로 앞쪽으로 분출되어 수상기구가 상기 분무층 위로 떠오르게 된다. 이는 상기 수상기구가 분무층 위에서 앞으로 떠오를 때 분무층내에 비말동반된 공기는 표면마찰을 감소시키게 되는 장점을 갖는다.

상기 선체는 바람직하기로 이 선체를 병합한 수상기구가 이 수상기구의 선수가 떠오르도록 요동하면, 상기 수상기구의 선미가 침수될 때 유체역학적인 양력중심(Cp)이 급격히 뒤쪽으로 이동하도록 형성되고 배치된다. 그 후에, 상기 선체의 중력중심(Cg)이 유체역학적인 양력중심(Cp)의 앞쪽에 있기 때문에, 수상기구의 중량은 이 수상기구를 안정시키는 복원모멘트(restoring moment)를 수상기구에 가하게 된다. 바람직하기로, 상기 선체는 이 선체를 병합한 수상기구가 이 수상기구의 선수가 낮아지도록 요동하면, 유체역학적인 양력중심(Cp)이 급격히 앞쪽으로 이동하도록 형성되고 배치될 수도 있다. 그 후에, 상기 선체의 중력중심(Cg)이 유체역학적인 양력중심(Cp)의 뒤쪽에 있기 때문에, 수상기구의 중량은 수상기구에 복원모멘트를 다시 가하게 된다. 이들 특징은 선체가 잠겼다 솟았다 하는 것과 길이방향의 불안정성을 감소시키게 된다.

상기 선체는 바람직하기로 평면도에서 전체적으로 삼각형상이며, 중앙부와 2개의 측면날개부를 구비한다. 각 측면날개부는 바람직하기로 측면으로 뻗어 있고, 수상기구의 중앙부로부터 뒤쪽으로 뻗어 있어서, 그들 사이에 있으면서 선체의 중앙부의 가로보에 인접한 개방영역을 한정한다. 상기 선체는 추가로 필요하면 상기 개방영역을 덮어씌우는 덮개부를 구비할 수 있는데, 이 덮개부 아래의 영역은 잘 배출되어야 한다.

상기 선체는 바람직하기로 이 선체의 중앙부의 가로보에 부착된 2개의 프로펠러를 구비하는데, 이 프로펠러는 바람직하기로 국제출원 제PCT/GB/00388호에 기술되고 청구된 유형이다.

상기 선체는 바람직하기로 급격히 아래로 휘어진 선미단부(trailing edge)를 병합할 수 있다. 이 선미단부는 선체에 일체로 형성될 수 있거나, 이 선체의 선미끝에 고정된 뒤쪽 플랩수단의 형태로 바람직하게 구비될 수 있는데, 상기 플랩수단은 (설계조건의) 자유수면에 대해 45도 이상의 각도, 바람직하기로는 대체로 90도인 각도로 선체로부터 전체적으로 아래로 돌출되어 있다. 이러한 플랩수단은 본 출원과 같이 동일자로 제출되고서 "활주형 또는 반활주형 수상기구용 선체"라는 명칭을 갖는, 본 출원인의 영국 특허출원에 상세히 기술되어 있는 바, 그 내용은 여기에 참조로 병합된다. 상기 플랩수단은 바람직하기로 선체의 중앙부에 있는 가로보의 선체폭에 걸쳐 뻗어 있고, 바람직하기로 상기 선체의 뒤쪽 개방영역을 한정하는 각 측면날개부의 선미단부와 내부의 전체 길이를 가로질러 뻗어 있다. 상기 플랩수단의 코드(chord)는 바람직하기로 변화가능하다. 상기 선체의 중앙부에 있는 가로보에서 플랩수단의 코드는 바람직하기로 상기 날개부의 선미단부와 내부에서의 코드와는 별개로 변할 수 있다.

상기 선체의 중앙부는 돌출부를 구비할 수 있는 바, 이 돌출부는 바람직하기로 선체의 이물에서 이 선체의 중앙부에 있는 선미끝을 향해 뒤쪽 및 아래로 뻗고서, 선체의 사용중에 수면에 대한 전면의 각도가 선체의 선미끝쪽으로 상기 돌출부의 길이를 따라 점차 감소하도록 그 길이방향 단면에서 약각 불룩하게 된 전면부를 구비한다. 이 특징도 여기에 참조로 이미 병합되고 전술된 본 출원인의 "활주형 또는 반활주형 수상기구용 선체"라는 명칭을 갖는 영국 특허출원에 상세히 기술되어 있다.

바람직하기로, 각 측면날개부는 그 횡단면에서 약간 불룩하게 되어서, 수면에 대한 각 측면날개부의 밑면각도가 날개부의 끝에서부터 이 날개부의 횡단폭을따라 선체의 중앙부쪽으로 점차 감소된다. 바람직하기로는, 각 측면날개부도 마찬가지로 그 길이방향단면에서 약간 불룩하게 되어 있다.

본 발명에 따른 선체의 불룩한 표면은 측면의 항력을 더욱 감소시키도록 유도하고, 따라서 선회동안 선체가 "빠져드는" 경향이 줄어든다.

상기 선체는 추가로, 그 측면저항의 중심이 선체의 중력중심과 대체로 수직하게 정렬되도록 형성되고 배치될 수 있는 지느러미부(fin) 또는 용골을 구비할 수 있다. 상기 지느러미부는 필요하지 않을 때 항력을 감소시키도록 접철가능하게 되어 있다.

본 발명의 제 3실시예에 따르면, 전술된 바와 같은 선체를 병합한 수상기구를 제공하게 된다.

본 발명의 바람직한 실시예는 이제 첨부도면을 참조로 하여 단지 예로서 설명될 것이다.

도 1은 이륙속도 이하의 속도로 작동하는 선체(1)를 도시한다. 여기서, 이륙은 수상기구가 최소로 지속되며 떠오르는 속도에 도달하는 시점이다. 자유수면(2)은 선체에 의해 창출된 선수의 파도로 인해 찌그러진다. 상기 선체는 자유수면(2)에 대해 그 진입점(3)에서 양의 입사각(α₁)을 갖는다. 유체역학적인 양력중심(Cp:"양력중심" 또는 "압력중심"으로 알려진)은 중력중심(Cg)의 앞쪽에 있고, 생성된 시계방향 모멘트는 프로펠러(4)에 의해 발생된 추력(T)의 방향이 양력중심(Cp) 주위로 동등한 반시계방향 모멘트를 일으키는 것을 조정함으로써 균형이 이루어진다. 바람직하기로는, 가로보의 플랩이 양력중심(Cp)을 뒤로 이동시키도록 고정되어 양력중심이 중력중심(Cg)과 수직하게 정렬될 수 있다.

도 2는 그 설계속도에서 작동하는 동일한 선체(1)를 도시한다. 이제 자유수면(2)은 이 선체에 의해 훨씬 덜 찌그러진다. 상기 선체는 자유수면(2)에 대해 그 진입점(3)에서 양의 입사각(α₁)을 갖는다. 양력중심(Cp)은 이제 중력중심(Cg)의 뒤에 있고, 생성된 반시계방향 모멘트는 프로펠러(4)에 의해 발생된 추력(T)의 방향이 양력중심(Cp) 주위로 동등한 시계방향 모멘트를 일으키는 것을 조정함으로써 균형이 이루어진다. 바람직하기로, 가로보의 플랩은 양력중심(Cp)을 앞쪽으로 이동시키도록 음(-)의 양력을 제공하기 위해 조절되어 양력중심이 중력중심(Cg)과 수직하게 정렬될 수 있다.

도 3은 미국 특허 5685253호에 제안된 유형의 선체(1)를 평면도로 도시한 것으로, 이 선체의 설계속도와 이륙속도에서 상승표면의 절반 면적을 나타내고 있다. 도 4는 이들 동일한 표면의 측면도이다. 접미사 1은 설계속도에서의 값을 나타내고, 접미사 2는 활주속도(즉 이륙속도)에서의 값이다. 설계속도에서, 상기 선체(1)는 입사각(α₁)을 갖고서 자유수면(2₁)과 교차하는데, 양력중심은 Cp₁에 있고, 수면의 면적(즉, 선체와 잠잠한 수면이 교차하는 평면의 면적)은 A₁이며 스팬(S₁)을 갖는다. 중력중심(Cg)은 양력중심(Cp₁)과 수직으로 정렬된다. 이륙속도에서 상승표면의 면적(A₂)은 훨씬 크게 되나, 스팬(S₂)은 단지 조금 증가한다. 이 경우에, 양력중심(Cp₂)은 상당히 중력중심(Cg)의 앞쪽에 있게 되어 선체가 임의의 수단에 의해 균형을 잡을 필요가 있게 된다. 이륙입사각(α₁₂)은 통상 설계입사각(α₁₁) 보다 현저히 커서 증가된 양력계수를 제공하게 된다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선체를 위에서 바라본 등척의 사시도이고, 도 6은 이 선체의 측면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이 선체(1)는 전체적으로 삼각형상이고, 중앙부(1a)와 이 중앙부(1a)로부터 측면 및 뒤쪽으로 뻗은 2개의 측면날개부(1b,1c)를 갖춘다. 각 측면날개부(1b,1c)는 선체의 중앙부(1a)에 있는 가로보(3)의 뒤에서 뒤쪽으로 돌출한 선미끝(2b,2c)과 병합되어 있는데, 상기 날개부(1b,1c)의 선미끝은 선체의 뒤에서 중앙부(1a)의 가로보(3)에 인접한 개방영역(5)을 한정한다. 전체적으로 삼각형상인 선체는 공지된 임의의 종래기술 보다 훨씬 더 뒤쪽으로 공기역학적인 양력중심(Ca)을 이동시킴으로써 우수한 공기역학적인 안정성을 제공한다. 도 3에 도시된 종래의 선체와 도 5에 도시된 선체를 비교하면, 본 발명에 따른 선체의 "컷아웃" 또는 개방영역(5)은, 종래기술의 선체에 구비된 개방영역보다 선체의 전체 길이와 폭에 대해 그 길이 및 폭이 전체적으로 보다 길고 넓음을 알 수 있다. 도면들에 도시된 바와 같이, 공기역학적인 양력중심(Ca)은 도 3에 도시된 선체보다 도 5에 도시된 선체에서 훨씬 더 뒤쪽에 있다. 더구나, 도 5에 도시된 선체의 중앙부(1a)에 있는 이물(1d)은 도 3에 도시된 선체의 날카로운 V형상의 이물보다 훨씬 넓고 무디게 되어 있다.

도 6에 도시된 바람직한 실시예에서는 본 출원과 동시에 출원된 전술한 본 출원인의 다른 출원에 기술된 바와 같이, 상기 선체의 중앙부(1a) 밑면의 앞부분은 약간 불룩하게 되어서, 선체의 사용중에 수면에 대한 전면부의 각도는 선체의 선미끝쪽으로 돌출부의 길이를 따라 점차 감소된다.

이 바람직한 실시예에서, 뒤쪽 플랩(20)도 선체(1)에 고정되어 설계수면(2₁)에 대해 90도의 각도로 놓여 있다. 상기 플랩(20)은 선체의 중앙부(1a)에 있는 가로보(3)를 형성하고, 측면날개부(1b,1c)에 있는 2개의 돌출부(2b,2c)의 내부선단(6b,6c)의 전체 길이를 따르면서 선미끝(7b,7c)을 가로질러 뻗어 있다. 국제출원 제PCT/GB99/00388호에 기술된 바와 같은 가변적인 표면의 프로펠러(22, 22a)는 플랩(20)에 나사고정된 감속용 변속기(23,23a)를 매개로 변속 전기모터(24, 24a)에 의해 구동된다. 도 5에 도시된 플랩(20)을 병합하지 않은 다른 실시예가 가능한 바, 대신 이러한 경우에 상기 변속기(23,23a)는 선체의 중앙부(1a)의 뒤끝에 장착될 것이다.

상기 선체는 이 선체의 선회동안 프로펠러에 의해 가해진 임의의 가로힘과 균형을 맞추도록 측면추력을 거의 제공할 수 없어서, 도 6에 점선으로 도시된 바와 같은 지느러미부 또는 용골(50:상기 선체의 밑면에서 아래로 뻗은)이 임의의 측면추력을 제공하는 데에 필요할 수 있다. 사실상, 가변적인 표면구동식 프로펠러(22,22a)는 한쪽 프로펠러의 추력을 증가시키는 한편 다른쪽의 추력을 감소시킴으로써 회전모멘트가 제공될 수 있게 하고, 이러한 경우에는 거의 또는 전혀가로힘이 프로펠러에 의해 선체에 가해지지 않는다. 각 측면날개부의 밑면(50b,50c)은 그 횡단면 및 종단면 모두에서 약간 불룩하게 되어, 각 측면날개부의 밑면이 수면과 이루는 각도가 각 날개의 끝(10b,10c)에서 선체의 중앙부를 향해 그리고 각 날개의 선미끝(7b,7c)에서 각 날개의 앞끝을 향해서, 각각 상기 측면날개부의 횡단길이 및 종단길이를 따라 점차 감소된다.

도 7은 선체(1)의 밑면을 개략적으로 도시한 평면도로서, 상기 선체(1)의 설계속도와 활주속도에서 선체의 상승표면을 나타내고 있다. 혼동을 방지하기 위해서, 뒤쪽 플랩(20)과 프로펠러는 도 7에서 생략되었다. 또한, 접미사 1은 설계속도에서의 값을 나타내고, 접미사 2는 이륙속도에서의 값이다. 도 6에 도시된 바와 같이 설계속도에서, 상기 선체(1)는 도 6의 지점(3₁)에서 α₁₁의 각도로 자유수면(2₁)과 교차하고, 선체의 유체역학적인 양력중심(Cp)은 설계상승면적(A₁)의 코드(C₁)를 따라 대략 중간에 있으면서 선체의 중력중심(Cg)과 수직하게 정렬된다. 공기역학적인 양력중심(Ca)은 유체역학적인 양력중심(Cp)의 앞쪽에 있으며, 사실상 선체(1) 위에 놓인다. 상기 선체에 대한 Ca의 수직위치는 도 6에 도시되어 있다. 수면의 면적은 A₁이며, 설계속도에서 스팬(S₁)을 갖는다. 도 3과 도 7을 참조로 하면, 설계속도에서의 종횡비(S²/A)는 도 3 및 도 4의 종래기술에 따른 선체에 대한 경우에서 보다 도 7에 도시된 선체에서 훨씬 크게 된다. 또한, 설계속도에서의 상승면적은 도 3에 도시된 선체에서의 설계상승면적에서와 같이 뒤쪽으로 뻗은 임의의 얇은 다리부를 제외하고, 전체적으로 얇은 직사각형의 형상으로 된다.

이륙속도에서, 상기 선체(1)는 지점(3₂)에서 α₁₂의 각도로 선체의 길이를 따라 자유수면(2₂)과 중도까지 교차한다. 따라서, 선체의 앞부분은 이륙속도에서 수면과 접촉하지 않게 된다. 상승표면의 면적(A₂)과 스팬(S₂)은 모두 A₁과 S₁(설계속도에서, 즉 수상기구가 작동하도록 된 속도에서의 상승표면의 면적과 스팬) 보다 크고, 이륙에서의 종횡비(S₂ ²/A₂)가 설계조건에 대한 종횡비(S₁ ²/A₁) 보다 낮더라도 도 3 및 도 4에 도시된 종래기술의 선체에 대한 종횡비와 비교하여 여전히 높다. 도 7에 도시된 바와 같이, 설계상승면적(A₁)과 이륙상승면적(A₂)의 형상은 그들의 중심이 일치하게 된다. 따라서, 이륙에서의 양력중심(Cp₂)은 설계속도에서의 양력중심(Cp₂)과 일치한다. 도 7에 도시된 선체에서, 이륙에서의 상승면적(A₂)은 V형상보다는 전체적으로 더욱 U형상으로 되는데, 이는 두꺼운 앞부분(P)과 뒤로 뻗은 2개의 다리부(Q,R)를 갖춘다. 도 5와 도 6 및 도 7의 선체(1)에서, 양력중심(Cp)은 이륙 및 설계조건 모두에서 중력중심(Cg)과 수직하게 정렬된 채로 남아 있게 된다. 입사각(α₁₂)은 α₁₁보다 크게 되어 증가된 양력계수를 제공하되, 선체(1)의 자세는 크게 변화되지 않은 채로 남아 있게 된다. 추력(T)은, 그 주위로 모멘트를 거의 제공하지 않는 압력중심(Cp)과 수직하게 정렬된다.

도 7에 있는 횡단선(12)은 도 6의 지점(3₁)에 상응한, 설계조건에서 수면이 선체와 만나는 곳에 있는 선수단부(28)의 앞부분이다. 도 7에서, 이 선(12)은 선체의 길이방향축(X)에 직각으로 도시되어 있으나, 다른 실시예에서는 선수단부(28)가 도 5에서 점선으로 도시된 곡선경로(12a)와 같은, 전체적으로 그 길이의 대부분을 가로지르는 임의의 다른 경로를 따를 수 있다. 도 5에서, 설계점에서의 상승표면의 스팬(S₁)은 그 코드(C₁:즉, 길이방향 단면에서 선체의 침수길이)에 대해 크고, 전체적으로 횡단하는 방향으로 있는 선(12)은 도 6a에 도시된 분무층(26)이 전체적으로 앞으로 분출되게 하여 수상기구가 그 위로 떠오르게 된다. 실제로, α₁₁의 각도가 작으면 발생된 분무의 양은 최소로 되나, 상기 선체가 그 위로 떠오르게 되어 발생되고 비말동반된 공기에 대해서는 여전히 충분하여 마찰저항을 현저히 감소시킨다. 높은 종횡비의 다른 장점으로는, 침수영역의 선수단부(또한, 도 7을 참조로 하여 아래에 기술되는 선체의 바람직한 실시예에서 침수영역의 선미단부)에서 발생된 압력정점은 대부분의 스팬에 걸쳐 그들의 이론적인 2차원 값으로 남아 있게 된다. 설계상승면적(A₁)을 둘러싸는 이륙상승면적(A₂)의 부분(27)이 존재하기 때문에, 설계상승면적(A₁)의 선수단부(28)에서 압력감소로 인해 생기는 끝손실은 동일한 종횡비의 항공기 날개에서보다 현저히 감소된다.

이륙속도에서, 침수영역의 선수단부(11)의 앞부분(11b:이 앞부분은 도 6의 지점(3₂)에 상응한다)은 바람직하기로 침수된 스팬(S₂)의 대부분에 걸쳐 가로지르도록 배치되어, 전술한 바와 같이 수상기구가 앞으로 분출된 분무층 위로 떠오르게 된다. 이 경우에, 선수단부(11)의 뒷부분(11a)은 뒤쪽으로 급격히 구부러져, 끝부분(11c)으로 이어진다. 상기 선(11)의 정확한 형상은 보트의 균형을 최적화시키고 침수영역을 최소화시키도록 결정될 수 있다. 예컨대, 급경사의 각도로 다시 휘어진 후에, 도 7의 선(11d)으로 도시된 바와 같이 선미에서 작은 날개의 형태를 이루도록 밖으로 휘어질 수 있다.

길이방향 안정성

도 5와 도 6 및 도 7을 참조로 하는 바, 수상기구가 그 선수(32)가 높아지게 앞뒤로 요동하면 유체역학적인 양력중심(Cp)은 수상기구(31)의 선미가 잠기게 될 때 급격하게 뒤쪽으로 이동된다. 이제 중력중심(Cg)이 유체역학적인 양력중심(Cp)의 훨씬 앞에 있게 되면 상기 수상기구의 중량은 강한 복원모멘트를 가하여 수상기구가 안정되게 한다. 또한, 양력중심의 이 뒤쪽 모멘트는 피치각(pitch angle)을 감소시키는 효과를 갖는다.

선수(32)가 낮게 되는 경우에 침수영역(12)의 선수단부는 급속히 앞으로 이동하고, 선체가 이 선체의 중앙부(1a)의 전면이 전체적으로 약간 불룩하게 된 형상(전술된 바와 같이)인 길이방향단면을 갖는 경우에, 상기 선체는 유체역학적인 양력중심(Cp)이 급속히 앞으로 이동되는 한편 입사각(α₁₁)이 일정하게 유지되도록, 앞쪽으로 흔들리게 된다. 전체적으로 삼각형상이면서 높은 종횡비를 갖는 선체는 유체역학적인 양력중심(Cp)이 3도 또는 4도의 입사각 변화에 대해 전형적으로 수상기구 길이의 60%에서 100%까지 이동할 수 있게 된다. 피치각의 작은 변화에 대한 유체역학적인 양력중심의 앞뒤로의 두드러진 이동은 수상기구가 앞뒤로의 요동에있어서 극히 안정되게 한다.

공기역학적인 안정성

도 5 및 도 6에 도시된 선체의 선미에 있는 컷아웃 또는 개방영역(5)은 노출된 채로 도시되어 있는 한편, 창출된 공간이 잘 배출되도록 유지된다면 바람직하게 그 위에 갑판을 대거나 다르게는 덮어씌워질 수 있다. 상기 컷아웃을 덮어씌우는 것은 공기역학적인 양력중심(Ca)을 더욱 뒤로 이동시키는 효과를 갖는다. 또한, 꼬리지느러미부 또는 용골(30)이 이를 위해 구비될 수 있다. 선체가 공기역학적인 양력이 증가되도록 (예컨대, 수상기구가 높은 받음각을 갖도록 하는 심한 바람 또는 파도의 조건에서) 앞뒤로 요동하기 시작하는 경우에, 유체역학적인 양력중심(Cp)은 수상기구의 선미(31)가 잠기게 될 때 급격하게 뒤쪽으로 이동된다. 중력중심(Cg)이 이제 유체역학적인 양력중심(Cp)의 훨씬 앞에 있게 되면, 상기 수상기구의 중량은 강한 복원모멘트를 가하여 수상기구를 안정되게 하고 뒤쪽으로의 튀어오름을 방지하게 된다.

선회

지느러미부(50)는 그 자신의 중력중심이 그 자신의 유체역학적인 양력중심과 수직하게 정렬되도록 형성되어 있다. 상기 지느러미부(50)는 낮은 슬립각(slip angle)으로 작동하고, 선회조작시 거의 항력을 발생시키지 않는다. 또한, 상기 지느러미부는 낮은 편류각(drift angle)으로 작동하고, 프로펠러로의 흐름에 단지 최소의 영향을 끼친다. 상기 지느러미부(50)도 접철가능하여서 필요하지 않을 때 접혀 넣어질 수 있다.

플랩(20)의 위치는, 본 출원과 동일자로 제출된 본 출원인의 전술된 다른 영국 특허출원에 기재된 바와 같이 가변적인 플랩 코드를 제공하도록 선체(1)에 대해 조절될 수 있다. 4개의 저유압식 액츄에이터(21)는 플랩의 앞뒤에서 상이한 조정을 제공한다. 조정수단(도시되지 않음)은 이 플랩(20)에 대해 변속기(23,23a)의 높이를 조절하도록 바람직하게 구비될 수 있다.

도 8은 도 7에 도시된 실시예의 평면도이고, 도 9는 동일한 실시예의 배면도인데, 이로부터 2개의 측면날개부(2b,2c)가 선체의 중앙부(1a) 밑면에 대해 위쪽으로 각도(Δ)만큼 경사져 있음을 알 수 있다. 이 각도(Δ)는 전형적으로 2도 내지 10도의 범위내에서 선택된다. 이는 선회조작동안 선체에 매끄러운 진입조건을 부여함은 물론, 설계점 및 이륙에서 적당한 스팬을 제공한다.

도 10은 도 6에 도시된 실시예를 밑에서 바라본 등척의 사시도로서, 이로부터 정형선과 항력발생 부속물의 존재가 명확하게 된다.

도 5에 도시되고 전술된 실시예의 선체폭은 공지된 종래기술의 선체에서보다 전체적으로 크고, 본 발명에 따른 선체의 보다 높은 종횡비가 성취되게 하며, 상기 선체의 프루드수를 증가시킴은 물론, 향상된 양력/항력비를 제공한다. 또한, 넓은 선체는 선회조작시 바람직한 진입조건을 제공하는 데에 도움이 된다. 전형적으로, 본 발명에 따른 선체의 선체폭에 대한 선체길이의 비는 작은 레저(leisure)용 수상기구에서의 1.75부터 대형선박에서의 3.0이상까지의 범위내에 있다.

전술된 바와 같이 본 발명에 따른 선체에서, 선체의 형태는 양력과 향력이 수상기구의 선수각(ε), 즉 도 8에 도시된 바와 같이 수상기구의 길이방향축과 실제 진행방향 사이의 각도에 대체로 관계없도록 되어 있다. 사실상, 작은 (몇 도의) 선수각은 선체의 길이방향단면에서 임의의 현저한 변화를 일으킨다. 이는 주로 임의의 점에서 선체를 통하는 단면이 선체의 길이방향단면과 매우 같도록 되어 있는 선체의 돌출부의 둥글고 무디게 돌출한 형상 때문이다. 그 결과, 수상기구의 선수각의 모든 양의 값에서 압력계수의 음의 값이 창출되지 않고서 매끄러운 진입을 제공하게 된다. 이는 선회시 속도가 손실되지 않음을 확보하는 장점을 갖게 된다.

본 발명에 따른 선체도 다른 유형의 수상기구에 사용될 수 있지만, 도면들에 도시된 선체의 실시예는 전체적으로 전기적으로 구동되고서 물위를 활주하는 작은 레저용 수상기구를 위한 것이다. 차인선체는 도면들에 도시된 선체형상의 상부로 이어질 수 있는데, 주거시설 또는 화물보관을 위해서는 보다 큰 크기가 필요하다. 도 11은 하부 선체부(41)와 이에 이어지는 차인선체(42)를 갖춘 선체(40)를 개략적으로 도시하고 있다. 선체의 길이나 선폭이 정박조건과 파나맥스(PANAMAX:파나마운하를 통과하기 위해 허용되는 폭) 등을 만족시키기 위해 감소될 수 있도록 하기 위해서, 접이식 날개(1b,1c)나 포일(foil), 또는 접이식 선미연장부를 갖춘 선체도 가능하다. 도 11의 선체는 이러한 한쌍의 접이식 날개(43b,43c)와 선미연장부(46)를 갖추고 있다. 도 12는 그 하부위치(44b,44c)에 날개를 갖춘 수상기구를 도시하고 있다. 각 날개는 선체의 폭이나 길이를 줄일 필요가 있을 때 그 집어넣어지는 위치(45b,45c)로 올려질 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 선체는 그 중력중심(Cg)과 유체역학적인 양력중심(Cp)이 이륙 및 설계속도에서 모두 대체로 수직하게 정렬되도록 되어 있지만, 이 선체를 병합한 수상기구의 실제 작동에서는 Cg와 Cp의 수직한 정렬로부터 작은 편차가 허용되고, 어떤 경우에는 피할 수 없게 된다. 예컨대, 선체의 가변적인 하중을 받는 부품(연료탱크와 같은)은 중력중심에 가까이 위치될 수 있고, 가변적인 하중의 나머지는 다른 곳에 위치될 수 있는데, 이는 중력중심의 정확한 위치가 선체의 실제 사용중에 적어도 어느 정도로 종종 변화됨을 의미한다. 일반적으로, 이러한 경우에 플랩 코드와 선체 코드 및 선체 자세(트림각)는 양력/항력비를 최적화시키기 위해 변화될 수 있는 한편, 안정성 특징을 유지할 수 있다(이를 위해 "고성능"의 제어기가 구비될 수 있다).

작은 레저용 수상기구를 위해 Cp에 대한 중력중심(Cg)의 위치에 허용된 변동의 한 예로서, 이륙 또는 설계속도에서 수상기구의 길이의 대략 3%까지 Cp에 대한 Cg의 수평으로의 위치변동은 단지 대략 0.3도로 선체 자세(트림각)를 변동시키게 된다.

또, 중력중심(Cg)에 대한 양력중심의 정확한 상대위치는, 어느 한때 수상기구에 작용하는 공기역학적인 양력과 항력, 관성력 및, 추진기의 추력을 포함하는 힘들로 인한 모멘트를 적어도 어느 정도 따르게 된다. 아주 고속인 수상기구나 매우 높은 입사각으로 작동하는 경량의 수상기구를 제외하고, 수상기구에 작용하는 공기역학적인 모멘트는 작다. 추력 모멘트도 이상적으로 아주 작고, 관성 모멘트는 경량의 수상기구를 제외하고 급속히 가속되는 동안에 아주 작다. 그럼에도 불구하고, 필요하면 압력중심의 이동은 대부분의 경우에 선체 자세(즉, 트림각)의 작은 변화로 처리될 수 있어서, 상승표면의 형상과 궁극적으로 양력계수(Cp)를 변경할수 있다. 고성능의 제어시스템이 구비되면, 플랩 위치를 변경시킴으로써 조절이 이루어져서, 양력계수 및 양력중심(cp)을 변화시키게 된다. 다르게는, 이들 두 방법의 조합에 의해 조절될 수 있다.

마찬가지로, 중력중심의 위치변화는 수상기구가 약간 앞쪽으로 요동하게 하여 유체역학적인 양력중심(Cp)을 앞쪽으로 이동시키거나, 수상기구가 약간 뒤쪽으로 요동하게 하여 양력중심을 뒤쪽으로 이동시킴으로써, 설계속도에서 고려될 수 있다. 바람직하기로는, 양력계수를 낮추는 플랩 코드가 다소 감소될 수 있는데, 코드를 증가시키고 양력중심을 앞으로 이동시키거나, 양력중심을 뒤로 이동시키는 플랩 코드를 증가시킨다.

임의의 특정한 수상기구에서, 설계속도 이하의 속도에서의 양력중심은 컷아웃(5)의 앞끝과 수상기구의 뒤에서 플랩 코드를 증가 또는 감소시킴으로써 변화될 수 있다. 플랩 코드의 증가는 양력을 증가시켜, 중앙부(1a)에 대해 플랩 코드를 증가시키고 날개에 대해 감소시킴으로써 큰 양력이 앞쪽 중앙부에 의해 발생되고 작은 양력이 더욱 뒤에 위치된 날개부(2b,2c)에 의해 발생된다. 이 효과는 양력중심을 앞쪽으로 이동되게(또는 수상기구를 뒤쪽으로 요동하게) 한다. 날개부에 대해 플랩 코드를 증가시키고 선체의 중앙부에 대해 플랩 코드를 감소시키면 반대효과를 가져온다.

Claims (27)

1. 이륙속도와 설계속도 모두에서, 선체(1)의 중력중심(Cg)이 이 선체의 상승표면의 유체역학적인 양력중심(Cp)과 실질적으로 수직하게 정렬되는 수상기구용 선체.
2. 제 1항에 있어서, 상기 중력중심(Cg)과 유체역학적인 양력중심(Cp)은 이륙 및 설계속도 사이와 그 이상의 모든 선체 속도에서 실질적으로 수직하게 정렬되는 것을 특징으로 하는 선체.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 중력중심(Cg)과 유체역학적인 양력중심(Cp)은 이륙속도 이하의 모든 선체 속도에서도 실질적으로 수직하게 정렬되는 것을 특징으로 하는 선체.
4. 설계속도에서, 선체(1)의 종횡비(S²/A)가 2.5 내지 5.0의 범위내에 있는 수상기구용 선체.
5. 제 4항에 있어서, 이륙속도에서 상기 선체(1)의 종횡비(S²/A)가 1.5 내지 2.5의 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 선체.
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 설계속도에서 상기 선체(1)의 침수영역의 선수단부(28)는 선체 길이의 적어도 일부(12)를 따라 이 선체의 앞쪽 이동방향에 대해 전체적으로 가로지르고, 이로써 상기 선체에 의해 창출될 수 있는 분무층(26)은 사용 중에 전체적으로 앞으로 분출되어 수상기구가 이 분무층 위로 떠오르는 것을 특징으로 하는 선체.
7. 제 6항에 있어서, 설계속도에서 상기 선체의 침수영역의 선수단부(28)는 선체 길이의 적어도 주요부(12)를 따라 이 선체의 앞쪽이동방향에 대해 전체적으로 가로지르는 것을 특징으로 하는 선체.
8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 선체(1)는 평면도에서 전체적으로 삼각형상이며, 중앙부(1a)와 2개의 측면날개부(1b,1c)를 구비하는 것을 특징으로 하는 선체.
9. 제 8항에 있어서, 상기 각 측면날개부(1b,1c)는 중앙부(1a)로부터 측면 및 뒤쪽으로 뻗어, 그들 사이에 있고서 상기 선체의 중앙부의 가로보(3)에 인접한 개방영역(5)을 한정하는 것을 특징으로 하는 선체.
10. 제 9항에 있어서, 상기 선체(1)는 추가적으로 상기 개방영역을 덮어씌우는 덮개부를 구비하는 것을 특징으로 하는 선체.
11. 제 9항 또는 제 10항에 있어서, 상기 선체(1)는 이 선체의 중앙부에 있는 가로보(3)에 부착된 2개의 프로펠러(22,22a)를 구비하는 것을 특징으로 하는 선체.
12. 제 9항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 급격히 아래로 휘어지는 선미단부를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 선체.
13. 제 12항에 있어서, 상기 선미단부는 선체에 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 선체.
14. 제 12항에 있어서, 상기 선미단부는 선체의 선미끝에 고정된 뒤쪽 플랩수단(20)의 형태로 구비되되, 이 플랩수단은 설계조건에서 자유수면(21)에 대해 45도 보다 큰 각도로 상기 선체로부터 전체적으로 아래로 돌출하는 것을 특징으로 하는 선체.
15. 제 14항에 있어서, 상기 플랩수단은 선체로부터 실제로 90도의 각도로 전체적으로 아래로 돌출하는 것을 특징으로 하는 선체.
16. 제 14항 또는 제 15항에 있어서, 상기 플랩수단은 선체의 중앙부에 있는 가로보의 전체 폭에 걸쳐 뻗어 있고, 상기 선체(1)의 뒤에 있는 개방영역(5)을 한정하는 각 측면날개부(1b,1c)의 내부(6b,6c) 및 선미단부(7b,7c)의 전체 길이를 가로질러 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 선체.
17. 제 14항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플랩수단의 코드는 변화가능한 것을 특징으로 하는 선체.
18. 제 21항에 있어서, 상기 선체의 중앙부(1a)의 가로보에 있는 플랩수단의 코드는 날개부의 내부 및 선미단부에 있는 플랩수단의 코드와 별개로 변할 수 있는 것을 특징으로 하는 선체.
19. 제 8항 내지 제 18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 선체의 중앙부(1a)는 돌출부(1d)를 구비하되, 이 돌출부는 선체의 이물에서 이 선체의 중앙부에 있는 선미끝을 향해 뒤쪽 및 아래로 뻗고서, 선체의 사용중에 수면에 대한 전면의 각도가 선체의 선미끝쪽으로 상기 돌출부의 길이를 따라 점차 감소하도록 그 길이방향 단면에서 약각 불룩하게 된 전면부를 구비하는 것을 특징으로 하는 선체.
20. 제 8항 내지 제 19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각 측면날개부(1b,1c)는 그 횡단면에서 약간 불룩하게 되어서, 수면에 대한 각 측면날개부의 밑면(50b,50c)의 각도가 날개부의 끝(10b,10c)에서부터 이 날개부의 횡단폭을 따라 선체(1)의 중앙부(1a)쪽으로 점차 감소되는 것을 특징으로 하는 선체.
21. 제 20항에 있어서, 상기 각 측면날개부(1b,1c)도 마찬가지로 그 길이방향 단면에서 약간 불룩하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 선체.
22. 제 8항 내지 제 21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각 측면날개부(1b,1c) 는 2도 내지 10도의 범위내에 있는 각도(Δ)로 선체의 중앙부(1a)의 밑면(36)에 경사져 있는 밑면부를 갖추는 것을 특징으로 하는 선체.
23. 제 1항 내지 제 22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 선체의 밑면으로부터 아래로 뻗은 용골(50)을 추가로 구비하되, 이 용골은 용골(50)의 측면저항중심이 선체의 중력중심(Cg)과 실질적으로 수직하게 정렬되도록 형성되고 배치되는 것을 특징으로 하는 선체.
24. 제 23항에 있어서, 상기 용골(50)은 접철가능하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 선체.
25. 제 1항 내지 제 24항 중 어느 한 항에 따른 선체(1)를 병합한 수상기구.
26. 제 25항에 있어서, 상기 수상기구가 이 수상기구의 선수(32)가 떠오르도록 요동하면, 상기 수상기구의 선미가 침수될 때 선체의 상승표면의 유체역학적인 양력중심(Cp)이 급격히 뒤쪽으로 이동하도록 상기 선체(1)가 형성되고 배치되는 것을 특징으로 하는 수상기구.
27. 제 26항에 있어서, 상기 수상기구가 이 수상기구의 선수(32)가 낮아지도록 요동하면, 선체의 상승표면의 유체역학적인 양력중심(Cp)이 급격히 앞쪽으로 이동하도록 상기 선체(1)가 형성되고 배치되는 것을 특징으로 하는 수상기구.