▲ 이탈리아 메시나의 로드리게즈 조선(Cantiere Navale Leopolde Rodriques)에서 제작한 PT-50형 수중익선
영어: hydrofoil
한자, 일본어: 水中翼船 (すいちゅうよくせん), ハイドロフォイル
독일어: Tragflügelboot, Tragflächenboot
1. 개요
선박 중에 수면 아래의 날개로부터 양력을 받아 선체를 띄워 물의 저항을 덜 받게 하여 고속으로 활주가 가능한 선박을 말한다. 이 날개를 수중익이라 부르는데 말 그대로 물 속의 날개이다. 물의 밀도가 공기보다 훨씬 높기 때문에 작은 날개로도 선체를 띄우는데 충분한 힘을 얻을 수 있다.역사는 의외로 제법 깊다. 수중익 특허가 처음 나온 것은 1869년으로 보이며, 실제로 배를 만들어 시범 항해를 실시한 것은 알렉산더 그레이엄 벨의 1908년 정도. 이 즈음에 만든 프로토타입 하이드로포일/하이드로플레인은 당시의 증기기관 선박 속도의 2배 가량을 냈다.
2. 구조
보통의 선박은 스크루에 의한 추력을 동력원으로 삼는데 수중익선은 선체가 공중으로 떠있어서 스크류로 추력을 받기가 힘들다. 일단 스크루 샤프트를 길게 뽑아서 추진하는 것도 가능하긴 하지만, 고중량 및 고속이어야 하는 좀 큰 배에서는 보통 터빈으로 물을 분사시키는 워터제트로 추력을 얻는다. 이 때 터빈의 추력의 진동에 버티게 하기 위해 선미의 수중익은 보통 양단과 연결된 강한 구조체로 설계한다.크게 두 가지 형태로 나뉜다. 수중익은 전부 수면 아래에 잠기며 수중익 위에 수직 지지대를 달아서 선체와 연결하는 ┴형(또는 뒤집힌 T형)는 수중익이 항상 수중에 잠겨 있으므로 수중익까지 물 밖으로 튀어나갈 정도로 어지간히 큰 파도가 아닌 이상 수중익 효과가 안정적으로 발생한다. 그래서 해양 환경에서 더 유리, 배의 흔들림도 덜하다.
하지만 양력이 수직으로 확고하게 발생하기 때문에 선체가 위아래로 오르내리려는 경향이 강하고, 수중익 자체는 양력만 발생시킬뿐 자세 안정 효과를 가져오지 못하기에 의외로 불안정하다. 이를 보정하기 위한 수중익의 받음각과 선체 균형을 끊임없이 조절해줘야 한다. 큰 선체에서 쓰려면 비행기처럼 플랩 조절을 한다든가, 주 날개 말고도 꼬리날개를 갖춰야 하는 등 기계적 조정이 불가피하다는 말.[1] 또한 배를 옆으로 기울였다가 수중익 일부가 수면 밖으로 노출되는 순간 급격한 양력 불균형으로 배가 확 전복하기 쉽다. 동력식에서도 사용하는 디자인이지만 현재는 인력/풍력식 스포츠 포일 시장에서도 주류 디자인으로 사용한다. 세일링 보트에서 쓸 경우 수중익 각도 조절은 선체에 수면 높이를 재는 막대를 달아서 그것에 반응해서 플랩 또는 수중익이 저절로 움직이게 하는 형태를 쓰고 있다.
수중익 자체가 V형 또는 U형이며 수중익의 일부가 수면을 관통하여 물 속에 잠기는 형태는 Surface Piercing foils 이라 부르는데, V형 날개의 양력 발생 방향이 적당히 자가 균형 보정이 일어나게 해주다보니, 수중익이 양력을 얻으면서 위아래로 오르내리는 동작이 덜 일어나는 편(또는 서서히 일어나는 편)이고 받음각 조정 같은 추가적인 장비 없이도 운행이 편하다. 그만큼 수중익 구조가 간단하고 만들기 쉽다는 말이기도 하다.
하지만 큰 파도에 더 취약한 경향이 있다. 완전히 잠기는 ┴형도 물론 물 밖에 노출되면 수중익 효과를 잃어서 난리가 나지만, 그래도 구조상 수중익을 훨씬 깊은 곳에 집어넣게 만들 수 있다보니 V형보다는 파도에 덜 민감하기 때문이다. 그래도 자가 보정 안정성 면에서 더 우월해서 동력 선박에서는 이 형태가 주류.
물론 설계에 따라서는 완전히 잠기는 ┴형 수중익과 V형 수면관통 수중익을 함께 사용해서 서로의 단점을 어느 정도 상쇄하게 만들기도 한다.
3. 장점
선박이 활주시 수중익에 의해 선체가 물 위로 뜨게 되면 물의 점성과 유동에 의해 선저가 받는 저항이 없어져 적은 출력으로도 빠른 주행이 가능하다. 웬만한 파도에도 멀미가 나지 않는 부차적 효과도 있다.4. 단점
선체가 수면보다 위로 뜨기 때문에 너무 높은 파도(파고 5m 이상)에서는 구조적으로 항행 자체가 힘들다. 평시에는 장점에 서술한 바와 같이 수중익에 의한 선체의 부유로 인해 물의 유동성을 저하시켜 고속으로 주행이 가능하지만, 고파랑 시에는 파도로 수중익이 물 밖에 노출되면서 비행 성능을 상실하는 것과 더불어 배의 바닥(선저)과 파도가 부딪혀 수중익의 강도저하, 파손의 우려와 함께 고속으로 활주하는 영향으로 선저의 강도에도 영향을 미친다. 비슷하게 수면 위에서 고작 몇미터 떠서 비행하는 위그선 또한 공유하는 문제.물론 이럴 때는 수중익 효과가 나지 않게 천천히 항해하면 되지만, 이 경우 수중익은 커다란 저항 덩어리가 되어 효율이 떨어지게 된다.
그리고 비싸다. 수중익선 중에서도 비싼 축에 드는 보잉의 제트포일 기종은 동급 일반 배의 3배까지 건조비용이 올라가기도 했다.[2] 다만 좀 더 단순한 설계의 러시아제는 좀 싸다.
배가 커지면 커질수록 필요로 하는 양력이 기하급수적으로 상승하기 때문에 대형 선박에 적용하기 어렵고 대부분은 소형 선박에 적용하고 있다.
선체에 비해 얇은 날개만 수중에 잠겨있기 때문에 부유물체와 충돌시 큰 사고가 날 수 있고 미리 감지하고 회피하는 것도 쉽지 않다. 코비5호 고래 충돌 사고가 대표적이다. 그 때문에 숙련된 선원 구인이 힘들다.
5. 인력식, 풍력식
엄청난 추력이 필요할 것 같지만 사실 무게와 추력 밸런스가 중요하고, 물의 밀도가 공기보다 높다보니 양력을 받기도 생각보다 쉬운 터라 선체가 충분히 가볍다면 인력이나 풍력으로도 작동할 수 있다.인력식 펌핑 포일
순수하게 인력식은 서핑보드나 스케이드보드 크기의 발판 밑에 적당히 큰 수중익을 달아서, 사람이 발판 위에서 폴짝폴짝 뛰어 내리누르는 힘으로 수중익을 누르며 양력을 얻어서 추진하는 형태가 있다. 이런 인력식들은 처음 시동(?) 거는 단계에서 물 밖에서 밀어주며 올라타는 요령이 좀 필요해서 체득하는 데에 자전거보다 좀 어려운 정도의 시행착오도 필요하고, 펌핑 반복 동작을 리드미컬하게 계속 해야 해서 분 단위로 장시간 이동하려면 제법 숙련자가 되어야 한다.
인력식 보드형이라도 큰 파도(또는 선행하는 보트가 일으킨 물결)를 타는 것으로 펌핑 동작 없이도 어느 정도 비행(?)할 수 있고, 서퍼가 간단한 돛이나 카이트를 손에 들어 추력을 얻는 것으로 수중익을 작동시킬 수도 있다. 덕분에 해양 스포츠의 새로운 한 분야로 인력 수중익이 시장에 진입해 있다.
서핑보드형에다 작은 전동 스크루를 달아서 완전히 배터리 추진하는 물건은 인력식처럼 계속 펌핑 동작을 할 필요가 없어서 배우기 쉽고 한시간 가량 장시간 타는 것도 가능하다.
전기자전거식
수상자전거 형태에다 수중익을 달아서 사람이 자전거로 스크루를 돌려서 수중익 추진하는 것도 가능한데, 자전거 형태로 만들면 무게가 좀 어려워서 보통은 전기자전거 구조를 택하는 편.
윈드서핑과 레이싱 요트 업계에서도 진작에 사용하고 있다. 레이싱 요트는 내장을 최대한 떼서 선체를 가볍게 하고, 상당한 강풍을 받는 지역에서 타는 편이므로 바람의 힘만으로 수중익을 작동시킬 수 있는 속력이 나온다. 다만 바람에 의존하는 요트의 특성상 항상 수중익이 작동할 속력을 유지할 수 없고, 양력이 작동하지 않을 때의 수중익은 커다란 저항일 따름이므로, 레이싱 요트는 상시 수중익선 형태가 아니라 필요할 때에만 수중익을 밀어넣는 가변식이 대부분이다. 게다가 같은 이유로 수시로 변하는 바람과 파도에 대응해 돛과 키를 조작해 가며 수중익을 작동시킨 상태를 긴 시간 유지하는 것은 꽤나 고난이도다보니, 1일 이상의 초장거리 레이스 시에는 24시간 내내 수중익을 작동시키는 것은 사실상 어렵다. 때문에 장시간 레이스에서는 항상 수중익선이 재래식 선형보다 무조건 빠른 것은 아니다. 비교적 평범하게 조작할 수 있는 트라이마란이 초장거리에서는 기록상 수중익선보다 빠를 때도 잦다.
6. 기타
부산과 일본을 오가는 페리 중에 수중익선 코비와 비틀이 있다. 항공기 메이커로 유명한 보잉이 제작한 보잉 929 모델로 미 해군에 납품한 페가수스급 고속정과도 유사하다.목포와 흑산도를 오가는 수중익선인 남해호, 남해2호 등이 있었다. 지금은 쌍동선만 운영한다.
게임 커맨드 앤 컨커 레드얼럿3에서는 연합군 대공 공격 해상 유닛으로 등장한다. 정발판에서는 고속정으로 번역됐다. 해상 유닛이지만 어뢰 등으로 해상 공격을 하는 능력은 없고 그 기능은 립타이드 ACV가 갖고 있다. 평소에 밀수단속 진압을 하던 역할을 살려서 특수 기능은 무력화 빔. 자세한 것은 고속정(커맨드 앤 컨커 시리즈) 참조.
7. 수중익선 목록
[1]
단, 고속 대형선이 아닌 비교적 속력이 낮고 선체도 가벼운 요트나 보트 레벨에서는, 선수에 수면 높이를 감지하는 막대기를 달아 끈으로 연동하는 정도의 간단한 구조로 자동 플랩 조절이 되게 만들 수 있다.
[2]
보잉 929는 더 이상 생산을 하지 않아 부품 구하기도 힘들고 비싸다. 미래고속해운의 코비가 장기간 운휴하는 이유이기도...