공기저항 (Air Resistance)

한 줄 정의: 선박의 수면 위 구조물이 대기와의 상대운동으로 인해 받는 저항이다.

쉽게 풀면

배의 물 위에 나온 부분이 바람 때문에 받는 저항이다.

왜 중요한가

대형 컨테이너선이나 자동차운반선처럼 수면 위 구조물이 큰 선형에서는 공기저항이 전체 저항의 수 퍼센트를 차지하므로, 연료소비 예측과 에너지효율설계지수 계산에서 무시할 수 없는 항목입니다. 실무에서는 해상시운전 결과를 무풍 조건으로 보정할 때 바람 방향별 공기저항 계수를 적용하며, 이 보정이 부정확하면 계약 속력 달성 여부 판정이 흔들립니다.

핵심 정리

선박의 공기저항은 수면 위로 나온 선체와 상부구조(갑판 적재물, 선루, 크레인 등)가 대기와 상대운동을 하면서 받는 항력입니다. 물속 선체가 받는 저항과는 작용하는 매체가 다릅니다.
일반적인 항력식 F = ½ρv²·C_D·A를 선박에 옮기면 R_A = ½·ρ_a·C_X(θ)·A_T·V_rel² 꼴로 씁니다. ρ_a는 공기밀도, A_T는 정면 투영면적, C_X(θ)는 상대풍향 θ에 따라 달라지는 계수입니다.
여기서 V_rel은 선속과 풍속의 벡터합(상대풍속)입니다. 따라서 같은 풍속이라도 맞바람이면 저항이, 뒷바람이면 훨씬 작은 저항이 생깁니다.
계수 C_X는 선형과 적재 상태마다 다르므로 풍동시험이나 전산유체역학으로 구하거나, 선박 풍하중 자료를 정리한 경험식을 씁니다. Blendermann(1994)은 선박에 작용하는 풍하중의 매개변수를 식별하는 방법을 다룬 문헌입니다.

예시로 보기

가상의 선박(정면 투영면적 1,200 m², 계수 C_X = 0.8로 고정, 공기밀도 1.225 kg/m³)이 선속 12 m/s로 달릴 때, 바람 방향만 바꾸어 공기저항을 계산한 결과입니다(코드로 계산, 가상의 예).

조건(풍속 10 m/s)	상대풍속 (m/s)	공기저항 (kN)
정면 맞바람	22	284.6
무풍	12	84.7
정후방 바람	2	2.4

같은 바람이어도 맞바람일 때와 뒷바람일 때의 저항이 약 121배 차이 납니다. 상대풍속이 제곱으로 들어가기 때문입니다. 실제 계수 C_X는 풍향각에 따라 변하므로, 이 표는 제곱 관계를 보여 주기 위한 단순화입니다.

자주 하는 오해

오해	바로잡기
공기저항은 선속의 제곱에 비례한다.	비례하는 것은 상대풍속의 제곱입니다. 무풍일 때만 선속의 제곱과 같아집니다.
무풍 상태의 계산값이면 운항 저항을 대표한다.	실제 항해에서는 풍속·풍향이 계속 달라지므로 시운전 결과를 보정할 때도 바람 조건을 따로 반영해야 합니다.
풍동시험 계수는 어떤 적재 상태에도 쓸 수 있다.	갑판 적재물의 높이와 배치가 바뀌면 투영면적과 계수가 함께 달라집니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

실제 논문에서

이 용어를 직접 쓴 국내 논문 문장을 아직 수집하지 못했습니다. 수집되는 대로 출처와 함께 싣겠습니다.

예시 문장

아래는 용어의 쓰임을 보여 주려고 만든 예시로, 실제 논문에서 가져온 문장이 아닙니다.

공기저항은 선박의 정면 투영면적과 상부구조 형상에 따라 결정되며, 컨테이너선처럼 갑판적재가 높은 선박에서는 무시할 수 없는 비중을 차지한다.

풍동시험을 통해 컨테이너 적재 높이에 따른 공기저항계수 변화를 측정한다.

"동일 선형에서 갑판 적재 컨테이너의 열 수를 하나 늘리자 정풍 조건의 공기저항 계수가 약 6% 증가한 것으로 풍동시험에서 확인되었다."

이 문장은 화물 적재량이 늘어 갑판 위 구조물이 커지면 배가 받는 공기저항도 함께 커진다는 것을 실험으로 보여 준다는 뜻입니다.

조금 더 깊게 보면

공기저항은 선속 제곱에 비례하는 마찰저항과 달리 상대풍속, 즉 선속과 풍속의 벡터합의 제곱에 비례하므로 정풍과 측풍에서 크기와 방향이 크게 달라집니다. 갑판 위 컨테이너 적재 형태에 따라 저항 계수가 바뀌기 때문에 풍동시험 값이 실제 항차에 그대로 맞지 않는 경우가 많고, 저항 감소를 위한 선수 페어링이나 갑판실 형상 변경은 예인수조가 아니라 풍동이나 전산유체역학으로 평가해야 합니다. 선박의 공기저항계수는 자동차와 달리 표준화된 시험 규격이 늦게 도입되어, 최근에야 ISO 15016 같은 해상시운전 성능 검증 규정에서 풍동시험이나 CFD로 구한 계수를 사용하도록 명시되고 있다. 공기저항은 선속 제곱이 아니라 선속과 풍속의 벡터합인 상대풍속의 제곱에 비례하므로, 순풍이나 역풍 조건에 따라 크기와 방향이 크게 달라진다. 최근 대형 컨테이너선의 갑판 적재 높이가 계속 늘어나면서 공기저항이 전체 저항에서 차지하는 비중도 함께 커지는 추세가 보고되고 있다.

주의할 점

공기저항은 상대풍속과 풍향에 크게 좌우되므로 정적 무풍 조건의 계산값만으로 실제 운항 저항을 대표할 수 없다.

공기저항은 상대풍속과 풍향에 크게 좌우되므로 정적 무풍 조건의 계산값만으로 실제 운항 저항을 대표할 수 없다. 갑판 위 컨테이너 적재 형태와 높이에 따라 저항계수가 달라지므로, 동일 선형이라도 적재 상태별로 별도의 풍동시험 자료를 확보해야 정확한 보정이 가능하다.

헷갈리기 쉬운 용어

선박저항은 물속에서 생기는 성분과 물 위에서 생기는 성분으로 나뉩니다.

용어	저항을 만드는 곳	기본적으로 따지는 속도
공기저항	수면 위 선체·상부구조와 대기	상대풍속(선속과 풍속의 벡터합)
마찰저항	물에 잠긴 선체 표면과 물	물에 대한 선속
선박저항	위의 성분들을 모두 합친 전체	—

참고 문헌

Blendermann, W. (1994). Parameter identification of wind loads on ships. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 51(3), 339–351.
Molland, A. F., Turnock, S. R., & Hudson, D. A. (2017). Ship Resistance and Propulsion. Cambridge University Press.

표의 기준값은 위 문헌에 근거한 관례이며, 분야·학술지마다 다른 기준을 쓸 수 있습니다.

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