자율운항선박은 인적 개입 없이 운항되는 특성상, 추진력 전달계통과 같은 핵심 기계장치의 상태를 실시간으로 감시하고 이상 징후를 조기에 식별할 수 있는 고장진단 및 예지 기술이 필수적이다. 특히 추진축계는 주기관과 프로펠러를 연결하는 구조로서 자율운항 성능과 안전성에 직접적인 영향을 미치는 핵심 계통이므로, 고장의 전개 경로와 주요 취약 지점을 체계적으로 규명하는 구조 기반 위험 성 평가가 요구된다. 본 연구에서는 선행연구를 통해 수행된 추진축계에 대한 FMEA(failure modes and effects analysis) 결과를 기반으로, 정 상 사상(top event)으로 ‘프로펠러 파손’과 ‘추진력 상실’을 정의하고, 이를 중심으로 FTA(fault tree analysis)를 구성하였다. 각 고장 경로는 베어링 열화, 윤활 상태 저하, 체결력 약화, 반복 및 충격 하중과 같은 주요 인자를 중심으로 계층적으로 구조화되었으며, 복합적인 기계· 환경적 요인의 상호작용에 의해 고장이 전개됨을 구조적으로 확인하였다. 또한 FTA 분석 결과를 바탕으로 실제 자율운항 환경에 적용 가 능한 네 가지 고장진단 실험 시나리오(베어링 마모, 윤활유 부족, 반복 충격, 체결 불량)를 도출하였다. 각 시나리오는 무선 축계시스템의 센서 데이터를 활용하여 동역학적 징후를 실험적으로 관찰할 수 있도록 설계되었다. 본 연구는 FMEA–FTA 연계 분석을 기반으로 고장 구조 해석과 진단 시나리오 설계 간의 연계성을 제시한 것으로, 자율운항 추진계의 상태 기반 유지보수 및 예지정비 기술 개발에 실질적 인 기초자료로 활용될 수 있다.

전기추진 선박의 보급이 확대됨에 따라 추진축계의 정렬 불량, 비틀림 등 기계적 이상상태를 조기에 진단하기 위한 예지보전 (PHM) 기술의 필요성이 커지고 있다. 그러나 실제 운항 선박에서는 안전성과 운항 제약으로 인해 다양한 이상 상태를 의도적으로 재현하 기 어렵고, 이에 따른 학습·검증용 진동 데이터 확보에도 한계가 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 50kW급 전기추진 육 상 시험 시스템(Land‑Based Test System, LBTS)을 기반으로 전기추진 선박 추진축계의 비틀림 정렬 불량을 모사할 수 있는 실험 장치를 설계·구현하였다. LBTS는 SRPM(Synchronous Reluctance assisted Permanent Magnet)형 모터/발전기, AFE(Active Front End) 및 DC/DC 컨버터, 리 튬인산철 에너지저장장치(ESS)로 구성되며, PTO 모터를 슬라이딩 베이스에 장착하여 축 중심을 ±20mm 범위에서 조정할 수 있도록 제작 하였다(ESS 및 DC/DC 컨버터는 향후 추가적인 운전 조건 모사를 위해 탑재되었으며, 본 실험에서는 미사용). 이를 통해 정상 상태(0mm) 와 두 단계의 비틀림 상태(2mm, 4mm)를 설정한 후, 2,000rpm에서 3축 가속도계와 OROS사의 진동 분석기를 이용해 다채널 가속도 데이터 를 계측하고 FFT 분석을 수행하였다. 실험 결과, 비틀림이 증가할수록 진폭 및 주파수 성분의 변화 패턴이 관찰되었다. 본 연구에서 구축 한 0/2/4 mm 라벨링 진동 데이터셋과 LBTS 실험 환경은 향후 향후 1D/2D CNN 기반 PHM 알고리즘의 학습·검증에 활용될 수 있으며, 상태 분류 성능(Accuracy, Macro-F1)을 기준으로 오분류율 목표를 설정하여 정량 평가를 수행할 예정이다.

선박의 기관 고장은 해상 안전성뿐만 아니라 경제적 요인에도 큰 영향을 미친다. 2024년 국내 해양 사고 통계에 따르면 단순 사고 중 기관 고장이 차지하는 비율은 40%이다. 이는 기관 손상이 선박 안전에 매우 중요한 요소임을 보여준다. 선박 기관 고장은 다양한 기계적 결함에 의해 발생하며, 이러한 영향은 선박 배기가스 온도 변화에 직접적으로 나타난다. 따라서 본 연구에서는 선박 배기가스 온 도를 예측하여 선박 기관 고장을 사전에 방지할 수 있는 모델을 개발하였다. 본교 실습선에서 수집한 데이터를 활용한 시계열 운항 데이 터를 수집하였고, 수집된 데이터 전처리 과정을 통해 비정규성을 나타낸다는 것을 밝혀냈다. 이에 따라서 Spearman 상관관계 분석법과 LASSO 회귀 분석법을 통해 총 6개의 변수를 도출했다. 이후, Random Forest 모델의 파라미터를 최적화하기 위해서 GridsearchCV를 활용하 였고, 모델 성능을 잔차 분포, 실제값 대비 예측값 산점도 및 정량적 지표를 통해 검증하였다.

전기추진 선박의 추진축계 이상상태는 심각한 선박 운항 장애를 초래할 수 있으므로, 추진 시스템의 상태를 정확히 진단하고 사전에 예방 유지보수를 수행하는 Prognostics and Health Management(PHM) 기술의 필요성이 증가하고 있다. 본 연구에서는 전기추진 선박 의 추진축 이상상태를 조기에 감지하고 진단하기 위하여 진동 데이터를 기반으로 한 머신러닝 기반 PHM 시스템의 개발과 성능 평가를 수행하였다. Land-Based Testing System(LBTS) 시스템에서 수집된 정상 상태와 축 정렬 이상 상태(0.5 mm, 1.0 mm, 1.5 mm)의 진동 데이터를 활용하여 데이터 전처리 및 특성 추출을 수행하였다. 연구에서는 Fully Connected Neural Network(FCNN) 및 Convolutional Neural Network(CNN)을 적용하여 이상 상태를 진단하는 모델을 개발하고 비교 분석하였다. FCNN 기반 모델은 단순한 구조로 빠른 학습이 가능 하여 실시간 모니터링에 적합한 반면, CNN 모델은 미세한 상태 변화를 효과적으로 탐지하는 데 탁월한 성능을 보였다. 성능 평가 결과 FCNN 모델은 평균 95% 이상의 정확도를 나타냈으며, CNN 모델은 이보다 더욱 향상된 성능을 제공하였다. 본 연구를 통해 개발된 진동 기반 PHM 시스템은 전기추진 선박 추진축 이상상태를 효과적으로 조기에 진단할 수 있는 능력을 입증하였다. 이러한 연구 성과는 전기 추진 선박의 안전하고 효율적인 운항을 위한 신뢰성 높은 유지보수 전략 수립에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다. 향후 연구로는 데이 터 품질 개선 및 추가적인 딥러닝 모델 적용을 통한 성능 향상을 목표로 한다.

온실가스 배출을 줄이기 위해 기존 선박에 사용되는 내연기관을 대체할 수 있는 다양한 기술이 제안되고 있으며, 그중에서도 고 효율·무배출 특성을 가진 연료전지가 유망한 대안으로 주목받고 있다. 본 연구에서는 선박의 종류 및 규모에 따라 네 가지 유형의 선박을 선정하고, 기존 내연기관 기반 추진 시스템을 연료전지-배터리 하이브리드 추진 시스템으로 전환하는 방안을 검토하였다. 제안된 하이브리 드 추진 시스템은 주 전원으로 고분자전해질막연료전지(PEMFC), 보조 전원으로 Battery를 사용한다. PEMFC가 기본 부하(base load)를 담당하 고, Battery는 피크 부하(peak load)를 담당한다. PEMFC는 50kW 스택을 기본 단위로 모듈화하여 적용하였으며, 시스템 전체 크기, 연료전지와 배터리의 비율, 주변 기기와의 연계 등을 고려하여 각 선박 유형에 적합한 시스템 구성을 도출하였다. 연구 결과, 선박의 종류와 운항 특성 에 따라 PEMFC-Battery hybrid propulsion system의 구성이 달라져야 함을 확인하였다. 항해가 길어질수록 PEMFC의 비중을 높이는 것이 필요 하며 액화수소의 사용이 강제화된다. 또한 항해 구역과 긴급 상황에 대응할 수 있도록 시스템의 단일/이중화 여부 또한 고려되어야 한다. 선 박 규모에 따라 적정한 추진 전동기와 주변 기기 설치를 고려해야 한다. 이러한 운항 조건과 설계 요소를 반영한 PEMFC-Battery hybrid propulsion system은 다가오는 배출 규제를 충족할 수 있으며, 해양 분야 탈탄소화를 위한 실현 가능한 대안이 될 수 있다.

국제해사기구(IMO)의 선박 환경규제 강화에 따라 선박 배출 온실가스 저감을 위한 대체연료 및 새로운 추진시스템의 도입이 활발히 진행되고 있다. 특히 연료전지와 배터리를 결합한 하이브리드 전기추진시스템은 배출가스 제로 및 높은 에너지 효율을 통해 차세 대 친환경 선박의 주요 대안으로 주목받고 있다. 본 연구에서는 이러한 전기추진시스템에 적용되는 암모니아 개질기의 선박 탑재를 위한 시험기준과 절차를 개발하고 그 타당성을 검증하였다. 암모니아는 저장 용이성, 운송 효율성 및 무탄소 배출 특성으로 인해 차세대 수소 공급원으로 주목받지만, 고온 개질기 필요, 독성 및 부식성, 잔류 암모니아 슬립 등 복합적 기술 문제와 안정성 확보 방안이 필수적이다. 이를 해결하기 위한 방안으로 본 논문은 실선 운항 조건을 반영한 4가지 핵심 시험항목(수소 생산량, 수소 순도, 잔류 암모니아 슬립, 경 사안정성)을 도출하고, 각 항목별로 시험환경, 절차, 측정기준, 수용기준을 포함한 정량적 시험방법론을 제시하였다. 해당 시험기준은 ISO 14687, IMO IGF Code 등 국제 기준을 기반으로 연계되며, 실선박에서의 신뢰성, 반복성, 실현가능성을 확보하기 위한 기반 자료로 활용 가 능하다.

연안 및 근해를 운항하는 천수선박은 프로펠러의 잠김 깊이가 부족하여 추진 효율이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 이를 개선하기 위해 선미 하부에 Y형 또는 I형 스트럿 구조물을 설치하여 프로펠러 축을 지지하고, 프로펠러를 보다 깊이 잠기도록 설계하는 방법이 널리 적용되고 있다. 그러나 스트럿 베어링의 적용 방식과 위치는 추진축계의 유연성 및 진동 특성에 큰 영향을 미치므로, 초기 설계단계에서 적절한 축계 배치가 필수적이다. 본 연구에서는 스트럿 구조를 갖는 선박을 대상으로, 베어링의 수와 배치에 따른 추진축계 의 정렬 특성과 횡진동 거동을 분석하였다. Y형 스트럿 베어링과 선미관 베어링이 조합된 기존 축계는 높은 횡방향 유연성을 확보하였으 나, 프로펠러 블레이드 통과 주파수와 고유진동수가 근접하여 공진 위험이 존재함을 확인하였다. 이를 해결하기 위해 선미관 베어링을 제 거하고, I형 스트럿 베어링으로 대체하는 새로운 베어링 배치를 제안하였으며, 반력영향계수와 진동모드 해석을 통해 최적의 설치 위치를 도출하였다. 해석 결과, I형 스트럿 베어링을 FR.10~FR.11 구간에 배치하는 경우 정렬 안정성과 공진 회피 측면에서 가장 우수한 성능을 나타내었다. 본 연구는 스트럿 베어링을 갖는 천수선박의 추진축계 설계 시, 유연성과 진동 특성을 동시에 고려한 최적 베어링 배치 가이 드라인을 제시한다는 점에서 의의가 있다.

자율운항선박(MASS)은 운항 효율성 향상과 인적 오류 감소를 목표로 다양한 기계 시스템의 자동화 및 고장 진단 기술을 요구하고 있다. 본 연구에서는 자율운항선박의 핵심 동력 전달 계통인 추진축계를 대상으로 FMEA(Failure Modes and Effects Ananlysis)를 수행하였다. 주요 구성 요소로는 추진축, 베어링, 커플링, 선미관 밀봉장치 등이 포함되며, 각각에 대해 고장모드를 도출하고 심각도, 발생빈도, 검출도를 기준으로 위험 우선순위수(RPN)를 산출하였다. 분석 결과, 축 균열, 축 접지 시스템 고장, 베어링 손상과 같은 고장 모드가 상대적으로 높은 RPN값을 나타내어 시스템 신뢰성에 큰 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. 본 연구는 자율운항선박의 추진축 계 설계 개선 및 진단 알고리즘 개발의 기초 자료로 활용될 수 있으며, 해양시스템의 예측 유지보수 시스템 구축에 기여할 수 있을 것 으로 기대된다.

In this study, the effect of underwater hydrofoils was analyzed through model tests on a motor boat with a total length of approximately 8.5 m and a maximum speed of 25 knots(approximately 12.9 m/s). The degree of hull sinkage and resistance performance according to the size and angle of attack of the foils with the same cross sectional shape were analyzed and the required horsepower was estimated. Through this study, it was confirmed that the area and angle of attack of the foils had a great effect on hull sinkage and that a rapid decrease in resistance and change in required horsepower occurred depending on the degree of hull sinkage.

선박의 추진전동기는 소량 주문생산되어 고장진단을 위한 신호를 사전에 확보하는 것이 불가능하다. 운용기간 중 계측을 통해 데이터를 확보하는 것은 많은 시간과 비용을 초래하기에 물리모델을 통해 데이터를 확보하는 것이 유일한 방법이다. 물리모델을 통해 얻 은 데이터를 고장진단에 활용하기 위하여 데이터의 정확도를 확보해야 한다. 기존 전동기 물리모델의 경우 전동기에서 발생하는 구조-전 기 연성효과를 온전히 고려하지 않아 진동데이터의 해석 오차가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 본 논문에서는 구조-전기 완전연성 물리 모델을 개발하여 물리모델데이터의 정확도를 개선하였다. 실험계측 데이터와 물리모델 데이터의 비교를 통해 전동기 상태별 데이터를 높 은 정확도로 획득할 수 있음을 확인하였다. 본 논문에서 제시한 구조-전기 완전연성 물리모델을 이용하여 정상상태와 결함상태에서 나타 나는 진동수준을 예측할 수 있음을 확인하였으며, 구조-전기 완전연성 반영 필요성을 입증하였다.

해운 산업은 탄소 배출 저감을 위한 다양한 기술적 해결책을 모색하고 있으며, 그중 암모니아(NH3)는 차세대 무탄소 연료로 각 광받고 있다. 암모니아는 이산화탄소(CO2)를 배출하지 않으며, 기존 인프라를 활용해 대규모 운송 및 저장이 가능하다는 장점이 있다. 본 연구는 암모니아를 수소(H2)로 개질하여 연료전지에 공급하고, 이를 통해 전력을 생산하는 하이브리드 전기 추진 시스템의 성능을 평가하 였다. 암모니아-수소 개질기, 수소 연료전지, 배터리로 구성된 이 시스템은 친환경적인 추진 방식이다. 경사 시험(Heel test)은 선박이 실제 항해 중에 겪을 수 있는 10도 경사 상황에서 시스템이 안정적으로 작동하는 평가하기 위해 수행되었다. 시험 결과, 암모니아 개질기는 경사 조건에서도 안정적으로 수소를 생산하였다. 연료전지와 배터리가 결합된 하이브리드 시스템은 부하 변동 상황에서도 효율적으로 전력을 관리하고 안정적인 전력 공급을 유지했다. 특히 경사 상태에서도 시스템 성능 저하 없이 연료전지와 배터리 전력, 전류, 전압의 상호작용이 원활하게 이루어졌음을 확인할 수 있다. 본 연구는 향후 친환경 선박의 핵심 기술로 자리 잡을 수 있는 암모니아 기반 추진 시스템의 안정 성과 성능을 실험적으로 검증하였다는 점에서 그 의미가 있으며, 따라서 본 연구 결과는 해운 산업에서 암모니아 기반 추진 시스템의 사용 화 가능성을 높이는 중요한 기초 자료를 제공할 것으로 기대된다.

In this study, flow analysis was performed using ANSYS CFX to evaluate the performance of the 30kg hydrogen fuel cell hexa-copter drone in hovering flight. In the case of a hydrogen fuel cell hexa-copter drone, a total of four cooling fans are mounted on the drone's body in two pairs on the left and right to cool the fuel cell module. In order to evaluate the effect of the air flow from the cooling fan on the aerodynamic properties of the hydrogen fuel cell drone as the mounted cooling fan operates, the change in thrust for the case where the cooling fan operates and does not operate was compared and analyzed. Looking at the analysis results, it was found that the presence or absence of the drone's cooling fan had little effect on the drone's thrust through the thrust results for the six wings.