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“소방에도 구조보트 프로펠러 안전장치가 필요하다”

국립소방연구원 최신웅 | 기사입력 2020/04/14 [16:40]

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“소방에도 구조보트 프로펠러 안전장치가 필요하다”

국립소방연구원 최신웅

| 입력 : 2020/04/14 [16:40]

‘구조보트 프로펠러 안전장치 도입을 위한 실증 연구’… 이렇게 시작됐다

지난 2019년 6월 충북에서 발생한 소방공무원 순직사고를 계기로 구조보트 선외기 프로펠러 안전장치 도입에 관한 논의가 시작됐다. 그에 따른 예방대책과 소방현장사고 조사ㆍ분석ㆍ연구의 일환으로 구조보트 프로펠러 안전장치(Propeller safety guards) 도입을 위한 실증 연구가 필요했다.

▲ [그림 1] 사고 당시 구조보트

▲ [그림 2] 사고 당시 선외기(프로펠러 부분 국과수 의뢰)

▲ [그림 3] 사고장소 잠수 재현(드론 촬영)(훈련장소→약 30m 이동→프로펠러 충돌 예상지점→약 10m 이동→수중수색 발견지점)

만약 안전장치(Propeller safety guards)를 갑작스럽게 도입하면 구조현장에서 혼란이 야기될 수 있다. 따라서 안전장치 도입 전 현장 활동(훈련) 시 구조대원 안전사고 방지를 위한 실증테스트를 거쳐 성능을 검증해야 한다. 국립소방연구원의 ‘구조보트 프로펠러 안전장치 실증 연구’는 현장적용 시범 활용으로 개선사항을 도출하고 정책을 제안하는 데 최종 목적을 두고 진행됐다.

안전장치와 관련된 국내 규정은 ‘수중레저활동의 안전 및 활성화 등에 관한 법률’에서 수중레저활동 보트에는 ‘스크류망’을 설치토록 의무화하고 있다. 미연방법(CFR)에도 사람이 노출되는 모든 면에서 최대 76㎜(3inch)의 프로펠러 가드가 장착되도록 규정된 걸 확인했다.

■ 제2조(정의)

2. “수중레저활동”이란 수중레저기구 또는 수중레저장비를 이용하여 취미ㆍ오락ㆍ체육ㆍ교육 등을 목적으로 이루어지는 스킨다이빙, 스쿠버다이빙 등

7. “수중레저시설물”이란 수중레저기구의 안전을 확보하기 위하여 필요한 스크류망, 하강 사다리 등

■ 제21조(수중레저사업자의 준수의무 등)

② 수중레저활동자를 운송하는 수중레저기구에는 스크류망, 하강 사다리 등 해양수산부령으로 정하는 수중레저시설물을 설치하여야 한다.

■ 제30조(벌칙) 6개월 이하 징역 또는 5백만원의 이하의 벌금(양벌규정)

▲ 수중레저활동의 안전 및 활성화 등에 관한 법률

▲ 미국 연방법

연구에 앞서 정책자문회의와 세미나 등을 통해 현장 의견을 수렴했다. 이후 전국 소방관서 선외기 보유현황을 조사해 전체의 약 67%를 차지하는 선외기를 30마력으로 정하는 등 연구범위를 설정했다. 국외에 유통되는 안전장치 중 PP(폴리프로필렌) 재질 2종과 SS(스테인레스스틸) 재질 7종의 안전장치를 종류와 유형, 재질별로 구매해서 단계별 자체, 필드, 현장적용 테스트를 수행했다.

▲ [그림 4] 안전장치 종류 등 실증 개념도

현장 적응성 파악을 위한 테스트 진행

개방수역에서 테스트 전, 5m 제한수역에서 작동 중인 프로펠러와 마네킹 충돌 시 수중상황 등을 비교ㆍ분석하기 위해 먼저 자체 테스트를 수행했다. 그 결과 협소한 공간과 마네킹의 중력 부력 유지의 한계는 있었으나 프로펠러의 위험성을 충분히 알 수 있었다.

▲ [그림 5] 선외기 프로펠러 위험성 비교 재현실험 개념도

▲ [그림 6] 마네킹 SCUBA 장착 충돌 테스트

보트 운항 중 반복적으로 프로펠러와 고정된 마네킹 충돌 테스트를 했으나 테스트를 한 수영장 공간이 협소해 속도와 조향 등 한계점이 있었다. 게다가 열 번 중 여덟 번은 프로펠러가 아닌 선외기 최하단의 스케그(Skeg)1)에 부딪히는 것을 확인할 수 있었다.

▲ [그림 7] 보트 운항 중 마네킹 충돌 테스트, 선외기 하부 프로펠러 세부구조(ⓖ skeg)

두 번째로 개방수역 내수면 두 군데에서 전문 구조대원 등 18명과 안전장치 9종에 대한 두 차례의 필드테스트를 수행했다. 육안과 안전성, 운항테스트, 마네킹 충돌 테스트 후 체크리스트를 작성하고 의견, 개선사항 등을 공유하는 방식으로 진행됐다.

필드테스트 결과 안전장치 9종 중 #2, #3, #4는 충돌 테스트 시 안전장치와 프로펠러 사이 공간에 마네킹 팔 등이 끼는 위험이 존재했다. 특히 안전장치 #5의 후류에서 발생하는 거품 형태는 선외기 엔진의 무리와 속도 저하의 원인이 됨을 알 수 있었다.

▲ [그림 8] 1ㆍ2차 필드테스트 시나리오

▲ [그림 9] 1차 필드테스트(운항, 안전장치 교체, 마네킹 충돌 시 끼임)

▲ [그림 10] 마네킹 충돌 테스트 중 안전장치, 마네킹 손상 모습

▲ [그림 11] 2차 필드테스트(사행 운항, 안전장치 교체 점검, 마네킹 충돌 시 끼임)

▲ [그림 12] 2차 필드테스트(마네킹 팔 부분 끼임, 종류별 후류 현상 관찰)

필드테스트 결과를 근거로 정량적인 데이터를 분석해 프로펠러 안전장치의 장착 전ㆍ후 데이터를 비교ㆍ분석할 필요가 있어 전문장비(DGPS 등)를 이용해 전문 분석기관(중소조선연구원)과 함께 전문 성능 테스트를 진행했다.

▲ [그림 13] 속력계측장비(DGPS)ㆍ시스템 구성

전문 성능 테스트 조건과 방법, 데이터 결과의 가독법ㆍ범례를 정리하면 다음과 같다. 많은 로우데이터 중 안전장치 #2, #5를 간단하게 언급해 보겠다.

테스트 조건 및 방법

①안 전 : 테스트 전 안전관리 사전 교육 및 비상시 대비 안전관리자 지정

②환 경 : 개방수역 괴산호 일대(최대수심12m, 평균수심 8m)

③인 력 : 운항 1명(동일 자격, 조건 등 연속성 고려)포함 4명 탑승

④안전장치 : 9종【(SS재질 6종 #1~#6, #9),(PP재질 2종 #7~#8)】

⑤테스트 방법 및 항목

- 구조보트 이안 후 정속(Max RPM 유지) 운항 왕복 1Km(0.62 mile) 속도 측정ㆍ데이터 분석

- 사행(지그재그) 및 후진 운항 중 속도 측정ㆍ데이터 분석

테스트 결과 해석 범례

①가독법【좌 : 운항궤적 / 우 : 측정속도】 ⇒ 평균속력 계산

②범 례【T : 운항시간(sec) / D : 운항거리(mile) / V : 속도(Knot)】

③후 진【운항궤적 분석 결과 선회하므로 속도 비교 불가】

▲ No Guard Max 약 2500 RPM(좌 : 직진 운항궤적 및 속도, 우 : 사행 운항궤적 및 속도)

▲ #2 Max 약 2500 RPM(좌 : 직진 운항궤적 및 속도, 우 : 사행 운항궤적 및 속도)

▲ #5 Max 약 1900 RPM(좌 : 직진 운항궤적 및 속도, 우 : 사행 운항궤적 및 속도)

단위환산을 통한 성능 테스트 결과 RPS가 높을수록 직진ㆍ사행 속도는 비례관계를 유지하는 걸 알 수 있었다. Mesh 재질의 안전장치(#5, #6)는 상대 속도율이 낮았으나 Solid 형태의 안전장치(#2, #4)는 직진 상대 속도율이 높고 PP 재질의 안전장치(#7, #8) 중 #7의 상대 속도가 높았다.

▲ [표 1] 속도 등 데이터 분석 결과

안전장치 #5는 풀 스로틀 상태에서 최대 RPM이 약 1900을 넘지 못했다. 선미 쪽에 후류와 정상상태 후류를 비교ㆍ분석한바 선외기 주위 많은 거품형태로 인해 상대 속도율이 약 30%였고 정상 운항상태의 후류는 ‘X’ 형태로 상대적인 속도가 빨랐다.

▲ [그림 14] 안전장치 #5 속도에 따른 후류와 정상 후류 비교

▲ [그림 15] 프로펠러 발생 가능 Cavitation Types(www.semanticschoral.org)ㆍ안전장치 #5의 Cavitation(www.makeagif.com)

테스트를 종합 분석하고 전문가 자문 의견을 청취한 결과 아쉽게도 속도, 조향성, 안전성, 유지관리, 경제성, 선호도를 모두 만족하는 안전장치는 없었다.

어떤 프로펠러 안전장치가 가장 적합할까

▲ [그림 16] 종합분석 결과(방사형)

현장에서는 안전성을 고려해 안전장치 전면 부분이 오픈된 형태는 피하고 속도와 저항력을 고려해 수류 홀과 적절한 매쉬 형태의 안전장치를 선호하는 것으로 분석됐다. 현장의 요구사항을 감안해 안전장치를 설치해야 한다고 생각한다.

조향력과 속도의 반비례 관계를 고려한다면 적정성을 유지해야 하고 내구성과 유지관리, 경제성을 고려한 안전장치를 선택해야 할 거다. 물론 예산 반영이나 신제품 출시 등으로 인해 제품이 변경될 수도 있다.

안전장치 외에도 추가적으로 수중 구조작업자 보호를 고려해 잠수용 헬멧을 단계적으로 보강할 필요가 있다. 중장기적으로는 틸러방식의 구조보트가 아닌 조종석이 있는 핸들방식으로 보급돼야 하고 단기적으로는 선외기 교육 등이 수반돼야 할 것이다.

▲ [표 2] 종합분석 결과

이번 연구, 어떤 성과 거뒀나?

1. 내수면을 비롯한 수난구조활동(훈련) 시 선외기 프로펠러는 매우 위험하므로 그에 상응하는 S/W 측면의 SOP(재난현장표준작전절차) 개정과 교육프로그램, H/W 측면의 중장기적 장비(치)가 필요한 것을 재차 확인했다.

2. 시작품을 제작(수입)해 단계별 실증 테스트를 수행함으로써 구조장비 품질개선의 기틀과 안전장치 도입의 정책 제안이 가능해졌다.

3. 향후 (가칭)전산유체역학을 기반한 프로펠러 안전장치와 선외기 내구성에 미치는 영향 분석 연구와 연계가 가능함을 확인할 수 있었다.

향후 이번 연구에서 명명한 ‘안전장치’는 임의의 개념적인 표현이기 때문에 ‘안전가드’ 또는 ‘프로펠러 안전망’ 등으로 용어를 정립할 필요가 있다. 국내에서 자체적으로 안전장치를 생산하고 판매하는 업체는 거의 없다. 주문 제작을 받는 SS전문업체가 일부 있으나 PP재질은 금형틀을 제작해야 하므로 초기 투자비용이 많이 든다. 따라서 국내 수입 총판업체 파악도 필요하다.

테스트를 수행한 7종의 SS 재질은 대부분이 국제특허를 등록한 제품이다. 따라서 특허에 관련한 정밀 검색도 필요할 것으로 보인다.