[출처] '시속 550km' 자기부상열차…한국, 세계 최고에 도전 (세계 철도 여행 갤러리 The World Railway Gallery) |작성자 지리샘
'시속 550km' 자기부상열차…한국, 세계 최고에 도전
한형석 기계연 연구팀, 浮上기술 등 핵심기술 개발중
"달릴 수 있는 자기부상 고속 시험노선 시급"
▲ '영구자석 하이브리드 부상기술'을 실험하는 '초고속 부상·추진 성능시험 및 가상주행 시뮬레이터'.
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바퀴가 달린 일반적인 고속철도는 레일 위를 달리기 때문에 철로 만들어진 바퀴와 레일때문에 분진이 생기고 소음과 진동 등이 심하다. 특히 철도가 멈춰설때는 마찰력을 이용하기 때문에 엄청난 소음이 발생한다.
이 모든 단점을 극복할 수 있는 해결책은 바로 '초고속자기부상열차'. 한국기계연구원(원장 이상천) 자기부상열차연구동에서는 철로 위에서 판토그래프(전차선)에 의해 전력을 공급받아 움직이는 일반적인 고속철도와는 확연하게 다른, 아주 적은 전기의 양으로 부상시켜 달릴 수 있는 시속 550km급 초고속자기부상열차를 연구하고 있다.
일반적인 자기부상열차의 개념은 자석의 힘으로 공중에 떠서 움직이는 열차를 말한다. 그러나 현재 보유하고 있는 기술로는 400km/h 이상의 속도를 낼 수 없기 때문에 이를 상용화하기 위해서는 경제성과 부상안전성에서 혁신적인 기술 발전이 필요하다.
해외의 경우를 살펴보면 중국의 초고속자기부상열차는 독일에서 만든 트랜스래피드(Transrapid)로 최고속도가 500km/h다. 그러나 이것은 트랜스래피드의 최고 속도로, 실질적인 운행속도는 430km/h로 밝혀졌었다.
또한 우리보다 앞선 기술을 가진 일본은 2025년 도쿄와 오사카 노선 290km를 건설해 최고속도 500km/h인 MLX(Magnetic Levitation X)를 상용화한다는 계획을 세웠다.
고속형자기부상열차의 선진국인 일본과 독일의 경우 1960년대부터 많은 돈을 연구개발에 투자해 왔다. 40년이 넘는 연구기간과 비용을 투자해 온 일본과 독일을 따라잡는 건 쉬운 일이 아니었다.
이렇듯 일본과 독일 등 선진국이 주도했던 초고속자기부상열차 시장에 야심차게 도전장을 내민 기계연 자기부상열차연구동 연구팀. 한형석 박사 연구팀은 지금도 세계 최고에 도전하기 위해 열심히 구슬땀을 흘리고 있다.
◆'550km급 초고속자기부상열차의 핵심기술은?'
▲한형석 기계연 자기부상연구실장.
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한형석 한국기계연구원 시스템엔지니어링연구본부 자기부상열차연구실장은 초고속자기부상열차의 핵심기술인 부상기술과 추진기술을 연구하고 있다.
현재 상용화된 독일의 트랜스래피드 초고속자기부상열차의 경우 부상기술은 상전도 흡인식을 사용한다. 상전도 흡인식은 철을 이용해 강자성체가 달려있는 레일과 레일 밑에 달려있는 전자석을 이용한다. 전자석에 전류를 흘려주면 전자석이 레일에 붙으려는 힘을 이용해 자체를 띄우는 것이다.
레일과 전자석 사이에 부상높이인 공극(Air Gap)을 항상 일정하게 유지시켜주기 위해서 전자석이 레일에 가까이 가면 전력을 낮춰 공극을 유지하고 멀리 떨어지면 전력을 높여 공극을 유지시킨다.
이 상전도 흡인식은 독일의 트랜스래피드와 시속 120km급 한국 도시형 자기부상열차, 시속 100km급 일본 중저속형 자기부상열차인 리니모(Linimo)에 사용된다. 상전도 흡인식은 굴곡이 있는 레일에 전자석이 일정한 공극을 유지해야하기 때문에 속도가 높아지면 높아질수록 레일의 굴곡을 따라가는 추종성이 좋아야 한다.
따라서 상전도 흡인식의 단점은 고전압제어기술과 고속응답 전자석이 필요하다. 때문에 500km/h이상의 속도를 내는데 어려움이 있다.
일본은 독일과 달리 초전도 반발식 부상기술을 사용하고 있다. 초전도 반발식은 영하 270도로 유지시킨 전자석에 코일을 감아 초전도체로 만들면 전지저항이 '0'이 된다. 저항이 0이면 아무리 무거운 차라고 하더라도 작은 크기의 초전도 자석으로 부상시킬 수 있다.
초전도체는 저항이 없기때문에 전기를 엄청나게 흘려줄 수도 열도 나지 않기때문에 강력한 자기장을 갖는 자석이 되는데 이 힘을 이용해 차를 들어올리는 것이다. 때문에 부상되는 높이가 커지지만 항상 영하의 온도를 유지시켜 주기위해 냉각기가 필요하다는 단점이 있다.
초전도 반발식의 단점 중 하나는 흡인식보다 제어적인 측면이 낮기 때문에 코일에 유도된 자석이 차체를 띄울 수 있는 만큼의 힘이 충분하지 못하다. 일본의 초전도 반발식은 약 120km/h이하의 속도에서는 바퀴를 사용해야한다. 120km/h이상의 속도가 되면 코일에 유도된 전기가 달리는 속도에 비례해 차를 띄우게 된다.
한형석 실장은 이 두 부상기술을 해결하기 위해 '영구자석 하이브리드 부상기술'을 고안해 냈다. 영구자석 하이브리드 방식은 영구자석과 전자석을 붙여서 사용하는 방식으로 전자석보다 부상높이를 증가시킬 수 있고 이에 따른 전력소비가 적다. 부상 높이가 증가하면 선로 건설비를 기존보다 10%이상 절감할 수 있고 레일의 굴곡이 크다고 해도 별 문제가 되지 않는다.
영구자석은 차를 들어올리는 역할을 전담하고 전자석은 레일의 굴곡을 따라가는 역할을 한다.
두 가지의 자석을 이용하는 하이브리드 방식은 전례가 없다. 이 방식으로 400km/h의 속도를 낸 적이 없기때문에 굉장히 도전적인 방식. 한형석 실장은 "전례가 없는 만큼 위험부담감이 엄청나게 크다"며 "확실한 경험을 가지고 하는 것도 아니고 실패할 확률도 높기 때문에 수 년내에 적용하는 것은 힘들다"고 말했다.
부상기술과 쌍벽을 이루는 기술은 바로 '추진기술'. 한형석 실장은 추진기술의 핵심인 선형동기전동기(LSM) 기술을 개발 중에 있다. 선형동기전동기 역시 강력한 자석의 힘을 이용한다.
열차가 영구자석 하이브리드 방식에 의해 부상하게 되면 선형모터를 길게 편 모양의 선형동기전동기는 자석의 극성에 의해 출발하게 된다. 즉, 열차에 달려있는 자석의 N극과 S극이 레일에 달려있는 자석의 N극과 S극이 동기가 되면 자석의 특성에 따라 척력이 생긴다.
열차가 출발을 하면 레일에 달려있는 수 많은 자석과 열차의 자석이 인력과 척력을 차의 위치에 따라서 바뀌게 되어 달릴 수 있는 것이다.
한 실장은 "일본의 MLX는 어느정도의 시속에 도달해야 차를 띄울 수 있는 힘이 생겨 부상되지만 한국의 초고속자기부상열차는 열차가 멈춘 상태에서 차를 부상시키기 때문에 기술적인 면에서는 한국의 기술이 앞선다"고 말했다.
자기부상열차연구동에서는 영구자석 하이브리드 방식의 부상기술과 선형동기전동기를 이용해 가상주행을 할 수 있는 '초고속 부상·추진 성능시험 및 가상주행 시뮬레이터'를 고안해 냈다.
이 시뮬레이터를 통해서 열차의 부상에서부터 추진하는 모습과 550km/h에 도달하기까지 걸리는 시간 등을 볼 수 있다.
▲가상 주행 시뮬레이터로 본 550km급 초고속자기부상열차의 모습.
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독일의 트랜스래피드 초고속 자기부상열차는 2004년 중국에서 상용화돼 승객을 실어나르고 있다. 상용화되기까지 독일은 4조원이라는 막대한 예산을 투자했다.
기계연이 현재 개발 중인 초고속자기부상열차는 시속 550km로 달릴 수 있는 기술 개발에 초점을 두고 있다. 그러나 개발이 끝나고 시속 550km/h로 달리게 하려면 그만큼의 시험 노선이 필요하다.
초당 150m/s로 달리는 초고속자기부상열차가 550km/h에 도달하려면 약 22.5km의 시험 노선이 필요하다. 550km/h까지 도달하기 위해서는 초당 1m/s²로 계속적인 가속으로 약 2분 20초동안 달려야 한다.
제동거리까지 포함하면 약 50km의 시험 노선이 필요한 것이다. 역추진장치를 이용하면 쉽게 제동할 수 있지만 승객이 견딜 수 있는 만큼의 속도로 제동을 해야하기때문에 50km의 시험 노선이 필요한 것.
일본의 경우 짧은 시험노선으로 인해 낙하산을 이용해 제동시험을 했다.
한 실장은 "일본의 경우는 당시 시험노선이 짧아 제동을 하기 위해 낙하산을 이용했다"며 "시험 노선 건설은 막대한 예산과 시간이 필요하기 때문에 수 년내에는 시험하기가 어렵다"고 말했다.
그는 "시험노선을 건설하는데는 많은 시간이 걸린다"며 "현재는 핵심기술을 개발 중에 있지만 지금부터라도 시험노선을 건설해 선진국을 앞설 수 있는 기반을 다져놓아야 한다"고 말했다.
"자기부상열차는 21세기 그린 수송시스템의 하나로, 신산업으로 발전할 것으로 보입니다. 이에 국내에서도 도시형 자기부상열차의 상용화를 위한 지자체의 자기부상열차 채택과 초고속 자기부상열차의 연구개발 로드맵을 그릴 필요가 있습니다. 정부에서 추진 중인 교통·물류 그린화를 달성하기 위해서 자기부상열차에 대한 각계의 관심과 지원, 체계적인 기술개발 로드맵이 수립되기를 기대합니다."
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