<발명의 명칭: 튜브형 삼상궤도 진공 자기부상 이동 시스템 Ⅴ>
(The vacuum tube shuttle system with three phase magnetic levitation tracks)
요 약
본 발명은 종래 단상궤도와 이륜바퀴의 기존 철도기술에서 연원하는 단상궤도 자기부상 열차와 진공튜브 열차기술의 문제점을 해소할 수 있는 방안으로, 진공튜브 형상에 7개의 양정현파 주름관을 정육각형 각 변에 연접시킨 육방격자형 다중튜브 구조물로서 각 튜브내 정삼각형 꼭짓점에 삼상(3 phase) 자기부상 궤도(track) 방식의 진공자기부상 이동체 시스템을 제공하며, 또한 상기 자기부상 이동체 시스템에 있어서 튜브셔틀, 교차로, 플랫폼의 구조, 해상 구간의 시공공법, 시스템 운영방법 등을 제공한다.
실 시 예 3
[0285] 제3 실시예에서는 제1태양의 양정현파 주름관의 선로튜브(11)를 지선으로 접속하는 분기와 교차선로나 승객 승하차와 화물을 적재하는 튜브포트(역)·셔틀기지 등 다지점 운행 네트워크를 지원하는 교차점(switching or routing node)의 스위칭튜브·회전튜브와 궤도 굴절편 및 표준 접속로 모델의 형상(topology)과 진공격벽의 구성방법 등을 제시한다.
[0286] 본 발명의 기본 실시예는 천해와 심해와 같은 해저지형의 선로튜브(11) 건설과 육상의 대심도 터널굴착과 튜브시공은 많은 투자비가 소요되는 프로젝트로 100년 이상의 트래픽 수요와 장기간 공기 및 미래 신교통 비전으로 백년대계의 장기비전이 필요하므로 접속·분기구간 등의 튜브망 건설은 기본적으로 4 방향 접속로(⌘)를 구축함으로써 격자형(matrix, grid) 간선망 구축의 기반을 구축한다.
[0287] 기본 7선로튜브(7 line tube)(11)는 상층 2, 중층 3, 하층 2개의 주행튜브(runway tube)(10)가 수평면에 연접하는 육방격자형 구조물로 상층부는 보통노선, 중층부 3개 튜브는 중앙의 1개 유지보수용 튜브와 2개 급행노선, 하층부 2개 튜브는 화물 겸 보통 노선으로 설계됨이 바람직하며 우측과 좌측선로로 구분하여 우측주행을 기본으로 한다.
[0288] 도 28에 예시하는 표준 접속로 모델은 고속도로 인터체인지와 일반도로 로터리 시설물의 설계개념을 궤도 트래픽에 적합한 방식으로 개선하여 4개 회전튜브(30)와 본선 선로튜브(11) 접점 부분에 궤도 굴절편인 교차형(交叉型) 스위치(Cross over Switch, XoS)(32)를 구비한 스위칭튜브(31)로 구성되는 표준 접속로 모델을 안출하여 7중 선로튜브(11)의 상호분기와 접속을 무정차, 무대기로 설계하여 초고속 운행에 필요한 기능을 지원한다.
[0289] 자세하게 4개 회전튜브(30)는 xy축 좌표평면에서 살펴보면 원의 방정식 (x–a)²+(y–b)²=r²에서 Ⅰ사분면(1, 1), Ⅱ사분면(-1, 1), Ⅲ사분면(-1, -1), Ⅳ사분면(1, -1)에 각기 원점을 갖는 단위반지름 1R의 도넛형 튜브로 x축(1, -1)과 y축(1, -1)에 교점을 갖는 회전 교차로이며, 각각의 회전튜브(30)는 우회전과 P 좌회전 트래픽 및 xy축 본선진입을 위한 순환대기 트래픽을 처리하게 된다.
[0290] xy축 본선 선로튜브(11)와 4개 회전튜브(30)의 접점에 설치되는 스위칭튜브(31)의 교차형스위치(XoS)(32)는 타선향 분기 스위칭 릴레이(outbound SW relay)와 타선에서 본선향 합류 스위칭 릴레이(inbound SW relay) 겸용 스위칭설비로 기능하며, xy축의 Ⅰ사분면은 2π, π/2, Ⅱ사분면은 π/2, π, Ⅲ사분면은 π, 3π/2, Ⅳ 사분면은 3π/2, 2π점에 교차형스위치(XoS)(32)가 안치된다.
[0291] 이때, 교차형스위치(XoS)(32)가 안치되는 선로튜브(11)와 회전튜브(30) 접점 구간은 상기 스위칭 회로 작동시 수평 연접하는 궤도간은 문제가 없으나, 수직방향 상중하로 배치된 상층(1·6번)-중층(2·0·5번)-하층(3·4번) 주행튜브(10)간 엉킴 현상이 발생되므로 y축 방향 상하튜브를 적절하게 이격하고 궤도 굴절편인 교차형스위치(XoS)(32)를 구동하는 액추에이터(320)가 구비되는 별도 사양의 “스위칭튜브(31)” 가 필요하다.
[0292] 도25는 교차형스위치(XoS)(32)가 안치되는 접점구간 스위칭튜브(31)의 단면도로, 1개 선로튜브(11)와 2개 회전튜브(30)가 하나로 결합되는 3중 튜브의 묶음형 튜브(bundled tube) 형상을 갖게 되며, 동심원 회전튜브(30)의 0번 튜브 위치에 각 회전튜브(30)의 좌측 2번 튜브 혹은 우측 5번 튜브를 배치하여 상층부에 6개, 중층부에 7개, 하층부에 6개 주행튜브(10)가 구비되는 6·7·6 구조를 갖는다.
[0293] 따라서 스위칭튜브(31) 배치는 상층에는 회전측 6·1번과 선로측 6·1번과 회전측 6·1번 튜브궤도를, 중층에는 회전측 5·2번과 선로측 5·0·2번과 회전측 5·2번 튜브궤도를, 하층에는 회전측 4·3번과 선로측 4·3번과 회전측 4·3번 튜브궤도를 배치하여, 궤도간 수평면에서 나란히 교차형스위치(XoS)(32) 회로를 구성하게 된다.
[0294] 또한, 스위칭튜브(31)는 튜브간 격벽인 주행튜브(10) 양정현파 주름관(101)과 편평관외피(15)를 제거하고 y축 방향 상하층의 주행튜브(10) 상호간을 이격시켜 상하층 튜브간 엉킴 현상을 제거하는 한편, 교차형스위치(XoS)(32) 구동 액추에이터(320)와 궤도지지 프레임(321)을 일체화한 4개의 묶음형 프레임(bundle frame)(323a, 323b, 323c, 323d)으로 결속한 후 2~3중 타원형 양정현파 주름관(311)과 평편관(312)으로 둘러싸는 강화튜브로 스위칭튜브(31)를 구성한다.
[0295] 이를 위해 0번튜브(0, 0)와 급행노선인 중층 2번, 5번튜브를 기준으로 상층인 1번튜브, 6번튜브는 위쪽으로, 하층인 3번튜브, 4번튜브는 아래쪽 방향으로, 주행튜브(10)의 단위반지름 1R을 기준으로 할 때 각기 상하로 R(√3-1)의 간격을 이격시키면 각 튜브의 원점이 정삼각형 꼭짓점ABC에 위치하는 연접된 상하층 튜브간 엉킴을 제거할 수 있다.
[0296] 이는 1R의 단위원 3개를 연접하여 각 원점을 정삼각형의 꼭짓점 ABC으로 할 때 각 변의 길이는 2R이 되고 직각 이등변 삼각형의 밑변이 1R일 때 높이는 피타고라스 정리 a²+b²=c²에 따라 1: √3: 2 비율에서 √3R로 주어지므로 상층과 중층 및 하층 주행튜브(10)간 최소 R(√3-1)의 이격간격이 필요하게 된다.
[0297] 이에 더하여 교차형스위치(XoS)(32) 구동 액추에이터(320)와 삼상궤도(13)지지 구조물인 프레임 두께tF 간격을 더한 R(√3-1)+ tF(tF: 프레임 두께) 이격시키면 주행튜브(10)간 엉킴을 해소하여 수평 연접 궤도간 교차형 스위치(XoS)(32)로 튜브 셔틀(20)의 상호분기와 접속을 처리할 수 있게 된다.
[0298] 재료역학적으로, 재료의 양을 최소화하고 가벼운 보를 구현하기 위해서는 모든 단면에서 최대허용 굽힘응력(bending or flexure stress)을 갖는 완전 응력보(fully stressed beam)나 일정강도의 보(beam of constant strength)이며, 보(beam)의 높이hx가 x의 제곱근 hx=hb√(x/L) (hb: 보의 고정단의 높이, L: 보의 길이)에 따라 변하는 포물선 형상을 갖게 된다.
[0299] 상기 4개 묶음형 프레임(323a, 323b, 323c, 323d)을 두 점의 원점을 갖는 타원형으로 결속하고 실시예1의 강화튜브와 같이 타원형 양정현파 주름관(311)과 타원의 편평관(312)으로 감싸는 통짜구조의 스위칭튜브(31)는 대기압과 중력이 작용하는 육상구간 교차점의 스위칭튜브(31)로 적용한다.
[0300] 반면 유체인 바닷물의 높은 수압과 부력(buoyant force)이 작용하는 해저구간의 스위칭튜브는 육상구간 스위칭튜브(31)의 외피(312)를 타원형 양정형파 주름관(311)과 편평관(312)으로 다시 감싸는 2~3중 강화 스위칭튜브를 채택하여 전단응력τ과 굽힘응력σx을 증대하여 심해의 높은 수압과 부력을 극복한다.
[0301] 교차형스위치(XoS)(32)가 위치하는 스위칭튜브(31)의 형상치수를 300t의 주행튜브(10)와 선로튜브(11) 외피두께 1t를 기준으로 살펴보면, 우선 상하층 궤도간 엉킴현상 해소를 위한 최소 이격거리는 R2(√3-1)에서 150(√3-1)t=1-9.8076t로 주어지고 상하층 굴절편 구동 액추에이터(320)와 삼상궤도(13)지지 구조물인 프레임 두께tF로 40t(20t+20t)일 때, R(√3-1)+tF에서 산출되는 100m단위 표준 스위칭튜브(31) 궤도의 최적 이격간극은 150t(109.8076t+40t) 값을 중층부 상하 이격간극으로 삼으며 0.015 라디안인 0.8594°기울기의 경사각(tanθ)을 갖게 된다.
[0302] 또한, 상층부 튜브 윗면(A)과 하층부 튜브 아랫면(B)의 굴절편 구동 액추에이터(320)와 삼상궤도(13)지지 구조물인 프레임의 두께 20t와 액추에이터(320) 구동을 위한 배터리와 제어부 및 통신부 등의 부가장비를 전이중 시스템(A/B)으로 구비하는 기계실(machine room)(319)용으로 각기 140t를 할당하여 스위칭튜브(31)의 프레임을 구성한다.
[0303] 상기 형상치수를 종합하면, 수직축상 3개 주행궤도 층을 포함한 스위칭튜브(31) 프레임의 높이는 1300t가 되고 중층부 7주행튜브(10)의 폭은 2100t(300t*7)이므로, 폭과 높이의 비율이 대략 1.615로 황금비ø인 1.618에 근접하게 되며 이 황금비율 직사각형에 내접하는 타원형 스위칭튜브(31)로 구현하면 완전 응력보인 포물선 구조를 좌우로 겹친 안정적인 기하학적 형상을 갖게 된다.
[0304] 상기 원형의 선로튜브(11)와 y축에 초점이 있는 타원형 경사튜브(36) 및 x축에 초점이 있는 타원형 스위칭튜브(31)의 형상은 기하학적으로 모두 2차 곡선으로 xy 좌표의 수식은 ax²+bxy+cy²+dx+ey+f=0(a,b,c,d,e,f는 상수)으로 포물선(parabola)은 y=ax²+bx+c, 원(circle)은 x²+y²=r², 타원(ellipse)은 x²/a²+y²/b²=1과 이심률(離心率, eccentricity) E=√(1-(b²/a²))로 주어진다.
[0305] 한편 타원의 원주길이는 π[1.5(a+b)-√ab] (a/3≤b≤a일 때, a: 장축 반지름, b: 단축 반지름)로 선로튜브(11)의 플랜지 역할을 하는 스위칭튜브(31) 프레임(323)의 원주길이는 5.415.6797t ≈ π[1.5(1,050+650)-√1,050*650]t가 되며, 타원의 원주면 주름 개수를 360개로 할 때 1 리플 폭은 15.0435t (5,415.6797t/360), 리플 높이는 7.5217t(15.0435t/2)가 된다.
[0306] 따라서 주름관 두께 1t와 편평관 두께 1t를 감안한 스위칭튜브(31)의 장축지름a은 2,119.0435t[2,100+(2*7.5217)+(1+1+1+1)]t, 단축지름b은 1,319.0435t [1,300+(2*7.5217)+(1+1+1+1)]t, 스위칭튜브의 원주면 길이는 5.474.6430t ≈ π[1.5(1,059.5217+659.5217)-√1,059.5217*659.5217]t와 이심률 E=√(1-(b²/a²))은 0.7826으로 주어지며 대기압과 중력이 작용하는 육상구간의 스위칭튜브(31)로 활용함이 바람직하다.
[0307] 도 26은 강화 스위칭튜브 단면도로, 상기 스위칭튜브(31) 외피(312)에 양정현파 주름관(311)과 편평관 외피(312)를 한 겹 더 보강하는 1차 강화 스위칭튜브(181)를 상기 타원형 스위칭튜브(31)계산식에 적용하면, 장축지름a은 2,138.0435t, 단축지름b은 1,338.2073t 원주길이 5,533.7332t와 이심률 E=√(1-(b²/a²))은 0.7799로 연근해 구간의 스위칭튜브로 적합하다.
[0308] 1차 강화 스위칭튜브(31C1)를 양정현파 주름관과 편평관을 한 겹 더 보강하는 2차 강화 스위칭튜브(31C2)는 장축지름a은 2,157.4149t, 단축지름b은 1,357.5787t로 주어지고 원주길이는 5,593.7610t와 이심률 E=√(1-(b²/a²))은 0.7771로 높은 수압이 작용하는 대심해용 스위칭튜브로 적용함이 바람직하다.
[0309] 이에 더하여, 선로튜브(11)와 스위칭튜브(31)의 급행 노선인 5·0·2번 튜브는 수평면을 유지하나 상층부 6·1번 튜브와 하층부 4·3번 튜브는 150t의 높이 차이가 발생되므로 이를 극복하기 위한 수단을 마련하여 상하층 주행튜브(10)를 주행하는 튜브셔틀(20)의 주행품질을 향상시키는 대책이 요구된다.
[0310] 이를 위해 선로튜브(11)와 스위칭튜브(31) 중간에 완만한 상향·하향 기울기를 갖는 경사튜브(ramp tube)(36)를 구비함으로써 스위칭튜브(31) 접점 부분의 튜브 꺾임을 해소하여 직진 트래픽의 정속주행 유지와 셔틀주행의 요동을 저감시키는 한편 선로와 이동체에 가해지는 충격과 응력을 저하시켜 극한하중 또는 허용하중 보다 낮은 응력상태에 반복적으로 노출되어 발생하는 파단되는 피로파괴를 예방하는 수단을 마련한다.
[0311] 경사튜브(36) 구현방안은 선로튜브(11)의 상중하층 주행튜브(10)간 접점의 마름쇠꼴 쐐기의 높이를 순차적으로 상향 또는 하향시키고 그 이격공간을 제1실시예의 보조채움관(12)과 폼(foam)재(129)로 충진한 후 y축에 초점이 있는 타원형의 경사튜브로 구현하면 요구되는 전단응력τ과 굽힘응력σx(bending stress)을 증대할 수 있다.
[0312] 선로튜브(TL)·경사튜브(TR)·스위칭튜브(TS)·경사튜브(TR)·선로튜브(TL) 순차로 접속되는 교차점의 튜브구성은 스위칭튜브(31)의 형상치수에서 산출된 기울기경사각(tanθ)인 0.015(0.8594°)라디안의 구배를 100m 표준 단위길이 튜브를 (TL)·3(TR)·3(TS)·3(TR)·(TL) 개로 배치하면 기울기(句配, grade, gradient)가 완만한 포화곡선형으로 할 수 있기 때문에 xy축 교차점의 표준 접속로 모델에 적용함이 더욱 바람직하다.
[0313] 한편 교차점의 4개 회전튜브(30)는 도넛(doughnut)형으로 본선 접점의 3단 교차형스위치(XoS)(32)가 안치된 스위칭튜브(31)와 함께 시설하여 분기(outbound)와 합류(inbound)의 2단계 스위칭으로 각기 직각방향의 우회전 트래픽을 처리하고, 좌회전 트래픽은 xy축 교차점 통과 후 스위칭튜브(31)의 본선분기(outbound)와 타선 스위칭튜브 합류(inbound) 교차형스위치(XoS)(32)를 경유하는 P형 회전(P turn)의 2단계 스위칭으로 좌회전을 완성하게 된다.
[0314] 또한, 4개 회전튜브(30)는 시계방향 회전(↻)으로 트래픽을 처리하며, Ⅰ사분면 π/2, 2π, Ⅱ사분면 π/2, π, Ⅲ사분면 π, 3π/2, Ⅳ사분면 3π/2, 2π에 교차형스위치(XoS)(32)를 구비한 스위칭튜브(31)로 회전튜브(30)의 외선(#4,5,6번 튜브)과 내선(#1,2,3번 튜브)을 상호 스위칭하면 회전대기 용량의 두 배 증대와 필요시 4방향 지선선로를 접속하여 4통8달 스위칭노드 구축의 기반시설로 활용한다.
[0315] 상세한 트래픽 처리 과정을 도28을 참고로 살펴보면, 본선 y축 스위칭튜브(31Y)와 Ⅳ사분면 회전튜브(30)의 접점인 3π/2 교차형스위치(XoS)(32)에서 우현방향 타선 진출은 일반도로의 우회전 개념과 유사하게 본선 주행튜브(10)의 삼상궤도(13)를 1/2 우현 이동하고 회전튜브(30)의 삼상궤도(13)를 1/2 좌현이동하여 스위칭회로를 구성하는 교차형스위치(XoS)(32)를 통하여 우회전과 좌회전 트래픽을 본선 스위칭튜브(11Y)에서 분리한다.
[0316] 상기 Y본선 스위칭튜브(11Y)에서 분리된 우회전 트래픽은 회전튜브(30)를 π/2의 원호길이를 우현으로 주행하여 타선인 x축 스위칭튜브(31X) 2π 교차형스위치(XoS)(32)를 경유하여 타선인 y축 스위칭튜브(11Y)와 합류(inbound)되어 우회전 스위칭을 완성한다.
[0317] 한편, 본선 y축 스위칭튜브(31Y)에서 타선좌현 x축 방향(31X)의 좌회전 트래픽은 xy 교차점(O) 통과 후 y축 스위칭튜브(31Y) π/2 교차형스위치(XoS)(32)에서 본선 분기(outbound)후 3π/2 원호길이 주행 후 x축 스위칭 튜브(31X) 2π 교차형스위치(XoS)(32)를 경유하여 x축 스위칭튜브(31X)와 합류(inbound)하는 P 회전(P turn)의 수순으로 좌회전 스위칭을 완성한다.
[0318] 본 발명의 타선 접속용 이동궤도로 궤도 굴절편인 교차형스위치(XoS)(32)는 2 세그먼트형 굴절편으로 좌우 절반씩 이동하여 분기·합류선로를 완성하게 되고, 단상궤도인 기존 철도나 자기부상 방식에서 다른 레일로 유도하는 장치인 분기기(turnout or switch) 혹은 전철기(轉轍器)와 대비할 때 굴절편의 접힘 각도를 절반(1/2)으로 줄이고 궤도가 분기되는 텅레일(tongue rail)과 크로싱(crossing)부 및 호륜궤도(guard rail)를 제거할 수 있어 고속주행을 유지하면서 분기·합류 트래픽을 처리할 수 있다.
[0319] 2 세그먼트형 굴절편인 교차형스위치(XoS)(32)의 작동원리를 도 32를 참조하여 살펴보면 연접하는 타 궤도와의 스위칭 회로구성을 출향(出向)측 굴절편(324)에서 1/2 좌우(↖↗)로, 입향(入向)측 굴절편(325)에서 1/2 좌우(↘↙)로 굴절시켜 스위칭회로를 구성하며, 이때 굴절되지 않는 연접궤도 내측궤도(326)도 좌우로 동시에 굴절(↖↗,↘↙)시켜 스위칭 공간을 마련하며, 스위칭 굴절편(324, 325, 326)의 작동은 액추에이터(320)를 삼상궤도(13)에 취부하여 중앙과 권역관제소의 인공지능(AI) 프로그램으로 통제한다.
[0320] 표준 접속로 모델의 핵심 요소기술인 교차형스위치(XoS)의 궤도 굴절편(324, 325, 326)은 100m 단위 주행튜브(10)를 3개 연결한 300m 표준 단위길이를 갖고 수평으로 연접하는 선로튜브(11)와 회전튜브(30)를 결합한 일체형의 묶음형 스위칭튜브(31)를 구비하여 분기와 합류 트래픽을 상호교차 방식으로 1개 교차형스위치(XoS)(31)에서 통합하여 처리할 수 있는 개선점을 갖게 된다.
[0321] 표준 접속로 모델의 핵심 요소기술인 교차형스위치(XoS)의 궤도 굴절편(324, 325, 326)은, 100m 단위 주행튜브(10)를 2~3개 연결한 200~300m 표준 단위길이 선로튜브(11)와 회전튜브(30)가 결합된 일체형의 묶음형 스위칭튜브(31)를 구비하여, 분기(outbound)와 합류(inbound) 트래픽을 상호교차 방식으로 통합하여 처리하는 교차형스위치(XoS)(32)를 특징으로 한다.
[0322] 상기 궤도 굴절편(324, 325, 326)의 중심점을 기준으로 1 세그먼트(100m)의 궤도접힘 이격 폭은 궤도 좌우에 똑같이 150t의 굴절간격을 두게 되므로 튜브길이100m당 150t(1.5m)의 굴절 폭을 갖는 스위칭 동작을 하게 된다.
[0323] 따라서 본 발명의 교차형스위치(XoS)(31) 궤도 굴절편(324, 325, 326)은 스위칭튜브(31)의 100m 표준 주행튜브(10)를 3개 연결한 300m 단위 3 세그먼트 방식과 회전튜브 혹은 단위튜브의 2세그먼트 방식으로, 굴절편의 굴절폭은 300t로 연접하는 주행튜브간 분기와 합류 스위치회로를 구성하며, 100m당 1.5m (150t) 굴절폭은 π라디안= 180° 혹은 D=180(R/π)에서 150/10,000=0.015 라디안 혹은 0.8594°각도(degree)거리를 굴절 폭으로 갖게 된다.
[0324] 상기 표준 접속로 구축 핵심요소인 삼상궤도(13) 스위칭튜브(31)의 교차형스위치(XoS)(32)는 주행튜브(10) 정삼각형 꼭짓점ABC(π/2, 7π/6, 11π/6)에 궤도가 위치하므로 1 주행튜브(10)당 3개의 굴절편이 필요하게 되며, 주행튜브(10) 궤도와 2개 연접하는 회전튜브(30) 궤도간 분기·합류용으로 1개소 당 27개(3 궤도*9 튜브)의 굴절편을 갖게 된다.
[0325] 상기 트래픽 처리 알고리즘은 4 단자형 모델로 튜브 교차점 4 방향 모두 동일하게 적용되며 튜브 교차점에서의 좌우회전과 회차 트래픽 처리를 무정차·무대기로 처리함으로써 운행선로 확대, 승객 승하차나 화물을 적재하는 튜브포트(역)와 화물기지, 정비와 운행대기에 필요한 셔틀기지 등 다지점간 운행 네트워크를 지원하는 솔루션으로 활용할 수 있다.
[0326] 100m 교차형스위치(XoS)(31)굴절폭인 150t를 원주(2π)로 환산하면 418.8790(2π/0.015)의 값으로 표준 주행튜브(10) 100m에 적용할 경우 6,666.6666m 회전반경(R)과 41,887.9m(41.8km)의 회전원주(2π)를 갖는 곡률ρ 0.00015(ρ=1/R)의 도넛형 회전튜브(30)를 1차 회전튜브(#1 루프)로 xy축 본선의 각 사분면에 배치하는 도 28의 방법을 표준 접속로 모델로 채택한다.
[0327] 한편 도29는 1차 회전튜브(#1루프)(30)내 또다시 4개의 2차회전튜브(#2루프)(302)를 설치하는 개념도로, 1차 회전튜브(30)와 접점인 π/4, 3π/4, 5π/4, 7π/4에 교차형스위치(XoS)(32)를 구비하여 2차회전튜브(302) 내부에 여객·화물 터미널과 정비·격납기지 등을 건설하면 1개 xy축 교차점마다 총 16개의 거점노드를 구축할 수 있게 된다.
[0328] 이 경우 16개 2차 회전튜브(#2 루프)(302)는 1차 회전튜브(30) 반지름의 R(√2-1) 크기로 회전반경(R) 2.7614km 혹은 지름(D) 5.5228km와 회전원주(2πR)는 17.3505km를 갖는 곡률ρ 0.000362의 도넛형 2차 회전튜브(302)를 1차 회전튜브(30)내에 배치하는 다중루프(loop in loop) 형상을 채택한다.
[0329] 상기 16개 2차 순환 회전튜브(302)에 구축하는 여객·화물 터미널과 정비·격납 기지 등의 노드(node)는 링크(link)인 순환회선의 회전튜브(30)가 시계방향 회전(↻)의 단방향 트래픽을 처리하는 링형(ring, loop)이기 때문에 네트워크 토폴로지(topology) 혹은 위상기하적 그래프를 검토하여야 한다.
[0330] 바람직한 외형적인 연결방식은 통신망 분야의 FDDI(fiber distributed data interface)와 같이 반시계방향 회전의 ‘이중링’을 구비함으로써 단방향 회전의 문제점을 해소하고 트래픽 처리용량을 증대할 수 있게 된다.
[0331] 상기 루프인루프(loop in loop)의 이중링 표준 접속로 구성은 4개 1차 회전튜브(#1 루프)(30) 외곽을 내접하는 반시계방향(↺)으로 순환하는 대원(大圓) 회전튜브(35)를 도 30과 같이 구축하고, xy축 π/2, π, 3π/2, 2π에 교차형스위치(XoS)(32)와 접속로를 구비한 스위칭튜브(31)를 구비하면 시계방향(↻)과 반시계방향(↺) 회전의 이중링 방식 회전튜브로 트래픽 처리용량을 증대할 수 있다.
[0332] 이에 더하여 대원 회전튜브(35) π/4, 3π/4, 5π/4, 7π/4 방향으로 xy축에서 π/4 위상 이동하는 x ‘y‘ 축 선로튜브(TL)와 교차형스위치(XoS)와 접속로가 구비되는 스위칭튜브(TS)·경사튜브(TR)로 구성되는 8단자형 허브(350)는 사통팔달(四通八達)의 노선망으로, ‘메갈로폴리스’ 로 확장되고 있는 거대도시의 여객, 화물, 정비 등의 터미널 구축과 위성도시를 연결하는 메트로망과의 접속 등에 필요한 기반시설로 활용이 가능하게 된다.
[0333] 큰 원안에 4개 소형원이 연접하는 구조의 상기 대원 회전튜브(35) 반지름(R)은 1차 회전튜브(30) 반지름(r)의 R = r+r√2 = r(1+√2)로 주어지므로 16.0947km 회전반경(R) 혹은 32.1895km 회전직경(D)과 101.1263km 회전원주(2πR) 길이를 갖게 되어, 4개 6.6666km 1차 회전튜브(30)와 16개 2.7624km 2차회전튜브(302)를 수용할 수 있는 거대 도시 외곽을 순환하는 기간망으로 역할이 기대된다.
[0334] 이상의 회전반경(R) 6.6666km 1차 회전튜브(#1 루프)(30)내 다시 4개 2차 회전튜브(#2 루프)(302)가 설치되는 표준 접속로는 장기적인 모델로 경제성을 고려한 선로 튜브망 형상이나 소규모 트래픽 구간의 교차점 및 선로교환 트래픽 처리용량 증대를 위해 1차 순환 회전튜브(30) 내부에 위치하는 보조용 회전튜브인 원점회전튜브(#0루프)(300)를 구비한다.
[0335] 상기 표준 접속로 모델은 xy축 교차점인 원점O(0, 0) 주변공간이 비어 있는 상태로 4개 1차 회전튜브(30)의 외접면과 접점을 갖는 xy축 원점회전튜브(#0 루프)(300)를 설치하고 π/4, 3π/4, 5π/4, 7π/4점에 교차형 스위치(XoS)(32)가 안치되는 스위칭튜브(31)를 구비하면 좌회전 트래픽 주행경로의 대폭절감과 스위칭 알고리듬의 이중화 및 트래픽 교환용량의 증대가 가능하다.
[0336] 구체적으로 도 31을 참조하면, 1차 회전튜브(30) 단위반지름을 1R의 경우 원점 회전튜브(#O루프)(300)의 반경은 a²+b²=c² 에 따라 1²+1²=2²에서 R(√2-1)로 주어지며, 반지름(Ro) 2.7614km의 소형 회전튜브(300)와 π/4, 3π/4, 5π/4, 7π/4에 1차 회전튜브 원호(305)에 3단 교차형스위치(XoS)(32)를 구비한 스위칭튜브(31)를 설치하여 소규모 트래픽 구간의 교차점 혹은 1차 회전튜브(30) 내부에 위치하는 2차 회전튜브(302)에 적용한다.
[0337] 트래픽 처리는 xy축 본선의 교차형스위치(XoS)에서 분기된 좌우회전 트래픽은 상기 π/4, 3π/4, 5π/4, 7π/4 3단 교차형스위치(XoS)(32)에서 우회전 트래픽은 1차 회전튜브 원호를 직진하여 타선의 3단 교차형스위치(XoS)(32)에서 합류하며, 좌회전 트래픽은 원점 회전튜브(#O 루프)(300)로 분기하여 π길이 원호를 주행 후 도달하는 3단 교차형스위치(XoS)(32)에서 1차 회전튜브(30)의 원호튜브(305)로 스위칭하여 타선 본선의 3단 교차형스위치(32)에서 좌회전 스위칭을 완성한다.
[0338] 이때, xy축 본선간 우회전 트래픽 우선처리 원칙에 따라 좌회전 트래픽은 외측튜브를 선회하거나 xy축 방향 π/2, π, 3π/2, 2π에 구비된 원점 회전튜브(#O 루프)(300) 전용 2단 교차형스위치(XoS)(329)에서 내측튜브로 진입하여 트래픽을 분산한 후 다시 외측튜브로 출향하여 목적하는 좌회전 스위칭을 수행하는 알고리즘으로 스위칭 처리용량을 증대시킨다.
[0339] 따라서 원점 회전튜브(#O 루프)(300)의 회전방향은 반시계(↺)방향이 되며 각기 본선 접점 부분에 교차형스위치(XoS)(32)를 구비한 타원형 스위칭튜브(31)로 선로망을 구성하면, xy축 본선과 직접 접속하지 않는 회전튜브(30)의 외접 원호튜브(306)를 제거하고 내접 원호튜브(305)만으로도 4방향의 좌우회전 트래픽을 처리할 수 있는 경제성을 시현할 수 있게 된다.
[0340] 한편 상기 모델은 T자형 3단자 구성시 원점회전튜브(#O 루프)(300)와 3방향의 π/4 길이 원호의 내접 원호튜브(305)만으로 교환망 구성이 가능하므로 터미널 시설이 불필요한 해저 분기점이나, 본선에서 지선을 분기하여 노선을 확장하는 3방향 교차로가 필요한 지역의 표준접속 모델로 활용할 수 있다.
[0341] 이에 더하여 원점회전튜브(300) 모델은 최소 투자비로 초도망을 구축하되 xy축의 교차형스위치(32)가 안치되는 스위칭튜브(31) 부분을 100~200m 정도 연장하여 봉쇄구(309)를 설치하는 공법을 적용하면, 향후 트래픽 증가시 반지름 6.6666km의 1차 회전튜브(30)의 외접 원호튜브(306)를 단계적으로 확장할 수 있는 융통성을 확보할 수 있다.
[0342] 이와 함께 여객·화물 터미널이나 정비·격납기지 등 매시 네트워크(mesh network, 그물망) 형태의 선로구성이 필요하거나 긴급사태 대책(contingency plan)으로 스위칭튜브(31)의 기능을 더욱 강화할 솔루션으로 수직방향 주행궤도 혹은 주행튜브간 스위칭 요소기술이 요구될 수 있다.
[0343] 수직 교차형스위치(vXoS)(34)의 작동을 도 33과 수평방향으로 기동하는 스위칭튜브(31)의 교차형스위치(XoS)(32)를 참조하여 살펴보면, 수직 굴절편(344, 345, 346)이 상하로 기동하여 상하로 연접한 궤도간 트래픽을 상호교환하게 되며, 100m 단위 주행튜브(10)를 2개 연결한 200m 표준 단위길이를 갖는 수직 스위칭튜브(33)형상이 바람직하다.
[0344] 2 세그먼트형 수직 굴절편(344, 345, 346)의 작동원리는 출향(出向)측 굴절편(344)을 1/2 상하( ↗↘)로 1/2인 150t를 굴절시키고 입향(入向)측 굴절편(345)도 1/2 상하(↗↘)로 1/2인 150t를 굴절시켜 2개 튜브에서 상하 300t의 굴절폭을 기동하여 상하 튜브간 스위칭회로를 구성하며, 이때 굴절되지 않는 상하층 연접하는 삼상궤도(13)의 굴절편(346) 역시 동시에 굴절(↘,↖)시켜 스위칭 공간을 마련하며 굴절편의 작동은 액추에이터(320)를 삼상궤도(13)에 취부하여 권역관제소와 중앙관제소의 인공지능(AI) 프로그램으로 통제한다.
[0345] 튜브셔틀(20)의 분리, 결합, 궤도 이동 등의 입환(入煥, shunting)작업이 필요한 터미널이나 셔틀기지 등 계류장소의 운영효율을 높이는 방안으로 상기 수직 스위칭튜브와 함께 주행튜브(10)의 삼상궤도(13)를 제거하고 2궤도인 보조궤도(16)를 활용한 보조단상궤도(38)를 계류장에 시설하고, 보조바퀴(26) 구동으로 입환 작업을 처리하면 터미널 등의 궤도 시설비를 절감하고, 중앙과 권역관제소와는 분리된 계류장소별 관제 시스템으로 터미널 운영의 효율성을 더욱 증진할 수 있다.
[0346] 도13은 보조단상궤도(38)를 예시하며, 주행튜브(10) 하부 플랜지(131) D(4π/3)와 E(5π/3)의 볼록오목형(凸凹)(◠◡◡◡◠)홈을 별도 궤도프레임(380)에 설치하는 π/3 원호의 2 궤도를 보조단상궤도(38)의 궤간(139)으로 삼으며 터미널, 계류장 등의 스위칭 선로는 교차형스위치(XoS)(32)와 수직교차형스위치(vXoS)(34)의 작동원리를 준용하여 삼상궤도(13)ABC에서 A궤도는 제거하고 B궤도는 4π/3에, C궤도는 5π/3에 치환하면 2굴절편 방식 수평·수직 스위칭을 완성할 수 있다.
[0347] 상기 교차형스위치(XoS)(32)와 수직교차형스위치(vXoS)(34) 및 보조단상궤도(38)는 수평과 수직으로 연접하는 선로튜브(11)간 트래픽의 상호교환과 궤도배치를 고집적화하며 입환 작업을 용이하게 하는 동시에, 대규모 토지공간이 필요한 여객·화물 터미널이나 정비·격납기지 등의 서비스 노드(node) 건설시 플랫폼을 여러 층 수직방향으로 집적할 수 있는 솔루션으로 편의성과 함께 지상·지하 토지이용 공간의 효율화로 터미널 건설의 경제성을 제고한다.
[0348] 상기 1,2차 회전튜브(30, 302)와 원점회전튜브(300) 및 교차형스위치(XoS)(32)를 구비한 스위칭튜브(31)를 활용한 4 단자형(⊕) 표준 접속로 모델은 8 단자형 확장의 용장성(冗長性, 리던던시, redundancy)을 갖는 장기진화(long term evolution, LTE)구조의 표준 접속로 모델이다.
[0349] 이상의 각종 튜브별 특성과 기능의 상이함은 경제성과 장래 확장성을 고려한 최적 솔루션을 안출하기 위한 것으로써, 실제 산업상 이용에 있어 다소간의 변경은 있을 수 있으나 본 발명의 튜브셔틀(20)은 기본선로이자 장거리 수송로인 선로튜브(line tube)(11)를 주행함에 있어, 타원형 경사튜브(ramp tube)(36)를 경유하여 교차형스위치(XoS, vXos)(32,34)가 구비된 스위칭튜브(31)에 진입하고, 스위칭튜브 통과 후 다시 역순으로 경사튜브(36)를 통하여 선로튜브(11)를 주행하는 선로 시스템이 긴요하다.
[0350] 이러한 교차형스위치(XoS)(32)와 1차 회전튜브(30)와 2차 회전튜브(302) 및 원점회전튜브(300)를 조합한 표준접속로 모델은 국제간 노선과 연계하여 대도시내 접속과 기존 저심도 지하철 등과 연계하여 대도시내 교통수요를 흡수하는 격자형 메트로 망으로 자연스럽게 확장할 수 있어 전통적인 교통망을 통신망 특히 인터넷망과 유사하게 확장할 수 있는 솔루션으로 활용할 수 있다.
[0351] 이와 더불어, 상기의 각종 튜브로 구성되는 선로망의 삼상궤도(13)를 튜브셔틀이 초음속 혹은 아음속 속도로 주행하기 위해서는 공기 저항을 제거하여 진공튜브 상태를 유지하는 유효적절한 솔루션이 요구된다.
[0352] 본 발명의 주행튜브(10)는 양정현파 주름관(101)과 1m 단위 자기편 프레임(130)에 1/3m 궤도와 2/3m 궤도간 이격 간극을 갖고 있으므로, 예방정비와 유지보수운영을 위한 원점O(0, 0) 중앙튜브(110)를 제외한 1~6번 주행튜브(111~116)의 2/3m 궤도간 이격간극에 개폐형 진공격벽시스템을 설치할 수 있는 공간을 확보할 수 있다.
[0353] 도 34에서 예시하는 바와 같이, 선로튜브(11) 진공상태 유지를 위해 튜브간 접속부(17)에 진공차단벽(37)과 진공펌프(370)를 구비하여 선로튜브(11) 노선에 복수 개를 설치하면 구간별 폐색(閉塞)기능 부여로 진공펌프(370) 가동의 효율을 높이고, 선로튜브(11) 파손과 같은 긴급사태 대책이나 튜브 유지보수 필요시 구간별 폐색과 개방으로 선로튜브(11) 운영효율을 증진한다.
[0354] 선로튜브(11)의 진공차단벽(37)과 진공펌프(370)는 튜브간 접속부(17)에 완전응력보인 포물면결합부(371)를 설치하고 내부 공간에 주행튜브(10) 양정현파골(103)의 내경지름(D1)인 292.7640t의 차단벽(372)과 구동 액추에이터(373), 진공 감지센서(374), 좌우 2개의 진공펌프(370)와 주행튜브(10) 플랜지(131) 경계면에 기밀유지용 이중오링(double O ring) (375)을 구비하여 주행튜브(10)의 진공상태를 유지하게 한다.
[0355] 이때, 차단벽(372) 구동 액추에이터(373)와 진공펌프(370) 등의 구동전원은 육상구간에서는 보조채움관(12)을 통해 외부 전력선을 인입하며, 해상구간은 보조채움관(12)을 통해 육지 외부 전력선을 인입하거나 수중교각이나 튜브앵커 등에 해상풍력 혹은 파력발전 시설을 부가한 후 배터리(376)에 충전하여 구동할 수 있도록 튜브망 구축시 설계에 반영함이 바람직하다.
[0356] 육상구간은 선로튜브(11)노선에 10~20km 마다 진공차단벽(37)을 구비하며, 여객·화물포트나 셔틀·정비기지 등 튜브셔틀(20)이 정차하는 플랫폼(39)과 주행튜브(10) 경계점에 인입진공차단벽(150)을 구비하며, 20m 단위로 주행튜브(10) 단면을 차단하는 복수개의 구역진공차단벽(151~15X)으로 형성되는 진공챔버(vacuum chamber)(158)로 주행튜브(10)의 상시 진공상태를 유지한다.
[0357] 튜브셔틀(20)이 대기(大氣, atmosphere)상태인 플랫폼(39)에서 상시 진공상태인 주행튜브(10)로 진입하는 바람직한 절차는, 개방된 인입진공차단벽(150)을 통과하여 진공챔버(158) 구간으로 이동(151a, 152a, 153a)하고, 고물(선미)의 인입진공차단벽(150)을 폐색하여 진공펌프(370)로 주행튜브(10)와 셔틀(20)사이의 공기를 완전 방출시킨 후, 튜브셔틀 이물(선두)의 구역진공차단벽(151~157)을 개방하여 튜브셔틀(20)을 출발시키는 수순으로 주행튜브(10)의 상시 진공상태를 유지한다.
[0358] 반면, 튜브셔틀(20) 도착시에는 인입진공차단벽(150) 앞에 일시 정지한 후 고물쪽 구역진공차단벽(151~157)을 폐색하여 주행튜브(10)와 격리시키며, 진공챔버(158)를 대기로 채운 후 이물(선두)쪽 인입진공차단벽(150)을 개방하여 플랫폼(39)으로 이동시켜 승객·화물의 하차·하역을 진행하는 수순으로 주행튜브(10)의 진공상태를 상시 유지한다.
[0359] 튜브셔틀(20)의 출발이나 도착 트래픽 처리시 구역진공차단벽(151~157)은 셔틀의 단독주행(151a)이나 군집주행(152a,153a)별 구역진공차단벽(151~157) 개폐 수를 조절하여 주행튜브(10)의 진공챔버(158) 구간을 적의 조정함으로써, 대기(大氣) 토출량과 유입량을 최소화하여 튜브셔틀(20) 운행 소요시간을 단축하고 주행튜브(10)의 상시 진공상태 유지에 소요되는 에너지 절감을 도모한다.
[0360] 승객·화물의 승하차·하역을 진행하는 역사(포트)의 플랫폼(39)은 승객 또는 물류처리 효율 증대를 위해 튜브셔틀(20)의 바닥 높이(395)가 승강장의 상면(392)과 같아 계단 없이 승하차를 할 수 있는 고상홈 방식과 플랫폼 삼상궤도(393)가 양 옆에 배치되고 그 사이에 승강장이 섬처럼 떠있는 형상의 다중섬식승강장(multiple island platform, MIP)(396#0~396#4) 방식을 표준모델로 채택하여 지하공간의 무거운 지반하중 극복과 승객과 물류처리 효율을 증진한다.
[0361] 상기 튜브셔틀 표준 플랫폼(39)은 도 39a와 같이 충전포스트(136)가 구비된 A(π/2)궤도(13)와 D, E 보조궤도(4π/3, 5π/3)(16)로 구성되는 플랫폼 삼상궤도(393)를 근간으로 튜브셔틀(20) 좌우측의 출입문(202)이 개방되면 셔틀 바닥 높이(395)와 플랫폼 상면(392)이 같아지고, 복수 개의 플랫폼 삼상궤도(393)가 수평과 수직면에 정렬되는 다중 궤도시스템과 다중섬식승강장(MIP)(396)으로 집적화하여 토지 이용의 효율성을 증대한다.
[0362] 이때, 튜브셔틀 플랫폼(39) 전후 주행튜브(10) 혹은 2차 회전튜브(302)에 인입진공차단벽(150)과 복수개의 구역진공차단벽(151~157)을 구비하여 상시 진공상태인 주행튜브(10)와 대기(大氣)상태인 플랫폼(39)을 격리하며, 튜브셔틀(20)의 편성 수량에 따라 구역진공차단벽(151~157)의 개수를 적의 조절하여 진공챔버(158) 구역을 형성함으로써 진공구간 진입과 대기공간 진입절차를 최적화한다.
[0363] 구역진공차단벽(151~157) 후단 선로는 도39b와 같이 교차형스위치(XoS)(32)를 구비한 스위칭튜브(31)로 분기와 합류선로를 구성하고 수직면 연접구간은 수직 교차형스위치(vXoS)(34)를 구비한 수직 스위칭튜브(33)로 트래픽을 본선 주행튜브(10)로 인도하며, 튜브포트(역사)의 구조물은 도39c와 같이 3개 층 이상의 서비스 공간과 5개층 이상의 다중섬식플랫폼(396#A ~ 396#E) 및 각층 플랫폼당 5개(393#1 ~ 393#5)이상의 플랫폼 삼상궤도(393)로 승객과 물류를 처리한다.
