<발명의 명칭: 튜브형 삼상궤도 진공 자기부상 이동 시스템 Ⅵ>
(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.
<<<실시예4, 5, 6 병합>>>
실 시 예 4
[0364] 제4 실시예에서는 다중셔틀 편성의 형태와 방법으로 일 태양의 양정현파 주름관 주행튜브로 구성되는 선로튜브(11)와 삼 태양의 스위칭튜브(31)와 경사튜브(36) 및 표준 접속로 모델 등을 본선과 지선 및 튜브포트와 화물포트 등에 적용하는 선로 시스템에서 이 태양의 선형스테핑모터(LSM) 구동방식의 자기부상 이동체인 튜브셔틀(20)을 단독 혹은 군집셔틀로 편성한 후 운행하는 실시예이다.
[0365] 스테핑 모터(stepping motor) 구동방식은 펄스신호의 주파수에 비례한 회전 속도 발생하며 모터의 총 회전각은 입력 펄스수의 총수에 비례하고, 모터속도는 1 초당 입력펄스 수(펄스 레이트)에 비례하여 광범위한 속도제어와 기동, 정지, 정-역회전, 변속이 용이하며, 응답특성 우수하고 정지시 매우 큰 유지토크(정지토크)으 브레이크 기능으로 본 발명의 1m 단위 불연속 디지털 선형 삼상궤도(13) 특성과 부합되고 디지털 제어회로와 조합이 용이하므로 중앙과 권역관제소의 제어 시스템 구축에 유리하다.
[0366] 본 발명 실시예1의 삼상궤도(13)는 스테이터(stator)로 고정자 기능을 담당하고 자기부상 이동체인 튜브셔틀(20) 전자기편(24)은 로터(rotor)로 회전자 기능을 갖고 있으며, 주행튜브(10) 삼상궤도(13)와 튜브셔틀(20) 상호간 동기방식 제어와 스위칭주파수 인가 등을 정밀하게 수행하는 고정도(高精度) 수치제어(numerical control, NC)가 필요하므로 이동체인 튜브셔틀의 표준화가 필요하다.
[0367] 바람직하게는 튜브셔틀(20)의 전장을 12m 자기 부상편을 구비한 15m 단위길이를 갖는 표준 이동체로 구성하고 주행튜브(10)에 1m 단위로 설치되는 불연속 디지털(dashed line track) 자기부상 삼상궤도(13)와 동기를 유지하며 출발·가속·등속주행·감속과 회생제동·정지모드의 선형스테핑모터(LSM) 구동방식을 인공지능(AI)으로 제어함이 바람직하다.
[0368] 출발·도착 포트간 혹은 차량·화물 기지나 분기선로 등 선로튜브(11) 전구간의 거리를 1m 단위 스텝 각을 거동하는 인가펄스 개수로 환산하는 단일(unique)함수와 프로토콜에 준거한 수치제어(NC)로 튜브셔틀 운행 프로그램의 단순 명료화를 통해 도입초기는 물론 격자형망 형성시에도 시스템 운영체제(operating system, OS)의 오류 가능성을 최소화한다.
[0369] 서로 다른 행선지를 다방면 편성하는 군집셔틀 운행방식은 선로나 포트(역사)의 운영효율을 증대하므로 셔틀단위로 본선 직진, 타선 우현, 타선 좌현방향의 순서로 다방면 n*셔틀편 다연장 편성으로 매시 정각·10·5분·3분 단위 등으로 동시에 출발시킨 후 교차형스위치(XoS)(32)가 구비된 스위칭튜브(31) 도달 전 해치부(21)의 전자기 접속부(211)를 해제하여 목적지별로 분리하되, 직진셔틀은 정속을 유지하고 우회전 셔틀은 정속의 1/√2, 좌회전 셔틀은 1/√3이상 감속하여 회전구간의 원심력을 줄이고 스위칭에 따른 적정 안전거리를 확보하게 한다.
[0370] 분리된 본선 직진 셔틀군은 그대로 교차형스위치(XoS)(32)를 직진 통과하고, 타선 우현방향 셔틀군은 교차형스위치(XoS)에서 분기(outbound)된 후 타선의 교차형스위치(XoS)에서 주행튜브(10)에 합류(inbound)하며, 타선 좌현방향 셔틀군은 xy축 교차점 통과 후 본선 교차형스위치(XoS)와 타선 교차형스위치(XoS)를 경유하는 P회전으로 주행튜브(10)에 합류(inbound)하는 수순으로 처리하여 군집셔틀의 트래픽을 각 목적지 방향별로 분배한다.
[0371] 특히, 장거리 대량 트래픽 노선의 경우 스위칭노드와 노드간 동일 행선지 트래픽 셔틀군을 운행 중인 상태에서 전후 셔틀을 묶어 본선 방향·지선 우회전 방향·지선 좌회전 방향 트래픽을 상호 결합하는 군집 트래픽 처리기법은 한 포트(역사)에서 다방면 목적지 셔틀의 동시간대 운행이 가능하고 역사와 주행튜브 운영의 효율을 대폭 증대할 수 있다.
실 시 예 5
[0372] 제5 실시예에서는 제1 태양에서 제4 태양을 실제 산업에 이용할 수 있도록 하는 선로튜브(11)와 강화튜브(18) 및 스위칭튜브(31) 등으로 선로 시스템을 구축하는 시공과 건설방법 등에 관한 실시예를 열거한다.
[0373] 본 발명을 실제로 구현하기 위해서는 해상과 육상구간의 튜브건설이 필요하고 해상구간은 강화튜브(18) 구조물의 부력을 고려한 수중교각과 튜브앵커 및 튜브평형추 등 해양구조물과 육상구간은 대심도 터널건설이 요구된다.
[0374] 본 발명의 7 선로튜브를 육상이 아닌 해저구간에 시공할 경우 튜브 주변의 유체인 바닷물이 작용하는 알짜힘인 부력(buoyant force)이 튜브의 아랫면을 위쪽 방향으로 미는 힘이 발생하므로, ‘어떤 물체에 작용하는 부력은 그 물체에 의해 밀려난 유체의 무게와 같다’는 아르키메데스의 원리(Archimedes’s principle)를 기본요소로 고려하여야 한다.
[0375] B=ρfluidVg(B: 부력, ρ: 유체의 밀도, V: 밀어낸 유체의 부피, g: 중력가속도)의 원리에서 부력B은 물체 즉 튜브에 의해 밀려난 유체인 바닷물(ρfluidV)의 질량M으로 부력은 B=Mg가 되어 튜브에 의해 밀려난 바닷물의 무게와 같게 된다.
[0376] 표준상태(0℃, 대기압)에서 계의 질량밀도ρ(kg/m³)는 바닷물 1.03×10³, 알루미늄 2.70×10³, 철 7.86×10³, 콘크리트 2.30×10³으로 튜브의 기본재료인 알루미늄, 철강재가 바닷물보다 밀도는 높으나 튜브의 부피(V=2πr²h)로 인해 튜브 아래 방향의 중력이 부력보다 작게 되어 위로 가속하게 된다.
[0377] 바람직하게는, V바닷물/V튜브 = ρ튜브/ρ바닷물로 알짜힘이 영(0)이 되는 평형 상태가 되어 바닷물 속에 잠겨 떠있는 상태를 유지하기 위해서는 튜브 재료의 부피를 키워야 하나 관성 모멘트 저하와 압축, 전단응력의 손실 및 재료낭비를 초래하므로 높은 밀도를 갖는 저렴한 물질의 구조물을 튜브에 부가하는 평형추 공법이나 튜브 앵커 공법이 보다 현실적으로 적절하다.
[0378] 적절한 평형추는 철이나 콘크리트를 활용하여 V바닷물/V튜브 = ρ튜브/ρ바닷물 비례 조건에서 튜브길이 100m 단위당 밀도ρ(kg/m³)와 부피가 평형조건을 만족하는, 구형 평형추(51)로 실시예1의 튜브댐퍼(19)와 선로튜브(11)를 보강한 강화튜브(18) 접속부인 보호함체(174) 혹은 연결부(511)에 연결하는 부력(buoyant force)평형추(51) 공법은, 연근해는 물론 해구나 해령과 같은 대심해 구간에 적용하여 수중에 떠있는 평형상태의 튜브건설로 공사비 절감과 공기단축에 기여할 수 있다.
[0379] 구(球)는 완전한 대칭성을 갖는 도형으로, 심해와 같이 모든 방향에서 균등하게 작용하는 수압(519)을 견디는 강도가 아주 높은 이상적인 형태이고, 같은 부피로 비교할 때 겉넓이(4πr²)가 가장 작은 입체도형으로 표면(겉넓이)을 줄이려는 표면장력이 작용하는 수중에서의 운용여건을 고려할 때 같은 양의 재료로 가장 큰 부피 (4πr³/3)의 튜브평형추(51) 구조물 제작이 가능한 장점을 갖고 있다.
[0380] 한편 대륙붕과 연근해와 같은 천해구간은 50·100m 단위로 콘크리트 이형 블록인 뿔이 4개 달린 구조물인 테트라포드(520)를 해저지형 조건에 따라 1~4개 투하하고 강화튜브(18)간 튜브접속부인 보호함체(174)를 튜브댐퍼(19)와 고장력 케이블(523)이나 체인으로 접속하여 부력을 극복하는 튜브앵커(52) 공법을 적용하여 공사비 절감과 공기단축을 도모한다.
[0381] 이때, 보호함체(174) 하단부 1개소를 튜브댐퍼(19)와 테트라포드(520)에 연결하는 1 튜브앵커(521) 공법은 수심이 얕은 연근해와 직선 선로튜브(11) 구간 등에 적용하며, 튜브 양측면 2개소를 연결하는 2 튜브앵커(522) 공법은 심해구간 강화튜브(18)나 곡선 선로튜브(11) 구간 등에 취사선택하여 적용한다.
[0382] 해상구간은 지구자전에 의한 코리올리 효과와 태양 복사열에 의한 대류 등 복잡한 환경여건에 따라 지역과 계절별로 주기적인 해류가 존재하며, 태풍과 쓰나미에 의한 바닷물의 유동과 지진발생에 대응하고 선박이나 잠수함 등 인위적 위협 요소 및 튜브셔틀의 운행에 따는 동역학적인 응력 등을 극복하기 위한 수단으로 튜브위치를 고정하는 수중교각이 필요하다.
[0383] 구체적으로, 수중교각(53) 공법은 Y형(U+I)의 구조물로 시공하여 U구조물내 π, 5π/4, 7π/4, 2π 4개소에 실시예1의 튜브댐퍼(19)로 강화튜브(18)와 접속하여 해저 화산이나 단층면과 섭입대 등에서 발생하는 지진파(P, S파) 에너지에 의한 진동을 흡수하는 해저 구조물로 대륙붕과 같은 연근해 구간은 100·200·300m 단위로 설치하며 심해구간은 필요시 해저지형의 융기구간에 설치한다.
[0384] 비교적 수심이 얕은 연근해나 천해구간은 1차 강화튜브(181)를 적용하여 해저 단층대에서 발생하는 지진파(P파, S파)의 진동 에너지를 견디는 내진강도를 높이는 한편, 면진(免震), 제진(制震) 대책으로 완충기·쇼크 업소버(shock absorber)·댐퍼(damper) 기능의 튜브댐퍼(19)를 수중교각(53)에 취부하여 튜브를 연결하는 공법과 튜브앵커(52) 공법을 혼용하여 공사비 절감과 지진 등 자연재해로부터 튜브에 가해지는 피해를 예방한다.
[0385] 한편, 높은 수압과 수중교각(53) 설치가 어려운 섭입대(攝入帶·subduction zone)가 있는 해구나 지각판의 경계인 해령과 같은 대심해 구간은 2차 강화튜브(182)를 채택하는 한편, 해저지형의 특성에 따라 테트라포드(52)를 좌우 2개소에 투하하여 고장력 케이블(523)이나 체인으로 접속하는 2 튜브앵커(522) 공법과 튜브 자체 부력과 균형점을 유지하는 튜브평형추(51) 공법을 혼용하는 시공법으로 수중 교각(53) 없이 해구나 해령 및 대심해 구간을 종단 혹은 횡단하는 공법을 취사선택하여 시공하는 것이 바람직하다.
[0386] 도 38은 해상구간 시공선박의 모식도로, 위성항법시스템(GPS)(508)과 해저의 음향송수신기인 트랜스폰더(509) 등에 의한 위치측정 데이터로 선박에 장착된 360도 회전하는 스러스터(505) 자동제어 기능의 자세제어 튜브 시공선박(500)과 수중 작업을 수행하는 작업용 로봇팔 혹은 매니퓰레이터(manipulator)(502)를 구비한 잠수정(501)을 건조하여, 데릭(derrick)기중기(504)로 드릴파이프(503)를 해저암반을 천공하여 수중교각(53)을 건설하고, 테트라포드에 의한 튜브앵커(52) 시공과 튜브 평형추(51) 연결 및 튜브간 접속을 일괄 시공하는 공법을 도입한다.
[0387] 상기 시공선박(500)과 작업 잠수정(501)은 각기 2척의 선박이 건설현장 100m 길이 강화튜브(18) 2개를 동시에 시공하여 후미 1튜브 접속 완료 후, 100m 전진하여 앞방향 강화튜브(18) 접속을 위한 수중교각(53) 건설, 튜브앵커(52) 시공과 튜브평형추(51) 연결 등의 시공과 건설을 일괄 완성하는 교차전진 혹은 순차교대 공법으로 공사기간을 단축하며, 공사 완료 이후 선로유지 보수용 선박으로 활용하는 것이 바람직하다.
[0388] 한편 육상구간은 지진과 지반운동의 크기가 지반깊이에 따라 전반적으로 감소하고 토지 보상비가 불필요한 지하100m 이상의 대심도 원형터널을 터널굴진기(TBM)등으로 건설하여 선로튜브(11)를 반입하여 튜브를 접속하며, 튜브접속부(17) 보호함체(174)와 터널내벽 π/2, 3π/4, π/4, 5π/4, 7π/4, 3π/2 6개소에 쇼크업소버·댐퍼 기능을 갖는 튜브댐퍼(19)를 접속하여 선로튜브(11)의 하중을 지지하는 한편, 인근 단층대나 먼 거리에서 전달되는 지진파(P파, S파, 표면파 등)의 파동 에너지를 흡수 혹은 완화하는 공법을 적용하여 선로튜브(11)와 튜브셔틀(20)을 보호하는 안정화 대책을 구비한다.
[0389] 튜브망(tube network)시공과 건설방법 등에 관한 적절한 실시예는 선로튜브(11) 통과구간과 인근지역의 세밀한 지질조사를 통하여 내진설계를 시행하며, 그 기준은 육상은 대심도 터널내부 100m 튜브접속부(17) 마다 튜브댐퍼(19)를 구비하고, 해상은 해저지형 조사 후 100·200·300m 단위로 π, 5π/4, 7π/4, 2π 4개소에 튜브댐퍼(19)를 구비한 수중교각(53)과 50·100m 단위 튜브앵커(52) 및 튜브 자체부력과 균형점을 이루는 튜브평형추(51)공법을 적절히 선택하여 빈발하는 지진으로부터 선로튜브(11)를 보호한다.
실 시 예 6
[0390] 제6 실시예에서는 진공 혹은 아진공의 양정현파(陽正弦波) 주름관(101)의 선로튜브(11)와 삼상궤도(13)를 갖는 다중 튜브를 초음속 혹은 아음속으로 주행하는 선형스테핑모터(LSM)방식의 자기부상 이동체인 튜브셔틀(20)의 특성을 고려한 본 발명의 구체적 활용예를 예시한다.
[0391] 베세토튜브(BeSeToTube) 프로젝트는 중국-대한민국-일본국 수도인 베이징(Beijing, 北京)-서울(Seoul, 首爾/首尔)-도쿄(Tokyo, 東京)를 제1 실시예의 진공 혹은 아진공의 양정현파 주름관(101)의 선로튜브(11)로 연결하는 신교통망으로 최적 노선길이는 베이징과 서울간 1,009 Km, 서울과 도쿄간 1,168 Km로 서울 경유시 베이징과 도쿄간 거리는 2,175 Km이다.
[0392] 제1 실시예의 양정현파 주름관(101)의 진공 자기부상 선로튜브(11)를 베세토(BeSeTo) 구간인 육상-해상-육상-해상-육상으로 건설한 후 제2 실시예의 초음속 혹은 아음속으로 주파하는 자기부상 이동체인 튜브셔틀(20)을 마하 2~3의 속도로 운행할 경우 베이징/도쿄-서울간 약 20~30분, 베이징-도쿄간 약 35~53분내 주파할 수 있는 신교통 시스템으로 활용할 수 있다.
[0393] 3국 공히 육상구간의 경우 토지 보상비와 공사비 절감 및 빈발하는 지진 등의 자연재해로부터 승객과 선로를 보호하기 위해 육상은 지하 100m 이상의 대심도 터널건설이 적절하고, 해상구간은 해저지형 조건, 단층대, 수심, 해류 등의 환경요소를 감안한 최적 시공법의 개발이 요구된다.
[0394] 해상구간은 튜브부력과 균형점을 달성하는 무게의 부력평형추(51) 공법과 해저 수중교각을 건설하여 튜브를 고정하는 수중교각(53) 공법 및 해저 테트라포드(tetrapod)와 케이블로 접속하는 튜브앵커(52) 공법을 혼용하여 3개 거대도시를 직접 연결하면 기존 육상과 해상 및 항공 교통망의 단점인 태풍과 폭우 및 안개 등으로부터 자유롭고 안전한 전천후 신교통망으로 자리매김할 수 있다.
[0396] 한편 주요 위성도시나 튜브 여객포트와 화물 및 정비포트 등의 연결을 위한 표준 접속로를 제3 실시예와 같이 구성하고 제4실시 예의 다른 행선지를 다방면 편성하는 군집셔틀 운행방식 등의 다지점간 운행 네트워크를 지원하는 솔루션을 채용하여 100년 대계의 관점에서 신교통망 인프라를 건설할 수 있다.
[0397] 베이징-서울간 해상구간인 서해(황해)는 평균수심 40~50m의 대륙붕이 연속되는 천해구간으로 강화튜브(18) 혹은 1차 강화튜브(1st consolidated tube)(181)를 적용하되 100·200·300m 단위 마다 1개소의 수중교각(53)과 튜브 평형추(51) 공법 및 테트라포드를 이용하는 튜브앵커(52) 공법을 적절히 혼용하여 공사비 절감과 공기 단축을 도모한다.
[0398] 한편 서울-도쿄간 동해는 수심이 평균 1000m 이상인 심해구간으로 2차 강화 튜브(2nd consolidated tube)(182)를 적용하되 울룽도와 독도인근 해저 융기구간은 수중교각(53) 설치와 해저지반에 테트라포드(52)를 좌우 2개소에 투하하여 고장력 케이블이나 체인으로 접속하는 2 튜브앵커(522) 공법 및 튜브의 부력과 균형점을 유지하는 평형추(51) 공법을 혼용하여 공사비 절감을 도모한다.
[0399] 한편 지장 장애물이 적은 개활지인 유라시아 대륙(the Eurasian continent) 횡단과 같은 육상구간은 건설비를 고려하여 육상교각 건설이 타당하며, 태평양·대서양·인도양과 같은 대심해 구간이나 대심도 해구 및 해령 통과구간은 튜브외피(15)를 양정현파 주름관(101)과 평편관으로 여러 겹 보강하는 다중 강화튜브(18)를 채택하며, 튜브 자체부력과 균형점을 이루는 평형추(51)를 50·100m 단위튜브 길이마다 취부하고 능동 자세제어 플랫폼과 같은 스마트앵커 시스템을 개발하여 수중교각(53)이나 해저앵커(52) 없이 대심해 구간을 종단 혹은 횡단하는 특수공법을 적용함이 바람직하다.
[0400] 상기의 각 태양이나 제1, 2, 3, 4의 실시예를 실제 산업상으로 이용 가능하게 실시하기 위해서는 허용가능한 편차인 기하공차(幾何公差, GD&T, Geometric Dimensioning and Tolerancing) 범위내 조립 정확도를 담보하고 재료의 비틀림, 압축, 인장강도의 향상과 내(耐) 진동성을 강화할 수 있는 부품제조 및 조립수단과 공정단계의 생력화가 필요하다.
[0401] 바람직하게는, 일 태양과 세로방향 양정현파 주름관(101)은 알루미늄이나 스테인리스 합금강 등을 초정밀 고정도(高精度)로 압출 혹은 사출가공(extruding)의 방법으로, 보조채움관(12)은 PVC 등의 플라스틱 사출성형 및 주행튜브(10) 내심 π/3 길이의 3개 WF보 형상 자기편 프레임(130)은 알루미늄 혹은 고강도 엔지니어링 플라스틱으로 사출 성형하면 일체형 구조물로 균일한 제품특성과 원가절감 및 장기간 운용에 따른 피로파괴(fatigue failure)를 극복할 수 있다.
