하늘을 나는 배, 위그선을 아시나요?

자기부상열차(magnetic levitation train). 우리나라도 2013년부터 운행을 계획하고 있는 도시형자기부상열차는, 잘 알려진 대로 ‘자기력을 이용해 차량을 선로 위에 부상시켜 움직이는 열차’입니다. 바퀴가 없는 기차, 즉 ‘하늘을 나는 기차’라고도 표현할 수 있을 겁니다.
원래부터 하늘을 날았던 비행기, (기차의 신분이지만 매우 낮게나마) 날고 있는 자기부상열차처럼 바다에도 하늘을 나는 배가 있는데요. 여기서는 그 주인공인 ‘위그선’을 소개코자 합니다.

위그선

@Jeff McNeill / http://www.flickr.com/photos/jeffmcneill/2948059126

위그선(WIG Craft; Wing-In-Ground Craft)은 수면에 근접해 비행하는 배를 일컫습니다. 우리 말로는 ‘수면비행선박’이라 이름 붙이고 ‘표면효과를 이용하여 수면에 근접해 비행하는 선박’이라고 정의내리고 있고요.

1960년대 옛 소련의 군사적 목적으로 처음 모습을 드러낸 위그선은, 대형의 경우 시속 300km에 육박할 정도로 빠른 것이 장점입니다. 화물선, 여객선 등 일반 해상 수송수단의 속도가 100km를 넘는 것이 많지 않음을 생각했을 때(수상 택시도 최고 70km정도라고 하니까요), KTX 속도에 맞먹는 위그선의 스피드는 바다에서의 이동을 한결 빠르게 가져오게 되었습니다. 물론 아직 세계적으로 실용화가 되지 않아 많은 사람들에게 낯선 수송수단이지만, 지구의 표면적은 바다가 땅보다 두 배 넓은 만큼 미래에는 가장 필요한 배가 될지도 모릅니다.

위그선의 원리
위그선은 기존 선박들이 운항을 할 때, 물에 의해 받는 저항을 줄여 속도를 높이기 위해 수면 위로 살짝 띄운 배입니다. 일반적으로 배의 속도가 느린 이유는 바닷물과의 마찰 때문인데요, 공기가 물보다 상대적으로 저항이 작은 것은 당연한 얘기겠죠? 이런 발상을 바탕으로, 배의 몸 전체를 수면 위로 띄운, 즉 배에 날개를 단 것이 위그선인 셈이지요.

위그선의 원리를 이해하기 위해, 우선 비행기가 날아오르는 원리부터 살펴보고자 합니다. 비행기가 공중에 뜰 수 있는 것은 ‘날개’ 때문입니다. 물론 날개가 있다고 모든 물체가 날아오르지는 않지요. 비행기의 날개는 윗면의 면적을 아랫면보다 크게 만들어, 윗면을 지나는 공기들이 면적이 좁은 아랫면을 지나는 공기보다 빠른 속도를 가지게 합니다. 공기의 흐름이 빠른 곳일수록 압력이 낮아지고, 그 반대에는 압력이 높아지는 ‘베르누이 정리’에 의해 비행기 날개 역시 윗면의 압력이 상대적으로 낮아지게 됩니다. 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르듯, 비행기도 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는데, 이런 원리에 의해 날개 아래의 공기들이 비행기를 위로 올라가게 하는, 이른 바 ‘양력’을 만들어 내는 것입니다. 그리고 떠오른 비행기를 앞으로 나아가게 하는 것은 엔진에서 나오는 ‘추력’이고요.

@Freakland - フリークランド / http://www.flickr.com/photos/freakland/212331246

위그선이 움직이는 원리는 비행기와 조금 다릅니다. 비행기가 지면보다 훨씬 높게 비행하며 ‘양력’을 낸다면, 위그선은 지면에서 가깝게 비행하며 ‘지면효과’를 이용합니다.
지면효과는 비행기 기체가 지면 가까이로 다가가면서 날개 아래쪽의 경계면(수면 같은) 때문에 날개 주위의 공기 흐름이 변하게 되면서 경계면으로부터 수직으로 받는 힘이 커지는 원리인데요, 날개가 경계면에 가까워질수록 아래쪽 공기의 속도가 더욱 낮아져, 압력이 커지면서 수직 방향으로 받는 힘이 증가하는 시스템입니다.

‘지면효과’의 장점은 또 있습니다. 기체가 상공에 있는 비행기는, 날개 밑의 공기가 날개 아래에서 날개를 받쳐 주다가도 끝 지점에서 더 이상 받칠 게 없어 둥글게 돌아 날개 위로 올라오는 ‘와류’를 발생시키며 비행기의 진행을 방해하는 데요, 위그선은 경계면에서 가깝기에 이러한 와류의 발생도 줄어듭니다

구소련의 초거대 위그선 에크라노플랜


 
비행기 보다 위그선
위그선이 상용화된다면, 중국이나 일본처럼 바다 건너 가까운 거리의 나라를 훨씬 빠르게 왕래할 수 있게 되겠지요. 일반적으로 비행기는 정상 비행을 위해 고도까지 오르락내리락 하면서 적지 않은 시간을 소요하기 때문입니다.
또한 활주로가 없는 섬을 갈 때나, 우리나라의 동해․서해․남해를 바다로 일주하고 싶을 때 무엇보다 위그선이 매력 있는 이동수단이 될 것입니다.

우리나라가 개발한 위그선, 갈매기호


앞서 언급했던 것처럼, 1960년대 옛 소련에서 최초의 위그선을 세상에 등장시켰지만, 기록에는 1920년부터 지면효과를 이용하여 실험용 배가 건조되기도 했었다고 합니다. 이후 1990년대 이후에 독일, 러시아, 중국, 미국, 호주 등에서 2~16인승의 소형 위그선 개발 연구가 진행되었고, 관광용․군사용 등으로 여러 모델을 내 놓기도 했는데요, 아직 수백명을 동시에 태울 수 있는 상업용 대형 위그선은, 경제성․효율성 등을 이유로 개발이 미뤄지고 있습니다.
삼면이 바다로 둘러싸여 있고, 세계 최고의 조선공학 기술을 가지고 있는 우리나라. 미래, 전 세계에서 가장 크고 빠른 우리의 위그선이 세계의 바다를 가르길 기대합니다.

 


글 | 국가과학기술위원회 블로그기자 김 병 호

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우리 생활 속 과학이야기

        미래형 자기부상열차를 만나다! - 한국기계연구원 방문 

한국기계연구원 본원 입구

한국기계연구원 (Korea Institute of Machine & Materials, KIMM)기계, 재료 및 이와 관련되는 분야의 과학기술조사, 연구개발, 시험평가 및 기술지원 업무를 담당하기 위해 설립된 정부출연연구소입니다. 이번 자기부상열차의 시승은 대전광역시 유성구에 위치한 본원에서 진행되었으며, 경상남도 창원시에 부설 재료기술연구소가 있습니다.

기계연구원 내부의 자기부상열차 시험 주행 트랙의 모습

입구를 거쳐 자기부상열차 시승을 위해 연구원 내부로 이동하는데, 연구원 내부에 전체적으로 설치된 자기부상열차의 주행 트랙이 한눈에 들어 왔습니다. 기계연구원에서 개발한 이 자기부상열차로 인해, 우리나라는 2013년부터 세계에서 2번째로 인천국제공항 시범노선을 통해서 도시형자기부상열차의 운행을 시작하게 되는 국가가 됩니다. 세계 최초로 도시형자기부상열차를 운행하는 일본의 경우에는 한국의 실용화차량 보다 가격이 비싸며 전체적으로 구조물이 육중한 단점이 있다고 합니다.

1동 본관에서 홍보팀 직원분을 만나 뵙고 리플렛 등을 살펴보며 자기부상열차의 시연 시간이 될 때까지 기다렸습니다. 개인적으로 기계연구원 로고가 무언가 힘 있고 멋있다는 생각이 들었습니다. 한국기계연구원(KIMM)은 영문명에서도 알 수 있듯이 기계와 금속에 관련된 전반적인 연구를 수행하며, 시험평가 등의 신뢰성 평가도 같이 진행하고 있습니다.

한국기계연구원 건물의 모습

입구 경비대를 통과하여 보이는 1동 건물입니다. 이 건물에 도시형 자기부상열차 실용화 사업단 및 홍보팀, 홍보관 등 각종 부서들이 위치 해 있습니다. 1층에서 홍보 영상부터 시청하고 본격적인 관람을 시작 하였습니다.
 
1층 홍보관에 놓인 도시형 자기부상열차의 모형입니다. 기계연구원과 현대로템 등에서 제작하였으며, 심플한 디자인과 경량화 하여 제작된 것이 특징입니다. 기존 철제차륜열차와의 차별성은 레일과 비접촉하며 다니는 우수한 주행능력으로 저소음, 저진동, 무분진환경친화적인 교통수단이라는 점입니다. 또한 이러한 특성 때문에 구불구불한 곡선이나 언덕주행에서도 더 나은 성능을 발휘하여, 복잡한 도심에서 기존 도시 지하철에 사용된 철제차륜열차 보다 장점을 가지고 있으며, 도심의 Landmark 기능 및 관광과 연계도 가능하다고 합니다.

도시형자기부상열차의 모형

인천공항에 상용 운영 될 자기부상열차 및 역의 모형도


 

 

 

 

 

2013년부터 인천공항에 상용화 될 도시형 자기부상열차는 여러 역사를 두고 있으며, 최대 시속 110km/h의 중저속형 자기부상열차 모델이 됩니다. 이는 지난 2005년 3월에 일본 나고야에서 상용화된 9km 구간의 중저속형 시속 100km/h의 모델에 이어 세계에서 2번째 입니다. 이 외에도, 세계적으로 독일의 고속형 모델, 미국의 중저속형 모델, 중국의 중저속형 모델이 개발 단계라고 합니다.

자기부상열차의 운행 모습

오늘 시승 체험에는 중국에서 고위 관료들이 방문해 취재에 양해를 구하고 같이 탑승하게 되었습니다. 관계자의 말에 따르면 최근 내빈 및 일반 시민들을 대상으로 한 탑승 체험 및 취재 일정이 많이 잡혀있다고 하네요. 일단 시승 후 첫 느낌은 굉장히 ‘가볍다’ 라는 것이었습니다. 지금은 앞, 뒤로 연구원이 운전자 역할을 하지만 실제 배치 될 때에는 모두 무인으로 운영된다고 합니다. 덕분에 인건비를 절감할 수 있으며, 접촉부분이 없어 마모되는 부품이 없어 기존 대비 유지보수비가 약 80% 가까이 절감된다고 하네요.

창문의 미스트 윈도우 (Mist Window) 기능 : 도시 주민의 사생활 보호

사진의 창문 쪽을 주목해주세요! 자기부상열차는 도심이나 거주구역을 지나갈 때 미스트 윈도우 (Mist Window) 기능이 자동으로 작동하는데요, 이를 위해 유리가 반투명이 되는 스마트 유리를 장착했다고 합니다. 제동장치 또한 전기제동 및 공,유압 방식의 기계제동을 동시에 채용하여 안전성을 높였고, 경량화 된 차체 및 곡선미를 살린 유려한 디자인, LED 조명 등으로 복잡한 도심 속에서 최적의 운송수단이 될 것이라는 생각이 들었습니다. 실제로 대도시의 경우 교통 혼잡에 따라 발생하는 사회적 비용이 커져가고 있는데, 이러한 시스템을 도입하면 교통 분산에 따른 사회적 비용 절감에 큰 도움이 될 것 같습니다.

필자와 기계연구원 임시 방문증과 함께 한 컷 ^^

탑승 기념으로 기자단도 한 컷 기념사진을 남겼습니다 ^^

주행 조작 & 계기판

이 부분은 앞, 뒤로 마련된 주행을 조작 할 수 있는 계기판의 모습입니다. 대부분은 자동으로 효율적인 알고리즘에 따라 운행 되나, 이렇게 수동 조작도 가능 합니다. 실제 운행 시에는 거의 대부분 무인 운행 하게 됩니다.

자기부상열차 정차 역에서의 모습

저속모드 / 중속모드로 2회 종점을 왕복 한 후에 정차 역에서 정차를 하였습니다.
아쉽게도 최대 속력까지 낼 만큼 충분한 거리가 아니어서 중속까지만 운행했지만, 상당히 쾌적하고 빠르며 승차감도 좋았습니다. 기존의 대전 EXPO 과학공원 및 대전 국립중앙과학관에 설치된 자기부상열차와는 많은 기술적 발전이 있었습니다. 기존의 것은 상용화 단계라고 하기에는 미흡한 성능을 보여주었으나, 최근 개발된 기계연의 도시형 자기부상열차는 최고 시속의 개선, 부상제어기 적용, 전력소비 감소, 경량화, 승차감 향상, 곡선 주행성능 및 안정성 개선, 진동 흡수능력 개선 등의 많은 발전을 이루었습니다.

자기부상열차의 무인주행 모습

시연회에 참석했던 탑승객들이 떠난 후 여러 번의 테스트를 위해서 무인 주행하고 있는 모습입니다. 인천공항에서의 시범노선의 상용화 이후에도 지속적으로 개발하며, 추후에 고속형 모델까지 개발하여 차세대 한국형 고속열차 까지 상용화 시킬 계획이라고 합니다.

한국기계연구원 및 도시형 자기부상열차에 대해서 좀 더 자세히 알고 싶으시다면, 기계연구원 (http://www.kimm.re.kr/), 도시형 자기부상열차 실용화 사업단(http://www.maglev.re.kr/) 홈페이지를 참조해 주세요. ^^

감사합니다.

글 | 국가과학기술위원회 블로그 기자 박 헌 준

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