[스마트시티투데이]
과학기술정보통신부와 한국연구재단은 이달의 과학기술인상 9월 수상자로 한국철도기술연구원 김동현 수석연구원을 선정했다고 밝혔다.
‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여하는 시상이다.
과기정통부와 연구재단은 김동현 수석연구원이 고속철도 터널에서 발생하는 터널 소닉붐을 80% 이상 줄인 세계 최고성능의 ‘터널 소닉붐 저감후드’를 개발하고 국민의 삶의 질 향상에 기여한 공로를 높이 평가했다고 밝혔다.
고속열차가 터널에 진입하면 터널 내부에 압력파가 생성되고, 그 일부가 충격성 소음/진동의 형태로 터널 출구를 통해 빠져 나간다. 이 때 발생하는 폭발음이 제트기가 음속을 돌파할 때 발생하는 소닉붐(sonic boom)과 비슷하여, 이를 ‘터널 소닉붐’이라고 부른다.
터널 소닉붐은 터널 출구 주변 민가와 축사 등에 피해를 주기 때문에 이를 줄이기 위한 방법으로 터널 입구에 별도의 구조물인 ‘소음 저감용 후드’를 설치했는데, 이 경우에도 소음 저감 효과는 50% 내외로 한계가 있었다.
김동현 수석연구원은 ‘소음 저감용 후드’의 성능 향상을 위해 상어의 호흡방식을 모사하여, ‘터널 소닉붐 저감후드’를 개발했다.
상어는 시속 50km에 달하는 고속유영 시 입으로 들어오는 바닷물의 압력을 줄이려고 양쪽 아가미를 벌리는데, 연구팀은 상어 입안과 아가미의 3차원 구조를 생체 모사하여, 실험을 통해 압력변화가 최소화되는 지점을 규명하고, 이를 응용하여 ‘저감후드’를 개발했다.
김동현 수석연구원이 개발한 ‘저감후드’는 터널 폭발음 저감 성능이 기존 장치 대비 30% 이상 우수하며, 후드 제작비도 약 40% 절감할 수 있다. 관련 연구성과는 미국, 일본, 독일, 중국에 국제특허 등록을 완료했다.
또한, 지난 7월부터는 이천-문경 신규철도의 신풍터널을 비롯해 다양한 철도건설 현장에 저감후드가 적용되어 운행속도 향상과 터널 건설비 절감에 기여하고 있다.
김동현 수석연구원은 “세계 최고성능의 터널 소닉붐 저감장치 개발은 고속철도 터널 건설의 경제성을 높이고 국민들의 삶의 질 개선에 기여했다는 점에 의의가 있다”라며 “앞으로 국내/외 고속철도에 ‘저감후드’ 기술을 널리 보급하는데 노력하겠다”라고 밝혔다.
■ 김동현 수석연구원 주요 연구성과 설명
ㅇ 고효율 고속 호흡을 하는 상어 생체모사 기술개발
많은 종의 상어는 일반 물고기의‘저속 2단계 구강 호흡 방식(buccal pumping)’과 달리 고속 유영으로 들어오는 물을 입안으로 그대로 밀어 넣어서 아가미 틈새로 배출(ram ventilation)하며 강제 고속호흡을 한다.
또한, 상어가 고속으로 헤엄치며 먹이 사냥 시에 아가미 틈새가 더욱 확대되는데 이 틈새는 물의 유입 방향에 가능한 마주보는 각도로 상어 입안의 내부공간이 변형된다. 유선형 입을 통하여 유입되는 물은 입안 양쪽의 확대된 아가미 틈새로 배출하게 된다.
이때 상어 입안 식도 입구에서의 압력변화는 아가미 틈새로의 물 배출로 인하여 최대한 저감 될 것이라는 가정을 세우고 생체 모사하여 실험으로 이를 규명하였다. 즉, 터널 입구 후드 구조체는 상어의 압력변화 저감 기능을 생체 모사하여 개발하였다.
고속열차가 터널에 진입하기 바로 전부터 차량 앞부분에서 발생하는 압력파를 정면에서 마주보며 능동적으로 압력변화를 경감하도록 후드 구조체를 공기역학적으로 최적 설계 개발하였다.
ㅇ 고성능 터널 소닉붐 폭발음 저감장치 개발
고속철도에서 고성능 터널 폭발음 저감후드를 개발하기 위하여, 에어-건 방식의‘1/60축척의 초고속 열차모델 터널 주행시험장치’를 독자방식으로 자체 설계·제작했다.
터널 출구에 설치하는 `소음기 원리'를 적용하지 않고, 터널 입구에 설치하는‘공기역학적 압력변화 저감 방법’을 적용하여 개발하였다.
또한, 실물 크기 현장시험을 위하여 오송종합시험선 터널에 상어후드를 제작/설치하여 성능을 검증하였다.
일본, 독일, 중국 등에서 적용하는 후드 구조체는 폭발음 저감 성능이 50% 내외이나, 상어 생체모사 후드 구조체는 같은 크기에서 저감 성능이 최대 84%로 철도선진국 대비 30% 이상 더 우수하며, 후드 제작비를 약 40% 절감할 수 있다.
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