1. 도입
가. 우수한 공기역학적 디자인은 기관차와 철도차량의 효율성 향상에 결정적인 요소인데, 본 자료는 유니언 퍼시픽(Union Pacific)의 새로운 애로우에지(Arrowedge) 기술을 분석하고 공기역학 분야의 다른 혁신기술 정보와 그것이 철도 운영 효율화에 미치는 영향을 분석한 것임
나. 8개의 미국 주를 포괄하고 3개의 표준시간대 변경이 필요한 1,700마일을 달리면서 북동부 일리노이즈의 죨리엣시와 남부 캘리포니아의 롱 비치를 연결하는 철도는, 시카고와 뉴 올리온스 서부의 23개 주를 포괄하는 유니언 퍼시픽의 미로 같은 노선의 일부로서 농산품과 자동차 제품에서부터 화학제품, 석탄 그리고 환적화물까지 모든 것을 수송함
  1) 2013년 9월, 글로벌 공급망에서 중요한 의미가 있는 이 노선의 기관차가 애로우에지(Arrowedge®) 형태로 운행을 시작했는데, 이 디자인은 연료와 2층 환적 화물열차에서의 기관차 배출가스를 감소시키기 위한 새로운 공기역학적 기술임
  2) 몇 년간에 걸친 개발과정과 전문가들이 설계한 차량은 공기역학적 효율성을 향상시키고 연료-절감 기술에 투자하려는 글로벌 철도산업계 노력의 증거임
  3) 유니언 퍼시픽의 자동차 및 기관차공학 책임자인 마이크 이덴(Mike Iden)씨는, "애로우에지(Arrowedge) 기술은 운영 및 환경적 지속가능 편익을 위한 혁신적인 기술개발에 초점을 둔 유니언 퍼시픽의 중점사항을 대표하는 것이며, 이 기술은 결국 고객서비스와 지역사회에의 공헌으로 귀결된다. 이 혁신기술이 실제로 적용되는 것과 추가적인 연구개발의 발판이 될 것이라는 사실이 매우 흥분된다."라고 밝힘
2. 애로우에지(Arrowedge) 기술 요약
가. 환적 화물 컨테이너나 차량은 철도, 선박 그리고 도로 사용에 최적화되므로, 교통모드를 바꿀 때 화물 그 자체를 다룰 필요성이 없어 규모의 경제를 달성하고 보안과 신속한 수송을 향상시키고 장거리에 걸쳐 비용과 이산화탄소 배출량을 감소시킴
  1) 2층 환적 열차는 승차감 향상과 차량 이용률 효율화를 위해 화물 컨테이너를 2층으로 적재하며, 48피트 높이의 애로우에지(Arrowedge) 차량의 혁신적인 테이퍼 구체는 공기가 열차의 제일 첫 차량 컨테이너 주위를 아주 쉽게 흘러가도록 함으로써 공기 항력(aerodynamic drag)을 감소시킴

 2) 이것은 약 일만 명 정도로 평가되는 고객들의 화물이 더욱 효과적으로 수송되고, 열차를 구동시키기 위한 기관차 출력의 양이 감소함을 의미함
  3) 미국에서 가장 큰 철도 네트워크 중의 하나인 유니언 퍼시픽이 포괄하는 31,900마일의 전체 노선을 고려하면, 이러한 효율성은 연료와 배출가스의 상당한 감소로 평가되며(더 정확한 지표는 운영 시험 이후에 발표될 예정임), 철도시스템이 육지에서 화물수송을 담당하는 가장 에너지-효율적인 수단임을 보장하는 것임
    가) 예를 들어, 한 대의 열차는 300대의 트럭을 대체하여 배출가스와 미국 도로의 성능저하와 교량 인프라시설에의 스트레스를 감소시킴
    나) 그런데, 온실가스 감소는 단거리의 도로교통에 소비되는 여행시간 감소에 의해 상쇄될 수도 있음
3. 열차 RIG 및 자동화 기계 비전기술
가. 공기역학은 공기의 움직임과 고체 물체와의 상호작용에 대한 연구 학문으로, 현대의 고속열차에서 이 분야는 에너지와 연료를 절감하고 동시에 운영효율성과 안전성(이 분야는 주로 옆바람과 고속에서의 안정성에 초점을 두고 있음) 최적화를 위해 기관차와 철도차량에 미치는 공기 항력의 효과를 완화함을 의미함
  1) 공개된 장소를 열차가 지나치거나 터널을 통해 지나감으로써 발생하는 압력 펄스와 압력파는 광범위한 연구 주제임
  2) 버밍험 대학교 철도연구 및 교육센터 책임자인 크리스 베이커(Chris Baker)에 의하면, 공개 장소를 지나감으로써 발생하는 현상은 열차 그 자체와 궤도 구조물에 구조적인 문제를 발생시키지만, 후자의 현상은 열차가 터널로 진입할 때 연속 압력파를 생성하게 되고 이것이 실외 공기를 때리고 열차 후부 쪽으로 튀는 것임
  3) 초고속열차도 터널 출구에서 음속 폭음(sonic booms)을 생성하는 것으로 알려져 있음
     (나팔 모양의 터널 출입구와 압력 배기용 덕트가 이러한 압력 변동을 완화하고 있음)
  4) 고속 여객열차 후부와 화물열차의 측면에 있는 후류와 항적(Slipstreams and wakes)도 대기 승객의 위험을 줄여 줌
나. 트랜지언트 철도 공기역학 실험(TRAIN, Transient Railway Aerodynamics Investigation) 장비는 버밍험 대학교의 소유로 세계에서 3~4개 정도밖에 없는 장비로써, 철도 공기역학에 대한 실험적인 조사 수행을 위해 특수하게 제작된 것임

1) 차량 모델은 모델용 정거장이나 터널을 통해 초당 80미터 속도까지 발사되며, 그다음 이 TRAIN 장비는 터널과 야외 공기의 과도 압력과 열차 후류를 정확하게 모델링하고 그 상세 데이터는 기관차 설계에 사용됨

다. 대서양을 넘어, 미국 일리노이즈 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스(Urbana-Champaign University) 연구팀은 BNSF 철도의 시카고부터 로스앤젤레스까지의 인터모달 코리도에 관한 자동 머신 비전시스템(automated machine vision system)을 사용하여 화물열차 공기역학을 개선하는 중임

1) 이 시스템은 전체 차량에 대한 파노라마 이미지를 캡처하고, 이것은 컨테이너와 트레일러의 적하 패턴 그리고 둘 사이의 간격 길이 등을 측정하고 분석하며 공기역학 스코어링도 담당함

2) 이 데이터는 각 열차의 화물 적하 효율성 결정 평가에 사용되고, 공기역학 계수도 계산되어 열차의 연료 소비량이 미국철도협회(Association of American Railroad)의 열차 에너지 모델(TEM, Train Energy Model) 소프트웨어에 의해 계산됨(이 소프트웨어는 열차 연료 소비의 정확한 평가를 위해 공기역학, 무게, 열차 취급 및 노선 특성 등을 사용함)

 

4. 우수한 디자인 : 바이오닉스와 공기효율적 차량 디자인

가. 이러한 혁신적인 연구작업은 독일 봄바르디어의 여객열차 디자인 분야에서 유럽에 투영되고 있음

1) 2010년에 베일을 벗은 이 회사의 [ZEFIRO] 초고속열차는 낮은 공기 항력과 옆바람 상황에서의 높은 안정성 측면에서 새로운 벤치마킹 대상이 되고 있음

2) 시스템 엔지니어링 연구에서 자연 그대로의 생물학적 방식을 응용하는 바이오닉스(bionics)와 우수한 컴퓨터 모델링 기술을 사용하여 디자인된 봄바르디어의 [ZEFIRO] 초고속열차는 25%의 공기 항력 감소와 구동 에너지 15% 절감 그리고 레일부담력을 5~7톤 정도까지 제공하는 선두차량의 풍력 감소를 이루어 냄 

 3) 봄바르디어의 최신식 컴퓨터 지원 엔지니어링(CAE, computer aided engineering) 툴은 열차의 선두부와 후두부의 대안 디자인, 스포일러, 판토그라프 통합 솔루션 그리고 대차 공간 배치와 결합 등을 최적화 배치하기 위해 60개의 다른 파라메타를 통합시킴
  4) 결과는 긍정적으로, 원래 디자인 콘셉트 3종류 중의 하나인 [ZEFIRO 380] 차량의 공기역학 디자인은 20%까지 에너지 절감이 가능함
  5) 또한, 2013년 9월 봄바르디어의 새 2층 전동차인 [OMNEO]가 프랑스 국영철도회사(SCNF)에 의해 공개됨
  6) 베를린에 기반을 둔 기술 전문회사의 [ECO4] 제품 계열의 일부로, [OMNEO] 차량은 기존의 2층 열차와 비교하여 약 3% 정도의 에너지 소비량 절감을 위해 이 회사의 우수한 공기효율적인 최적화된 열차 형태 기술을 접목시킴

5. 미래의 공기역학적 디자인
가. 아시아-태평양과는 별개로, 항공화물에서 도로, 해상 그리고 철도로의 모달 시프트는 계속되고 있으며 계속적인 유럽과 미국의 경제 불확실성이 이를 부추기고 있음
  1) 글로벌 항공산업은 2011년과 2013년 사이에 연간 약 2.4% 증가했지만, 2010년의 가장 가파른 상승 이후로 내리막길임
  2) 유니언 퍼시픽에 의하면, 디젤 연료 1갈론으로 1톤의 화물을 480마일 운반할 수 있지만, 표준적인 자동차로는 200마일 정도밖에 이동하지 못함
  3) 공기 항력을 줄이고 연비를 더 최적화시키는 것의 중요성이 증가하고 있는데, 그것은 철도교통이 육로 상에서 화물을 수송하는데 가장 에너지-효율적인 방법이기 때문임
나. 이러한 트렌드는 서유럽과 아시아의 상호호환적 여객 철도시장에서도 경쟁이 증가하는 것으로 투영되고 있으며, 통근열차도 항공교통의 대안으로 비용효율적이고 친환경적인 대안을 모색하고 있음
  1) 350kmph 속도를 초과하는 상하이 자기부상열차와 하모니 [CRH 380A]와 같은 초고속열차는 에너지와 연료를 절감하고 운영 효율성과 안전을 최적화하기 위해 공기 항력을 줄이는 것이 표준으로 되어 있으며, 이것은 우선적인 문제이며 열차 설계자와 엔지니어들이 가장 최신의 기술혁신을 창조하기 위해 계속 노력을 해야 하는 분야임