[HEMU 특집 포스팅 1편] 시속 430km 급 차세대 고속열차 HEMU-430X 개요 및 최고 운행속도에 대한 고찰

안녕하세요. 최연수 입니다.

새로 기획한 HEMU 특집 포스팅을 시작합니다.

본 HEMU 특집 포스팅에서는 차세대고속열차인 HEMU-430X를 비롯한 동력분산형고속철도 신규차량에 대해 집중적으로 다루게 됩니다.

HEMU란 용어가 Highspeed Electric Multiple Unit 의 약자로 고속철도차량을 뜻하고 여기에는 KTX, KTX-산천, HSR350X, HEMU-430X가 모두 포함되나, 본 코너에서는 HEMU-430X와 향후 KTX를 대체하여 도입될 HEMU-430X의 양산형 고속철도차량들. 즉 차세대 고속철도 차량들 만을 대상으로 합니다.

빠르면 내년에 볼 수 있게 될, 호남고속철도 및 수도권 고속철도 개통에 대비해 반입될 개량형 KTX-산천 차량에 대해서는 기존의 KTX-산천 특집포스팅 코너에서 다룰 예정입니다.

당장은 차세대 고속철도 시제차량 만이 나와 있으니, 지금부터 최소 2016년 까지는 HEMU-430X 전용 코너로 활용 될 예정입니다.

일단 지금 기획중인 분량만 최소 5개는 나오고 모두 차량 개요 포스팅으로 나가게 될겁니다.

1편 에서는 차세대고속열차 시제차량 HEMU-430X 의 사업개요와 시속 430km 급 고속철도 차량이라는 것에 집중해서 다루고, 세계를 무대로 HEMU-430X 와 경쟁하게 될, 각국의 신형 고속철도 차량과의 비교하는 내용으로 끌어가 보겠습니다.

본문에 들어가기에 앞서 일단 제가 제공받은 자료는 위에 보시는 인터넷 기사에 공개된 언론용 보도자료가 전부입니다.

2012년 2월 9일 언론매체 최초로 레일러에서 HEMU-430X를 취재하여 기사화 하였지만, 기고 할 당시에도 제가 받은 자료는 한페이지 분량 PRESS용 자료가 전부였습니다.

실제 내용은 위에 나온것보다 조금 더 있는데, 그리 대단한건 아니고 대외적으로 공개되는 차량 소개용 브로슈어에 거의 다 있는 내용입니다.

표면적으로 제시된 간단힌 제원 비교자료를 바탕으로 실차 곳곳을 들여다보며 나름대로 관찰한 정보는 머릿속에 담아 두었습니다.

어떤 철도차량에 대해 알고자 할때, 아무리 자세한 자료나 도면보다도 실차를 직접 보고 느끼는 것이 가장 큰 도움이 됩니다.

기대보다 얻어진 자료가 미약하긴 하지만, 그건 어쩔수가 없습니다.

정부 주도로 기획된 국가 전략 기술개발 사업이고 현재 연구개발이 진행중에 있기 때문에, 연구중인 상태에서 세부 정보는 철저하게 보안 처리되고 있습니다.

모쪼록 이 언론용 프레스 자료 한장도 지금의 상황에서는 무척이나 깨알같고 소중한 정보가 됩니다.

 본론으로 들어갑시다.

[차세대 고속철도 시제차량 HEMU-430x]

이번 포스팅의 주인공인 HEMU-430X 입니다.

HEMU-430X의 의미를 풀어보면 다음과 같습니다.

 Highspeed Electric Multiple Unit – 430 km/h eXperiment

마지막에 ‘X’가 eXperiment 를 의미하는 것에 주목해야 합니다.

이 차량은 차세대고속철도기술개발사업에 의해 개발된 시속 430km/h 급 고속철도 시제차량 입니다.

이 차량을 놓고 3세대 고속철도차량 이라고 할 수는 있는데, 이차가 KTX-산천에 이어 운행하게 될 KTX-III이다.

라고 벌써부터 단언하기는 어렵습니다.

연구개발을 위해 특별히 제작된 철도차량 이기 때문에 어디까지나 실험용으로만 운용되며, 그렇기 때문에 단 1개 편성만 만들어 졌습니다.

양산형 차량은 연구사업이 종료된 이후에 연구결과와 운영주체의 요구사항을 바탕으로 새로운 형태로 다시 만들어 질 것입니다.

본래 양산화 예정년도를 2015년으로 잡았는데, 현재 사업 진행이 최소 6개월 이상 지체 되었습니다.

제 때 발맞추어 양산차 시안이 나올 수 있을지 모르지만, 조금 늦춰지더라도 빈 틈없이 연구개발에 박차를 가하는 것이 중요하겠죠.

늦더라도 확실해 해야 하니까요.

이 차량의 다른 이름이 ‘해무’ 로 불리는것에 대해서

HEMU를 사람들이 제멋대로 읽기 쉽게 읽으려다가 ‘해무’가 되었다.

그렇게 읽는다면, 영문 발음을 ‘헤무’로 하는게 옳은표현 아니냐

라는 등의 의견들이 있었던것 같은데요.

해무는 한국철도기술연구원에서 HEMU-430X 라는 이름과는 별도로 우리말로 부르기 쉽게 하려고 붙인 이름입니다.

해무(海霧)는 바다 안개를 뜻하는 데, 차세대 고속열차가 베일속에 쌓여져 있다가 바다안개가 서서히 걷히며 푸른 바다가 드러나듯 화려하게 그 위용을 드리운다는 감성적인 의미를 내포하고 있다고 합니다.

이 얘기는 철도기술연구원 고속철도연구본부 본부장님께 직접 들은 것입니다.

(항상 객관적인 자료로 입증할 수 있는 것이나 과학적으로 증명할 수 있는 내용만을 선정해서 쓰겠다는 초심을 잃지 않으려 애를 쓰고 있습니다.)

이 기차는 기술개발용 시험 차량으로서 지금의 KTX-산천 보다 진보된 성능을 가지는 고성능 고속철도차량을 개발하려는 취지 하에 개발된 차량으로 ‘차세대(Next Generation) 라는 수식어까지 붙었습니다.

차세대 라는 말이 무색하지 않도록 이 차량은 전작인 KTX, KTX-산천과는 닮은 부분을 찾는것이 쉽지 않을 정도로 백지 상태에서 부터 새롭게 설계 되어 거의 모든면에서 KTX-산천보다 훨씬 강력하게 진화했습니다.

차량의 기술적 특성에 대해서는 이 한편의 포스팅으로 모두 아우르기에는 할 말이 상당히 많고 그 내용이 방대하니 몇편에 걸쳐서 나눠 하겠습니다.

일부 내용은 레일러에 했던 본문 내용을 일부 빌려와 모양새만 살짝 고쳐 놓았습니다.

공식적인 기사에서나 블로그내 포스팅에서나 모두 제가 직접 쓰는 것이니 서술하는 시각이나 입장이 크게 다를 것은 없습니다.

‘고속철도(rapid-transit)’ 에 대한 세계적인 동향에 대해 간략하게 짚고 넘어가 봅시다.

지금 세계는 고속철도 건설 전쟁을 벌이고 있습니다.

1964년 일본의 도카이도 신칸센이 개통 하면서 고속철도 시대가 개막 되었습니다.

 이후 일본을 좇아 프랑스 TGV, 독일 ICE가 각자 독자적인 기술력을 바탕으로 개발한 고속철도의 상업운전을 시작하였고 1964년 시속 220km로 시작된 고속철도의 최고속도는 90년대에 접어들면서 시속300km에 이르러 오늘날 대부분의 고속철도는 300~360km/h의 속도로 운행되고 있습니다.

고속철도라는 획기적인 교통수단이 탄생한지 40년이 지났음에도 수년간 전 세계적으로 고속철도는 독일, 프랑스, 일본과 이들의 나라에서 고속철도를 수입하여 운행하는 유럽권 강대국들의 전유물 이었습니다.

앞서 언급한 고속철도기술 보유국과 일부 서, 북 유럽권을 제외한 대부분의 국가에서는 국가간 이동을 위한 교통수단으로 항공산업에 보다 많은 관심을 기울였습니다.

세계 경제대국 이라는 미국의 경우에도 워낙 땅이 크다보니, 항공산업이 조기에 발달하면서 고속철도 같은건 안중에도 없었고 2000년 개통한 보스턴-워싱턴 간의 준고속 철도 아셀라 익스프레스(ACELA Express)가 미국의 유일한 고속철도로 남아 있을 뿐 이었죠.

그러나 2000년대 이후로 전 세계가 무서운 기세로 고속철도 건설에 관심을 기울이고 있습니다.

2004년 고속철을 개통한 한국에 이어 2006년, 대만이 신칸센 기술을 도입하여 고속철도 운행을 시작하였고 1997년경 부터 고속철도에 관심을 가지기 시작한 중국도 2008년 베이징올림픽을 앞두고 일본, 독일, 프랑스, 캐나다의 각국 고속철 기술을 모조리 사들여 이들 차량을 바탕으로 베이징-텐진간의 징진 고속철도를 개통시키면서 고속철도 노선 확장에 박차를 기하고 있습니다.

2012년 현재 중국의 고속철도는 약 8,358km의 세계 최장 고속철도망을 가지고 있으나, 오는 2020년까지 약 28,000km의 고속철도망을 추가로 건설할 계획을 가지고 있으며 러시아와 이태리 등도 각자 독일과 프랑스로부터 고속철도차량 도입계약을 체결하여 올해에서 내년에는 상업운전을 펼칠 예정이고 인도, 브라질 에서도 고속철도 건설 계획을 세우고 있습니다.

그리고 앞서 언급했던 수년간 고속철도 투자에 대한 관심도가 미미했던 미국의 경우도 2009년 대규모 고속철도 건설계획을 세워 2030년 까지 4,800km의 고속철도망을 신설할 것이라 밝힌 바 있습니다.

일부는 취소되고 계획이 변경되는 등 아직까지 조금 불안정한 모양인데, 고속철 건설 계획에 대한 의지는 아직도 뚜렷해 보입니다.

 전 세계가 고속철도산업에 주목하고 있는 지금, 세계적으로 고속철도차량 제작기술을 보유하고 있는 나라는 일본, 독일, 프랑스, 한국, 중국, 캐나다, (이탈리아) 정도가 전부 입니다.

독ㆍ영ㆍ프는 오래전 부터 각자 독립적인 고속철 기술을 보유해 왔기로 유명하고, 캐나다는 자체적으로 보유한 자국 고속철은 아직 없으나 민간용 항공기 및 철도차량 제작기술을 가지고 있는 봄바르디어사가 알스톰으로 부터 일부 제휴된 기술력을 바탕으로한 고속철 기술을 가지고 있습니다.

엄밀히 따지면 본사가 독일 카셀에 위치해 있고 독일의 철도차량 제조 회사를 사들여 몸집을 키웠으니 철차생산을 주력하는 Bombardier Transportation을 독일 기업으로 보는 는 시선이 많습니다.

중국은 대륙적 스케일에 걸맞게 독일, 영국, 프랑스, 캐나다의 고속철을 모조리 사들인 뒤, 이들을 뜯어내어 각 고속철 차량별 특장점 만을 다시 모아 궁극의 고속철을 만들어 내기도 하고 있으며, 벌써 십 수종류의 바리에이션을 탄생 시켰습니다.

우리나라의 경우 1994년부터 프랑스로부터 TGV 차량과 고속철도 운행과 관련한 기반기술 일체를 도입하여 2004년 경부고속철도를 개통한 이래 2012년 현재 경부선, 호남선, 전라선, 경전선에 고속철도차량을 투입하고 있으며, 오는 2014년 수도권 고속철도와 2015년 호남고속철도의 개통을 위한 준비에 한창입니다.

프랑스로부터 도입한 기술력을 바탕으로 경부고속철도가 건설되는 동안. 1996년부터 우리나라 기술력으로 고속철도차량을 제조하기 위하여 고속철도차량 국산화 사업으로 이른바 한국형고속철도기술개발사업이 진행되었습니다.

이 사업은 2006년까지 12년간 장기 프로젝트로 진행 되었고, 그 사업의 결과로써 2002년 시속 350km/h급으로 주행할 수 있는 성능을 지닌 고속철도 시제차량 HSR350X가 탄생하였으며 2004년 최고 주행속도 기록인 352.4km/h를 달성하였습니다.

HSR350X의 연구사업이 성공적으로 마무리 된 이후 2007년부터 본격적으로 양산형 차량 개발에 뛰어들어 2009년.

국산 고속철도차량인 KTX-산천을 개발. 

지금까지 19편성 190량이 도입되어 운행중에 있으며, 올 연내로 인수될 5편성 50량과 2015년 호남고속철도 운행을 위해 추가 도입되는 22편성 220량 까지 도합 46편성이 발주된 상태입니다.

한국형 고속철도 시제차량 HSR350X 에 대해서는 위에 정리해놓은 DATABASE를 참조하시기 바랍니다.

차량 도입사 부터 차량내 외관부터 내장까지 2편의 포스팅으로 나누어 소개해 놓았습니다.

프롤로그 정도만 훑어 보셔도 한국형 고속철도 기술개발 사업에 대한 전반적인 이야기를 읽을 수 있도록 써 놓았습니다.

위 포스팅(DB 자료)를 보셨더라면 알고 계실만한 내용 입니다만.

한국형 고속전철 시제차량 HSR350X와 양산형 KTX-산천은 1994년. 우리나라가 알스톰으로부터 합법적인 절차를 밟아 이전받은 TGV차량 제조기술 50%를 바탕으로 차량의 주요 시스템을 한국화 한 차량으로 형태상 으로만 TGV와 유사할 뿐 이며

차량의 실직적인 동력 구조와 주 시스템은 독립적인 것으로 오늘날 TGV 차량과 동등 혹은 그 이상의 성능을 보여주는 것으로 인정 받고 있습니다.

그러나 차량의 기본적인 설계 특성은 TGV의 것을 차용하였기 때문에, TGV의 변종이라는 굴레에서 벗어나지 못한다는 것이 한계였습니다.

당장 껍데기만 살펴 보더라도, 누가봐도 TGV 계열 차량이라고 할 만큼 외형적으로는 TGV 티를 벗지 못 했으니까요.

더 이상 TGV를 기반으로 한 설계구조의 영향을 받지 않고 한국만의 독자적인 고속철도차량을 개발하여 향후 국내 고속철도차량 수요에 적극적으로 대응하고 나아가 세계 고속철도시장에서의 경쟁력을 확보하기 위하여 차세대고속철도기술개발사업이 시작 되었습니다.

차세대고속철도기술개발사업은 국토해양부주관부처로 하고 한국건설교통기술평가원전문기관으로 하며 한국철도기술연구원에서 연구사업을 총괄하여 지난 2007년 7월부터 시작되어 2013년 7월까지 6년간 진행되는 R & D 사업 입니다.

본 연구사업에 있어서는 1996년 한국형 고속철도 기술개발사업에서부터 고속철도차량 연구개발을 진행해 왔던 한국철도기술연구원 고속철도시스템연구단의 김기환 단장님 께서 사업을 총괄 지휘 하는 사업단장직을 맡게 되셨습니다.

김기환 단장님은 개인적으로 지금까지 만나본 철도인중 가장 멋진분 중 한분으로 생각하며, 아주 존경하는 분 인데 그야말로 살아 숨쉬는 고속철도차량기술의 명장이자 한국 고속철도의 아버지라는 말이 무색하지 않을 만큼의 위인중의 위인 이십니다.

한국철도 차량계에 이런 분들이 계셔서 우리나라 철도기술력이 단기간에 이렇게 급성장 할 수 있었다고 확신합니다.

한국철도기술연구원 고속철도연구센터 산하에 연구인력만 125명에 달한다고 하던데, 그중 대다수가 96년부터 한국형 고속철도 기술개발사업을 이끌어 왔던 핵심 인재들로 구성되어 있습니다.

다년간 고속철도 차량을 개발하며 수많은 실무 경험 노하우를 쌓은 대한민국 최고의 고속철도차량 전문가들의 지휘 아래 이루어지는 본 연구사업은 연구 비용으로 정부로부터 692억 원, 민간에서 279.1억 원 이 투자되어 총 971.1억 원 이 출자 되었으며, 차량 개발에는 현대로템(주) 등 26개 민간(공)기업체, 서울대학교 등 14개 대학, 3개 연구원과 한국철도공사, 한국철도시설공단 등의 철도운영 관련 운영주체 4개사가 공동으로 사업에 참여하게 됩니다.

이번 연구개발 사업에서 특히 주목할 만한 점은 과거 1996년부터 진행되었던 한국형 고속철도 기술개발사업 당시에는 연구에 직접적인 관심을 보이지 않았던, 한국철도공사가 집중적인 관심을 보이고 있다는 겁니다.

자료 사진을 한장 첨부해 보겠습니다.

[HEMU-430X 종합계측실 내의 모니터링 시스템]

모니터 화면 상단을 자세히 보시면, HEMU 차량의 계측장비 프로그램의 인터페이스 화면에 KORAIL 마크가 찍혀 있는것을 볼 수 있습니다.

고속철도차량의 실질적 운용주체에서 차량개발에 발 벗고 나서다 보니, 차량 개발과 관련하여 향후 양산형 차량을 도입운용 하게 될 사용자의 요구사항과 의견이 대폭 반영될 수 있고 기술개발 하는데 있어 시운전 측면에서 협조를 받기 또한 훨씬 수월한 이점이 생기는 겁니다.

HSR350X와 TTX 까지만 해도 운영주체인 코레일 참여 없이사업을 추진하다보니 시험을 할 때마다, 코레일측 양해를 구해야 했고 심지어 차량을 유치할 공간에 대해서도 한국철도시설공단에 돈을 주고 오송기지 시설을 이용해야 했으나 HEMU-430X는 아예 차량 고속시험 구간에 가까운 위치에 있는 한국철도공사 부산철도차량정비단 단내에 전용 차고까지 마련 되어 있습니다.

여담 이지만, TTX의 연구개발이 2007년부터 시작되어서 올해로 5년째에 접어 듭니다.

몇년동안 코레일 협조를 받아 관제 특발로 월 2회 가량 본선 시운전을 거쳤음에도 아직까지 관제에서 TTX가 뭐 하는 차량인줄도 몰라서 신호도 제대로 못 내주고 시운전 하는데, 연구원 분들이 상당히 고생하시는 것을 보았습니다.

적어도 HEMU-430X 만큼은 코레일이 연구개발에 함께 참여하고 있으니 시험하는데 혼선이 생기지는 않으리라 생각해 봅니다.

이렇게 진행되는 차세대 고속철도 기술개발 사업은 이전에 3차에 나뉘어 시행되었던 G7 사업과는 달리 차량 개발에서부터 시운전과 상용화까지를 한번에 추진하게 됩니다.

이런 국가적인 연구 사업에 필요한 연구비를 1조원 이내에서 맞출 수 있었던 것에도 분기별로 사업비용을 별도로 책정하지 아니한 것과 96년 부터 우리나라 독자적으로 확보한 기술력이 뒷받침 되어 있기에 가능한 것 이었으리라 여겨집니다.

총 6년간 진행되는 연구개발 기간은 각 2년씩 나뉘어 총 3단계로 구분됩니다.

1단계는 시스템 설계 단계로 동력분산식 고속열차의 디자인을 설계하고 추진제어장치를 비롯한 주요 전장품을 개발하는 단계

2단계는 시스템 제작 단계로서 차량 제작공장에서 차량을 제작한 후 완성차의 현차시험까지를 거치는 단계

3단계는 시스템 시험 으로 단계적인 시운전을 거쳐 최대 430km/h까지 주행할 수 있는 시제차량의 성능을 인증하는 단계 입니다.

지금 2단계 까지 사업이 끝마무리 되었고 5월 21일 차세대고속철도시운전단이 발족하여 부산을 기점으로 시운전을 준비하고 있습니다.

연구 개발 기간 동안 진행되는 기술개발 분야는 총 4개로 나뉘어 추진되고 있으며, 각 분야에서 시험하는 기술개발 사항을 요약하면 다음과 같습니다. 

1) 분산형 고속철도 시스템 엔지니어링(I-1): 차세대 고속철도 기술개발 사업을 총괄하는 단계로 430km/h 주행을 위한 시스템 엔지니어링 기술력을 확보하는 단계입니다. 이 단계에서 고속철도차량 제품개발 계획이 수립되고 시제차량의 디자인 설계가 이루어졌으며 동시에 430km 시운전을 위한 궤도, 교량, 전차선 등의 인프라 시설에 대한 통합 연구 계획도 동시에 진행되었습니다.

2) 분산형 차량성능 및 운용기반 기술개발(I-2): 430km/h급 고속철도차량을 개발하기 위한 추진제어장치와 초고속 주행과 관련된 기술기반에 집중한 단계로서 HEMU-430X 차량의 총체적인 차량 시스템 연구가 진행된 단계입니다.

3) 분산형 차량 모듈 및 시제차량 기술개발(II-1): I-2단계에서의 데이터베이스를 바탕으로 시제차량의 설계를 완성하는 단계이다. 완성차량의 공장 내 현차시험까지를 이 단계에서 최종 마무리하였습니다.

4) 고속선 선로구축물 성능향상 및 유지보수 기술개발(II-2): 초고속 주행을 위한 인프라설비 기반기술의 확충을 위해 궤도, 교량 등 설비의 성능향상을 목표로 진행되는 과정입니다.

앞에서 간략하게나마 설명하긴 했는데, 가장 중요한건 차세대 고속철도 기술개발 사업의 의의입니다.

HEMU-430X 로 통칭되는 차세대 고속철도 시제차량을 개발하는데, 겉과 속 모든 부분에서 완전히 새로운 것으로 한국만의 고유한 정체성을 살리도록 하고 다음 편에서 자세하게 다루겠지만, ‘430km/h급 동력분산식 고속철도’를 개발하는 것이 주된 목표입니다.

사업 개요에 대한 정리 요약은 이정도로 해 두겠습니다.

이번 편에서는 차량의 최고속도 430km/h. 운행 최고속도 370km/h 만을 놓고 이야기 한다고 했으니 슬슬 속도 이야기로 넘어가 봅시다.

HEMU-430X가 5월 16일  홍보가 제대로 또 정확하게 이루어지지 못해 약간의 실랑이가 벌어지고 있는것 같은데요.

네이트판 등에서 HEMU-430X에 관련한 이야기가 올라오면서, 대부분 430km/h 급 고속열차에 대해 부정적인 반응이 많아 보였습니다.

300km/h로 운행하는 KTX를 430km/h로 운행하면 요금을 더 비싸게 받을것이 아니냐는 내용으로 대부분 고속철도 운임 향상을 염려하시는 듯한 분위기 였는데요.

자세히 알고 보면 그리 걱정할 문제도 아니고 운행 속도가 뛴다고 운임이 올라간다고 생각하는것도 분명한 오류입니다.

차가 이제 막 걸음마를 뗏고 차량 연구개발이 끝나서 양산준비를 하기 전까지는 기존 KTX와 차별화 해서 운행을 할지 어찌 할지도 정해진 것이 없는데 벌써부터 이런 문제를 논하는 것은 시기상조 입니다.

코레일이 이따금씩 본의 아닌 실수를 벌이거나 얄미운 짓을 하긴 하지만, 아무런 이유없이 비싼 요금을 받아가며 국민들 등쳐먹는 악덕기업은 아닙니다.

그리고 운임이 향상된다면, 향상되는 만큼 분명히 질적 서비스의 향상이 뒷받침 될 것이고요.

당장 기존 KTX보다 객실 인테리어 및 편의도가 향상된 KTX-산천도 ‘우등실’ 할증 요금을 받는다 만다 하다가 결국은 KTX와 동일한 요금을 받아서 굴리고 있는걸요.

그리고 이 차는 당장 KTX, KTX-산천에 이어 추가로 투입되는 차량이 아니라, 2020년 경 부터 단계적으로 폐차될 KTX-I 차량의 폐차분 수요를 대체하고 향후 신규 고속철 수요를 대체하기 위한 목적으로 개발된 차량입니다.

1,600량은 개발당시에 어림잡아 추산한 물량이고 현실적으로는 상당부분 변경 되어 있습니다.

당장 애초에 치환 혹은 신조하려던 물량 일부는 개량형 KTX-산천이 먼저 선점해 가게 생겼구요. 

언론에서는 이차를 어찌 소개 하던가요?

대부분의 언론은

‘서울~부산 90분대…차세대 고속열차 ‘해무-430X’ 첫 공개’
‘시속 430㎞` 고속열차, 전국 1시간30분 시대 연다’ 이라고 소개했습니다.

심지어 저도 이 차에대해 블로그에 맛보기 포스팅을 올렸을 때에, ‘시속 430km급  차세대 고속열차’ 라고 소개 했습니다.

 

지금 KTX가 300km/h보다 조금 빠른 305km/h로 달리고 있는데, 125~130km/h 의 속도로 달린다는 말에 “와~” 하며 놀랐다가 인터넷 검색 몇번 해보고는 “에이..” 하고 실망하기 딱 좋은것이 현실적으로 고속철도 차량으로서 430km/h 라는 속도는 그리 대단한것이 아닙니다.

그 속도 자체만 보면 대단한게 아니죠.

이미 20-30년 전에 400km/h는 기본 500km/h 이상의 속도까지 뛰어넘은 독일ㆍ일본ㆍ프랑스가 픽 하며 비웃을 얘깁니다.

심지어 중국조차도 얼마전 513km/h를 내었거든요.

 

하지만 HEMU-430X의 차량 특성을 이해하고 본 차량이 지향하는 430km/h 라는 속도의 본질이 어떠한 것인지 알고 나면, 독ㆍ일ㆍ프가 감히 무시할 수 있을 만한게 아니란 걸 알 수 있게 될겁니다.

중국은 말할것도 없습니다.

다른나라가 수십년전에 해낸걸 이제서야 한다고 손가락질 하다가 어느 순간 자국 기술력에 대한 자부심으로 바뀌어 있을지 모릅니다.

그리고 이번 편에서는 최고속도만 놓고 다루겠지만, 다음편 그 다음편으로 넘어갈 수록 한국의 철도차량 기술력이 얼마나 무서운 속도로 발전했는지에 대해 거듭해서 놀라움을 금치 못하게 되실겁니다

 

이공계열 특히 공학분야에 관심이 많으신 분이라면 자국(대한민국)의 과학ㆍ기술력에 원대한 동경을 느낄지도 모르죠.

여튼 다시 430km/h에 집중해 보면,

시속 300km로 주행하는 지금의 KTX는 초당 83m을 이동하는 빠르기를 가집니다.

같은 방법으로 환산해 보자면,

시속 430km은 초속으로 환산하면 119.4m/s. 1초에 119m을 이동하는 어마어마한 속도입니다.

HEMU-430X는 운행 최고속도 430km/h. 영업 최고속도 370km/h를 목표로 하고 있습니다.

본래, 2007년 기술개발 당시의 차량의 명칭은 HEMU-400X로 설계 최고속도 400km/h, 운행 최고속도 350km/h를 목표로 하였습니다만,

2010년 겨울. 차량 설계가 마무리 단계에 접어들 무렵에 목표 최고속도가 430km/h로 향상 조정 되었습니다.

[2012년 2월 당시의 HEMU-430X의 측면 로고]

사진은 올 2월에 현대로템주식회사 창원공장에서 촬영한 HEMU-430X의 측면 로고 모습입니다.

불과 넉달전 까지만 해도 HEMU-400X라는 이름을 가지고 있었습니다.

철기연 내부적으로도 차량 명칭이 최종 확정되어 430으로 변경된 것이 올 초의 일 이라고 하더군요.

여기서 잠깐.

설계 최고속도는 430km/h인데, 영업 최고속도는 그보다 60km/h나 뒤진 370km/h 입니다.

도대체 왜 영업 최고속도를 370으로 못 박은 것 일까요? 차량 성능상 430으로 달릴 수 있음에도 영업 속도를 이렇게 낮게 규정한 것은 또 왜 일까요.

앞서 430km/h에 대해서도 약간 의미심장한 멘트를 던졌는데, 그것에 대해 명쾌하게 풀기도 전에 또 다른 의문을 제기합니다.

이들 주제는 함께 묶어서 다루어 나가야 설명하기도 쉽고 받아들이기도 편할 수 있기 때문에 동시에 제시하고 이들을 차례대로 풀어 나가 보겠습니다.

1. 운행 최고속도 430km/h.

HEMU-430X는 아직 단 한번도 430km/h로 달린적이 없습니다.

끽해야 출고식 전후로 경전선에서 150km/h 주행 시험까지만을 끝낸 상황

여기에 작년 겨울에 대차장치만 떼어 주행 테스트를 거쳤을 때에, 대차가 428.5km/h를 견딜 수 있는 것으로 결론이 났습니다.

대차가 428.5km/h 를 견뎌 냈다고 과연 열차 자체로서 430km/h 주행을 보장할 수 있는가에 대해 의문을 가지기 쉽습니다.

결론부터 말하면, 완성차가 출고된 지금 상황에서 충분히 보장 할 수 있습니다.

새로운 철도차량을 설계할 때 기술자들은 설계 데이터를 다방면으로 구축한 뒤, 수십번의 시뮬레이션을 거칩니다.

그리고 개별 전장품들의 성능을 설계속도 이상의 속도에서 성능을 발휘 할 수 있도록 개발하고 그들의 성능 시험을 별도로 거쳐 충분한 신뢰도를 확보한 후에 최종적으로 완성차에 조립하게 됩니다.

그리고 철도차량을 개발할 때 주요 부품의 배치, 전장품의 출력 및 용량 선정을 함에 있어서 그것들을 대강 만들어서 차에 싣어서 굴려보고 조정하는게 아니라 사전에 치밀하게 프로그래밍 해서 최적화된 성능으로 맞추어서 제작ㆍ탑재 하게 됩니다.

그리고 간단한 기계 공학 공식을 이용하여 차량의 치차비ㆍ견인력ㆍ동륜직경ㆍ중량정보 등을 산출한 뒤 이들을 바탕으로 계산식으로도 미리 도출해 볼 수 있고요.

목표 최고속도가 430이면 전장품들의 설계속도는 그보다 빠른 450이나 그 이상의 속도에서 견딜 수 있도록 설계합니다.

대강 잡아놓고 해놓고 430km/h 달릴 수 있을까? 한다는게 아니란 것입니다.

얼마전 웹상에 한-일 철도문화 교류 포럼이 있어서 한번 둘러 봤는데, HEMU와 관련한 글에 한 일본인 철도애호가 께서 이런 말씀을 남기셨더군요.

‘한국은, 2011년 10월에 대차성능이 428.5km/h를 돌파했다는 이유로 목표 최고속도를 400km/h에서 430km/h로 향상시켰다.’

누가 봐도 비꼬는 어조로 올라온 글 이었기 때문에 인용해 왔습니다.

웹상을 통해 한번 와전된 지식ㆍ정보는 순식간에 물 흐르듯 퍼져나가 올바르지 않은 지식정보를 고착시키고 수많은 카더라를 양산할 우려가 농후합니다.

 

일단 차량 최고속도가 430km/h 로 향상 조정된것은 대차 시험을 진행하기 훨씬 전의 일입니다.

그리고 2011년 10월 한국철도기술연구원 대차시험동에서 진행된 시험은 대차에 탑재된 견인전동기에 전력을 공급해서 차륜을 회전시킨게 아니라, 차륜 아래에 롤러장치(궤조륜)를 설치한 뒤, 롤러장치를 서서히 가속시켜 차륜을 그 위에서 구르게 하며 진행한 시험 이었습니다. 

그리고 428.5km/h 라는 결과가 나온것은 철도기술연구원이 보유한 주행장치시험기계의 성능이 최대 420km/h 까지 구를 수 있는 장비였기 때문 이었습니다.

8.5는 가볍게 오차라고 보시면 되고요.

대차 시험은 장비만 뒷받침 되었다면 이보다 빠른 속도로 굴리는 것도 충분히 가능했을 것이란 결론입니다.

2011년 10월 11일 진행된 HEMU-430X 대차장치 주행시험 테스트 사진을 올려봅니다.

아래 세장의 사진은 제가 철도전문매거진 Railers Vol.07 에 기고했던,『차세대 고속열차 대차 동적특성 주행시험』기사의 자료 사진입니다.

해당 사진이 제가 촬영한것이 아닌 관계로 회사 로고와 함께 저작권 표시를 별도로 새겼습니다.


[대차장치 시험을 위해 임시 차체에 안착된 HEMU-430X 구동대차의 모습]

한국철도기술연구원 대차시험동 구내에서 시험을 진행중인 모습입니다.

2011년 10월 당시 완성상태의 대차장치만을 가져와, 과거에 시험목적으로 개발했던, 한국 표준형 준형 전동차의 부수차중 한량의 차체에 올린 뒤 시험했습니다.

[윤축 한조가 궤조륜 위에 안착되어 동적시험을 진행중인 모습]

대차장치 시험은 위와 같은 상태에서 진행되었습니다.

보시다시피 대차에 자력으로 전력을 공급한것이 아니라 대차 하단에 롤러를 굴려 윤축이 돌아가게 하는 시험 이었습니다.

조금 더 상황을 자세히 보여주는 구도의 사진입니다.

사진은 동력대차 완성품으로 기어박스, 견인전동기 까지 모두 탑재된 상태 입니다만, 보시다시피 견인전동기에 연결되는 전력공급용 결선이 타 계기에 연결되지 않고 돌돌 말려서 묶여 있습니다.

그리고 사진을 띄운 김에 레일러 편집위원 이신 조사부장님께서 개인 블로그에 우려를 표하셨던 것 처럼 KTX, KTX-산천에 사용되는 2단 트리포트식 동력전달 방식이 아니란 것도 위 사진을 통해 해결될 수 있겠습니다. 기존 전동차, EMU 차량에서 볼 수 있었던 1단 감속 방식입니다.

대차에 대해서는 후편에서 더 자세하게 다룹니다.

이 시험은 대차장치의 구동테스트를 하기 위해 실시된 시험이 아니라, 430km/h 에 근접한 속도에서 대차장치의 주행 안정성 및 동특성이 어느정도 수준까지 확보되는지를 측정하기 위해 진행된 시험 이었습니다.

이를 위해 대차장치 시험기에 32개의 각종 가속도 측정센서와 32개의 변위 측정센서를 달아 총 64개의 센서로 대차와 대차-차체간의 주행 안정성을 체크했습니다.

우스갯 소리로 윤축(Wheel Set)는 그냥 강철로 이루어진 바퀴일 뿐 입니다.

마찰력의 저항을 받지 않는 속도 까지는 아무리 굴려도 굴러 갈 수 있고 오차 없이 정확한 원형을 유지하도록 깎기만 한다면, 500km/h, 600km/h 이상의 속도로도 충분히 굴릴 수 있습니다.

문제는 그 속도에서도 대차내 각종 현수장치가 충분히 충격을 흡수하여 안정적인 승차감을 제공할 수 있는지, 초 고속 주행이 계속되는 상황에서 대차장치에 탑재된 각종 전장품에는 얼마나 영향을 미치는지를 체크하는 것이 관건입니다.

다시 말 해 이 시험은 430km/h의 속도에서의 주행 안정성을 입증하기 위해 진행된 것 이었다는 것이지 여기서 430km/h 주행력을 체크한 것이 아니라는 겁니다.

 

저 시험을 통해서는 아니지만 차량내에 탑재되는 개별 전장품들은 모두 430km/h 의 속도를 견뎌낼 수 있을 만큼의 검증 시험을 끝마쳤습니다.

이제 완성차 에서  430km/h를 찍게 되는 두근거리는 순간이 남아 있는 것이죠.

결론적으로 430km/h 를 낼 수 있으냐 마느냐는 며느리도 모릅니다.

이론적으로 그리고 설계상으로 가능하지만 직접적으로 눈에 보이는 결과를 보여야 가능한 것이죠.

430km/h는 철도에서는 초 고속으로 분류되는 무척 빠른 속도입니다.

앞서 간단히 소개했지만 1초에 120m를 이동하고 8초면 1km를 날아가는 무척 빠른 속도입니다.

육상 교통수단으로 이러한 초고속 주행을 실현한다는 것은 분명 획기적인 것이라 여겨질 수 있는 겁니다.

서울-부산을 정말 90분내 연결할 수만 있다면 지금도 철도가 우세한 입장에 있는 국제선 항공편과의 경쟁에서 철도가 모든 면에서 압도적으로 유리하게 되겠죠.

정말 90분 내 연결 할 수 있는 계산이 나오는지는 모르겠지만, 그러려니 합니다.

결론부터 말씀 드리자면, 430km/h 라는 속도는 국내에서는 영업 운행으로 실현시킬 수 없는 영역의 속도입니다.

우리나라는 물론 전 세계를 통 틀어도 이러한 속도의 고속열차를 상업운행 시킬만큼 간담이 큰 철도 회사는 찾기 힘들겁니다.

지금까지도 그랬으니까요.

도대체 왜 못 한다는 것일까요.

수십년 전 부터 고속철도 기술본국인 독일ㆍ일본ㆍ프랑스는 300km/h의 한계를 깨기 위해 부단히 노력해 왔습니다.

그 벽은 30년 전에 깨어졌고 지금으로 부터 20년 전에는 500km/h의 초고속 주행까지 실현해 내었습니다.

대표적으로 기록갱신을 위해 괴물 고속철을 찍어내 왔던 프랑스의 예를 살펴 보겠습니다.

(일본, 독일도 속도 기록을 위해 약간의 오버스펙을 단행하긴 했지만, 프랑스에 비할 바는 못됩니다.)

1964년, 일본이 세계 최초로 200km/h 의 고속으로 주행하는 상업용 고속철도를 개통시키면서 전세계를 긴장 시켰습니다.

이에 나름 전기기관차 기술력에 자부심을 가지고 있던 프랑스에서 1965년부터 기존의 여객열차보다 훨씬 빠른 속도로 운행할 수 있는 고속열차 개발계획을 세우고 1972년 가스터빈 구동방식의 TGV-001형을 개발합니다.

이 시험차는 당시 최고 운행속도 318km/h 를 기록했고 몇년의 시간이 흘러 1981년 양산형으로 정착된 모델인 TGV Sud-Est 가 380.4km/h 기록을 세웠습니다.
그리고 10년이 지난 1990년. 신형 TGV-Atlantique 모델중 325편성을 전폭적으로 개량 하여 515.3km/h 을 기록했으며, 지금으로 부터 5년전인 2007년 4월에는 TGV-POS 차량과 TGV-DUPLEX 차량의 설계를 혼합하여 특별히 개량한 TGV-POS V150편성이 574.8km/h 라는, 최계 기록을 세우면서 휠-레일(Wheel-Rail) 방식 철차륜 철도차량으로는 세계 최고 기록을 갱신하여 기네스북에 등재 되었고 이 기록은 지금까지도 깨지지 않고 있습니다.

 

휠-레일 방식에서 500km/h 를 돌파한 것이 무려 1990년에 이루어 졌음에도, 아직까지 상업용 고속철도의 최고속도는 350-360km/h이 한선입니다.
(그것도 비교적 최근에서야 중국에서 이루어 졌고 그 전까지는 끽해야 320이 한계 였습니다.)

이상의 속도로 주행할 수 없는, 가장 큰 이유는 철도차량이 주행하는데 가장 기본적으로 뒷받침 되어야 할 요소인 점착력과 견인력이 분리되기 때문입니다.

이러한 점착력은 결코 무시할 수 없는 존재인데, 아직까지도 상업용 고속철도가 360km/h의 벽을 깨지 못하는 가장 큰 이유는 점착력의 영향이 큽니다.

철위에 철. 같은 금속재의 재질 특성상 철도차량의 금속 차륜과 선로 간에는 마찰력이 발생합니다.

이 떄의 철과 철(metal to metal) 간에 발생하는 마찰에 저항하는 힘을 점착(Adhesion) 이라고 하며, 차량의 동륜주 견인력이 점착력과 같거나 작아야만 철도차량이 원활하게 운행할 수 있는 조건이 형성됩니다.

점착력은 기본적으로 차륜과 레일간의 점착계수(μ) 와 윤중 (W) 의 곱으로 결정되며, 점착계수는 건조한 상태나 비ㆍ눈이 내리는 습윤상태에서 그 값이 달라집니다.

(너무 복잡하게 들어가면 글이 지저분해 질 것이 우려되니 이쯤 하겠습니다.)

그런데, 시속 370-380km 의 속도 대역에서는 차륜과 레일간의 점착계수 값이 급격히 낮아지고, 무척이나 빠른 속도에서는 한조의 대차 내 전ㆍ후 윤축의 축중값이 일시적으로 쏠려 하나의 차륜이 공전하는 축중이동 현상이 발생하기 쉬워 이러한 것들의 영향에 의해 주행점착력이 급격히 낮아지게 됩니다.

견인력과 점착력이 분리되는 순간, 가속시 차륜이 제자리에서 맴도는 슬립(공전) 현상이 일어나 마치 얼음장 위를 달리는 것과 같 상태가 되어 버립니다.

맑은 날 건조한 상태에서 선로 표면이 청결한 경우에는 그나마 덜 하지만, 특히 비나 눈이 내리거나 선로표면이 불청결하고 오일등이 도포되어 있는 상태라면, 정상적으로 주행하기 참 어려워 집니다.

점착력의 한계는 300을 초과하는 순간부터 서서히 무너져 내리기 시작하고 초속 100m를 기점으로 360km/h 부터는 더욱 급격히 변화합니다.

시속 300-350km의 속도로 운행하기에 적절한 성능을 갖추도록 제작된 고속열차가 이상의 속도에서 점착력을 이겨내어 한계치를 초과하는 파워를 내기 위해서는 기존보다 훨씬 큰 견인력이 요구 되어야만 합니다.

그까짓거 출력좀 더 빵빵하게 하면 될것 아니냐 라고 하실지 모르겠지만, 이전의 차량의 속도를 추진시키던 힘으로는 역부족이고 전동기의 토크를 더욱 세게 하기 위해서 거의 배이상의 전동기 출력이 요구됩니다.

이 상태에서 전동기에는 풀 파워로 부하가 공급되어야 하고 결과적으로 엄청난 전력소모가 발생합니다.

뒤에서 언급하겠지만, 일본에서는 2007년, 기존의 신칸센 열차의 최고속도를 360km/h 까지 대폭 증속시키기 위해 Fastech 360 프로젝트를 실행했습니다.

하지만, 영업용 차량인 신칸센 E5系, 신칸센 E6系의 상업 최고운전속도는 320km/h로 떨어졌습니다.

일본이 360km/h 를 내지 못 해서 목표치를 낮춘것이 아닙니다. 분명히 목표속도는 달성을 했고 405km/h 이상의 속도까지 달성 했습니다.

이미 10년도 더 전에 443km/h라는 기록적인 속도를 가졌고 공식적으로 고속철도에 대해서는 세계 최고 수준의 기술력을 보유한 것으로 인정받는것이 지금 일본 신칸센 기술의 현 주소인데, 320에서 포기했다는 것이 아이러니 합니다.

그러나, 일본에서는 경제성을 고려할 때 최적의 점착력을 유지하면서 주행하기에 적합한 운행속도가 320-330km/h가 한선이라고 못을 박고 더이상의 증속에 대해서는 깔끔히 포기 한것 이었습니다.

360에 대해서는 포기했지만, 일본이 진것은 결코 아닙니다. 일본은 나름대로 오래전부터 리니어 모터카 기술 연구에 천문학적인 금액을 쏟아부어 왔기 때문에, 더 이상 철차륜 신칸센을 통하지 않고 320 이상의 속도 대역은 현재 건설이 한창 진행중에 있는 리니어 신칸센 (츄오 신칸센)기술력을 통해 이루어 내겠다고 합니다.

리니어 모터카 기술은 확실히 현재의 휠-레일방식 고속철도보다 진보된 기술입니다.

차륜과 선로간이 접촉하지 않는 비 점착 주행방식 이기 때문에, 주행점착력을 고려할 필요 없이 시속 500km 영업주행이 얼마든지 가능하며 2025년까지 완공시키기 위해 천문학적인 돈을 쏟아붇고 있습니다.

여튼 가장 큰 방해가 되는것은 점착력이고 여기에 각종 주행저항(Running Resistance)의 방해가 초고속 대역으로 넘어갈 수록 심해지게 되어 이들의 영향 또한 무시할 수가 없습니다.

시속 300km 이상의 속도에서 갖가지 주행저항. 그중 공기저항의 방해가 80% 이상에 달하고 초 고속으로 갈 수록 터널 진입시 미기압파(Sonic Boom)발생 등 초고속 주행의 발목을 잡는 방해요인이 하나 둘 씩 부가되기 시작합니다.

고속철도차량은 치차 특성상 최고속도 대역에서 견인전동기가 연속정격으로 최대 부하가 공급되도록 설계됩니다. 300km/h의 속도에 맞추어 설계된 고속철도차량에서 이상의 속도를 내기 위해서는 전동기에 부하전압 및 부하전류가 최대치로 계속해서 공급되어야 하고 지속적인 전력소모가 발생합니다.

그리고 이상의 속도에서 스펙을 오버하지 않고는 200~300km/h 까지 속도가 붙는것에 비해서 가속도가 너무나도 적은 폭으로 붙습니다.

주행거리에 대비해 속도가 붙는 수치가 현저히 떨어지게 되며, 성능곡선 그래프를 그려보면 기울기가 급격히 낮아지게 됩니다.

결국 속도를 붙이기에 시간이 많이 소요된다는 것입니다.

차량마다 다르지만, 대략 0~300km/h 까지 가속하는데 걸리는 시간만큼이 300~400km/h 가속하는데 소요됩니다.

물론, 이것들의 방해를 뛰어넘을 수 있는 방법도 준비되어 있습니다.

프랑스에서도 일찌감찌 이를 알아내고 초고속 주행을 위한 괴물 시험차를 탄생시켜 연속해서 기록을 세워왔죠.

이러한 한계를 극복하기 위한 방안중 구체적으로 몇가지를 제시해 보겠습니다.

①. 출력을 눈에 띄게 강화시킨다.

초고속 주행 대역에서 점착력의 한계를 넘어서기 위해 0~300km/h 까지 가속하는 데에 필요했던 것 보다 더 큰 세기의 견인력이 필요하게 됩니다.

이것은 한국형 고속열차 시제차량인 HSR350X 에서도 시도 되었던 것 이었는데, 점착력의 한계를 극복하기 위한다기엔 출력이 과도하리만큼 높았습니다.

20량편성 KTX의 편성출력이 13,560kW 인데, 7량편성 HSR350X의 편성출력이 13,200kW로 거의 차이가 나지 않습니다.

제가 아래에서 HEMU-430X를 기준으로 설명 할텐데, 여기서 미리 풀어 놓겠습니다.

기관차 견인이 아닌 고정편성으로 운행되는 EMU, HEMU 차량들의 견인성능을 비교하는 지표로 보통 중량당 출력을 산정합니다.

차량마다 편성량수가 다르고 편성량수마다 출력값이 다르기 때문에 이들의 성능을 정확한 지표로 구분지어 비교하는 것이 쉽지 않습니다.

그나마 가장 공정하게 차량의 성능을 나타내기 위해 편성전체 출력을 전체 중량으로 나누는 방법이 많이 쓰이고 있습니다.

그렇게 되면 열차 전체 체적중 1 ton 당 몇 kW 의 출력이 나오는지 환산할 수가 있게 됩니다.

 HSR350X의 편성중량이 332ton 으로 나와 있으니 이를 편성출력으로 나눠보면 단위 중량당 출력이 무려 39.75kW/ton 에 이릅니다.

편성중량이 771ton인 KTX의 중량대비 출력을 계산해보니 17.58kW/ton 이 나오는군요.

KTX-산천은 21.62kW/ton 이 나옵니다.

전 세계의 고속철도 차량을 대상으로 비교해 보아도 평균 20kW/ton 언저리에서 답이 나오고

그나마 영업용 차량중 전력소모량이 커서 전기뱀장어라는 별명이 붙은 JR 서일본의 신칸센 500계가 26kW/ton.

신칸센 N700계가 24.4kW/ton 이 나옵니다.

전 세계 상업용 고속철도차량중 어떤것을 놓고 보아도 25kW/ton 이상을 초과하는 사례는 거의 찾기 힘듭니다.

30 kW/ton 이상의 중량대비 출력을 가지는 고속열차도 분명 있습니다.

한 두대도 아니고 찾아보면 10개는 족히 나올겁니다.

하지만 속단하기 전에 한 가지에 주목해야 합니다. 그 차가 영업운행용 차량인지, 기술개발용 시험차량인지 말입니다.

참고로 기술개발용 차량들의 편성중량대비 출력은 대부분 30kW/ton 을 초과합니다.

최고시속 443km/h를 기록했던 신칸센 700계의 시험차량인 300X의 경우 거의 40에 육박합니다.

578km/h 기록의 주인공인 V150은 그야말로 미친 중량대비 출력을 가집니다.

(아래에서 계산해 보겠지만, 위의 HSR350X나 300X은 이름도 못 내밀 정도로 과도합니다.)

종합 해보면, 300km/h에 근접한 영업운행속도를 지니는 고속철도차량은 20kW/ton 내 외의 중량대비 출력을 갖습니다.

일반적으로 중량대비 출력이 낮을수록 전력소모량 대비 운행효율이 좋다고 할 수 있습니다.

TGV형 차량이 신칸센 보다 기술적으로 뒤진다는 것은 이미 전 공식적으로 입증이 되었습니다.

국제철도연맹(UIC) 기준을 바탕으로 수백가지 항목을 놓고 각국 고속철도 차량의 성능을 비교분석 한 결과 신칸센이 압도적으로 우위에 있고 그 다음이 ICE, TGV 순 인것으로 결과가 나왔습니다.

근래에 양산화된 AGV인지가 활개를 치려 했지만, 신칸센 N700과 E5系가 가볍게 압도해 버렸죠.

객관적으로 공인된 사실이라니 더이상 왈가왈부할 것은 없다 할텐데, 신칸센이 TGV에 비해 불리한 점 중 하나가 전력소모량 입니다.

대부분의 신칸센이 편성내 70% 이상의 차량을 동력차량으로 가지고 있고 이따금씩 전 동력차로 구성된 것들도 있기 때문에 전기를 많이 먹을 수 밖에 없습니다. TGV 계열 차량은 대부분 중량대비 출력이 16~21 (신형 TGV-POS가 약 21)에 머무는데, 신칸센은 19~25에 이릅니다.

독일 ICE는 이들의 중간인 18~20 정도 이구요.(ICE3가 20)

여기에 대 반전이 숨어 있습니다. 신칸센은 수송력에 있어서 어느나라 고속철도 따라 올 수가 없습니다.

일단 차폭 자체가 TGV, ICE에 비해 훨씬 크고 또 깁니다.

TGV의 일반실 정원이 많아봐야 56석. 60석을 못 채우는데 신칸센은 일반실을 2×3 배열로 해서 기본이 100석입니다.

2층형 TGV인 DUPLEX가 그나마 조금 나아서 많으면 70~80석 가까이 배정되는 모양인데, 2층 신칸센 E4系는 한량의 량당 정원이 133명에 이릅니다..

이쯤되면 전기세 조금 더 내는게 문제가 된다고 볼 수 없겠죠.

이걸 정확히 따지려면 위를 약간 응용하면 됩니다.

편성 출력을 편성 정원으로 나누면 정원당 출력값이 나옵니다.

이것까진 계산하지 않겠습니다. 지금 어느 고속열차가 더 경제적인지를 논하려는게 아니니까요.

여하튼, 편성출력을 괴물처럼 끌어 올려서 최고속도를 끌어 올릴 수는 있는데, 기본적으로 배 이상의 전력이 소모되는 것을 피할 수 없게 됩니다.

300km/h 이상의 속도에서는 가뜩이나 속도도 잘 안오르는데 고작 몇분 단축해서 운행하겠다고 어느 철도회사가 감히 비 경제적인 동력비의 향상을 감수 할 수 있겠습니까.

중국이야 근래에 고속철이 부설되었고 한없이 내리 찍을 수 있는 직선주행 구간이 많으니 운용비용 부담을 감수 하더라도 증속할 가치가 있겠지만, 일찍이 고속철을 건설하여 200km/h 내외의 설계속도로 선로를 건설했던 대부분의 고속철도 보유국에서는 쉽지 않은 일이 됩니다.

②. 편성내 동력차 비중과 동륜 개수를 늘린다.

이건 동력집중식 차량에서 위 문제(점착력)를 극복하기 위해 제시될 수 있는 방안입니다.

양쪽에만 동력차가 위치하는 동력집중식 고속열차 편성에 중간 동력객차(Intermediate motorized Trailer)을 끼워 넣어 과도한 출력을 공급하면 됩니다.

동력분산식의 경우 동력집중식의 1/3~1/4 정도 출력의 전동기를 편성 전체에 고루 분포시키기 때문에 편성 전체를 전 동력차 화 해도 오버스펙이 되지는 않습니다.

HSR350X 개발 당시에도 350km/h 돌파를 위해 이 방안이 제시된 적이 있었고 HSR350X를 기준으로 한 양산형 편성 제작시 350km/h 영업주행을 실현시키기 위해 중간동력차 2량을 중간에 배치한 20량 편성을 기획하기도 하였으나, 최종적으로 양산차량은 10량단위 열차 2개편성을 중련할 수 있는 구조로 변경 되면서 구상물로만 남게 되었습니다.

이것 역시 양산형 차량에는 적용 시키기 어려운것으로서 그 이유는 위와 같습니다.

문제는 결국 돈(전기세) 죠.

③. 차륜직경을 확대시킨다.

이어 또 다른 방법은 동륜 직경을 키우는 겁니다.
일반적인 철도차량의 차륜 직경(Wheel Diameter)은 ¢860mm~¢1,250mm 정도 사이 입니다.
이해를 돕기 위해 차종별 차륜경을 간단히 언급하자면, 일반적인 여객열차의 객차, 화차,동차( 디젤동차, 전동차)의 차륜경은 ¢860mm. 입니다.
(새마을동차의 동력제어차 [PMC]에 한하여 1988년 이후 제작된 차량의 차륜경은 ¢914mm)
기관차의 경우 단두동력식으로 편성 맨 앞에 동력차가 붙기 때문에 가능한한 큰 토크를 얻기 위해 ¢1,067mm정도의 큰 차륜직경을 가지고 있으며 신형전기기관차 같은경우는 견인력이 배 이상에 이르기 때문에 차륜경이 ¢1,250mm 에 달합니다.

본 글에서 관심을 가져야 할 고속열차(KTX)의 차륜경은 ¢920mm (마모한도 850) 입니다.

현행 920mm의 차륜경을 가지는 고속열차의 차륜직경을 1,000mm 이상으로 대폭 키우게 되면 분명히 직선구간의 주행성능은 대폭 강화됩니다.
간단히 생각해 보아도 차륜직경이 클 수록 한번 구를 때, 차륜 답면이 선로와 닿는 면적이 훨씬 넓어지게 되니 더욱 빠른 속도로 주행하는데 직접적인 도움이 될 것입니다.
하지만, 곡선 주행시에 횡압(lateral Force)이 증가하고 탈선계수(Derailment Coefficient)는 약화되어 고속주행을 할 경우 주행 안정성에 문제가 생길 확률이 무지 높아집니다. 특히 고속열차들은 고속주행을 위해 차체를 경량화 설계 하기 때문에, 강풍이 부는 상황이면 더더욱 위험이 따를 수 있게 됩니다.

 동륜직경을 키울 수록 동륜주 견인력은 증가하기 때문에 큰 견인력을 가지는 전기기관차에는 적합할지 모르나, 고속열차에 대해서는 당장 승객의 안전문제에 지장을 초래할 수 있으며, 차륜 답면의 마모가 촉진된다는 것입니다.

이는 유지보수성이 떨어져 차량 및 시설 보수비가 향상되어 운영주체에 부담을 줄 뿐만 아니라, 승객의 안전에도 지장을 초래할 수 있는 사안이기 때문에 특히 더욱 제고해야할 문제가 됩니다.

가장 주요한 세가지만 언급하긴 했는데, 실제로는 이보다 다양한 방법들이 구석구석 숨어 있습니다.

모두 오버스펙을 만들어야 한다는 점과, 운영비용 등이 증가하거나 유지보수성이 떨어진다. 혹은 안정성에 문제가 생길 우려가 있다는 점에서 공통점을 가집니다.

위의 세가지 사안을 너무나도 잘 충족시킨 끝에, 영업운행은 절대로 꿈꿀수 없는 괴물 TGV를 탄생시켰던 ALSTOM 의 V150편성에 대한 일화를 간단히 소개해 보겠습니다.

괜히 쓸데없이 꺼내는 이야기는 아니니 끝까지 읽어보시기 바랍니다.


[2007년 574.8km/h 의 세계 신기록을 달성한 TGV V150편성]

출처: http://www.railpictures.net/viewphoto.php?id=181185&nseq=35

574.8km/h 의주행속도를 내었던 V150편성을 놓고 보자면, 먼저 V150은 V=150m/s로 초속 150 즉, 시속 540km를 목표하기 위해 만들어진 초고속열차를 뜻하는 프로젝트명 입니다.

알스톰은 2007년 개발된 TGV-POS 형 동력운전제어차 (Power Car) 2량과 중간에는 Duplex 형 2층객차 3량을 연결하여 5량 편성의 시험차를 만들었습니다.

이 때 가운데 차량에도 동력을 부여하여 세번째 객차 전 후로 연결된 2조의 관절대차를 동력대차화 하였고 견인전동기 출력을 60% 이상 향상시켜 종전 TGV POS의 견인전동기의 1,200kW에서 1,950kW로 대폭 키웠고 동력제어차 1량 출력이 7,800kW에 이르게 되었습니다.

(KTX-산천은 10량 편성에서 2량의 동력제어차의 출력을 합해야 8,800kW 라는 계산이 나옵니다.)

7,800kW급 동력차가 편성 양단에 두대가 붙고, 중간 동력차에 편성되는 2조의 동력관절대차에는 1,000kW급 동기전동기를 축마다 얹어 4,000kW의 출력을 추가로 확보 했습니다.

이렇게 해서 얻어낸 출력은 최종적으로 19,600kW(19.6MW).

마력으로 환산하면 26,650HP에 이르러, 기존의 10량편성 TGV-POS의 편성출력 9,600kW 의 두배를 가볍게 뛰어넘는 성능을 지니게 되었습니다.

여기서 잠깐. V150 편성의 중량대비 출력을 한번 구해봅시다.

알스톰 홈페이지에는 공식적으로 V150의 편성 중량에 대한 언급이 나와있지 않습니다.

대충 비슷하게 값을 한번 구해보자면, 일단 TGV-POS의 동력제어차 자중이 약 70톤.

DUPLEX 객차의 량당 자중이 약 32톤이니 70×2 + 32×3= 236ton.

여기에 견인전동기 출력을 대폭 향상 시키면서 모터블록(Motor Block), 주 변압기(Main Transformer) 의 용량 및 출력을 기존보다 훨씬 키우는 것이 불가피 했을테고 중간동력객차에 붙은 동력설비들과 각종 시험장비들의 무게를 감안하여 동력차 중량이 약 10% 가량 향상 되었다는 가정하에 넉넉잡아 편성출력을 250ton 으로 환산해 보면, 19600/250 = 78.4kW/ton.

그야말로 미친 중량대비 출력이라고 밖에는 더 할말이 없네요.

5량짜리인데, 20량짜리 KTX 의 몇배인가요. 거의 한 다섯배는 족히 되는군요.. 

무시무시할 정도로 엄청난 수치입니다. 

[V150편성의 ¢1092mm급 대형 동륜]

출처: http://www.railpictures.net/viewphoto.php?id=182877&nseq=21

여기에 세번째로 제가 언급했던 동륜 직경을 ¢1092mm로 대폭 키웠고 이와 함께 전면부 스커드 형상등에도 손을 대어 주행시 공기저항의 영향을 최대한 덜 받도록 만들었습니다.

그리고 2007년에 목표하였던 540km/h를 가볍게 뛰어넘는 578.4km/h라는 속도를 실현하여 전 세계를 놀라게 했습니다.

애초부터 이 차량은, Alstom 에서 자사의 고속철 차량 기술력을 내보이기 위해 기획한 프로젝트 였을 뿐, 영업운행하는 열차의 운행속도 향상과는 애초부터 거리가 멀었습니다.

이제 이들 차량과 비교할 때, HEMU-430X가 얼마나 대단한 포부를 지닌 고속열차인지 확인해 보겠습니다.

위에 한국철도기술연구원이 공개한 차량 성능표를 보면, 8량 양산편성 기준 편성 중량이 402ton 이라고 나와있습니다.

견인전동기 출력이 대당 410kW 급이니 8량편성(6M2T)의 편성 출력은 410×24 = 9,840kW 입니다.

9840/402 = 24.47kW/ton

시제편성의 경우를 따져보면 6량 편성 중량이 308톤 이라 하였고 5M1T 조성이니 편성 출력은 410×20 = 8,200kW,

8200/308 = 26.62kW/ton

24.47kW/ton 이면 현재 상업용 고속철도 차량과 거의 비슷하고 일부 상업용 차량보다 낮은 수치입니다.

차량 성능을 전체적으로 뜯어 보아도 당장 8량 양산형 차량으로 굴려도 손색이 없을 만큼 아주 실용적으로 잘 구성되어 있습니다.

HEMU-430X는 그 자체로 대단하고 자랑스런 국산 열차입니다.

이 한마디를 하고 싶어서 V150 얘기부터 시작해서 점착계수 얘기를 모조리 끌어 왔습니다.

그러니까, HEMU=430X가 단순히 기록을 세우기 위해 430km/h를 내려는게 아니라, 양산화를 위해 신규 개발하는 차량의 성능 만으로 초고속 운전을 실현 하겠다는 점에서 대단하단 것입니다. 결코 오버스펙을 감행하지 않았단 것이 여실히 드러나고 있기도 하구요.

기록적인 속도 갱신을 위해 과도한 성능 향상을 시도한 V150, TGV 325편성 같은 차량은 경주용으로 특화된, F-1 머신이라고 보면 되고 HEMU-430X는 일반용으로 시판되는 람보르기니, 페라리와 같은 스포츠카 인데 F-1머신과 같은 성능을 내면서도 상업운행이 가능한 성능을 지닌다는 겁니다.

자동차와는 달리, 기차는 기본적으로 여객 및 화물을 수송하는 대중교통 수단입니다.

승객을 태우고 달릴 수 있어야 기차로의 의미를 가질 수 있습니다.

만약 고속철도를 스포츠 문화로 연결시킬 수 있다면, 사업이 종료된 고속철도 시제차를 무엇하러 폐차 시키거나 그대로 정태보존 하겠습니까.

이제 HEMU-430X가 지향하는 430km/h 이라는 속도를 어떤 시각으로 바라봐야 하는지 감이 오시려나요.

HEMU-430X가 양산형 차량과 동등한 성능을 지닌채로 어떻게 초고속 운전을 실현하려는 것인지에 대해서는 아직 구체적으로 아주 특별한 기술력이 들어간다 라는건 밝혀진 바가 없습니다.

말씀 드렸듯이 제가 가진 자료는 맨 위에 공개해 드린 비교 표 하나와 차량 밑에서부터 지붕까지 구석구석 기들어가서 관찰한 정보를 머릿속에 입력해 놓은것이 전부입니다.

이것은 현재 진행중인 과학기술 개발사업이기 때문에, 연구개발과 관련된 자료는 철저하게 보안사항으로 부쳐져 있고 어디까지나 누구나 공람할 수있는 정보만을 바탕으로 확실히 뒷 탈 없이 객관적이고 과학적으로 입증 가능한 부분에 대해서만 기술 했습니다.

다시한번 강조합니다만, 영업용 차량으로 운용하기에 충분한 현실적 성능을 바탕으로 430km/h를 낼 수 있는 고속열차가 탄생했습니다.

세계적으로 결코 스펙을 오버 하지 않고 시속400km 이상을 돌파한 사례는 거의 찾기 힘듭니다. 

(Siemens의 Velaro CN이 양산차 스펙을 그대로 가진 상태로 487km/h를 찍긴 했습니다.) 

당장 상업운행이 가능한 상태로 시속 430km의 속도를 내어 운행한다는 자체로 국제적인 경쟁력을 확보할 수 있을 뿐 아니라, IT 강국으로 추대받는 한국이 고속철도 기술력 까지 세계 정상 수준으로 끌여 올렸다는 것을 충분히 시사할 수 있게 되리라 생각합니다.

차량 증속에 관련한 얘기를 하려면, 추진계통 이야기를 꺼내야 하는데 다음편에서 하기로 했으니 접어 두고 초고속 주행을 위해 상당히 신경써서 만든 차량의 공력형상에 대해 간단히 언급해 보겠습니다.

HEMU-430X의 차량 디자인은 한예종(한국예술종합학교)에서 맡았고 감성 및 예술적 감각이 조화된 차량 시안을 기본으로 HSR350X 를 개발할 당시 우리나라에서 개발한 공력해석 프로그램을 바탕으로 최대한 공기저항의 영향을 덜 받도록 만들어 졌습니다. 

특히 전두부를 비롯한 공력형상이 부각되는 부분 위주로 사진을 추려 봤습니다.

여기서 부터는 딱히 설명이 필요한 부분이 없습니다. 그저 사진으로 이 차가 얼마나 날렵하고 잘 빠지게 디자인 되었는지 보시기 바랍니다.

 [HEMU-430X 의 전두부]

430km/h 의 속도에서 최대한 공기저항의 영향을 덜 받도록 공력(Aerodynamic) 설계가 이루어 졌습니다.

왠만한 신칸센 노즈 부럽지 않을만큼 날렵하게 잘 빠진 저 콧날을 보세요.

[전두부 대차 커버]

편성 양단에 위치하는 TC 및 MC 차량의 전위측 대차에는 공력커버가 씌워져 있습니다.

HSR350X 에서도 시도되었던 것인데 8~15%의 공기저항 감소 효과를 가져온다고 합니다.

차량 구석구석을 살펴 보아도 어디 하나 각 진 곳 없이 매끄럽게 디자인 된 것이 가히 예술적 입니다.


[상단부 풍동 커버]

6량편성 시제차의 등에 정체모를 혹이 많이도 달려 있습니다.

각 부수차마다 모두 상단부에 풍동 커버가 위치하고 있는데, 처음에는 이유없이 모양만 내어 놓은건가 싶더니만 위에서 내려다보니 그것이 아니더군요.

후편에서 자세히 소개하겠지만, MP차 상단에는 집전장치류가 탑재되고 TC, M차량의 지붕에도 개별 차단기 및 연장급전을 위해 설치한 개폐장치가 지붕에 설치되어 있습니다.

그리고 이들 기기류를 보호하면서도 바람이 매끄럽게 잘 빠져나갈 수 있도록 하나하나 미끈하게 설계된 것이 보입니다.

2. 영업 최고속도 370km/h.

다음은 영업 최고속도 이야기를 해보겠습니다.

430 짜리 고속철을 370으로 굴려야 하는 현실에 아쉬운 느낌이 들기 쉽겠지만,

갖은 방법과 수단을 동원해서 430km/h 운행이 가능하다고 해도 결국 점착력이 발목을 잡게 될 것입니다.

위에서 점착력이 선로 표면 상태의 영향을 받는다고 했는데, 선로 표면에 습기가 있으면 점착계수가 낮아집니다.

점착력이 분리되는 한선이 370-380 이라고 했는데, 이 이상의 속도에서 한계를 억누르고 달린다 해도 선로 표면 상태가 양호하지 못한다면, 원래의 기대치에 훨씬 못 미치는 결과를 내기 딱 좋다는 것입니다.

기술적으로 점착력의 한계를 이겨낼 수는 있을지 모릅니다. 하지만, 점착계수 란게 기후의 영향을 받는다는 사실을 간과하면 안 됩니다.

1년 365일 매일같이 해가 쨍쨍하게 내리쬐고 건조한 날만 반복된다면 모르겠지만 그게 아니니까요.

모든 철도차량은 기본적으로 사시사철 어떠한 기후조건에서도 안정적인 주행성능을 보장할 수 있어야 합니다.

예를들어 날씨가 맑으면 430km/h 까지 속도를 올려서 운행할 수 있는데, 비가 와서 점착계수가 정상상태의 60~70%로 떨어진 상태에서는 정상치에 못 미치는 성능을 바탕으로 운행을 해야 한다면 문제가 아니 될 수 있겠습니까.

그리고 앞에서 370-380이 한선이라고는 했지만, 300을 넘어서는 순간부터 이미 점착력과 견인력은 서서히 분리되기 시작합니다.

이를 극복하기 위해 연속정격의 출력으로 계속해서 차량을 추진시켜야 하고 결국 어떻게든 전력소모가 종전보다 늘어나는 것은 피할 수 없게 됩니다.

그래서 일본이 320으로 매듭을 지은겁니다. 그정도의 경계가 최적의 운행효율을 맞출 수 있는 경제속도 라는 결론을 내린것이죠.

JR 동일본은 320을 최대치로 매듭 지었고 JR 서일본은 자기네가 보유한 N700계를 2012년 연내로 330km/h 으로 증속 시킨다고 밝힌 바 있습니다.

어느정도 속도를 택해 운행하는 지는 운영주체 재량이고 이러한 것을 감내하고 350-360으로 내달리는 경우도 있습니다. 스페인이나 중국 말이죠.

여튼 모든 상황을 고려할 때, 운영주체(코레일)이 마음먹기에 따라서 표정속도를 향상시켜 소요시간은 단축하고 이에 대항하여 오르는 운용비용 등을 감안한 채로 현실적으로 최대치 까지 끌어올릴 수 있는 속도가 370~380km/h 이기에 이 속도로 운행을 하겠다는 것 입니다.

앞서 V150편성을 예로 들긴 했는데, V150은 절대로 HEMU의 경쟁차종이 될 수 없습니다.

HEMU-430X의 경쟁차종이 될만한 것들 몇가지를 꼽자면 아래와 같습니다.

HEMU-430X는 우선적으로 내수용 고속철도 차량의 치환을 목표로 하지만 장기적으로 세계적인 고속철도 시장을 겨누어야 하기에 각국의 차세대 고속열차 동향을 파악 하는것도 중요합니다.

2000년대 중반 들어서 고속철도기술 보유국들이 저마다 하나씩 기존보다 향상된 속도인 350km/h 이상의 속도로 영업운행 할 수 있는 고속철도차량을 개발해 내었습니다.

대부분의 경우에 우리나라보다 몇년 정도 먼저 사업을 시작해서 지금은 사업이 종료되고 양산차를 발주한 경우도 있고 거의 마무리 단계에 접어든 경우도 있습니다.

차세대 고속철에서 중요한 것에 속도가 전부는 아닙니다만, 이번 글의 주제가 ‘속도’ 이고 HEMU와의 비교를 위해 나열한 차종들이니 개발연도와 영업운행 속도를 함께 기재 했습니다.

아래 시험용 차량들은 모두 양산용 차량의 성능과 큰 차이가 없는, 현실적인 스펙을 지닌 채로 증속을 시도한 사례들이고 HEMU와 비슷한 개발목표를 가져 종전보다 향상된 성능을 갖추게 하기 위해 탄생한 차량들 입니다.

①. 프랑스 ALSTOM의 AGV. [2004~2007] / 영업최고 360km/h

AGV(Automotrice a grande vitesse)는 프랑스 Alstom 에서 V150편성과는 별개로 양산형 차량의 성능 향상을 위해 개발한 새로운 형태의 TGV 입니다.

TGV차량들의 고질적인 특성인 동력집중식의 굴레에서 완전히 벗어나 전차를 동력분산식으로 설계 하였고, TGV형 고속열차의 특징인 관절대차 연접구조의 전통은 그대로 이어 받았습니다.

그리고 영구자석 동기전동기를 채용했다는 점에서 우리나라 HEMU-430X와 성격이 많이 비슷한 차량이라고 하겠는데요, 이 얘기는 아마 세번째 포스팅 쯤에서 다뤄질것 같습니다.

이차의 목표 주행 최고속도는 360km/h 이며, 2004년부터 개발하여 시험을 거쳐 2012년 현재 양산화에 성공했습니다.

이태리 철도회사인 NTV에 의해 2012년 4월부터 영업운행에 들어갔고, 스펙을 많이 다운시켜 영업 최고속도는 300km/h로 결정이 났습니다.

[이태리 NTV (Nuovo Trasporto Viaggiatori) 의 고속열차로 양산화에 성공한 AGV.]

②. JR 동일본의 Fastech 360S, Fastech 360Z. [2005~2008] 운행최고 405km/h, 영업최고 360km/h

프랑스와 비슷한 시기에 기술개발을 시작한 일본의 차세대 신칸센 시제차량인 Fastech 360 시리즈 입니다.

360 이라는 숫자가 말해주듯 신칸센의 영업운행 속도를 360km/h로 대폭 끌어올리기 위해 기술개발을 시도했습니다.

차량 스펙은 주행가능 최고속도 405km/h , 영업운행 최고속도 360km/h를 기본으로 가져 430 /370으로 스펙의 상향조정이 이루어지기 전의 HEMU 의 목표치와 가장 비슷합니다.

Fastech 360 시리즈 차량은 기존 광폭차체 신칸센용 시험차인 Fastech 360S (E954形)과 재래선 구간과 병용하여 운행할 수 있는 시험차인 Fastech 360Z (E955形) 두종이 제작되어 시험을 거쳤으며 2005년부터 연구사업을 실시하여 2008년에 사업을 종료했습니다.

그리고 두 차량 각각 신칸센 E5系, 신칸센 E6系 로 양산화에 성공했고요.

이들이 목표로 했던 360km/h 영업주행의 꿈은 이루어지지 못 했습니다.

그 대신 일본은 500km/h 이상의 영업운전이 가능한, 리니어 신칸센 이라는 히든카드를 지니고 있죠.

양산 차량인 E5, E6에서는 한참 다운 그레이드 된 320km/h을 기준으로 상업운행을 시작하였고 신칸센 E5계가 ‘하야부사’ 라는 애칭을 가지고 작년부터 영업에 투입되어 지금 당장은 시속 300km로 운행하고 있습니다. (2013년 320km/h 증속운행 예정)

Fastech 시리즈의 모습입니다.

출처: http://matome.naver.jp/odai/2124625826115146077/2125801597879566641

앞이 Fastech 360Z (955形), 뒤가 Fastech 360S (954形) 입니다.

954形을 보시면 지붕에 마치 고양이 귀 같은 모양이로 봉긋 솟아 있는 판때기가 여러장 보이는데, 초고속 주행시 제동력을 향상시키기 위해 고안한 공력 브레이크(Aerodynamic Brake) 라고 합니다. 별 다른 효과가 없어서 결국 양산차에서는 떼어져 나갔습니다.

 Fastech 360S (954形) 의 양산차량인 E5系.

출처: http://www.etrain.jp/hibi/data/upfile/650-1.jpg

Fastech 360Z (E954形) 의 양산 차량인 E6系

 

③. 독일 Siemens의 Velaro E [2005~2008] 운행최고 403(487)km/h, 영업최고 350km/h

독일 Siemens 에서 1997년 개발된 ICE 3의 설계를 기반으로 성능을 강화시켜 개발한 Velaro 시리즈중 스페인국철의 AVE Class 103 용 차량으로 시속 350km 영업운행이

가능토록 주문 제작한 Velaro E 입니다. 2006년에 양산차 스펙으로 403km/h의 성능을 입증했고 지금 양산차량이 인도되어 350km/h로 상업운전을 실시하고 있습니다.

가로치고 487km/h 을 추가로 써 놓았는데, 양산형 바리에이션 중 중국에 공급된 Velaro CN (CRH380C형) 에서 영업속도 487km/h을 찍었습니다.

기술력은 독일 Siemens 기반이고 스펙 업그레이드는 이루어지지 않은 채, 16량편성 그 자체로 이뤄낸 기록이라 합니다. 대단하죠..

애시당초 스페인을 위해 개발한 이 고속용 차량은 중국에도 팔려 갔고 약간의 성능 업을 더하여 380km/h로 영업주행이 가능한 상태로 진보 시켰습니다.

중국에서도 현재 영업운행 중에 있으며, 지금 당장은 350-360으로 절제하여 운행하고 있으나 380km/h 운행도 언제든 가능한 상황입니다.

[스페인 AVE Class 103 으로 영업운행중인 Velaro E] 

 [DB의 신형 ICE 차량 Velaro 시리즈 Velaro D (ICE3 Class 407)

ICE 차량의 전형적인 디자인 코스튬을 그대로 따라간 Velaro E, Velaro CN 등과는 달리, 자국 내수용 고속철 차량은 디자인에서 부터 차별화를 시켰습니다.

Siemens 사의 Press 공개용 자료를 봤는데, Velaro E보다 기술적 사양이 많이 강화된것을 확인할 수 있었고요.

역시 지금 당장 세계 톱 수준의 고속철 기술을 보유한 독일이나 일본이나 자국의 핵심 기술이 집약된 차는 쉽게 타국에 안 파려 하는듯 합니다.

일본 같은 경우도 다른 차량은 몰라도 N700계나 E5계를 기반으로 한 신칸센은 절대로 수출용으로 안 내놓더군요.

미국 고속철 입찰당시 히다치가 내어놓은 대륙용 고속철 차량의 사양도 1997년산 신칸센 700계를 기반으로 했었습니다.

위 차량의 영업 최고속은 320km/h 이나, Siemens 의 각종 신기술이 집약 되었고 ICE 4 라는 이름으로 불리기도 하였으나, 공식적인 명칭은 ICE3 CLASS 407로 확정지어 졌습니다.

 

④. 중국 CSR의 CRH380A [2005~2008] 영업최고 380km/h

 

중국 CSR 에서 자체 기술이라며 개발한 고속철 CRH380A 입니다.

고속철 개통한 이후 2년도 안되어서 만들어 낸것을 보면, ICE(Velaro), TGV, 신칸센, Zefiro 기술을 모조리 짬뽕해서 급조한 듯한 느낌을 지울수가 없지만,

어찌 됫건 중국도 380km/h 급 고속철도 차량을 개발해 내었습니다.

다만, 운행 최고 속도로 513km/h 를 찍었다고 하는데, V150 과 같이 성능에 떡칠을 해서 이뤄 낸 속도이고 그렇게 해서도 결국 V150의 벽을 넘지는 못 했습니다.

그리고 얼마전 중국에서 개발한 500km/h 급 고속열차는 사실상 V150과 같은 F-1 머신 입니다.

시제차량이 고작 6량짜린데, 편성 출력은 22,000kW에 달합니다.

[CRH380A]

출처: http://www.apalog.com/daisen-shanghai/img/736/jYeTY4FAj-OKQ4N1g42DT4FpjYKRrJNTk7mBakX-.JPG 

⑤. 캐나다 Bombardier의 Zefiro 380 [2009~2012] 영업최고 380km/h

미국에 ACELA Express를 공급할 당시 알스톰으로 부터 제휴받은 기술력 일부를 바탕으로 독자적인 고속철도 기술력을 쌓아온 캐나다 봄바르디어 에서도 380km/h 급 고속열차를 만들어 내었습니다. 차량은 독일 베를린에서 2년마다 한번씩 개최되는 세계 최대의 철도박람회 Innotrans 2010 에서 선두차 목업이 최초로 공개 되었으며, 시험차를 만들지 않은 상태로 380km/h 급 고속철을 만들수 있다고 자신 하였고, 중국에서 양산차를 사들여 올해부터 인도되기 시작했습니다.

[중국의 CRH380D로 양산화에 성공한 Zefiro 380]

출처: http://www.skyscrapercity.com/showthread.php?t=1222409&page=51

CRH380D는 8량편성, CRH380DL 은 장대 16량 편성으로 연내 영업투입을 목표로 운행 준비중에 있다고 합니다.

이제 다음은 우리나라 차례입니다.

선진국들에 비해 조금 뒤늦게 사업을 시작하긴 했지만 (그래봐야 2-3년) 성능상으로는 결코 이들에게 밀리지 않습니다.

앞서 언급한 케이스를 살펴보면 현 상태로 운행 최고속 430km/h 은 최고 수준이고 영업 최고속도는 일부 차량보다 10km/h 가량 떨어지긴 하는데, 370km/h 정도도 무시할 수 있을 정도는 아닙니다.

이제 우리나라가 어떻게 430km/h 증속을 해낼 것인지에 대해 얘기를 해볼 차례가 된 것 같습니다.

430km/h 급 차는 만들어 놨는데, 이걸 우리나라에서는 굴릴 노선이 없다는 말을 종종 본 것 같습니다.
물론, 지금 당장의 인프라 상황으로는 어렵습니다. 하지만 조금만 손을 보면 충분히 실현 할 수 있습니다.

현재 경부고속철도 1단계 구간의 궤도 및 가선의 설계속도는 350km/h. 2단계 구간 역시 350km/h 입니다만, 자갈 도상을 사용한 1단계 구간과는 달리 2단계 구간에는 슬라브 궤도가 깔려 있어 더욱 안정적인 고속주행이 가능합니다. 

설계속도가 350이라고 해서 그 이상의 속도로 달리면 궤도에 균열이 생기거나 한다는게 아니라, 가선 장력과 같은 설비등이 350km/h 의 속도에 알맞도록 조정되어 있기 때문에 설계속도가 350 이라는 얘깁니다.

후발주자인 중국에 조금 밀리지만, 우리나라의 고속철도 전용선의 시설 수준은 세계적으로 아주 월등한 축에 속합니다.

차량의 주행시험은 저속 시험부터 고속시험까지 단계적으로 +30~50km/h 씩 증속하며 서서히 이루어지게 됩니다.
시속 0~350km/h 까지의 주행은 경부 1단계 구간중 광명-대전분기 구간내에서 충분히 실현 할 수 있으며, 350km/h 이상의 속도는 경부 3단계 구간에서 대구-경주간의 직선 주로에서 가능합니다.

다만, 350km/h~430km/h로 시험할 때에 2단계 구간의 가선 장력 조정이 요구됩니다. 요정도만 손 봐주면 큰 무리가 없습니다.

제가 철도 차량에만 집중적으로 관심을 갖고 있지만, 전기ㆍ전자공학 자체를 좋아해서 전기철도 쪽에도 어느정도 신경은 쓰는 편입니다.

얕은 지식이나마 꺼내 보자면, 전기차량은 가선에 팬터그래프를 접촉시켜 주행합니다. 우리가 잘 알다시피 지하구간의 전차선은 강체 가선으로 이루어져 있고 지상구간 전차선은 팽팽하게 당겨진 전선(트롤리선)으로 이루어져 있습니다.
고속철도의 고속선역시 전 구간이 트롤리선으로 이루어져 있는데, 이게 전선이기 때문에 금속체로 이루어진 팬터그래프의 습판이 치고 갈 때 마다, 일정한 세기의 파장으로 흔들리게 됩니다.

이 때 발생하는 파동은 차량이 고속으로 주행할 수록 크게 발생하기 때문에, 이를 위해 초고속 주행을 위해 가선 장력을 일시적으로 보다 팽팽하게 당겨줘야 합니다. 그렇지 않다간 충격파 때문에 가선이 손상되어 집전장치가 가선으로부터 이탈하여 사고를 초래할 우려가 농후합니다.

이쯤되면, 고속선의 전선을 트롤리선이 아닌, 딱딱한 쇳덩어리로 이루어진 강체가선으로 바꾸면 되지 않냐는 이야기가 나오기 딱 쉬운데, 강체가선은 고속용으로 쓸 수가 없습니다. 크게 T-BAR 형과 R-BAR 형이 있고 우리나라에서는 T-BAR 을 대부분 사용하는데, 이게 제한속도가 80km/h 입니다. 그나마 R-BAR형은 160km/h 정도 까지 대응할 수 있는데, 거기 까집니다.

강체가선이 가지는 장점이 많지만, 고정된 쇳덩어리 라는게 가장 치명적인 약점입니다.
고속으로 주행하는 차량은 선로로 부터 충격을 받아 자연히 차체가 충격을 받게 마련인데, 전선으로 이루어져 탄성이 있는 트롤리선 과는 달리 강체가선은 이 충격에 제대로 대응 할 수가 없습니다. 결국 팬터그래프 손상은 물론 이선까지 야기할 수 있습니다. 그리고 쇳덩어리 두개의 접촉부를 고속으로 긁고 가는데 소음은 또 어떠할지.. 상상에 맡깁니다.

모쪼록 이러한 연유로 가선 장력을 증강시켜서 430km/h 운행을 실현시킬 수 있습니다.
현행 경부 2단계 구간의 전차선 장력이 20kN 입니다. 이를 25~26kN 으로 시운전할 때에만 한시적으로 팽팽하게 조정한 뒤, 시험한다는 계획입니다.

열차 자체의 최고속도가 현행 KTX 보다 130km/h나 빠르기 때문에 KTX 와 함께 시험할 수가 없습니다. HSR350X가 그랬던 것 처럼 시험운행은 야간에만 진행될 예정이며 모든 고속철도의 영업이 끝나고 점검차가 지나간 이후 새벽시간대에 시작해서 다음날 운행이 시작되기 전 까지 시운전을 끝내고 기지로 입고하는 시운전이 반복될 것입니다.

성능이 조금 안정되면, HSR350X 처럼 주간에 주요 고속철도 역사내에 세워진 모습을 볼 수도 있겠지요.

당장 차량은 고속선 주행시험을 위해 가장 최적화된 차량기지인 부산철도차량정비단 내 전용선에 배치되어 있고 곧 주행 시험을 하기 위해 부산근방에서 조금씩 돌아다니는 정도로 차근차근 준비를 하고 있습니다.

여기에 지금 당장은 기존 설비의 설계에 변화를 주어 한시적으로 시험하게 되지만, 차세대고속철도기술개발 사업과 별도로 추진중인 ‘400km급 고속철도인프라 시범적용 기술개발사업’ 이 진행되고 있습니다. 국토해양부한국건설교통기술평가원, 한국철도기술연구원이 주관하고 14개 기업과 4개 대학이 공동으로 참여하며 303억 원의 국고와 민간자본을 바탕으로 2010년 12월 부터 시작되어 2014년 10월까지 진행될 예정입니다.

이 때 인프라에는 노반, 선로구축물, 전차선 시스템, 신호제어 시스템, 환경소음 최소화 등이 포함되어 있고 차량 자체 기술개발 사업과 함께 초고속 운전을 뒷받침 시켜주기 위한 인프라 설비의 향상을 목전에 두고 진행되고 있습니다.

사업 내용중, 시속 400km급 시험선(Test-bed) 를 까는 내용이 있는데, 호남고속철도 신선구간중 익산-정읍간 28km 구간을 400km/h 급으로 시공한 뒤, 2014년 4월부터 2014년 10월까지 초고속 주행 시험 전용으로 사용한다고 합니다.
어차피 호남고속철도 완전 개통이 2015년 12월로 예정되어 있으니 시간적으로도 어느정도 여유는 충분히 있습니다.

쓸 데 없이 차량의 성능을 과장해서 꾸며내거나 비극적인 사실까지 뒤덮어 가며 국산 기술에 대한 동경을 나타낼 생각은 없습니다.

타국의 손에 의해 철도가 놓인이래 반세기 가까이 외국 차량들을 수입해서 운행해오다 우리 손으로 철도차량을 만들기 시작한게 1960년 부터 였습니다.

1970년대 부터 대기업 주도의 민간 철도차량 제작업체가 등장했고 점차 철도차량의 국산화에 불이 붙기 시작합니다.

1978년 부터 전동차 부품을 사들여와 조립제작을 시작했고 1980년에는 디젤전기기관차 국산화를 달성했습니다.

남 부끄럽지 않게 국산화라고 하기는 뭣한것이 주요 부품은 여전히 수입해서 사용해 왔었고 설계 역시 외국의 설계도를 따라 조립제작 하는 수준에 그쳤습니다.

그러던 중, 1996년 정부 지시에 의해 한국철도기술연구원이 설립되고 99년에는 현대ㆍ대우ㆍ한진의 3개 대기업 철도차량 제작사가 하나의 회사로 통합됩니다. 그리고 1996년 부터 프랑스 TGV 기술을 바탕으로 고속철도차량 기술개발이 시작되면서 우리나라 철도차량기술산업이 강력한 추진력을 받아 그칠 줄 모르고 저 하늘 높이 부상하기 시작합니다.

1994년까지만 해도 시속 150km급 새마을동차 마저도 설계는 외국 회사에 의뢰하고 전장품 역시 90% 이상 외산 부품을 수입해서 채워 넣어서 운행해 왔는데, 그로부터 불과 10년도 채 지나지 않은 2002년에 국산화율 92%를 자랑하는 350km/h급 한국형 고속열차(HSR350X)를 개발해 냅니다.

2009년에는 이 기술력을 바탕으로 가능한 KTX-산천을 개발해 내었고, 산천이 개발된 이후 불과 3년만인 2012년, 더 이상 TGV 기술력에 의존하지 않고 우리나라만의 독자적인 고속철도차량 기술력과 노하우 만으로 전 세계 어디에서도 찾아 볼 수 없는 한국 고유의 고속철도차량 모델을 탄생 시켰습니다.

그리고 이 고속철도차량의 성능은 30~40년의 오랜 세월동안 축적된 기술력을 지닌 강대국의 선진 고속철도차량에 뒤지지 않을만큼 강력해 졌으며, 일부 차종에 비해서는 월등한 성능을 지니도록 만들어 졌습니다.

한가지 더욱 놀라운 사실을 전해 드리자면, HEMU-430X가 개발되어 출고한 현 시점에 한국철도기술연구원은 또다른 새로운 고속철도차량을 개발하기 시작했습니다. 이번에는 시속 500km로 영업운행이 가능한 성능을 지니는 고속철도 차량인데 주목해야할 점은 이 차량이 휠-레일 방식 차량인데, 자기부상열차의 추진장치를 이용한다는 점 입니다.

아직 차량은 연구사업 기획 단계에 있지만, 머지 않아 구체적인 계획이 수면에 뜰 것으로 기대됩니다.

HEMU-430X의 개발을 통해 선진국 고속철도차량 기술을 바짝 따라 잡았는데, 이보다 더욱 진보된 성능의 고속철을 동시에 만들기 시작한다니 한국이 IT 강국에서 고속철 강국으로 거듭날 날이 머지 않은 것으로 바라 보이면서 많은 기대가 앞섭니다.

우리의 손으로 만들어진 430km/h 급 차세대 고속철도 차량은 지금부터 꿈의 속도로 내달리기 위해 차근 차근 숨을 고르고 있습니다.

현재 이차량은 한국철도공사 부산철도차량정비단에 배속되어 있으며, 6월 중으로 고속주행 시험을 실시한다고 합니다.

이제 막 걸음마를 뗀, HEMU-430X의 행보가 무척이나 기대됩니다.

PS: 이번 편에서는 ‘차량의 속도’만 놓고 이야기를 해 봤습니다.

아직 해야할 얘기는 넘치도록 쌓여 있습니다.

 

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