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[철도 기술 개발 및 응용 동향 ①] 차세대 고속철 연구 경쟁, 속도 한계 돌파 및 효율·안정성 극대화 추진
2014-04-01

[철도 기술 개발 및 응용 동향 ①]
차세대 고속철 연구 경쟁

속도 한계 돌파 및 효율·안정성 극대화 추진

세계 각국에서 좀 더 빠르고 효율적이면서도 안정성을 갖춘 고속철도의 개발을 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 현재까지 가장 빠른 고속철은 574,6km/h로 프랑스가 기록하고 있으며 현재 이 분야에서 한국을 포함한 중국, 일본, 독일, 프랑스 등이 경쟁을 주도하고 있다. 한편 국내에서는 철도연구원을 중심으로 고속철도에 관한 연구가 진행 중이며 이를 기반으로 한 차세대 고속철에 관한 연구도 확장시켜 나가고 있다.
 
글 김동기 기자

철도기술 중에서도 핵심으로 꼽히는 고속철을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재 가장 빠른 속도를 기록한 고속철은 프랑스가 기록한 574,6km/h이며 뒤이어 중국, 일본, 한국, 독일 등이 속도경쟁을 펼치고 있다. 국내에서는 2004년 프랑스 기술을 적용한 고속철인 KTX서비스를 시작으로 2010년 국내 기술을 통한 KTX 산천이 운영을 시작했으며 현재에는 차세대 고속철을 위한 연구가 활발히 진행 중이다. 철도기술연구원을 중심으로 추진되고 있는 400km/h 급 고속철인 HEMU-430X는 지난해 421.4km/h를 기록 1차 시험을 마쳤으며 올해 하반기에는 무난하게 430km/h의 속도를 달성할 것으로 기대되고 있다. 또한 500km/h를 목표로 하는 HEMU-500X의 연구도 지난해 본격적인 연구가 시작됐으며 이러한 기술과 경험을 바탕으로 앞으로 600km/h급의 고속철도 연구를 지속해 나간다는 계획이다.


고속철의 정의
일반적으로 고속철은 최소 250km/h 이상의 속도를 가지는 철도를 정의하는 것으로 통용되지만 아직 정확한 의미에서의 정의는 통용되고 있지 않다. 고속철의 경우 단순히 고속철 자체의 기술 이외에도 운영기술과 차제의 제작기술 그리고 기반시설의 건설등에 관한 모든 부분을 포함하고 있다. 현재 세계적으로 운영되고 있는 고속철은 총 21,472km이며 13,964km가 건설중이며 16,374km가 계획중에 있다. 이 중 가장 빠른 속도의 기록은 프랑스에서 지난 2007년 기록한 574,6km/h로 현재 실용화 연구가 진행되고 있다. 일본은 전통적인 철도 강국으로서 최근 철도 고속철도 기술 이외에도 철도 시뮬레이션 시스템의 개발에 주력하고 있다. 또한 중국은 자국의 넓은 영토를 바탕으로 빠르게 고속철을 확장해 나가며 고속철의 핵심 및 운영기술의 경험을 넓혀가고 있다.

국내의 고속철도 연구
국내에서는 지난 2004년 프랑스 기술 도입을 통해 KTX서비스가 시작된 이래 2010년 국내 독자술로 개발된 KTX 산천이 운행을 시작하며 관련연구와 개발이 활기를 띠고 있다. 현재 기존 KTX의 업그레이드와 함께 차세대 고속철을 위한 연구도 활발히 진행되고 있다.

HEMU-430X
차세대 고속철인 HEMU-430X는 최고속도 430km/h로 설계되어 졌으며 한국철도기술연구원을 중심으로 현대로템 등 국내 50여개 기관이 함께 개발을 진행하고 있다. HEMU-430X는 2013년 3월 28일 03시 02분 최고 속도 421.4km를 기록했으며 이는 지난 2012년 5월 16일 출고해 시운전을 시작한지 10개월, 55차례에 걸쳐 138회의 최고속도 증속시험 만에 이룬 성과이다. 최고속도 421.4km/h는 1초에 117m를 달리는 빠르기로 1초에 83m를 가는 최고속도 300km/h의 KTX보다 초당 무려 34m나 빠른 기술이다. 또한 HEMU-430X의 최고속도 421.4km는 프랑스, 중국, 일본에 이어 세계에서 4번째로 빠른 고속철도 기록이다. 지금까지의 세계의 고속철도 속도 기록은 프랑스 574.8km/h(2007.4.3), 중국 487.3km/h(2010.12.13), 일본 443km/h(1996.7.26), 독일 406.9km/h(1988.05.01)로 순위권을 이루고 있었다. 철도연은 향후 보충 시험를 통해 올해 하반기까지 430km 까지 속도를 끌어올린다는 계획으로 해무열차 430km/h 최고 속도 증속시험은 호남선에 고속철도 최고속도 시험을 위한 전용선로(공주-정읍, 88km)가 완공되는 올해 하반기부터 다시 시도 될 예정이다. HEMU-430X는 경제적 주행을 위해 공기 저항을 최소화하기 위해 에어로다이나믹(Aerodynamic) 디자인이 적용됐으며 이를 통해 KTX 산천 대비 공기저항을 10% 감소시켰다. 또한 차체의 경량화를 위해 알루미늄 압출재 최적화를 통해 차체 무게를 5% 줄였으며 진동과 함께 소음도 5dB 감소시켰다. 또한 경량화와 고효율 유도전동기로 기존 전동기 대비 10% 경량화 및 5% 효율 향상을 이뤄냈다. HEMU-430X는 시스템 안정성은 현재 연구 진행 중으로 2015년 말까지 100,000km 운행을 기록할 것으로 예상되고 있다.

HEMU-500X
국책개발과제로 진행되고 있는 HEMU-500X는 지난해 연구가 시작됐으며 최고속도 500km/h의 속도를 목표로 하고 있다. HEMU-500X는 HEMU-430X와 대부분의 부품을 공유할수 있어 상대적으로 개발 속도가 빠를 것으로 기대되고 있으며 앞으로 4년내에 개발을 완료한다는 목표를 세우고 있다. HEMU-500X의 주요 과제로는 에너지의 소비를 줄이는 것으로 500km/h 도달시 중국이나 프랑스 대비 약 30%의 적은 에너지 소비를 목표로 하고 있다. 이를위해 HEMU-500X에는 보다 진보된 안전과 출력 시스템이 사용되어질 예정이다.
 
다양한 차세대 고속철의 연구
자기부상 열차는 자기부상기술과 고속철도 기술이 합쳐진 것으로 낮은 소음과 강력한 추진력을 가지면서도 휠과 레일의 접촉으로 인한 문제들을 없다는 장점을 가지고 있다. 현재 자기부상 고속철은 일본과 독일에서 개발을 주도하고 있으며 2003년 12월 일본의 자기부상 고속철인 MLX01이 최고 581km/h의 속도를 기록한 바 있다. 또한 독일의 자기부상 고속철은 중국에서 상용화되기도 했다. 국내에서는 초고속 자기부상 열차(SHSM: Super High-Speed Maglev)의 연구를 2011년부터 철도 연구원과 관련회사, 대학 등이 협동해 프로젝트를 진행하고 있다. 주요 핵심 목표로는 차체 및 추진부문 등의 핵심기술을 확보하는 것으로 현재 150m의 테스트 라인이 건설 중이다. 국내 SHSM은 550km/h를 목표로 하고 있다. 이외에도 국내에서는 자기부상 열차와 레일방식의 초고속 열차의 장점을 결합한 레일방식 초고속자기부상열차(New SHST: New Super High-Speed Train)에 관한 연구도 진행되고 있다. 레일 방식 초고속자기부상열차는 레일과의 접촉면 감소라는 자기부상열차의 강점과 함께 기존 레일을 통한 운행이라는 호환성을 바탕으로 한 운행을 목표로 하고 있다. 개발 중인 시속 600km급 레일방식 초고속 자기부상열차는 기존의 KTX처럼 천장 위 전차선에서 대용량의 전기를 공급받아 움직이는 것이 아니라, 궤도에 설치된 전기코일과 차량에 설치된 초전도 자석 사이 자기력으로 움직이게 된다. 이를 통해 고속 주생시 발생하는 전차선 급전 문제가 해결돼 바퀴식 철도의 초고속화 기술개발이 더욱 탄력을 받을 것으로 예상되고 있다. 특히 추진시스템의 핵심 부품에 초전도 자석을 사용함으로써, 차량 주행에 필요한 전기에너지를 최소 30% 이상 줄일 수 있을 것으로 기대되고 있다.

 

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