일본 고속열차의 미래

[전영석]

일본 고속열차의 미래


남성원 | 차량동력연구팀 선임연구원(swnam@krri.re.kr)
김재철 | 차량시스템연구팀 선임연구원(jckim@krri.re.kr)

1. 차세대 신간선

1-1. 지금까지의 신간선

1964년 10월에 도카이도 신간선(동경-신오사카 515km)이 개업한 이래 약 35년이 경과하였다. 그 사이에 산요 신간선(신오사카-오카야마 1972년 3월, 오카야마-하카다 1975년 3월 개통), 도호쿠 신간선(오미야-모리오카 1982년 6월, 우에노-오미야 1985년 3월, 동경-우에노 1991년 6월 개통), 죠에쯔 신간선(오미야-니이가타 1982년 10월 개통), 호쿠리쿠 신간선(다카사키-나가노 1997년 10월 개통)이 건설되었다. 또한 궤간은 신간선과 같은 표준궤이나 차체는 기존선 특급 크기와 같은 미니 신간선인 야마가타 신간선(후쿠시마-야마가타 1992년 7월 개통), 아키타 신간선(모리오카-아키타 1997년 3월 개통)이 건설되어 신간선 철도망이 전국으로 확대되었다. 신간선의 이러한 성공은 당시 자동차에 뒤처져 침체기미에 있던 철도의 부활 가능성을 세계에 알려주었다. 특히, 유럽에서는 신간선의 성공을 계기로 철도 고속화에 대한 기술개발이 활발하게 이루어졌으며 1980∼1990년대에 프랑스의 TGV, 독일의 ICE, 이탈리아의 ETR500등 최고 운전속도가 250∼300km/h인 고속열차가 탄생하였다. 더욱이 1988년 5월에는 독일의 ICE가 406.9km/h, 1990년 5월에는 프랑스의 TGV가 515.3km/h로 최고 속도 기록을 경신하였다.
한편, 신간선도 자동차와 비행기에 대항하기 위하여 1980년대 중반부터 일부 노선에서 최고 운전속도를 220∼240km/h로 향상시켰으며 속도향상에 필요한 새로운 기술개발에 착수하였다.
즉 ①고속 및 곡선주행성능이 뛰어난 볼스터레스 대차의 개발 ②알루미늄합금 경량차체 개발 ③VVVF인버터 제어에 의한 3상교류 유도 전동기 개발 ④저소음 판타그라프 개발 ⑤차량 탑재 기기의 소형화 ⑥차외 소음 저감 대책 등 신간선 속도 향상에 필요한 일련의 기술개발이 1987년 일본국철 민영화 시기를 전후하여 왕성하게 이루어졌다. 그 결과, 이러한 기술의 실용화를 통하여 1992년 3월에 최고운전속도 270km/h의 300계 신간선이 도카이도 노선에 운행되었다.
300계 신간선의 등장으로 차량기술은 대폭 향상되었으나 속도향상과 승차감 향상, 소음 저감 등의 환경 대책을 연구하기 위하여 JR각사는 WIN350, STAR21, 300X와 같은 시험열차를 이용하여 많은 성과를 얻었다. 시험차의 성과를 바탕으로 500계 신간선은 일본 최초로 최고운전속도 300km/h를 실현하였으며 1996년 7월에 443km/h의 일본최고기록을 달성하였다.

1-2. 지금부터의 신간선

신간선은 5노선, 1954km와 미니 신간선 2노선이 건설되어 주요 교통수단으로 정착되고 있다. 이처럼 많은 사람들이 신간선을 이용하고 있는 것은 안전하고 빠르며 편리한 교통수단이기 때문이며 10년 혹은 20년후의 신간선을 상상할 때에도 이러한 기본은 변하지 않을 것이다. 그러나 기술적으로는 상당한 수준으로 향상될 것이므로 이러한 관점에서 각각의 기술적 내용을 전망하여 본다.

(1) 보다 안전하며 빠르고 조용한 신간선

현재 신간선의 영업 최고 운전속도는 500계 신간선의 300km/h이나 향후 항공기와의 경쟁을 고려하면 속도향상이 필요할 것으로 생각된다. 이 경우, 최고속도의 향상만으로는 목적지까지의 소요시간 단축효과가 작으므로 곡선부의 주행속도 향상도 병행하여 이루어질 필요가 있다. 최고운전속도로는 320∼350km/h정도로 향상될 수 있을 것으로 생각되나 현재의 최고속도 300km/h이상을 실현시키기 위하여는 대차의 고속 주행안정성의 향상, 역행 및 제동시의 차륜-레일간의 점착성능의 향상, 고속 집전 성능의 향상, 신호보안 시스템 성능의 향상, 차체 경량화, HVAC 및 여압 성능 향상, 차외소음 및 터널 미기압파 저감 등 많은 기술적 문제들을 해결하여야 한다.
이러한 과제중에서도 대차의 고속 주행 안정성은 안전면에서 특히 중요한 과제이므로 여러 가지 연구개발이 진행되고 있다. 예를 들면 볼스터레스 대차의 주행안정성을 향상시키기 위하여 ①대차의 축거를 현행 2.5m에서 3.0m로 길게 하는 방안 ②원추형 구름 베어링을 사용하여 차축베어링의 축상 지지장치의 유간을 줄이는 방안 ③대차 스프링하 질량 및 스프링간 질량을 줄이는 방안 ④대차에 부착된 상태에서의 스프링 및 댐퍼 특성 산정 방법을 개발하여 고속주행 뿐만아니라 곡선부 주행성능이 우수한 대차 제원을 산정하여 시험기 또는 시험차로 그 효과를 실증하고 있다. 또한 환경문제도 신간선 속도 향상시 검토하여야 할 중요한 과제로서 예를 들면, 차외소음은 최고운전속도 320km/h에서 75dB를 유지할 수 있을 것으로 예상되나 350km/h에서도 이 수준을 유지하기 위하여는 소음대책에 부단한 노력이 필요하며 현재 상태에서는 매우 어려운 수준이라고 판단된다.

(2) 보다 쾌적한 신간선 신간선

속도가 300km/h정도로 되면, 차량은 궤도틀림의 영향과 함께 공기역학적인 영향도 받아 차체 동요가 심화된다. 최근의 신간선 열차에는 세미액티브 댐퍼와 차체간 요댐퍼를 장착하여 승차감 향상을 꾀하고 있다.
세미액티브 댐퍼는 차체와 대차간에 장착되어 있는 좌우 동댐퍼의 감쇄력을 고속전자밸브를 이용하여 순간적으로 증감할 수 있도록 하여 궤도 틀림과 공기역학적 외력으로 인한 차체 동요를 저감시켜 승차감을 개선시키는 것으로 제진용 동력원이 불필요하여 신뢰성이 높으며 가격이 저렴한 특징이 있다. 차체간 요댐퍼는 인접한 차량의 차체 사이에 2개의 댐퍼를 레일방향으로 장착하여 차량의 요잉을 억제하여 승차감을 향상시키는 것이다 이들 장치는 모두 차체 진동을 수동적으로 억제하는 방법이지만 고속화가 진행되어 더한층 승차감 향상이 필요한 경우는 최근 연구가 진행되고 있는 세미 액티브 서스펜션의 채택도 고려할 수 있을 것이다.
또한 신간선 열차에도 차체경사장치를 채택하여 곡선주행 속도가 향상되면 목적지까지의 소요시간 단축과 함께 곡선 주행중의 좌우 정상 가속도와 곡선 전후의 감속 및 가속시의 전후진동 가속도를 줄일수 있으므로 승차감을 향상시킬 수 있다.

(3) 보다 편리한 신간선

신간선과 기존선을 연계하여 여행하는 경우, 접속역에서 환승없이 여행할 수 있게 된다면 매우 편리할 것이다. 그에 대한 한 방안으로서 일본 철도총합기술연구소는 궤간가변 대차의 개발을 진행하고 있다. 궤간가변 대차의 구성은 고속차량용 대차의 특징을 고려하여 주전동기가 붙은 2축대차 방식이다. 대차 구성을 간단하게 하기 위하여 주전동기를 차륜에 직접 장착하여 기어장치를 생략한 방식과, 평행카르단식 동력전달장치를 이용하여 주전동기는 종래와 같이 대차틀에 장착하고 기어를 통하여 차축을 회전시키는 방식의 2종류를 개발하고 있다.
궤간가변 대차의 개발은 1994년에 시작하여 1998년에는 3량편성의 시험차를 완성하였으며 1999년부터 미국 콜로라도의 고속시험선에서 최고속도 230km/h정도의 고속 내구 주행시험을 실시하고 있다. 2000년 중반부터는 궤간변환시험도 병행하여 2000년 말에는 누적 주행거리 60만km를 목표로 하고 있으며 향후 일본 국내에서의 주행시험도 병행할 예정이다. 궤간가변 차량이 실용화되면 고속선로에서 떨어진 도시까지도 환승하지 않고 여행할 수 있게 되어 철도의 편리성이 대폭 향상될 것이다.

1-3. 차세대 신간선

위에서 소개한 내용을 바탕으로 21세기의 신간선이미지로서,
*교통수단의 매력은 안전을 바탕으로 한 속도향상이므로 차세대 신간선의 최고속도는 환경문제를 고려하여 350km/h를 목표로 한다
*신간선에 차체경사장치를 채택함으로써 곡선주행성능을 향상시켜 목적지까지의 소요시간의 대폭적인 단축과 곡선전후의 가감속 빈도가 줄어 승차감이 향상된다.
*350km/h의 초고속화에 대응하기 위하여 세미액티브댐퍼, 차체간 요댐퍼외에 액티브 서스펜션과 액티브 조타시스템 등을 채택하여 승차감과 주행성능의 대폭적인 향상을 도모한다.
*궤간가변장치와 차체경사장치를 장착한 신간선과 기존선 직통 열차의 실용화로 고속선로에서 멀리 떨어진 도시까지의 여행이 환승없이 빠르고 편리하게 이루어진다.
이상은 차세대 신간선의 이미지를 예측한 것이나 조금이라도 현실에 가까워지도록 철도총합기술연구소도 500km/h까지의 실험이 가능한 차량 주행시험장치와 제동시험장치, 대형 저소음 풍동 등의 시험장비를 사용하여 JR각사와 공동으로 연구개발을 진행, 계획하고 있다.

2. 리니어 모터 차량

2-1. 리니어 모터 차량에 대한 전망

앞에서 기술한 것처럼 신간선은 상당한 속도향상을 이룩하였다. 그러나 최근 신간선의 승객이 ‘히카리’로부터 ‘노조미’로 점점 옮겨가면서 철도의 고속화에 대한 요구가 더 커지고 있음을 알 수 있다. 이러한 요구에 대응하기 위하여 철도의 속도향상을 꾀하고 있으나, 모터을 탑재하고 전기를 가선으로부터 집전하여 레일 위를 주행하는 종래의 철도에서는
① 차량 적재기기의 용량 및 중량이 현저하게 증가
② 집전의 곤란
③ 차륜과 레일사이의 마찰의 감소에 따른 차륜의 슬립
과 같은 문제점 때문에 신간선을 비롯한 세계의 고속철도가 점차 속도의 한계를 나타내기 시작하였다.따라서 일본 철도총합기술연구소는 JR도카이와 공동으로 위에서 기술한 한계를 극복하기 위한 수단으로 초고속 주행에 적합한 최적의 철도로서 초전도 자기부상 리니어 모터차량(이하 리니어 모터차량)의 개발을 진행하고 있다.

2-2. 리니어 모터차량의 구조와 특징

(1) 리니어 모터

리니어 모터는 회전운동을 발생시키는 일반모터와는 달리 직선운동을 발생시키는 모터로서 차체와 궤도에 분리되어 설치된다. 차체에는 가벼우면서도 강력한 초전도자석을 탑재하고, 궤도에는 모터의 나머지 부분을 설치한다. 전력은 궤도측 모터에서 공급하기 때문에 변압기와 인버터 등 여러가지 기기를 차량에 탑재할 필요가 없어지므로 출력은 크며 차량은 경량화시킬 수 있다. 이러한 방식을 지상 일차식 리니어 모터라고 하며 추진용 전력의 집전도 필요 없으며 차륜의 슬립에 의한 속도제한도 없다.

(2) 자기부상

초전도자석에 의해서 발생되는 자력은 추진이외에도 차량을 부상시켜 가이드 하는 역할을 한다. U형 가이드 웨이의 측벽에 [8]자형의 부상 코일을 설치하여 초전도자석 옆을 통과시키면 전자유도현상에 의해서 코일에 전류가 유도되어 [8]자형의 상하코일이 전자석이 되어서 초전도 자석을 탑재한 차량이 부상력을 얻게 되며 좌우측벽의 부상코일을 연결하여 좌우의 가이드력도 얻을 수 있다. 부상과 가이드는 외부로부터 전력공급과 제어가 불필요하기 때문에 자연 안정계이다. 저속에서는 코일에 유도되는 전류가 작기 때문에 발생력이 부족하여 보조의 지지륜과 안내륜이 필요하지만, 시속100km/h정도 이상에서도 충분한 힘을 얻을 수 있고 200km/h이상에서는 속도에 대하여 거의 일정하게 된다. 또한 많은 코일이 차량을 지지하기 때문에 하나의 코일에 문제가 발생하여도 주행에는 거의 영향을 미치지 않으며, 자기부상은 항공기의 날개에 비해서 양항력(부상력과 주행저항의 비)이 5배 이상으로 상당히 고효율적이다.
초전도 기술이 미약하던 시절에는 자기부상식 철도 개발에 의문점이 있었다. 그러나, 구 일본국유철도(국철)에서는 이 시스템을 초고속철도로 선정하여 1970년부터 연구개발을 추진하였다. 미야자키에 연장7km의 시험선을 건설하여 1977년부터 주행실험을 개시하여, 1979년에는 차량속도 517km/h를 기록함으로서 고속주행에 대한 높은 잠재력을 실증하였다. 그러나, 미야자키 시험선은 연장이 짧은 단선으로 터널이 없고 구배가 거의 없어서 실용화에 필요한 데이터를 얻기에는 한계가 있었다. 한편, 국철개혁 후 도카이도 신간선의 여객이 급증하고 리니어 모터차량의 조기 실용화의 요구가 높아지면서 야마나시 실험선이 건설되었다.

(3) 야마나시 실험선

야마나시 실험선은 전체 길이 18.4km 가운데 터널이 16km로 대부분 구간을 차지하며 복선으로 되어있기 때문에 영업선을 모의한 고속 교행 주행시험이 가능하다. 대부분 중앙부의 개활지 구간에 건설된 변전소는 전력을 받아서 인버터로 가변전압·가변주파수의 교류로 변환하여 궤도상의 리니어 모터에 공급한다. 차량은 2편성 총7량을 개발하였다. 차량 단면적을 가능한 최소화하기 위해서 대차를 연결부에 배치하는 저상 연접방식을 채용하였다. 지상 일차 리니어모터를 사용하기 때문에 영차상태에서 약20t정도로 신간선 중량의 1/2정도이다. 초전도 자기부상 리니어 모터 차량은 초전도 자석을 탑재하기 때문에 자력이 승객에 미치는 영향을 최소화하여 야마나시 실험선 차량에서는 자석 근처의 자력에 의한 영향을 약 4가우스 정도로 낮추었다.

(4) 주행실험의 경위

야마나시 실험선에 대한 주행시험은 1997년4월에 개시하여 우선 저속차륜주행부터 차량 주행로의 문제점을 확인한 후 부상주행 실험을 실시하여 차량의 움직임과 브레이크성능을 확인하면서 순차적으로 속도를 높였다. 속도 향상은 순조롭게 진행되어 그해 12월에는 유인상태에서 철도의 세계최고속도531km/h를 기록하고 무인상태에서는 야마나시 실험선의 최고목표속도 550km/h를 달성하였다. 또한 제2편성 열차가 완성되어 2열차를 동시에 운전하여 대피·추월시험, 고속교행시험 등과 같은 여러가지 시험이 가능하게 되었으며 현재 상대교행속도 1003km/h까지 실시하여 문제가 없는 것을 확인하였다. 1999년 2월 차량을 영업선 열차의 최대편성에 해당하는 5량 편성열차로 구성하여 특성 확인시험을 하였다. 5량편성에서도 문제점이 될만한 현상은 없었으며, 그해 4월14일에는 유인상태에서 최고속도552km/h를 달성하여 기록을 갱신하였다. 5량편성에 대한 전체 데이터를 얻은 후, 5월에는 3량 2편성으로 다시 구성하여 신뢰성을 확인하기 위해서 하루에 최대 44회의 500km/h대 고속연결주행시험을 진행하고 있다

2-3. 향후 계획

야마나시 실험선에 대한 주행실험은 1997년∼1999년도까지 3년간으로 계획되었다. 이 기간 동안에 커다란 문제점은 없었으며 최고속도550km/h, 상대교행속도1000km/h등 당초 계획한 목표를 모두 달성하여, 일본 정부내에 설치된 부상식철도 실용기술 평가위원회는 ‘장기 내구성, 경제성의 일부에 대해서는 계속적인 검토가 있어야하지만, 초고속 대량운송 시스템으로서 실용화에 대한 기술상의 목표가 세워져 있다고 생각된다’라는 평가를 받았다. 향후의 과제인 장기 내구성의 확인, 비용절감, 차량의 공기역학적 특성의 개선에 대하여 향후 5년간 주행실험·개발에 주력할 예정이다.

2-4. 21세기의 도약

초전도 자기부상식 철도는 초전도자석 뿐만 아니라 전기전자, 통신 등의 최첨단 기술이 결집된 전혀 새로운 형태의 철도로서 일본 철도역사 170년 동안에 가장 커다란 시스템의 변화이다. 이 철도 시스템은 세계의 주목을 받는 일본의 독자기술로서 공기저항이외에는 속도를 제약하는 요인이 없으므로 향후 감압튜브 등을 사용하면 더욱 비약적인 속도향상이 기대되기 때문에 미래를 향한 꿈의 초고속철도 탄생이 현실로 다가오고 있다.



< 참고문헌 >

[1] okamoto, private communication.