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	2007년엔 우리기술로 달린다

고속철도의 시속 300㎞는 ‘종합과학’의 산물이다.

고속철도기술개발사업단장인 김기환 박사(철도기술연구원)는 “바퀴만 빠르게 굴린다고 속도가 그대로 오르는 건 아니다”며 “공기와 마찰의 저항을 최소로 줄이는 기술이 없다면 300㎞ 시속은 불가능했다”고 말한다. 이 때문에 전동기의 추진력과 함께 공기와 마찰의 저항을 다스리는 기술은 고속철도의 핵심으로 꼽힌다.

4월1일 오전 5시30분, 서울역에서 첫 출발 신호를 울릴 고속열차 ‘케이티엑스’(KTX)에 담긴 속도의 과학을 들여다본다. 케이티엑스는 프랑스 테제베(TGV) 기술을 들여와, 지난 12년 동안 우리 지형·환경에 맞게 개선한 고속열차다.

속도 고속열차의 최대 운행속도인 시속 300㎞는 새마을호 열차 운행속도(시속 140㎞)의 2배를 넘는다. 그러면 새마을호의 동력을 그만큼 높이면 시속 300㎞는 가능할까. 김 박사는 “불가능하다”고 말한다. 속도가 오르면 맞바람(공기저항)도 세지기 때문이다. 더욱이 맞바람의 세기는 속도 증가의 제곱으로 커져 속도가 2배 오르면 공기저항은 4배나 된다.

김 박사는 “고속열차는 전차선을 통해 받는 2만5천 볼트(V)의 전기를 전력변환장치를 거쳐 전동기에 공급해 고속의 회전력을 얻는다”며 “전동기는 180대의 중형승용차, 또는 1만8200마리의 말이 끄는 힘을 발휘하지만 그 자체가 시속 300㎞의 속도를 말해주는 건 아니다”고 말했다. 동력만 세진다고 속도가 오르는 건 아니라는 얘기다.

권혁빈 박사(철도기술연구원)는 “동력을 무한정 올릴 수 없기에 반대로 공기저항을 줄이는 기술이 열차의 속도 향상에 중요한 요소가 된다”며 “공기저항만 60% 줄여도 시속 200㎞는 260㎞로 올라간다”고 말했다. 케이티엑스는 먼저 몸집을 줄였다. 폭 3m, 높이 3.7m인 새마을호 열차와 비교해 고속열차는 폭 2.9m, 높이 3.48m로 단면적이 10%나 줄었다. 머리 부분은 빠르게 물살을 헤치는 상어 모양을 본따 유선형으로 갖췄다.

바람 시속 300㎞는 달리는 열차 주변에 매우 센 ‘열차풍’을 일으킨다. 시속 300㎞는 지난해 태풍 ‘매미’의 최대 순간풍속(초속 60m)보다 센 초속 83m나 된다. 권 박사는 “바람소리는 속도 증가의 6제곱으로 비례해 커진다”며 “지금의 새마을호가 2배 속도로 달리면 바람소리는 무려 64(2)배나 되는 셈”이라고 말했다. 이 때문에 열차를 유선형으로 하고, 튀어나온 측면 부분은 될수록 없애 공기가 맞부딪히는 부분을 줄여 소음을 줄였다.

열차풍이 일으키는 급격한 공기 흐름의 변화로 새나 짐승들이 열차 밑으로 빨려들 것에 대비해, 고속열차는 동력차의 밑부분에 맞바람을 두 갈래로 가르는 단단한 구조물을 갖추고 있다. 또 운전석 창문에 벌레와 새들이 부딪히는 것을 막기 위해 운전석 앞에 약간의 턱을 만들어 맞바람의 방향을 바꾸도록 했다.

유선형 머리·몸집 줄여 소움 공기저항 최소화
터널 공기압 요동 막으려 입출구 45도 각도로
운전기기 5초간 미작동시 자동정차 기능 갖춰

레일 고속철도는 진동과 마찰을 줄이기 위해 25m짜리 레일들을 경부선 전 구간에 걸쳐 이어붙였다. 어떤 방법으로 409㎞ 구간의 레일을 모두 이었을까. 철도청 박광수 고속차량과장은 “철로 주변의 충북 청원군 고속철도건설기지에서 25m짜리 레일 12개를 용접해 300m짜리로 만든 다음, 이를 열차에 실고 전 구간으로 실어날라 다시 용접했다”며 “300m 레일을 실어나를 때 곡선 구간에서 휘지 않도록 레일의 한 가운데만 고정하는 방식을 썼다”고 말했다.

여름엔 늘어나고 겨울엔 줄어드는 레일의 팽창·수축을 해결하기 위해선 특별한 기법들이 동원됐다. 먼저 밀도를 높인 무거운 레일을 써 수축·팽창율을 될수록 줄였다. 또 콘크리트 침목에 레일을 강하게 고정해 수축·팽창의 스트레스가 확산되지 않게 강제했다. 박춘수 고속철도기술개발사업단 평가팀장은 “레일의 최저온도인 영하 20도와 최고온도인 60도의 중간값인 20도의 온도 상태에서 레일을 깔아 수축·팽창을 충분히 견뎌낼 수 있다”고 말했다.

그러나 길이 80m 이상의 다리에선 다리 자체가 수축·팽창하는 것을 막을 수 없어, 레일이 다리와 함께 수축·팽창하도록 끊어두는 ‘신축 이음매’ 장치를 했다. 철도청 박 과장은 “경부선 구간에서 모두 14곳에 이런 신축 이음매가 있어, 엄밀히 말해 고속철도의 레일은 완전히 하나로 이어진 것은 아니다”고 말했다.

터널 고속철도의 터널은 엄청난 공기압의 요동이 일어나는 곳이다. 고속열차가 밀고들어가는 공기가 순간 압축돼 고압상태가 됐다 다시 밀린 공기가 빠져나가 순간 저압상태가 나타난다. 열차가 터널을 통과하는 때엔 고압과 저압의 요동이 일어난다.

그래서 고속철도의 터널은 보통 열차의 터널과 달리 압력의 요동을 최소화하기 위해 입구와 출구를 45도 각도로 설계됐다. 또 터널 안의 압력 변화가 승객들한테 귀가 멍멍해지는 ‘이명현상’을 일으키지 않도록 고속열차가 터널을 들고 날 때엔 자동으로 환기구를 여닫아 열차의 안팎을 완전 차단하는 밀폐시스템을 갖추고 있다.

제동 고속으로 달리던 열차를 멈추는 과정은 가속과정과 정반대다. 열차는 전기에너지를 회전력으로 바꾸는 전동기에 의해 가속하는데, 멈춰설 때엔 바퀴의 회전력이 전동기를 돌려 거꾸로 전기를 생산한다. 바퀴의 관성 에너지가 전기 에너지로 바뀌는 것이다. 김 박사는 “관성의 운동에너지를 빨리 소비하거나 빼내야만 관성력이 빠르게 줄어 정차시간도 줄어든다”며 “그러므로 바퀴가 만들어낸 전기는 발생 즉시 열차 안에서 소비하거나 열차 밖 변전소로 송전해 다른 열차가 사용하도록 한다”고 말했다.

이를 ‘회생발전제동’이라 부르는데, 고속열차는 이런 제동방식이 고장을 일으키면 브레이크를 밟아 선로와 바퀴의 마찰력으로 열차를 멈추는 ‘마찰제동’을 하게 된다. 시속 300㎞에서 고속열차의 제동거리는 3.3㎞다.

안전 고속열차에선 순식간의 사고에 더 빨리 대비하는 비상시스템이 더욱 필요하다. 먼저 운전자감시장치는 기관사가 졸거나 심장마비 같은 사고를 당해 2.5초 이상 운전기기에서 떨어져 있으면 경고음을 울리고 다시 2.5초 동안 반응이 없으면 자동으로 열차를 정차한다. 또 무언가와 부딪힐 때 충격 에너지가 객차에 그대로 전달되는 것을 막기 위해 운전석 앞쪽에 벌집 모양의 ‘허니콤’이라는 충격 흡수 장치를 두었다.

선로 주변에는 ‘차축 온도 감지장치’가 설치돼 있다. 이 장치는 달리는 열차의 차축 베어링 온도를 적외선 감지기로 측정해 과열이 나타나면 이 사실을 사령실로 알려 열차를 서행·정지하게 한다. 박 과장은 “이밖에도 열차 안 전기장치의 과열을 감지하는 화재감시장치, 객실마다 긴급상황이 일어났을 때 승객이 직접 작동하는 비상경보시스템 등이 설치돼 있다”고 말했다. 기상이변에 대비해 고속열차는 바람이 초속 30m 이상이면 운행을 중지하고, 레일이 빗물에 잠기거나 눈에 덮일 땐 시속 30㎞로 서행하도록 규정하고 있다.