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기획특집/연재

N700S계 신칸센도 비밀이었던 선두부는 왜 다른가?

단순한 외형 뿐만 아니라 성응도 중시한다

  (서울:레일뉴스)최경수 편집위원 = JR 도카이(東海)의 차세대 신칸센(次世代 新幹線) 차량 N 700S계 신칸센이 곧 시운전을 개시한다. 그 선두형상은 현재 주력 차량인 N 700계 신칸센보다 더 세련된 인상이다.


 


  시속 200km 이상으로 이어온 신칸센의 트레이드 마크의 하나가 유선형 선두부이다. 선두부의 형상은 속도향상과 함께 변화했다. 그러나 왜 최신 신칸센 차량의 선두부 형상은 항공기와 같은 단순한 것이 아니라 복잡한 것으로 되어 있는 것일까?


  신칸센의 속도향상하는 데 크게 관계가 되는 것이 공기저항(空氣抵抗)이라는 것은 누구나 떠올릴 것이다. 시속 130km 정도의 속도영역이라면 힘껏 달릴 수 있지만 시속 200km를 넘는 속도영역에서는 공기저항이 매우 커지는 만큼 유선형 선두부가 필수적인 것은 말할 필요도 없다.


  그러나 공기저항의 저감(低減) 이외에도 신칸센의 선두부 형상을 결정짓는 요소가 있다. 그 하나가 터널 미기압파(微氣壓波)의 저감(低減)이다.


터널 미기압파 저감


  터널 미기압파(微氣壓波)라 함은“터널 텅”이라고도 불리는 소음의 일종이다. 신칸센이 터널에 진입하자 터널 내의 공기가 압축되면서 터널 출구에서 파열음(破裂音)을 낸다. 공기대포(空氣大砲)에서 말하는 실린더가 터널, 피스톤이 신칸센이라고 생각한다면 알기 쉽다.


  터널 미기압파(微氣壓波)를 낮추기 위한 방법의 하나는 차체 단면적(車體 斷面績)을 줄이는 것이다. 이렇게 하면 터널 내의 공간가 퍼지면서 공기압축 효과를 줄일 수 있다. 2층 신칸센 E 1계 신칸센과 E 4계 신칸센을 제외한 300계 신칸센 이후의 신칸센 차량의 지붕높이가 100계열보다 약 40cm 낮춘 이유의 하나이기도 하다. 500계 신칸센에 이르러서는 양쪽 어깨와 옷 자락을 떨어뜨린 원통형(円筒形)의 차체를 채용하여 화제를 불러 일으킨 바 있다.


  설계 최고속도에 따라 선두부(先頭部)의 길이도 결정된다. 1990년대 중반보다 철도차량에도 수치 유체역학(CFD)에 의한 해석이 도입되면서 적절한 선두부 길이를 거두게 되었다.


  영업용 신칸센에서 C F D를 처음 도입한 것은 500계 신칸센으로써 1996년도에 선행 차가 등장하였다. 500계 신칸센은 최고 시속 320km로 설계되어 당시 전례가 없었던 15m라고 하는 길이의 선두부가 채택되었다. 현재는 E 5계 신칸센과 H 5계 신칸센에도 15m의 선두부 길이를 채용하고 있다.


 

 E 5계 신칸센의 선두형상은 FASTECH-360형을 활용하였다


  15m가 넘는 선두부 길이는 영업용 차량에서는 등장하지 않고, JR 히가시니혼(東日本)이 시작(試作)한 풀 규격 시험 차 E 954형 "FASTECH-360S"형 시험 차의 1호 차 및 8호 차와 미니 신칸센의 시험 차 E 955형 "FASTECH-360Z"형 시험 차의 16호 차에 장착된 16m가 가장 길다.


  풀 규격의 "FASTECH-360S" 시험차에는 1호 차에 유려(流麗)한 스트림 라인, 8호 차에 복잡한 형상의 애로우 라인을 채용하였다. 비교시험 결과 애로우 라인의 손이 오르고 E 5계 신칸센을 개발하는 데 활용하였다.


  미니 신칸센의 "FASTECH360Z"는 두 선두 차량에도 "애로우 라인"의 선두부 형상을 채택했지만, 차체 단면적이 풀 규격 신칸센보다 작아 그만큼 선두부의 길이를 짧게 할 수 있었다 그곳에서 11호 차 선두부의 길이를 13m, 16호 차를 16m로 비교 시험을 실시하고 있다.그리고 E6계에서는 13m의 선두부장을 채용했다.


선두형상이 복잡한 이유


  이렇게 선두부 길이는 최고속도와 환경성능의 균형에 관련된 것이지만 여기서 궁금한 것은 FASTECH-360형 시험 차의“애로우 라인“과 E 5계 신칸센, E 6계 신칸센의 선두부 형상이 복잡하다. 아니, 500계 신칸센도 잘 보면 꽤 복잡한 형상을 하고 있다. 여기에는 단면적 변화율이 관계가 된다.


  선두부 단면적은 첨단(尖端)에서 차체 중앙으로 향해 커지는 셈이지만 이 변화율을 최대한 일정하게 하는 것이 터널 미기압파 저감하는 데 유효하다고 한다.


  그렇다면 연필 끝과 같은 선두부 형상으로 하면 좋은지, 사실은 그렇게 단순하지 않다. 대차(臺車)의 어떤 부분에서는 스컷트락 폭을 최대치로 삼아야 한다. 또 운전대 유리창을 필요 이상으로 눕히면 시계(視界)가 나쁘기 때문에 운전대(運轉臺) 부분을 캐노피 형태로 줄일 필요가 있다. 이 부분에 대해서는 다른 부분이 커지는 것을 억제하는 등을 궁리하여 그래프 상의 단면적 변화율을 일정하게 하고 있다.


  더 말하자면 공력해석(空力解析)이 미숙한 500계 신칸센 시대는 첨단부를 뽀족하게 하여 공기를 끊는 형상으로 하였지만 그 후 공력연구(空力硏究)에는 첨단부를 조금 옆으로 부풀려 둥그스름한 느낌을 갖게 하는 게 좋다는 결과가 나왔다. 그래서 E 2계 신칸센 및 E 3계 신칸센에는 선행 차(先行車)의 첨단부가 뽀족한 것을 양산 차(量産車)에는 둥그렇게 하였다.


   

                - 500계 신칸센 고속열차


  1997년도에 선행 시작 차(先行 試作車)가 등장한 700계 신칸센은 300계 신칸센과 객실설비, 출입문 위치, 거주성(居住性) 등을 맞추기 위해 선두부 형상을 모색하였다. 그 결과 선두부 길이가 8.7m로 짧아졌고, 산요 신칸센(山陽新幹線)에서 최고속도도 시속 285km에 억제하는 결과가 되었다. 더 말하자면 양산 차(量産車)에는 운전대(運轉臺)를 확대하기 위해 선두부 길이가 9.2m로 연장하였다. 그러나 최고속도는 시속 285km로 변하지 않았다.


  700계 신칸센이면 오리 너구리 스타일의 선두부 형상이다. 이것은 선두 차가 최후부 차량가 되었을 때 난류(亂流)에 의한 차체동요도 선두부 형상에서 공력적(空力的)으로 억제한다는 것이다.


       

         오리너구리라고 부르는 700계 신칸센                N 700계 신칸센의 선두형상은 에어로더불윙형

                                                  
                 

  700계 신칸센의 선두부를 디자인한 후쿠다 테츠오(福田 哲夫) 씨에 따르면 선두부 좌우로 늘어난 부분을 비행기의 수평 꼬리 날개, 운전대 부분을 수직 꼬리 날개에 만들어 디자인했다는 것이다. 그 선두부 형상의 효과와 세미 액티브 서스펜션을 채용하여 700계 신칸센의 최후부는 당시 가장 흔들림이 적은 것으로 알려졌다.


  700계 신칸센에는 속도(速度)와 거주성(居住性)과 승차감(乘車感)을 어느 정도 병행시킬 수 있었다. 그러나 최고속도를 시속 300km로 만들기 위해서 N 700계 신칸센에는 700계 신칸센의 "에어로 스트림" 형상을 개량하여 유전적(遺傳的) 알고리즘에 의한 해석에서 "에어로 더블 윙" 형상을 만들었다


  선두부 길이는 10.7m와 500계열보다 4.3m나 짧지만 선두 차(先頭車)의 객실부분의 지붕높이를 3.6m로써 중간 차보다 10cm, 500계열보다 19cm도 낮추어 시속 300km 운전 시 소음수준을 감소시켰다. 여담이지만 N 700계 신칸센의 설계 최고속도는 시속 330km이며, 일본 국내에서 시속 321km의 기록을 달성하였지만 현 시점에서 국내의 소음수준을 채우고 있는지는 알려지지 않고 있다.


엣지가 바람의 흐름을 가른다.


  N 700S계 신칸센의 듀얼 스프림 윙 형상은 에어로 더블 윙 형을 발전시켰다. 엣지를 만듬으로써 바람의 흐름을 보다 확실히 구분하여 정류(整流)하는 것을 겨냥하고 있는 것으로 보이며, 최후부의 진동이 더 절감되는 것이 예상된다.


  
  - 호쿠리쿠 신칸센 E 7계, W 7계 선두형상은 비교적 단순하다.


  어그레시브한 선두부 디자인이 늘어난 신칸센이다. 한편으로 최고속도가 시속 260km로 소극적인 호쿠리쿠 신칸센(北陸新幹線의 E 7계 신칸센 및 W 7계 신칸센은 길이가 9.1m의 심플한 원 모션 디자인을 채용하였다. 다만, 시속 275km 주행이 가능한 성능을 가지고 있다. 규슈 신칸센(九州新幹線)의 800계 신칸센도 700계 신칸센을 토대라고 생각되지 않을 정도로 단순한 스타일을 채용하고 있지만 안심감(安心感)이 있는지, 이 스타일이 좋아한다는 사람도 많다.


  2019년도에는 JR 히가시니혼(東日本)이 시속 360km 운전을 목표로 한 차세대 신칸센 시험 차  E 956형(形)『ALFA-X』를 등장시킨다. 선두부 형상도 두 타입이 비교될 전망이지만 어떤 스타일이 되는지 기대가 크다.


     - 資料: 東洋經濟新報社, 2018. 3. 10.

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