Поезда XXI века

Поезда  высокой  скорости

Французские конструкторы начала 1960-х годов не боялись экспериментировать. Экзотические проекты поездов на магнитной подвеске или на воздушной подушке,
как, например, Aerotrain Жана Бертэна, казались вполне
реальным завтрашним днем.

Французские национальные железные дороги SNCF (Société Nationale des Chemins de fer français), пытаясь повысить скорость традиционных колесно-рельсовых поездов, стали разрабатывать газотурбинные локомотивы. В 1972 году один из экспериментальных прототипов — TGV 001, разогнанный двумя такими локомотивами, установил рекорд скорости для рельсовых поездов на неэлектрической тяге — 318 км/ч. Помимо множества решений в области систем тяги, торможения, аэродинамики и системы управления, TGV 001 дал французскому проекту быстрых поездов имя — Train à Grande Vitesse («высокоскоростной поезд»).

 

TGV 001

Однако вскоре начался нефтяной кризис 1973 года, цены на топливо сильно выросли, и SNCF отказались от газотурбинных установок в пользу электричества. В 1978 году появились два предсерийных поезда, а через три года, в сентябре 1981 года, пассажиры впервые смогли прокатиться на скорости 260 км/ч по только что открывшейся высокоскоростной линии Sud-Est (Юго-Восток) Париж-Лион. Это было на целых полсотни километров в час быстрее японского «поезда-пули» (причем это была эксплуатационная скорость, технические возможности позволяли намного больше — один из таких поездов чуть ранее развил 380 км/ч, поставив очередной рекорд). И именно этот поезд можно считать первым представителем высокоскоростного железнодорожного движения, поскольку в современной терминологии (которая, впрочем, не совсем строгая) все поезда, которые развивают менее 250 км/ч на специально подготовленных путях, считаются просто скоростными.


TGV PSE

Дальнейшее совершенствование TGV, как говорит старший вице-президент и технический директор компании Alstom Франсуа Лакот, возглавлявший в SNCF проект высокоскоростных поездов с 1983 года, пошло не только и не столько в сторону повышения скорости и даже не экономической эффективности, но главным образом в сторону повышения комфорта: «Поезда TGV второго поколения развивали 300 км/ч, и они были гораздо более комфортными: уменьшен уровень шума, лучше микроклимат, удобнее кресла, да и расстояние между ними больше. Еще более комфортным и эффективным стал TGV Duplex третьего поколения — двухэтажный поезд, вмещающий на 40% больше пассажиров».




На воздушной смазке

C начала XX века умы конструкторов железнодорожного транспорта будоражит идея вовсе отказаться от физического контакта с рельсами. Это позволило бы избавиться от сопротивления качения и значительно повысить скорость поездов. Первым такую идею высказал в 1930-х годах инженер компании Ford Эндрю Кучер, он же разработал концепцию «воздушной смазки» — слоя воздуха, выдуваемого под давлением из многочисленных небольших отверстий между днищем автомобиля или поезда и гладкой опорной поверхностью (многие читатели наверняка видели этот эффект в настольном аэрохоккее).
     https://youtu.be/5gNZ-lFdmZ8
В 1960-х годах, после изобретения судов на воздушной подушке (СВП), к этой идее вернулись вновь. Кучер, ставший к тому времени вице-президентом Ford, высказал предположение, что этот принцип может быть использован в поездах, способных развивать 300-700 км/ч. Множество инженерных групп и компаний тогда всерьез рассматривали воздушную подушку в качестве альтернативы колесам и рельсам. В Великобритании этим занималась группа Кристофера Коккерелла (изобретателя СВП), но наиболее известным проектом стал Aerotrain французского конструктора Жана Бертэна, который построил несколько прототипов (в половинном масштабе и полноразмерных).

Один из таких прототипов в 1974 году показал скорость 430 км/ч. Французские железные дороги SNCF хотели запустить скоростную линию Aerotrain, однако потом отказались от этой идеи в пользу традиционных колесно-рельсовых поездов.

Маглев

Во второй половине XX века воздушная подушка как концепция уступила место магнитной подвеске — еще более старой идее (первые патенты на эту тему датируются 1905-1907 годами). Магнитная подвеска, или «маглев» (maglev — magnetic levitation) объединяет два различных принципа.

Первый — это электромагнитная подвеска, работающая на силах притяжения мощных электромагнитов к нижней части перекладины Т-образной рельсы. Система обратной связи регулирует ток в электромагнитах таким образом, что поезд постоянно «парит» над путями. Это проверенная технология, которая работает на малых и даже на нулевых скоростях.

Поезд на магнитной подвеске, соединяющий Шанхай с Шанхайским международным аэропортом

Второй принцип — это электродинамическая подвеска, работающая за счет сил взаимодействия (притяжения и отталкивания) постоянных или сверхпроводящих магнитов в поезде с магнитными полями, наводимыми в путях при движении поезда. Такая система позволяет потенциально достигать больших скоростей с большей нагрузкой при меньшем потреблении энергии, но основным ее минусом является то, что на малых скоростях она не работает, и требуется шасси для «приземления» поезда при остановке или начале движения.

Все существующие современные поезда «маглев» используют электромагнитную систему подвески. В XX веке в различных странах было построено множество экспериментальных и даже несколько таких коммерческих систем на коротких (несколько километров) маршрутах, специально созданных к различным крупным выставкам — то есть в основном для развлечения публики. Скорость таких поездов обычно не превышает 100-110 км/ч. Единственный высокоскоростной поезд на магнитной подвеске в коммерческой эксплуатации на сегодняшний день — это поезд немецкой разработки Transrapid, соединяющий Шанхай с Шанхайским международным аэропортом. Его максимальная скорость — 430 км/ч, а свой 30-километровый маршрут он проходит за 8 минут.
Однако лет через 10 ситуация может измениться — JR Central, японский оператор сети «Синкансен», планирует в 2027 году запустить маглев-поезда на линии Токио-Нагойя. Сейчас поездка из Токио в Нагойю занимает 1 час 35 минут, а маглев, развивавший на испытаниях скорость в 581 км/ч, сократит это время до 40 минут.

 

«Большая тройка»

У Alstom накоплен самый долгий опыт эксплуатации высокоскоростных поездов, что позволило компании к концу XX века стать ведущим мировым производителем высокоскоростных поездов не только для Франции, но и для других стран — Испании, Южной Кореи, Италии и Марокко. Но в 1990-х годах ситуация начала меняться. Хотя в Германии высокоскоростные поезда Intercity-Express (ICE), развивающие 280 км/ч, появились почти на 10 лет позже французских TGV, их производитель, компания Siemens, к началу 2000-х годов уже составляла серьезную конкуренцию компании Alstom, наряду с еще одним мировым гигантом — канадской компанией Bombardier. Вот эта «большая тройка» (которой сейчас начинает наступать на пятки японская Kawasaki Heavy Industries и испанская Talgo) и делит между собой мировой рынок высокоскоростных поездов (способных достигать 380 км/ч).

    https://youtu.be/Z7vh2RlZ5jk Alstom — AGV

«Эта конкуренция лежит не только в области экономики, но в обусловлена рядом технических решений, — объясняет заместитель главного редактора журнала "Железные дороги мира" Алексей Ефремов. — Французские высокоскоростные поезда построены по так называемой сочлененной схеме — тележки расположены не под вагонами (по две под каждым), а между ними. Такая конструкция имеет множество преимуществ — снижается масса поезда за счет уменьшения количества тележек, а также увеличивается пассажировместимость. Например, при длине 200 м поезд нового поколения Alstom AGV, состоящий из 11 вагонов, имеет 12 тележек, в то время как аналоги других производителей при той же длине состоят из 8 вагонов с 16 тележками. А это экономия и на производстве, и на обслуживании».

 

Alstom — AGV

Помимо большего комфорта и устойчивости на путях с относительно большими вертикальными и горизонтальными неровностями, сочлененная схема обеспечивает высокий уровень безопасности: при сходе с рельсов такой поезд не складывается «гармошкой». Более чем 30-летний опыт эксплуатации высокоскоростных линий SNCF показал, что эта конструкция оправдала возложенные на нее надежды: поезда TGV трижды сходили с рельсов, но не складывались и не заваливались набок, а оставались на пути в виде единого целого.

Наиболее впечатляющий случай произошел 21 декабря 1993 года, когда на 110 километре линии Nord (Париж-Лилль) под рельсами просел грунт, и головной моторный вагон и четыре следующих вагона сошли с рельсов на скорости в 300 км/ч. Обычно последствия таких инцидентов довольно серьезны, но в этом случае обошлось без жертв — только один человек получил легкие травмы.

Bombardier sbb twindexx

Но здесь есть и обратная сторона. Сочлененная схема была выбрана для TGV с самого начала, поскольку поезда планировалось использовать в режиме «наземного самолета» — то есть с минимумом остановок между конечными пунктами: в более коротких вагонах поездов сочлененной схемы только одна входная дверь, и это создает неудобства при посадке и высадке пассажиров. Кроме того, во Франции существует законодательное ограничение по нагрузке на одну ось — 17 тонн, и по этой причине вагоны приходится максимально облегчать, что сказывается на внутреннем оснащении и комфорте.

По этой причине поезда, построенные по традиционной схеме с двумя тележками под каждым вагоном, такие, как Siemens Velaro/ICE, по комфорту превосходят поезда TGV. Кроме того, традиционная схема позволяет проще реализовать распределенную тягу, то есть встроить тяговые электромоторы в каждую тележку — это позволяет достичь большей мощности и надежности.
С сочлененными это гораздо сложнее из-за ограничений по массе и габаритам, поэтому французские поезда TGV имеют два моторных вагона (с двух сторон поезда).

Bombardier's Zefiro 380

Утиный  клюв

Аэродинамике высокоскоростных поездов конструкторы уделяют огромное внимание.

На скоростях свыше 250 км/ч на преодоление сопротивления воздуха расходуется весьма значительная доля мощности, и снижение коэффициента лобового сопротивления вносит серьезный вклад в экономичность поезда. В некоторых аспектах аэродинамика поездов даже более сложна, чем аэродинамика самолетов — они движутся вблизи земной поверхности в условиях переменного ветра. К тому же высокоскоростные поезда — один из немногих видов транспорта, который должен быть оптимизирован по аэродинамике в обоих направлениях, поскольку на конечных станциях поезда не разворачивают.
Однако лобовое аэродинамическое сопротивление — далеко не единственная задача, которую приходится решать конструкторам высокоскоростных поездов. Например, последние поколения японских поездов «Синкансен» — серии 700 и N700(A) — имеют весьма необычную форму головного обтекателя. Она настолько напоминает утиный клюв, что эти поезда заслужили в среде фанатов железнодорожной техники прозвище «Дональд Дак». И хотя мультфильмы студии Walt Disney в Японии весьма популярны, форма носовой части «поезда-пули» объясняется вовсе не этим, а спецификой высокоскоростного движения — множеством закрытых туннелей. Форма типа «утиный клюв», разработанная японскими специалистами по аэродинамике, позволяет снизить уровень шума и «звукового удара», которые создаются скачками давления (ударной волной) при выходе движущегося с высокой скоростью поезда из бетонного туннеля и входе в него.

Салон нового высокоскоростного поезда

Хотя на европейских маршрутах туннелей не так много, они тоже доставляют множество хлопот. Ударная волна, создаваемая поездом во время движения по туннелю, повышает давление снаружи, что серьезно мешает работе воздухозаборников системы охлаждения. Поэтому при входе поезда в туннель система управления переключает вентиляцию в режим замкнутой циркуляции воздуха — это делается либо по скачку давления, либо по сигналу специального маяка перед входом в туннель.

Заглядывая в будущее

Еще одна важная характеристика высокоскоростного поезда — аэродинамическая устойчивость к боковому ветру. Дело в том, что поезд имеет высокую парусность, и боковой ветер может создавать опасный опрокидывающий момент, а согласно европейским нормам безопасности, при воздействии даже самых сильных порывов бокового ветра колеса наветренной стороны должны нести как минимум 5% веса поезда. Инженеры используют масштабные модели поездов и в аэродинамической трубе измеряют опрокидывающие силы при различных скоростях и углах воздушного потока, составляя так называемые характеристические кривые, по которым можно вычислить допустимую максимальную скорость ветра для реального поезда. При этом учитывается и скорость самого поезда, и угол, который курсовая скорость составляет к направлению ветра. Самый опасный ветер — направленный под острым углом «навстречу» поезду, поскольку в этом случае их скорости векторно складываются, увеличивая опрокидывающий момент.
Максимальная допустимая скорость порывов ветра зависит от скорости самого поезда. Скажем, для двухэтажных французских TGV Duplex на 120 км/ч скорость ветра составляет 40 м/c, а на 300 км/ч — 32 м/с. Такая скорость ветра вовсе не редкость, особенно если речь идет о путях, проложенных на эстакадах, поднятых на десятки метров над землей. Если скорость ветра превышает эти значения, нужно снижать скорость поезда. Между тем поезда не оснащаются ни приборами для измерения скорости ветра, ни датчиками, которые показывают загруженность колес. Оснащать поезд такими измерительными приборами нет никакого смысла — время перехода от устойчивого положения к положению, когда опрокидывание неизбежно, составляет всего лишь от одной до двух секунд.
Снизить скорость за такое короткое время не успеет ни машинист, ни компьютерная система управления. Поэтому в целях безопасности скоростной режим поезда рассчитывается на несколько минут вперед компьютером в центре управления движением, куда стекаются данные от датчиков скорости ветра (анемометров), расположенных вдоль пути через каждые несколько километров. Пока поезд проходит перегон до следующего датчика, компьютер оценивает текущую скорость ветра и в соответствии с метеорологической моделью для данной местности определяет и передает системе управления поезда безопасную скорость для следующего перегона. А на самых опасных участках приходится ставить щиты, защищающие поезд от порывов ветра. По словам Реми Грегуара, главного специалиста по аэродинамике компании Alstom, такая система с 2001 года успешно используется при эксплуатации высокоскоростных поездов TGV на наиболее ветреных участках, например, на средиземноморской линии TGV Méditerranée, которая ведет в Марсель и Монпелье: «На виадуке высотой 55 м над долиной Роны южнее Авиньона скорость ветра регулярно достигает 150 км/ч (42 м/с). Но несмотря на то, что по мосту каждый день со скоростью до 300 км/ч проходит полторы сотни поездов TGV Duplex, за все время эксплуатации не зарегистрировано ни одного инцидента». 

        https://youtu.be/KNVFGzLvPBc   Движение поезда по виадуку на средиземноморской линии TGV Méditerranée

По странам и континентам

Acela Express

Высокоскоростной железнодорожный транспорт широко распространен в Европе (Франция, Испания, Германия, Италия), но практически отсутствует в США. Самую быструю линию, проходящую по так называемому Северо-Восточному коридору, компания Amtrak запустила не так давно. Поезд Acela Express, совместный проект компаний Alstom и Bombardier, развивает на некоторых участках маршрута Бостон — Вашингтон максимальную скорость в 240 км/ч, а его средняя скорость составляет менее 140 км/ч. По европейским меркам это очень скромные показатели. Amtrak планирует построить к концу 2020-х годов еще несколько участков, в частности, в Калифорнии, где скорости уже будут составлять 300-340 км/ч.

А вот в Азии ситуация меняется очень быстро. К колыбели высокоскоростного транспорта Японии, где сейчас поезда нового поколения — серии N700 — способны развивать на некоторых линиях скорость 300 км/ч, добавились Южная Корея, Тайвань, а главное — континентальный Китай. Хотя первая настоящая высокоскоростная магистраль в Китае была введена в эксплуатацию только в 2008 году (Пекин — Тяньцзинь), за последующие пять лет в стране было построено 12 000 км (!) высокоскоростных линий, рассчитанных на движение со скоростью от 250 до 350 км/ч. Общая протяженность высокоскоростных линий в Китае больше, чем во всех остальных странах мира, вместе взятых (Франция — 2000 км, Испания — 2500 км, Япония — 2400 км). Огромная территория страны, большое население с локализацией в крупных городах — почти идеальный полигон для высокоскоростных железных дорог. Стратегия развития китайских железных дорог предполагает, что все города страны с населением более полумиллиона человек будут связаны сетью железнодорожных сообщений со скоростью не ниже 160 км/ч.
Высокоскоростные поезда для Китая разрабатываются совместно с компанией Bombardier и производятся совместным предприятием Bombardier Sinfang Transport (BST) в Циндао. Поезд новейшего поколения, ZEFIRO 380, специально сконструированный в Китае и для Китая (с участием других подразделений Bombardier по всему миру) с максимальной эксплуатационной скоростью 380 км/ч, по заявлениям компании Bombardier, является не только самым быстрым в мире, но и самым экономичным — на скорости 350 км/ч он потребляет примерно на 10% меньше энергии, чем аналогичные поезда конкурентов за счет улучшенной аэродинамики и оптимизации других характеристик.

Медленная Россия

Ширина колеи

Любой, кто путешествовал из России в Европу на поезде, знает о двухчасовой технической стоянке на границе. Это время необходимо, чтобы сменить тележки, поскольку колея (расстояние между рельсами) в России и Европе различна. И это не только российская особенность — скажем, ширина колеи в Испании отличается от общеевропейского значения. Чтобы решить эту проблему, испанская компания Talgo разработала специальные тележки с переменной шириной колеи. Вместо долгой замены тележек поезд просто медленно проезжает по специальному «переходному» участку, и тележки «настраивают» ширину колеи на нужное значение.

«У России пока нет собственного опыта ни в строительстве, ни в эксплуатации таких магистралей, — говорит Алексей Ефремов. — Но отдельные компоненты и системы уже тестируются — скажем, конструкции пути, поскольку традиционный балластный путь, с щебнем, который удерживает шпалы, для таких скоростей не подходит».

В России полноценного (более 250 км/ч) высокоскоростного железнодорожного транспорта
пока нет, хотя уже вовсю обсуждаются планы строительства высокоскоростной магистрали Москва — Казань — Екатеринбург.
Помочь в реализации этого проекта готовы китайские компании, накопившие за довольно короткое время огромный опыт в строительстве и эксплуатации своих высокоскоростных железных дорог. В июне этого года на встрече с журналистами в рамках Международного железнодорожного бизнес-форума «Стратегическое партнерство 1520» первый вице-президент РЖД, генеральный директор компании «Скоростные магистрали» Александр Мишарин заявил, что китайские компании планируют создать в России несколько совместных предприятий для производства элементов инфраструктуры (стрелочных переводов, узлов автоматики, связи, строительных конструкций).

К поставкам поездов проявляют интерес китайская компания CRRC Changchun Railway Vehicles (которая, как сообщают «Ведомости», может создать совместное предприятие с российской группой «Синара»), а также немецкая компания Siemens (совместно с «Уральскими локомотивами»), чьи поезда «Сапсан» (Siemens Velaro Rus) уже курсируют между Москвой и Санкт-Петербургом. «Гудок» писал, что и французская компания (Alstom в партнерстве с Трансмашхолдингом) тоже может принять участие в тендере. Но в любом случае, по заявлению Мишарина в интервью «Коммерсант FM», такие поезда планируется строить в России, причем, по различным данным, локализация должна составлять около 70-80%. К концу 2016 года (сначала говорилось, что к концу лета) планируется принять проект, и, возможно, первые поезда пройдут по высокоскоростной магистрали Москва-Казань за 3,5 часа (вместо 14 часов) в 2021 году. В дальнейшем планируется построить высокоскоростную железнодорожную магистраль до Екатеринбурга, куда можно будет добраться из Москвы за восемь часов. Есть и еще более амбициозные планы — продлить ее дальше, до самого Пекина, тем более что китайская часть пути (3200 км) уже готова.
Возможно, настанут времена, когда путешествовать поездом не только по Европе, но и по Евразии будет не только дешевле, но и быстрее, чем самолетом.

Сапсан
Siemens Velaro Rus