AnyBlog.net

AnyBlog.net @AnyBlog

Эволюция высокоскоростных поездов: от первых локомотивов до современных технологий


По текущим оценкам, общая протяжённость железнодорожной сети мира составляет около 1,3 миллиона километров. Однако эксплуатационная длина — то есть расстояние, по которому фактически курсируют пассажирские поезда, исключая вторые пути, станционные и подъездные пути — по данным Международного союза железных дорог (UIC) за прошлый год составила 999,8 тыс. км.

Согласно тому же источнику, к началу 2021 года общая длина высокоскоростных железных дорог (ВСП) в мире достигала 56 129 км. Большая часть этой инфраструктуры сосредоточена в Китае, Японии и Южной Корее (42 217 км), а также в странах Европейского союза (11 819 км). В Северной Америке и России протяжённость ВСП значительно скромнее — менее 1000 км. При этом США, несмотря на наибольшую суммарную длину железных дорог, отстают в развитии высокоскоростного сегмента. ВСП представлены как специально построенными линиями, так и модернизированными участками традиционных железных дорог.

Скоростные железные дороги мира (по данным UIC)

Следует отличать рекордные скорости, достигнутые ВСП на испытательных стендах, от реальных крейсерских скоростей при перевозке пассажиров. В большинстве стран поезда ВСП развивают скорость от 200 до 250 км/ч. Поезда со скоростью выше 300 км/ч — скорее исключение, чем правило.

Абсолютным рекордсменом по скорости является шанхайский маглев — поезд на магнитной подушке (maglev), курсирующий между аэропортом Шанхая и ближайшей станцией метро. На испытаниях он развивал скорость до 501 км/ч, однако на своей 30-километровой линии не успевает разогнаться до таких значений — средняя скорость составляет около 260 км/ч, а максимальная рабочая — немногим более 300 км/ч.

Таким образом, высокоскоростные железные дороги составляют около 5% от всей мировой сети, тогда как инфраструктура маглева по-прежнему носит скорее демонстрационный характер — её доля ничтожна (30 км или около 0,003% от общего объёма). При этом ВСП крайне неравномерно распределены по регионам: от плотных сетей в Восточной Азии и Европе до единичных линий в США и России.

За два столетия эволюции железнодорожного транспорта менялись типы тяги — от паровых и дизельных до электрических и даже турбореактивных двигателей. Скорости возросли с 50 км/ч у «Ракеты» Джорджа Стефенсона в 1829 году до 360–380 км/ч у некоторых современных поездов в Китае и Европе. Однако отрыв от классической двухрельсовой схемы удался лишь единичным проектам, вроде шанхайского маглева.

Поезда на магнитной подушке остаются редкостью

Даже маглевы не спешат полностью отказаться от колёс. Так, экспериментальный японский JR-Maglev, достигший рекорда в 603 км/ч, использует колёсную опору на скоростях до 150 км/ч. Подобная схема предусмотрена и в перспективной технологии Inductrack, основанной на постоянных неодимовых магнитах (NdFeB). Эта система была разработана в Ливерморской национальной лаборатории США и запатентована в 1994 и 2005 годах (US5722326, US7478598).

Теоретически Inductrack позволяет начать левитацию при скорости всего 1,6–3,2 км/ч, однако на испытаниях левитация пока достигается только при 30–35 км/ч. До тех пор поезд должен катиться по традиционному пути. Именно эту технологию планируют использовать в концепции Hyperloop, предложенной Илоном Маском. Как только теоретическая минимальная скорость совпадёт с практической, система будет готова к реальной эксплуатации.

Принцип действия Inductrack (пассивная магнитная левитация)

На практике все действующие высокоскоростные поезда мира продолжают использовать рельсы — пусть и усовершенствованные. Речь идёт исключительно о тех ВСП, которые сейчас находятся в эксплуатации и доступны для пассажиров. Их путь всё так же лежит по металлическим рельсам, практически не изменившимся с времён первой в мире пассажирской железной дороги, открытой в 1825 году между городами Стоктон и Дарлингтон в Англии. Тогда локомотив Locomotion, разработанный Джорджем Стефенсоном, развивал скорость всего 16 км/ч.

До этого по рельсам двигались лишь грузовые вагонетки, запряжённые лошадьми. Их деревянные рельсы были прямоугольными в сечении. Только с 1767 года, после укладки первых чугунных рельсов на руднике в Коулбрукдейле, началась эра «чугунок» — как называли железные дороги в XIX веке. Эти рельсы были короткими (около 1 м) и имели U-образное или L-образное сечение (так называемые рельсы Рейнольдса и Керра соответственно).

Финальный этап в эволюции железнодорожного рельса в его современном виде был осуществлён инженером Берлингтонского металлургического завода, расположенного на севере Англии, Джоном Биркиншоу. В 1820 году он получил патент на технологию прокатки «кованых железных рельсов длиной 15 футов». Эти рельсы обладали значительно большей прочностью по сравнению с чугунными, которые отличались хрупкостью и низкой устойчивостью к нагрузкам от движущихся локомотивов и вагонов, как отмечал в своих публикациях владелец завода Майкл Лонгридж.

Конструкция новых рельсов в поперечном сечении напоминала двутавровую балку — наиболее рациональную форму для восприятия изгибающих нагрузок. Верхняя часть рельса имела выпуклую, грибовидную форму, что обеспечивало устойчивое движение колёс с фланцевыми выступами. Именно эти рельсы использовались Джорджем Стефенсоном при создании первой в мире пассажирской железной дороги между Стоктоном и Дарлингтоном. Несмотря на то что стоимость таких рельсов была почти вдвое выше чугунных аналогов, они обеспечивали существенно более высокий уровень надёжности. В дополнение к лицензии на использование рельсовой технологии Стефенсон принял на работу сына Джона Биркиншоу в свою компанию Robert Stephenson & Co. На первый взгляд это могло выглядеть как проявление патентного непотизма, однако Биркиншоу-младший проявил себя как компетентный специалист, позднее заняв пост главного инженера на одном из железнодорожных проектов.

Модернизация рельсов продолжалась. В начале 1830-х годов был разработан рельс с широкой подошвой, упрощающий монтаж и крепление к шпалам. В дальнейшем происходили изменения в химическом составе рельсовой стали и технологических режимах прокатки. Постепенно увеличивалась и длина рельсовых заготовок. В современном железнодорожном строительстве используются сварные плети длиной до 800 метров, предназначенные для бесстыковых путей. При этом основная геометрическая форма рельса, разработанная в XIX веке, сохраняется до настоящего времени. Именно на таких рельсах началась историческая гонка за увеличение скорости движения поездов.

С момента достижения локомотивом «Ракета» Джорджа Стефенсона скорости в 50 км/ч в 1829 году железнодорожный транспорт продемонстрировал значительное развитие. К середине XIX века в США паровоз «Антилопа» достиг скорости 96 км/ч (60 миль в час), а к концу столетия были зафиксированы рекорды свыше 150 км/ч. Эти показатели, однако, достигались в основном в демонстрационных поездках с ограниченным числом вагонов и без пассажиров. Популярность приобрели показательные заезды между поездами различных производителей, схожие по духу с состязаниями трансатлантических лайнеров, соревнующихся в скорости пересечения океана.

В 1895 году в Англии был установлен рекорд средней скорости — 106,7 км/ч (66,3 мили в час) — для обычного пассажирского поезда, следовавшего по расписанию с остановками. Этот результат был обновлён в 1904 году, когда в аналогичных условиях был достигнут показатель 128,8 км/ч (80 миль в час). При этом на протяжении участка длиной 28 миль поезд сохранял скорость 144,8 км/ч (90 миль в час), а максимальная скорость составила 148,5 км/ч (92,3 мили в час). Следует отметить, что в это время в Великобритании и США существовали законодательные ограничения на скорость: 95 км/ч (59 миль в час) для пассажирских поездов и 80 км/ч (49 миль в час) — для грузовых.

На рубеже XIX и XX веков к конкуренции в области железнодорожных скоростей присоединились электропоезда. В 1899 году Прусская государственная железная дорога совместно с рядом электротехнических компаний электрифицировала участок протяжённостью 72 км. В рамках этого проекта компания Van der Zypen & Charlier из Кёльна изготовила два моторных вагона: один с электродвигателем Siemens & Halske, второй — с оборудованием от Allgemeine Elektrizitäts-Gesellschaft (AEG). В октябре 1903 года вагон с двигателем Siemens & Halske достиг скорости 206,7 км/ч, а вагон AEG — 210,2 км/ч, что стало новым мировым рекордом для железнодорожного транспорта.

В межвоенный период начали функционировать первые полноценные маршруты скоростных пассажирских поездов. Основу парка по-прежнему составляли составы с паровой тягой, однако начали активно развиваться дизельные поезда. В 1930-х годах немецкий дизельный состав Fliegender Hamburger курсировал между Гамбургом и Берлином, преодолевая расстояние в 286 км со скоростью до 160 км/ч. В США дизельный экспресс Zephyr демонстрировал среднюю скорость около 124 км/ч на маршруте Чикаго — Денвер. В СССР в 1932 году был начат серийный выпуск пассажирских паровозов серии ИС-20 («Иосиф Сталин»), предназначенных для обслуживания скоростных маршрутов, включая направление Москва — Ленинград. Их конструкционная скорость составляла 115 км/ч.

В 1938 году британский паровоз Mallard установил мировой рекорд скорости для локомотивов с паровой тягой — 202,58 км/ч. Однако в повседневной эксплуатации скорость таких поездов не превышала 160 км/ч, что стало предельным значением для паровой тяги.

Таким образом, завершилась эпоха паровых скоростных поездов, за столетие увеличивших свои показатели почти в десять раз. С 1938 года началась новая веха — эпоха высокоскоростных электропоездов. В том же году в Италии был введён в эксплуатацию электропоезд серии ETR 200, курсировавший по маршруту Болонья — Неаполь. Он развивал скорость до 160 км/ч в регулярных поездках и установил рекорд скорости электропоездов — 203 км/ч на участке недалеко от Милана. Настоящим символом современного этапа развития стал японский «Синкансэн», впервые отправившийся в рейс в 1964 году со скоростью 210 км/ч. Сегодня эксплуатационная скорость большинства систем высокоскоростного движения составляет 300–350 км/ч, а рекордные значения превышают 500 км/ч.

За два столетия развития железнодорожного транспорта возникли многочисленные технические проблемы, требовавшие комплексных инженерных решений. Количество патентов, связанных с улучшением безопасности и комфорта движения поездов, исчисляется тысячами — в буквальном смысле этого слова. Многие задачи решались достаточно эффективно: например, прогиб рельсов устранялся использованием более прочных покрытий и заменой деревянных шпал на бетонные. Продольные колебания вагонов на высоких скоростях подавлялись применением сварных бесстыковых рельсов. Однако одной из наиболее сложных и опасных проблем оставалось покачивание колесных тележек вагонов, известное как колебания хантинга. Эти динамические колебания приводили к снижению устойчивости и создавали риск аварий. Современные системы гашения угловых колебаний различной конструкции успешно решают эту задачу, однако на пути к ним был долгий и сложный процесс развития.

В 1932 году немецкий инженер Франц Крукенберг, известный созданием моторного состава «Рельсовый Цеппелин» с авиационным двигателем и пропеллером, который в 1931 году совершил первый пассажирский рейс между Берлином и Гамбургом, установил мировой рекорд скорости на рельсовом транспорте — 230,2 км/ч на участке между Людвигслюстом и Виттенбергом. В следующем году Крукенберг получил немецкий патент № 400822 на устройство для демпфирования и стабилизации хода тележек железнодорожного транспорта. Предлагалось гасить раскачивание колесных тележек путем установки жидкостного демпфирующего элемента между кузовом и тележками, что по современной терминологии соответствует телескопическому амортизатору с поршневым механизмом.

Хотя данное решение нашло применение в железнодорожном транспорте, оно имело ограниченный эффект и носило скорее паллиативный характер. Более значительный прорыв связан с возрождением австрийского патента AT11726 1901 года, принадлежащего Вильгельму Якобсу, который предложил конструкцию сочленённых вагонов с общими четырёхколёсными тележками, расположенными между соседними вагонами. Такая компоновка означала, что тележка имела две колесные пары, при этом одна пара поддерживала один вагон, а вторая — соседний.

В результате поезд приобретал свойства единого длинного вагона, что существенно уменьшало колебания, характерные для традиционных вагонов с жёсткой сцепкой между собой. Первая версия высокоскоростной сочленённой тележки Якобса была применена в 1932 году на двухвагонном дизельном составе «Летучий Гамбургер». В дальнейшем конструкции на основе тележек Якобса получили широкое распространение в высокоскоростном железнодорожном транспорте и продолжают применяться в современных системах, включая экспериментальный японский маглев JR-Maglev серии 10.

Разработка испанского инженера Алехандро де Гойкоэчеа-и-Омара в 1936 году пошла ещё дальше. Он подал патентную заявку №141056 на инновационную систему с надземным подвижным составом, представляющую собой колесную тележку Δ-образной конструкции, предназначенную для повышения устойчивости поездов на горных железных дорогах с эстакадами и крутыми поворотами. Несмотря на некоторое внешнее сходство, эта тележка существенно отличалась от тележек Якобса: колесная пара располагалась между вагонами, при этом на два соседних вагона приходилась всего одна колесная пара, а не две.

От колесной пары отходили две балки, сходившиеся под острым углом и направлявшиеся вперед под днище вагона, крепясь за поперечную балку следующей тележки. Балки были изготовлены из облегчённого алюминиевого сплава, а колёса имели независимое вращение, что обеспечивало улучшенную манёвренность и устойчивость.

Поезда Гойкоэчеа отличались компактными вагонами длиной 4,44 метра. Первый состав Talgo I, созданный и испытанный в 1942 году, состоял из восьми вагонов с обтекаемой формой и полукруглой крышей, получивших прозвище «Гусеница». Это экспериментальное воплощение развивало скорость до 115 км/ч. В 1950 году на регулярных линиях начал курсировать Talgo-2 со скоростью 120 км/ч, а к 1956 году по лицензии в США на территории Иллинойса эксплуатировалось семь таких поездов.

Сегодня Talgo является одним из ведущих европейских производителей высокоскоростных поездов. Их последние модели, Talgo-250 и Talgo-350, получили свои названия в соответствии с максимальной скоростью движения в километрах в час. Конструкция подвесок Talgo нашла применение во многих высокоскоростных составах, установивших мировые рекорды в период с 1960-х по 1980-е годы. В России с 2015 года эксплуатируется состав Talgo-9 Intercity, известный под названием «Стриж».

В истории железных дорог этот случай представляет собой один из немногих примеров значительной коммерциализации инженерного изобретения. Однако в Испании, особенно в Стране Басков, не всегда положительно воспринимают наследие Алехандро де Гойкоэчеа. Осенью 1936 года, в разгар гражданской войны, инженер-капитан Гойкоэчеа, которому правительство Страны Басков поручило создать укрепрайон, перешёл на сторону франкистов, передав им карты укреплений. Этот поступок, несмотря на последующую творческую деятельность инженера по развитию изобретения и инфраструктуры высокоскоростных дорог, оставил негативный отпечаток на его репутации среди басков и испанцев в целом.

На пути к увеличению скоростей рельсовых поездов также была предпринята попытка объединить поезд и аэроплан. Первая успешная разработка такого рода — «Рельсовый Цеппелин» Франца Крукенберга, уже упомянутая выше. В 1960-е годы во Франции был создан Aérotrain — поезд на воздушной подушке, приводимый в движение сначала турбовинтовым, а затем турбореактивным двигателем и передвигающийся по монорельсовой трассе. Несмотря на успехи в испытаниях и установлении рекордов скорости, проект остался экспериментальным. Создание отдельной инфраструктуры для Aérotrain оказалось слишком дорогим на фоне уже существующей развитой сети железных дорог с традиционными рельсами, пригодными для высокоскоростного движения. В 1974 году французское правительство отменило контракт на строительство пассажирской линии для Aérotrain, отдав предпочтение развитию обычных двухрельсовых высокоскоростных линий.

Теги: высокоскоростные поезда, история железных дорог, маглев, технологии железнодорожного транспорта, рекорды скорости поездов

Опубликовано: 20.05.2025