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.
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.
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.
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.