На пороге новой эры

Освоение высоких скоростей началось со времён использования подвижного состава на электрической тяге. Первые рекорды скорости принадлежат французским железным дорогам. В 1945 году электропоезд достиг скорости 243 км/ч, в 1955-м – 331 км/ч, а в 1981-м суперэкспресс TGV – Trains Grande Vitesse, что в переводе с французского означает «сверхскоростной поезд», разогнался до 380 км/ч. Через 9 лет, в 1989 году, рекорд составил 482,4 км/ч, а спустя год, в 1990 году, после модернизации поездами того же типа рекордный показатель вырос до 515,3 км/ч. Рекорд скорости в 515,3 км/ч был установлен 18 мая 1990 года. Однако эксплуатационная скорость суперэкспресса была ограничена 300 км/ч.

В Европе высокоскоростные магистрали как вид были созданы французами. В 1981 году была открыта линия Париж – Лион длиной 426 км. Расчётная скорость для этой линии составляла 300 км/ч, коммерческая – 213 км/ч.

Высокоскоростные поезда TGV производства фирмы «Альстом», имеющие в составе два моторных вагона (головной и хвостовой) и до 10 прицепных вагонов, способны размещать у себя на борту порядка 400 пассажиров. Поезд оборудован пневматическими и дисковыми тормозами (предусмотрено также и резисторное торможение).

Что касается Великобритании, то там скорости более 300 км/ч были достигнуты на линии Лондон – Глазго в 1978 году. Усовершенствованный пассажирский поезд APT (Advanced Passenger Train) в экспериментальном рейсе разогнался до 315 км/ч.

Наибольший вклад в развитие тренда высокоскоростного движения в мировом масштабе внесла Япония, уже в 1964 году начавшая строить скоростные линии. Скорость поездов первой линии на участке Токио – Осака протяжённостью свыше 500 км изначально планировалась на уровне 250 км/ч, но затем была снижена до 210 км/ч. Однако в дальнейшем на «Синкансен» (поезде-стреле) скорость движения была доведена до 260 км/ч.

Для достижения таких скоростей потребовалось несколько поколений развития специализированного подвижного состава. Под поколениями в технике принято понимать стадии развития устройств, машин и механизмов одного функционального назначения. Другими словами, близкими по эксплуатационным и технико-экономическим характеристикам и конструктивным решениям. В авиации, например, разными поколениями самолётов считаются поршневые и реактивные аппараты, а, к примеру, в мостостроении разными поколениями, очевидно, являются деревянные и металлические мосты.

Для железнодорожной техники смена поколений сопровождается целым комплексом технических изменений. Это и переход от паровой тяги к электрической, и замена железных рельсов на стальные, и совершенствование конструкции подвижного состава, внедрение более тяжёлых марок рельсов, бесстыкового и безбалластного строения пути, совершенствование систем сигнализации, централизации и блокировки, а также инновации, связанные прежде всего с повышением скорости движения и изменениями массы поездов.

Но поскольку в процессе развития техники неизбежно создаются и переходные виды технических устройств, в которых используются компоненты, принадлежащие как к предыдущему, так и к следующему поколению, не всегда между ними возможно провести чёткую границу. Тем не менее рассмотренные в масштабах достаточно протяжённого отрезка времени поколения машин, приборов и технических систем вполне определимы.

Принципиальный критерий, отличающий одно поколение ВСМ от другого, – это скорость, поскольку именно решение задачи по увеличению скорости того или иного вида транспорта влечёт за собой постановку и решение смежных технологических проблем, связанных с оснасткой аппарата, нацеленного на очередной рекорд скорости. К первому поколению по этому основному критерию относятся поезда, развивавшие скорость до 250 км/ч.

Первое поколение высокоскоростных поездов было переходным от подвижного состава, используемого для скоростных перевозок на магистралях со смешанным движением, к специальному подвижному составу. Германия была первой страной в Европе, где существовало движение обычных поездов со скоростью 200 км/ч между Мюнхеном и Аугсбургом. Эти поезда двигались по старой инфраструктуре, полностью отремонтированной и подготовленной для развития таких скоростей. Но очень скоро немецкие специалисты поняли, что повысить скорость невозможно без специальной инфраструктуры и соответствующего подвижного состава.

На практике шаг в 50 км/ч определил границу между поколениями высокоскоростного подвижного состава. Таким образом, несложно догадаться, что поезда второго поколения – это машины, способные разгоняться до 250–300 км/ч. Третье поколение высокоскоростных поездов имеет скорость 300–350 км/ч, а к четвёртому относятся поезда, перешагнувшие рубеж в 350 км/ч.

Что касается вагоностроительных технологий, то в первом поколении для изготовления кузова вагонов характерны использование низколегированной стали и улучшение конструкции тележек. В части технологий локомотивостроения здесь применялись коллекторные тяговые двигатели, электромеханические и пневматические контакторные приборы коммутации тяговых двигателей, управление моторными вагонами (локомотивами) поезда по системе многих единиц с применением релейно-контакторной аппаратуры, переход на использование дисковых пневматических фрикционных тормозов, непрерывные автостопы.

Если говорить о реальных образцах техники первого поколения, то в СССР ( 70-е годы прошлого века) это были электровоз ЧС200; вагон РТ200 и поезд ЭР200. В Великобритании с 60-х по 80-е годы прошлого века эксплуатировался и совершенствовался поезд типа APT, перешагнувший благодаря своей модернизации из первого поколения во второе. Поезд серии Zero («ноль») (вероятно, по аналогии с Mitsubishi A6M Zero – истребителем времён Второй мировой войны) был запущен японцами в 1964 году. Французский поезд серии TGV PSE, так же как английский APT, распространил своё влияние на первое и второе поколения, захватив начало 80-х годов. По аналогичному пути шли и в Германии. Немецкий поезд серии ICE1 модернизировался, увеличивая свои скоростные возможности, вплоть до 80-х годов.

Кузова вагонов второго поколения были произведены из лёгких сплавов, но установлены на тележки первого поколения. Коллекторные тяговые двигатели, регулируемые с использованием силовых полупроводниковых элементов, использовались на поездах TGV и ICE1 одновременно с первыми бесколлекторными тяговыми двигателями. Цифровые устройства управления поездами работали совместно с релейно-контакторной аппаратурой. Использовались первые системы автоматического регулирования скорости движения поездов при комплексном управлении тормозными системами поезда, непрерывных автостопах, с внедрением магниторельсовых и вихретоковых тормозов.

Японские поезда трёхсотой, пятисотой и семисотой серий были произведены соответственно в 1992, 1998 и 1999 годах и по своим скоростным характеристикам соответствовали третьему поколению ВСМ. В 2000 году поезд ICE3 из Германии также достиг параметров третьего поколения. Но очень скоро разработчики и производители освоили выпуск и эксплуатацию поездов следующего поколения.

Оснастка поездов четвёртого поколения отличалась добавлением к лёгким сплавам кузовов вагонов композитных материалов, как на кузовах поездов AGV из длинномерных экструдированных панелей типа «двойная оболочка». Новые вагоны использовались на тележках третьего поколения с активными системами подавления колебаний кузова. Добиться подавления колебаний помогали пневматические рессоры в центральном подвешивании с устройствами наклона кузова.

Достаточно сложной проблемой при создании высокоскоростного поезда был поиск конструкции кузова, предотвращающей его наклон вследствие воздействия бокового ветра во время движения с высокой скоростью. Лобовая часть поезда имела скруглённую форму, и при больших скоростях воздушный поток мог создавать значительную подъёмную силу. В результате совершенствования конструкции и доработки формы лобовой части удалось уменьшить подъёмную силу и создать усилие, направленное вниз, действие которого способствовало повышению устойчивости поезда.

Что касается тяговых двигателей, то они уже были бесколлекторными, в том числе синхронными, с возбуждением роторов постоянными магнитами. Например, конструкция моторной тележки вагона AGV (Франция) в поездах серий Е5 и Е6, оборудованная синхронным тяговым электродвигателем с ротором на постоянных магнитах и активной системой подавления колебаний кузова вагонов, одновременно была нацелена на снижение шума. Тяговые преобразовательные устройства на силовых полупроводниковых элементах (запираемых тиристорах) применялись в моделях GTO, а биполярные транзисторы с изолированным затвором – в IGBT. Развитие информационных технологий позволило полностью интегрировать многоконтурные цифровые системы управления поездами в систему управления магистралями.

Поезд Е954 Fastech 360S был запущен в 2005 году и, начав со скоростных параметров третьего поколения, продолжил своё развитие уже в четвёртом поколении. К третьему и четвёртому поколениям также относится поезд Е5, запущенный в Японии в 2011 году, а вот китайский поезд CHR380A с 2011 года сразу обосновался среди аппаратов четвёртого поколения. В 2015 году КНР представила новый опытный поезд четвёртого поколения «Мобильная испытательная платформа».

Однако первыми рубежи четвёртого поколения преодолел поезд AGV, изготовленный во Франции для Италии в 2008 году. Ему предшествовал опытный поезд V150, представленный французами в 2007 году.

Ещё в 2006 году, когда специалисты Bombardier начинали исследования энергетических показателей высокоскоростного поезда, было очевидно, что их роль будет возрастать. При этом имела место проблема разработки методики оценки энергетических характеристик отдельных компонентов оборудования, в том числе изготовленных сторонними организациями, и их влияния на характеристики поезда в целом. Известно, что увеличение размеров трансформатора приведёт к уменьшению его энергопотребления. Однако замена трансформатора массой 2 тонны трансформатором массой 4 тонны вызовет рост общего энергопотребления поезда в связи с увеличением его массы.

В дальнейшем компания Bombardier внедрила специализированное программное обеспечение Train Energy Performance, которое позволяло рассчитывать энергопотребление поезда в целом. Сейчас оно доступно для разработчиков подвижного состава во всём мире. Это ПО использовалось при разработке поезда ZEFIRO 380. Многие технические решения, реализованные в нём, были применены и при разработке поезда V3QOZEFIRO. В то же время в конструкцию последнего были внесены некоторые усовершенствования, касающиеся, в частности, тягового привода и тормозной системы, в связи с более высокими требованиями надёжности, предъявляемыми в Италии.



Как известно, зависимость между аэродинамическим сопротивлением поезда и его энергопотреблением носит линейный характер. Снижение аэродинамического сопротивления на 20% приводит к уменьшению расхода энергии в среднем на 10%. В соответствии с соглашением о сотрудничестве, подписанным в 2009 году, в исследовательских и проектных работах по созданию поезда нового поколения принимали участие сотрудники аэрокосмического центра Deutsches Zentrum fur Luft und Raumfahrt (DLR, Германия). Совместные исследования, проводившиеся с использованием оборудования DLR, касались в основном аэродинамических и аэроакустических проблем и вопросов динамической устойчивости.

Германский центр аэрокосмических исследований недавно представил общественности проект «Поезд следующего поколения» NGT. В нём используются тяговый привод и передача энергии на подвижной состав, возрождена идея дизельного или газотурбинного источника энергии с буферными аккумуляторами. Внедрена бесконтактная передача электроэнергии.

Параллельно в Республике Корея ведётся совместная разработка Института науки и технологий при участии Корейского железнодорожного исследовательского института, в которой обеспечено непрерывное питание электродвигателя мощностью до 180 кВт, а беспроводная передача энергии осуществляется на частоте 60 кГц.

Новое поколение ВСМ, скорее всего, породит конкуренцию между магнитолевитирующими технологиями (маглев) и традиционными рельсовыми системами.

На железных дорогах Германии в эксплуатации находятся поезда на магнитном подвесе EMS системы «Трансрапид» (Transrapid), уже в 1988 году достигавшие скорости 482 км/ч. Но наиболее удачные проекты магнитопланов можно наблюдать в Китае и Японии.

JR-Maglev, действующая в Китае на линии от Шанхая до Шанхайского аэропорта, использует электродинамическую подвеску на сверхпроводящих магнитах (EDS), установленных как на поезде, так и по трассе. В отличие от немецкой системы Transrapid JR-Maglev не использует схему монорельса: поезда движутся в канале между магнитами. Такая схема позволяет развивать большие скорости, обеспечивая высокую безопасность пассажиров и простоту в эксплуатации. В отличие от электромагнитной подвески EMS поездам, созданным по технологии EDS, требуются дополнительные колёса при движении на малых скоростях (до 150 км/ч). При достижении определённой скорости колёса отделяются от земли, и поезд «летит» на расстоянии нескольких сантиметров от поверхности. А в случае аварийной ситуации колёса позволяют осуществить более мягкую остановку поезда. Однако по стоимости строительства и эксплуатации система EDS, реализованная JR-Maglev, дороже системы EMS, используемой Transrapid.

Недавно мир облетело сообщение, что поезд компании Central Japan Railway на магнитной подушке установил во время испытаний новый мировой рекорд скорости. В течение 11 секунд состав двигался со скоростью 600 км/ч, после чего достиг отметки 603 км/ч. Япония планирует запустить сверхскоростной поезд на магнитной подушке в 2025 году. Использование технологии маглев позволит составу, невзирая на земное притяжение, парить над линией, двигаться гораздо быстрее своих рельсовых конкурентов – ожидается, что поезда с линейным электродвигателем будут иметь скорость 500 км/ч. Затраты на проект составят примерно $45 млрд.

Но подобные концепции из-за дороговизны реализации, несмотря на явные экономические преимущества эксплуатации, не везде завоёвывают симпатии транспортных инженеров. Например, в Германии магнитные рельсы M-Bahn были демонтированы, а на их месте пустили обычное метро. Подобная непопулярность, кроме дороговизны, объясняется ещё и тем, что магнитные рельсы не подходят для обычного вида поездов. Система обычных скоростных поездов в некоторых частях маршрута вполне может обходится традиционными рельсами, чем и привлекательна. Кроме того, по мнению экологов WWF, самая большая опасность от поездов на магнитной подушке связана с так называемыми шумовыми загрязнениями. Шум этих составов гораздо более неприятный и раздражающий, чем у обычных поездов или электричек. Не исключено, что именно это обстоятельство побудило население Шанхая выступить с протестами против продления через город маршрута на аэропорт (уже стоившего бюджету $1,4 млрд) ещё на 30 км.

Американская компания SkyTran нашла способ снизить затратность технологии маглев, сделав поезда на магнитных подушках рентабельными. Вместо размещения на земле предлагается подвешивать монорельс в воздухе при помощи столбов, что избавляет от необходимости расширять и модифицировать наземные или подземные трассы. Вагончики рассчитаны только на двух человек и превращают «поезд на магнитной подушке» в «воздушное магнитное такси». В силу облегчённости конструкции опорами для монорельса могут служить обычные электрические столбы с дополнительными опорами. Проектная скорость 240 км/ч позволяет конкурировать с авиацией, в том числе и по энергозатратам. Магнитная подвеска избавлена от силы трения, что повышает её КПД, снижает уровень шума почти до нуля, а также замедляет износ деталей. Для реализации первого проекта был выбран Тель-Авив, где земля, как и во всём Израиле, буквально на вес золота. Учитывая усиленное внедрение в технологии планеты солнечной энергии, вполне вероятно использование в системе SkyTran солнечных батарей. Без подключения к традиционным электростанциям SkyTran сделает этот вид транспорта экологически абсолютно чистым.

Очевидно, что в пятом поколении конкуренцию между магнитолевитирующими технологиями и традиционными рельсовыми системами выиграет та концепция, которая на всём протяжении жизненного цикла продемонстрирует свои преимущества над альтернативной идей высокоскоростного передвижения.