Прежде чем перейти к статье, хочу вам представить, экономическую онлайн игру Brave Knights, в которой вы можете играть и зарабатывать. Регистируйтесь, играйте и зарабатывайте!
В настоящее время общая длина мировой сети железных дорог составляет, по разным оценкам, примерно 1,3 млн. км. Но так называемая эксплуатационная длина путей, без учета вторых путей на главных линиях, станционных путей и т.п., то есть то расстояние, которое проходит поезд с пассажирами, заплатившими свои кровные за проезд, по данным Международного союза железных дорог (UIC) на прошлый год составляла 999,8 тыс. км.
По данным того же UIC общая протяженность высокоскоростных железных дорог в мире к началу прошлого 2021 года составляла 56129 км (более поздних данных пока нет). Львиная их доля приходится на Китай, Японию и Южную Корею (42217 км) и страны ЕС (11819 км), в Северной Америке и России их меньше, чем по тысяче км, а США, между прочим, мировой рекордсмен по протяженности железных дорог, наша страна занимает по этому показателю третье место. Все это либо специально построенные линии, либо модернизированные под высокоскоростные поезда (ВСП).
Что касается скорости ВСП, то здесь надо различать рекордные скорости на испытательных полигонах на этапах разработки ВСП, рекламирующие достижения той или иной компании, вводившей данный ВСП в эксплуатацию, и реальные крейсерские скорости этого поезда при перевозке реальных пассажиров. У большинства современных ВСП она колеблется в диапазоне 200-250 км/ч, а ВСП со скоростью 250-300 км/ч и выше можно пересчитать по пальцам.
Абсолютный рекордсмен среди них ВСП на магнитной подушке (такие поезда называют еще «маглев», то есть левитирующие в электромагнитном поле), который возит пассажиров между аэропортом Шанхая и ближайшей станцией метро. Его максимальная крейсерская скорость на испытаниях была 501 км/ч, но линия, по которой он сейчас курсирует, длиной всего 30 км, и он просто не может разогнаться до такой скорости, едва его скорость достигает 300 с хвостиком км/ч, как пора уже тормозить, в итоге средняя его скорость — 260 км/ч.
Таким образом, сеть железных дорог для ВСП составляет около 5% от всех железных дорог в мире, а длина колеи безрельсового маглева, который движется по направляющей особой конструкции (ее только условно можно назвать рельсом) на этом фоне на сегодня стремиться к нулю (30 км, или 0,003%). Железнодорожная сеть ВСП распределена по странам крайне неравномерно, но вне зависимости от числа ныне курсирующих по ней ВСП и количества перевозимых ими пассажиров в разных частях света, фактически все они идут по рельсам.
На протяжении двух веков менялись конструкции локомотивов и их двигателей — паровые, дизельные, электрические, турбовинтовые, турбореактивные, росла скорость поездов (от 50 км/ч у «Ракеты» Стефенсона в 1829 году на ж/д Манчестер-Ливерпуль до 360-380 км/ч в стандартном рабочем режиме у нескольких китайских и европейских поездов в наше время). Делались попытки оторваться (в прямом и переносном смыслах) от классического двухрельсового пути, но пока в категории находящихся сейчас в эксплуатации ВСП прижился лишь одна из них — шанхайский маглев.
При этом поезда на магнитной подушке окончательно отказаться от колес пока не спешат. Например, экспериментальный японский JR-Maglev, поставивший новый мировой рекорд для ВСП — 603 км/ч, на низких скоростях (до 150 км/ч) использует колеса. Предусмотрены они и в перспективной, но пока существующей больше в теории, чем на практике разновидности магнитной левитации Inductrack с использованием постоянных неодимовых магнитов (NdFeB), разработанной в Ливерморской национальной лаборатории министерства энергетики США (патенты США №5722326 от 1994 года и №7478598 от 2005 года). Теоретически такой поезд начинает левитировать на скорости 1-2 миль/час (1,6-3,2 км/ч), но практически на испытательном стенде это пока происходит на скорости 30-35 км/ч. То есть до этого он должен по чему-то катиться. Кстати, в пресловутом проекте Hyperloop Илона Маска планируется использовать систему Inductrack. Как только теоретическая минимальная скорость левитирования Inductrack совпадет с практической, так сразу и используют.
Но все это пока слова, а сегодня ВСП идут по рельсам. Еще раз напомню, что речь идет не о тех ВСП, которые по тем или иным причинам были сняты с эксплуатации, не о тех, которые пока еще планируется ввести в эксплуатацию, и не о тех которые существовали только в проекте или в единичных экспериментальных образцах, а о тех, на которые сейчас можно купить билет, сесть в них и выйти на нужной вам станции. Причем идут они по точно таким же рельсам (если считать не принципиальных по сравнению с общей конструкцией рельса усовершенствований), по каким в 1825 году по первой пассажирской железной дороге отправился в свой первый рейс первый пассажирский поезд Стефенсона с паровозом Locomotion, который доставил из города Стоктон в город Дарлингтон четыре сотни первых в мире железнодорожных пассажиров, развивая на своем 40-км пути скорость в 16 км/ч.
До пассажирских поездов по рельсам на шахтах и рудниках курсировали вагонетки, запряженные лошадьми. Сначала рельсы для них были деревянные и прямоугольные в сечении. Только с 1767 года, когда на одном из рудников в Коулбрукделе на северо-западе Англии уложили чугунные рельсы, начинается эра «чугунки», как в народе в позапрошлом веке называли железную дорогу. Первые чугунные рельсы были короткими (около 1 м) и в сечении имели либо U-образную, корытовидную форму (рельсы Рейнольдса), либо L-образную, уголковую форму (рельсы Керра), то есть в любом случае — фланцевое сечение, предохраняющее вагонетку от схода с рельсов. Одна из первых чугунных дорог в мире с уголковыми рельсами была введена в эксплуатацию в нашей стране в 1788 году на Александровском заводе в Петрозаводске, она соединяла доменный, сверлильный и расточной цеха пушечного завода.
А буквально в следующем 1789 году в Англии Уильям Джессоп уложил на конной железной дороге в графстве Лестершир рельсы грибовидной формы в сечении, переправив таким образом фланцевую систему удержания вагона на рельсе вагонным колесам. Все три типа чугунных рельсов (уголковая, корытовидная и грибообразная) сосуществовали еще лет двадцать. Но со временем стало ясно, что со всех точек зрения экономичнее грибовидные рельсы Джессопа. Рельсовый путь не засорялся, и к тому же, как показала практика, такие рельсы «экономили» лошадиные силы. Например, на Змеиногорском руднике Колывано-Воскресенских заводов на Алтае, где была проложена 2-км дорога из рельсов Джессопа, лошадь по ней могла везти груз вдвое больший, чем по уголковым или корытовидным рельсам.
Оставался один шаг до рельса современного вида. Его сделал инженер Берлингтонского металлургического завода на севере Англии Джон Биркиншоу, который в 1820 году получил патент на прокат «кованых железных рельсов длиной 15 футов, способных выдержать нагрузку локомотива и поезда в отличие от чугуна, который был хрупким и слишком легко ломался», как рекламировал их владелец Берлингтонского завода Майкл Лонгридж.
Патентованные рельсы имели в сечении вид двутавровой балки (лучшая форма балки, работающей на изгиб) с выпуклой (грибовидной) верхней поверхностью для колес поезда с фланцевым выступом. Именно их использовал Джордж Стефенсон при строительстве первой в мире пассажирской железной дороги Стоктон-Дарлингтон, хотя они были вдвое дороже чугунных. Кстати, так уж получилось, что в придачу к лицензии на рельсы он получил в штат своей паровозостроительной компании Robert Stephenson & Co сына Биркиншоу на должность помощника инженера. Это можно было бы расценить как довольно редкий и забавный случай патентного непотизма, но Биркиншоу-младший оказался толковым помощником, в компании Стефенсона прижился и дорос до главного инженера на строительстве одной из железных дорог, весьма хлебной по тем временам должности.
Совершенствование рельса между тем продолжалось, в начале 1830-х годов появился широкоподошвенный рельс, позволяющий упростить процедуру укладки рельсов. В дальнейшем заметно менялись химический состав рельсовых сталей и литейные режимы прокатки рельсов и увеличивалась их длина. Сейчас, например, для так называемых бесстыковых путей укладываются сварные 800-метровые рельсовые плети. Но профиль рельса принципиально не изменился. По этим рельсам и началась гонка за скоростью.
С рекордных 50 км/ч «Ракеты» Стефенсона в 1829 году к концу века скорость поездов к середине XIX века возросла до 60 миль/ч (96 км/ч) («Антилопа», США, 1848), а к концу века превысила 150 км/ч. Но это были рекордные показатели паровых локомотивов с ограниченным числом вагонов и без пассажиров. Устраивались также показательные гонки с пассажирами и журналистами-наблюдателями между поездами разных производителей, точно такие же, как между трансатлантическими лайнерами — кто быстрее доберется из Америки в Европу или обратно.
Во время одного из таких соревнований в Англии в 1895 году по обычной железной дороге с остановками по расписанию для обычного поезда с пассажирами был установлен рекорд средней скорости в 66,3 мили/ч (106,7 км/ч). В 1904 году он был обновлен на таких же соревнованиях до 80 миль/ч (128,8 км/ч), причем на протяжении 28 миль (из 231 мили общей протяженности маршрута) скорость поезда составляла 90 миль/ч (144,8 км/ч), а максимальная — 92,3 мили в час (148,5 км/ч). Впрочем, тогда в Англии и Америке, где тогда ставились эти рекорды, скорость пассажирских поездов законодательно ограничивалась 59 милями в час, а грузовых — 49 милями в час, то есть 95 и 80 км/ч соответственно.
На рубеже XIX и ХХ веков в гонку за скоростью на рельсах включились электропоезда и сразу начали с мирового рекорда. В 1899 году прусская государственная железная дорога объединилась с десятью электротехническими и инженерными фирмами и электрифицировала 72 км железной дороги. Компания Van der Zypen & Charlier из Deutz из Кельна построила две рельсовых электромоторисы, одну с электродвигателем Siemens-Halske, вторую с двигателем Allgemeine Elektrizitäts–Gesellschaft (AEG). В октябре 1903 года электровагон с мотором S&H развил скорость 206,7 км/ч, а вагон с мотором AEG — 210,2 км.
В межвоенные годы появились настоящие пассажирские скоростные железные дороги, но царили на них поезда с паровыми локомотивами. Единственным их конкурентом были дизельные поезда. В 1930-е годы дизельный Fliegender Hamburger в регулярных перевозках между Гамбургом и Берлином (286 км) разгонялся до скорости 160 км/ч. В США дизельный поезд Zephyr курсировал между Чикаго и Денвером со средней скоростью 124 км/ч. В нашей стране с 1932 года начинается серийный выпуск пассажирских паровозов «Иосиф Сталин» (ИС-20), которые начали курсировать сначала на линии Москва-Ленинград, а потом и по всему СССР, включая Сибирь. Их конструкционная скорость (то есть максимально допустимая с точки зрения техники безопасности) была 115 км/ч. В 1938 году английский локомотив Mallard ставит мировой рекорд скорости паровозов — 202,58 км/ч. Но при пассажирских перевозках скорость паровых скоростных поездов не превышала 160 км/ч.
На этой отметке завершается эра скоростных паровых локомотивов, которые за век с небольшим увеличили скорость в 10 раз, и начинается эра высокоскоростных электропоездов. В том же 1938 году в Италии по маршруту между Болоньей и Неаполем был запущен электропоезд ETR 200, который тоже достигал 160 км/ч в коммерческой эксплуатации и установил мировой рекорд скорости для электропоездов в 203 км/ч недалеко от Милана. А символом этой длящейся по сей день эпохи скоростных электропоездов стал японский «Синкансэн», который отправился в свой первый рейс в 1964 году со скоростью 210 км/ч. С тех пор эксплуатационная скорость ВСП выросла до 300–350 км/ч, а рекордная превысила 500 км/ч.
На двухвековом пути наращивания скоростей поездов возникала масса проблем, требующих инженерных решений. Количество патентов, предлагавших их решение, измеряется тысячами, причем не в метафорическом, а в прямом смысле этого слова. Какие-то проблемы решались сравнительно просто, например, прогиб рельса устранялся более твердым покрытием железнодорожного пути и заменой деревянных шпал на бетонные. Продольные колебания вагонов на высоких скоростях гасились сварными бесстыковыми рельсами. Но одной из главных проблем было покачивание вагонных колесных тележек на высокой скорости, так называемые колебания хантинга, которые вели к динамической неустойчивости и потенциальному крушению. Сейчас используются разной конструкции гасители угловых колебаний. Но путь к этому был непростой и долгий.
В 1932 году немецкий инженер Франц Крукенберг, чья моториса «Рельсовый Цеппелин» с авиационным двигателем и пропеллером годом раньше совершила свой первый пассажирский рейс по маршруту Берлин–Гамбург и на 40-км участке между городами Людвигслюстом и Виттенбергом поставила мировой рекорд скорости на рельсах (230,2 км/ч), получил немецкий патент № 400822 на «Демпфирующее устройство для стабилизации хода тележек железнодорожного транспортного средства». Раскачивание колесных тележек предлагалось гасить «посредством обеспечения жидкостного демпфирующего средства между кузовом и тележками», то есть по современной терминологии это была разновидность телескопического амортизатора с поршнем.
Это решение было в дальнейшем использовано в рельсовом транспорте, но носило оно паллиативный характер. Более радикальной оказалась реанимация австрийского патента AT11726 1901 года Вильгельма Якобса «Сочлененные вагоны для железнодорожных поездов». Сочленялись они общими для соседних вагонов четырехколесными тележками, которые располагались между вагонами, одна колесная пара под одним вагоном, вторая под другим.
Таким образом, поезд превращался в один длинный вагон, и болтанка вагонов с традиционной жесткой межвагонной сцепкой устранялась. Первым ВСП тележкой Якобса обзавелся в 1932 году уже упоминавшийся выше двухвагонный дизельный «Летучий Гамбургер», а в дальнейшем их модификации широко применялись и применяются до сих пор в ВСП и даже в пока экспериментальном японском маглеве JR-Maglev серии 10.
Еще дальше Якобса пошел испанский инженер Алехандро де Гойкоэчеа-и-Омар. В феврале 1936 году он подал в Министерство сельского хозяйства и промышленности Испании патентную заявку №141056 на изобретение «Новой железнодорожной системы с надземным подвижным составом». В прямом переводе на русский, да и другие языки тоже, название изобретения звучит не совсем понятно, на самом деле имелась в виду инновация для поездов, удерживающая их на рельсах при высоких скоростях на горных железных дорогах с эстакадами и малыми радиусами поворотов — колесная тележка Δ-образной конструкции.
Иногда ее называют модификацией тележки Якобса, но делают это зря. Достаточно на нее взглянуть, чтобы увидеть, что ее сходство с тележкой Якобса было лишь внешнее — колесная пара располагалась не под вагоном, а между вагонами. К тому же при этом у испанского инженера колесная пара была одна на два соседних вагона, а не две, как у Якобса. От колесной пары две сходящиеся острым углом балки тянулись вперед под дном вагона и цеплялись за поперечную балку следующей колесной тележки. Балки колесной тележки был облегченные из алюминиевого сплава, а колеса одной пары имели независимое вращение.
Соответственно, при такой конструкции вагоны в поезде Гойкоэчеа были короткие, длиной всего 4,44 м, да сам его поезд Talgo I, построенный и испытанный в 1942 году, был всего из 8 вагонов обтекаемой формы с полукруглой крышей, за что получил прозвище «Гусеница». Она существовала в единственном экспериментальном экземпляре и развивала скорость до 115 км/ч. В 1950 году в регулярные рейсы отправился Talgo-2 с эксплуатационной скоростью 120 км/ч, а в 1956 в штате Иллинойс, США, ходили 7 поездов Talgo-2, построенные по лицензии в США.
Сейчас компания Talgo — один из главных производителей ВСП в Европе, ее последние поезда — Talgo-250 и Talgo-350 (цифры в их фирменных названия — это их скорость в км/ч). Последнее IPO в 2015 году принесло компании €1,27 млрд. Принцип подвесок Talgo использовался в ряде ВСП из разряда рекордсменов 1960-80-х годов. А у нас в стране с 2015 года курсирует Talgo-9 Intercity под названием «Стриж».
Словом, в истории железных дорог это был, пожалуй, второй после Стефенсона случай столь масштабной капитализации изобретателем своего изобретения. Правда, в Испании и особенно на его малой родине — в Стране Басков память отца-основателя компании Talgo Алехандро де Гойкоэчеа не сильно чтят. Осенью 1936 года, когда в Испании уже шла гражданская война инженер-капитан Гойкоэчеа, которому правительством Страны Басков было поручено создать один из укрепрайонов, перебежал к франкистам вместе с картами укрепрайона. Цена предательства была конвертирована им в спокойную творческую работу вместо боев над доведением до практической реализации своего изобретения, а затем и создание всей инфраструктуры испанских ВСП с соответствующими дивидендами. Вот только предателей независимо от их благих намерений и практических результатов во благо народа нигде не любят, и испанцы, не говоря уже о басках, не исключение.
На магистральном, прямом как рельс, пути повышения скоростей рельсовых поездов также можно отметить чисто мичуринскую попытку скрестить поезд и аэроплан. О первой такой успешной попытке — «Рельсовом Цеппелине» Франца Крукенберга уже сказано. Закончилось же дело созданным в 1960-е годы французским Aérotrain — сначала с турбовинтовым, а потом и турбореактивным двигателем, который двигался на воздушной подушке по монорельсу. Но дальше строительства испытательных полигонов для Aérotrain и побития экспериментальными его прототипами мировых рекордов скорости дело не пошло, слишком дорогим оказалось создание отдельной инфраструктуры для него на фоне густой железнодорожной сети с обычными рельсами, пригодными для ВСП. В 1974 году президент Франции аннулировал контракт на строительство первой пассажирской линии для «Аэропоезда», отдав предпочтение развитию обычных двухрельсовых ВСП.
Дарим скидку 4000 рублей при первом обращении на любую услугу onlinepatent.ru
Промокод: LOVEHABR
