25 апреля 2019 г. | Автор: Евгений Фёдоров
Мощь стальных колёс

Железные дороги, раскинувшиеся сетью по всем материкам, кроме Антарктиды, совершили настоящую транспортную революцию: появилась возможность быстро перемещать грузы и людей на дальние расстояния. Стальные колёса и рельсы принесли материальные ресурсы и культуру в самые отдалённые уголки Земли, навсегда связав воедино железную дорогу и прогресс.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №9(37). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

​Из шахты к мировому господству

Борьба с трением — неприятным явлением для колёсного транспорта — стала главной причиной появления ровного и прочного рельса. Снижение сопротивления позволило перевозить грузы гораздо большей массы, чем по грунтовым дорогам.

Прообразом рельсовых путей стали древнегреческие диолки — каменные конусообразные желоба, по которым перетаскивали морские суда. Транспортировка была не из лёгких, поэтому поверхность диолков обильно смазывали жиром для лучшего скольжения. В Средневековье появились примитивные деревянные рельсы и перемещающиеся по ним деревянные вагонетки для добычи руды.

Пионерами строительства настоящих железных дорог стали инженеры из британского посёлка Уоллатон. В 1602–1604 годах был проложен трёхкилометровый путь до селения Стрелли, который остался в истории как «Уоллатонская вагонная дорога». Причиной строительства стала необходимость возить уголь из шахт Стрелли — это полезное ископаемое уже тогда активно использовали в промышленности и для обогрева. Мы точно не знаем, за счёт чего приводились в движение вагонетки на Уоллатонской дороге: в 1620 году её разобрали.

Трёхколёсный «Паровоз» Кюньо

Говоря о паровозах, нельзя не упомянуть изобретение французского военного инженера Никола Жозефа Кюньо. В 1769 году он соорудил для армии артиллерийский тягач, работающий на паре. Это было первое в истории сухопутное транспортное средство, не использующее силу ветра и мышц! Телега Кюньо имела три колеса; на переднем, управляемом, размещался огромный котёл, создающий давление пара в 5 атмосфер. Горячий пар подавался к двум цилиндрам с поршнями, которые и вращали переднее колесо. Максимальная скорость телеги составляла 5 км/ч. Принцип, реализованный Кюньо, практически без изменений перекочевал в паровозы.

Со временем стальные дороги стали появляться в шахтах и на заводах. Поначалу движущей силой вагонов были люди и лошади. Всё изменило изобретение шотландца Джеймса Уатта. На основе расчётов французского математика Дени Папена, жившего веком ранее, Уатт в 1784 году собрал первый паровой двигатель. Энергия пара дала мощный толчок техническому прогрессу: тепло стали преобразовывать в механическую силу.

Паровой двигатель Джеймса Уатта

Этой возможностью воспользовался британский инженер Ричард Тревитик, создав в 1803 году первый в мире паровоз. Изобретатель взял за основу свой же паровой автомобиль, усовершенствовал его и установил на чугунную дорогу одного из английских угольных рудников. А 21 февраля 1804 года прицепил к машине несколько вагонеток общей массой 10 тонн и отправил в путь первый грузовой поезд! Без курьёзов, впрочем, не обошлось. На скорости 8 км/ч паровоз Тревитика, проходя под аркой моста, зацепился за неё кирпичной трубой, отчего та рассыпалась на глазах изумлённых зрителей. Однако положенные 20 км паровоз одолел, пусть и с повреждениями.

Схема паровоза Тревитика из книги «История технологии»

Основной проблемой машины был большой вес, из-за которого чугунные рельсы слишком быстро изнашивались. От идеи Тревитика отказались, и он не стал основоположником мирового паровозостроения. Лавры достались инженеру-механику Джорджу Стефенсону, который в 1814 году создал свой первый паровоз, а спустя 9 лет перевёл на паровую тягу дорогу из Стоктона в Дарлингтон. Его «Локомоушн №1» стал завсегдатаем этой дороги, курсируя между городами с 34 вагонами, 28 из которых были пассажирскими. Под горку поезд мог разогнаться до гигантских для тех времён 21 км/ч.

Поезд на линии Ливерпуль – Манчестер

Над безопасностью и эффективностью идеи Стефенсона всерьёз задумались власти. Так, перед запуском в эксплуатацию 50‑километровой дороги Ливерпуль — Манчестер рассматривали сразу три варианта передвижения составов: традиционный и очень медленный на конной тяге; посредством паровых машин, которые тащили бы поезда канатами; с использованием паровоза. Несмотря на серьёзные разногласия, 17 сентября 1830 года сразу восемь паровозов Стефенсона «Ракета» перевезли по новой дороге 600 пассажиров, ознаменовав начало новой эпохи в истории цивилизации.

Паровоз «Ракета» Джорджа Стефенсона
​Главные герои

Что представляет собой паровоз? В основе своей это паровая машина Джеймса Уатта. Чугунный цилиндр с поршнем — главная часть паровоза, именно за счёт его возвратно-поступательного движения вращаются ведущие колёса. Паровой котёл, ответственный за генерацию пара под высоким давлением (выше 20 атмосфер), соединён с цилиндром через парораспределительный механизм — золотник. Он направляет поток пара из одного конца цилиндра в другой. В итоге поршень с шатуном под давлением горячего пара двигается в цилиндре, приводя в движение ведущие колёса.

Завораживающую, слаженную работу этого механизма любят показывать в кино — взять, к примеру, «Назад в будущее 3». Зрелищности добавляют клубы пара, выпускаемые цилиндрами. Недаром главным героем своего первого короткометражного фильма «Прибытие поезда на вокзал Ла-Сьота» братья Люмьер выбрали именно паровоз.

Движение машины обеспечивалось тяжёлым физическим трудом человека. Кочегар должен был постоянно контролировать количество угля в топке — его закидывали лопатой в чрево паровоза из специального прицепного вагона-тендера. В некоторых особо мощных моделях требовались сразу два кочегара. Нагретые продукты горения угля проходили сквозь паровой котёл, пронизанный множеством водяных трубок, в которых моментально образовывался пар.

Гонка паровозов

Паровозы Стефенсона на дороге Ливерпуль — Манчестер появились не просто так: этому предшествовало состязание, победитель которого получал контракт на производство техники. Гонку устроили в городе Рейнхилл, и творение Стефенсона даже не было в числе главных претендентов! Но паровоз «Новелти», признанный фаворит гонки, неожиданно взорвался, остальные конкуренты по разным причинам сошли с дистанции. А «Ракета» Стефенсона прошла все испытания, разогналась до 20 км/ч с грузом в 130 тонн и стала победителем. Интересно, что в те времена паровоз не тянул за собой поезд, а толкал его, то есть находился в хвосте состава.

Паровозы были символом эпохи, но к середине XX века стали уходить в прошлое — из-за низкой эффективности. Коэффициент полезного действия (КПД) парового двигателя даже в самых совершенных моделях не превышал 14–15%. Главным недостатком паровоза оказался выброс использованного пара, уносящий в атмосферу драгоценное тепло. На какие только ухищрения не шли конструкторы для повышения эффективности: заменили уголь на жидкое топливо (мазут и другие тяжёлые фракции нефти), подняв температуру в паровом котле до 1600 °C; заменили кочегара на механизированную систему подачи топлива. Тем не менее в 1950‑е большинство стран мира отказалось от паровой тяги. Настала эра тепловозов и электровозов.

Коэффициент полезного де­й­­с­твия (КПД) — это отношение полезной работы, совершаемой механизмом, к затраченной на его функционирование энергии.
​Аналоги паровоза

Моторизованная повозка — первый в истории четырёхколёсный транспорт с двигателем внутреннего сгорания. Разработан Готлибом Даймлером и Вильгельмом Майбахом в 1886 году.

Основная выгода от внедрения тепловозов — это КПД почти в 30%, то есть в два раза выше паровозного. Что обеспечило этот рывок? Гигантский дизельный двигатель мощностью до нескольких тысяч лошадиных сил, соединённый с электрическим тяговым генератором, который вырабатывал ток, питавший электродвигатели на ведущих осях тепловоза. Первые опыты с тепловозами, оснащёнными двигателями внутреннего сгорания, провёл в Германии в конце 1880‑х годов Готлиб Даймлер — создатель одного из первых автомобилей. Он сконструировал небольшой «рельсовый автобус» с бензиновым двигателем.

Дизельный электровоз, Пуэрто-Лимон (Коста–Рика). Может функционировать и в режиме электровоза, и в режиме тепловоза, получая энергию от дизельного двигателя.

В 1941 году в Швейцарии придумали газотурбовоз, механическим сердцем которого выступал газотурбинный двигатель. Газообразное топливо воспламенялось в камере сгорания, расширялось и вращало лопатки турбины. Аналогичная схема используется в авиации на турбовинтовых двигателях. Главными плюсами газотурбовозов были дешевизна топлива (природный газ, распылённая нефть и мазут) и компактные размеры двигателя (при большой мощности). Несколько десятилетий в середине прошлого века такие локомотивы таскали сверхтяжёлые поезда в США и Канаде. Однако на досрочную пенсию их отправили электровозы.

КПД электровоза достигает 80–90% (без учёта КПД электростанций и линий электропередачи), что делает их самым выгодным типом локомотива на железной дороге.  Гигантские тяговые электромоторы получают энергию от контактной электросети и, что очень важно, не выбрасывают в атмосферу вредные вещества.

Российский газотурбовоз ГТ–1 с газотурбинным двигателем, работающим на сжиженном топливе

Как же появился электровоз? Идея поставить локомотив на электрическую тягу не нова: в 1842 году шотландский изобретатель Роберт Дэвидсон построил полноразмерную модель электровоза массой 7 тонн и назвал её Galvani: электромоторы получали питание от батареи гальванических элементов. Этой энергии хватало на перемещение локомотива и 6 тонн груза. Конечно, конкурировать с более мощными паровозами творение Дэвидсона не могло, поэтому об электровозе Galvani забыли на несколько десятилетий.

По-настоящему открыл для нас мир электрического железнодорожного транспорта Вернер фон Сименс, представив в 1879 году на промышленной выставке в Берлине макет электрифицированной дороги и электролокомотив с тремя вагонами. Трёхсотметровая железная дорога была скорее дорогим аттракционом, нежели перспективной разработкой, но в итоге за Сименсом закрепилась слава пионера электровозостроения. К безусловным заслугам немецкого промышленника и инженера относится изобретение трамвая.

18 мая 1881 года Сименс запустил первую в мире трамвайную линию в пригороде Берлина Лихтерфельде. Появление электровозов сделало возможным массовое распространение метрополитена: до перехода на электрическую тягу под землёй ходили паровозы, создавая дымом и паром множество неудобств.

Первые пассажиры электровоза Вернера фон Сименса. Берлин, 1879.
Борьба за скорость

Электропоезд серии Е5 сети Shinkansen курсирует по маршруту Токио – Син-Аомори на скорости 300 км/ч с 2011 года

Современный мир требует от человека мобильности, а классический поезд может предложить относительно невысокие скорости порядка 100–110 км/ч. Решением проблемы стали высокоскоростные поезда, преодолевшие рубеж в 200 км/ч. Первым был японский Shinkansen, вставший на рельсы в октябре 1964 года на маршруте Осака — Токио. Электрический «поезд-пуля», разгоняющийся до 300 км/ч, потребовал более прочного железнодорожного полотна и расширения колеи до европейского стандарта 1435 мм (ранее в Японии были приняты 1067 мм).

Немного цифр

История железных дорог, как и любая другая, изобилует всевозможными рекордами. Самым быстрым паровозом считается Mallard из Великобритании, который в 1938 году разогнался до 202,7 км/ч — этот показатель так и не был побит. Динамика современных скоростных поездов поражает воображение: шанхайский Maglev, левитирующий на магнитной подушке, достигает вполне авиационных 430 км/ч. В Японии JR-Maglev и вовсе выжимает 630 км/ч! Правда, пока это экспериментальная разработка в стадии испытаний. 

Шанхайский Maglev

В США в первой половине 1940‑х был собран исполинский паровоз Big Boy (Class 4000), вошедший в историю как самый тяжёлый — его вес превышал 550 тонн. Предназначался этот 40‑метровый гигант для вождения грузовых составов в условиях Скалистых гор Северной Америки. Гораздо позже, в 2010 году, в Японии сконструировали самый маленький паровоз, приспособленный для перевозки 20 детей по миниатюрной дороге. Как и положено, он работает на паровой тяге, то есть заправляется углём и водой. А в Австралии в 2001 году из 682 вагонов собрали самый тяжёлый состав общей массой 82 000 тонн! Гружённый железной рудой поезд тянули сразу 8 локомотивов.

Европейским ответом стал проект TGV (Turbine grande vitesse — скоростная турбина), стартовавший во Франции в середине 1960‑х. Интересно, что инженеры изначально планировали ставить в локомотивы газовую турбину как наиболее мощный и компактный силовой агрегат. Однако чрезмерный расход топлива заставил разработчиков остановиться на концепции скоростной электрички. Силовыми установками были выбраны электромоторы, расположенные в колёсных тележках поезда и имеющие совокупную мощность 16 000 лошадиных сил. Кстати, несмотря на гораздо меньшую скорость, перемещаться по Европе на TGV быстрее, чем самолётом. Потери времени на дорогу до аэропорта, регистрацию, предполётный досмотр и возможные задержки рейсов нивелируют выигрыш, который, казалось бы, сулит авиасообщение. Начиная с 1980 года оранжевые скоростные электро­поезда TGV курсируют на скоростях свыше 300 км/ч по Франции, Германии и Великобритании. Сейчас в Европе работают над проектом AGV (Automotrice à grande vitesse): новые поезда будут предельно автоматизированы и без локомотива — инженеры предполагают размещать электромоторы под вагонами.

Скоростной поезд французской сети TGV развивает скорость до 320 км/ч

Высокоскоростной транспорт становится дешевле с каждым годом и постепенно распространяется по всему миру. Свои программы, кроме Японии, имеют многие страны Европы, а также Тайвань, Южная Корея и Китай. На самом острие прогресса сейчас немецкие инженеры из Siemens, которые разработали и построили для Китая принципиально новый вид транспорта Maglev (сокращение от «магнитной левитации»). Состав вообще не соприкасается с дорожным полотном, левитируя за счёт мощных электромагнитов. Так удалось окончательно освободиться от силы трения. С 2004 года из центра Шанхая в аэропорт ходит (точнее, летает) Shanghai Maglev. Его максимальная скорость составляет 431 км/ч — это позволяет преодолевать расстояние в 30 км всего за 7–8 минут. Аналогичные проекты разрабатывают Япония, Южная Корея.

AGV (фр. Automotrice a grande vitesse — высокоскоростной самодвижущийся вагон) — скоростные поезда 4-го поколения компании Alstom. Их планируется использовать вместо нынешних TGV.

Такая изменчивая колея

Парадокс современного железнодорожного сообщения: расстояние между рельсами (колея) разнится от страны к стране. Так сложилось исторически, что самой распространённой колеёй стал европейский стандарт в 4 английских фута и 8,5 дюйма, или 1435 мм. Именно такое расстояние выбрал в начале XIX века Джордж Стефенсон при постройке дороги Ливерпуль–Манчестер. В Казахстане принят стандарт 1520 мм, доставшийся в наследство от Советского Союза. Всего же в мире существует не менее 16 типов рельсовых дорог с шириной колеи от 600 до 1676 мм. Это серьёзно осложняет путешествия на поездах: при пересечении некоторых границ приходится менять колёсные пары у всего состава — «переобуваться».

За два с небольшим столетия паровоз эволюционировал до сверхсовременного поезда на магнитном подвесе. Однако есть все основания полагать, что истинный расцвет железнодорожного транспорта ещё впереди. Нас ожидает масштабная битва за скорость, которая позволит перемещаться между странами за считаные часы.