Текст книги "100 великих рекордов транспорта"

Что могут электровозы?

Эти тягачи, как ясно уже из их названия, развивают тягу и скорость, используя электродвигатели, которые питаются от контактной сети, провода которой расположены непосредственно над самой железной дорогой. Электровозы намного экономичнее паровозов и тепловозов, а также проще их по устройству, не дают вредных выбросов. Не случайно именно их многие специалисты называют «локомотивами XXI века».

Электровозы были изобретены еще в конце XIX века. Самой первой электрической железной дорогой стал небольшой демонстрационный участок длиною всего 300 метров с шириной колеи 1 метр. Его построил немец Вернер фон Сименс специально для Берлинской выставки, которая прошла 31 мая 1879 года.

Безусловно, это был скорее большой действующий макет, а не настоящая железная дорога, но тем не менее конструкция исправно работала, положив тем самым начало созданию тех электропоездов, которые мы теперь зовем электричкам».

Первый же магистральный электровоз был построен в середине 90-х годов XIX века в CША. В СССР первая электрифицированная железнодорожная линия с мотор-вагонными электропоездами («электричками») появилась в 1926 году, первые электровозы – в 1933 году.

В первые годы электрификации пригородных участков железных дорог СССР с тяговых подстанций подавался постоянный ток напряжением 1500 вольт по медному контактному проводу, подвешенному над рельсовым путем, а на первых магистральных участках применялся постоянный ток напряжением в 3000 вольт.

В 60—70-е годы ХХ века стали на вновь электрифицируемых железных дорогах применять переменный однофазный ток частотой 50 Гц повышенного напряжения (25 тысяч вольт или 25 кВ). Это дало возможность строить тяговые подстанции не через 20—30 км, как при постоянном токе, а через 60—70 км, то есть уменьшить в 2—3 раза их число, а сами подстанции делать более простыми и дешевыми.

Большое достоинство электровоза – экономичность. Во время движения под уклон его двигатели работают как генераторы электрического тока, который поступает обратно в сеть. Такой режим называется рекуперационным (от латинского слова «recuperatio» – «обратное получение») торможением. Коэффициент полезного действия электровоза при этом достигает 88—90 процентов.

Кузов электровоза похож на вагон. На обоих его концах находятся кабины управления. Это позволяет электровозу двигаться в любом направлении – машинист должен лишь перейти из одной кабины в другую.

Сейчас в России эксплуатируются электровозы переменного однофазного тока (питающее напряжение – 25 000 вольт и частота – 50 Гц), а также постоянного тока (напряжение – 3000 вольт). Это мощные грузовые локомотивы отечественного производства серии ВЛ и чехословацкие пассажирские серии ЧС. Пассажирский электровоз серии ЧС4 мощностью 4920 кВт развивает скорость до 160 км/ч, а электровоз серии ВЛ85 мощностью 9400 кВт – до 110 км/ч.

Магистральный двухсистемный пассажирский электровоз ЭП20

Электровоз ВЛ85 – мощнейший в мире локомотив на электротяге. Своему рождению он обязан БАМу. Для успешной эксплуатации Байкало-Амурской магистрали требовался мощный надежный электровоз. Теоретические исследования ходовой части нового электровоза велись в Научно-исследовательском проектно-конструкторском и технологическом институте электровозостроения (ВЭлНИИ) и Ростовском-на-Дону институте инженеров железнодорожного транспорта (РИИЖТ). В результате решили проектировать 12-осный электровоз, у которого каждая из двух секций располагалась на трех 2-осных тележках с индивидуальным электроприводом.

Проектирование электровоза ВЛ85 вел заместитель директора ВЭЛНИИ В.Я. Свердлов. В мае 1983 года построили первый образец, летом – второй. После опытного пробега на 5000 километров ВЛ85—001 предъявили МПС для испытаний, завершившихся вполне успешно.

Впервые в отечественной практике на ВЛ85 установили автоматизированную систему управления (АСУ), построенную на основе микропроцессоров, позволившую плавно разгонять состав до требуемой скорости с заданным током тяговых электродвигателей. После этого АСУ поддерживала постоянную скорость на ровном пути, а на спусках выполняла электрическое притормаживание. Кроме того, она контролировала рекуперацию, торможение до полной остановки, распределение усилия при двойной тяге.

По сравнению с ВЛ80Р расход энергии на новом локомотиве уменьшился больше чем на треть, и почти в 1,2 раза возрос ее возврат в контактную сеть при режиме рекуперации.

Некоторые другие технические данные электровоза ВЛ85 таковы. Сцепной вес – 288 т. Длина – 45 м, ширина – 3,16 м, высота – 5,19 м. Усилие тяги при скорости 49,1 километра в час – 74 т. Локомотив способен нормально работать при температуре 60 градусов ниже нуля, а его двигатель имеет мощность 11 400 киловатт, то есть 15 287 лошадиных сил.

Ныне в нашей стране создается магистральный двухсистемный пассажирский электровоз ЭП20 нового поколения, который предназначен для вождения пассажирских поездов на железных дорогах колеи Российской Федерации шириной 1520 мм, электрифицированных на постоянном токе напряжением 3 кВ и на переменном токе напряжением 25 кВ промышленной частоты 50 Гц. Электровоз предназначен для эксплуатации на существующих и подлежащих реконструкции скоростных железнодорожных магистралях с максимальной разрешенной скоростью движения до 200 км/ч.

Новый электровоз обеспечит ведение поезда из 24 вагонов со скоростью 160 км/ч, и поезда из 17 вагонов со скоростью 200 км/ч на прямых участках пути. Для сравнения – серийно выпускаемый электровоз серии ЭП1М имеет максимальную скорость 140 км/ч, и обеспечивает ведение на этой скорости состава из 19 вагонов.

Один из самых быстрых современных электровозов в Испании

В основу конструкции нового электровоза заложен принцип модульности. Модули, узлы и агрегаты которых максимально унифицированы для разных типов электровозов, могут затем составлять различные модификации и модели электровозов.

Кстати, именно локомотиву на электрической тяге выпала честь тащить самый длинный в мире пассажирский поезд, который состоял из 70 вагонов, имел длину 1732 метра и весил 2786 тонн. 27 апреля 1991 года он за 1 час 11 минут и 5 секунд сумел проделать путь длиною в 62 км от Гента до Остенда. Этот состав принадлежал Бельгийской национальной железнодорожной компании.

Электровозы же стали и первыми рекордсменами скорости. Немецкий электровоз Симесн-унд-Гальске установил подряд несколько рекордов еще в 1903 году, вплотную приблизившись к рубежу 100 км/ч.

Ныне европейский рекорд скорости принадлежит испанцам. Их электрический состав развил в 2008 году скорость 369 км/ч.

Когда работает турбина…

Многие конструкторы полагают, что локомотивом будущего, наряду с электровозом, может стать и тягач с газовой турбиной – газотурбовоз. Над созданием таких транспортных машин уже не одно десятилетие трудятся конструкторы и изобретатели, как в нашей стране, так и за рубежом. И в настоящее время тепловозы новейшего типа, не имеющие поршневых двигателей, начинают выходить из экспериментальных цехов и лабораторий на стальные магистрали.

Газовую турбину не напрасно называют двигателем близкого будущего. Ныне такие турбины устанавливаются на промежуточных станциях газопроводов. На всех крупных авиалиниях страны летают самолеты с газотурбинными двигателями. Пришло для газотурбины время занять почетное место и на железных дорогах.

Работы по созданию отечественного газотурбовоза начались, пожалуй, с исследований профессора Н.И. Белоконя, который в 60-е годы ХХ века предложил газотурбинный тепловоз, работающий на дешевых сортах угля и на торфе. Топливо в этом тепловозе должно сгорать в особом устройстве, напоминающем топку парового котла. Но «котел» локомотива отличается тем, что нагревает не воду для превращения ее в пар, а обычный воздух. Компрессор всасывает его прямо из атмосферы и нагнетает в нагревательную камеру под давлением в 6 атмосфер. При быстром нагревании воздух сильно расширяется и может вращать ротор турбины, ударяя в его лопатки.

Система как будто чрезвычайно проста и надежна. Но применения никогда не получит, так как она недостаточно экономична. Коэффициент полезного действия такого газотурбовоза получился бы ниже, чем у обыкновенного паровоза.

Есть, правда, путь к повышению эффективности установки – нагревать воздух в котле не на сотни, а на тысячи градусов. Но практически это осуществить очень трудно – слишком дорогой и ненадежной получится установка. Поэтому профессор Белоконь предложил более практичную систему.

Воздух нагнетается компрессором в котел. Затем он попадает в отдельную камеру сгорания, куда впрыскивается немного жидкого топлива. Оно воспламеняется, и давление газовоздушной смеси резко возрастает, а температура увеличивается до предела, который еще могут выдержать лопатки турбины. Раскаленная газовая смесь устремляется на лопатки с огромной скоростью. Турбина вращает генератор. Электрический ток из него питает тяговые моторы, а также и компрессор, подающий в котел для нагревания сжатый воздух.

Ныне разработаны еще более совершенные газовые турбины. По словам главного инженера ОАО «Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава» (ВНИКТИ), кандидата технических наук В.Ф. Руденко, создатели нового газотурбовоза ГТ1, двигатель которого впервые в мире начал работать на сжиженном природном газе, основан на аналогии с опробованным уже экспериментальным двигателем НК-88 разработки ОКБ Н.Д.Кузнецова, работающем на альтернативных видах топлива (сжиженных водороде и природном газе).

В процессе изготовления газотурбинного двигателя, который получил индекс НК-361, были проведены испытания ряда узлов, в том числе камеры сгорания для обеспечения запуска на холодном газе. В конце 2006 года силовая установка газотурбовоза была испытана с полной нагрузкой.

Во время испытаний было проведено 73 запуска газо-турбинного двигателя, которые подтвердили соответствие экспериментальных данных теоретическим расчетам. Также было определено, что выбросы оксидов азота, оксидов углерода и углеводородов значительно ниже допустимых по санитарным нормам значений.

После окончания сборки газотурбовоза в мае 2007 года он был установлен на реостатные испытания. По окончании их были проведены опытные поездки с поездами на железнодорожном полигоне ОАО «РЖД». Они показали, что затраты на топливо при применении газотурбинной тяги по сравнению с тепловозной могут быть снижены на треть.

В конце 2009 года намечено отправить газотурбовоз в эксплуатацию на Свердловскую железную дорогу на участке Свердловск-сортировочная – Полевской – Верхний Уфалей. Именно здесь он и должен проявить свои достоинства и недостатки в полной мере.

Атомное сердце локомотива

В СССР, кроме атомных подводных лодок и ледоколов, которые существуют и сегодня, проектировались и гигантские поезда, которые на многие тысячи километров потянет вдаль локомотив с атомным сердцем. Зачем он понадобился?

В середине прошлого века, когда пошли первые разговоры о строительстве БАМа – Байкало-Амурской магистрали – среди прочих рассматривался и проект строительства абсолютно новой дороги. Газета «Гудок» – печатный орган Министерства путей сообщения СССР – в 1956 году, в частности, писала:

«В условиях Севера, Дальнего Востока и пустынь Центральной Азии не всегда целесообразно злектрифицировать вновь строящиеся железнодорожные пинии. В этих условиях лучше: применять атомные локомотивы, которые могли бы работать без подвоза больших количеств топлива… »

В дальнейшем специалисты развили эту идею так. Ставить атомный котел на обычный паровоз или тепловоз посчитали не выгодным. Атомные локомотивы должны были двигать мегапоезда, состоящие из гигантских вагонов, поставленных на сверхширокую колею, которая в 2,5—3 раза превышала бы по ширине принятый в нашей стране стандарт – 1520 мм.

Колея в 3—4 м (а некоторые конструкторы предлагали даже делать ее шириной в 6—8 м) позволила бы уравнять товарные поезда по грузоподъемности с кораблями и барражами, а пассажирам в таких составах предоставлялись бы условия, сравнимые по комфорту с первоклассными океанскими лайнерами.

Причем для начала сверхширокие магистрали можно было построить с минимумом затрат – просто мегапоезд опирался бы на внешние рельсы двухпутной магистрали.

Однако когда такую идею стали рассматривать на практике, оказалось, что рельсы все равно придется перекладывать, поскольку на существующих магистралях ширина колеи строго выдерживается, а на каком расстоянии проложены друг от друга сами стальные магистрали, никто особо не следит.

Кроме того, для супертяжелого мегапоезда пришлось бы все равно менять шпалы, да и сами рельсы делать особой прочности. Вон ныне сколько мороки с прокладкой сверхскоростных магистралей на трассе Москва – Петербург и Москва – Нижний Новгород…

И это еще не все. Кроме магистрали пришлось бы заново создавать не только локомотивы, но и весь вагонный парк. А это потребовало бы таких расходов, что экономия на подвозе топлива и электрификации магистрали показалась бы просто копеечной.

Уже эти соображения заметно охладили пыл конструкторов атомных локомотивов. Да тут еще создатели ядерных реакторов для атомных подлодок стали рассказывать, насколько трудно втиснуть атомный котел в заранее заданные габариты, да еще при этом обеспечить надежную биологическую защиту от радиации как людей в самом транспортном средстве, так и окружающей среды вокруг него.

А сама по себе идея поезда с ядерным реактором проста, для ее реализации нет никаких препятствий фундаментального характера. Работают же ныне АЭС и ледоколы с атомными установками. Примерно ту же схему можно использовать и на атомном локомотиве. Тепло, образующееся в результате ядерной реакции, передается теплоносителю первичного контура. Он, в свою очередь, отдает тепло воде в парогенераторе. Образующийся пар поступает по трубам к электротурбине, та приводит во вращение вал электрогенератора, а выработанный ток идет для питания электромоторов, вращающих колеса.

Основная техническая сложность проекта заключалась в том, что атомный котел локомотива пришлось бы изолировать толстым слоем свинца или бетона, причем со всех сторон. Общий вес такой защиты составил бы сотни тонн, да и компактной ее никак не назовешь. А если учесть, что и первые ядерные реакторы, создававшиеся в середине прошлого столетия, сами по себе отличались большими габаритами, то размеры и вес атомного локомотива оказались бы просто титаническими.

А потому проект так и остался на бумаге.

Впрочем, не надо думать, что он забыт окончательно. В наши дни в разных странах мира конструкторы ведут разработки новых типов ядерных реакторов – компактных и более безопасных. Например, в ЮАР ведутся работы над так называемым модульным реактором с шариковой засыпкой (PBMR). Вместо привычных стержней с тепловыделяющими элементами (ТВЭЛами) в реакторе предполагается использовать шарики, состоящие из графита, включающего в себя микроскопические вкрапления оксида урана в капсулах из карбида кремния. Через шарики продувается инертный газ (лучше всего подходит гелий), который отводит тепло, возникающее в ходе реакции.

Другой проект компактного и не слишком дорогого ядерного реактора предложен учеными Федерального университета Рио-Гранде-ду-Сул (Бразилия). Он также использует топливо в виде шариков с вкраплениями оксида урана; только вместо газа тепло отводится с помощью жидкости.

Но будут ли на основе этих проектов созданы реальные локомотивы, пока неизвестно. Уж слишком настороженно относится ныне мировая общественность после Чернобыля к ядерной энергетике. И что будет, если террористы решат использовать такой локомотив в качестве передвижной атомной бомбы?..

Реактивные вагоны и поезда

Реактивные автомобили, как известно, бьют рекорды скорости на соляных озерах. Им даже удалось одолеть звуковой барьер. Аналогичных показателей инженеры хотели бы добиться на железной дороге. Что у них получается?

В 70 е годы ХХ века советские инженеры из ВНИИ вагоностроения, ОКБ А.С. Яковлева и Калининского вагоностроительного завода совместными усилиями создали вагон-лабораторию «ВНИИВ – Скорость». Его главное отличие от других – спаренные турбореактивные двигатели от самолета ЯК-40, торчавшие над крышей.

Идея, двигавшая поиски специалистов, была такой. Обычный электродвигатель вращает колеса, которые, отталкиваясь от рельсов, перемещают состав электрички. С ростом скорости сила сцепления между поездом и стальными нитями уменьшается, а сопротивление движению возрастает. Понятно, такой принцип образования тягового усилия позволяет увеличивать скорость лишь до определенного предела. Иную картину мы наблюдаем при использовании реактивного двигателя. В этом случае локомотив отталкивается уже не от рельсов (они играют роль направляющих), а от окружающей воздушной среды.

Модель вагона продули в аэродинамической трубе, постаравшись придать вагону обтекаемую форму. Однако первые же испытания показали, что вовсе не воздух мешает вагону развить высокую скорость.

Железная дорога редко бывает прямой. На повороте обычно приподнимают наружный рельс, и состав благополучно преодолевает кривую. На скоростной поезд такой рельсовый «трек» не рассчитан – полотно наклонено (в поперечном направлении) не особенно круто. Спрямление искривленных перегонов чрезмерно дорого, а иногда практически неосуществимо. Каков же выход из положения?

Попытки повысить устойчивость с помощью пневморессор и гидродомкратов, давление в которых должно было на поворотах автоматически меняться, желаемого результата не дали. Вагон немилосердно трясло и кидало из стороны в сторону даже на прямых участках. Да добавьте в этому немилосердный рев реактивных двигателей, способных разбудить даже мертвых…

Реактивный вагон – памятник в честь 110‑-летнего юбилея Тверского вагоностроительного завода

В общем, более 250 км/ч экспериментальному реактивному вагону показать не удалось. А такую скорость могут развить и обычные поезда. И затею с реактивным вагоном нашим специалистам пришлось оставить.

Ныне в связи со 110-летним юбилеем Тверского вагоностроительного завода реактивный вагон превратили в памятник. Носовую часть вагона вместе с реактивными двигателями вставили внутрь монументальной каменной рамы. Получился весьма оригинальный монумент.

Между тем в 1955 году работу над аналогичной конструкцией начал и Кенойя Одзава, декан факультета науки и техники Университета Мейджо (провинция Нагоя). Он возглавил исследовательскую группу, перед которой стояла дерзкая задача – создать сверхзвуковой наземный транспорт.

Ранее профессор был известен как конструктор тяжелых самолетов и управляемых ракет. Используя свой богатый опыт авиационного инженера, он разработал необычную транспортную систему – реактивный поезд, двигающийся по оригинальной эстакаде.

Перед тем как выбрать окончательный вариант, Одзава провел около 20 комплексных испытаний различных моделей. В 1968 году была успешно достигнута скорость 1140 км/ч, а в 1969-м, после постройки герметичного тоннеля, – 2300 км/ч! Вакуум препятствовал образованию и распространению ударных волн, шумов.

Специалисты считают, что в будущем транспортная система Одзавы сможет дополнить традиционное метро, трассы которого могут протянуться из города в город.

Как же будет выглядеть реактивный турбопоезд? Состав длиной 220 м и диаметром 5 м будет сделан из легкого сплава. Внутри он разделен на несколько отсеков. Впереди – кабина водителя. За ней – грузовой отсек, который способен вместить контейнеры общим весом 100 тыс. кг. Далее расположены пассажирские салоны, отделенные от машинного отсека огнестойкими стенками. Салоны, снабженные кондиционерами воздуха, рассчитаны на 1000 мест. С собой будет дозволено провозить багаж, весящий в 2,5 раза больше, чем разрешается в самолетах.

Следующий отсек – приятный сюрприз для автолюбителей. По трапу они могут заехать в него прямо на машинах, посидеть в них некоторое время, а затем покинуть поезд на нужной остановке. В кормовой части находится устройство воздушного торможения.

Турбореактивные двигатели расположены симметрично, по две штуки с каждой стороны поезда. Один ТРД развивает тяговое усилие в 10 тыс. кг.

Эстакада покоится на фундаменте – столбах, стоящих через 100 м. Вдоль пути, над столбами, установлены жесткие уголки с Е-образными пазами. Выступ поезда как бы «схвачен» направляющими роликами сверху и сбоку. Ведущие ролики расположены снизу. Кроме того, вдоль пути закреплены опорные ролики.

Отход поезда от станции происходит за счет ведущих роликов, раскручиваемых электромоторами. Реактивные двигатели включаются уже за пределами города. Оперение поезда – три горизонтальных стабилизатора с двумя вертикальными рулями – обеспечивает подъемную силу, уменьшающую нагрузку на опоры и повышает устойчивость поезда.

Торможение осуществляется теми же ведущими роликами, которые теперь работают в режиме рекуперации, частично возвращая электроэнергию, потраченную на разгон, а также тормозным парашютом, который выбрасывается из кормового отсека.

Предполагалось, что на первых порах рейсовая скорость ограничится 980 км/ч. Тогда поезд, отправившись от Токио, домчится до Осаки за 35 минут. Однако испытания показали, что и японцы не смогли до конца справиться с проблемами шума и тряски. И у них рекордный поезд так и остался экспериментальным.

Абсолютный же рекорд скорости на рельсах принадлежит автоматически управляемой платформе с ракетными двигателями. На отрезке длиной 15,2 км на ракетном полигоне в Уайт-санде, штат Нью-Мексико, она развила скорость 9851 км/ч! Случилось это 5 октября 1982 года.