Наша рассылка позволит вам оперативнее узнавать о том, как меняется железнодорожный мир!
Вы будете получать уведомления о публикации новых статей
Нажимая на кнопку, вы даете согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь c политикой конфиденциальности
Подпишитесь на нашу страницу в Facebook!

Законы эволюции

Рельсовый транспорт стоит на пороге очередной «смены поколений». Более 60 последних лет тепловозы были доминирующим типом локомотивов во всем мире. Теперь баланс сил меняется. Впрочем, железная дорога всегда была полем битвы передовых технологий. За 200 лет истории локомотивостроения на рельсах успели прокатиться самые разные поезда. Оставить заметный след удалось не всем.
Законы эволюции
Рельсовый транспорт стоит на пороге очередной «смены поколений». Более 60 последних лет тепловозы были доминирующим типом локомотивов во всем мире. Теперь баланс сил меняется. Впрочем, железная дорога всегда была полем битвы передовых технологий. За 200 лет истории локомотивостроения на рельсах успели прокатиться самые разные поезда. Оставить заметный след удалось не всем.
Облако пара
Первые модели поездов ходили на пару. В движение такие локомотивы приводила паросиловая установка (состояла из котла и паровой машины), работающая, как правило, на угле или нефти. Нагретый пар из котла поступал в цилиндры машины, там его тепловая энергия запускала поршень. Именно по такому принципу работал первый рельсовый поезд, который предложил миру в 1804 году изобретатель Ричард Тревитик. Изобретение не вызвало особого интереса у потенциальных клиентов. Рельсы не выдерживали давления паровозов.

Тем не менее, уже с 1814 года несколько усовершенствованных моделей на базе чертежей Тревитика начали работать на копях и шахтах. Первые грузовые поезда могли перевозить около 30—40 т груза со скромной скоростью до 6—8 км/час.

Еще через 10 лет в 1825 году между населенными пунктами Дарлингтон и Стоктон прошел поезд инженера Джорджа Стефенсона. Масса модели вместе с грузом и пассажирами составляла 90 т, скорость его движения — от 10—25 км/час.

Технологию продолжили дорабатывать. Уже в 1829 году в паровозе «Ракета» впервые применили жаротрубный котел инженера Бута. В его трубах циркулировала не вода, как в предыдущих моделях, а горячие газы. Благодаря новации скорость увеличилась до 45 км/час.
«Ракета» Роберта Стефенсона, 1829 год
В последующие годы в паровозах повышались поверхность нагрева в котлах, давление, применялись паровые машины с большим числом цилиндров (2-, 3-, 4-цилиндровые). Но всех эти меры смогли поднять КПД паровозов с 1—1,5 до 3—8%.

В итоге с 1930-х годов производители поездов стали использовать другие виды тяги, а уже в 1950-х во всем мире быстро свернули производство паровозов. Не исключено, что решение было поспешным. В мире существует несколько моделей современных паровозов, которые используются в основном для развлечения клиентов и экспериментов. Самый известный из них — LNER Peppercorn Class A1 60163 Tornado. Инженерам этих моделей удалось добиться КПД до 14%. Теоретически, если развивать технологию, этот показатель может превысить 20%. Впрочем, второй шанс доминировать на железных дорогах мира паровозы вряд ли получат.
Паровоз Tornado 60163 на железной дороге Северный Йоркшир — Мурс в Гоутленде, Великобритания

Невечный двигатель

Паровоз проиграл конкуренцию теп­ловозу — локомотиву, оснащенному двигателем внутреннего сгорания. ДВС, разработанный инженером Рудольфом Дизелем в 1897 году, уже имел мощность 20 л. с. и КПД выше, чем у паровых машин. Первые тепловозы в 1912—1913 годах прошли испытания в Германии и Швейцарии. Тесты подтвердили, что КПД тепловозов — 14—16%.

Первые серийные тепловозы были созданы в США. Их распространение ускорил закон штата Нью-­Йорк, запрещавший с 1908 года использование паровозов на территории острова Манхэттен. Поводом для акта стала авария двух поездов из-за видимости, ограниченной паровозным дымом.

Популярность локомотивов с ДВС закрепило внедрение технологии электропередачи в 1930-х. До этого мотористу одновременно приходилось вручную регулировать обороты дизеля и напряжение генератора. Как следствие, в 1938 году массовую популярность приобрели 20-тонные маневровые тепловозы Boxcab от General Electric. В течение нескольких десятилетий тепловозы заняли доминирующее положение по всему миру. КПД локомотивов этого типа выросло до 26—29%.
Первый газотурбинный локомотив British Railways, построенный Brown Boveri в Швейцарии, 1949 год

Одновременно в мире развивалось производство модификации тепловозов-­газотурбовозов, локомотивов с газотурбинным двигателем внутреннего сгорания (ГТД). Если тепловозы в качестве топлива потребляли дизель, а иногда бензин, то газотурбовозы могли работать на низкосортном топливе — мазуте и даже сырой нефти. Первый поезд такого типа создала швейцарская компания Brown Boveri в 1941 году.

Правда, со временем классические тепловозы вытеснили своих младших братьев. Оказалось, что расход топлива у газотурбовозов выше, а КПД при неполной загрузке ниже. К тому же на ряде локомотивов этого типа при низкой температуре воздуха тяжелое топливо становилось гуще, и для пуска генератора приходилось использовать более дорогой дизель. В 60-е годы производство газотурбовозов стали сворачивать.

Сегодня тепловоз — все еще самая популярная технология в мире. К современным моделям нет претензий по мощности. Но они не проходят испытание на экологичность. Например, по оценке Управления энергетической информации США (EIA), в 2018 году на долю дизельного топлива пришлось примерно 9% от общих выбросов CO2 в США.

После того как подсчет углеводородных выбросов стал одним из главных в международной повестке, спрос на тепловозы стал снижаться, многие производители переориентировались на другие типы поездов. В ЕС к 2030 году от них планируют избавиться вовсе.

Это не значит, что тепловозы вмиг исчезнут. В прошлом году британские компании Porterbrook и Eminox сообщили об успешной модернизации дизельных поездов, которая позволит снизить число выбросов оксида азота на 80%, а углекислого газа — на 90%.
Первый электровоз, продемонстрированный Вернером Сименсом на Берлинской ярмарке в 1879 году

Провод силы

С тепловозами более ста лет мирно сосуществовали электровозы. Это локомотивы, питающиеся от внешних источников электроэнергии через тяговые подстанции по контактной сети. Некоторые из них имеют свои собственные аккумуляторные батареи.

На звание создателя первого электровоза претендуют Эрнст Вернер фон Сименс и Федор Пироцкий. Свои модели оба изобретателя демонстрировали в 1875—1879 годах.

Недостатком первых электровозов была низкая скорость. Например, модель Сименса разгонялась до 6,5 км/ч. Правда, в 1883 году появился электровоз «Ампер», c «потолком» до 16,7 км/ч, чуть позже профессор Паж создал поезд, который держал «ритм движения» на уровне 30 км/ч. Как следствие, в 1895 году заработал первый электрифицированный участок на железной дороге Балтимор — Огайо.

Какое-то время развитие электровозов ограничивали из соображений безопасности. Чтобы гарантировать их движение, необходимо было обеспечить поступление тока. Поначалу для подачи напряжения использовали третий рельс. Именно по такому принципу работали первые линии трамваев в Париже, Берлине и метро в Лондоне в конце ХIX века. Чтобы снизить риски несчастных случаев, приходилось ограничивать силу тока.

Проблема решилась через несколько лет, когда инженер ВанДепуле запустил в Торонто (Канада) трамвай, «запитав» его от воздушного провода. Рельсы стали безопасным обратным отводом энергии. Именно эта идея была принята за основу при создании электрифицированных сетей городского транспорта и железных дорог. Почти одновременно в Италии изобретатель Кандо впервые применил в качестве преобразователя тока фазовращатель. После этого было уже не страшно повышать напряжение в сетях. Как следствие, до конца века электровозы успели «разменять» предел скорости 200 км/ч.
Трехфазный электровоз, построенный венгерским инженером Кальманом Кандо
для железной дороги Вальтеллина, Италия

Расширению эксплуатации электровозов препятствовала необходимость строительства дорогой инфраструктуры: контактных сетей, тяговых подстанций. Долгое время их использовали только как городской транспорт или в качестве магистральных локомотивов на железных дорогах с большим трафиком. Так, в США до сих пор электрифицировано лишь несколько процентов железнодорожных путей.

Сегодня будущее электровозов кажется безоблачным. Электродвигатели имеют фантастический КПД (80—90%) и легко развивают скорость более 300 км/ч. Экологичность только добавляет им преимущества в глазах политиков и потребителей. Производителей, в свою очередь, дополнительно привлекает возможность питать электропоезда от возобновляемых источников энергии.

Однако маловероятно, что электровозы останутся единственным типом локомотивов. Им придется испытывать «давление» как минимум со стороны поездов на водородном двигателе и на магнитных подушках. Впрочем, конкуренция технологий всегда шла на пользу железнодорожному транспорту.
Первый электровоз на железной дороге Балтимора и Огайо, XIX век
КОРОТКО
  • Более 60 последних лет тепловозы были доминирующим типом локомотивов во всем мире. Теперь баланс сил меняется.
  • Первые грузовые поезда могли перевозить около 30—40 т груза со скромной скоростью до 6—8 км/ч.
  • В 1829 году в паровозе «Ракета» впервые применили жаротрубный котел инженера Бута.
  • Популярность локомотивов с ДВС закрепило внедрение технологии электропередачи в 1930-х.
  • Электродвигатели имеют фантастический КПД (80—90%) и легко развивают скорость более 300 км/ч.