Какими будут железные дороги будущего?

120 лет назад в российском издании «Наука и жизнь» был опубликован материал ^[1]о будущем железных дорог — весьма смелые для того времени прогнозы экспертов сбылись с точностью: уже тогда предсказывалась неизбежная смерть паровой тяги, переход к электричеству, путям высокого качества и высокоскоростным перевозкам на уровне современных «Сапсанов». Эти прогнозы строились на передовых разработках того времени, а не были предсказаниями «пальцем в небо» от фантастов. Попробуем и мы заглянуть в будущее железных дорог, оценив самые современные перспективные и экспериментальные разработки. Итак, какими станут железные дороги?

Более популярными

В мировую экологическую концепцию развития железнодорожный транспорт вписывается как нельзя лучше. Пока скептики спорят об экологическом следе путешествий Греты Тунберг, за парусной яхтой которой следуют самолёты с журналистами и экипажем для перегона яхты обратно без самой Греты, государства продолжают планомерно ужесточать нормы выброса вредных веществ транспортом. До авиации жёсткие нормативы пока не добрались, но запрет на производство и продажу автомобилей с ДВС, похоже, не за горами.

Так как поезда остаются оптимальным способом перевозки большого числа людей в относительном комфорте, в условиях всё большего стеснения экологических рамок их популярность будет только расти. При этом речь не идёт об обязательном расширении железнодорожной сети — даже в развитых странах есть тенденция к сокращению длины железных дорог, и вместо разветвленных устаревших неэлектрофицированных путей строятся высокоскоростные ветки между крупными городами — при меньшем километраже их пропускная способность и востребованность в разы больше. Исключением является Китай, где активно строятся новые пути и электрифицируются имеющиеся.

Схеме железных дорог Китая можно только позавидовать — с севера на юг и с запада на восток можно добраться на высокоскоростных поездах. Между всеми значимыми городами-миллионниками страны поезда перемещаются на скоростях не ниже 200 км/ч. Источник: Howchou / Wikimedia

Недавний запуск Московских Центральных Диаметров является одним из шагов по повышению транспортной доступности городов Московской области и, в будущем, районов Новой Москвы. В пользу правдивости этого утверждения свидетельствует неоспоримый факт: урбанизация неизбежно ведет к укрупнению городов и созданию огромных агломераций, быстро перемещаться внутри которых можно будет только с помощью железнодорожного транспорта. Шведский профессор Кьелл Нордстрём прославился пугающим прогнозом о перегруппировке мирового население в 600 крупнейших городов ^[2]. Представьте себе Москву, которая заканчивается не в районе МКАДа, а хотя бы в районе Малого московского кольца (а к этому всё и идёт) диаметром порядка 100 км, — пытаться пересечь такой гигантский город на машине просто бессмысленно: на это уйдет как минимум полдня, тогда как поезд со всеми остановками справится за пару часов.

Сравнение размеров Москвы 1930-х годов и 2019 года. Округа Новой Москвы на юго-западе неминуемо будут застроены, и добраться до старого города оттуда можно будет именно на поездах. Источник: Toshiba

Более скоростными

В области повышения скорости движения поездов наиболее показателен пример Китая как страны, которая за два десятилетия не только значительно увеличила среднюю скорость движения поездов, но и создала собственную индустрию высокоскоростного железнодорожного движения, а теперь и вовсе метит в мировые лидеры.

В 1978 году китайский политический деятель Дэн Сяопин посетил Японию, которую считал очень прогрессивной страной со стремительной развивающейся экономикой, с которой нужно брать пример. Огромное впечатление на китайского гостя произвёл скоростной пассажирский поезд «Синкансэн», уже в то время передвигавшийся на скорости до 220 км/ч. Среди заложенных Дэн Сяопином впоследствии реформ значилось полное обновление железнодорожного пути в стране и разработка собственных электропоездов.

Тот самый «Синкансэн» серии 0, произведший неизгладимое впечатление на Дэн Сяопина, — в интернете есть архивные съемки, на которых видно нескрываемое удивление председателя КНР от факта столь быстрой поездки на поезде. Источник: Nadate / Wikimedia

К 1990 году была утверждена программа строительства первой скоростной ветки, а с 1997 по 2007 год в несколько этапов модернизации имеющихся путей среднюю скорость пассажирских поездов в стране удалось увеличить с 43 до 70 км/ч — вроде бы немного, но на самом деле это колоссальный рывок, особенно для двух пятилеток. Например, в России средняя скорость на 2017 год составляла 57 км/ч, и по расчетам «Федеральной пассажирской компании» к 2031 году она может подняться до 65 км/ч, но это не точно. Рост всего на 8 км/ч за 15 лет — это мало? Как поглядеть, в 1930 году средняя скорость в СССР составляла 31 км/ч.

Просто поднять разрешённый скоростной режим для улучшения статистики нельзя — необходимо подготовить инфраструктуру. Как минимум, проложить бесстыковой путь, представляющий собой длинные плети сваренных воедино рельсов. Отсутствие стыков, о которых нам обычно сообщает мерный стук колес, снижает сопротивление движению поезда, продлевает срок службы пути и сказывается на комфорте пассажиров.

Место соединения рельс бесстыкового пути. Наши внуки или правнуки могут никогда не познать мерного стука колес ночного поезда: не обо что будет стучать. Источник: LosHawlos / Wikimedia

Такая модернизация путей значительно повышает допустимый скоростной лимит. Тот же Китай за 10 лет обновил 7700 км железной дороги, приспособив её под движение со скоростью 160 км/ч, а всего за пять лет в 2010-х годах было построено 12 000 км для высокоскоростного сообщения. И процесс создания бесстыковых путей активно идет во всем мире, в том числе и в России. Причем если в 2009 году для ветки «Сапсана» между Москвой и Петербургом были закуплены высококачественные рельсы из Японии (небольшой участок), то к 2019 году отечественные рельсопрокатчики полностью освоили самостоятельный выпуск таких рельс и теперь готовятся к производству трасс для скоростей до 400 км/ч. Технологической сингулярности в железнодорожных перевозках ждать пока не стоит, но перспективы у российских железных дорог вырисовываются очень обнадеживающие.

Компании-перевозчики с готовностью инвестируют в строительство новых путей и разработку скоростных поездов по чисто экономической причине — чем выше скорости, тем больший путь состав может проехать в течение суток и тем больше людей может перевезти. Во Франции двухэтажные TGV уже ходят забитые до отказа, то есть, востребованность железнодорожных перевозок налицо. А так как третий этаж вагону не надстроишь, да и длина пассажирского состава должна иметь определенные пределы, остается лишь чаще и быстрее гонять поезда по загруженным маршрутам.

Построенными на новых принципах

Первую высокоскоростную железнодорожную магистраль открыли в 1964 году в Японии между городами Токио и Осака, предельная скорость на ней достигала 210 км/ч. По мере развития технологий и открытия новых линий в мире эксплуатационная скорость для регулярных высокоскоростных пассажирских поездов остановилась на отметке 320 км/ч — и новейшие французские TGV-POS, и японские «Синкансэн» серии E6 имеют именно такой лимит, хотя тому же TGV принадлежит рекорд скорости на железных дорогах среди серийных поездов (574,8 км/ч).

Очень простенький на вид двухэтажный TGV POS является самым быстрым серийным поездом. Прикоснуться к легенде можно всего за €25 — столько стоит поездка из Страсбурга в Париж на скорости 320 км/ч. Источник: AlNo / Wikimedia

Рельсовые электропоезда могли бы штатно работать на бóльших и даже максимально достижимых скоростях, но это экономически нецелесообразно — потребление электроэнергии и нагрузка на двигатели будет столь велика, что стоимость билетов на поезд взлетит до уровня самолётного бизнес-класса. Всё дело в старых-добрых законах физики, обмануть которые невозможно: чем выше скорость движения, тем выше трение качения колес, лобовое сопротивление и трение о воздух всего состава. Сопротивление воздуха пропорционально квадрату скорости движения, поэтому на скоростях выше 300 км/ч свыше 90% общего сопротивления оказывается именно воздухом. А чем выше сопротивление, тем большую мощность должен развивать двигатель — она пропорциональна кубу скорости.

Частично эту проблему решают за счёт просчитанной аэродинамики поезда, сокращения межвагонного расстояния и уменьшения числа тележек (меньше колесных пар — меньше трение качения). Но в идеале инженеры пытаются избавиться как минимум от колес, а как максимум — от воздуха.

О существовании поездов на магнитной подушке известно, наверное, каждому. Кто-то даже знает, что проект существует давно, но в серию так и не пошел. На самом деле первые патенты по использованию линейного электродвигателя на железнодорожном транспорте относятся аж к самому началу XX века, хотя левитирующий маглев в том виде, в котором он дошёл до нас, был описан только в 1959 году, а реализован десятилетие спустя в германии в рамках западногерманского проекта Transrapid.

У Советского Союза мог быть свой маглев в Армении, но Спитакское землетрясение и недофинансирование науки в 90-е поставили крест на проекте. Источник: Andrej Galenko / Wikimedia

Дороговизна прокладки пути (сопоставима с метро глубокого заложения) делает маглев экономически нежизнеспособным, потому что его теоретическая предельная скорость свыше 600 км/ч оправдана только на больших расстояниях, а строительство ветки между, например, Москвой и Санкт-Петербургом встанет в совершенно астрономическую сумму — если взять за ориентир среднюю стоимость прокладки метро в Москве, получится что-то около 3,25 трлн рублей за всю линию. Современная высокоскоростная рельсовая магистраль между двумя столицами обойдется как минимум вдвое дешевле ^[3].

Но всегда найдутся страны, которые не постоят за ценой, когда речь идет об инфраструктурных проектах. Среди них, как обычно, Китай: в XXI веке в Поднебесной были построены три коротких пассажирских маглева в Шанхае, Чанши и Пекине. Скорость шанхайского поезда на магнитной подушке составляет 431 км/ч, что значительно выше, чем у эксплуатируемых в мире колесных поездов.

Демонстрационный образец китайского маглев-поезда. Часто эффектные проекты не выходят за пределы рекламных буклетов, но китайцы показали не просто «болванку» с креслами, а полнофункциональный оснащенный вагон.

Япония давно экспериментирует с маглевом: в 2005 году была запущена коммерческая 9-километровая ветка в городе Нагоя, а к 2027 году планируется продлить её до Токио. В Южной Корее с 2016 года действует низкоскоростной маглев из аэропорта Инчхон до базы отдыха Ёнъю, но в дальнейшем власти хотят значительно расширить сеть.

Суммируя, можно констатировать, что маглев появился слишком рано, он сильно опередил свое время, но технология не была забыта и сегодня возвращается.

Неописуемой красоты японский тестовый маглев-состав JR Central L0 в 2015 году достиг скорости 603 км/ч. После запуска первой ветки в 2027 году L0 будет возить пассажиров на скорости 505 км/ч. Источник: Maryland GovPics / Wikimedia

Впрочем, магнитная подушка решает только одно препятствие на пути повышения скорости поездов — трение качения. Куда большой проблемой остается сопротивление воздуха, но и на него энтузиасты готовят управу. Речь о Hyperloop, идея которого описывалась в далёком 1909 году в журнале Scientific American от лица читателя, будущего ученого Роберта Годдарда. В 1941 году советский писатель-фантаст опубликовал роман «Арктический мост», герои которого строили свой Hyperloop из СССР в США в идеалистических целях налаживания дружбы народов. Инженерное образование помогло Казанцеву подробно и технологически корректно описать этот подводный транспортный тоннель.

Не будем в очередной раз пересказывать принцип работы Hyperloop, тем более что на Хабре есть отличный справочник по теме ^[4]. Отметим, что Hyperloop разрабатывают несколько независимых друг от друга компаний.

Одна из капсул для Hyperloop в натуральную величину. Из-за малого диаметра труб в пассажирской капсуле будет чуть просторней, чем в кабине лифта. Источник: Z22 / Wikimedia

Компания Hyperloop TT, привлекающая добровольцев на бесплатных началах, успела испытать свою капсулу и подписать несколько соглашений о строительстве пассажирских веток в ОАЭ, Саудовской Аравии и Китае. Другая компания, Virgin Hyperloop One, успела построить тестовую 500-метровую трубу, где испытала капсулу на скорости 387 км/ч.

Хотя сомнений в жизнеспособности такого проекта немало (уж сколько было в истории революционных проектов рельсового транспорта, которые ничем не закончились ^[5]), не стоит недооценивать потенциал Hyperloop One — компания постоянно получает крупные раунды финансирования, последним был 400-миллионный транш в мае 2019 года.

Видео испытаний капсулы Virgin Hyperloop One XP-1 на скорости 387 км/ч. На текущем этапе Hyperloop ни в чем не превосходит рельсовые дороги, но это лишь начало большого пути.

Есть вероятность, что Китай вновь опередит всех с практической реализацией вакуумных поездов. Два года назад был представлен проект поезда T-Flight, двигающийся по трубе в безвоздушном пространстве за счет магнитной левитации. Даже на начальном этапе разработчики рассчитывают на скорость около 1000 км/ч, а в перспективе она должна достигать 4000 км/ч. Зная открытость Китая к новым технологиям и практически безграничные возможности в части инвестиций в инфраструктурные проекты, можно предполагать, что T-Flight и правда проделает путь от концепта до запуска за какие-то десять лет.

Но, скорее всего, Hyperloop постигнет судьба маглева: технология вновь опередила время, а реальной популяризации вакуумных поездов стоит ждать хорошо если к 2050-2060-м годам.

Более «умными»

Появление компьютеров дало мощный толчок развитию железнодорожных перевозок. Интеллектуальные системы взяли на себя массу сложной работы по планированию маршрутной сети, графика движения и состава поездов. Железнодорожные операторы уже не первое десятилетие строят огромные информационно-вычислительные центры, являющиеся электронным мозгом ^[6], заставляющим четко работать ж/д сеть целой страны.

Без компьютеров составление расписания движения поездов — настоящая головная боль. В условиях, когда не было сколько-нибудь мощной вычислительной техники, баз данных, беспроводной связи и вот этого всего, проработка маршрутной сети, работы стрелок и светофоров требовала колоссального внимания и аккуратности. Ошиблись с переводом стрелки или состав задержался на несколько минут — всё, этой мелочи достаточно, чтобы вместо организованного движения начался хаос и полный паралич железнодорожной ветки.

Это график движения поездов на однопутном участке. А теперь представьте, что путей не один, а несколько, и поезда по разным маршрутам ходят не раз в час, а каждые две минуты. Компьютер справится с составлением графика гораздо быстрее и максимально эффективно. Источник: eJake / Wikimedia

В наше время функционированием железных дорог всё чаще управляют компьютеры. Например, Toshiba успешно внедрила в Японии, а теперь предлагает на внешний рынок комплекс управления ж/д перевозками. Он состоит из системы контроля движения, системы планирования и системы управления электроснабжением. Мы называем это бимодальной IT-инфраструктурой, которая выполняет сразу две очень важные задачи. Во-первых, она повышает стабильность и эффективность функционирования железных дорог, а во-вторых, открывает новые возможности и повышает гибкость имеющейся ж/д сети.

Система контроля движения следит за перемещением всех составов круглые сутки, управляя сигналами светофоров и стрелками в зависимости от заданного расписания. Мониторинг ведётся в реальном времени, и казус, когда поезд отклонился от расписания, а стрелка уже перевелась на другой путь, исключён.

Система планирования создаёт оптимальное расписание движения на основе заданных маршрутов и больших данных о пассажироперевозках. Программа сама рассчитывает частоту движения составов, количество и тип вагонов в них, формирует план технического осмотра поездов и путей, рассчитывает нагрузку на персонал и отправляет эту информацию на все станции сети.

Наконец, система управления электроснабжением следит за состоянием электросети и управляет тяговыми подстанциями.

Учитывая, что компьютер может взять на себя практически все функции человека, исключение машиниста из железнодорожных перевозок при наличии таких систем мониторинга и управления выглядит вполне логичным.

Наглядная схема работы систем управления на железнодорожном транспорте от Toshiba

Заметим, что речь тут идёт именно о железных дорогах, а не о, например, метро или пипл-муверах (мини-поездах в аэропортах, на выставках и т. п.). Автономное метро есть много где за рубежом: Лондон и Глазго, Монреаль и Милан, Дубай и даже Нью-Йорк, который известен использованием OS/2 начала 90-х по сей день.

У беспилотных поездов, как и у автомобилей, есть свои уровни автономности от нуля до пяти. Например, второй уровень подразумевает присутствие машиниста, который отвечает за работу дверей, но не движение. А на четвертом уровне присутствие персонала в кабине необязательно, состав сам движется, останавливается, открывает двери и реагирует на препятствия. Полный список стран с беспилотными поездами четвертого уровня можно посмотреть в «Википедии».

Автономный поезд метро города Куала-Лумпур, Малайзия, разработанный совместно с Siemens состоит из четырех вагонов и вмещает до 1200 пассажиров. Источник: Sirap bandung / Wikimedia

В России пока не используются поезда с автопилотом выше второго уровня. В метро Казани и Санкт-Петербурге внедрена система «Движение», которая отвечает за движение и торможение поездов, но машинист отвечает за работу дверей и следит за возможными внештатными ситуациями.

РЖД планирует запустить первые беспилотные составы «Ласточка» по Московскому центральному кольцу уже в 2021 году. Причем речь идет не о тестовом, а о штатном использовании, поскольку испытательные пуски начались уже в 2019 году.

На оптимистичной ноте

В 2025 году первой пассажирской железной дороге исполнится 200 лет. За это время рождались и исчезали самые фантастические проекты, некоторые из которых прижились и продолжили эволюция железных дорог. Опираясь на экономическую эффективность, мы выбрали самые жизнеспособные и перспективные из тех, которые, вероятно, будут определять будущее железнодорожного транспорта на век вперёд. Возможно, не все из них найдут практическую реализацию, а Hyperloop ещё надолго останется мечтой фантастов, но автоматизация и общее «поумнение» железных дорог во всё мире произойдет неизбежно.

Автор: Toshiba

Источник ^[7]