Какими будут железные дороги будущего?

120 лет назад в российском издании «Наука и жизнь» был опубликован материал 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. 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.

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. 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), 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, 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.

Источник