Скоростные поезда

Воздух — враг и союзник

Высокие скорости требуют не только мощных локомотивов, но и совершенно особого технического оснащения путевого хозяйства и подвижного состава. И помимо таких, чисто конструкторских вопросов, встал еще один, казалось бы, до сих пор являвшийся привилегией авиаторов и не очень смущавший инженеров наземного транспорта.

Два поезда мчались навстречу друг другу. Все ближе, ближе, вот поравнялись. И в этот момент машинист одного из электровозов ЧС2 вдруг услышал глухой удар над крышей. Оказалось, что встречным потоком воздуха подняло передний нерабочий пантограф, который ударился о фиксатор контактного провода и сломался. Этот случай произошел на Октябрьской железной дороге летом 1965 г. Инженеры могут рассказать о множестве подобных происшествий. При относительных скоростях встречных поездов, приближающихся к 300 км/ч, воздушная волна выдавливает оконные стекла. И это не удивительно. Когда оба состава движутся со скоростями 160 км/ч, давление воздуха на стены и окна составляет 2 кГ/см². Поезд, весящий 300 т и движущийся со скоростью 200 км/ч, испытывает воздушное сопротивление силой в 6–8 т. Что уж тут говорить об отдельном человеке, попавшем в этот мощный воздушный поток. Известно, что подходить близко к работающим реактивным двигателям самолета не стоит. Точно таких же предосторожностей требует и быстро идущий поезд. Если скорость его равна 250 км/ч, то человек, стоящий на расстоянии 1 м от стенки вагона, почувствует «прикосновение» воздушной струи силой в 50 кГ. Не поздоровится от такого «прикосновения». Даже на расстоянии 2,5 м от стенки сила воздушного удара составит 6 кГ, что, в общем тоже немало.

Как несовершенны были старинные паровозы с точки зрения аэродинамики! Сколько угловатых, прямоугольных выступающих за линии общего контура частей! Это объясняется просто: при скорости 30 км/ч воздушное сопротивление по отношению к общему составляет всего 5 %, и потому не было нужды работать над обтекаемостью паровозов. Увеличьте скорость до 1100 км/ч, сопротивление вырастет до 35 %. А при скорости 1230 км/ч 70 % всей потребляемой мощности поезд затрачивает на то, чтобы разрывать возникающую перед ним воздушную стену.

Инженеры-железнодорожники встали перед той же проблемой, которая постоянно волнует авиаторов. Но на земле она оказалась в чем-то посложнее. В самом деле, поезд под один фюзеляж не спрячешь, форму капли ему не придашь. Он всегда будет состоять из вагонов, а следовательно, и промежутков между ними. Отсюда лишние завихрения. Те «собачьи ящики» под вагонами, в которых путешествовали беспризорники, для поезда больших скоростей недопустимы, как недопустимы вообще любые выступающие агрегаты.

Для скоростных и сверхскоростных поездов важно выяснить, как зависит аэродинамическое сопротивление от скорости и направления ветра, строения пути, как распределяются силы воздушного сопротивления по поверхности состава, на какие элементы приходится наибольшая их часть. При скорости 160 км/ч разница между лобовым давлением и давлением в хвосте составляет 95 кГ/см². А это значит, что вдоль состава проходят зоны разного давления. При скорости 250 км/ч не будет разрешено открывать окна. Следовательно, надо знать, как распределяются эти зоны, чтобы правильно спроектировать вентиляцию, кондиционирование воздуха, выхлопные устройства тепловозных дизелей.

Все это элементы чисто конструкторские. Но ведь существуют еще требования эксплуатационников, которые хотят, чтобы все узлы и агрегаты работали надежно и их было бы легко обслуживать. Затем поезд должен удовлетворять всем требованиям технической эстетики. И, наконец, технологи, как всегда, хотят, чтобы все детали легко было сделать, а агрегаты собрать. Короче говоря, инженеры-железнодорожники столкнулись с проблемами, никогда доселе перед ними не стоявшими. Зато этими же вопросами много лет подряд занимаются авиационники. Пришлось обратиться к их опыту, их оборудованию и… моделям. В аэродинамической трубе расположили модели, каждая из которых имитировала форму лобовой части одного из составов.

Существуют методы испытаний будущих машин с помощью моделей, где соответствие форм модели и прототипа вовсе не обязательно. Здесь было совсем не так. Выявлялась форма будущего поезда, и поэтому модель ее полностью повторяла. Это был, по существу, гипсовый макет, причем не только будущих, но — и существующих поездов. Быть может, уже найденные формы можно будет оставить? Множество научных организаций нашей страны принимало участие в этих экспериментах: Всесоюзный научно-исследовательский институт вагоностроения, Рижский и Калининский вагоностроительные заводы, Институт подшипниковой промышленности, Институт механики МГУ и др.

И вот маленькая модель заключена в трубу, где дует ураганный ветер. Но он нисколько не больше того, с которым придется бороться сверхскоростному поезду. Ураган, срывающий крыши с домов, имеет скорость 30 м/сек, поезду же придется преодолевать 60–75 м/сек. Одна модель, другая, третья… Сразу ясно, что формы многих ныне существующих электропоездов не годятся: слишком сильно лобовое сопротивление. Самыми лучшими оказались формы, предложенные МГУ и Рижским вагоностроительным заводом. Опыт и расчеты помогли установить очень важные закономерности. Поезд всего — из одного вагона с самыми лучшими из ныне существующих форм для того, чтобы двигаться со скоростью 250 км/ч, должен иметь двигатель мощностью 1150 л. с. А те формы, которые «рекомендовала» аэродинамическая труба, позволяют снизить эту мощность до 800 л. с. Правда, для поезда длиной в несколько вагонов экономия уменьшится, но, конечно, не исчезнет совсем.

Разумеется, уменьшение экономии с увеличением длины поезда явление не случайное. Самолет весь, как сорвавшаяся капля. С поездом то же самое сделать трудно. Его даже в аэродинамическую трубу трудно поместить. Но отдельные части можно. И вот вслед за моделями передней части локомотивов настала очередь моделей вагонов, и с полностью закрытым подвагонным пространством и с закрытым лишь частично. Три модели каждого типа образовали «поезд». Что же показали испытания? Если хоть частично закрыть подвагонное пространство, то при скорости 200 км/ч трехвагонный поезд потребует на 150 л. с. меньше, чем это нужно для движения такого же поезда, где внизу ураганный ветер цепляется за каждый выступ. А если днище вагона сделать таким же гладким, как низ самолета, то экономия мощности возрастет до 400 л. с. При этом, правда, ухудшится доступ к некоторым узлам. Что ж, придется разрабатывать новые методы проверки и осмотра, да и эксплуатации вообще.

Вихри под полом вагона «съедают» большую часть мощности локомотивных двигателей. Но свою долю «требуют» и те вихри, которые возникают в пространстве между вагонами. Встаньте на переходе из вагона в вагон в обычном поезде. Вы увидите торцы вагонов, лестницы, ведущие на крыши, и проносящиеся пейзажи. Поезду из десяти вагонов, идущему со скоростью 200 км/ч, эти картины обойдутся в лишних 500 л. с. Чтобы этого не было, придется полностью закрыть интервалы между вагонами или, на худой конец, уменьшить их, чтобы негде было разгуляться ветру. Вообще поезд, мчащийся с той скоростью, с какой совсем недавно летал самолет (например, послевоенный ЯК-18 делал в час около 250 км), должен быть гладок, как птица.

Высокая скорость опрокидывает все привычные представления и взгляды. Ну что такое, казалось бы, вагонный поручень? А между тем эти в общем-то необходимые детали увеличивают требуемую мощность на 20 л. с. Смотровые мостки, проложенные по крыше вагона, — на 28 л. с. И таких «мелочей» набирается очень много.

Проблема создания сверхскоростного поезда является одной из сложнейших, какие стояли когда-либо перед инженерами железнодорожного транспорта. Свой собственный опыт придется коренным образом пересмотреть, привлечь на помощь опыт инженеров других отраслей промышленности, в первую очередь, авиации. Технические средства, рождающиеся на стыке разных отраслей промышленности, приводят к поразительным достижениям. Сверхскоростной поезд — одно из них.

Законы аэродинамики выступают как будто в роли врагов сверхскоростного поезда. Но нет худа без добра. Воздушное сопротивление препятствует движению поезда — но оно же может оказаться и полезным. Колоссальное давление воздуха на стенки поезда приведет к тому, что он будет меньше колебаться в поперечном направлении. Уменьшится виляние. Воздух превратится как бы в плотную оболочку, гасящую колебания, прижимающую поезд к рельсам. Тут может возникнуть новая отрасль науки — аэродинамика скоростных поездов. Так технические проблемы приводят к возникновению научных дисциплин, а те, в свою очередь, способствуют развитию техники.