Железнодорожный транспорт. Первые локомотивы и современные поезда

Александр Прасол

Железнодорожный транспорт

Первые локомотивы и современные поезда

© Текст. Александр Прасол, 2024

© Оформление ООО «Издательство АСТ», 2025

Вступление

Два века господства пара

27 октября 1825 года произошло событие, которое трудно не признать эпохальным. В этот день в Англии между городами Стоктон и Дарлингтон прошел первый поезд. Его проезд ознаменовал собою начало эры регулярного железнодорожного движения. Первая железная дорога имела протяженность в 26 миль (около 40 километров). Паровоз «Locomotion» («Движение») конструкции Джорджа Стефенсона повел состав из 33 вагонов. Часть из них была с углем и мукой, а остальные были оборудованы для перевозки пассажиров. С легкой руки почтенной публики данное название паровоза перешло на всю плеяду тягового подвижного состава.

Локомотивом мы называем подвижной состав вне зависимости от типа используемой тяги. За два века железных дорог на них трудились все три основных вида локомотивов. Паровозы двигались за счет кинетической энергии перегретого пара. Тепловозы используют двигатели внутреннего сгорания. Электрический подвижной состав питается от контактной сети или аккумуляторных батарей. Инженерная мысль по мере создания новых технологий стремилась перенести новшества и на стальные рельсы. Так были разработаны проекты железнодорожного атомохода и вагона-ракетоплана, на крыше которого был установлен реактивный самолетный двигатель. Этим проектам не довелось в полной мере воплотиться в жизнь. Атомный реактор, исправно служащий на надводных кораблях и подводных лодках, посчитали слишком опасным на обычной стальной магистрали. А «летающий вагон», в экспериментальном порядке изготовленный на Тверском вагоностроительном заводе, признали слишком шумным…

Но если атомные паровозы и тепловозы так и остались на листах ватмана, то реактивный вагон был построен и даже выполнял десятки поездок для испытания возможностей применения столь необычного вида тяги. Желающие могут его увидеть в Твери, в музее вагоностроительного завода.

К экспериментальным разработкам следует отнести и поезда на магнитной подушке, так называемые левитирующие поезда. Маглевы (название произошло от сокращения двух слов «магнит» и «левитация») могут развивать скорость, сравнимую со скоростью самолета. Это примерно в два раза выше, чем у лучших современных сверхскоростных пассажирских поездов типа «Сапсан». Преимущества маглева очевидны: не нужно строить традиционный путь, требующий большого количества материалов – песка, щебня, бетонных или деревянных шпал, рельсов и рельсового скрепления.

Прокладка развернутого полюса электромагнита намного проще. А над контактным рельсом состав будет удерживать мощное магнитное поле. Из физики мы знаем, что одинаковые полюса магнита отталкиваются друг от друга. Каждый из вас может попробовать соединить два диска магнитов, которыми крепятся клапаны сумок или полы одежды. В одном случае магниты с силой схлопнутся, а в другом, при смене полюсов, будут отталкиваться. На этом принципе и построена подвеска поезда. А двигать маглев будет линейный двигатель, давно построенный и испытанный инженерами.

Конечно, грузовой состав на такой магнитной подушке ехать не будет, а вот пассажирский состав, изготовленный из алюминия или легких композитных материалов – вполне. Магнитную левитацию выгодно использовать для организации поездок между крупными городами. Такие поезда легко составят конкуренцию авиации, тем более, что вокзалы для маглева можно строить в черте города, не опасаясь шума от реактивных двигателей.

В последние годы еще один экзотический поезд предложил изготовить известный предприниматель и большой романтик Илон Маск. Он, увидев работу пневмопочты, захотел построить поезд, движущийся внутри трубы, из которой выкачан воздух. Разреженная атмосфера не будет тормозить движение поезда, а пассажирские купе будут изготовлены в виде герметичных капсул с полным кондиционированием. Пока такие диковинки остаются лишь смелыми проектами и заданиями на будущее, но кто знает, сколько нам открытий чудных готовит просвещенья дух…

Событие, произошедшее двести лет тому назад, можно смело отнести к разряду «эпохи великих географический открытий». С открытием Колумбом Америки, с началом кругосветных плаваний, известный мир расширил свои пределы. Колонизация новых стран принесла баснословные прибыли ведущим на то время морским державам, а также способствовала их промышленному росту.

То же самое влияние оказала и железная дорога. Успешная поездка первого поезда, восторг многочисленных зевак и очевидная выгода для промышленников способствовали началу интенсивного железнодорожного строительства. Роль железнодорожного транспорта заключалась не только в организации перевозок людей и грузов в континентальных странах, но и в громадном воздействии на развитие целого ряда отраслей промышленности. Прежде всего, металлургии и машиностроения. Ведь для строительства подвижного состава и рельсового пути нужно много цветного и черного металла, для изготовления шпал – сначала дерево, а затем и высококачественный бетон. Нужны генерирующие мощности для выработки электроэнергии, необходимой для тяги поездов, заводов по переработке нефти и природного газа в топливо для тепловозов.

За перерабатывающей промышленностью сразу идут машиностроение, электротехника и механика, радиотехника и многое другое, что необходимо современному железнодорожному транспорту. Каждой железной дороге необходимы автоматизированные системы, которые могут управлять движением поездов и обеспечивают безопасность перевозочного процесса. Для обработки грузовых составов нужны приемные и сортировочные станции, оборудованные горочным комплексом, на котором расформируют и вновь соберут поезда. Нужна ремонтная база, ведь любая, даже самая надежная техника нуждается в периодическом осмотре и профилактическом или капитальном ремонте. Учитывая значительный – в несколько десятилетий – срок службы подвижного состава, можно только представить, какое количество запасных частей надо выпустить для поддержания в рабочем состоянии локомотивов и вагонов, вспомогательной и дорожно-строительной техники.

Но, пожалуй, главное, что необходимо – это грамотные кадры для железной дороги. Первые локомотивы конструировали инженеры-любители, для которых создание паровозов было задачей со многими неизвестными. Но они сделали свое дело – первый поезд стал тому лучшим доказательством.

Первая железная дорога едва достигала длины в сорок километров. Сегодня развернутая длина стальных магистралей в мире превышает миллион триста тысяч километров! Этакое стальное кружево вокруг нашей планеты! Из них половина приходится на крупнейшие железнодорожные державы: США, Китай, Россию, Индию, Канаду и Германию.

Для стран Европейского Союза железнодорожное сообщение не является таким важным из-за более привычного автомобильного транспорта. Однако, события последних лет показали, что использование большегрузных автомобилей наносит значительно больший урон окружающей среде, чем поезда даже на тепловой тяге. Ведь современные дизель-генераторные установки существенно снизили вредные выбросы в атмосферу, а перспективные двигатели на природном газе и водородном топливе вообще являются экологически чистыми.

Усвоив эти нехитрые истины – добро пожаловать в мир железных дорог! Мир, в котором история и современность переплелись удивительным образом. Мы пройдемся по наиболее важным этапам создания «стального кружева планеты», как нередко называют железные дороги. Узнаем истоки этого вида транспорта и познакомимся с выдающимися личностями, без которых строительство магистралей и железнодорожной техники было бы невозможным.

Глава 1

Ты помнишь, как все начиналось?!

В Англии долгое время бытовала поговорка: «Овцы съели людей». Суть ее заключалась в том, что с изобретением механических прялок фабрики стали выпускать шерстяные ткани, которые смело конкурировали с восточным текстилем, выпускаемым в Египте и Индии. Разводить овец было выгоднее, чем заниматься классическим землепашеством. И фермеры попросту отводили свои угодья под громадные пастбища, на которых выпасали стада овец. Шерсть поступала на прядильные фабрики, где из нее делали качественные ткани.

Второе наступление на землевладельцев произошло с внедрением в широкий производственный обиход паровых машин. Для них нужен был уголь, ведь Англия не богата лесами. К тому же, топить дровами было менее выгодно, чем углем, поскольку теплоемкость угля превышает дрова или торф. Все сельскохозяйственные земли, в которых нашли угольные пласты, стали интенсивно разрабатывать.

Особенно много копей и шахт было в Уэльсе, возле небольшого города Дарлингтон. Добытый уголь отвозили на повозках, запряженных лошадьми, в находящийся в двадцати шести милях Стоктон, расположенный на берегу реки Тис. А уже оттуда уголь судами доставлялся в порты Северного моря.

Промышленность Англии стремительно разрасталась. Складывались целые агломерации, которые превращались в индустриальные центры. Новые фабрики возникали повсеместно, для механизации производства в них все больше использовались паровые машины. А для них нужно было все больше угля. Гужевого транспорта явно не хватало для того, чтобы справиться с ростом объемов угледобычи. Владельцы угольных шахт решили поправить дело со сбытом и обдумывали план сооружения судоходного канала между Дарлингтоном и Стоктоном. Работа эта была весьма сложная, но дело сулило немалые прибыли в будущем. Англия в то время была ведущей морской державой, владеющая многими колониями во всех частях света. Мореплавание и судостроение у нее было в большом почете и хорошо развито. Поэтому с инженерной стороны проблем в строительстве канала не было. Но тут вмешались в ход событий иные силы. Дело в том, что гужевой извоз приносил большую прибыль коннозаводчикам и владельцам грузовых повозок. Они были обеспечены стабильной работой. И вся эта армия мелких и крупных предпринимателей решительно сопротивлялась всякому новшеству. Особенно, строительству судоходного канала. Водный путь становился конкурентом, а конкурентов чаще всего уничтожают…

Идея протяженных каналов осуществилась гораздо позже, и мы знаем теперь Суэцкий и Панамский каналы, которые сократили путь между континентами. А вот канал к Стоктону так и не прорыли. Взамен была высказана смелая идея построить железнодорожную ветку, которую бы обслуживали не лошади, а паровые самоходные повозки. Одним из инициаторов такой технологии стал талантливый изобретатель Джордж Стефенсон.

Стефенсон был человеком твердым в намерениях, но очень мягким в обхождении. Он начал убеждать и углепромышленников, и владельцев гужевого транспорта в выгодах прокладки железнодорожного пути. По нему ведь можно пускать конку. А этот вид рельсового транспорта уже был знаком жителям многих городов.

Но Великобритания не была бы страной традиций, если бы подобное новшество не нуждалось в одобрении парламента. А в парламенте, как известно, были как сторонники, так и противники железной дороги. И в результате рассмотрение проекта затянулось на долгих четыре года. Замысел строительства железной дороги наконец был одобрен, и оставалось лишь приступить к его реализации. В качестве руководителя проекта был избран уже успевший прославиться во всем мире изобретатель, инженер и конструктор по имени Джордж Стефенсон. Он являлся безусловным сторонником применения на дороге исключительно локомотивной (паровозной) тяги.

Несколько моделей паровозов конструкции Стефенсона, успешно действовали, обслуживая большие рудники. Опыт их эксплуатации позволил выявить недостатки конструкции и устранить их. Паровозы становились все надежнее, что вселяло надежду в то, что они и на более длинном плече будут работать так же безукоризненно.

Однако «локомотивная» идея столкнулась с большим количеством противников, требующих применять также и лошадей в качестве тяговой единицы. Скрепя сердце, Стефенсону пришлось смириться с таким решением. Новшеством было и то, что впервые железная дорога проектировалась не только для грузовых, но также и для пассажирских перевозок.

Джордж Стефенсон

Строительство линии Стоктон – Дарлингтон заняло в общей сложности около трех лет, вплоть до 1825 года. На протяжении всего этого времени Джордж Стефенсон при поддержке собственного сына Роберта Стефенсона (в будущем тоже ставшего знаменитым изобретателем) лично контролировал выполнение каждого процесса на всех строительных участках. Примечательно, что в этот период, несмотря на массовое враждебное отношение к такому новшеству, как железная дорога, и распускание слухов о том, какой вред она окажет на размеренную жизнь обитателей местных окрестностей, Джордж Стефенсон ни разу не утратил присутствия духа и был весьма приветлив и деловит со всеми.

И вот наступил этот октябрьский день. Первый поезд, состоявший из тридцати трех вагонов, отправился в первую поездку. Это событие было обставлено со всей тщательностью. Впереди поезда ехал всадник, размахивающий флажком и прогоняющий зевак с железнодорожной насыпи. За ним со скоростью, немногим превышающей скорость пешехода, следовал пыхтящий черным дымом паровоз, тянущий вереницу повозок. Специальных вагонов еще не было построено, поэтому под грузовые использовали гужевые повозки, в которых отвозили в Стоктон уголь. Вышедшим встречать первый поезд было невдомек, как удается обойтись без запряженной лошади?!

Под победоносные звуки оркестра первый поезд благополучно добрался до Стоктона, и это событие показало все преимущества парового движения.

Грузоподъемность вагона несравненно больше, чем у самой большой повозки. Один паровоз мог тянуть за собою десяток вагонов, что ни одной лошадиной упряжке не под силу. И хотя мощность паровой машины традиционно стали выражать в лошадиных силах, всем было понятно, что это просто терминология, за которой была лишь дань традиции.

Сказать, что новшество не всеми было воспринято с восторгом, значило бы совсем ничего не сказать. У парового движения помимо яростных поклонников были и столь же непримиримые противники. Многие уважаемые ученые и доктора на полном серьезе доказывали, что уже сам вид движущегося поезда мог отрицательно сказаться на самочувствии людей и животных. По их утверждениям, коровы могли перестать давать молоко, а куры нести яйца.

У человека, увидевшего несущийся на всех парах поезд, могло наступить помрачение рассудка. Надо ли говорить, что железную дорогу приняли в штыки и владельцы гужевого транспорта. Они увидели в паровозе будущего конкурента. И во многом не поддерживали такое новшество. Однако прогресс было не остановить.

Англия в середине семнадцатого века стремительно превращалась в промышленную державу. В ней началось то, что впоследствии вошло в понятие «Первая индустриальная революция». Вместо ручного труда работать стали разнообразные машины, а вместо ремесленных мастерских и мануфактур появились настоящие промышленные предприятия. Энерговооруженность предприятий осуществлялась за счет силы пара. Еще древнегреческий ученый Герон демонстрировал такие возможности при помощи собственной паровой машины, так называемой вертушки Герона. Правда, это было скорее демонстрацией реактивной струи, получаемой при нагревании воды. В полый медный шар с двумя трубками, концы которых были загнуты в разные стороны, заливалась вода. При нагревании шара вода закипала, пар выбивал из трубок пробки и реактивная струя раскручивала шар. На протяжении без малого двух тысячелетий вертушка Герона была лишь экспонатом для увеселения публики. Практическое использование силы пара началось после того, как английский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель». Это была усовершенствованная машина Севери, в которой Ньюкомену удалось снизить рабочее давление пара. Благодаря этому паровая машина стала намного компактнее и безопаснее, что вскоре и было доказано на практике.

Схема работы паровой машины

Конструкция паровой машины, в которой водяной пар поступал в цилиндр и толкал вперед поршень, была усовершенствована Джеймсом Уаттом. Он придумал привод для преобразования возвратно-поступательного движения в круговое. Кривошипно-шатунный механизм смог осуществить круговое вращение. Это был настоящий переворот в механике. Новая паровая машина могла крутить колеса водяных мельниц, откачивающих насосов для шахт и рудников. При помощи системы шкивов приводились в движение прядильные машины.

По легенде, такое устройство Джеймс Уатт придумал, вспомнив собственное детство. Ему приходилось качать подвешенную к потолку зыбку с младшим братом. Джеймс обратил внимание, что его рука, толкающая зыбку, совершает движения вперед-назад, а локоть при этом вращается по кругу. И когда он построил паровую машину и задумался над тем, как заставить поршень вращать колесо, Уатт тут же придумал оригинальное решение. После этого паровые машины стали повсеместно использоваться на фабриках и заводах. Паровые приводы через систему шкивов и ременных передач приводили в движение десятки станков одновременно, что значительно повысило производительность труда.

Ричард Тревитик

Этот же механизм был использован англичанином Ричардом Тревитиком для постройки первого парового автомобиля, а затем и паровоза.

О Тревитике стоит рассказать особо, так как его личная роль в становлении железнодорожного движения столь же велика, как и Стефенсона. Правда, Ричард прославился на очень короткое время, а потом…

Подростком юный Тревитик часто приходил на работу к отцу, который был механиком на руднике. Он обслуживал насосы, приводимые в действие паровой машиной, для откачки воды из забоя. Любознательный Дик мог часами следить, как работают насосы, вместе с отцом чинил капризную технику, так что смог хорошо изучить ее устройство.

В те годы паровые механизмы называли энджайн (двигатель), а обслуживающих их специалистов именовали инженерами. По устоявшейся традиции (ох, уж эта Британия!) таких инженеров на рудниках уважительно именовали «капитанами».

И однажды Лондон облетела весть о том, что капитан Дик Тревитик, механик одного из рудников, продемонстрирует свою самодвижущуюся коляску. Любопытная толпа сбежалась посмотреть на Ричарда, едущего на «Пыхтящем дьяволе», как назвал свое первое детище изобретатель. Его паровой автомобиль грохотал по каменной мостовой, выпуская клубы черного дыма. Тревитик с охотой катал каждого, кто пожелает. Это был прекрасный маркетинговый ход. И пускай рессоры не снижали тряску, прокатиться на адской машине желали многие жители столицы.

Ричард знал, что на многих рудниках предприимчивые владельцы строят рельсовый путь. По нему легче возить тяжелые вагонетки с рудой или углем. И Тревитик решил устроить новое шоу. Он арендовал пустырь, обнес его высоким забором. Внутри была построена железнодорожная линия, замкнутая в кольцо. Через ворота служители пропускали всех желающих за умеренную плату прокатиться на паровозе с вагоном. Поезд гордо именовался «Поймай меня, кто сможет!» (помните фильм с Леонардо ди Каприо «Поймай меня, если сможешь» – прямая отсылка к опыту Тревитика).

В программе аттракциона значились также соревнования с лошадиной упряжкой. Какое-то время Тревитик потешал публику. И, может быть, первый регулярный поезд построил бы именно Ричард Тревитик, если бы не собственный авантюрный характер нашего инженера. К нему явились некие предприниматели из Аргентины, прослышавшие об успехе осушения шахт и рудников отцом и сыном Тревитиками. Они посулили изобретателю такие условия, что он напрочь отбросил эксперименты с паровозами, уплыл в Южную Америку и там развернул производство паровых машин с насосами. Дело было столь прибыльным, что Тревитик вскоре стал очень состоятельным человеком. И когда накопил достаточно денег, решил возвратиться в Англию, чтобы заняться железнодорожным проектом. Увы, баловней судьбы иногда преследует жестокий рок. Во многих странах Южной Америки вспыхнули народно-освободительные движения против испанских колонизаторов. Все имущество иностранцев было национализировано и баснословные доходы, которые прежде были у Тревитика, в одночасье исчезли…

Он возвратился домой и тут вспомнил о своих паровозах. Перспективное дело вдохновило Ричарда и он послал несколько собственных проектов устройства железных дорог в парламент, но все было тщетно. В новый вид транспорта никто не верил до тех пор, пока Джордж Стефенсон не провел свой первый поезд, ведомый «Локомотивом»…

Эти примеры наглядно показывают характер эпохи, когда зарождались первые железные дороги, и объективные, и субъективные причины, по которым новое детище инженерно-конструкторской мысли отодвигалось на задний план… Годы, когда создавалось железнодорожное движение, были наполнены смелыми экспериментами десятков энтузиастов, которые на свой страх и риск, часто без должных научных знаний и инженерного образования, брались за конструирование новых механизмов. Это была, как сейчас модно говорить, сборка «на коленках», хотя учитывая массогабаритные показатели паровозов и вагонов, невозможно представить изготовление локомотивов где-то в полуподвальном помещении, без обрабатывающих станков, кузницы и слесарных инструментов. Сотни и тысячи пытливых людей в начале девятнадцатого века повторяли невидимый подвиг одержимых средневековых алхимиков, в результате бесчисленных экспериментов которых были открыты десятки новых металлов и соединений, солей и кислот.

Первые паровозы

В итоге сложился устоявшийся тип паровоза, основные составляющие которого почти в неизменном виде дошли до наших дней. Конструктивно каждый локомотив состоит из топки и парового котла, в котором происходит нагревание воды и выработка пара. В отличие от кастрюли или чайника, локомотивный котел представляет собой сложную конструкцию из водяных и дымогарных трубок. Тонкие трубки способствуют более быстрому нагреву воды, что дает большую экономию топлива. Второй важный механизм – паровая машина. Она устроена таким образом, что в нее пар подается поочередно то с одной стороны поршня, то с другой. Тем самым поршень может совершать возвратно-поступательные движения, которые и передаются на кривошипно-шатунный механизм. Распределяет направление движения пара золотниковый механизм, который подобно челноку движется туда-обратно. А тяги кривошипа жестко связаны с паровозными колесами.

На заре паровозостроения вращалась только одна колесная пара. Но затем механики придумали сложную систему с противовесами, и теперь рычаги могли вращать все ведущие колеса. Такие устройства можно увидеть на действующих паровозах, которые на День железнодорожника выходят в демонстрационные поездки. Чтобы сделать движение колес более равномерным, на противоположной стороне от шатуна устанавливали массивный противовес. Он сглаживал рваный ход поршня, гася собственной инерцией резкие движения. Выработка пара и доведение его до рабочей кондиции – очень сложная и ответственная задача. Поэтому в будке машиниста было очень много вспомогательных устройств. Манометры и термометры указывали на температуру и давление пара, предохранительные клапаны предотвращали возможность разрыва котла. Иногда в топке монтировали особые воздушные компрессоры, которые усиливали горение, подавая подогретый воздух к горящему углю.

Паровоз нуждается в топливе и воде. Для этого на нем предусмотрены тендер для угля, цистерна для нефти или мазута, а также баки для воды. И топливо, и вода – расходный материал для локомотива, в отличие, скажем, от электровозов, снабженных системой рекуперации электроэнергии. Такие машины могут переключать тяговые электродвигатели из режима двигателя в режим генератора. И за счет высокой кинетической энергии электровоз вместо потребления возвращает электричество в контактную сеть. Современные электровозы иногда применяют рекуперативное торможение, когда вместо обычного тормоза ТЭДы останавливаются сильным электромагнитным полем, в результате чего локомотив также останавливается, но при этом еще и вырабатывает энергию.

Однако, не будем забегать вперед – до использования других видов тяги еще остается немногим больше сотни лет…

Глава 2

Паровозная лихорадка: рекорды скорости и грузоподъемности

Как мы увидели в предыдущей главе, идея использования силы пара возникла за два тысячелетия до изобретения паровоза. Но лишь с развитием фундаментальной науки, исследовавшей агрегатное состояние жидкостей и газов, совершенствования механики и применения передовых и точных способов металлообработки, удалось сконструировать рабочую модель паровой машины.