Железнодорожный транспорт. Первые локомотивы и современные поезда

Впервые использовать силу пара для движения повозки предложил знаменитый английский ученый Исаак Ньютон в 1680 году. Тележка Ньютона была реактивной. Это была, по сути, та же самая вертушка Герона, только с жестко закрепленным шаром (сосудом для воды) и паровыводящими трубками. Ехать верхом на кипящем чайнике никто не соглашался, несмотря на огромный научный авторитет Ньютона. И проект благополучно остался на бумаге. Почти столетие спустя за конструирование паровой тяги взялся французский инженер Николя Кюньо. Он в 1769 году построил трехколесную безрельсовую повозку с паровым двигателем, который приводил в действие одно колесо при помощи храпового механизма. Изобретатель мечтал создать артиллерийский тягач для передвижения тяжелых орудий. Однако, его задумка на десятилетия опередила свое время. Самоходная артиллерия стала массово выпускаться только с изобретением двигателей внутреннего сгорания… Машина Кюньо двигалась самостоятельно, но оказалась весьма неудачной. Подлинная телега Кюньо до сих пор хранится в политехническом музее Парижа.

А идея будоражила умы предприимчивых инженеров и механиков. Американец Эванс и помощник Уатта Уильям Мердок также не дошли до практического применения своих разработок. Новшество было слишком экзотичным, чтобы в него поверили те толстосумы, кто мог бы профинансировать работы над усовершенствованием паровой машины и ее приводов.

Первым, кто сумел сделать катящуюся по рельсам паровую повозку, стал, как мы знаем, талантливый английский инженер Ричард Тревитик. На его счету несколько моделей паровозов, самый первый из которых, «Puffing Devil» («Пыхтящий Дьявол»), был создан в 1801 году. Его безаварийная работа позволила Тревитику поверить в собственные силы, и годом спустя для угольной компании «Coalbrookdale» он построил одноименный паровоз.

Надо отметить, что редкое новшество, каким являлись первые локомотивы, получало имена собственные. Ведь еще не было серийного производства однотипных моделей, каждый паровоз был штучным товаром и, по сути, результатом многочисленных проб и ошибок. Так, например, «Пыхтящий Дьявол» взорвался, когда Тревитик зашел в паб пропустить кружечку пенного эля, забыв приглушить топку и открыть предохранительный клапан…

Однако, Ричард не унывал. Он продолжал свои опасные эксперименты. Самая известная модель паровоза, которая получила имя «Pen-y-Darren», была создана Тревитиком в конце 1803 года. Официальным же годом ее рождения считается 1804, когда Тревитик получил патент на свое изобретение. Паровоз сильно отличался от его многочисленных «потомков». Так, на нем один цилиндр раскручивал большое колесо-маховик, от которого через зубчатую передачу приводились обе колесные пары. Такая передача была не совсем удобной, ведь в результате слишком резкой подачи пара в цилиндр зубчатая передача могла сломаться. И все же это был уверенный шаг вперед. Испытания данного паровоза проходили близ города Мертир-Тидвил (Уэльс, Великобритания), где паровоз впервые проехал с вагонетками, тем самым проведя первый в мире поезд. В 1808 году Тревитик создает новый паровоз, который начал использовать на кольцевой железной дороге-аттракционе «Поймай меня, кто сможет».

Джордж Стефенсон, у которого к тому времени было несколько удачных моделей паровозов, среди которых был и первенец «Блюхер», названный в честь немецкого фельдмаршала, участвовавшего в разгроме армии Наполеона. К тому времени на крупных предприятиях активно использовалась конная тяга, применение которой существенно ограничивало вес составов с грузом, да и скорость транспортировки была невелика. Это вскоре привело многих владельцев крупных предприятий к мыслям о начале применения в транспортировке грузов паровых машин, в том числе и движущихся по рельсам. И Стефенсон активно предлагал свои локомотивы для использования в промышленности. Он доказывал их неоспоримое преимущество и экономическую выгоду от применения паровозов.

Была еще одна причина, способствовавшая появлению паровой тяги. Из-за наполеоновских войн резко уменьшилось поголовье лошадей, самых сильных из которых отбирали для действующей армии. К тому же разоренное сельское хозяйство не давало нужного количества фуражного зерна, и цены на него взлетели до небес.

Эти проблемы подстегнули интерес к паровозам, работавшим на шахтах и рудниках, на крупных заводах и фабриках. В 1811 году предпринимается попытка применения паровоза для вождения вагонеток с углем, но легкий паровоз не смог потянуть тяжелый состав, а стал боксовать на месте. В результате родилось ошибочное мнение о невозможности езды паровоза с гладкими колесами по гладким рельсам. Поэтому в 1812 году для Мидльтонских копей был создан паровоз «Бленкинсоп», в котором сила тяги реализовывалась за счет зубчатого колеса, катящегося по зубчатой рейке (надо заметить, что подобную конструкцию мне довелось увидеть в Испании, где на гору Монсеррат ходит небольшой экскурсионный поезд, между рельсами которого проложен зубчатый рельс. Скорость движения такого поезда невысокая, но туристам это даже интереснее, поскольку медленный подъем позволяет вдоволь полюбоваться живописными видами на горы и знаменитый монастырь Монсеррат).

Но заблуждение было разрушено практикой. В 1813 году Уильям Хедли создал паровоз «Пыхтящий Билли», который водил поезда лишь за счет силы сцепления колес с рельсами. Тем самым были заложены основы для расчетов такого понятия как сцепной вес локомотива, который играет определяющую роль для организации перевозочного процесса. В более поздние времена для предотвращения боксования колесной пары стали применять различные ухищрения – использовать паровоз-толкач, который с хвоста поезда подталкивал состав на крутой склон, подсыпать песок под ведущие колеса локомотива, использовать технологию распределенной тяги.

«Пыхтящий Билли» оказался на удивление действенной конструкцией и исправно проработал целых полвека!

Джордж Стефенсон в 1814 году построил свой первый паровоз «Блюхер». И с этого события начинается, пожалуй, подлинная история железнодорожного транспорта, каким его знаем мы.

С открытием первой регулярной линии железной дороги Дарлингтон-Стоктон, начинаются два параллельных процесса. С одной стороны – интенсивное путевое строительство, а с другой – существенное улучшение конструкции паровозов.

Растут скорость и грузоподъемность паровозов. Инженеры включаются в соревновательную гонку «Дальше, сильнее, быстрее!». В 1829 году паровоз Стефенсона «Ракета» победил на Рейнхильских испытаниях локомотивов для дороги Манчестер – Ливерпуль.

Если первые паровозы еще вынуждены были конкурировать с конной и канатной тягой, то к тридцатым годам девятнадцатого века локомотивная тяга побила всех конкурентов.

И тут произошло событие, которое определило дальнейшее развитие локомотивов. После убедительной победы стефенсоновской «Ракеты», два года спустя произошло разделение поездов и, соответственно, локомотивов, на товарные и пассажирские. В следующие несколько лет общие черты конструкции паровоза окончательно оформились в привычные нам по фильмам виды. У локомотивов появилась будка для машиниста, которая защищала локомотивную бригаду в непогоду. Для обеспечения большей безопасности начали устанавливать осветительные приборы, применять световые и звуковые сигналы. Теперь поезд не сопровождал гонец с флагом и рожком.

Изменилась и внутренняя конструкция паровоза. Котел стал значительно длиннее, было усовершенствовано парораспределение, что обеспечило большую силу тяги, а значит, и возможный вес поезда. В 1832 году в США применили поворотную тележку, которая позволяла лучше вписываться в кривые малого радиуса, что было весьма существенным в гористой или пересеченной местности. Паровые цилиндры окончательно приняли горизонтальное положение в 1834 году (паровозы Тревитика, Бленкинсопа, Хедли, «Блюхер» и «Локомоушен» имели цилиндры, расположенные вертикально в котле, «Ракета» – вне котла, наклонные).

Математическими расчетами и опытом поездной эксплуатации было установлено, что скорость движения зависит от диаметра движущихся колес. Для пассажирского сообщения их стали делать диаметром в 2,5 метра! Это позволяло разогнать локомотив до неимоверных скоростей. К тому же, такие гигантские колеса обеспечивали более плавную, а значит, комфортную езду для пассажиров.

В 1839 году паровоз «Ураган» развил скорость в 165 километров в час (103 миль/ч). А через восемь лет «Корнуол» достиг 187 километров в час (116 миль/ч)! Сравним это с первым поездом и скромными 8 км/час!

На закате парового движения в Англии сконструировали паровоз, достижения которого практически невозможно побить. Это был знаменитый «Маллард», развивший скорость, сравнимую с лучшими современными скоростными электропоездами – в 203 километра в час! Этот паровоз был построен в 1938 году и исправно проработал до 1963 года, «намотав» за эти годы свыше 2,4 миллиона километров! Шестьдесят земных экваторов! Знаменитый локомотив с почетом был установлен в Национальном железнодорожном музее в Йорке. Для снижения сопротивления воздуха, на «Малларде» предусмотрели целый ряд технических находок. Передней части паровоза придали обтекаемые формы. Экипажная часть была прикрыта специальными крыльями, как у спортивных автомобилей. Это и позволило достичь рекордной скорости движения по стандартной железной дороге.

Знаменитый паровоз «Маллард»

Конструкторы паровозов стремились повышать качественные характеристики локомотивов. С ростом грузоперевозок потребовались мощные машины, обладающие большим сцепным весом. От этого существенно возрастала нагрузка на ось. В США она достигла 35 тонн, тогда как в Европе максимальными были 23 тонны.

Американская железная дорога Юнион Пасифик, проходящая через хребет Уосатч в Скалистых горах, нуждалась в мощных паровозах, способных тянуть тяжеловесные поезда. И тогда под руководством главного конструктора североамериканского завода ALCO Отто Джейбелмена был создан сочлененный паровоз типа 2–4–0+0–4–2. Эта осевая формула говорит, что у гиганта были две бегунковые оси, на которые передавалась часть нагрузки, четыре оси были ведущими и отсутствовала поддерживающаяся ось. С легкой руки одного из заводских рабочих, написавших мелом на паровозе «Big Boy» (Большой Мальчик или Большой Парень), это неофициальное название прижилось и стало символом самого мощного из серийно выпускаемых локомотивов. Их строили с 1941 по 1944 год. Всего было выпущено 25 паровозов. Но что это были за исполины! Каждый длиной в сорок метров и весом в 548 тонн! Разовая заправка включала 28 тонн угля и 90 тонн воды. Мощность паровоза доходила до 6290 лошадиных сил.

Но как бы ни были впечатляющими эти показатели, достаточно сказать, что мне довелось в юности работать помощником машиниста на двухсекционном тепловозе ТЭ3, каждая из секций которого была мощностью в 3000 л. с. При этом тепловоз в полностью снаряженном состоянии был весом всего лишь в 126 тонн.

И не случайно этот расцвет конструкторской мысли пришелся на период, когда паровые гиганты нехотя уступали место под солнцем более молодым, производительным и экономичным собратьям по транспортному цеху – тепловозам и электровозам. В 1963 году последние Большие Мальчики были выведены из эксплуатации, уступив место более производительным тепловозам и электровозам.

Массовый тепловоз ТЭ3

И чтобы закончить со сравнительными характеристиками паровозов, стоит назвать и самых настоящих лилипутов в этом семействе.

Пальму первенства здесь держит настоящий действующий паровоз. Его построили в Японии, неподалеку от железной дороги Хансин. Крошка может перевозить до 20 человек одновременно. Для упрощения конструкции порция угля загружается прямо в двигатель. Паровозик развивает скорость до 10 километров в час и возит детей и взрослых по стометровому пути. Это, конечно, аттракционный экспонат, но в нем все устроено так, как в самом настоящем магистральном локомотиве.

Каких только чудес не увидишь в мире техники. А за два века развития железных дорог, на ее стальные рельсы выезжали иногда весьма диковинные создания. О них – наш дальнейший рассказ.

Глава 3

Железные Тянитолкаи и прочие чудеса

Таков уж закон развития техники: если мы не копируем слепо живую природу, то берем ее творения за образцы для конструирования механизмов или устройств. Можно привести десятки примеров, когда животный и растительный мир давал толчок инженерной мысли. Возьмем, скажем, горнопроходческие щиты, которыми роют тоннели метрополитена. Их появлению мы обязаны вредоносному морскому червю, голова которого покрыта жесткой раковиной с зазубренными краями, которая буквально насквозь дырявила деревянные суда. Более того, корабельный червь умудрялся укреплять стенки хода тонким известковым слоем. Именно строение раковины и способ укрепления тоннеля подсказало английскому инженеру Марку Брюнелю идею создания щита, который в 1825 году позволил проложить тоннель под Темзой. Влажные и мягкие грунты английской столицы были побеждены этой необычной технологией. Для строительства Брюнель изготовил из чугунных отливок трубу, в которую поместил рабочий механизм. Прочная труба не давала плывунам и мягкой земле засыпать возводимый тоннель, а рабочие, защищенные этой же трубой, выполняли кладку стенок. Вся сложная конструкция продвигалась при помощи рычагов и домкратов, медленно, но уверенно соединяя берега Темзы.

Сегодня такие машины используются на строительстве московской подземки. Огромный десятиметровый проходческий щит позволяет рыть тоннель сразу для двух путей метрополитена. Это значительно убыстряет строительство новых линий самого массового и популярного столичного транспорта. И хотя скорость продвижения щита мала – несколько десятков сантиметров в час – могучая техника позволяет достаточно быстро строить новые линии метрополитена. В 2025 году Московский метрополитен отметит свое 90‐летие. И если первую линию от парка Сокольники до Парка культуры строили вручную, используя кирку и лопату, то сейчас линии подземки прокладываются с применением тяжелой проходческой техники, что дает колоссальный выигрыш по времени…

Пытливый ум помог итальянскому математику, инженеру, врачу и астрологу (да, были люди в наше время!) Джероламо Кардано изучавшему механизм поворота глаза, в начале семнадцатого века изобрести карданный вал, использующийся со сих пор в автомобилях и многочисленных механизмах. Карданные валы обеспечивают передачу крутящего момента двигателя под углом, что бывает очень важно и для транспортных машин, и для производственных предприятий. Может быть, это кому-то покажется любопытным, но карданная передача использовалась и на небольших маневровых тепловозах. В одном из локомотивных депо мне довелось увидеть такой тепловоз. Несмотря на почтенный возраст, машина была вполне работоспособной и выполняла маневровые работы на малодеятельных участках.

Можно было бы привести еще массу любопытных примеров, когда изучение живой природы, наблюдения над движением рыб, птиц и пресмыкающихся приводили механиков к неожиданным техническим решениям.

Возьмем строение крыла птицы. Оно позволило понять суть подъемной силы, возникающей при обтекании крыла воздушным потоком. Математические расчеты и смелые эксперименты позволили дать развитие строительству планеров, которым мир был увлечен в начале прошлого века. Летательные аппараты тяжелее воздуха, а именно так классифицируются и планеры, и самолеты, и даже космические корабли, могли парить в восходящих потоках десятки часов, не используя ни горючее, ни мускульную силу пилота! Многие увлеченные планеризмом юноши впоследствии стали выдающимися конструкторами. Достаточно назвать такие знаковые имена, как Сергей Королев и Андрей Туполев.

Живая природа – самый неутомимый творец! Ей ведь нет никакого дела до быстротекущего времени. И свои эволюционные эксперименты природа продолжает сотни и тысячи лет. А за такой период чего только не придумаешь?!

Вот летит, трепыхая крыльями, вредная моль. Вы хотите ее прихлопнуть, уже занесли ладони, уже последовал хлопок, но что это? Мотылек, как ни в чем не бывало, летит дальше. Как же он умудряется так быстро отреагировать на вашу атаку? Весь секрет заключается в ультразвуковом локаторе, который есть в голове этого насекомого. Излученные неслышимые человеческим ухом волны отражаются от ваших рук и возвращаются к моли. Она совершает маневр и… уходит от ладоней.

Этим же природным эхолокатором пользуются и летучие мыши. Они издают тончайший писк, и огромными ушными раковинами прислушиваются к отраженным сигналам. Так мыши ориентируются в пространстве, уклоняясь от препятствий и обнаруживая летающих насекомых, которыми они питаются.

В водной среде глаза морским животным не слишком хорошо помогают. Даже в такой чистейшей воде, как в озере Байкал, можно увидеть предмет лишь за пару десятков метров. А как найти косяк рыбешек хищной рыбе? И здесь некоторым обитателям водной среды помогает эхолокатор.

Самый известный персонаж, вооруженный природным радиолокатором, дельфин. Эволюция дала этим морским млекопитающим удивительное приспособление, способное видеть на расстоянии нескольких километров. Особый орган посылает звуковую волну высокой частоты, а внутри черепной коробки дельфина есть большая полость, которая играет роль очень чувствительного приемника отраженных звуков. Таким образом дельфины могут «видеть» далеко вперед. Причем их локатор позволяет не только ориентироваться в морской среде, но и видеть рыб.

Изучение такого приспособления позволило конструкторам оснастить и надводные корабли, и подводные лодки гидроакустическими приборами. Они служат для обнаружения подводных целей, ориентирования под водой, ухода от коралловых рифов или мелей.

А как же сказочный Тянитолкай, спросите вы? Ведь в природе нет животного, у которого две головы! Это правда. Однако фантазия детского писателя Корнея Чуковского, чьи стихи хорошо известны каждому, создала невиданного зверя. И хотя книжка о добром докторе Айболите вышла значительно позже, чем был создан первый железный «тянитолкай», мы допустим, что сегодняшние инженеры и конструкторы, проектирующие подвижной состав, брали за основу этот литературный образ. Ведь примеров такой техники вокруг нас множество. Давайте посмотрим на городские улицы. Весело звенящие трамваи, поезда метрополитена, пригородные электрички, дизель-поезда, даже сверхскоростные железнодорожные экспрессы – все они «о двух головах». Кабины с полноценными органами управления находятся как в головном, так и в хвостовом вагоне. Локомотивная бригада, прибывшая на конечную станцию просто переходит из одной кабины в другую и управляет всем составом на маршруте «туда и обратно». Такое дублирование оказалось очень удачным, хотя изначально и предназначалось для других целей.

Хотите узнать, как все началось?!

На заре развития железных дорог тысячи энтузиастов принялись за совершенствование этого вида транспорта. Дипломированные инженеры и механики-самоучки привносили свои идеи, стараясь извлечь максимальную пользу от внедрения паровых машин. Иногда это задавало стратегическое направление в развитии локомотивов, иногда дело ограничивалось сиюминутной выгодой.

Относительная простота конструкции паровоза – водогрейный котел, паровая машина, привод на ведущие колеса и емкости для воды и горючего – побудила конструкторов к смелым экспериментам. Большие и малые локомотивы строились иногда в единственном экземпляре, иногда сериями в сотни и тысячи штук, а их рабочий век насчитывал от нескольких месяцев до почти столетия.

Первое, за что взялись конструкторы – увеличение мощности паровой машины. Как известно, агрегатное состояние пара зависит от температуры, до которой разогревается пар. Вода закипает при ста градусах по Цельсию. И такой пар может спокойно подбросить вверх даже тяжелую крышку кастрюли. Но для выполнения работы силы влажного пара недостаточно. Тогда его подогревают до более высокой температуры, так называемо «перегревают». Кинетическая энергия перегретого пара в несколько раз выше, чем у низкотемпературного. И он способен с большим усилием давить на площадь поверхности поршня. Сухопарник, установленный на паровозах, способен довести температуру пара до 300–400 градусов. И если отработавший в цилиндре пар выпускать, то он еще будет достаточно горячим и в состоянии выполнить попутно еще один цикл расширения.

Так появились паровые машины, именуемые компаундами. Они увеличили коэффициент полезного действия паровоза, чем повысили экономичность локомотивов. И пусть конструкция паровоза при этом усложнилась, изменения оказались весьма целесообразными.

При всей кажущейся одинаковости железных дорог: рельсы-рельсы, шпалы-шпалы, – для каждой магистрали и техники, работающей на ней, огромную роль играли природные условия, профиль пути, наличие топлива и пресной воды для паровозов. Так, например, гористая местность в некоторых районах Англии или США заставила инженеров придумать паровоз необычной конструкции – этакий железный тянитолкай. В историю техники он вошел под именем его изобретателя – шотландского инженера Роберта Френсиса Ферли, взявшего в 1864 году патент на локомотив такой конструкции.

Паровоз системы Ферли – сочлененный танк-паровоз. Он состоит из двух независимых, не соединенных между собою тележек. А танком называется не потому, что у него есть пушка и гусеницы, а из-за того, что и бак для пресной воды, и ящик для топлива, дров, угля, торфа или сланцев размещаются по бокам котла, а не в специальном тендере. Из-за такого различия все паровозы и подразделяются на танковые и тендерные.

Конструктивно паровоз Ферли напоминает два слепленных паровоза, смотрящих в разные стороны, совсем, как литературный зверь Чуковского.

Сочлененный танк-паровоз

Посредине размещается топка и будка машиниста. Такое устройство позволяет локомотиву двигаться взад-вперед без каких-либо проблем. Их не нужно разворачивать на поворотных кругах или строить дополнительный объездной путь на станциях, чтобы поезд мог поехать в обратную сторону. Это преимущество сочлененных паровозов широко использовалось в странах, где железные дороги проходили по сложным рельефам, в горах, где и одну колею строить было трудно.

Второе преимущество системы Ферли было в подвижных экипажных частях. Они давали возможность легко вписываться в кривые малого радиуса. Если вам доводилось таскать по участку двухколесную садовую тележку, вы легко поймете, насколько важен малый радиус разворота! Маневренность такой тележки уникальная. Кстати, гусеничная военная техника (да, собственно, не только военная!) умеет поворачиваться буквально вокруг своей оси, что на поле боя иногда бывает очень важно. Механики-водители попросту зажимают тормозом одну из гусениц, а вторая движется, разворачивая танк или БМП на одном месте.

Именно из-за таких выдающихся качеств паровозы системы Ферли широко применялись на железных дорогах по всему миру. А особенно, в гористой местности с ее многочисленными кривыми и крутыми подъемами-спусками.

Роберт Ферли был очень проницательными предпринимателем. Он быстро понял, что удачная конструкция будет широко копироваться по всему миру. А потому разрешил всем желающим пользоваться его патентом. Более того, Ферли регулярно устраивал «смотрины» своим паровозам, на которые приглашал представителей железнодорожных администраций, ведущих инженеров. И выдавал им лицензии на производство техники. Прижился этот тип локомотива и в России. И случилось это благодаря не столько инженерному, сколько маркетинговому таланту шотландца.

С 18 сентября 1869 г. по 8 июля 1870 г. Роберт Ферли проводил серии испытаний своего паровоза. На них он пригласил несколько инженеров из разных стран, совершенно не беспокоясь за сохранность коммерческой и технологической тайны. Рекламный ход был весьма результативным. На показе, состоявшемся 11 февраля 1870 года, присутствовали не только инженеры из стран Западной Европы, но и представители Мексики и России – стран, ставших впоследствии крупными заказчиками этих локомотивов. Русских инженеров было, как минимум, десять человек, и их оценка позволила Ферли продать лицензию на свои паровозы Тамбово-Саратовской и Поти-Тифлисской железным дорогам.

Паровозы системы Ферли были заказаны русскими дорогами почти немедленно после демонстрации 1870 г. В следующем, 1871 г., первая партия поступила на Тамбово-Саратовскую дорогу, где проработала до 1887 г., а в 1872 г. паровозы Ферли начали водить поезда на Поти-Тифлисской дороге – на Сурамском перевале, известном тяжелым профилем рельсового пути.