Скоростным железным дорогам в России мешают старые рельсы

Министерство экономического развития в очередной раз решило продолжить дискуссию о вариантах развития в стране высокоскоростного магистрального движения (ВСМ). Основным моментом, вокруг которого выстраивается дискуссия, является следующий вопрос. Должно ли высокоскоростное движение сочетаться с обычными пассажирскими и грузовыми перевозками на том же самом путевом хозяйстве – или же для ВСМ надо строить полностью автономную инфраструктуру?

Этот выбор встает перед всеми странами, которые начинают переходить на высокоскоростное движение. И накопленный опыт однозначно говорит о том, что вариант с отдельной инфраструктурой ВСМ хотя и стоит изначально дороже, но зато закрывает массу вопросов безопасности и обеспечивает лучшую экономическую эффективность проектов ВСМ.

Магистраль и высокоскоростное движение – в чем разница?

Комментарий главы Министерства экономического развития Максима Орешкина может удивить пассажиров, которые уже не раз пользовались скоростными «Сапсанами» для поездок между Москвой и Санкт-Петербургом.

По словам министра, строительство перспективной ВСМ Москва – Казань потребует значительного бюджета. Поэтому не исключено, что более экономически целесообразным будет сооружение ВСМ между Москвой и Санкт-Петербургом. «Мы взяли лучший мировой опыт, чтобы посмотреть, как в мире – Америке, Европе – считаются все эффекты, чтобы провести комплексный анализ проекта. Вот эти расчеты мы сейчас делаем, в них детально погружаемся», – сообщил глава ведомства.

Как же сейчас осуществляется высокоскоростное движение между Москвой и Санкт-Петербургом и в чем состоит его отличие от проекта высокоскоростной магистрали (ВСМ)?

Начнем с определений. Проекты высокоскоростного наземного транспорта могут быть реализованы в двух принципиально разных вариантах. Либо как автономное движение высокоскоростных поездов со скоростью свыше 250 км/ч по специализированным путям, либо же с использованием тех же высокоскоростных поездов или обычных поездов – по существующим путям и со скоростью выше 200 км/ч.

На эту тему
• Разработан концепт первого российского высокоскоростного поезда
• Объявлены сроки строительства ВСМ Москва – Казань
• Важнейшую для России дорогу можно построить только на китайские деньги

При этом ВСМ (магистраль) – это именно первый, комплексный подход. А второй вариант – это просто высокоскоростной поезд, более-менее встроенный в реалии и ограничения существующей железнодорожной инфраструктуры. Нетрудно понять, что нынешнее движение «Сапсанов» между Москвой, Санкт-Петербургом, Нижним Новгородом и Казанью – это именно второй вариант. Высокоскоростной поезд едет по старым, существующим путям, лишь частично модернизированным для соответствия новым скоростям.

Что означает это пресловутое «более-менее» и «частично»? Для понимания разницы между обычным, скоростным и высокоскоростным движением нужно сделать небольшой экскурс в физику. Именно она задает требования к ВСМ, которые очень трудно реализовать в рамках модернизации существующего пути.

Скорость, мощность, сопротивление

Начнем с того, что высокая скорость движения – это резко возрастающая центробежная сила, действующая на состав, которая зависит от квадрата угловой скорости. Если мы не хотим заставить пассажиров высокоскоростного поезда постоянно чувствовать себя посетителями «американских горок» передвижного луна-парка, то прохождение высокоскоростным поездом кривых участков пути надо осуществлять на минимальной линейной и, как следствие, угловой скорости, либо же максимально увеличивать радиус кривизны такого искривления пути.

Понятным образом, существующие пути никто не проектировал для скоростей свыше 250 км/ч, характерных для высокоскоростных поездов. Поэтому часто дешевле получается проложить рядом прямой высокоскоростной ход, нежели спрямлять существующие пути, «обросшие» массой сопутствующей инфраструктуры.

Вторым важным фактором для высокоскоростного поезда является его мощность. Для обеспечения высокой скорости движения поезд должен иметь очень мощный первичный источник энергии.

Поэтому практически все высокоскоростные поезда снабжены электродвигателями – именно они обеспечивают самую высокую мощность.

Однако и в электрическом токе есть свои особенности: он может быть постоянным или переменным. В России используются оба стандарта или «рода тяги» – постоянный ток напряжением в 3 кВ и переменный ток напряжением 25 кВ.

Постоянный ток менее удобен для мощного электродвигателя – мощность такого двигателя ограничена прежде всего ненадежным коллекторно-щеточным узлом. За счет перехода к синхронным вентильным электродвигателям постоянного тока этот вопрос можно частично закрыть, однако не решить полностью. Однако надежный и мощный электродвигатель, называющийся асинхронным, можно легко сделать в сети переменного тока.

Только вот беда: исторически центральную часть железных дорог России электрифицировали как раз постоянным током в 3 кВ. В то время как более новый стандарт переменного тока в 25 кВ в основном использовался для электрификации «окраин» железнодорожной сети СССР – на Западной Украине, в Белоруссии, Прибалтике, Сибири, на Урале и Крайнем Севере.

Как следствие такой «чересполосицы» из двух стандартов, даже поставку упомянутых «Сапсанов» для первых проектов высокоскоростного движения в России пришлось делать в двух вариантах: односистемного поезда с питанием в 3 кВ постоянного тока и двухсистемного поезда двойного питания, на котором еще дополнительно стояли асинхронные двигатели переменного тока стандарта в 25 кВ. Второй тип поезда использовался на линии Москва – Казань, где уже во Владимире происходит стыковка двух родов тяги и двухсистемные локомотивы переключают свои электродвигатели. Двухсистемные локомотивы и поезда стоят принципиально дороже и вынуждены «тащить» на себе два комплекта электродвигателей и более сложную трансмиссию. Что утяжеляет конструкцию, да и в целом менее надежно.

Конечно же, в случае, если осуществляется спрямление кривизны железнодорожного полотна, желательно и уходить от двух родов тяги, переходя на более современный стандарт переменного тока напряжением в 25 кВ. Именно таким способом спроектированы и построены и все ВСМ в Европе, в Китае и в Японии – большая часть из них работает на переменном токе.

Ну и, наконец, высокоскоростной поезд подвергается гораздо большему механическому сопротивлению в паре «колесо – рельс».

Это буквально можно представить в виде железной «волны», которая катится перед каждым колесом поезда по деформирующемуся перед ним рельсу.

Для снижения этого сопротивления требуется снизить прогиб рельсов. Это достигается массой способов, например путем усиления железнодорожного пути, использования специальных рельсов, железобетонных шпал и т. д.

Кроме того, в высокоскоростном поезде снижают нагрузки от колес на рельсы, для чего в материалах кузовов вагонов и локомотивов применяют алюминиевые сплавы и пластик, а все системы высокоскоростного поезда делают максимально легкими. Этим, кстати, определяется и требование к односистемности ВСМ – чтобы не тянуть «на себе» второй комплект электродвигателей.

Наглядно видно, что список требований к ВСМ уже не просто «намекает», а наглядно показывает: запустить «Сапсаны» по существующим путям – это только временное решение. И оно лишь на один небольшой шаг приближает Россию к современному высокоскоростному движению, сегодня уже штурмующему рубеж в 500–600 км/ч и буднично работающему на скоростях в 320–350 км/ч.

Так есть ли в России высокоскоростное движение?

Нынешний мировой лидер в деле строительства ВСМ – это Китай. На сегодняшний день в КНР уже действует около 25 000 км высокоскоростных магистралей, по всей протяженности которых скорость движения поездов превышает 250 км/ч. При этом еще чуть более 16 000 км китайских ВСМ находятся в стадии постройки, с учетом этого общая протяженность китайских ВСМ составит 41 000 км.

И все это отнюдь не проект для «витрины» или для национального пиара: в 2017 году общие доходы от железнодорожных перевозок в Китае составили 695,8 млрд юаней (107 млрд долларов США), а по китайским железным дорогам было перевезено 3,039 млрд пассажиров, что соответствует росту на 9,6% в годовом исчислении. Среди этих пассажиров 56,4%, то есть 1,713 млрд человек, совершили поездки именно на высокоскоростных поездах.

Столь же показателен опыт Испании и Германии: в этих странах длина ВСМ составляет 3100 и 3038 км соответственно, а в постройке запланировано 330 и 1800 км новых высокоскоростных магистралей.

ВСМ в этих странах составляют сильнейшую конкуренцию местным авиалиниям, практически сравнявшись с ними по транзитному времени доставки пассажиров на плече в 500–1500 км, однако обеспечивая более привлекательный уровень сервиса и низкую стоимость самой услуги.

В России же максимальная скорость нынешнего скоростного поезда «Сапсан» при движении между городами Москва и Санкт-Петербург ограничена 250 км/ч, а большую часть пути поезд следует с максимальной скоростью в 200 км/ч – в том числе и из-за перечисленных ограничений существующего железнодорожного хода и подвижного состава. В силу чего настоящие ВСМ в России имеют «условную длину» в 0 (ноль) километров, а существующее движение «Сапсанов» – это лишь высокоскоростные поезда на обычных путях.

Вновь начатая дискуссия о ВСМ Москва – Санкт-Петербург наглядно показывает: инвестиционное решение о постройке высокоскоростной магистрали отнюдь не так тривиально и упирается в значительный объем начальных инвестиций. Однако, как показывает мировой опыт, попытки «залить новое вино в старые меха» ни к чему долгосрочному и толковому не приводят. Поездам XXI века трудно двигаться по рельсам, проложенным во многом по проектам XIX века. Им нужна новая, современная магистраль.