През последните два века наблюдаваме вълна от иновации в технологията за задвижване на железниците. От индустриалната революция на 19-ти век до по-икономичните, по-екологични локомотиви на утрешния ден, железопътната технолгия очертава времева линия през миналото, настоящето и бъдещето на развитието на локомотивите.
Изминаха повече от два века, откакто корнуолският инженер Ричард Тревитик показал железопътното си изобретение в уелския миньорски град Мертир Тидфил, променяйки света завинаги. Като демонстрира първия работещ железопътен парен локомотив, Тревитик поставил началото на транспортна революция, чийто пламък беше разпален от Индустриалната революция и задвижван през 20-ти век от нови източници на енергия и нарастваща загриженост за ефективност и екологичност.
От най-примитивните парни двигатели от началото на 19 век до усъвършенстваните концепции за задвижване, които все още не са напълно проучени днес, ние представяме времева линия през миналото, настоящето и близкото бъдеще на развитието на локомотивите.
Преди големия си железопътен пробив през 1804 г., британският минен инженер, изобретател и изследовател Ричард Тревитик работи върху парни машини с високо налягане в продължение на няколко години със смесени резултати, от успешната демонстрация на парен пътен локомотив „Puffing Devil“ през 1802 г. до катастрофа в Гринуич през 1803 г., когато четирима мъже са убити от експлозия на един от стационарните помпени двигатели на Тревитик. Съперниците на Тревитик използвали инцидента, за да аргументират рисковете от парата под високо налягане.
Независимо от това, „локомотивът Penydarren“ на Тревитик си осигурил централно място в историята на локомотивната технология, като станал първият пълномащабен работещ железопътен парен локомотив в света. Ключовата демонстрация на локомотива била предизвикана, колкото и да е странно, от залог. Благодетелят на Тревитик и собственик на железарските заводи Penydarren, Самуел Хомфрай, направил облог за 500 гвинеи с търговеца на желязо Ричард Краушей, че локомотивът на Тревитик – адаптиран от стационарна парна машина, използвана за задвижване на чук в железарските заводи – може да тегли десет тона желязо от железарската фабрика Penydarren до село Abercynon на близо десет мили.
На 21 февруари 1804 г. локомотивът на Тревитик изминава пътуването за малко повече от четири часа, спечелвайки облога на Хомфрай и оправдавайки концепцията за пара с високо налягане. Малко след това двигателят бил върнат към първоначалната си стационарна роля в железарската фабрика. Тревитик така и не получил признанието, което заслужава за пионерската си роля в железопътното движение, и умрял лишен от заслуги и забравен през 1833 г. Работата му била публично призната чак през 2004 г. – двестагодишнината от празничната му демонстрация – от Кралския монетен двор, който пусна възпоменателна монета от £2 носещ неговото име и неговото изобретение.
1812-1848: движеща се пара напред
От скромното начало на локомотива Penydarren на Тревитик , железопътният транспорт, задвижван с пара, постепенно набира скорост във Великобритания през първата половина на 19 век, като следващите новатори надграждат основата, поставена от него. Матю Мъри доказва търговската жизнеспособност на парното движение през 1812 г. със Salamanca, локомотив, кръстен на победата на херцога на Уелингтън през 1812 г. в битката със същото име. Саламанка, който е построен да се движи по железопътната линия Мидълтън, е първият локомотив, който включва два цилиндъра и първият, който използва линейния задвижващ механизъм с рейка и зъбно колело, за да преобразува въртеливото движение в импулс напред.
Джордж Стивънсън обаче е този, който се издига над всички останали иноватори на парни локомотиви, за да стане известен като бащата на железниците и един от най-изтъкнатите инженери и дизайнери на Викторианската епоха. Вдъхновен от работата на Тревитик и Мъри, се казва, че Стивънсън е построил 16 експериментални локомотива за използване във въглищната мина Килингуърт между 1814 и 1826 г., започвайки с Блюхер – друго име на локомотив с произхода си от Наполеоновите войни – и кулминирайки с Килингуърт Били , която се движи по железопътната линия Killingworth до 1881 г.
Стивънсън продължил да изгражда и първата в света междуградска железопътна линия, задвижвана от пара, между Ливърпул и Манчестър, която е открита през 1830 г. и поставя истинското начало на революцията на парните влакове. По времето, когато Стивънсън умира през 1848 г., след като е установил компанията си като водещ строител на железопътни линии в Обединеното кралство, САЩ и континентална Европа, само Великобритания е била пресичана от 2440 мили железопътни линии, обслужващи 30 милиона пътници.
1879: електрифициране на железниците
Германия е център на развитието на електрически локомотиви в края на 19 век, като първият експериментален електрически пътнически влак е демонстриран от Вернер фон Сименс, изобретател и основател на мултинационалната инженерна компания Siemens AG, през 1879 г. Влакът, който установява концепцията за изолирана трета релса за доставка на електричество, транспортира общо 90 000 пътници по кръгова линия за период от четири месеца
Siemens продължи да изгражда първата в света електрическа трамвайна линия в берлинското предградие Lichterfelde през 1881 г., поставяйки началото на подобни на електрическата железница на Volk в Брайтън и трамвая Mödling & Hinterbrühl във Виена, които са открити през 1883 г.
Необходимостта от по-малко замърсяващи влакове в подземните подземни железници и тунели доведе до приемането на електрически локомотиви през следващите десетилетия, докато подобрената ефективност и по-простото производство, предизвикани от въвеждането на променлив ток, направиха електрическите влакове осъществими на по-дълги линии и по-стръмни участъци от коловоза. Унгарският инженер Калман Кандо също допринесъл за разработването на електрифицирани линии на по-дълги разстояния, включително 106-километровата железопътна линия Валтелина в Италия.
Днес електрическите локомотиви продължават да играят важна роля в железопътния пейзаж чрез високоскоростни услуги като френския TGV, германските Intercity Express на DB, японския Shinkansen и Acela Express в САЩ. Въпреки това, високата цена на електрифициращите линии за захранване на електрически локомотиви, било то чрез трета релса или надземна контактна мрежа, продължава да бъде пречка за по-широкото внедряване на технологията.
1892 – 1945: процесът на дизелизация
Първоначалният патент на д-р Рудолф Дизел върху неговия двигател с компресионно запалване (или дизелов двигател) през 1892 г. бързо предизвикал спекулации как този нов метод с вътрешно горене може да се приложи към задвижването на железниците. Въпреки че ще отнеме няколко десетилетия, преди ползите от дизела да могат да бъдат правилно реализирани в железопътните локомотиви, продължаващото развитие на все по-ефективни дизелови двигатели с подобрени съотношения мощност/тегло в края на 19-ти и началото на 20-ти век – много от които произхождат от Швейцария и инженерна фирма Sulzer, в която Рудолф Дизел е работил в продължение на няколко години – поставили дизела на път, за да направи парното движение практически остаряло до края на Втората световна война през 1945 г., като парните локомотиви стават изключително редки в развитите страни до края на 60-те години.
Относителната стандартизация на дизеловите двигатели в сравнение с парните осигури по-добри икономии от мащаба при масовото производство, докато дизеловите локомотиви предлагат много ясни оперативни предимства, включително работа с няколко локомотива, по-евтина поддръжка и време на празен ход, по-добра топлинна ефективност и по-малко трудоемка работа.
1945-настояще: възходът на дизел-електричеството
След като господството на дизела над парата е осигурено, следвоенният период е изпълнен с идеи и концепции за подобряване на железопътното задвижване, като всяка от тях постига смесен успех. Сред по-безумните схеми е измислената от д-р Лайл Борст от университета в Юта в началото на 50-те години – ядрено-електрическият влак. Дори да се отхвърлят безкрайните последици за безопасността и сигурността от превозването на 200-тонен ядрен реактор през провинцията с високи скорости, разходите за производство на локомотивни реактори и закупуване на уран за тяхното гориво бързо прекратяват идеята влаковете да се присъединят към атомната ера
.
Докато други по-реалистични концепции, като газови турбини-електрически локомотиви, придобиха популярност до известна степен през следвоенния период, но дизелът остава крал и до днес. От трите общи системи за предаване на мощност, тествани за използване с дизелови двигатели – хидравлични, електрически и механични – до този момент беше ясно, че дизел-електричеството се превърна в новия стандарт в областта. От трите системи дизел-електрическите локомотиви – при които дизелов двигател задвижва генератор за постоянен или променлив ток, който след това захранва тяговите двигатели – са получили най-голямо развитие през втората половина на 20-ти век и представляват по-голямата част от дизелово задвижваните локомотиви в експлоатация днес.
Дизелово-електрическите локомотиви също поставиха основата за нови, модерни системи за придвижване, които отговориха на опасенията за околната среда, които започнаха да изплуват в края на 20-ти век и доминират дискусиите за железопътно задвижване днес. Хибридните влакове, например, добавят презареждаема система за съхранение на енергия (RESS) към дизелово-електрическия процес, което позволява на влаковете, включително много, построени по проекта Intercity Express могат да зареждат бордова батерия, използвайки енергия, получена от регенеративно спиране.
Тенденции на 21 век: LNG и хидравлични системи
Дизелът подхранва растежа на железопътните системи по света през по-голямата част 19-20 век, но през 21 век въздействието върху околната среда от операциите на дизеловите влакове – което включва емисии на парникови газове, както и вредни емисии като азотни оксиди (NOx) и прахови частици – доведе до разработването на по-екологични локомотивни технологии, някои от които са в експлоатация, докато други остават малко зад хоризонта.
Революцията на шистовия газ, която продължава в САЩ и започва да набира скорост другаде по света, предизвика по-голямо внимание върху потенциала на втечнения природен газ (LNG) като гориво за задвижване на железопътни линии. Тъй като LNG е на значително по-ниска цена от дизела и обещава 30% по-малко въглеродни емисии и 70% намаление на NOx, това е изгодно както от финансова гледна точка, така и от гледна точка на околната среда, а няколко големи товарни оператора, включително Canadian National Railway и BNSF Railway, изпробваха LNG локомотиви през последните години с изглед за извършване на превключване, когато е подходящо. Остават регулаторни и логистични проблеми, но ако стимулът за цените на горивата остане висок, е вероятно те да бъдат преодолени.
Втечненият природен газ може да включва известно намаляване на емисиите, но той все още свързва индустрията с въглеводородната икономика, въпреки че научният консенсус предупреждава, че светът трябва да започне прехода към пост-въглеродно бъдеще сега, за да избегне опасното изменение на климата. Hydrail, нова концепция за локомотиви, която включва използването на устойчиви водородни горивни клетки вместо дизелови двигатели, отделя само вода в точката на работа. Водородът може да се произвежда от нисковъглеродни източници на енергия като вятър и ядрена енергия. Проекти за прототипи на Hydrail са извършени от активна изследователска общност в страни като Обединеното кралство, САЩ, Япония, Дания и Южна Африка, докато малкият холандски остров Аруба планира да пусне първия в света флот от водородни трамваи за своята столица Ораниестад. Малко начало, може би, но според видния защитник на водородната икономика Стан Томпсън, хидравликата „вероятно ще бъде доминиращата технология за железопътно задвижване в света“ до 2050 г., така че все още може да се окаже чистата технологична иновация, която най-накрая да свали дизеловото движение от сцената.
Важна точка във времето: 200 години пътнически железопътен транспорт
С наближаването на 200-годишнината от първата пътническа железопътна линия през 2025 г. става по-важно от всякога влаковете да предоставят устойчива мобилност в свят, изправен пред предизвикателствата на изменението на климата, нарастващата урбанизация и растежа на населението.
Според доклад от 2019 г. на инженерния консултант Arup се очаква световното население да достигне около 9,5 милиарда до 2050 г., 75% от които ще живеят в градовете. Компанията изчислява, че световното градско население нараства с двама души в секунда, създавайки 172 800 нови градски жители всеки ден. Докато населението намалява в някои региони на света, като например части от Европа и Япония, приблизително 90% от нарастването на населението се очаква да се случи в градовете и мегаполисите на развиващия се свят.
За да поддържаме движението на тези бързо развиващи се градове, региони и мегаполиси, ефективният обществен транспорт е не просто желателен, но и наложителен.
Автомобилите, електрически или други, не могат да поемат нарастване от такъв мащаб и железопътният транспорт – влакове, трамваи и метро – ще трябва да поемат по-голямата част от тежестта, която хората нуждаещи се от устойчив транспорт ще създадат, за да попречат на нашите градове и национални икономики да блокират.
Недоволни от инвестирането на милиарди в нови влакове, релси и технологии за подобряване на услугите, има нарастващо усещане в индустрията, че е необходимо свежо мислене, за да се избегне старата грешка „водене на загубена битка“.
В момента, въпреки всички усилия на някои оператори, цялостната надпревара за модернизиране извън Япония и части от Китай е непоследователна.
Дигиталните технологии обаче също ще играят все по-важна роля тук, от резервирането на билети до намирането на вашите места и планирането на цялото пътуване от врата до врата.
„Няма съмнение, че положителното за климата пътуване е бъдещето и аз съм развълнуван от ролята, която технологичните компании за пътуване ще играят в стимулирането на тази промяна“, казва Нарен Шаам, главен изпълнителен директор и основател на базирания в Берлин доставчик на пътувания Omio.
„Потребителите ще пътуват повече от всякога – наблюдаваме 150% увеличение на резервациите от януари 2022 г. – и ние трябва да им предоставим възможност с цифрови услуги, които гарантират, че могат да пътуват на по-големи разстояния и да пресичат границите безпроблемно с влак.
„Всъщност пандемията ускори тази тенденция и видяхме трайно преминаване от резервиране на билети за влак в павилиони към резервации с мобилни устройства.“
През следващите пет години онлайн платформи като Omio и Rome2Rio ще позволят на пътниците да въвеждат своите начални и крайни местоположения, а платформите автоматично ще начертаят най-бързия, най-достъпен и най-устойчив начин за достигане на дестинацията им – комбиниране на видове транспорт и доставчици, където е необходимо. След това едно кликване ще им позволи да закупят един билет за цялото това пътуване.
Шаам добавя: „Дори няма да можем да си представим как изглежда пътуването след 30 години; например, няма да има нужда от приложения, без билети, вместо това дигиталните механизми ще разберат и ще ви таксуват автоматично за всяко пътуване – най-доброто безпроблемно изживяване!“
Влакове без машинист: идват ли на релсите близо до вас?
За тази цел много страни инвестират сериозно в автономни влакове и изглежда те вероятно ще станат обичайна гледка в края на 2020-те години.
Автоматичната работа съществува от много десетилетия – линия Виктория на лондонското метро се управлява частично по този начин, откакто е открита през 1967 г. – но обикновено се ограничава до самостоятелни линии с идентични влакове, движещи се на определени интервали.
През последните години Китай поведе пътя към железопътните линии без машинисти, включително въвеждането на единствените в света високоскоростни автономни влакове, които се движат с до 186 мили в час (300 км/ч) между Пекин и местата на Зимните олимпийски игри през 2022 г.
Япония също така експериментира с „влакове-стрели“, които могат да се придвижват сами от терминали до депа за обслужване, освобождавайки хората машинисти да управляват влакове, които печелят повече приходи.
Заключение
Прогнозите винаги трябва да се третират предпазливо, но можем да бъдем уверени, че импулсът за пътуване ще остане, въпреки неотдавнашните катаклизми в света и незабавната необходимост от справяне с изменението на климата.
До 2050 г. пътническият и товарен железопътен транспорт ще формират гръбнака на нашите транспортни мрежи, с междуградски маршрути между мултимодални центрове, захранващи местните мрежи.
С необходимата политическа и техническа подкрепа железопътният транспорт също ще играе по-голяма роля в международните пътувания, предоставяйки висококачествена алтернатива на автомобилния транспорт и въздушния транспорт на къси разстояния.В обозримо бъдеще инвестициите по света все още до голяма степен ще се основават на конвенционалните железопътни линии стомана върху стомана. Няма причина да се съмняваме, че това ще продължи да определя бъдещето на железопътния транспорт през следващите десетилетия - точно както е било в продължение на почти 200 години.
Автор: Емил Томов
Последна редакция: 27.03.2024
