Au 21e siècle, le paysage mondial des transports est en pleine mutation. Les politiciens, les ingénieurs et les planificateurs veulent tous déplacer plus de personnes, plus rapidement et plus proprement. Au milieu de la frénésie d’idées novatrices farfelues, les voyages en train à grande vitesse sont passés au premier plan. C’est une solution silencieuse et fiable pour un transit interurbain et interpays efficace, durable et rapide.
Des économies florissantes d’Europe et d’Asie aux marchés en plein essor du Moyen-Orient et d’Amérique, les réseaux ferroviaires à grande vitesse sont planifiés, étendus et modernisés, quelle que soit la direction dans laquelle vous regardez. Une combinaison de trains traditionnels et à lévitation magnétique (maglev) est utilisée, atteignant des vitesses qui relevaient autrefois de la science-fiction. Alors que nous nous tournons vers l’avenir, il vaut la peine de prendre un aperçu de l’état actuel du rail à grande vitesse, un domaine où la technologie, l’ingénierie brillante et les visions d’un avenir plus vert convergent.
En train
Lorsque l’on parle de train à grande vitesse, différentes autorités et juridictions utilisent une terminologie différente. En règle générale, cependant, peu de gens ne seront pas d’accord avec vous pour classer un système comme « rail à grande vitesse » s’il implique des vitesses supérieures à 250 km/h (155 mph). Les trains rapides, mais pas si rapides, reçoivent le titre diminutif de «rail à grande vitesse» pour indiquer les services qui fonctionnent plus rapidement que les chemins de fer traditionnels, mais pas excessivement.
Le Japon a été le premier pays à développer un réseau ferroviaire à grande vitesse fonctionnel selon la définition moderne, avec ses lignes Shinkansen de renommée mondiale. Le pays a longtemps été un chef de file en matière de technologie ferroviaire, avec ses trains de la série 0 de première génération capables d’atteindre 210 km/h en service payant dès 1964. Cette vitesse a rapidement été portée à 220 km/h, et une amélioration progressive a continué depuis. Aujourd’hui, les lignes Shinkansen les plus rapides fonctionnent jusqu’à 320 km/h. Lors d’essais effectués en 1996, un train Shinkansen conventionnel a atteint une vitesse de pointe de 443 km/h, mais les services réguliers n’approchent pas ce chiffre plus élevé.
C’est un refrain courant dans d’autres services à travers le monde. Le célèbre TGV français roule à une vitesse maximale de 320 km/h en service, tout comme la ligne ONCF Al Boraq au Maroc. L’Espagne et la Corée exploitent leurs réseaux respectifs à un maximum de 310 et 305 km/h respectivement. Les trains allemands du système Intercity Express sont autorisés à rouler jusqu’à 330 km/h, mais uniquement pour surmonter les retards sur la ligne Francfort-Cologne. Sinon, le maximum national est également de 320 km/h.
Cependant, la Chine aime aller un peu plus vite. Le pays est tombé amoureux du train à grande vitesse au cours des dernières décennies. En termes de kilométrage, il accueille désormais plus des deux tiers de tous les trains à grande vitesse du monde. Les rames CR Fuxing du pays roulent régulièrement jusqu’à 350 km/h et ont été les premiers modèles produits dans le pays sans technologie exclusive sous licence de fabricants étrangers. Ils ont enregistré des vitesses allant jusqu’à 420 km/h lors des tests. Les trains CRH Hexie du pays roulent à la même vitesse, mais ont été encore plus rapides lors des tests, avec un exemple non modifié enregistrant un maximum de 487 km/h.
En fait, la plupart des opérateurs ferroviaires ont tenté de maximiser leurs trains à grande vitesse à un moment ou à un autre. La SNCF française est bien connue pour faire fonctionner des trains TGV hautement modifiés pour chasser la gloire, revendiquant le record de vitesse sur rail en acier en 2007. Un TGV POS fortement modifié a atteint un chiffre impressionnant de 574,8 km/h, équipé de roues plus grandes et fonctionnant sur une ligne aérienne survoltée de 25 kV à 31 kV. La rame a été nommée V150, pour la vitesse cible de 150 mètres par seconde (540 km/h).
Limites de l’acier
Le fait est que la plupart des chemins de fer à grande vitesse ont des trains capables de vitesses très élevées, mais les services réguliers fonctionnent à un rythme plus calme pour un certain nombre de raisons. Bien qu’il soit possible pour de nombreuses rames à grande vitesse de pousser au-delà de 400 km/h, ces vitesses ne sont jamais atteintes en service régulier.
L’histoire française de la chasse aux records met en évidence certains des défis liés à la circulation des trains sur des rails en acier à des vitesses plus élevées. Par exemple, les fils caténaires qui fournissent l’électricité peuvent causer des problèmes. Les fils sont excités avec une perturbation ondulatoire par le contact du pantographe du train. Cette onde se propage à la vitesse déterminée par la masse du fil par unité de longueur et sa tension. Si le train se déplace assez vite pour attraper cette onde, cela peut entraîner de grandes oscillations verticales du fil caténaire, causant des dommages ou une perte de puissance délivrée au train. Une tentative de record de 1990 a massivement augmenté la tension sur les fils caténaires pour éviter ce problème, augmentant la vitesse critique de la caténaire. Même encore, les jauges ont enregistré les fils caténaires oscillant de près de 30 cm alors que le train atteignait une vitesse de 515 km/h.
Un problème plus courant pour les trains à grande vitesse est le boom du tunnel, causé par l’effet de piston. Lorsqu’un train entre dans un tunnel, l’air à l’avant n’a nulle part où aller, à l’exception du petit espace entre le train et le tunnel lui-même. Le train finit par agir comme un piston dans un cylindre, forçant l’air devant lui. Pour les trains à grande vitesse, cela peut créer une onde de choc qui crée un grand boom lorsqu’elle atteint la sortie du tunnel. La force de l’onde de choc augmente avec le cube de la vitesse du train, de sorte que des vitesses plus élevées créent des chocs massivement plus élevés. Les techniques pour réduire cela impliquent le profilage aérodynamique des trains et des tunnels de ventilation, comme mettre un silencieux sur une arme à feu. Quoi qu’il en soit, ce problème entrave les efforts déployés au Japon, en Espagne, en France et ailleurs pour pousser leurs lignes à grande vitesse à des vitesses de fonctionnement plus rapides.
De plus, les chenilles en acier elles-mêmes doivent être parfaitement alignées afin de supporter un fonctionnement à grande vitesse. Par exemple, le réseau TGV aligne les rails avec une tolérance de seulement 1 mm. Atteindre et maintenir cela sur l’ensemble d’un réseau est coûteux. Des vitesses plus élevées nécessitent des tolérances plus fines et un entretien plus régulier, car un train en mouvement plus rapide provoque nécessairement une plus grande usure car il met plus d’énergie dans la voie.
Dans l’ensemble, les opérateurs ferroviaires ont fait les comptes sur les avantages d’un fonctionnement plus rapide par rapport aux coûts impliqués. La plupart ont atterri à des vitesses opérationnelles régulières de l’ordre de 300 à 350 km/h. C’est assez rapide pour rendre leurs services attrayants, mais assez raisonnable pour que les lignes fonctionnent de manière durable.
Allons plus vite
En tant que nouveau leader mondial de la grande vitesse ferroviaire, la Chine a une multitude de projets en ébullition pour pousser ses réseaux ferroviaires à des vitesses toujours plus élevées. Le China State Railway Group a publié les spécifications provisoires de sa nouvelle rame CR450, destinée à atteindre des vitesses opérationnelles allant jusqu’à 400 km/h. Ce niveau de fonctionnement pose de nouveaux défis opérationnels, nécessitant de nouvelles normes pour les systèmes de signalisation et de surveillance des voies. De plus, beaucoup d’efforts sont déployés pour réduire le bruit dans la cabine ; typiquement, un train roulant à 400 km/h est 3 dB plus fort qu’à 350 km/h. Les tests ont déjà vu deux rames de banc d’essai CR400BF-J rouler dans des directions opposées à 435 km/h pour déterminer les risques encourus à des vitesses de dépassement élevées. La vitesse de fermeture record du monde de 870 km/h a été atteinte sans incident.
La Chine investit également beaucoup dans la technologie maglev, qui promet des vitesses plus élevées avec des trains à flottement magnétique tout en éliminant les frustrations des fils caternaires, des rails et des roues. Le Shanghai Maglev est en exploitation commerciale depuis 2004 et atteint régulièrement une vitesse maximale de 430 km/h. Il ne circule que sur une courte piste de 29,9 km, avec un trajet qui ne dure que 8 minutes. Quoi qu’il en soit, il écrase toute la concurrence ferroviaire en termes de vitesse de pointe opérationnelle régulière. La ligne devait autrefois être agrandie, mais les services ferroviaires réguliers ont entravé les efforts pour la pousser au-delà de son parcours actuel qui dessert l’aéroport international de Pudong.
La Chine a cependant des ambitions plus sérieuses en matière de maglev, en déployant récemment un train d’essai qui serait capable d’atteindre une vitesse de pointe de 600 km/h. Le train est basé sur la technologie Transrapid maglev d’Allemagne. Initialement prévu pour entrer en service d’ici 2025, les plans actuels pour un réseau maglev opérationnel restent flous. Certains commentateurs s’attendent à ce que le nouveau train soit d’abord utilisé sur les corridors entre Guangzhou et Shenzhen et Shanghai et Hangzhou, où les flux de passagers devraient être suffisamment élevés pour supporter les dépenses de construction de la « voie » maglev avancée.
Bien qu’il ne dispose pas d’une ligne maglev publique opérationnelle, le Japon est peut-être encore en tête dans ce domaine. Le pays a développé le train maglev de la série L0, qui détient actuellement le record du monde de vitesse pour les véhicules ferroviaires à 603 km/h. Des plans fermes existent pour un réseau maglev, dont la construction débutera en 2014. Le tronçon initial reliant Tokyo à Nagoya devait initialement ouvrir en 2027, bien que la date de début du service commercial reste à confirmer. La section Nagoya-Osaka devrait suivre en 2037. Les trains devraient circuler à une vitesse opérationnelle de 500 km/h, réduisant le temps de trajet entre Tokyo et Osaka à seulement 67 minutes. C’est un gain de temps considérable par rapport au trajet de 4 heures réalisé par les premiers trains Shinkansen en 1964.
Actuellement, l’Asie progresse avec les dernières technologies et le plus grand nombre de chemins de fer, tandis que l’Espagne a déchiffré le code du train à grande vitesse bon marché, tant en termes de prix des billets que de construction. Pendant ce temps, le Maroc a introduit le train à grande vitesse en Afrique, avec des pays comme l’Iran et le Chili désireux de se joindre à la fête. Les États-Unis sont à la traîne, la Californie prenant son temps pour établir une course, mais elle est en route. Pendant ce temps, les Australiens rigolent alors que l’idée est présentée sans signification comme un point central à chaque fois qu’une nouvelle élection se déroule.
Vu à l’échelle mondiale, cependant, l’avenir du train à grande vitesse est prometteur. Il promet un transit propre et efficace à des vitesses suffisamment rapides pour rendre les voyages en avion moins désirables. Alors que le monde cherche à réduire les émissions et à déplacer plus de personnes que jamais, le train à grande vitesse promet de continuer à livrer. Le Japon, la Chine et l’Europe offrent tous un brillant exemple de sa valeur ; ceux qui souhaitent l’avoir n’ont qu’à trouver des couloirs adéquats et la volonté politique de signer les chèques. Plus facile à dire qu’à faire!
Image en vedette : « CR400BF » par N509FZ.
