От рельсов под током до пантографа: история борьбы Сименса и Пироцкого за электротягу

Ещё в 1834 году российский физик Борис Якоби представил миру революционный электродвигатель с прямым приводом на вал. Уже через четыре года по Неве курсировал катер, приводимый в движение этой силовой установкой, — по сути, первый в мире пассажирский электроход. Казалось, до эры электрической тяги остался один шаг. Однако на практике потребовались десятилетия упорной работы, чтобы начать вытеснять с рельсов и улиц привычных лошадей и громоздкие паровые машины.

Санкт-Петербург, рельсы под током и русский инженер, которого не услышали

В 1870-х годах в Санкт-Петербурге военный инженер Фёдор Пироцкий, изучая отчёты об артиллерийских испытаниях, обратил внимание на эксперименты с передачей энергии на расстояние. Эта проблема захватила его полностью. Пироцкий задался амбициозной целью: найти способ преобразовать механическую энергию (например, от паровой машины) и эффективно передать её на несколько километров.

Решение он видел только в использовании электричества. В эпоху господства постоянного тока для минимизации потерь требовались массивные проводники. И тогда у инженера возникла смелая мысль: а что, если в качестве одного из таких проводников использовать железнодорожный рельс?

В 1876 году он заставляет работать двигатель, находящийся более чем в километре от генератора, используя рельсы как проводники. Его статью публикует «Инженерный журнал». И пока соотечественники не оценили масштаб мысли, за опытами Пироцкого пристально следил один предприниматель-инженер из Германии — Вернер фон Сименс.

Берлин, выставка и первый электровоз Сименса

Сименс, справедливости ради, уже сам копался в этой теме. Но идея Пироцкого стала тем самым катализатором. В 1879 году на выставке в Берлине Сименс, используя технологию третьего рельса, представил первый в мире электровоз. Маленький локомотивчик в четверть тонны, питаемый 150 вольтами, три вагончика по шесть пассажиров — и феноменальная по тем временам скорость в 6,5 км/ч! Он катал публику по трёхсотметровому кругу, и это был триумф.

А что же Пироцкий? Не теряя времени, он вернулся в Петербург, приобрёл бельгийский вагон для конки и переделал его. И 22 августа 1880 года на Песках произошло историческое событие: первый в мире электрический трамвайный вагон под номером 114, везя 40 пассажиров, побежал по рельсам со скоростью 8-12 км/ч. Петербуржцы стали первыми пассажирами трамвая. Увы, монополисты конного транспорта быстро выдавили изобретателя. Деньги на эксперименты закончились, но идея уже жила своей жизнью.

Троллейбус, бугель и американские эксперименты

В этом же году «Сименс и Хальске» демонстрируют миру и первый троллейбус — тележку с катящейся по двум проводам контактной тележкой. Неудобно: провода перехлёстывались на ветру и коротили.

В Америке инженеры бились над той же задачей. Лео Дафт, Чарльз Ван Депуле… Они пробовали и третий рельс (из-за которого гибли мелкие животные), и двухпроводные системы. Настоящий прорыв совершил Фрэнк Спрейг, изобретя надёжную троллейную штангу и систему управления сцепкой вагонов.

В Европе, чтобы обойти патенты Спрейга, Сименс придумывает бугель — токосъёмник в виде дуги. Просто, дёшево, без сложных стрелок. Эта система царствовала на трамвайных линиях до середины XX века.

1903 год: три провода, три бугеля и скорость 200 км/ч

А что если разогнать электрический поезд до безумных скоростей? Этим задалось «Общество высокоскоростных железных дорог». В 1903 году на испытания вышли два вагона от Siemens и AEG. Решение было ошеломляющим: три провода сверху и три бугеля, повёрнутых на 90 градусов. Использовалась трёхфазная сеть 10 кВ, потому что мощных однофазных двигателей ещё не было.

И… это сработало. Испытания показали скорость порядка 200 км/ч — абсолютный рекорд для любого транспорта того времени, быстрее автомобилей и первых самолётов! Но был фатальный изъян: на такой скорости бугель ненадёжно контактировал с проводом, его срывало ветром. Нужен был принципиально иной токосъёмник.

Рождение пантографа и ответ на главный вопрос

Именно тогда, в том же 1903-м, Джон Браун изобрёл ромбовидный пантограф. Жёсткая рамная конструкция, идеальный контакт на высокой скорости. Он начал вытеснять бугели. И вот здесь и кроется ответ на наш первый вопрос.

Трамваю не нужна высокая скорость. Ему важна маневренность на крутых поворотах в городе и работа с низкой контактной сетью. Его изогнутый полоз (полупантограф) лучше «обходит» стрелки и неровности провода, не теряя контакт.

Электричке, электропоезду, «Сапсану» критична аэродинамика и стабильность на скоростях за 100 км/ч. Ровный, ромбовидный пантограф — это жёсткая, обтекаемая конструкция для бесперебойного съёма тока на бешеной скорости.

А куда же делись три провода?

Трёхфазные контактные сети оказались тупиковой ветвью. Причина проста: они безумно сложны и неэкономичны. Представьте: каждую опору, каждую стрелку, каждый километр путей нужно оснащать не одним, а тремя проводами с идеальной синхронизацией. Кошмар для любой разветвлённой сети. А с появлением мощных однофазных двигателей надобность в этой красоте отпала.

История всё расставила по своим, практичным местам. Третий рельс остался в метро — безопасно и компактно. Два провода — удел троллейбусов, как наследников первых экспериментов. Один провод победил на железных дорогах и трамвайных линиях. А форма «рогов» — это вечный инженерный компромисс между скоростью, манёвренностью и безотказностью. Компромисс, к которому шли больше века, начиная с той самой идеи пустить ток по обычным рельсам.