Tàu lướt trên đường sắt thế hệ mới

Tàu tốc độ cao truyền thống đang được cải tiến:

Các tàu truyền thống của đường sắt ngày nay thường chạy với tốc độ 100 - 150km/h phổ biến khắp nơi. Các tàu tốc độ cao đạt tới 200 - 300km/h. Việc nghiên cứu thực tiễn cho thấy tốc độ tối ưu đối với đường sắt truyền thống (khi sử dụng đội hình đoàn tàu có bánh xe chạy trên ray) là 300km/h.

Nếu tăng thêm vài chục km/h nữa thì sẽ tiêu tốn thêm năng lượng và chi phí duy tu đầu máy, toa xe cũng như nâng cấp công trình đường sắt. Tuy nhiên cải thiện đầu máy, toa xe và công trình để đạt vận tốc nhanh hơn vẫn là mong muốn chung. Tàu TGV (Train Grand Vitesse) ở tuyến phía Đông là tàu tốc độ cao của Pháp đạt được 330km/h trong vận hành. Vào tháng 3 năm 2000, Tây Ban Nha đã tung ra 32 ram (đội hình) của loại tàu tốc độ cao đến 350km/h. Nhờ đó, đoạn đường 640km nối giữa Thủ đô Madrit với thành phố Bacxêlôna rút lại trong vòng 2 giờ rưỡi. Trong năm 2003- 2004, các hãng Talgo và Bombardier liên kết với nhau chế tạo đoàn tàu theo mẫu thiết kế mang tính đột phá của loại tàu SHINKANSHEN tốc độ cao của Nhật có hình dạng mũi đầu tàu đạt tối ưu về khí động học kiểu "mỏ vịt”. Loạt tàu khác của Tây Ban Nha do hãng Siemen Đức chế tạo cũng đạt tốc độ trên giống loại tàu ICE (lnter City Express) của Đức, nhưng có cấu trúc sắp xếp động cơ theo kiểu phân bố động lực ra các động cơ bộ phận. Các mô tơ không đặt tập trung dồn vào các đầu máy như loại tàu TGV mà phân bố ra khắp các tiểu mô tơ đặt suốt dọc theo đoàn tàu. Như thế, sẽ rộng chỗ bố trí hành khách từ đầu máy tới toa cuối. Một dự án tiến bộ trong số các dự án mẫu  năm tới là tàu AGV của hãng Alstom. Ở tàu này, lợi thế "động cơ hóa bộ phận" của Đức được dung hòa với "kết cấu khớp nối giá chuyển" thành tựu của Pháp. Trong thực tế, tàu TGV Pháp có một bôgi (giá chuyển 1 hướng mang bánh xe) dùng chung cho hai toa xe đã tạo ra giá khung đỡ  thùng xe thêm vững chắc, ổn định cho ram tàu nếu bị trật bánh. Dự án dung hòa cấu trúc "động cơ phân bố kiểu Đức - bôgi kiểu Pháp" theo hãng Alstom đề ra, có thể là mô hình kiểu dáng chung cho cấu trúc đầu máy toa xe khi hoàn thiện đường sắt  Châu Âu trong tương lai với tàu tốc độ cao truyền thống.

Tàu lướt trên đường sắt thế hệ mới:

Do ma sát và ảnh hưởng dính bám của bánh xe trên mặt ray làm cho tàu đường sắt truyền thống khó vượt qua được tốc độ 400 - 500km/h. Ngay từ năm 1934, nước Đức đã cấp bằng sáng chế cho Hermann Kemper về phát minh ra sức nâng từ tính. Nhưng phải mãi đến thập kỷ 70 của thế kỷ trước, các kỹ sư của hai hãng Siemen và Thyssen Krupp đã hợp nhất cùng nhau trong Ban chế tạo TRI (Transrapid lnternational) với ý tưởng làm ra đoàn tàu nhanh xuyên các quốc gia. Đây là loại tàu đặc biệt, không có bánh xe, được nâng lên nhờ lực từ và được đẩy đi bằng sức đẩy của điện - từ trường sử dụng công nghệ Maglev (Magnetic levitation). Công nghệ này sử dụng nam 1 châm điện cực mạnh và mô tơ tuyến tính cùng kết hợp lại. Năm 1983, nước Đức xây dựng tuyến thử  nghiệm tàu TRI ở Emsland; đến năm 1993, tàu này đã đạt tốc độ 450km/h. Năm 1997, người Nhật khai trương tuyến thử nghiệm tại Yamanashi đối với tàu Maglev trong khi người Đức phải làm việc 13 năm trên tuyến thử Emsland. Ý tưởng tàu TRI triển khai trên tuyến Hămbuốc- Berlin dài 292 km trong hành trình 1 giờ của người Đức. Đến năm 1999, tàu Maglev Nhật đạt kỷ lục 552 km/h. Người Nhật đã có bước tiến nhanh gấp đôi trong xây dựng tuyến tàu điện từ. Tuyến Maglev của Nhật được gọi là CHUO - SHINKANSHEN (ở đây chữ SHINKANSHEN có nghĩa là “tuyến đường mới") nối thủ đô Tokyo và thành phố Osaka với khoảng cách 550km. Hiện thời trên tuyến này có các tuyến tàu tốc độ cao truyền thống kết nối mang tên Tokaido - SHINKANSHEN, nhưng đã bắt đầu bão hòa, đòi hỏi phải mở tuyến Maglev bổ sung thêm.

Thực ra, có sự khác biệt giữa tàu TRI (còn gọi là tàu Transrapid Đức) và tàu Maglev Nhật. Tàu Transrapid Đức có cấu tạo thùng xe đáy phẳng, ở hai bên đáy thành xe có kết cấu giá đỡ hình chữ L quay đầu mỏ vào trong. Ở mỗi mặt cạnh trong của giá đỡ hình L có đặt các nam châm vĩnh cửu dẫn hướng theo suốt chiều dài tàu. Ở đầu giá đỡ hình L của tàu có gắn các chi tiết rô to (phần tĩnh) ương ứng với các chi tiết stato (phần động) được gắn ở đầu cánh dưới của khối nằm chữ T là khối chủ của tuyến đường dẫn đạo. Khối chữ T này có thể là cấu kiện bê tông hoặc thép đặt trên các cột đỡ tuyến trên cao hay đặt ở tuyến hầm hoặc tuyến mặt đất. Khác với tàu tốc độ cao truyền thống, động cơ tạo lực đẩy không đặt ở đầu tàu mà lại đặt rải ra, phân bố thành các rô to và các stato rời, gắn vào tuyến đường dẫn hướng đã nêu. Nhờ công nghệ nam châm dẫn hướng cùng phân bố với động cơ tuyến tính sử dụng stato hoạt động suốt chiều dài tuyến đường có cấu hình khối đỡ chữ T mà tàu Transrapid được nâng lên cách mặt sàn trên khối T của tuyến đảm bảo luôn luôn giữ cự ly chính xác đều đặn 1cm. Các sự nâng, đẩy, dẫn đạo chạy tàu và hãm tàu được dựa vào nguyên lý hoạt động của lực điện từ. Đây là dạng tàu đệm từ 1cm (theo cách hiểu dân dã) chạy không cần bánh xe mà vẫn lướt trên tuyến dẫn đạo.

Tàu Maglev Nhật chạy trong đường máng bê tông (hoặc thép) hình chữ U. Các nam châm siêu dẫn đặt ở hai thành bên ngoài tàu hướng về vách máng. Các chi tiết stato đặt rải suốt theo chiều dài ở mặt thành vách hai bên trong máng theo cấu tạo bô bin xoắn hình số 8 tạo ra lực đẩy. Nhờ đó từ trưởng sinh lực nâng tàu lên 10cm và đẩy tàu tiến đi. Tàu Maglev Nhật phải có bánh xe như máy bay cất hạ cánh. Khi đạt tốc độ 160km/h ban đầu thì bánh xe được co gập lại và đặt vào thùng xe. Đặc điểm tàu Maglev Nhật dùng nam châm cực mạnh là nam châm siêu dẫn được chế tạo bằng công nghệ cuộn sợi dây hợp kim có ti tan và nôbium rồi được làm lạnh bằng hê li lỏng đạt tới -2690C. Các cuộn bô bin này có thể chịu được cường độ hàng trăm ngàn ampe điện và cấu tạo trở thành nam châm cực mạnh có trọng lượng nhẹ. Riêng các acquy trên tàu có thể đã đủ cung cấp lực nâng tàu (đáp ứng 1,2kw/tấn) giữ độ cao nâng tàu trong khoảng 1/2 giờ khi mất điện lưới. Tuy nhiên, các nam châm siêu dẫn có ảnh hưởng đến phần từ trường trong các khoang hành khách. Ở tàu Maglev Nhật, từ trường gây ra là 0,1 militesla gấp đôi so với từ trường trái đất (0,045mT) trong khi ở tàu Transrapid Đức chỉ sinh ra từ trướng gần bằng từ trưởng trái đất.

Dù là tàu đệm từ Đức nâng 1cm hay tàu đệm từ Nhật nâng 10cm, chúng đều là các tàu lướt trên đường sắt thế hệ mới đã mở ra cuộc cách mạng về tốc độ đường sắt trong kỷ nguyên mới đầu thế kỷ 21 đuổi kịp tàu bay cánh quạt với tốc độ 400 - 500km/h . Tàu đệm từ có thể gia tốc và giảm tốc cực nhanh so với tàu tốc độ cao truyền thống. Hơn nữa, tàu đệm từ có thể lượn nghiêng khi chạy vào chỗ quanh quặt, có thể chạy ở tuyến dẫn đạo và có độ dốc lớn, có thể sánh vai song hành với tuyến quốc lộ do các đặc tính ưu việt mà tàu tốc độ cao truyền thống không đạt được.

Tàu lướt trên đường sắt đang đi vào cuộc sống:

Việc đầu tư làm tàu lướt trên đường sắt (còn gọi là tàu đệm từ) hiện nay có giá thành cao, chỉ có các quốc gia phát triển mạnh mới dám thực hiện. Cuối năm 1999, Trung Quốc đã mạnh dạn đầu tư Dự án tàu Transrapid Đức có giá dự toán trên 1,5 tỷ Euro. Trong đó, có Dự án Đường sắt liên doanh giữa Trung Quốc với Tập đoàn hàng đầu thế giới về tàu tốc độ cao Transrapid lnternational của Đức với tổng chi phí lên tới 765 triệu USD. Dự án tuyến đường sắt này nối quận Phố Đông ở Trung tâm Thương mại mới của Thượng Hải đến sân bay quốc tế của Thành phố dài 35km, tàu Transrapid chạy 7 phút để đảm bảo cạnh tranh với các loại hình vận tải khác. Tuyến này đã hoàn thành vào đầu năm 2003. Dự kiến trong 3 năm khai thác đầu tiên, sẽ có khoảng 80 triệu người đi tàu này. Tàu đệm từ chạy lướt trên đường sắt đang đi vào cuộc sống ở Đức, Nhật với các cung chặng dài hàng trăm km. Tuy nhiên, các quốc gia vẫn tự chọn cho mình một loại tàu phù hợp với khả năng đầu tư. Ngày nay, nhiều nước tận dụng cơ sở hạ tầng đường sắt sẵn có đầu tư nâng cấp các loại tàu tốc độ cao truyền thống để phục vụ vận tải khách, đáp ứng xu hướng hội nhập quốc tế trong thương mại, du lịch đang phát triển. Đối với các tuyến đường hầm mới, sự cân nhắc nên làm tàu đệm từ hay tàu tốc độ cao truyền thống đang đặt ra trong hiện đại hóa đô thị.

Nguồn: Tạp chí GTVT