La grande vitesse

Article 4
Comme un avion sans ailes
Rail & Recherche n°44 - juillet/août/septembre 2007

159,66 mètres par seconde. Les chercheurs le savent : un record, aussi fabuleux soit-il, n’est jamais que la partie émergée de l’iceberg. Lorsque, le 3 avril, la mini-rame duplex a atteint les 574,8 km/h au PK 191 de la LGV Est au lieu-dit « Le Chemin » (!), bon nombre des scientifiques et des techniciens présents à bord ont mesuré le chemin parcouru.

Pour Louis-Marie Cléon, directeur scientifique de la Recherche SNCF, ce nouveau record est d’autant plus remarquable qu’il est atteint par une rame duplex de base , modifiée pour l’occasion, mais qui synthétise toute l’histoire du TGV : design dû à Roger Talon, fiabilité et sécurité inentamée, performance unique au monde. « Il reste le train le plus beau, le plus rapide, le plus sécuritaire. »

2 motrices TGV POS et 3 voitures duplex

Le précédent record de 1990, établi lui aussi sur une voie nouvelle (Paris-Tours) à quelques mois de l’ouverture, est surclassé de près de 60 km/h. En référence aux propos de son concepteur : “du métal qui coule dans l’espace“, la rame avait d’ailleurs été ornée d’un jet de chrome sur fond noir. Mais ce record est d’abord le fruit d’une véritable collaboration entre Réseau Ferré de France, Alstom et la SNCF.

Conçue à partir d’éléments de série, la rame était constituée de deux motrices TGV POS et de trois voitures duplex. Une combinaison ramassée et idéale par rapport aux sollicitations attendues. Sa longueur totale était de 106 m. et son poids de 268 t. Afin d’augmenter la puissance, le programme de recherche “V150” testait la motorisation répartie à travers deux bogies moteurs sur la remorque centrale, équipées du dernier- né d’Alstom, le moteur à aimants permanents (Cf. R&R n°40). Il faut noter que le nouveau bogie testé jusqu’ici à 300 km/h a atteint progressivement sans le moindre problème les 570 km/h.

Une campagne d’essais sans aucun incident notable

Louis-Marie Cléon insiste sur ce point : « La rame et l’infrastructure ont été truffées de plus de 800 points de mesures tant pour la sécurité que pour l’enrichissement des connaissances. Nous avons notamment surveillé de près les essieux, dont les données sur le comportement dynamique étaient dépouillées après chaque marche. »

Efforts transversaux et longitudinaux et adhérence ont été passés au crible après chaque essai et, en corrélation avec les observations, des travaux de nuit ont été réalisés sur la voie à plusieurs reprises pour en améliorer le profil. Des capteurs de températures surveillaient les boîtes d’essieux, les transformateurs et les moteurs. Mais c’est du côté du captage du courant que la préparation et les interventions ont été les plus fines. Déjà testé avec succès lors des essais à 360 km/h sur la ligne TGV Méditerranée, le pantographe CX monobande allait de nouveau donner des résultats remarquables (voir encadré).

L’ère des IGBT

La rame V 150 a battu son impressionnant record en développant une puissance totale de 19,6 MW (25 000 chevaux contre 12 500 chevaux pour un TGV conventionnel) combinant moteurs asynchrones et moteurs synchrones à aimants permanents qui équiperont le futur AGV d’Alstom. L’électronique de puissance utilisait la toute dernière génération : les IGBT (insulated gate bipolar transistor) qui équipent d’ores et déjà les rames POS.

Cette motorisation supplémentaire pose, pour le futur, la question du poids par essieu : statique ou dynamique ? Lors des essais V360, des gueuses avaient été rajoutées afin de simuler une charge de 18 t. à l’essieu. « Grâce aux capteurs, nous avons également pu mesurer une différence de comportement entre essieu moteur et essieu tracté : le premier attaque la voie de manière plus importante, les effets dynamiques sont plus élevés », souligne Louis-Marie Cléon.

Les effets aérodynamiques

À cette vitesse, l’aérodynamique est le facteur primordial, tous les phénomènes physiques étant proportionnels à V2. Carénages, bavettes et bourrelets caoutchouc ont permis de l’optimiser sur la rame et d’atténuer les phénomènes de turbulence. Le coefficient de traînée (Cx) de la rame a pu ainsi être amélioré de près de 15 %, la résistance à l’avancement devenant à cette vitesse un élément essentiel. Par ailleurs, pour les observateurs postés le long du parcours, le bruit de fusée caractéristique produit par la rameV 150 donnait la mesure des puissances acoustiques produites par le déplacement d’air. Pressions intercaisses, écoulement sous la rame, surpressions sous les ponts ont été mesurés et permettront probablement une meilleure connaissance des effets aérodynamiques.

« L’envol de ballast est toutefois l’un des problèmes qui restera à résoudre, explique Louis-Marie Cléon. Le dessous de la rame a été caréné afin de limiter les turbulences, et nous savons qu’en abaissant le niveau du ballast, nous réduisons les risques. » La voie avait par ailleurs été nettoyée par soufflage afin d’évacuer d’éventuels grains de ballast qui auraient pu échapper au bourrage.

Accélérer puis freiner

Une fois atteints les 574,8 km/h, la rame du record a cessé d’accélérer et roulé sur l’erre. Engager le freinage à cette vitesse aurait provoqué une altération inutile des garnitures et des disques. « Nous avons sollicité le freinage rhéostatique, le freinage par récupération n’étant pas envisageable dans la section suralimentée en 32 kv. »

Pendant la campagne d’essais, un incident mineur permettra pourtant un test imprévu du freinage d’urgence. La rame V150 était équipée pour l’occasion de garnitures haute puissance capables d’encaisser jusqu’à 36 Mégajoules au lieu des 18 des équipements conventionnels. Après le freinage, les ingénieurs ont pu constater la parfaite intégrité des garnitures et des disques. Ni déformation, ni fissure.

À noter que la zone d’essai, autour de Meuse TGV et avant Châlons-en-Champagne, avait été choisie dans le sens est-ouest en raison d’un profil qui permettait une accélération continue maximale et une zone de décélération suffisante.

La route est désormais ouverte pour la prochaine génération de rames à grande vitesse. Les essais concluants à 360 km/h en unité multiple et la campagne réussie du record du monde, placent la SNCF en leader mondial d’une technologie performante et sécuritaire.