Train à sustentation magnétique

Le Japon développe un projet de train appelé Shinkansen Chūō. Sur une ligne d'essai de 42,8 km, située dans la préfecture de Yamanashi, le prototype atteint 590 km/h le 16 avril 2015[10], puis 603 km/h le 21 avril suivant[11]. L'objectif est de construire une ligne assurant la liaison Tokyo-Ōsaka (400 km à vol d'oiseau) en une heure (travaux en cours depuis octobre 2014) ; l'ouverture du premier tronçon Tokyo-Nagoya est prévue en 2027 et celle du second tronçon Nagoya-Osaka en 2037 avec l'aide de fonds publics (à l'origine, l'ouverture était prévue en 2045 pour le second tronçon).

Début 2010, la compagnie JR Central a annoncé[12] vouloir développer le MAGLEV à l'étranger, avec deux compagnies américaines[13]. La compagnie estimait en 2010 que 150 sites dans le monde sont des marchés potentiels pour le Shinkansen ou le SCMaglev, dont entre Tampa, Orlando et Miami, entre Las Vegas et Los Angeles, au Texas et dans le Midwest, ou entre Baltimore et Washington, D.C., entre Chattanooga et Atlanta, ou encore en Pennsylvanie, éventuellement en bénéficiant d'une partie des 8 milliards de dollars promis le 28 janvier 2010 par le Président Barack Obama pour des projets innovants et économes en énergie de lignes à grande vitesse.

Le Transrapid était un projet allemand réalisé par plusieurs sociétés dont Siemens et MBB qui avait réalisé le premier prototype dans les années 1970.

• Le projet de liaison de la gare centrale de Munich avec l'aéroport Franz-Josef-Strauss a été abandonné en 2008[2].
• Un projet de ligne de Berlin à Hambourg avait été approuvé en 1994 mais a aussi été abandonné par la suite, faute de soutien financier de l'État.

• En Chine, en mars 2006, le lancement d'une nouvelle ligne de 175 km est annoncé : elle doit prolonger la ligne existante jusqu'à la ville touristique de Hangzhou. Cependant, une nouvelle ligne ferroviaire a été construite entre-temps sur le même itinéraire.

Le projet futuriste Swissmetro fait appel aux mêmes procédés mais les double par l'utilisation de tunnels sous vide partiel d'air. Ceci a l'avantage de réduire la friction de l'air qui devient très importante au-delà de 150 km/h[14]. Il a été abandonné en 2009.

Une suspension électromagnétique (EMS) est utilisée pour faire léviter le Transrapid sur sa voie, de façon à permettre une vitesse supérieure aux trains à roues[15]^,[16]

Dans les systèmes de suspension électromagnétique (EMS), le train enveloppe la voie. Des matériaux magnétiques sont disposés sur la partie inférieure de la voie. Des électroaimants sont fixés au train sous la voie et orientés vers le haut pour soulever le train. Le système est généralement disposé sur une série de bras en forme de C, la partie supérieure du bras étant fixée au véhicule, et le bord intérieur inférieur contenant les électroaimants. Le train repose sur la voie uniquement à l'arrêt et un système de contrôle asservi des électroaimants soulève le train lors de la mise en route. Certains systèmes combinent des aimants permanents et des électroaimants afin de diminuer la taille de ceux-ci et de leur électronique de contrôle[17].

L'attraction magnétique varie de manière inverse au carré de la distance, de sorte que des changements mineurs de distance entre les aimants et le rail produisent des variations de forces importantes. Ces changements de force sont dynamiquement instables - un léger écart par rapport à la position optimale a tendance à augmenter, ce qui nécessite des systèmes de rétroaction sophistiqués pour maintenir une distance constante par rapport au rail, (environ 15 mm)[18]^,[19].

Le principal avantage des systèmes suspendus à électroaimants est qu'ils fonctionnent à toutes les vitesses, contrairement aux systèmes électrodynamiques qui ne fonctionnent qu'à partir d'une vitesse minimale. Cela élimine la nécessité d'un système de train d’atterrissage à basse vitesse et peut simplifier l'aménagement des voies. En revanche, l'instabilité dynamique exige des tolérances de réalisation de la voie très précises, ce qui peut compenser cet avantage. Eric Laithwaite craignait que pour respecter les tolérances requises, il faille augmenter l'écart entre les aimants et le rail au point où les aimants seraient d'une taille déraisonnable[20]. En pratique, ce problème a été résolu grâce à des systèmes de rétroaction améliorés, qui prennent en charge les tolérances requises mais la distance moyenne à la voie est généralement inférieure à celle des systèmes électrodynamiques.

La suspension EDS du SCMaglev japonais est alimentée par les champs magnétiques induits de chaque côté du véhicule par le passage des aimants supraconducteurs du véhicule.

Mouvement d'un Maglev EDS par bobines de propulsion

Dans une suspension électrodynamique (EDS), la voie est constituée de matériaux conducteurs en principe amagnétiques (cuivre ou aluminium). Le déplacement d'aimants contenus dans le train induit un courant électrique dans la voie et donc un champ magnétique qui interagit avec les champs magnétiques des aimants du train. Le train est mis en lévitation et centré par les interactions entre ces champs magnétiques[21]. Dans certaines configurations, le train ne peut être mis en lévitation que par des forces répulsives. Dans les premiers stades de développement du SCmaglev sur la piste d'essai de Miyazaki, un système purement répulsif a été utilisé puis a évolué vers un système mélangeant forces d'attraction et de répulsion[22]. Le champ magnétique est produit soit par des aimants supraconducteurs (comme dans le SCMaglev), soit par un réseau d'aimants permanents (comme dans la voie de type en:Inductrack). Les forces répulsives et attractives entre la voie et le train sont créés par les champs magnétiques dans la voie obtenus par induction électromagnétique dans des boucles réalisées avec des fils ou des empilements de bandes en matériau conducteur.

L'un des principaux avantages des systèmes Maglev EDS est qu'ils sont dynamiquement stables – les changements de distance entre la piste et les aimants créent de fortes forces pour ramener le système à sa position initiale[20]. En outre, la force d'attraction varie de manière inverse, ce qui permet d'obtenir les mêmes effets de réglage. Aucun contrôle actif de la rétroaction n'est nécessaire mais des résonances sont possibles parce qu'il y a peu d'amortissement.

Cependant, à faible vitesse, le courant induit dans ces bobines et le flux magnétique qui en résulte ne sont pas assez importants pour faire léviter le train. Pour cette raison, le train doit avoir des roues ou une autre forme de train d'atterrissage pour soutenir le train jusqu'à ce qu'il atteigne la vitesse de décollage. Étant donné qu'un train peut s'arrêter à n'importe quel endroit, en raison de problèmes d'équipement par exemple, l'ensemble de la voie doit pouvoir supporter à la fois une exploitation à basse et à haute vitesse.

Un autre inconvénient est que le système EDS crée naturellement un champ dans la voie à l'avant et à l'arrière des aimants de levage, qui agit contre les aimants et crée une traînée magnétique. Ceci n'est généralement préoccupant qu'à basse vitesse, et c'est l'une des raisons pour lesquelles JR a abandonné un système purement répulsif et a adopté le système de lévitation avec des parois latérales[22]. À plus haute vitesse, les autres modes de traînée dominent[20].

La force de traînée peut toutefois être utilisée à l'avantage du système électrodynamique, car elle crée une force variable dans les rails qui peut être utilisée comme système réactionnel pour entraîner le train, sans qu'il soit nécessaire de disposer d'une plaque de réaction séparée, comme dans la plupart des systèmes à moteur linéaire. Laithwaite a dirigé le développement de tels systèmes de "flux transversal" dans son laboratoire de l'Imperial College.[20] Une autre solution consiste à utiliser des bobines de propulsion sur le rail de guidage pour exercer une force sur les aimants du train et faire avancer celui-ci. Les bobines de propulsion qui exercent une force sur le train sont en fait un moteur linéaire : un courant alternatif dans les bobines génère un champ magnétique variant continuellement qui avance le long de la voie. La fréquence du courant alternatif est synchronisée pour correspondre à la vitesse du train. Le décalage entre le champ exercé par les aimants sur le train et le champ appliqué crée une force qui fait avancer le train.

La conception d'un train à sustentation magnétique ne concerne pas uniquement les véhicules, mais aussi le système ferroviaire, spécifiquement conçu pour la lévitation et la propulsion magnétique. Toutes les mises en œuvre opérationnelles de la technologie à sustentation magnétique ont des roues basiques et ne sont pas compatibles avec les voies ferrées conventionnelles. Comme ils ne peuvent pas partager l'infrastructure existante, les systèmes à sustentation magnétique doivent être conçus comme des systèmes autonomes. Le système à sustentation magnétique SPM est interopérable avec les voies ferrées en acier et permettrait aux véhicules à sustentation magnétique et aux trains conventionnels de circuler sur les mêmes voies. MAN en Allemagne a également conçu un système de train à sustentation magnétique qui fonctionnait avec des rails conventionnels, mais son développement n'a pas abouti[20].

Chaque principe de lévitation magnétique pour les voyages en train comporte des avantages et des inconvénients.

Ni la voie de type en:Inductrack ni la suspension EDS à supraconducteurs ne sont capables de faire léviter les véhicules à l'arrêt, bien que l'Inductrack assure la lévitation à une vitesse beaucoup plus faible; des roues sont nécessaires pour ces systèmes. Les systèmes EMS n'ont pas de roues.

Le Transrapid allemand, le HSST japonais (Linimo), et coréen Rotem. Les trains à sustentation magnétique de type EMS lévitent à l'arrêt, l'électricité étant extraite du rail de guidage à l'aide de rails électriques pour les deux derniers, et sans fil pour le Transrapid. En cas de perte d'énergie sur la voie de guidage pendant le déplacement, le Transrapid est toujours capable de générer de la lévitation jusqu'à une vitesse de 10 km/h, ^{[citation nécessaire]} en utilisant l'énergie des batteries de bord. Ce n'est pas le cas des systèmes HSST et Rotem.

Les systèmes EMS tels que HSST/Linimo peuvent fournir à la fois la lévitation et Propulsion en utilisant un moteur linéaire embarqué. Mais les systèmes EDS et certains systèmes EMS tels que Transrapid lévitent mais ne propulsent pas. Ces systèmes ont besoin d'une autre technologie pour la propulsion. Un moteur linéaire (bobines de propulsion) monté dans la voie est une solution. Sur de longues distances, l'équipement de toute la voie avec des bobines a un coût très important.

Le théorème d'Earnshaw montre qu'aucune combinaison d'aimants statiques ne peut être en équilibre stable[29]. Par conséquent, un champ magnétique dynamique (variant dans le temps) est nécessaire pour atteindre la stabilisation. Les systèmes EMS reposent sur un régulateur de tension électronique actif qui mesure en permanence la distance d'appui et ajuste le courant de l'électroaimant en conséquence. Les systèmes EDS s'appuient sur des champs magnétiques changeants pour créer des courants, ce qui peut donner une stabilité passive.

Comme les véhicules à sustentation magnétique volent essentiellement, une stabilisation du tangage, du roulis et du lacet est nécessaire. En plus de la rotation, les sursauts (mouvements vers l'avant et vers l'arrière), les oscillations (mouvements latéraux) ou les soulèvements (mouvements vers le haut et vers le bas) peuvent être problématiques.

Les aimants supraconducteurs d'un train au-dessus d'une voie constituée d'un aimant permanent verrouillent le train dans sa position latérale. Il peut se déplacer linéairement le long de la voie, mais pas hors de la voie. Cela est dû à l'effet Meissner et au pinning du flux.

Certains systèmes utilisent des systèmes à courant nul (aussi appelés parfois systèmes à flux nul)[21]^,[30]. Ces systèmes utilisent une bobine qui est enroulée de manière à entrer dans deux champs opposés et alternatifs, de sorte que le flux moyen dans la boucle est nul. Lorsque le véhicule est en position de marche en ligne droite, aucun courant ne circule, mais tout mouvement hors ligne crée un flux qui génère un champ qui le pousse/tire naturellement en ligne.

Certains systèmes (notamment le système Swissmetro) proposent l'utilisation de la technologie des trains a tube sous vide d'air, ce qui supprime la traînée aérodynamique. Cela pourrait permettre d'augmenter considérablement la vitesse et l'efficacité, car la majeure partie de l'énergie des trains à sustentation magnétique classiques est perdue en raison de la traînée aérodynamique[31].

Un risque potentiel pour les passagers des trains circulant dans des tubes sous vide est qu'ils pourraient être exposés au risque de dépressurisation de la cabine, à moins que les systèmes de surveillance de la sécurité du tunnel ne puissent re-pressuriser le tube en cas de dysfonctionnement ou d'accident du train ; cependant, comme les trains sont susceptibles de circuler à la surface de la terre ou à proximité, le rétablissement d'urgence de la pression ambiante devrait être simple. La RAND Corporation a décrit un train à tubes sous vide qui pourrait, en théorie, traverser l'Atlantique ou les États-Unis en 21 minutes environ[32].

L'énergie des trains à sustentation magnétique est utilisée pour accélérer le train. L'énergie peut être récupérée lorsque le train ralentit grâce au freinage régénératif. Elle permet également de faire léviter et de stabiliser le mouvement du train. La majeure partie de l'énergie est nécessaire pour surmonter la traînée aérodynamique. Une partie de l'énergie est utilisée pour la climatisation, le chauffage, l'éclairage et autres.

À basse vitesse, le pourcentage de puissance utilisé pour la lévitation peut être important, consommant jusqu'à 15 % de plus qu'un métro ou un train léger[33]. Pour de courtes distances, l'énergie utilisée pour l'accélération peut être considérable.

La puissance utilisée pour vaincre la traînée de l'air augmente avec le cube de la vitesse et domine donc à grande vitesse. L'énergie nécessaire par unité de distance augmente avec le carré de la vitesse et le temps diminue de façon linéaire. Par exemple, il faut 2,5 fois plus de puissance pour voyager à 400 km/h que pour 300 km/h[34].

Les avions tirent parti de la pression atmosphérique et des températures plus basses en naviguant en altitude pour réduire la consommation d'énergie, mais contrairement aux trains ils doivent transporter du carburant à bord. Cela a conduit à la suggestion d'utiliser des trains à sustentation magnétique dans des tubes sous vide d'air partiel ou des tunnels alimentés avec de l'énergie provenant de sources renouvelables.

Le transport par train à sustentation magnétique est sans contact et fonctionne à l'électricité. Il repose moins ou pas du tout sur les roues, les roulements et les essieux communs aux systèmes ferroviaires à roues[35].

• Vitesse : le train à sustentation magnétique permet des vitesses de pointe plus élevées que le rail conventionnel, mais certains trains à grande vitesse sur roues ont démontré des vitesses similaires en exploitation normale.
• Entretien : les trains à sustentation magnétique actuellement en service ont montré que l'entretien des voies de guidage était faible. L'entretien des véhicules est également faible (basé sur les heures de fonctionnement, plutôt que sur la vitesse ou la distance parcourue). Le rail traditionnel est soumis à une usure mécanique qui augmente rapidement avec la vitesse, ce qui augmente également la maintenance. Par exemple: l'usure des freins et des caténaires a causé des problèmes pour le Fastech 360 rail Shinkansen. Le train à sustentation magnétique permettrait d'éliminer ces problèmes.
• Météo : le train à sustentation magnétique sont peu affectés par la neige, la glace, le froid intense, la pluie ou les vents violents. Cependant, ils n'ont pas fonctionné dans les conditions aussi variées que les systèmes ferroviaires traditionnels basés sur la friction. Les véhicules à lévitation magnétique accélèrent et décélèrent plus vite que les systèmes mécaniques, indépendamment de l'épaisseur du rail de guidage ou de la pente de la voie, car ce sont des systèmes sans contact[35].
• La voie : les trains Maglev ne sont pas compatibles avec les voies conventionnelles, et nécessitent donc une infrastructure sur mesure pour l'ensemble de leur parcours. En revanche, les trains à grande vitesse conventionnels tels que le TGV peuvent circuler, bien qu'à vitesse réduite, sur l'infrastructure ferroviaire existante, ce qui réduit les dépenses là où de nouvelles infrastructures seraient particulièrement coûteuses (comme les approches finales des terminaux urbains), ou sur des extensions où le trafic ne justifie pas de nouvelles infrastructures. John Harding, ancien responsable scientifique des trains à sustentation magnétique de l' Administration fédérale des chemins de fer US, a affirmé que des infrastructures de train à sustentation magnétique séparées sont plus que rentables avec des niveaux plus élevés de disponibilité opérationnelle par tous les temps et des coûts de maintenance nominaux. Ces affirmations doivent encore être prouvées dans un contexte opérationnel intense et elles ne tiennent pas compte des coûts de construction plus élevés des trains à sustentation magnétique.
• L'efficacité : le rail conventionnel est probablement plus efficace à faible vitesse. Mais en raison de l'absence de contact physique entre la voie et le véhicule, les trains à sustentation magnétique n'ont aucune résistance au roulement, ne laissant que la traînée aérodynamique et la traînée électromagnétique, ce qui peut améliorer l'efficacité énergétique[36]. Certains systèmes, cependant, tels que la Central Japan Railway Company SCMaglev utilisent des pneus en caoutchouc à basse vitesse, ce qui réduit les gains d'efficacité.^{[citation nécessaire]}
• Poids : les électroaimants de nombreux modèles de SGE et de SDE nécessitent entre 1 et 2 kilowatts par tonne[37]. L'utilisation d'aimants supraconducteurs peut réduire la consommation d'énergie des électroaimants. Un véhicule Transrapid Maglev de 50 tonnes peut soulever 20 tonnes supplémentaires, pour un total de 70 tonnes, ce qui consomme 70 -¹⁴⁰ kW^hp.^{[citation nécessaire]} La plupart de l'énergie utilisée pour le TRI sert à la propulsion et à surmonter la résistance de l'air à des vitesses supérieures à 160 km/h.^{[citation nécessaire]}
• Répartition de masse : une voie 'normale' à grande vitesse nécessite plus de support et de construction à cause de sa charge concentrée sur les roues. Les voitures à sustentation magnétique sont plus légères et leur poids est réparti de manière plus uniforme[38].
• Bruit : comme la principale source de bruit d'un train à sustentation magnétique provient de l'air déplacé plutôt que du contact des roues avec les rails, les trains à sustentation magnétique font moins de bruit qu'un train conventionnel à vitesse équivalente. Cependant, le profil psychoacoustique du train à sustentation magnétique peut réduire cet avantage : une étude a conclu que le bruit du train à sustentation magnétique devrait être évalué comme celui du trafic routier, alors que les trains conventionnels connaissent un « bonus » de 5-10 dB, car ils sont considérés comme moins gênants au même niveau sonore[39]^,[40]^,[41].
• Fiabilité des aimants : les aimants supraconducteurs sont généralement utilisés pour générer les puissants champs magnétiques qui font léviter et propulser les trains. Ces aimants doivent être maintenus en dessous de leur température critique (celle-ci varie de 4,2 kelvin à 77 kelvin, selon le matériau). Les nouveaux alliages et les nouvelles techniques de fabrication des supraconducteurs et des systèmes de refroidissement ont permis de résoudre ce problème.
• Systèmes de contrôle : aucun système de signalisation n'est nécessaire pour les trains à grande vitesse, car ces systèmes sont contrôlés par ordinateur. Les opérateurs humains ne peuvent pas réagir assez vite pour gérer ces trains à grande vitesse. Les systèmes à grande vitesse nécessitent des droits de passage spécifiques et sont généralement surélevés. Des tours de communication doivent être en contact permanent avec les trains. Il n'y a pas non plus besoin de sifflets ou de klaxons pour les trains.
• Terrain : les trains à sustentation magnétique sont généralement capables de monter des pentes plus importantes, offrant plus de flexibilité sur le choix de la route et une réduction du nombre de tunnels[38]. Cependant, leur grande vitesse et leur besoin accru de contrôle rendent difficile l'adaptation d'un maglev avec un terrain complexe, comme une colline incurvée. Les trains traditionnels peuvent plus facilement suivre le flanc d'une colline ou serpenter dans une forêt.

Différences entre l'avion et le voyage en train à sustentation magnétique :

• Efficacité : Pour les systèmes à sustentation magnétique, le rapport entre la portance et la traînée peut dépasser celui des avions (par exemple la voie de type en:Inductrack peut approcher un ratio de 200:1 à grande vitesse, meilleur que celui de n'importe quel avion). Cela peut rendre les trains à sustentation magnétique plus efficaces au kilomètre. Cependant, à des vitesses de croisière élevées, la traînée aérodynamique est beaucoup plus importante que la traînée induite par la voie. Les avions à réaction profitent de la faible densité de l'air à haute altitude pour réduire considérablement la traînée aérodynamique. Par conséquent, malgré leur désavantage en termes de rapport entre la portance et la traînée, ils peuvent se déplacer plus efficacement à grande vitesse que les trains maglev qui opèrent au niveau de la mer ^{[citation nécessaire]}.
• Choix des parcours : les trains à sustentation magnétique offrent des temps de parcours compétitifs pour des distances de 800 km ou moins. En outre, les ascenseurs peuvent facilement desservir des destinations intermédiaires.
• Disponibilité : les trains à sustentation magnétique sont peu affectés par la météo ^{[citation nécessaire]}.
• Temps total de voyage : les trains à sustentation magnétique ne sont pas soumis aux protocoles de sécurité étendus auxquels sont confrontés les voyageurs aériens, et il n'y a pas de temps de roulage ou de file d'attente pour le décollage et l'atterrissage^{[citation nécessaire]}.

• Transrapid de Shanghai : premier service de train à sustentation magnétique commercial au monde.
• SCMaglev
• Aérotrain français circulant sur un rail de béton sur coussin d'air.
• Liste des monorails dans le monde
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• (en) IMB International Maglev Board

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