اليابان تسابق المستقبل بقطارات الطلقة فائقة التطور!

منذ البدء بتسيير قطارات الشينكانسن اليابانية في عام 1964، تم بناء شبكة من السكك الحديدية تبلغ 3280 كيلومترا في الساعة(*١))من هوكايدو شمالا إلى كيوشو جنوبا. وباستثناء قطارات ميني شينكانسن (قطارات الطلقة المصغرة)، تسير قطارات الشينكانسن بسرعة تزيد على 200 كيلومتر في الساعة وفي مقدمتها قطار توهوكو شينكانسن الذي يسير بسرعة 320 كيلومترا في الساعة. وفي الوقت الحالي، يستمتع حوالي 420 مليون شخص سنويا بمعدل 1.15 مليون شخص يوميا (إحصاءات العام المالي 2016) بالانتقال السريع والمريح الذي توفره قطارات الشينكانسن.

البدء بتطوير الجيل القادم من قطارات الشينكانسن

القاطرات هي عنصر مهم من أجل بناء نظام نقل باستخدام الشينكانسن. ولا غنى عن الأداء العالي للسرعة، والأمان، والراحة، وتوفير الطاقة، والاعتبارات البيئية في القاطرات. ومن الممكن تقسيم قطارات الشينكانسن التي استوفت هذه الشروط الصارمة إلى مجموعتين رئيسيتين. الأولى هي مجموعة مخصصة للمناطق الدافئة مثل ”توكايدو“، ”سانيو“، ”كيوشو“ وغيرها. والثانية هي مجموعة مخصصة للمناطق الباردة والتي تتراكم فيها الثلوج مثل ”توهوكو“، ”جوئتسو“، ”هوكوريكو“، ”ياماغاتا“، ”أكيتا“ وغيرها. وبالنسبة للقاطرات التي تمثل القوة الرئيسية في الشينكانسن، يتم استخدام قاطرات N700A في شينكانسن توكايدو وشينكانسن سانيو في المجموعة الأولى، وقاطرات من طراز E5 وطراز H5 في شينكانسن توهوكو وشينكانسن هوكايدو في المجموعة الثانية.

كان أول ظهور لطراز N700A في عام 2013، حيث كان ذلك بعد مضي 11 عاما منذ الظهور الأول لطراز N700 في عام 2007. وبالنسبة لطراز E5 وطراز H5، فقد كان الظهور الأول لطراز E5 في عام 2011، ومنذ ذلك الحين تم تسييرها لمدة سبع سنوات. وبالنظر إلى تربع القاطرات من طرازات N700A وE5 وH5 على عرش القاطرات التي تعتبر القوة المحركة الرئيسية لمدة طويلة، فإنه يمكن القول إنها وصلت إلى مرحلة الاكتمال النهائية تقريبا كقاطرات للشينكانسن.

وفي ظل ذلك، قامت كل من شركة JR توكاي التي قامت بتطوير N700A وشركة JR شرق اليابان التي قامت بتطوير طرازات E5 وH5، قامتا بالإعلان عن العمل على تطوير قاطرات الجيل القادم خلال الفترة من عام 2016 إلى عام 2017. وأولا ستقوم كلتا الشركتين بصنع قاطرة اختبار، أي قاطرة اختبار N700S لشركة JR توكاي، وقاطرة من طراز E956 يطلق عليها ”ALFA-X“ لشركة JR شرق اليابان. وقد تم الانتهاء من صنع N700S في شهر مارس/آذار من عام 2018، ومن المخطط أن يتم الانتهاء من صنع ALFA-X في ربيع عام 2019. ومن خلال معرفة التحديثات التي تم اعتمادها في N700S وALFA-X، والهدف من تطويرها، يمكننا تصور شكل الشينكانسن الذي سيظهر في العشرينيات من القرن الحالي.

التركيز على تخفيف الوزن وتصغير الحجم

لأول وهلة تبدو قاطرة N700S أنها لا تختلف كثيرا عن قاطرة N700A العادية. لأنه تم ترك الهيكل الأساسي المتمثل بجسم القاطرة كما هو، وتم تطويرها من مفهوم يهدف إلى القيام بتحسينات مختلفة من خلال إدخال أجهزة وأنظمة حديثة. وعلى الرغم من عدم وجود تغير ملموس، فإن التحديثات التي تم اعتمادها في N700S كثيرة. والميزة الأكبر التي تم اعتمادها هي التركيز على تخفيف وزن وتصغير حجم الأجهزة التي تم تركيبها أسفل القاطرات.

تغيرات قاطرات شينكانسن توكايدو وسانيو

اللون الأصفر هي قاطرات تمتلكها شركة غرب اليابان للسكك الحديدية. القاطرات الأخرى هي قاطرات تمتلكها كل من شركة توكاي للسكك الحديدية وشركة غرب اليابان للسكك الحديدية.

وبالحديث من منظور تخفيف الوزن، فإن القاطرات الكهربائية التي تحتوي على محرك كهربائي تصبح أخف بحوالي 140 كليوغراما للمحرك، و75 كيلوغراما لعربة العجلات، وهو ما مجموعه 215 كيلوغراما. وبما أن وزن القاطرة الكهربائية الواحدة هو حوالي سبعة أطنان، فإن تخفيف الوزن لا يتجاوز 3%، ولكن في حالة قاطرات الشينكانسن فإنه يتم فعل المستحيل من أجل تخفيف الوزن بمقدار غرام واحد، لذلك يمكن القول إنه تم تحقيق تخفيف كبير في الوزن.

ومن خلال تخفيف وزن الأجهزة، من الممكن تحقيق سير بسرعة أعلى من القاطرة العادية وبنفس قوة الدفع. كما يتم تحسين استهلاك الطاقة لأنه يتم استهلاك طاقة كهربائية أقل. ولأنه يتم تخفيف الضجيج والاهتزاز أثناء السير في القاطرات الخفيفة، فإنه من المتوقع أن يتم التخفيف من تأثير الضجيج على المناطق المجاورة للسكك الحديدية، مع زيادة الراحة داخل القطار.

والمحاسن الناتجة عن تصغير الحجم كثيرة أيضا. حيث أصبحت الأجهزة الكهربائية التي يتم تركيبها أسفل القاطرات كالمحولات الكهربائية وغيرها صغيرة، وأصبح من الممكن تركيب الأجهزة الكهربائية التي كانت تتطلب مساحة ثلاث قاطرات في قاطرة واحدة.

إدخال بطاريات تخزين كبيرة السعة في المساحات الخالية

إن ما يجب الانتباه له هو طريقة استغلال المساحات الخالية الناتجة عن تصغير حجم الأجهزة. حيث قامت شركة JR توكاي بإدخال بطاريات ليثيوم بسعة تخزينية كبيرة، إلى درجة قدرة القاطرة على السير باستخدام طاقة البطاريات فقط، وسيتم القيام بالتجارب عليها في المستقبل. وفي حال تم تطبيق ذلك بشكل عملي، فمن المؤكد أن تتمكن من تجنب الظروف الطارئة كالتوقف داخل نفق أو فوق جسر معلق لأنها تستطيع السير بطاقة البطاريات فقط حتى لو انقطع إمداد التيار الكهربائي من الأسلاك العلوية.

لم تتطرق شركة JR توكاي إلى ذلك أبدا، ولكن أعتقد أن هناك محاسن مختلفة لإدخال بطاريات بسعة تخزينية كبيرة. فإذا أصبح من الممكن تخزين الطاقة الكهربائية المتولدة من مكابح توليد الطاقة الكهربائية (regenerative brake)، فإنه يصبح من الممكن استخدام هذه المكابح في حالات الطوارئ أيضا وليس فقط في الحالات العادية.

إن مكابح توليد الطاقة الكهربائية2 التي تقوم بتبطيء دوران محور نقل الحركة من خلال قوة مقاومة المحرك كمولد كهربائي تماثل مكابح المحرك في السيارة، ومن الممكن بواسطتها الحصول على قوة تحكم مستقرة خاصة عند السرعات العالية. ولكن، في الوقت الحالي لا تستخدم كل قاطرات الشينكانسن مكابح توليد الطاقة الكهربائية عند حالات الطوارئ، وتعتمد على قرص المكابح الذي يقوم بإيقاف القاطرة من خلال قوة الاحتكاك. والسبب الأكبر في ذلك يعود إلى أن مكابح توليد الطاقة الكهربائية يجب أن تعيد الكهرباء المتولدة إلى الأسلاك العلوية، ولا يمكن استخدامها في وقت انقطاع التيار الكهربائي بسبب زلزال كبير أو غير ذلك. ولكن إذا كان من الممكن نقل الطاقة الكهربائية المتولدة إلى بطارية التخزين، فسيكون من الممكن تشغيل مكابح توليد الطاقة الكهربائية حتى في وقت حدوث زلزال كبير، وتقصير مسافة التوقف ووقت التحكم.

السعي إلى تحقيق سرعة 360 كم في الساعة

بالمقابل، يتنوع مفهوم تطوير الجيل القادم من قاطرات ALFA-X لشركة شرق اليابان للسكك الحديدية بين السلامة، والاستقرار، والراحة، والأداء البيئي، وتحسين الصيانة. والهدف الأكبر للتطوير هو زيادة السرعة القصوى، حيث يقال إنه ستتم دراسة إمكانية السير بسرعة تبلغ 360 كم في الساعة باستخدام هذه القاطرة.

تغيرات قاطرات شينكانسن توهوكو وهوكايدو

اللون الأحمر هي قاطرات تمتلكها شركة هوكايدو للسكك الحديدية. القاطرات الأخرى هي قاطرات تمتلكها شركة شرق اليابان للسكك الحديدية.
القاطرة من طراز E956 (ALFA-X) هي قاطرة اختبار. لم يتم تحديد اسم طراز قاطرة التشغيل.

تمت دراسة السير بسرعة 360 كم في الساعة عند تطوير طراز E5 وطراز H5 أيضا. ولكن، لم يتم تحقيق ذلك بسبب ارتفاع تكلفة التشغيل الناتجة عن ازدياد استهلاك الطاقة الكهربائية، بالإضافة إلى قضية التدابير البيئية من أجل التقليل من الضجيج والاهتزاز.

قامت شركة شرق اليابان للسكك الحديدية بالإفصاح عن تحسين استهلاك الطاقة عند تطوير ALFA-X، ولكن على الرغم من عدم توضيح التفاصيل، يُعتقد أنها ستقوم بتخفيف وزن المعدات والأجهزة. وفي نفس الوقت ستقوم بتحسين قرص المكابح وشكل ناقل الطاقة الكهربائية الذي يقوم بأخذ الطاقة الكهربائية من الأسلاك العلوية، وتقليل الأصوات الديناميكية التي تحتل جزءا كبيرا في الضوضاء الناتجة عند سير القاطرات.

وأيضا أود لفت الانتباه إلى جهاز الحد من الاهتزاز العامودي الذي سيتم اعتماده لأول مرة لتحسين راحة الركوب. حيث يقوم هذا الجهاز بتخفيف الاهتزاز على الفور عند استشعار الاهتزاز العامودي للقاطرة. وقد تم إدخال أجهزة الحد من الاهتزاز الأفقي في القاطرات التي تم استخدامها حتى الآن، ولكن من خلال جهاز الحد من الاهتزاز هذا فإنه ربما سيتم تحسين راحة الركوب أكثر حتى لو تم زيادة السرعة.

تصور لقاطرة اختبار ALFA-X (تقديم: شركة شرق اليابان للسكك الحديدية).

وفي هذه المرة قامت شركة شرق اليابان للسكك الحديدية والتي مرت بتجربة خروج شينكانسن جوئتسو عن السكة الحديدية أثناء السير بسبب زلزال كبير في الماضي، قامت بإدخال تدابير جديدة مقاومة للزلازل فيALFA-X . حيث يقوم ”مثبط الاهتزاز المقاوم للزلازل“ بالعمل فقط عند تلقي الاهتزاز القوي الناتج بسبب الزلزال، ويقوم بالحد من اهتزاز جسم القاطرة، ويجعل اهتزاز القاطرة التي تكون على وشك الخروج من السكة الحديدية بسبب الزلزال مستقرا.

وبالإضافة إلى ذلك، عادة ما يتم توصيل جسم القاطرة وعربة العجلات بقابس متين مع عدم وجود فراغات تقريبا، ولكن يتم أيضا اعتماد تجربة القيام بإحداث فراغات مؤقتة حول القابس بواسطة ”سدادة قابلة للإزالة“ تم إدخالها حديثا. فعند حدوث زلزال كبير يتم دفع السدادة التي تلقت الصدمة وتحطيمها، وبالتالي يتم تخفيف الصدمة من خلال توسيع الفراغات، ويصبح من الصعب انتقال اهتزاز جسم القاطرة إلى عربة العجلات. ونتيجة لذلك، يتم الحد من القوة الكبيرة التي تتولد بين العجلات والسكة الحديدية، ويتوقع أن يكون لذلك فاعلية في جعل خروج القاطرة عن مسارها أمرا صعبا.

تطوير قاطرة جديدة ليس فيها تغيير ملموس ولكنها ثابتة

من الممكن ملاحظة نقاط التحسين التي تشترك بها قاطرات N700S، وALFA-X. وهي القيام بإرسال البيانات المسجلة بشكل مفصل حول ظروف تشغيل المعدات والأجهزة التي تم إدخالها في القاطرة، وأيضا إرسال بيانات تسجيل كاميرات المراقبة التي تمت زيادة عددها على نطاق واسع وعلى الفور إلى مركز التحكم الشامل والذي يمثل مرفق السيطرة. وعلى الرغم من أن ذلك غير واضح، إلا أنه سيساهم بشكل كبير في تحسين سلامة واستقرار الشينكانسن. ومن وجهة نظري سأذهب خطوة أبعد من ذلك حيث أعتقد أنه يجب السعي إلى اتخاذ إجراءات عن بعد من مركز التحكم الشامل عند حدوث حالات مفاجئة كحدوث مشاكل في داخل القطار أو حدوث أعطال في الأجهزة.

وإذا وصفت ما يحاولون تحقيقه من خلال تطوير N700S، وALFA-X بجملة واحدة، سأقول إنه ”شينكانسن يستطيع القيام بالأشياء البديهية بشكل بديهي“. حيث لا يوجد شيء مبهر باستثناء زيادة السرعة. ولكن، ذلك يكفي. لأن الشينكانسن ليس شيئا يتنافس مع غيره من الأشياء. فلا توجد مشكلة إن كان يسير كما يسير دائما ولكن بسرعة أكبر من المعتاد، وبهدوء واهتزاز قليل، وبشكل موفر للطاقة.

(النص الأصلي باللغة اليابانية. صورة العنوان: القاطرة الجديدة ”N700S“ لشينكانسن توكايدو التي تم عرضها في محطة طوكيو JR،  23/6/2018. جيجي برس)