Record ou essai ? Un 380 km/h et un TGV bien particuliers en 1981.

IL est beaucoup question, en ce moment, du record du 26 février 1981, journée mémorable durant laquelle la rame TGV N°16 a roulé à 380 km/h sur la ligne nouvelle Paris-Sud-Est, peu avant son ouverture au service commercial qui aura lieu le 27 septembre de la même année. Ce record marque un terme, celui des essais – c’est le terme officiel de la SNCF – visant à ouvrir le réseau Français à ce que l’on appelle la grande vitesse. Elle passe, alors, pour être une création japonaise. Ce record met le réseau de la SNCF à la place qu’elle doit occuper. Mais c’est l’aboutissement et le parachèvement d’une longue histoire qui commence dans les années 1950, à une époque où, promis, juré, le chemin de fer, survivance archaïque et dépassée d’une période héroïque, n’avait plus aucun avenir. C’est ce que juraient les politiques et les « décideurs » qui ne voyaient l’avenir que sur fond de béton et de pétrole.

Rame TGV en 1981.

En finir avec le « cent quarante à l’heure ».

Les 17, 18, 19, 20 et 21 février 1954, entre Dijon et Beaune, la SNCF procède à une courte campagne d’essais, sans la présence de la presse, et dans un but purement interne et technique. La locomotive CC-7121 est à l’honneur et elle a pour mission de tester les marges de sécurité existant à la vitesse en service de 140 km/h, alors pratiquée par un certain nombre de trains rapides en traction électrique sur les grandes lignes du réseau. Avec une marge de sécurité de 100 km/h ajoutée aux 140 km/h, soit, ici, 243 km/h, la SNCF peut se dire confiante. Et elle a raison. Mais cette vitesse, sans que cela soit le but de l’opération, vient établir un nouveau record du monde. Difficile, alors, pour la SNCF, de rester discrète…

La vitesse maxima pratiquée en service courant sur les lignes de la S.N.C.F. est de 140 km/h dans les années 1950. Elle ne représente pas un progrès considérable par rapport aux années d’avant la Seconde Guerre mondiale, où le 140 km/h est déjà atteint et maintenu en traction vapeur sur certaines lignes du réseau du Nord, et où, aussi, elle l’est en traction électrique sur le réseau du Paris-Orléans et de l’Etat. Et on ne peut pas dire que, par rapport aux 120 km/h du XIXe siècle atteints par certains trains rapides légers, elle soit un progrès remarquable, mais ce que la vitesse ne dit pas, est que les poids des trains ont pratiquement triplé, passant de 200 à 600 tonnes entre les années 1880 et 1930, et atteignant 1000 tonnes après la Seconde Guerre mondiale, et l’exploit est bien d’avoir maintenu des vitesses moyennes et de pointe identiques.

Le « cent quarante à l’heure » réalisé, dans les années 1950, en particulier par le train « Mistral » entre Paris et Dijon avec des locomotives électriques qui sont, soit du type 2D2, soit du type CC, soit enfin, du type BB avec trois prototypes mis en service en 1953. Au cours d’essais antérieurs, on a pu réaliser, avec ces diverses machines, des vitesses maxima comprises entre 160 et 180 km/h, ce qui donne déjà une idée de la marge existant entre la vitesse de service et la vitesse maximale.

La CC-7137 en tête du Mistral des années 1960-1970. Le train est candidat au « club des 200 km/h », mais il lui faudra se limiter à un modeste 150 km/h, les infrastructures et le matériel de traction de l’époque ne permettant pas mieux.

Mais, d’après la Revue Générale des Chemins de fer de Mars 1954, les ingénieurs de la SNCF de l’époque ont besoin de rechercher avec plus d’exactitude la vitesse maximale des locomotives électriques en question, en vue de déterminer plus précisément la marge que présente la vitesse de service de 140 km/h adoptée, et qu’il n’est pas question d’augmenter pour l’instant, écrit-elle. Une telle détermination a pour intérêt, non seulement de chiffrer une sorte de coefficient de sécurité, mais en visant à établir un matériel capable de rouler de plus en plus vite, d’obtenir des locomotives qui, aux vitesses usuelles, exercent des efforts de plus en plus réduits, ce qui diminue les dépenses d’entretien de la machine et de la voie. A ce titre, les essais entrepris entraient dans le cadre des recherches de productivité et de réduction de prix de revient.

Le choix d’une CC.

Pour expérimenter ses locomotives électriques à la plus grande vitesse possible, la SNCF choisit une CC, en l’occurrence la CC-7121. On aura pu s’attendre à ce que soit une BB. Mais le choix en faveur de cette CC s’explique par le fait qu’elle offre la puissance disponible aux vitesses élevées et une vitesse de rotation possible des moteurs parfaitement adaptée sans modification des rapports d’engrenages. En outre, cette série de machines est suffisamment éprouvée et mise au point en ce qui concerne la stabilité depuis qu’elle est apparue en 1949, étudiée et construite par Alstom.

Les CC 7100 sont construites à 60 exemplaires pour la ligne Paris-Lyon et pour e renforcement du parc de la Région du Sud-Ouest en machines de vitesse. Elle constitue, à l’époque où les prototypes de la série sont mis en service, la première réalisation mondiale de locomotive électrique à grande puissance et à grande vitesse à adhérence totale destinée à remorquer effectivement, en service commercial à 140 km/h, les trains de voyageurs les plus lourds dont la charge atteint le millier de tonnes sur le réseau français. Elles supplantent dans les services nobles les fameuses locomotives à adhérence partielle du type 2D2 qui ont jusqu’alors constitué la totalité du parc à grande vitesse des anciens réseaux et de la SNCF.

Cinq journées d’essais pour un train assez ordinaire, à quelques détails près.

Le programme des essais est une série de marches à vitesses progressivement croissantes. Cinq jours d’essais sont prévus, en commençant, le premier jour, par la vitesse de 160 km/h, puis en réalisant, le second jour, 180 km/h, et en augmentant ainsi la vitesse de jour en jour. Après chaque essai, on examine l’état de la voie et on vérifie qu’aucune déformation n’a eu lieu. Au cours de l’essai, les ingénieurs mesurent, sur la machine, les efforts latéraux exercés par les premier et troisième essieux du bogie avant, qui sont les essieux susceptibles de développer les efforts les plus élevés. Ces mesures sont menées avec des appareils spéciaux mis au point par l’ingénieur Mauzin, avec le recours à des quartz piézo-électriques, et des enregistrements par oscillographes cathodiques. En principe, l’effort admissible, avant déformation de la voie, peut atteindre environ 7 tonnes pour un essieu de locomotive type CC-7100 chargé à 17 tonnes.

Le train d’essai est composé de la locomotive CC-7121 pesant 107 tonnes, et de trois voitures à voyageurs, de 37 tonnes chacune, prises parmi les voitures type A3B5 de 1950  conçues par l’ingénieur Forestier de la Direction des Etudes de Voitures de la SNCF, d’où leur appellation courante de « DEV ». Ces voitures métalliques sont montées sur des bogies  Y du type classique Pennsylvania 16E , mais modifiés par la SNCF pour que des appuis latéraux prennent en charge une partie des contraintes exercées par la caisse, ce qui introduit un frottement et un freinage de la rotation du bogie autour de son axe vertical. La stabilité des voitures est mesurée au cours de l’essai par l’enregistrement des accélérations latérales relevées avec des accéléromètres du type à quartz piézo-électrique, une voiture stable donnant des accélérations de l’ordre de 0,05 g à 0,10 g.

Les enseignements des essais.

Les essais sont effectués sur le parcours de Dijon  à Beaune entre les points kilométriques 314,3 et  351,2, sur une distance de 36, 9  km, en utilisant la voie 1, une voie pratiquement entièrement en palier, et qui comporte d’une manière générale des alignements avec quelques courbes au grand rayon 4 500 m au km 320, d’un plus grand rayon mesurant 5 200 m au km 332, et d’autres rayons un peu plus petits se situant entre 2850 et 4000 m sur le reste du parcours. Cette voie est du type unifié SNCF, armée en rails de 50 kg au mètre, avec un écartement de 1437 mm. Son état d’entretien est tel qu’il est assuré en service normal, sans aucune correction ou aucun entretien exceptionnel en vue des essais.

Les vitesses effectuées pendant les essais sont enregistrées à l’aide d’un appareil Flaman spécialement préparé pour les essais, et  sont vérifiées et confirmées par des mesures au chronomètre faits depuis le sol. Les vitesses maximales ont été atteintes dès la première partie du parcours, avant le point kilométrique 332, l’accélération la plus grande ayant été naturellement celle réalisée pour le dernier essai, à 243 km/h, où la vitesse a passé de 150 km/h, au point kilométrique 317, à 243 km/h au point kilométrique 331, sur 14 km et en 4 minutes, en absorbant une puissance de 2940 kW à la caténaire. Dans aucun cas, il n’a été constaté de déformation de la voie. Le relevé des efforts latéraux exercés sur le rail par le troisième essieu de la CC, qui est celui qui donne lieu aux efforts les plus élevés, établit que les efforts ont augmenté avec la vitesse, mais en restant dans des limites acceptables. En alignement, ces efforts sont restés notablement inférieurs à la limite de 7 tonnes, et n’ont atteint que la moitié de ce chiffre aux vitesses de 185 à 220 km/h. Dans les courbes de 3500 à 4000 m de rayon, et à 200 km/h, les efforts sont restés inférieurs au chiffre en question.

Les accélérations relevées pendant tous les essais sur la deuxième voiture sont restées de l’ordre de 0,06 g à 0,10 g, ce qui est très satisfaisant et pratiquement semblable à ce qu’on constate actuellement à la vitesse de 140 km/h en service courant. Il est vrai que les voitures sont récentes, ayant des parcours réduits depuis leur sortie de construction, mais on peut déduire des observations faites que, pour des bogies dont les jeux pourraient être maintenus près de leurs valeurs d’origine, le problème de la très grande vitesse, en alignement et en courbe de grands rayons, peut être considéré comme résolu notamment avec le nouveau modèle de bogie Y 20 qui sera en service dans les années qui suivent ces essais.

Au début des années 1980, la donne économique est toute autre pour le chemin de fer, tout comme l’opinion que le grand public et les « décideurs » ont de lui : tout a changé, et les dures et tristes années qui séparent la fin de la Seconde Guerre mondiale et le choc pétrolier de 1973 ont disparu pour laisser, sur fond de crise énergétique et de remise en question de tout un mode de vie, le premier rôle au chemin de fer s’il sait aller vite et se parer d’un certain nombre de vertus commerciales. Le TGV, dont le réseau est en cours de construction avec une première ligne de Paris à Lyon presque achevée, porte touts les espoirs de la SNCF, et même d’une nation. Il lui manque quelque chose qui le rende totalement médiatique et chatoyant : un record, dites-vous ? Ce sera fait le 26 février 1981.

La SNCF passe des « essais » au « records ».

Le terme de record, ici, a pleinement sa place. Il n’est plus question de ces « essais » que la SNCF fait dans un but purement technique, presque discrètement, au petit matin sur une ligne perdue et loin des médias. Certainement, en 1954, le 243 km/h a été, à tous points de vue, bénéfique pour la cause de la grande vitesse au sein de la SNCF, mais l’éclat médiatique a été des plus inaperçus, sauf pour les fabricants de trains-jouets… dont JEP qui mettra le numéro 7121 sur sa belle CC en « 0 » juste avant que la CC-7107 lui rafle la vedette. Certainement aussi, en 1955, les 331 km/h des deux locomotives CC-7107 et BB-9004, dans les Landes, ont attiré l’opinion mondiale sur les possibilités du chemin de fer, et donné à la France un rôle de leader qu’elle n’a jamais perdu dans ce domaine depuis, et la médiatisation de l’événement a été parfaite, avec le rôle de promoteur joué par l’ingénieur Fernand Nouvion qui savait parler aux journalistes et faire rêver ceux qui l’écoutaient. Mais il s’agit encore d’essais.

La BB-9004 lors des essais de 1955: image inoubliable.
La CC-7107 lors des mêmes essais, et une image tout aussi fascinante.

En 1980, tout est différent, désormais. La SNCF a mis tous ses œufs dans le même panier de la grande vitesse, a construit la ligne de Paris à Lyon qui va desservir tout le sud-est de la France, a pris et gagné de nombreux paris techniques pour la mise au point des rames pendant des années et des années d’essais. Bref, ce n’est plus la SNCF administrative des trains lents et lourds des années 1950 qui procède à des essais techniques de matériel, mais bel et bien une entreprise dynamique qui a un produit nouveau à  vendre et qui compte bien y arriver : pour bien vendre, il faut se faire connaître, et il faut lui faire de la publicité. En ces années 1970-1980, où le culte de la vitesse fait (encore) vendre des voitures de sport prestigieuses et où l’avion ne jure que par le mur du son, et où l’avenir de l’humanité se joue jusque dans les fusées que l’on nomme encore « interplanétaires », l’idée d’un record de vitesse s’impose presque d’elle-même pour dire que le train, lui aussi, fait partie de cette modernité efficace et porteuse de toutes les valeurs.

Et puis la SNCF tient à quitter le « club des 200 Km/h ».

A la fin des années 1970, il faut dire que les deux records du monde de 1955 sont toujours debout, mais d’autres réseaux européens aimeraient bien les faire tomber !… La SNCF n’est pas la seule à parier sur un brillant avenir ferroviaire. En 1964, le Japon ouvre le bal de la grande vitesse, au point de faire croire qu’il l’a inventé, avec ses rames « Shinkansen » roulant à 210 km/h, créant, après l’Italie des années 1930, un réseau à grande vitesse et construisant ses premières lignes dédiées.

Rame Shinkansen vue à Tokyo en 1964. Elles préfigureront, pour plusieurs décennies, l’image emblématique de la très grande vitesse, roulant à 210 km/h, ce qui est plus du double de la vitesse moyenne sur le réseau japonais qui est établie en voie de 1067 mm, un écartement dit « métrique anglais » souvent réservé aux colonies de ce pays.

La Deutsche Bundesbahn à Munich, en 1965, organise une exposition très axée sur les performances et le futur et fait rouler des trains à 200 km/h, puis mettent en service les fameuses locomotives type CC E-103 qui roulent à 250 km/h, en tête de trains classiques, sur 26 km entre Hamm et Bielefeld, tandis que des rames E-403 roulent à 220 km/h entre Munich et Brême.

Locomotive type CC E-103 allemande.
Rame E-403 allemande, ici en décoration Lufthansa pour les liaisons rapides entre aéroports..

Les British Railways font rouler, dès les années 1970, des rames diesel HST (High Speed Train) à 200 km/h et battent un record en traction diesel à 232 km/h en 1972, et préparent l’Advanced Passenger Train (APT), un train pendulaire qui roulera à 250 km/h sur des lignes sinueuses classiques, mais sera un échec cuisant qui conduira à l’abandon.

Rame HST britannique franchissant la frontière Anglo-Ecossaise (mais si… ça existe!) sur le parcours Edimbourg-Londres.

Les Etats-Unis font aussi partie du mouvement et veulent faire de la ligne Boston-Washington, dite « Corridor », une ligne à grande vitesse mais sans investir dans une infrastructure nouvelle. Ce sera un succès mitigé avec des trains électriques Metroliner ou à turbine type turbotrain d’United Aircraft roulant en théorie à 250 km/h mais limités à un sage 160 km/h, vu l’état de la voie et de l’infrastructure. Pendant ce temps, toujours aux USA, des RTG françaises roulent depuis septembre 1973, mais doivent se limiter à un prudent 130 km/h, quelque part entre Chicago et St-Louis.

Rame Metroliner amércaine: on attendait un bon 250 km/h sur la ligne Boston-Washington, mais ce fut un modeste et raisonnable 160 km/h. Les voies n’en permettaient pas plus. Dommage pour ce matériel réussi.
Rame RTG française en service entre Chicago et St-Louis dans les années 1970 aux USA, mais à 130 km/h, pas plus. Au moins la livrée Amtrak lui sied à merveille…

Mais, en France, les trains « Capitole», « Aquitaine » et « Etendard » roulent à 200 km/h en service courant sur une partie de leur trajet. Occupant certes sa place dans ce club très fermé des réseaux roulant à 200 km/h, la SNCF sent qu’elle ferait mieux de fonder le club des 300 km/h, et qu’elle risque de se faire « damer le pion »…

Les trains « Capitole », « Aquitaine » ainsi que « Etendard » roulent à 200 km/h sur une petite partie du parcours Paris-Toulouse ou Paris-Bordeaux respectivement. Mais la magie de la vitesse opère et démontre rapidement qu’il y a une forte clientèle pour la vitesse. IL faudra doubler les trains pour les week-ends. A l’époque, le train le plus rapide du monde est le Shinkansen japonais: il roule à 210 km/h, soit 10 km/h de plus que ces trains de la SNCF.

La création du Service de la Recherche de la SNCF, avec les travaux de toute son équipe, met à l’ordre du jour les problèmes de la grande vitesse et le bas prix, alors, du pétrole, oriente les choix vers la turbine à gaz, et le TGV-001 effectue plus de 200 marches à 300 km/h qui familiarise alors la SNCF et le réseau ferré français avec cette vitesse si exceptionnelle, en son temps, en 1955.

Une intéressante carte des futures lignes à très grande vitesse européens prévues en 1973 montre que la SNCF est en train de devenir un réseau comme les autres et sera même rapidement dépassée si elle ne prend pas la tête du mouvement. Seule la construction rapide d’un nouveau réseau dédié à la très grande vitesse lui offrira une nouvelle chance de devenir un réseau exceptionnel.

Une belle piste toute prête pour un record.

Mais ill faudra encore attendre deux décennies avant de pouvoir quitter ce « club des 200 Km/h ». Contrairement au cas des essais de 1954 et 1955, où il a fallu se risquer sur des voies classiques parcourues par des trains roulant à 140 km/h et nullement équipées pour permettre des vitesses supérieures en service courant, en 1981 la France dispose d’une ligne nouvelle en cours d’achèvement, prévue pour le 260 km/h, et offrant une bonne marge de sécurité permettant, avec quelques précautions, la pratique exceptionnelle d’une vitesse nettement supérieure. En somme, en 1955, il a fallu ajouter une vitesse représentant une fois et demie celle du service courant, et, en 1981, le 380 km/h réalisé ne demandera d’ajouter que la moitié de la vitesse commerciale en service courant.

La ligne nouvelle comporte certes des déclivités allant jusqu’à 35 pour mille, mais elle est une véritable voie romaine, sinon rectiligne mais presque avec des courbes à très grand rayon, pas de passages à niveau, pas de gares à traverser, pas de bifurcations aux nombreux appareils de voie. Un site, tout particulièrement, semble avoir été tracé pour la vitesse : entre les point kilométrique de la ligne nouvelle 192, au niveau du viaduc du Serein, et Tonnerre, vers le point kilométrique 139, on dispose de très longs alignements avec des courbes dont les rayons sont de 10000 ou 15000 mètres. Le profil y est moins tourmenté qu’ailleurs, sauf pour une section comprise entre les points kilométriques 160 et 154, où l’on rencontre dans le sens Sud-Nord (c’est-à-dire la voie 2) une pente de 35 pour mille sur environ cinq cents mètres, favorable à une accélération finale. L’insuffisance de dévers est acceptable pour les vitesses envisagées.

L’adaptation de la rame TGV N°16 aux conditions de l’essai.

La rame N°16 est allégée par le retrait de trois remorques, ce qui laisse cinq remorques entre les deux motrices — les remorques extrêmes comportant chacune un bogie moteur. La masse totale de l’ensemble passe donc à 320 tonnes, avec six bogies moteurs et seulement quatre bogies porteurs, ce qui est favorable à tous les aspects de l’adhérence.

Les ingénieurs modifient aussi le taux de réduction des transmissions dont la valeur est ramenée de 1,934 à 1,702, et les roues sont remplacées par d’autres dont diamètre a été porté de 920 mm à 1 050 mm. Les moteurs de traction ont montré aux essais effectués au banc de Vitry pendant une très longue période leurs possibilités de supporter sans risques la vitesse de rotation de 3400 tr/mn et une tension de 1270 volts au lieu de 1070, alors qu’avec la démultiplication nouvelle adoptée ils tournent à 3000 tours pour une vitesse de 360 km/h, ce qui laisse une marge de sécurité. Pour disposer de l’énergie nécessaire, la tension en ligne est portée de 15000 à 29000 volts. Avec une tension maximale aux induits de 1250 à 1300 volts, les douze moteurs de la rame peuvent fournir 9600kw, correspondant à 12000 kVA à la caténaire, ceci à des vitesses situées entre 350 et 380 km/h. La résistance à l’avancement de la rame est de l’ordre de 7800 décanewtons à 380 km/h, tandis que l’effort de traction à la jante est alors de 8000 décanewtons.

Hommage rendu à une des motrices de la rame TGV N°16 lors de la très mondaine exposition « L’art entre en gare » tenue au Grand Palais à Paris en décembre 1007 et janvier 2008, pour les 70 ans de la SNCF. Ici la préparation de la motrice, fraîchement « pelliculée » pour l’occasion.

L’exploit : sage mais fort bien joué.

Désignée sous le nom de « TGV-100 » pour désigner une vitesse de 100 mètres à la seconde, cette opération permettra d’atteindre la vitesse maximale de 380 km/h, sans difficulté au point kilométrique 156, après 13 mn de parcours, et sur 36 km.

La pente de 35 pour mille, qui se place entre les points kilométriques 157 et 156, vient s’ajouter à l’effort de traction pour totaliser la valeur de 11 000 décanewtons. Le problème du captage, qui reste le problème éternel de la traction électrique à très grande vitesse ne manque pas de se manifester.

Lors des derniers parcours, la veille de la tentative de record, les ingénieurs constatent des soulèvements du fil de contact assez élevés, tout en restant dans les imites admissibles, de l’ordre de 22 cm, bien que le captage du courant reste parfait. Mais lors du record, le soulèvement se manifeste de nouveau sans pratiquement aucun arc électrique au contact du pantographe et de la caténaire. L’ingénieur en chef des essais André Cossié craint qu’au delà de 380 km/h, à des vitesses alors jamais atteintes, des risques graves ne se produisent, avec arrachement de la caténaire et anéantissement de mois de travail. Il prend la décision de se contenter de la vitesse, déjà fort enviable, de 380 km/h, quitte à offrir ensuite à la presse un deuxième essai à 360 km/h… La décision d’une limitation à 380 km/h est sage, et il ne reste plus qu’à attendre, désormais, que d’autres records soient tentés pour maintenir la suprématie du TGV dans le domaine de la vitesse.

Si le record a lieu le 26 février 1981, l’ouverture de la ligne au service commercial a lieu dès le 27 septembre 1981, quelques mois après seulement : jamais un record n’a été suivi aussi rapidement d’une mise à la portée du public. En 1955, la vitesse du record, avec 331 km/h, est à 2,36 fois la vitesse normale de la vigne qui est de 140 km/h. En 1981, le record est, avec une vitesse de 380 km/h, à 1,46 fois la vitesse normale. En 2007, le record est, avec une vitesse de 574,8 km/h, est à 1,79 fois la vitesse normale. On peut conclure que, des trois records, celui de 1981 est le plus « sage », le plus fertile car il est aussi celui de la commercialisation la plus rapide.

Dans la cabine du record: à droite, André Cossié, Ingénieur Général de la SNCF et Chef de la division Electrotechnique du Département de la Construction (MCE) toujours présent en cabine de conduite pour analyser le comportement de la rame pendant les essais à grande vitesse, puis à gauche Jacques Ruiz (PSE) conduisant la rame, puis, Daniel Levert, Henri Dejeux et Gabriel Jacquot. Cliché coll.Jacques Ruiz.
Rame TGV vue en 1981, sur la ligne Paris-Sud-Est, partiellement mise en service.
Ambiance années 1980 dans un TGV d’époque, aux couleurs froides mais très appréciées car elles font « moderne ».
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