Nous avons, sur ce site, déjà et très souvent, abordé ce sujet du dit « couple pantographe-caténaire », mais il reste toujours d’actualité, car le chemin de fer était, et reste, le seul moyen de transport à pouvoir l’adopter d’une manière logique et rationnelle. Toutefois, voici la dernière surprise : la route, elle aussi, en rêve, du moins pour ses camions. Le modèle ferroviaire est-il routier à ce point ?
Lançons nous une fois encore, et faisons des étincelles…
Revenons à notre problématique bien ferroviaire de la caténaire. Avez-vous regardé (et admiré) un train, TGV compris, passant au loin, dans la nuit ? Au-dessus de la locomotive, et l’accompagnant dans sa course, une lumière vive et étincelante clignote sur la caténaire : c’est le « contact glissant » de la semelle du pantographe qui rebondit contre le fil de contact et génère un arc électrique assez ennuyeux et témoin d’un mauvais contact, de rebondissements, de mouvements intempestifs. Les fils de contact des caténaires ont beau être tendus par de lourds contrepoids à chaque extrémité de ce que l’on appelle le « canton de contact », ils se détendent, oscillent, et manquent quelque peu à leur devoir. Mais si quelqu’un a une meilleure solution, la SNCF est preneuse. Ce problème n’est pas résolu. Et il se pose aussi, d’une manière différente mais tout aussi contraignante, pour le troisième rail. Avez-vous guetté une rame de métro arrivant à la station dans le tunnel ? Sur le troisième rail conducteur, une brillante étincelle jaillit, parfois, sous le frotteur. On la voit de loin. C’est aussi un problème posé par le « contact glissant » et les étincelles en sont la conséquence.
Vers les années 1830, dans un lointain passé, rien n’empêchait, en théorie, la traction électrique ferroviaire de connaître le bonheur dans l’autonomie complète et l’épanouissement en ignorant, comme la vapeur ou le moteur à combustion interne, tout point de contact fixe, roulant librement sur les rails comme les chevaux galopant sur la route. C’est comme cela que ses inventeurs l’ont primitivement pensée, et c’est bien d’une manière totalement autonome que les premières locomotives électriques ont roulé en 1834, aux Etats-Unis, et en 1387, au Royaume-Uni. Mais ce bonheur ne durera pas, et sera fugitif et éphémère comme les roses. Il faudra de solides et lourdes centrales électriques, collées au sol, pour l’alimentation des locomotives électriques quand, enfin elles sont mises au point vers la fin du siècle et se révèlent aptes à un brillant service. Mais le courant électrique aura à affronter le « contact glissant » : autant sauter dans un train en marche, avec tous les inconvénients liés à cette acrobatie.
La traction électrique se fera donc à partir d’un point fixe (la centrale) qui sera toujours son point faible, son « talon d’Achille » comme on disait jadis quand la lumière de la culture se plaisait à éclairer le langage. Point faible ? Oui, la nécessité d’une alimentation en cours de route à partir d’un point fixe aboutissant au troisième rail, ou à la caténaire, et surtout le couple infernal et capricieux que forme le pantographe et la caténaire, ont empoisonné la vie des cheminots de la traction comme de la voie. Il fallait, pour rouler « à l’électricité », comme on disait alors, signer un pacte avec le diable – pardon : avec les installations fixes comme la centrale électrique, les sous-stations, et la jungle de poteaux et de fils amenant le précieux trésor électrique jusqu’aux bornes du moteur électrique de la locomotive. Aujourd’hui la situation technique des automobiles électriques ne fait que prouver que ce vieux problème n’est toujours pas résolu. Pour ce qui se veut l’automobile du futur, le meilleur moteur du monde, électrique, se lie à nouveau avec la pire solution du monde, la batterie, comme au XIXe et XXe siècles.
Le projet évident d’une électricité produite à bord de la locomotive.
Il était évident, lors des débuts du chemin de fer, avec la première locomotive électrique en 1837 de l’Ecossais Robert Davidson (1804-1894), que la locomotive électrique serait indépendante, et produirait elle-même son électricité. Il était évident et logique que, sans corde au cou ou au talon, la locomotive électrique puisse courir librement sur les rails comme sa sœur à vapeur, en attendant de tordre le cou de l’enfumeuse charbonnière et de la faire disparaître à jamais.
Car la vapeur, avec sa longue mise en pression, son « surpoids » indigne, avec son lourd tender rempli de charbon et d’eau, ses fumées envahissantes, sa conduite de la marche et du feu difficile, déjà créait trop de soucis et, donc, était déjà rejetée et apparaissait comme condamnée à court terme. Mais cette condamnation ne restera jamais qu’un vœu pieux ou un rêve d’ingénieur. La locomotive à vapeur, solidement implantée parce que seule possible, réduira à l’inexistence les locomotives électriques de Davenport et Davidson et retardera l’étude et la pratique de la traction électrique pendant la presque totalité du XIXe siècle, ne laissant la place à la plupart des grandes électrifications qu’après la Première Guerre mondiale.
Des esprits imaginatifs regardent, avec concupiscence, les deux rails des voies ferrées.
La nécessaire présence de deux rails métalliques sur les voies ferrées posées partout dans le monde pouvait, dans les esprits imaginatifs, jouer aussi le rôle de transporteur de courant électrique. En effet, certains inventeurs opportunistes ont pensé, en voyant les rails de chemin de fer nouvellement posés, en faire aussi, sous la forme d’un usage second, sinon premier déguisé en second, des lignes télégraphiques utilisables en dehors des heures de passage des trains. Ceci est, notamment, le cas à Nuremberg, en Allemagne, en 1835, quand les rails sont posés jusqu’à la petite ville de Fürth : un certain Steinheil souhaite utiliser les deux rails pour son télégraphe, mais devra, en fin de compte, installer un télégraphe à fil le long de la ligne en 1838, créant ainsi le premier télégraphe avec retour par la terre.
De toute manière, le train interdisait, par la simple présence de ses essieux montés métalliques, toute idée d’un rail transporteur d’énergie électrique « à l’aller » avec « retour » par l’autre rail. En effet, concrètement, le fait que les essieux métalliques du train viennent « shunter » (pour ne pas dire « court-circuiter ») les deux rails empêchera toute utilisation de cette sorte, et réduira le rôle électrique des deux rails, unis comme un tout, à un simple élément du retour du courant amené par un troisième rail conducteur du courant, ou par la caténaire. Ce fait imposera une arrivée du courant par le fil conducteur aérien ou le troisième rail conducteur quand l’ère de la traction électrique débutera au siècle suivant. Alors, l’électricité aura donc à utiliser son parcours indépendant et ne sera jamais entièrement intégrée au chemin de fer et aux organes de roulement.
Notons qu’un grand précurseur de la traction électrique, l’américain Thomas Davenport (1802-1851), construit un modèle réduit de locomotive électrique dès 1834, mais prend soin de le mettre sur une voie circulaire, et place la batterie, donc le point fixe, au centre de la circonférence formée par les rails. La question de l’alimentation d’un mobile à partir d’un point fixe est résolue par la présence d’un simple fil qui accompagne la locomotive et tourne avec elle. On imagine mal que les lignes de chemin de fer réelles soient tracées en forme de circonférence parfaite, avec la centrale électrique au centre, et un fil tournant reliant la centrale à la locomotive du train !
Un autre précurseur, Siemens, passe aux choses sérieuses et expose, en 1879 à Berlin, un petit train « électrodynamique » (sic) à voie étroite (490 cm) capable de transporter des visiteurs, et actionné par l’électricité captée sur un rail central. Siemens a compris, lui aussi, que la traction électrique se fera à partir d’un point fixe mais parviendra à la locomotive par ce que l’on appelera un « contact glissant ».
Le modélisme ferroviaire des années 1950 : un précurseur ?
Ce qui aurait du être fait vers 1850 sera fait, par le modélisme ferroviaire et à partir des années 1950. En effet, en pleine querelle technique concernant le troisième rail conducteur comme étant une négation de la réalité, les amateurs souffrent de voir leurs locomotives type vapeur (mais à moteur électrique) devoir rouler sur une voie a trois rails. C’est alors que la marque allemande Fleischmann supprime le rail électrique central pour ces raisons purement esthétiques et fait rouler ses trains sur deux rails (comme en réalité). Tout le matériel roulant Fleishmann roule sur des essieux à roues isolées. Bientôt l’ensemble des grandes marques mondiales, dont Jouef pour la France, adoptera ce système désormais dit « deux rails » mais Märklin restera fidèle à son système « trois rails », du moins pour l’écartement « H0 », mais adoptera le deux rails pour son nouvel écartement « Z » lancé en 1972 ou pour ses magnifiques modèles en écartement « 1 ».
Un tel système n’a pas, à notre humble connaissance, été essayé dans le monde du chemin de fer réel : outre le problème posé par les essieux « court-circuiteurs », il aurait fallu prendre en compte le fait que la présence, sur le sol, de deux rails alimentés en courant traction 1500 volts continu ou 25000 volts monophasé aurait été très dangereuse pour les cheminots. On imagine, avec effroi, des appareils de voie et des pointes de cœur ou deux rails de polarités différentes auraient été à quelques centimètres les uns des autres ! Et les problèmes techniques d’isolement des roues par rapport au corps d’essieu auraient été insolubles du fait de la fragilité et de la complexité d’éléments isolants dans un ensemble qui demande une grande robustesse et une grande simplicité. Enfin, c’était priver le chemin de fer réel de son si parfait et si fiable système de détection de la présence de matériel roulant sur la voie par la très simple mise en « court circuit » des deux rails.
Faisons simple : du fil aérien sur le côté de la voie.
La solution généralement utilisée par les tramways urbains classiques est le fil aérien, unique, tendu dans l’axe de la voie et elle semble bien être la première, chronologiquement, parce qu’elle est la plus simple, la plus légère, et la moins dangereuse. Un fil, donc. Le tramway laissera au trolleybus, qui roule sur des pneus et une chaussée inaptes à tout transport d’électricité, d’utiliser deux fils aériens.
Mais le fil aérien avec « contact glissant », ne sera jamais satisfaisant, même bien centré, haut placé au-dessus de la voie. Mais il y a eu des cas d’une installation sur le côté de la voie d’un fil simplement porté par des poteaux. C’est la solution des essais de locomotives électriques du « grand chemin de fer », comme sur la ligne de Marienfelde à Zossen, en Allemagne, avec un record à 210 km/h en 1903 (tapez « lamming zossen » sur « Google » pour voir l’article), ou comme sur la ligne de Berthoud à Thoune en Suisse pour un essai en 1889 (tapez « lamming thoune » etc…).
Faisons simple (suite) : feignons d’ignorer ce que l’on ne peut atteindre.
Les tramways parisiens commencent, timidement, à installer des fils électriques dans l’axe central des voies à partir des années 1890, mais au grand détriment des belles facades haussmanniennes dont les propriétaires détestent vigoureusement les cables de maintien et le font savoir. Les tramways à chevaux, à vapeur, à gaz, à batteries, disparaissent des rues de la Ville-Lumière peu avant la Première Guerre mondiale, tandis que le métro, dès 1900, assure, pour l’éternité, l’empire souterrain de la traction électrique souterraine avec un troisième rail qui en deviendra l’emblème éternel. Mais jusqu’à la veille de la Première Guerre mondiale, on verra encore des tramways à chevaux rouler dans Paris.
Petit albums des gens qui voulaient l’électricité, mais sans batterie ni fil, mais au prix d’un « contact glissant ».
Et, pour finir, ceux qui veulent une orgie de fils aériens.
Faisons extrêmement simple mais très cher : le moteur électrique est « déroulé » sur la voie.
C’est finalement la solution la plus simple qui a pu, lors de recherches de ces dernières décennies, apparaître comme la plus logique et la plus proche des exigences techniques liées au roulement sur une voie ; le moteur linéaire. La notion de fixité n’étant que relative, on peut très bien décider que tout point mobile n’est mobile que par rapport à un point fixe donné. En matière de traction électrique, la locomotive est mobile par rapport à la caténaire. Mais dans un moteur électrique, l’induit (parfois nommé « rotor ») est mobile par rapport à l’inducteur, et cette mobilité relative marque bien la limite dans l’échelle des mobiles et des fixes.
Certains ingénieurs ont eu l’idée de déplacer cette relation au niveau de la voie en transformant la voie en inducteur comme si on avait « déroulé » l’inducteur du moteur pour l’étaler sur le sol. L’induit reste alors sur la locomotive et l’entraine. Il n’est plus question de « contact glissant », ni même de contact tout court. C’est ce qui a été essayé avec des moteurs linéaires à induction utilisés avec le « Sky-Train » (Vancouver) qui est bien un train, puisqu’il utilise des roues roulant sur une voie. Inauguré en 1985, ce système fonctionne et comporte 3 lignes et 53 stations et transporte en moyenne 390 600 voyageurs chaque jour. sur 79,5 km de voies. La majorité du réseau de métro est établie en viaduc, ce qui lui vaut le nom de « Skytrain ». Une partie du réseau utilise la technologie Advanced Rapid Transit (ART), de Bombardier, et ses trains sont donc bien propulsés par un moteur à induction linéaire. Logique, allant même jusqu’au bout de la logique de la traction électrique, cette solution reste très chère, pour ne pas dire hors de tout prix envisageable pour un réseau national entier, puisque c’est la voie qui devient, sur toute sa longueur, le moteur. Le moins que l’on puisse dire est que la généralisation de ce très intéressant système n’est pas pour demain, et notre bon vieux chemin de fer ajoutera encore des siècles et des siècles à sa forme d’existence actuelle.
