L'histoire et la technique des monorails

Les monorails existent depuis le début du XIX ème siècle.En 1820, Ivan Elmanov construit dans le village de Myachkovo (Moscou) un monorail hippomobile. Cette voie supportée par des pieux contient les roues permettant aux wagons de glisser.

Elmanov est considéré comme l’ancêtre des monorails. Manquant d'argent, il arrête ses recherches .

On peut classer les monorails en six catégories

1 Lee "faux" monorails qui utilisent plusieurs rails

2 Le monorail monté à cheval sur un rail central surélevé

3 Le monorail gyroscopique

4 Le monorail suspendu

5 L'aérotrain Bertin

6 Le monorail à sustentation magnétique

1 Les "faux" monorails qui utilisent plusieurs rails

Il s'agit d'engins qui sont classifiés comme des monorails mais qui utilisent en fait plusieurs rails (2 ou 3) pour se propulser. Les rails ne sont pas fixés au sol et parallèles comme dans les trains classiques. L'un des rails est fixé au sol et l'autre est plaçé au dessus de l'engin.Ce dispositif a donné lieu à plusieurs expérimentations mais il n'y a jamais eu de débouché commercial.
Un exemple de ce type de monorail est celui inventé par Howard H. Tunis (1 rail de roulement, deux supérieurs pour la stabilité) qui a circulé dans le Bronx (New York) en 1910.

Mais un déraillement désastreux a sonné son glas la même année.



 2 Le monorail monté à cheval sur un rail central surélevé

Le plus connu est le monorail de Charles Lartigue dont le prototype roula en 1880 en Algérie pour transporter l'alfa et fut sans doute le premier monorail fonctionnel sur grande distance soit 90 km. Sur ce principe, une ligne de démonstration à traction vapeur fut réalisée à Londres en 1886 et une autre de 15 km fut construite et exploitée en Irlande dans le comté de Kerry entre Listowel et Ballybunion de 1888 à 1924. Il donnait satisfaction mais sa fermeture fut une des conséquences de la guerre civile d'Irlande. Charles Lartigue construisit une autre ligne entre Feurs et Panissières dans le département de la Loire. Malheureusement, la construction plus légère que celle de l'Irlande et le caractère montagneux du tracé, ne permit pas sa mise en service malgré trois années d'essais infructueux.
Vous pouvez voir ci-dessous des photos du monorail Lartigue




Et voici un vieux film qui montre le monorail Lartigue sur la ligne entre Listowel and Ballybunion in Co Kerry Ireland .

 3 Le monorail gyroscopique

Il s'agit d'engins qui roulent sur un seul rail et qui utilisent un système à base de gyroscope pour les stabiliser. En effet, le véhicule roule sur un rail conventionnel unique, de sorte qu'en l'absence d'un système d'équilibrage, il ne peut que tomber.

Pour stabiliser le véhicule, il faut donc un gyroscope.

Trois systèmes ont été développés au début du XXème siècle, par Louis Brennan en Angleterre, Paul Fröhlich et Emil Falcke en Allemagne (financé par August Scherl, qui lui donnait le nom) et Piotr Schilovski, encore en Angleterre.

3.1 Le monorail de Louis Brennan

Louis Brennan (28 Janvier 1852 au 17 Janvier 1932) était un ingénieur irlandais-australien qui a fait de nombreuses inventions dans le domaine de la mécanique. Il a beaucoup travaillé sur un système de monorail qui est maintenu en position verticale par un gyrostat. En 1903, il a breveté ce système de monorail gyroscopique équilibré qui était conçu pour un usage militaire. Il a démontré avec succès le système le 10 Novembre 1909, à Gillingham, Angleterre, mais le système n'a jamais été adopté. Les photos ci-dessous montrent le monorail de Brennan.



Les gyroscopes étaient plaçés dans la cabine, bien que Brennan ait prévu de les mettre sous le plancher du véhicule avant de le présenter au public, mais le dévoilement de la machine Scherl l'a forcé à présenter la première démonstration publique le 10 Novembre 1909.
Le véhicule mesurait12,2 métres de long et 3 mètres de large. Il était équipé d'un moteur à essence de 20 CV et avait une vitesse de 35 km / h. La transmission était électrique. Le moteur à essence était relié à un générateur qui fournissait le courant aux moteurs électriques de traction situés sur les deux bogies . Ce générateur alimentait également les moteurs des gyroscopes et le compresseur d'air . Le système d'équilibrage utilisait un asservissement pneumatique au lieu des roues de friction utilisées dans le modèle précédent.

Les véritables débuts publics pour le monorail Brennan l'ont été à l'Exposition Japon-britannique de White City, à Londres en 1910. Le monorail a transporté 50 passagers à la fois autour d'une piste circulaire à 20 mph. Parmi les passagers, il y avait Winston Churchill qui a montré beaucoup d'enthousiasme. Bien que çe soit un moyen de transport viable, le monorail n'a pas réussi à attirer de nouveaux investissements. Sur les deux véhicules construits, l'un a été vendu à la ferraille, et l'autre a été utilisé comme un abri dans un parc jusqu'en 1930.

3.2 Le monorail de Scherl

Auguste Scherl était un éditeur allemand et philanthrope qui a fait construire un monorail gyroscopique qui a été présenté au public le mercredi 10 Novembre 1909 au Jardin zoologique de Berlin.

La machine de Scherl est plus petite que celle de Brennan, avec une longueur de seulement 5,20 mètres.Elle pouvait accueillir quatre passagers sur une paire de banquettes transversales. Les gyroscopes sont situés sous les sièges, et a axes verticaux, tandis que Brennan a utilisé une paire de gyroscopes à axe horizontal. Le servomécanisme était hydrauliques et la propulsion électrique. Strictement parlant, August Scherl a simplement fourni le soutien financier. Le mécanisme de redressement a été inventé par Paul Fröhlich, et la voiture conçue par Emil Falcke.

Voici le schéma du monorail Scherl.



3.3 Le travail de Shilovsky

Après l'échec de Brennan et Scherl pour obtenir les investissements nécessaires au développement de leurs machines, des études ont été reprises à partir de 1910 par Piotr Shilovsky, un aristocrate russe résidant à Londres. Son système d'équilibrage était fondé sur des principes un peu différents de ceux de Brennan et Scherl, et utilisait un gyroscope plus petit et qui tournait plus lentement. Après avoir développé un monorail gyroscopique modèle en 1911, il a conçu un gyrocar qui a été construit par la Société Wolseley Motor et testé dans les rues de Londres en 1913. Comme il utilisait un gyroscope unique, plutôt que de la contre-rotation paire comme Brennan et Scherl, il présentait une asymétrie dans son comportement, et devenait instable dans les virages serrés. Il a suscité un intérêt, mais aucun financement sérieux.
Un monorail Schilovski a été proposé par le gouvernement de l'URSS entre Leningrad et Tsarskoïe Selo en 1921. Un tronçon de 12 km a même été réalisé.Mais le projet a finalement été abandonné, faute de financement suffisant.

 4 Le monorail suspendu

La stabilisation du monorail suspendu est simple : tout le véhicule, avec son centre de gravité, est situé au-dessous du point de sustentation.
De nombreux monorails de ce type ont été réalisés et certains sont encore en exploitation aujourd'hui comme le monorail de Wuppertal en Allemagne. Créé par Eugen Langen, il a été construit en 1900 et mis en exploitation en 1901. Il est toujours en activité comme système de transport local. C'est le plus vieux système de monorail au monde.
Le monorail de Wuppertal comprend une ligne aérienne composée de 20 stations sur un parcours de 13,3 km. Il est emprunté chaque jour par 82 000 passagers.
Vous pouvez voir ci-dessous une vidéo qui présente ce monorail.


 5 L'aérotrain Bertin

L’aérotrain est un véhicule glissant sur un coussin d'air au-dessus d’une voie spéciale en forme de T inversé.
L'aérotrain est propulsé par une turbine, un turboréacteur ou un moteur électrique linéaire, sans contact avec la voie. Son principe de fonctionnement emprunte aussi à la technique du monorail. C’est une invention française, due à Jean Bertin, qui n’a jamais connu d’exploitation commerciale mais dont le nom « Aérotrain » est une marque utilisée comme nom en France, la marque ayant été déposée par la société Bertin Technologies le 14 avril 1987 et renouvelée en 1997 puis en 2007.

En France, ce projet a bénéficié, pendant un temps, de l’appui des pouvoirs publics, notamment du Comité interministériel à l'aménagement du territoire (CIAT) qui l’avait retenu en 1967 dans la perspective d’assurer des dessertes de voyageurs sur des distances allant de 100 à 500 km à des vitesses de 250 à 300 km/h (caractéristiques qui en font le précurseur du TGV). Cependant, le projet fut finalement abandonné en faveur du TGV.

Plusieurs modèles d'Aérotrains ont été développés : l'Aérotrain 01, l'Aérotrain 02, le Tridim, le S44, le I80-250 "Orléans", le I80-HV et le TACV Aerotrain Rohr Industries.




Différentes voies d'essais ont permis de tester ces prototypes. Deux voies étaient implantées dans les environs de Gometz-le-Châtel, l'une en béton dont le tracé a été reconverti en promenade pédestre, l'autre en asphalte et aluminium. Une troisième voie d'essais avait été mise en place entre Saran et Ruan, au nord d'Orléans ; cette voie surélevée, ou viaduc ou pont ferroviaire, portait le nom de voie d'essai de l'aérotrain d'Orléans.


 6 Le monorail à sustentation magnétique

Un train à sustentation magnétique est un monorail qui utilise les forces magnétiques pour se déplacer. Il utilise le phénomène de sustentation électromagnétique et n'est donc pas en contact avec des rails, contrairement aux trains classiques. Ce procédé permet de minimiser les frottements et d'atteindre des vitesses plus élevées : le record est de 603 km/h (obtenu en 2015), soit 28 km/h de plus que le record d'un train classique (574,8 km/h par une version modifiée du TGV en 2007).

Il existe deux principaux types de trains à sustentation magnétique :
- Le type à sustentation électromagnétique (ou EMS), utilisant des électroaimants classiques. La traînée électromagnétique est ici très faible, voire nulle. Le Transrapid allemand en est le principal exemple. Le rail « porteur » contient des aimants ou des électroaimants. L'interaction entre les aimants à bord du train et des aimants disposés le long de la voie crée une force magnétique induite qui compense la gravité et permet la lévitation. Ces aimants repoussent le train vers le haut et assurent l'existence d'une garde suffisante entre le "rail" et le train ce qui affranchit le véhicule de toute perte due à la friction. Il apparaît cependant une traînée magnétique. Par ailleurs, aux vitesses élevées, c'est la résistance aérodynamique qui représente de loin la principale résistance à l'avancement.
La propulsion est assurée par un moteur linéaire synchrone.
- Le type à sustentation électrodynamique (ou EPS), utilisant des aimants supraconducteurs. Des bobines supraconductrices sont placées dans le train et des électroaimants sont placés le long de la voie. Lorsque le train se déplace, un courant est induit dans la voie. La force de Laplace résultante fait léviter le train. Le déplacement du train engendre une traînée électromagnétique très importante, d'où une consommation énergétique élevée. Le projet le plus abouti est le Maglev japonais.

6.1 Le Transrapid allemand

Le Transrapid est un train monorail allemand utilisant la lévitation magnétique. Sur la base d'une ébauche datant de 1934, la mise au point de l'actuel Transrapid débuta en 1969. Sa piste d'essai se trouve à Lathen, en Allemagne, et elle date de 1987.
La photo ci-dessous montre le Transrapid 08 sur la ligne test d'Emsland en Allemagne


Le système de propulsion fonctionne sur le même principe que la sustentation, mais dans le sens horizontal. Le moteur synchrone est ainsi linéaire et non circulaire : il fonctionne comme un rotor qu'on aurait déplié en longueur. La vitesse est régulée en faisant varier la fréquence du courant alternatif. Et ce système est réversible : en inversant le champ magnétique, le train freine (toujours sans aucun contact avec les rails) et l'énergie est récupérée pour l'alimentation du réseau.
Le système de "lévitation" requiert moins d'énergie que l'air conditionné, et son alimentation est indépendante de celle qui sert à la propulsion. Durant le trajet, les batteries sont rechargées par des générateurs intégrés aux supports magnétiques, et en cas de coupure de courant, l'autonomie est d'une heure.
Des électroaimants, les uns incorporés sur la voie, et les autres de chaque côté des bogies sur le train, se repoussent mutuellement. Le train circule sur un monorail en acier en forme de T, et il "flotte" à 10 mm environ au-dessus du rail. Les aimants porteurs sont situés sous les boggies, et deux autres aimants sur les côtés guident le train latéralement.

Voici une video qui montre le TransRapid en fonctionnement.


Le projet d'une ligne dédiée au Transrapid entre Berlin et Hambourg a été abandonné par le gouvernement allemand à cause de son coût prohibitif et aussi d'un accident qui a eu lieu en 2006 et a fait 25 morts.
Fin 2011, la licence d'exploitation du Transrapid, en Allemagne, a expiré. Début 2012, la ligne d'essai a fermé, et la destruction/reconversion de l'ensemble du site d'Emsland a été approuvée.

6.2 Le Maglev japonais

Maglev est l'acronyme anglais pour Magnetic Levitation, la sustentation électromagnétique, et désigne souvent les trains à sustentation magnétique, par exemple le JR-Maglev japonais qui est le projet le plus avançé.
Le Maglev lévite grâce à des aimants fixés aux véhicules et à des bobines supraconductrices installées dans les rails. Ces aimants sont constitués de niobium et de titane. Les bobines sont refroidies à environ 4 K (~-269ºC) par de l'hélium liquide pour pouvoir conserver leur supraconductivité . Ceci entraine un prix de construction des voies très élevé.
Ce procédé permet de supprimer la résistance au roulement et d'atteindre des vitesses plus élevées : le record est de 603 km/h obtenu en avril 2015 soit, 28,2 km/h de plus que le record d'un train classique (574,8 km/h par une version modifiée du TGV en 2007).

Vous pouvez voir ci-dessous une photo du JR-Maglev


Et voici une video du train pendant les essais.


Une nouvelle ligne dédiée à ce Maglev devrait être mise en service en 2027 entre Tokyo et Nagoya. Le futur train devrait parcourir les 286 km séparant les deux villes à 500 km/h. Le trajet prendra donc une quarantaine de minutes. Cette ligne sera dans un second temps rallongée de 153 km jusqu’à Osaka. Le coût total du projet est estimé à 70 milliards d’euros.

6.3 Le Maglev chinois à 3000 km/h ?

Une équipe de scientifiques d'une université de Chengdu, en Chine, vient de mettre au point un prototype de train qui pourrait avancer trois fois plus vite qu'un avion.

Attachez vos ceintures : le train à sustentation magnétique Super Maglev est théoriquement capable de relier Paris à Moscou en une heure, révèle "L'Usine Nouvelle". Il pourra se déplacer jusqu'à 2.900 kilomètres par heure, soit trois fois plus vite qu'un avion. C'est en tout cas ce qu'assure le directeur du projet, le Dr. Deng Zigang, chercheur à l'université de Jiaotong, à Chengdu (Chine). Selon lui, ce projet qui paraissait jusque-là impossible est désormais réalisable.

Comment ça marche ? Le projet de Super Maglev (qui signifie Magnetic Levitation) circulerait dans un tube, où la pression de l’air serait dix fois inférieure à la pression atmosphérique au niveau de la mer. La résistance de l'air au déplacement du train serait donc nettement réduite, tout comme l'énergie consommée.

Ce prototype test voit actuellement sa vitesse de circulation limitées par la taille de la plate-forme qui l'abrite, située dans un hangar (photo ci-dessous). Mais un équipement plus grand permettrait d’atteindre une vitesse plus de trois fois supérieure à celle des trains Maglev circulant aujourd'hui, promet le Dr. Deng Zigang.




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