chemin de fer

(calque de l'anglais railway)

Moyen de transport dont les véhicules roulent sur une voie ferrée constituée de rails ; exploitation de ce moyen de transport.

HISTOIRE

Les chemins de fer sont nés des recherches faites pour assurer aux véhicules remorqués une direction déterminée et une faible résistance au roulement. Le rail en bois est utilisé dès 1670 en Angleterre, dans la région de Newcastle ; il est plaqué de fer à partir du milieu du xviii^e s., en même temps qu'on met au point le cerclage des roues. Ces procédés permettent de faire tirer au cheval, seule force de traction alors utilisée, un poids plus que doublé par rapport au passé. Mais, tels qu'ils sont conçus aujourd'hui, les chemins de fer sont nés de l'invention de la locomotive. En ce qui concerne le rail en métal, on peut en retrouver l'origine vers 1776, date à laquelle existait, près de Sheffield, une voie ferrée, constituée par des « rails-cornières » qui guidaient simplement des roues sans bandages.

Le premier chemin de fer public, dont les voitures sont tirées par des chevaux, est mis en service en 1804 entre Wandsworth et Croydon (16 km environ). Mais, déjà en 1802, le premier brevet pour machine à vapeur est pris par deux constructeurs anglais, Vivian et Trevithick. Vers 1806, le premier de ceux-ci, en remplaçant pour le guidage des roues les cornières par des barres saillantes sur lesquelles roulent des poulies à gorge, puis en laissant subsister le simple bourrelet intérieur à cette dernière, donne à la voie ferrée sa véritable origine.

Le développement de la voie ferrée est lié à celui de la locomotive. Le premier essai de voiture à vapeur routière date de 1770 et est dû à l'ingénieur français Joseph Cugnot. La locomotive de Vivian et Trevithick s'inspire des modèles d'un Américain, Oliver Evans, dont la machine à vapeur roulant sur rails n'a rencontré que de l'incrédulité (1804). Les essais de Blenkinsop (1811), de Brunton (1813) ne conduisent à aucune solution satisfaisante ; et l'Anglais Blackett est le premier à prouver l'adhérence suffisante des roues de locomotive sur des rails lisses.

En 1827, un progrès considérable est réalisé par l'invention de l'ingénieur français Marc Seguin ; sa chaudière tubulaire, à laquelle George Stephenson, fils d'un ouvrier mineur anglais, saura donner le tirage nécessaire pour la bonne marche du foyer par entraînement des gaz en injectant la vapeur d'échappement dans la cheminée, marque l'origine même de la locomotive à vapeur moderne ; celle-ci n'a cessé de se perfectionner. La Fusée de Stephenson, qui reçoit en 1829 le prix du concours de Rainhill, remorque 12 942 kg à la vitesse de près de 24 km/h. Elle peut être considérée comme l'ancêtre de toutes les locomotives à vapeur, dont elle comporte tous les organes essentiels.

En France, la première ligne de Saint-Étienne à la Loire est concédée en 1823, à la demande de Beaunier, entre Saint-Étienne et Andrézieux, pour un parcours de 18 km environ. Elle est ouverte en 1827. Cette ligne, comme celles qui sont concédées aux frères Seguin en 1826 et en 1828, pour les parcours de Saint-Étienne à Lyon et d'Andrézieux à Roanne, et ouvertes de 1831 à1833 pour la première et en 1834 pour la seconde, servent au transport de la houille. La traction y est d'abord assurée par des chevaux et par des locomotives à vapeur. Ce n'est qu'en 1844 qu'on adopte définitivement, entre Saint-Étienne et Lyon, la traction à l'aide de locomotives à vapeur. Le premier service régulier de transport de voyageurs en France est assuré à partir de 1832 entre Saint-Étienne et Andrézieux. La véritable naissance du réseau ferré français est essentiellement l'œuvre des saint-simoniens et d'une équipe de jeunes polytechniciens animés par Enfantin, tels que Lamé, Clapeyron, Eugène Flachat, auxquels il faut ajouter les noms d'Hippolyte Carnot, Léon et Paulin Talabot, les frères Seguin et les frères Pereire. Ce sont eux qui, dès la révolution de 1830, créent le courant d'opinion nécessaire, et qui deviendront, par la suite, les ingénieurs, les administrateurs et les banquiers des compagnies de chemin de fer.

La conception du réseau ferré français, en étoile rayonnante autour de Paris, est due à un haut fonctionnaire de Louis-Philippe, Legrand. C'est lui qui accorde, en 1835, à Émile Pereire la concession du premier chemin de fer aboutissant à Paris, la ligne de Saint-Germain, ouverte jusqu'au Pecq en 1837. Il obtient la loi de 1833, qui prévoit un programme national de chemin de fer. Mais, après de nombreux débats parlementaires, il faut, tandis que se construisent des tronçons épars sur tout le territoire, attendre la charte de 1842. Dès lors, les compagnies se développent et les grandes lignes se construisent, reliant la capitale aux grandes villes de France, en commençant par le Nord, sous l'impulsion de Rothschild et des Pereire.

Après une courte récession en 1847-1848, l'essor des chemins de fer est foudroyant sous le second Empire, en même temps que se réalisent des fusions de compagnies. Les conventions de 1857 et 1859 assurent l'intervention régulatrice de l'État.

Le plan Freycinet (1878-1879) encourage la construction de nombreuses petites lignes à caractère régional ; l'aide des compagnies est acquise à ce plan par les conventions de 1883 (convention Raynal). Le réseau se répartit entre le Nord, l'Est, le P.L.M. (Paris-Lyon-Méditerranée), le P.O. (Paris-Orléans), le Midi, l'Ouest et l'État. Ces grandes compagnies rachètent les concessions faites à de petites entreprises, en obtenant chaque fois de l'État de nouveaux avantages financiers. En 1908, le réseau de l'Ouest, déficitaire, est incorporé à l'État.

La reconstruction consécutive à la Première Guerre mondiale impose au réseau français un effort énorme, et rend difficile l'équilibre financier de certaines compagnies. En 1921, un compte unique de gestion des chemins de fer est prévu, dont le Trésor doit assurer l'équilibre, compte tenu des intérêts garantis aux actionnaires ; l'accroissement du déficit est sensible lors de la crise de 1930 : il est de près de quatre milliards en 1934.

La nationalisation intervient dans ces conditions le 1^er janvier 1938 avec la création d'une société anonyme par actions, la Société nationale des chemins de fer français (S.N.C.F.), dont l'État détient 51 % du capital social, 49 % étant détenus par les anciennes compagnies réduites au rôle de sociétés de portefeuille. Le 1^er janvier 1983, un établissement public industriel et commercial succède à la Société nationale, tout en conservant la même dénomination.

Les chemins de fer ont suivi, à l'étranger, un développement analogue, parfois plus rapide (Angleterre, Belgique). Si les États-Unis, par exemple, ont conservé le régime des compagnies, un très grand nombre de pays ont créé des réseaux d'État ou nationalisé les anciens réseaux.

TECHNIQUE

Rails et lignes

Introduction

Les rails sont apparus bien avant la locomotive puisqu'ils furent utilisés dès le xvi^e s. pour le roulage des wagonnets de mines, poussés par des hommes ou tirés par des chevaux. La première locomotive à vapeur, très rudimentaire, a été expérimentée en Angleterre en 1804 et le premier chemin de fer public accessible aux voyageurs a été ouvert en 1825, toujours en Angleterre, entre Stockton et Darlington ; les trains de voyageurs y étaient remorqués par des chevaux, ceux de charbon par des locomotives à vapeur ; en effet, la plupart des lignes de chemin de fer construites au cours du premier tiers du xix^e s. l'ont été pour relier une mine ou une carrière à un port fluvial ou maritime, sur des distances relativement courtes.

La notion de réseau apparaît en Belgique avec l'ouverture en 1835 de la ligne de Bruxelles à Malines, ville qui deviendra en huit ans le centre d'une étoile ferroviaire de 560 km réalisée par le jeune État belge indépendant dans un but certes économique (relier le port d'Anvers à l'ensemble du pays), mais aussi d'unité nationale.

À partir de 1840 en Europe se constituent progressivement les réseaux nationaux, englobant, le cas échéant, les tronçons précédemment réalisés. Aux États-Unis, le développement du chemin de fer est spectaculaire : 6 km en 1827, plus de 2 000 km en 1837 ; dès 1869, les lignes construites à partir de la côte atlantique et de la côte pacifique se rejoignent à Promontory dans l'Utah : le premier chemin de fer transcontinental est né. Une autre ligne transcontinentale sera mise en service au Canada en 1886 (Montréal-Toronto-Vancouver) mais, sur l'Ancien Continent, il faudra attendre 1916 pour voir l'ouverture du Transsibérien : plus de 9 000 km sur l'itinéraire de Moscou à Vladivostok.

À la fin du xix^e s., les réseaux nationaux s'étoffent de nombreuses lignes secondaires, dont beaucoup disparaissent rapidement avec le développement de la concurrence routière. Par contre, la réalisation, à la fin du xx^e s. des lignes à grande vitesse isolées dites « TGV Sud-Est », « TGV Atlantique », puis « TGV Nord » (raccordée à la ligne TGV Sud-Est) et la mise en projet de futures lignes européennes à grande vitesse jettent les bases du réseau ferroviaire de l'Europe du xxi^e s.

Dates clés des chemins de fer

La voie moderne

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Éléments essentiels de la voie ferrée, les rails ont fondamentalement un double rôle : assurer le guidage des véhicules et en supporter la charge. La voie moderne est donc constituée par deux rails parallèles fixés sur des traverses qui en maintiennent l'écartement et transmettent les charges. L'ensemble repose sur le ballast, qui répartit les efforts sur la plate-forme et assure l'évacuation des eaux de pluie. Avant la pose de la voie ferrée, la plate-forme (terrain naturel convenablement nivelé ou matériaux rapportés mais alors fortement compactés) est parfaitement dressée. De sa stabilité dépend, en effet, la bonne tenue de la voie. Le ballast est un lit de pierres concassées dures et calibrées ; les traverses sont soit en bois dur injecté de créosote, soit, et de plus en plus, en béton. Les traverses en béton sont trois fois plus lourdes et coûtent plus cher que les traverses en bois, mais en revanche elles durent en moyenne deux fois plus longtemps.

Les rails sont en acier et leur fabrication est soumise à un contrôle rigoureux ; d'un poids de 60 kg par mètre, ils sont livrés en barres de 36 m et assemblés en atelier par soudage électrique en « barres longues » (jusqu'à 288 m). Ils sont ensuite posés sur les traverses avec une inclinaison de 1/20 qui favorise le guidage et le centrage des essieux ; une semelle de caoutchouc est interposée entre le rail et la traverse pour absorber les vibrations provoquées par le passage des trains.

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Sur toutes les grandes lignes électrifiées, les locomotives captent le courant à l'aide d'un appareil articulé appelé pantographe et muni d'un archet de frottement qui glisse sous une ligne aérienne de contact maintenue horizontale par une suspension appropriée, la caténaire. Le « retour » du courant s'effectue par les roues et les rails de roulement. Des sous-stations réparties le long de la voie ferrée reçoivent du courant à très haute tension du réseau général (E.D.F. en France) et fournissent le courant approprié à la caténaire.

Lorsque le terrain est accidenté, la construction d'une ligne de chemin de fer implique la réalisation de nombreux ouvrages d'art, ponts et tunnels notamment. Les premiers ponts et viaducs étaient en maçonnerie, puis, avec les progrès de la sidérurgie, ont été construits de grands ponts métalliques tels que le viaduc de Garabit (1884). Depuis les progrès du béton armé (1940 / 1950), la plupart des grands ponts sont réalisés en béton précontraint.

Aiguillages et signaux

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Pour diviser une voie en deux, on utilise un appareil de voie appelé branchement. Sa partie mobile – constituée par deux lames (coupons de rail effilés) solidaires l'une de l'autre – est l'aiguille, ou l'aiguillage, terme qui dans le langage courant est souvent utilisé pour désigner tout appareil de voie. Le plus souvent, les aiguilles sont munies d'un moteur électrique et commandées à distance depuis un poste d'aiguillage. Dans les postes électriques généralisés à partir des années 1950 (type PRS), une seule action sur un bouton suffit à commander la mise en position convenable de toutes les aiguilles d'un itinéraire ainsi que l'ouverture du signal qui est à l'origine de cet itinéraire. Dans les postes d'aiguillage entièrement informatisés, progressivement mis en service depuis 1985, la commande des itinéraires s'effectue à partir d'un clavier.

Les signaux, constitués par des panneaux lumineux, transmettent aux conducteurs les ordres nécessaires, par exemple : – l'arrêt avant le signal, commandé soit par 2 feux rouges (« carré ») pour protéger une bifurcation, une traversée de voie, ou la manœuvre d'une aiguille, soit par un seul feu rouge (« sémaphore ») pour assurer l'espacement avec le train précédent ;– l'annonce à distance d'un panneau à l'arrêt, indiquée par un feu jaune (« avertissement »), pour que le conducteur puisse freiner à temps ;– la voie libre, indiquée par le feu vert ; le conducteur peut circuler à la vitesse maximale de la ligne.

Le système du cantonnement évite qu'un train rapide ne rattrape un train plus lent qui le précède sur la même voie : la voie est partagée en sections successives, ou cantons, dont l'accès est interdit par un sémaphore tant qu'un train s'y trouve. La version la plus moderne du cantonnement est le block automatique, qui est absolument sûr et fonctionne sans intervention de personnel.

Sur les lignes nouvelles et tout particulièrement sur les lignes à grande vitesse, la signalisation latérale par panneaux lumineux est remplacée par une signalisation en cabine de conduite, les indications de signalisation étant transmises par des courants codés injectés dans les rails et recueillies par des capteurs placés à l'avant des trains : les lignes les plus récentes bénéficient du système européen unifié de signalisation en cabine de conduite, première étape du système européen de surveillance du trafic ferroviaire ERTMS (sigle de European Rail Traffic Management System).

Les caractéristiques d'une ligne

Introduction

L'écartement de la voie, le gabarit du matériel roulant, le rayon minimal des parties de voies en courbe, et aussi la charge admissible par essieu et par mètre courant sont des caractéristiques impératives d'une voie ferrée. Elles doivent être identiques pour toutes les lignes d'un même réseau afin d'y permettre la circulation de tous les matériels roulants (sans restriction).

L'écartement

Au temps des premières voies ferrées, le choix de l'écartement fut purement empirique : c'était parfois celui des véhicules routiers de l'époque ou bien il était fixé tout simplement par celui des roues de la locomotive, lui-même conditionné par les dimensions de la chaudière… : c'était le cas des locomotives construites par Stephenson, qui l'ont conduit à adopter l'écartement de 4 pieds 8 pouces et demi ou 1,435 m pour les lignes dont il a dirigé la construction. Sous l'influence d'autres ingénieurs anglais, l'Espagne et la Russie adoptèrent des écartements plus larges, qui subsistent encore. La constitution des réseaux a amené une relative unification des écartements, le plus répandu étant celui de Stephenson, devenu la « voie normale », utilisé par la plupart des réseaux européens, en Amérique du Nord et en Chine. On trouve l'écartement « russe » de 1,52 m en Russie, dans la plupart des pays de l'ex-U.R.S.S. et en Finlande, l'écartement « espagnol » de 1,67 m dans la péninsule Ibérique mais aussi en Amérique du Sud et en Inde. Enfin, des réseaux entiers sont à voie étroite : 1,067 m pour le Japon et l'Afrique du Sud, 1 m pour plusieurs pays africains.

Les courbes

Sur les grandes lignes, les courbes descendent rarement au-dessous de 1 000 m de rayon (minimum pour la circulation à 160 km/h) et, sur les lignes à grande vitesse, le rayon minimal des courbes est de 3 000 m. Plus la vitesse de circulation est élevée, plus le rayon des courbes doit être grand. En effet, le dévers, différence de hauteur des deux files de rails dans une courbe (inclinaison de la voie) qui permet de contrebalancer la force d'inertie centrifuge, est limité à 16 cm, pour qu'un train circulant lentement ne risque pas de se renverser. Les déclivités maximales d'une ligne conditionnent la charge admissible des trains : sur les grandes lignes de la S.N.C.F. parcourues par des trains de marchandises, elles ne dépassent généralement pas 5 à 8 ‰ (ou millimètres par mètre), mais elles atteignent 35 ‰ sur la ligne à grande vitesse Paris-Lyon, qui n'est empruntée que par des rames automotrices puissantes.

Le gabarit du matériel roulant

Le gabarit du matériel roulant est l'enveloppe du contour transversal à l'intérieur duquel doivent s'inscrire les véhicules à l'arrêt : en Europe – sauf en Grande-Bretagne –, les véhicules respectent le gabarit dit « passe-partout international » (largeur : 3,15 m ; hauteur : 4,28 m).

La charge maximale admissible par essieu

La charge maximale admissible par essieu, qui conditionne la charge transportable par un véhicule déterminé, dépend de la voie (poids du rail, nombre de traverses au kilomètre) et de la résistance des ouvrages d'art sous la voie (ponts et viaducs). À la S.N.C.F., la charge maximale par essieu est de 20 t (22,5 t sur certaines lignes) et 8 tonnes par mètre linéaire.

Le système d'électrification

Pendant la première moitié du xx^e s., les réseaux européens ont électrifié leurs grandes lignes avec des tensions et fréquences différentes. Dès les années 1950, les progrès de l'électrotechnique ont imposé le système « à courant industriel » (courant monophasé 50 Hz, sous 20 000 puis 25 000 V). Il s'est développé en France et dans de nombreux autres pays d'Europe (Russie comprise), ainsi qu'en Asie. Les électrifications antérieures subsistent toutefois pour la plupart et amènent l'existence de « frontières électriques », qui peuvent être franchies par des locomotives électriques polycourant.

La circulation des trains

La circulation des trains, qu'ils transportent des voyageurs ou des marchandises, est minutieusement planifiée. La marche de base de chaque catégorie de trains est calculée par ordinateur pour chaque ligne, en fonction de la charge prévue du train, du profil de la ligne, des caractéristiques de la locomotive ; on y ajoute une « marge de régularité » et on obtient la « marche type » qui sert à l'élaboration des horaires sous forme de graphique : les trains y sont tracés de façon à ne pas être gênés les uns par les autres, compte tenu notamment des espacements minimaux de sécurité. Les horaires de tous les trains sont édités sous la forme de « fascicules-horaires » destinés aux agents des gares et à ceux des trains. Pour le public, les horaires des trains de voyageurs réguliers sont publiés sous une forme simplifiée : la fiche horaire par ligne ou l'indicateur qui regroupe un ensemble de lignes. D'autres graphiques prévoient le roulement des locomotives, et aussi celui des agents de conduite et d'accompagnement des trains. Le bon déroulement du service des trains est suivi par un centre des opérations (anciennement « poste de commandement »), où les régulateurs surveillent en permanence la circulation, chacun sur une section de ligne ; ils interviennent en cas de retard important ou d'incident, en donnant les instructions utiles aux responsables des gares et des postes d'aiguillage. Chacune des 23 régions de la S.N.C.F. dispose d'un centre régional des opérations (CRO) contrôlant l'ensemble des lignes de son territoire, à l'exception des lignes à grande vitesse. Sur certaines sections de ligne très chargées, l'ensemble des installations, aiguilles et signaux, est regroupé dans un seul poste, qui a alors aussi la responsabilité de la circulation des trains sur la section de ligne : c'est le poste d'aiguillage et de régulation (PAR). Lorsqu'un tel poste est installé directement au poste de commandement sous la responsabilité du régulateur, il est appelé commande centralisée des circulations ; ainsi, les 390 km de la ligne à grande vitesse Paris-Sud-Est sont contrôlés depuis le poste de commandement spécifique de cette ligne installé à Paris. On trouve une organisation comparable, mais à plus grande échelle, aux États-Unis : le poste de commandement du réseau CSX Rail Transport à Jacksonville est doté d'une commande centralisée lui permettant de diriger les 14 000 trains quotidiens sur les 32 000 km du réseau.

La voie normale de circulation des trains sur les lignes à double voie des chemins de fer français est la voie de gauche, exception faite de l'ancien réseau d'Alsace-Lorraine, sur lequel les trains roulent normalement à droite. Les tramways et le métropolitain de Paris circulent, au contraire, sur la voie de droite.

Les véhicules ferroviaires

Introduction

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Les véhicules ferroviaires comprennent les engins moteurs et le matériel remorqué. Les premiers assurent la traction des trains : locomotives et automotrices, qui transportent aussi des voyageurs. Le second englobe les voitures pour les voyageurs et les wagons pour le fret. Ces derniers sont spécialisés selon la marchandise et son mode de chargement.

Tout véhicule ferroviaire est constitué par un châssis qui supporte la caisse (wagon) ou par une caisse-poutre rigide (voiture). À chaque extrémité, tampons et attelages servent à la constitution des trains. Si les véhicules reposent sur deux essieux fixes, ils sont dits à essieux, par opposition aux véhicules à bogies. Ces derniers sont une sorte de chariot (deux essieux, quatre roues) pivotant sous la caisse pour faciliter l'inscription en courbe et améliorer la suspension. Les boîtes d'essieu, à roulement à rouleaux, supportent la charge du véhicule par l'intermédiaire de la suspension à ressorts. Les roues dites monoblocs sont en acier très dur et usinées d'une seule pièce. Leur surface de roulement est légèrement tronconique, la pente de 1/20 favorisant le centrage du véhicule. Élément indispensable des roues, le boudin est un bourrelet externe qui assure le guidage latéral.

Le freinage des trains est généralement assuré par le frein continu à air comprimé. Une conduite générale courant de la tête à la queue du train commande un appareillage pneumatique. L'alimentation en air comprimé de ce distributeur entraîne le desserrage des freins ; inversement, sa vidange provoque le freinage par l'action de sabots de frein en fonte sur la surface de roulement.

Les locomotives

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La locomotive à vapeur a atteint son apogée dans la période 1930-1950 : en 1941, un réseau américain a fait construire des locomotives articulées – les Big Boys – capables de tirer plus de 4 000 tonnes sur les longues rampes des montagnes Rocheuses, ou 8 500 tonnes en terrain plat. Si la traction à vapeur a pratiquement disparu en Europe occidentale au début des années 1970, son utilisation s'est poursuivie dans certains pays, riches en charbon et pauvres en pétrole, comme l'Afrique du Sud et la Chine, où la locomotive à vapeur est restée longtemps compétitive (jusqu'au début du xxi^e s. en Chine) par rapport au Diesel.

La traction Diesel est maintenant utilisée dans la quasi-totalité des pays du globe : elle ne nécessite pratiquement pas d'installations fixes spécifiques et elle est d'un emploi très pratique. Cependant, les performances des locomotives Diesel restent relativement limitées et leur entretien est onéreux. Dans une locomotive de ce type, une transmission est indispensable pour relier le moteur Diesel (qui ne peut tourner que dans un seul sens et ne fournit un couple utilisable que dans une plage étroite de vitesse de rotation) : la transmission électrique est utilisée le plus souvent. Un alternateur entraîné directement par le moteur Diesel alimente en courant continu – par l'intermédiaire d'un redresseur statique – les moteurs de traction accouplés aux essieux.

L'avantage de la locomotive électrique tient principalement à sa puissance massique élevée et à l'économie de son utilisation. Schématiquement, à puissance égale, une locomotive électrique pèse de deux à trois fois moins qu'une locomotive Diesel et coûte deux fois moins cher d'achat et d'entretien. Autre avantage non négligeable : elle ne pollue pas ! Aussi, dès que le trafic est assez important, le coût des installations fixes de traction électrique (sous-stations, caténaires, etc.) est vite amorti par l'économie réalisée sur les locomotives.

Jusqu'au début des années 1970, et quel que soit le système d'alimentation, dans toutes les locomotives électriques, les moteurs, à collecteur et à excitation série, étaient alimentés soit directement (lignes électrifiées en courant continu ou en courant alternatif basse fréquence 16 2/3 hertz), soit par l'intermédiaire d'un redresseur statique (lignes électrifiées en courant industriel). Le conducteur règle la vitesse et l'effort demandé à la locomotive par un appareillage qui diffère selon le type de courant d'alimentation. Pour les locomotives à courant continu, un ensemble de contacteurs modifie le couplage de moteurs et élimine progressivement les résistances de démarrage ; pour les locomotives à courant alternatif, la même fonction est assurée par un graduateur consistant en un jeu de prises échelonnées sur les enroulements du transformateur. Depuis les années 1970, l'électronique de puissance est utilisée pour la traction électrique : thyristors et convertisseurs statiques de tension (hacheurs) se sont substitués aux graduateurs et contacteurs. Leur utilisation permet un réglage continu de la tension et de l'excitation des moteurs. Ce sont encore les progrès de l'électronique qui ont récemment donné la possibilité d'employer des moteurs triphasés, alimentés à fréquence variable par l'intermédiaire d'un convertisseur statique (onduleur) installé sur la locomotive. Les moteurs triphasés présentent de nombreux avantages : économie de construction et d'entretien, encombrement réduit, vitesse de rotation élevée, possibilité de développer la puissance maximale sur une plage de vitesse étendue.

L'aboutissement de ces techniques est la locomotive électrique universelle, apte à tirer un train de marchandises lourd ou un train de voyageurs rapide (locomotives « SYBIC » de la S.N.C.F. mises en service en 1990). Mais, pour des raisons économiques, on tend maintenant à revenir aux locomotives spécialisées (locomotive tricourant « Astride » de la S.N.C.F., pour les trains de fret, 1998).

La rame automotrice

À la fois « locomotives » et « voitures », les automotrices sont des véhicules motorisés (électriques ou Diesel) destinés au transport des voyageurs, appelées souvent autorails. Elles peuvent circuler seules, mais elles sont généralement utilisées avec des voitures spécialisées, les remorques d'automotrice électrique ou d'autorail. Leur principale destination est la desserte régionale. Leur mise en service a entraîné une diminution du coût du train-kilomètre par fractionnement du poids et de la puissance. Certaines remorques, les remorques-pilotes, comportent une cabine de conduite permettant de constituer avec une automotrice électrique ou un autorail un élément automoteur réversible, donc utilisable dans les deux sens. Une ou plusieurs remorques intermédiaires peuvent être intercalées entre ces deux véhicules. Leur composition est souvent permanente : les différents véhicules qui composent cet élément automoteur sont inséparables, sauf en atelier. Un élément automoteur peut aussi avoir une automotrice à chaque extrémité. Un train composé d'un ou plusieurs éléments automoteurs est appelé train automoteur. Toutes les automotrices d'un élément ou d'un train automoteurs fonctionnent en unité multiple : grâce à un équipement approprié, elles sont commandées à partir d'un seul poste de conduite, en tête du train.

Beaucoup de trains de banlieue et tous ceux du métro fonctionnent sur ce mode. Mais les rames automotrices sont aussi capables de performances élevées, grâce à la mise en œuvre d'une grande puissance massique. C'est notamment le cas du turbotrain et du T.G.V. On appelle rame automotrice un ensemble constitué d'automotrices puissantes – voire de véritables locomotives spécialisées (les motrices) – et de remorques. Les turbotrains, par exemple, sont composés de 2 automotrices à turbines à gaz et de remorques intermédiaires. Sur les lignes nouvelles, les turbotrains ont été supplantés par le T.G.V., dont les rames (automotrices) comprennent 2 motrices électriques encadrant 8 ou 10 remorques.

Les trains à grande vitesse

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Le Japon a mis en service en 1964 la première ligne à grande vitesse du monde : la ligne à voie normale (1,435 m) du Tokaido reliant Tokyo à Osaka, 515 km parcourus à la vitesse de 210 km/h. C'est la base d'un réseau à grande vitesse (Shinkansen), dont certaines sont parcourues maintenant à 240 km/h. Les rames mises en service à l'époque comportaient chacune 16 voitures toutes automotrices, totalisant une longueur de 400 m, une puissance de 11 840 kW et une capacité de 1 285 places assises. Cette capacité pouvait être atteinte grâce à un gabarit généreux (3,38 m de large) autorisant 5 places de front (contre 4 seulement avec le gabarit européen). En Europe, dans les années 1960, l'augmentation de la vitesse des trains a été recherchée dans l'aménagement de lignes existantes au tracé favorable : la vitesse de 200 km/h a été pratiquée en Allemagne dès 1965 (Munich-Augsbourg) et en France dès 1967 (plusieurs sections de Paris-Toulouse).

Un véritable bond en avant a été effectué avec la ligne à grande vitesse Paris-Sud-Est (T.G.V.), dont la réalisation répondait à la saturation de la ligne classique Paris-Lyon. Elle a été mise en service partiellement en 1981 (partie sud, vitesse maximale 260 km/h) et en totalité en 1983 ; elle joint Paris à Lyon en 2 heures à 270 km/h. Son prolongement jusqu'à Valence, en contournant Lyon et en desservant l'aéroport de Satolas, est entré en service en 1994. Certaines caractéristiques de la ligne Sud-Est lui sont spécifiques, comme les grands rayons des courbes (3 200 à 4 000 m) indispensables aux grandes vitesses, les fortes déclivités (35 ‰), qui ont évité la construction très onéreuse de tunnels tout en réduisant la distance de Paris à Lyon de 80 km, et la signalisation en cabine. Il n'y a, en effet, plus de signaux le long de la voie, les indications utiles sont données directement au conducteur en cabine de conduite, leur transmission étant assurée par des courants codés circulant dans les rails. D'autres caractéristiques sont restées classiques : l'écartement de la voie et le gabarit sont ceux du réseau national. Aussi les rames T.G.V. utilisent-elles les pénétrations urbaines déjà existantes à Paris et à Lyon ainsi que leur continuation sur les lignes classiques, où elles roulent à vitesse normale. Les 107 rames automotrices sont constituées de 2 motrices électriques encadrant un ensemble articulé de 8 remorques sur 9 bogies, offrant 386 places assises et un compartiment-bar ; les 12 moteurs à courant continu répartis sur 6 bogies peuvent développer 6 400 kW ; en service commercial, la vitesse est de 270 km/h. Si la ligne T.G.V. Paris-Lyon est équipée en courant industriel, la plupart des rames sont du type bicourant ; elles peuvent aussi bien être alimentées en courant industriel à 50 Hz sous 25 000 volts qu'en courant continu sous 1 500 volts, et donc circuler sur l'ensemble des lignes électrifiées de la S.N.C.F. Quelques unités sont même tricourant pour pouvoir rouler aussi en Suisse (courant alternatif monophasé 15 000 V/16 2/3 Hz). Deux rames peuvent circuler en unité multiple et constituer ainsi un train de 400 m de long offrant près de 800 places. La ligne à grande vitesse T.G.V. Atlantique comprend deux branches reliant Paris au Mans (ouverte en 1989) et à Tours (mise en service en 1990) avec un tronc commun. Elle est également électrifiée en courant industriel. Plus longues (2 motrices encadrant 10 voitures, au total 237 m et 485 places assises), les rames du T.G.V. Atlantique bénéficient d'importantes innovations. L'utilisation de moteurs triphasés (moteurs synchrones autopilotés) concentre les équipements de traction sur 4 bogies, tout en développant une puissance de 8 800 kW ; la circulation se fait à 300 km/h en service commercial. L'appareillage de commande et de sécurité fait largement appel aux microprocesseurs. Le T.G.V. Nord-Europe (vers Calais et le tunnel sous la Manche, et vers l'étoile ferroviaire centrée sur Lille dont les branches partent vers la Grande-Bretagne, la Belgique, les Pays-Bas et l'Allemagne) a été inauguré en 1993, Paris-Bruxelles entrant en service en 1996. Il comporte des rames de même conception que celles du T.G.V. Atlantique, mais limitées à 8 voitures, et des rames spécifiques pour le trafic Paris-Londres (18 voitures au gabarit britannique, plus réduit) et aussi, sur Paris-Lille, des rames à deux niveaux (8 voitures offrant 544 places).

Projet conçu au départ à l'échelle européenne, le groupe de lignes T.G.V. reliant Paris, Londres, Bruxelles, Cologne et Amsterdam constitue la base d'un futur réseau ferroviaire européen à grande vitesse englobant les lignes nouvelles déjà construites ou à réaliser et des lignes existantes à aménager.

Le train dans la ville

Tramway, métro, RER

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Le chemin de fer joue, depuis plus d'un siècle, un rôle important dans les transports urbains, parallèlement à l'industrialisation et à la croissance des villes. Ses deux formes, le tramway et le métro, sont à l'origine bien éloignées. Le tramway est issu de l'omnibus à cheval ; les voitures des premiers tramways à chevaux – qui se sont considérablement développés durant la période 1860-1880 – étaient identiques, au bandage des roues près, à celles des omnibus. Le premier métro, réalisé à Londres en 1863, a consisté en la pénétration urbaine et souterraine du train à vapeur, le Metropolitan Railway. Son nom, transposé en chemin de fer métropolitain, a été donné peu après aux premiers projets de réseau urbain pour Paris ; il sera plus tard abrégé en métropolitain puis tout simplement en métro, qui est un terme générique.

Devenues électriques dès la fin du xix^e s., ces deux variantes du chemin de fer se sont rapprochées sous la pression de l'évolution technique, au point que, dans certaines villes, les véhicules sont devenus les mêmes. La différence tient surtout aux conditions d'implantation des lignes et une définition précise devient délicate. Une ligne de tramway est implantée en surface, sur la chaussée, ou de plus en plus souvent en site propre (terre-plein séparé ou même plate-forme totalement indépendante), mais elle peut comporter des parties dénivelées, en souterrain dans un centre urbain ancien ou en viaduc dans un quartier neuf. Une ligne de métro est installée entièrement en site propre clos ou clôturé, généralement hors sol (souterrain ou viaduc), mais elle peut passer par quelques tronçons en surface.

Les premiers métros, au moins en Europe, avaient une vocation essentiellement urbaine, avec des lignes relativement courtes et des stations rapprochées. Les extensions en banlieue parfois lointaine leur donnent désormais un caractère régional et les rapprochent des réseaux express régionaux (RER, ou S-Bahn dans les pays de langue allemande), constitués souvent en réunissant des lignes de banlieue isolées.

Offrant une capacité de transport de l'ordre de 30 000 à 50 000 voyageurs par heure et par sens, métro ou RER – ou souvent les deux à la fois – constituent l'ossature du réseau de transports publics des grandes agglomérations d'un million d'habitants ou plus ; dans les villes moins importantes, le même rôle est souvent joué par le tramway : de 10 000 à 15 000 voyageurs par heure et par sens. Autant que possible, des correspondances pratiques sont réalisées, non seulement entre les différentes lignes des réseaux ferrés, mais aussi avec les autobus, qui ont alors un rôle d'affluents du réseau principal. En général, une tarification commune permet aux utilisateurs d'emprunter commodément ces différents modes avec un titre de transport unique.

Dates clés des transports urbains

Les trains de banlieue

Dans les grandes agglomérations, les services de banlieue assurent des relations fréquentes, souvent à horaire cadencé, entre une ou plusieurs gares de la ville, le centre de l'agglomération et les localités de la banlieue. Ces services partagent parfois des lignes avec les trains à grand parcours ou les trains de marchandises ; parfois, ils empruntent des lignes qui leur sont affectées en propre ; les unes ou les autres lignes sont généralement électrifiées et équipées d'une signalisation automatique performante qui permet des intervalles réduits entre chaque train. Ces dessertes de banlieue sont réalisées avec un matériel spécifique, qui répond néanmoins aux normes ferroviaires habituelles : rames automotrices à composition variable ou rames réversibles à composition permanente (la réversibilité étant assurée, à une extrémité, par la locomotive et, à l'autre, par une « voiture-pilote » avec cabine de conduite). Ces dessertes connaissent des pointes de trafic importantes liées aux migrations journalières, vers le centre le matin, vers la banlieue le soir. Pour acheminer au mieux ces flux importants de voyageurs sans être obligé de recourir à des trains (et des quais) démesurément longs, on utilise de plus en plus souvent des voitures à deux niveaux, en rames remorquées, voire en rames automotrices.

Pour améliorer les conditions de déplacement, et notamment l'accès direct vers le centre, tout en réduisant le nombre de correspondances pour les trajets plus importants, certaines agglomérations très étendues ont construit un réseau express régional, ou RER.