mini|ICE 3 (2005) mini|TGV Duplex (2021) mini|Mehrere Shinkansen-Baureihen mini|Alstom AGV mini|JR-Maglev MLX01 Shinkansen-Baureihe L0 bei Kōfu, Japan
Bei der Eisenbahn bezeichnet Hochgeschwindigkeitsverkehr den fahrplanmäßigen Zugverkehr mit Hochgeschwindigkeitszügen auf Schnellfahrstrecken mit Höchstgeschwindigkeiten von mindestens 200 km/hMoshe Givoni: Development and Impact of the Modern High-speed Train: A Review. In: Transport Reviews. 26, Nr. 5, Jahr, , S. 593–611, wobei teilweise – je nach Ausbaustandard und Region – erst ab 250 km/h zur Hochgeschwindigkeit gezählt wird.
Definition in Europa Laut den Technischen Spezifikationen für die Interoperabilität in Europa sollten Hochgeschwindigkeitszüge auf Ausbaustrecken „rund“ 200 km/h erreichen können, mindestens 250 km/h auf Neubaustrecken des Hochgeschwindigkeitsverkehrs, sowie „in geeigneten Fällen“ eine Geschwindigkeit von über 300 km/h. Nach verschiedenen Angaben der Europäischen Kommission muss ein Hochgeschwindigkeitszug auf Ausbaustrecken über 200 km/h fahren können, auf Neubaustrecken über 250 km/h. Allerdings greift bei Fahrzeugen in der Regel schon eine durch die Aufsichtsbehörden zugelassene Höchstgeschwindigkeit von 190 km/h, damit sie den technischen Regularien für Hochgeschwindigkeitszügen unterliegen. Von Schnellfahrstrecken wird hingegen erst gesprochen, wenn die zugelassene Höchstgeschwindigkeit im Regelbetrieb mindestens 200 km/h beträgt.
Grundlagen Für den Hochgeschwindigkeitsverkehr von Schienenfahrzeugen müssen alle Komponenten des Systems Eisenbahn an die höheren Anforderungen angepasst werden. Neben dem Hochgeschwindigkeitszug wird eine spezielle Schnellfahrstrecke und ein entsprechend leistungsfähiges Zugleit- und Sicherungssystem benötigt.
Hochgeschwindigkeitszug
Fahrzeuge für den Hochgeschwindigkeitsverkehr werden überwiegend elektrisch angetrieben. Diesel- oder Gasturbinen-Triebfahrzeuge wurden zwar des Öfteren erprobt, bilden aber die große Ausnahme. Gründe dafür sind neben dem höheren Treibstoff-Verbrauch (die Ölpreiskrise von 1973 beendete mehrere derartige Ansätze im Versuchsstadium) auch das ungünstigere Masse-Leistungs-Verhältnis, da zumindest Dieselmotoren (zumal bei Verwendung dieselelektrischer Traktion) ceteris paribus schwerer als vergleichbare Elektromotoren sind und der mitgeführte Treibstoff zusätzliche Masse bedeutet. Aus ähnlichen Gründen erreichen batterieelektrische Züge üblicherweise keine Geschwindigkeiten über 160 km/h. Die Abgase von Diesel- oder Gasturbinenzügen stellen auch ein Problem in langen Tunnels und unterirdischen Bahnhöfen dar, welches in vielen Fällen durch die Elektrifizierung gelöst wurde, sodass diese Teile des Streckennetzes im Regelbetrieb nur mit elektrischer Traktion befahren werden.
Um hohe Geschwindigkeiten zu erreichen, wird eine große Antriebsleistung installiert und der Zug gleichzeitig so leicht wie möglich gebaut (Leichtbau). Üblich sind Leistung-Gewicht-Verhältnisse von bis zu 20 kW/t. Die für ihre Masse äußerst stark motorisierten Züge sind so auch in der Lage, wesentlich größere Steigungen zu überwinden als herkömmliche Züge. Reine Schnellfahrstrecken können so freier trassiert werden, was die Baukosten im Vergleich zu steigungsarmen güterzugtauglichen Strecken senkt. Hochgeschwindigkeitszüge erreichen fahrplanmäßig Geschwindigkeiten von bis zu 350 km/h, bei Versuchsfahrten auch 575 km/h (TGV-Versuchszug V150) und 603 km/h (JR-Maglev-Versuchszug im April 2015).
Schnellfahrstrecke
mini|Schnellfahrstrecke Hannover–Würzburg
Als Schnellfahrstrecke (SFS) wird im Eisenbahnverkehr eine Eisenbahnstrecke bezeichnet, auf der Fahrgeschwindigkeiten von wenigstens 200 km/h möglich sind. Manche internationale Definitionen sehen größere zu erreichende Geschwindigkeiten vor.
Neben einer entsprechenden Trassierung, die den hohen Belastungen standhalten muss, dürfen Schnellfahrstrecken keine höhengleichen Bahnübergänge enthalten, und falls Vorbeifahrten am Bahnsteig mit Geschwindigkeiten über 200 km/h erfolgen, müssen Reisendensicherungsanlagen vorgesehen sein.
Auch an die Oberleitung werden besondere Ansprüche gestellt: So werden Fahrdrähte aus einer speziellen Legierung benutzt, die den elektrischen Kontakt verbessert sowie den Funkenflug vermeidet.
Zugbeeinflussung
Bei den im Hochgeschwindigkeitsverkehr langen Betriebs- (etwa 7000 m) und Schnellbremswegen (über 3000 m) ist das traditionelle Signalsystem mit den Streckenblocks zur Zugdeckung nicht mehr tauglich, da damit die Blockabstände und Durchrutschwege immens lang sein müssten. Dies steht auch der vom Fahrplan geforderten kurzen Zugfolge entgegen.
Hochgeschwindigkeitszüge werden daher nicht mehr auf der Strecke punktuell durch feste Eisenbahnsignale mit Aufforderungen zum Halten oder Langsamfahren gesteuert, sondern durch ständigen Funkkontakt. Üblicherweise werden hierzu Linienleiter entlang der Strecke benutzt, die auf eine Zugantenne einwirken, und eine Verbindung zwischen dem Zug und einer Leitstelle errichtet.
Übertragen werden beispielsweise Ort und Art von bevorstehenden Geschwindigkeitsänderungen, wie („in 10 km anhalten“; „in 2400 m auf 230 km/h abbremsen“). Die Position der Zugantenne am Linienleiter dient der Zugortung. Auch dabei gibt es heute generell noch feste Blockabschnitte.
Als Nebeneffekt verhindert die linienförmige Zugbeeinflussung abrupte Bremsmanöver und das für die Fahrgäste unangenehme Halten in stark überhöhten Kurven.
Grenzen des Hochgeschwindigkeitsverkehrs Im Wesentlichen begrenzen die folgenden Faktoren die Anhebung der Höchstgeschwindigkeit: Laufruhe Haftung Rad/Schiene Luftwiderstand Leistungsübertragung Lärmentwicklung Wirtschaftlichkeit Betriebskoordination Laufruhe In den 1950er Jahren konnten Geschwindigkeiten jenseits von 200 km/h ohne bleibende Schäden am Fahrweg oder einer Gefährdung der sicheren Führung des Fahrzeugs nicht bewältigt werden. Heutzutage sind wesentlich höhere Geschwindigkeiten laufwerktechnisch problemlos beherrschbar. Neben Versuchen auf Rollenprüfständen zeigt dies auch die Rekordfahrt des TGV mit 574,79 km/h im April 2007.
Haftung Rad/Schiene Im niedrigen Geschwindigkeitsbereich ist (zumindest bei allachsgetriebenen Fahrzeugen) die maximal erreichbare Beschleunigung auch bei ungünstigen Witterungsbedingungen nicht durch den Haftwert zwischen Rad und Schiene begrenzt, sondern allein durch den Fahrkomfort. Bei hohen Geschwindigkeiten ist der Fahrwiderstand jedoch so hoch, dass die Haftreibung zu gering sein kann, um eine ausreichend starke Zugkraft auf die Schiene übertragen zu können. Daher werden bei Hochgeschwindigkeitszügen viele Achsen angetrieben, also ein Triebkopf- oder Triebzugkonzept verwendet. Ein Antrieb beispielsweise mittels Linearmotor wäre von dieser Beschränkung nicht betroffen und ist auch beim Rad-Schiene-System zum Beispiel bei Achterbahnen (so genannte „Launched Coaster“) Stand der Technik.
Luftwiderstand Die genauen Zusammenhänge, die einen Einfluss auf den Haftwert bei ungünstigen Witterungsbedingungen haben, sind schlecht fassbar, und der Fahrwiderstand – bei höheren Geschwindigkeiten insbesondere der (quadratisch mit der Geschwindigkeit zunehmende) Luftwiderstand – hat entscheidenden Einfluss auf die erreichbare Geschwindigkeit. Trotzdem erscheint eine Geschwindigkeit von zumindest bis zu 400 km/h auch in einem alltäglichen Betrieb bei unterschiedlichsten Wetterbedingungen ohne wesentliche Verbesserung heutiger Konstruktionen möglich.
Leistungsübertragung Die für einen Hochgeschwindigkeitsverkehr notwendige hohe Motorleistung wird heute ausschließlich von Elektromotoren aufgebracht. Zwar wäre im Prinzip auch ein Gasturbinenantrieb möglich, jedoch wurde dieser unter anderem aufgrund der extremen Lärmentwicklung und des geringen Wirkungsgrades insbesondere bei Teillast nicht weiter verfolgt und scheint auch in Zukunft keine Alternative zu sein.
Die Grenzen des Elektroantriebs liegen weniger in der Leistungsfähigkeit der Elektromotoren, sondern in der Leistungsübertragung über die Oberleitung. Die eine Grenze stellt die mechanische Belastbarkeit der Oberleitung dar, die andere der maximale Strom, der über den Stromabnehmer von der Oberleitung übertragen werden kann. Derzeit ist der Oberleitungsbau so weit fortgeschritten, dass Geschwindigkeiten von bis zu 350 km/h im Regelbetrieb hinsichtlich der mechanischen Belastung bei entsprechender Oberleitung unproblematisch erscheinen; eine weitere Anhebung dieser Grenze ist künftig zu erwarten.
Was die Leistungsaufnahme betrifft, scheint die Grenze, wohl auch aus wirtschaftlichen Gründen wie die Kosten für den Strom und den Aufwand für Unterwerke, bei etwa 15–20 MW zu liegen. Durch eine immer leichtere Bauweise und einen immer geringeren Luftwiderstand konnte der Energiebedarf der Fahrzeuge immer weiter gesenkt werden.
Lärmentwicklung Im Geschwindigkeitsbereich oberhalb von 250 km/h wird die Schallemission eines Fahrzeugs im Wesentlichen durch das aerodynamische Geräusch bestimmt, wobei die Schallleistung mit der fünften Potenz der Geschwindigkeit zunimmt. Dies bedeutet, dass beispielsweise bei einer Geschwindigkeitserhöhung von 300 km/h auf 400 km/h der Mittelungspegel um 6 dB zunimmt (Als Faustregel gilt: Ein Unterschied von 10 dB wird als Lautstärkeverdopplung wahrgenommen).
Da Hochgeschwindigkeitszüge auch durch dichtbesiedelte Gebiete fahren, stellt die Lärmentwicklung der Fahrzeuge einen Faktor für die zulässige Höchstgeschwindigkeit auf dem jeweiligen Streckenabschnitt dar. Daher erweist sich eine schalltechnische Optimierung von Fahrzeug und Fahrweg gegebenenfalls als direkt nutzbar.
Wirtschaftlichkeit Zwar sind Hochgeschwindigkeitsverkehre immer auch Prestigeobjekte, die für die technische Leistungsfähigkeit des jeweiligen Landes stehen, doch lässt sich ohne ein gewisses Maß an Wirtschaftlichkeit ein solches Projekt nicht realisieren.
Hochgeschwindigkeitsverkehre erzielen ihre Wirtschaftlichkeit dadurch, dass die höheren Fahrzeugkosten, der höhere Aufwand für den Bau und die regelmäßige Wartung des Fahrwegs und der höhere Energiebedarf durch einen geringeren Fahrzeug- und Personalbedarf infolge kürzerer Reisezeiten kompensiert werden. Zudem können durch die kürzere Reisezeit und die Attraktivität der Fahrzeuge teilweise erhebliche Zuwächse bei den Reisendenzahlen verzeichnet werden. So stiegen die Reisendenzahlen im Fernverkehr auf der Tōkaido-Strecke Tokio–Osaka nach Einführung des Shinkansens innerhalb von nur fünf Jahren auf das Vierfache, und durch die Einführung des TGV auf der Relation Paris–Lyon konnte innerhalb von zwei Jahren eine Verdopplung der Reisendenzahlen erreicht werden.
Die wesentlichen Faktoren für die Reisezeit sind: die Höchstgeschwindigkeit die Halteabstände die Beschleunigungsfähigkeit der Fahrzeuge die Haltezeiten Langsamfahrstellen und anteilige Streckenabschnitte die regulär nicht für Höchstgeschwindigkeit zugelassen sind Während insbesondere im städtischen Nahverkehr mit kurzen Halteabständen vor allem die Haltezeiten und die Beschleunigungsfähigkeit der Fahrzeuge entscheidend ist, werden im Hochgeschwindigkeitsverkehr die kurzen Reisezeiten vor allem durch eine durchgehend hohe Geschwindigkeit und große Halteabstände erreicht. Bei sehr hohen Geschwindigkeiten (ab etwa 250 km/h) nimmt allerdings die Bedeutung der Beschleunigungs- und Verzögerungsfähigkeit der Fahrzeuge zu, wenn eine dichte Zugfolge (3 Minuten) möglich sein soll.