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Text File  |  1996-09-19  |  18KB  |  343 lines

  1.  Info pulled from the Usenet.  Air (atmosphere) Railway Systems.
  2.  
  3.     Today and Yesterday
  4.      -------------------------
  5.  
  6. The ultimate responsibility for this thread :-) belongs to George
  7. Medhurst (1759-1827), of England.  During a period of a few years
  8. about 1810, he invented three distinct forms of air-propelled
  9. transport.  None of them was implemented during his lifetime;
  10. but all of them saw use eventually, reaching their greatest extent
  11. in the reverse order of their original invention.
  12.  
  13. Medhurst's first method involved moving air through a tube a few
  14. inches in diameter, pushing a capsule along it; this simple idea
  15. was the pneumatic dispatch tube.  Next he realized that if the same
  16. system was built much larger, it could carry passengers (or freight
  17. items larger than letters); it was natural to run the vehicle on
  18. tracks, and so this became known since the vehicle would be large
  19. enough to require tracks, this became known as a pneumatic railway.
  20.  
  21. But would anyone actually want to ride along mile after mile inside
  22. an opaque pipe?  Not likely.  So he then thought of having only a
  23. piston moving within the pipe, somehow dragging along a vehicle
  24. outside it.  He proposed several versions of this idea; in most of
  25. them the vehicle ran on rails, so this became known as an atmospheric
  26. railway (though a distinction between that term and the pneumatic
  27. railway was not always observed).  The key feature of all versions
  28. of the system was a longitudinal valve: some sort of flexible flap
  29. running the length of the pipe, which would be held closed by air
  30. pressure except when the piston was actually passing.  Medhurst
  31. did try to raise capital to implement this system, but failed.
  32.  
  33.  
  34. Now, while the first operable steam locomotive was built about 1804,
  35. steam-powered trains did not see regular use for passengers for some
  36. 25 years after that.  It was in the 1830's and 1840's that the steam
  37. railway was shown to be practical in both engineering and financial 
  38. senses.
  39.  
  40. But the same technical developments that made possible the practical
  41. steam railway also made the atmospheric railway, if not certainly
  42. practical, at least worth a try.  And it offered the prospect of
  43. considerable advantages.  Since the trains wouldn't have to carry
  44. their prime mover, they would be lighter; therefore the track could
  45. be built cheaper, and the trains' performance would be better.
  46. The trains wouldn't trail smoke wherever they went (and into the
  47. passenger cars in particular), and they would also be quiet.
  48. And if one section of the route was hilly and required more motive
  49. power, all that were needed would be more or larger pumping stations
  50. along that section; no need to add extra locomotives.  In short,
  51. very much the same advantages that electricity gave a few decades
  52. later.  (Plus one more: a derailed train would tend to be kept near
  53. the track by the pipe and piston.)
  54.  
  55.  
  56. The success of the 1830's railways gave rise to the Railway Mania
  57. of the 1840's, when interest in railway shares reached absurd levels.
  58. In that climate the proposers of atmospheric lines could find the
  59. backing they needed, and four atmospheric lines opened in a period
  60. of about 3 years.  In order of opening, these were:
  61.  
  62.      * The Dublin & Kingstown, from Kingstown to Dalkey in Ireland,
  63.        1.5 miles long; operated 1844-54.
  64.      * The London & Croydon, from Croydon to Forest Hill in London,
  65.        England, 5 miles, then extended to New Cross for a total
  66.        of 7.5 miles; operated 1846-47.
  67.      * The Paris a St-Germain, from Bois de Vezinet to St-Germain
  68.        in Paris, France, 1.4 miles long; operated 1847-60.
  69.      * The South Devon, from Exeter to Teignmouth in Devonshire,
  70.        England, 15 miles, then extended to Newton (now Newton Abbot),
  71.        20 miles altogether; operated 1847-48.
  72.  
  73. I note in passing that while I (as a fan of his) might like Isambard
  74. Kingdom Brunel to have invented the atmospheric system used on the
  75. South Devon, it is wrong to say that he did so.  He did choose it
  76. and actively promoted it (well, "actively" is redundant with Brunel).
  77. It was actually developed by Samuel Clegg and Joseph and Jacob Samuda.
  78.  
  79. Both of the longer, if shorter-lived, English lines used atmospheric
  80. propulsion in both directions of travel, whereas the French and Irish
  81. lines were built on hills and their trains simply returned downhill
  82. by gravity.  Since all were single-track lines, the one-way system
  83. simplified the valves needed to let the pistons in and out of the
  84. pipes at their ends (possibly while traveling at speed).
  85.  
  86. All four lines were converted to ordinary steam railways in the end,
  87. and for the next 130 years the atmospheric system appeared dead.
  88. For one thing, steam locomotive technology had too much of a head
  89. start in development over the atmospheric system; steam railways
  90. might have delays due to engine failure but they never had to shut
  91. down for 6 weeks while a new design of longitudinal valve was
  92. installed along the entire length of the route!
  93.  
  94. (The valve involved metal and leather parts and a greasy or waxy
  95. sealant "composition".  Although stories were told about rats
  96. eating the composition, and this probably did happen sometimes,
  97. it wasn't really a serious thing; the biggest problems in fact
  98. were freezing and deterioration of the leather, and corrosion
  99. of the metal parts.)
  100.  
  101. Also, the atmospheric system was inflexible, in that if the power
  102. requirements for a section of route were greater than estimated,
  103. very little could be done short of splitting the section and adding
  104. a whole new pumping station.  (All the lines used vacuum rather
  105. than positive pressure in the pipes, which limited the pressure
  106. differential to about 0.9 atmosphere in practice; but the valve
  107. designs were marginal anyway and likely wouldn't have stood up
  108. to greater pressures if they could have been used.)
  109.  
  110. What today might be seen as the most serious disadvantage of all,
  111. the requirement for long interruptions of the motive power at
  112. junctions, was not so noticeable in those days.  If the train
  113. didn't have enough speed to coast across the gap, well, the
  114. third-class passengers could always get out and push, or maybe
  115. there would be a horse conveniently at hand.  At some stations
  116. a small auxiliary pipe was used to advance the train from the
  117. platform to the start of the main pipe.
  118.  
  119. There were many other proposals in those days for atmospheric
  120. lines, but in view of these early failures, none of them were
  121. ever built as atmospheric railways.  The next atmospheric railway
  122. to open actually appeared in 1990!
  123.  
  124.  
  125. While the atmospheric railways were vanishing, the first
  126. pneumatic dispatch tubes were beginning to appear; I'll get
  127. into that later.  But from that start, the pneumatic railway
  128. idea began to return also.  At first these were designed for
  129. freight.  Engineers J. Latimer Clark and T. W. Rammell formed
  130. the Pneumatic Despatch Company, which built a demonstration tube
  131. above ground in Battersea in 1861.  This line successfully carried
  132. loads up to 3 tons... and even a few passengers, lying down in
  133. the vehicles in the 30-inch tunnel!  The pressure used was up
  134. to 0.025 atmosphere, and speeds up to 40 mph were reached.
  135.  
  136. The Post Office became interested in the system and had several
  137. tunnels built for it.  They were used from 1863 to 1874, though
  138. interrupted for a time by the financial crisis of 1866.
  139.  
  140. (At this point they decided that the system didn't gain enough time
  141. to be worth the cost, not to mention the risk of a vehicle becoming
  142. stuck in the tube.  In the 1920's, when electricity was available,
  143. they returned a driverless trains system, using tunnels of similar
  144. size to the old pneumatic tubes.  This is the Post Office "tube"
  145. Railway, which continues in use to this day.  Such systems also
  146. exist in Switzerland, which had it first, and in West Germany.)
  147.  
  148.  
  149. Meanwhile, while these lines were moving the mail from the streets
  150. of London to tunnels underneath, the first underground railways
  151. were doing the same with passenger traffic.  The first section of
  152. the Metropolitan Railway (from Farringdon, now Farringdon Street,
  153. to Paddington station) opened in 1863.  It was promptly followed
  154. by extensions, as well as competition in the form of the Metro-
  155. politan District Railway, a subsidiary that got away.  (Their
  156. routes in central London today form the London Underground's
  157. Metropolitan, District, Circle, and Hammersmith & City Lines.)
  158.  
  159. Now there was no thought of operating the Metropolitan with
  160. anything but steam locomotives, despite the line being mostly
  161. in tunnel.  Sir John Fowler, who later co-designed the Forth Bridge,
  162. did have the idea of a steam locomotive where the heat from the fire
  163. would be retained in a cylinder of bricks, and therefore the fire
  164. could be put out when traveling in the tunnels.  One example of
  165. this design, later called Fowler's Ghost, was tried in 1862.
  166. It was thermodynamically absurd: as C. Hamilton Ellis put it,
  167. "the trouble was that her boiler not only refrained from producing
  168. smoke, it produced very little steam either".
  169.  
  170. In the end both the Met and the District were worked with condensing
  171. steam locomotives: these emitted smoke as usual, but their exhaust
  172. steam, while running in tunnels, was directed back into the water
  173. tanks and condensed.  The tanks were drained at the end of the run
  174. and refilled with cold water.
  175.  
  176.  
  177. So people were not only willing to travel in what amounted to an
  178. opaque tube after all, but in one filled with smoke at that!
  179. Why not one *without* smoke?  And so the pneumatic railway was
  180. now tried; but it never got past the demonstration stage.
  181.  
  182. The longest line to carry passengers was opened at the Crystal
  183. Palace in London in 1864.  It used a tunnel about 9 by 10 feet,
  184. 1800 feet long.  The driving fan was 22 feet across, generating
  185. about 0.01 atmosphere of pressure -- the larger the tube, the
  186. lower the pressure you need.  The vehicle was a full-size broad
  187. gauge railway car ringed with bristles; it carried 35 passengers.
  188. The trip took 50 seconds, thus averaging about 25 mph.  Another,
  189. smaller demonstration line was built at a fair in the US in 1867
  190. by Alfred Ely Beach.
  191.  
  192. Beach then formed the Beach Pneumatic Transit Company, which
  193. obtained permission to build a freight-carrying pneumatic line
  194. under Broadway in New York.  But what he actually opened in 1870
  195. was a passenger-carrying pneumatic subway, the only one to
  196. actually operate under a city street.  It was only 312 feet long,
  197. from Warren Street to Murray Street.  The tunnel was 9 feet in
  198. diameter, and was worked by a single car with a capacity of
  199. 18 passengers.
  200.  
  201. Beach tried but failed to get permission to extend the line.
  202. It closed after a few months, and New York did not get a subway
  203. again until 1904, when the first Interborough Rapid Transit route
  204. was opened (from City Hall station along the present Lexington
  205. Avenue, 42nd Street shuttle, and 7th Avenue lines to, um, initially 
  206. somewhere around 120th Street).  This route was electric and so
  207. have been all its successors.
  208.  
  209. Beach's tunnel had been almost forgotten when the crews
  210. constructing the new subway broke into it in 1912.
  211.  
  212. In London, a pneumatic underground line was started *with* permission,
  213. but construction was never completed.  This was the Waterloo and
  214. Whitehall Railway, which planned to connect Waterloo station to Great
  215. Scotland Yard, 1/2 mile away, with a 12'9" diameter tunnel passing
  216. under the Thames.  Considering that the Thames Tunnel project of
  217. Sir Marc Brunel and Isambard Kingdom Brunel -- now now part of
  218. the Underground's East London Line -- had faced massive technical
  219. and financial difficulties before its long-delayed completion only
  220. about 20 years previously, this was no mean undertaking.
  221.  
  222. The Waterloo & Whitehall was halted by the financial crisis of 1866;
  223. and it was never revived.  The tunnel had been started from the
  224. Great Scotland Yard end, and had just reached the river; work on
  225. the underwater section was beginning.  There were other proposals
  226. for passenger-carrying pneumatic lines, but none saw construction
  227. in that form.  (At least one, under the Mersey at Liverpool, England,
  228. was eventually opened as an ordinary railway.)
  229.  
  230.  
  231. The next type of underground line to open in London was the Tower
  232. Subway, which also passed under the Thames.  It was a short route,
  233. just under the river, worked by a small cable car.  It opened in
  234. 1870 and was short-lived.  (The tunnel served as a footway for a
  235. while after that, then was taken over for pipes.  The Thames Tunnel,
  236. conversely, had been used first as a footway, then converted to
  237. railway use.)
  238.  
  239.  
  240. After this time, electric railways began to become practical.
  241. The next underground line to open was the City & South London,
  242. now part of the Underground's Northern Line.  Its first section
  243. (from Stockwell to a now disused terminus at King William Street,
  244. replaced by the present Bank station) opened in 1890.  It used
  245. the new deep-level tube tunnels, with more limited ventilation
  246. than on the Metropolitan Railway, so steam was out of the question
  247. in any case.  The original plan was for cable haulage, but instead
  248. the new electric locomotives were tried and the line has always
  249. been operated electrically.  The line was first built with 10'2"
  250. diameter tunnels, forcing use of rather small cars.  (The cars
  251. also had only tiny windows, on the grounds that there was nothing
  252. to see -- so they got the nickname of "padded cells".)
  253.  
  254. All of the later lines in London, opened from 1900 onwards, were
  255. built on the same general pattern as the C&SL, with deep-level
  256. tubes and electric traction -- first by locomotives and then by
  257. multiple-unit trains.  The other tube lines vary from 11'6" to
  258. 12-foot diameter tunnels, and the C&SL was enlarged in the 1920's
  259. to match.  This is still rather small compared to most other
  260. subways in the world, and is the reason for the distinctive
  261. shape of the tube trains.
  262.  
  263.  
  264. With the success of the electric lines, the Metropolitan and
  265. District faced the loss of traffic, and they too were converted
  266. to elecricity -- at least for the underground sections in central
  267. London in 1905.  The first line of the present New York subway
  268. system opened in 1904 and this, too, has always used electricity.
  269. (This was the original Interborough Rapid Transit route, from City
  270. Hall station along the present Lexington Avenue, 42nd Street shuttle,
  271. and 7th Avenue lines to, um, somewhere around 120th Street).  Beach's
  272. tunnel had been almost forgotten when the crews constructing the
  273. new subway broke into it in 1912.
  274.  
  275.  
  276. Meanwhile, the humble original concept of the pneumatic dispatch tube
  277. continued to develop.  The first of them, 1.5 inches in diameter,
  278. had been built in 1853 by J. Latimer Clark; it connected the
  279. Electrical and [sic] International Telegraph Company's office in
  280. Telegraph Street, London, with their branch 675 feet away at the
  281. Stock Exchange.
  282.  
  283. The key invention was J. W. Willmott's double sluice valve of 1870,
  284. which allowed rapid dispatching of successive capsules.  It was also
  285. possible, as had been done on the pneumatic railways, to use both
  286. positive pressure (on the order of 1 atmosphere) and vacuum, to
  287. drive the capsules both ways from a single pumping station.  The
  288. tubes became quite common; many miles were built in various European
  289. and North American cities.  By 1886 London had over 34 miles of them
  290. for the Post Office's telegraph service alone.  In the Paris system
  291. a person could pay a fee for a message to be sent specifically by
  292. the tube.
  293.  
  294. They were also used within large buildings, and some survive in
  295. use to this day.
  296.  
  297.  
  298. Finally, in 1990, the Brazilian company Sur Coester stunned the
  299. world by opening at a fair in Djakarta, Indonesia, a demonstration
  300. line of their Aeromovel system.  This is nothing more nor less
  301. than an elevated atmospheric railway.  The structure is concrete,
  302. with steel rails and a rectangular concrete air pipe larger than
  303. those on the 19th century lines.  The longitudinal valve is made
  304. of heavy cloth-reinforced rubber.  Computerized remote control
  305. is used.
  306.  
  307.  
  308. Oh yes.
  309.  
  310. Pneumatic dispatch tubes were depicted in the 1985 movie "Brazil";
  311. Beach's tunnel was depicted, in rather distorted form, in the 1989
  312. movie "Ghostbusters II"; the modern form of the New York subway
  313. has been depicted in many movies, notably the 1974 one "The Taking
  314. of Pelham One Two Three"; but I don't believe the atmospheric or
  315. pneumatic systems have ever been depicted at work in any movie.
  316. Clearly this needs to be rectified! :-)
  317.  
  318.  
  319. References.
  320.  
  321. Almost all the information in this posting about the pneumatic
  322. and atmospheric systems comes from one book...  "Atmospheric
  323. Railways: A Victorian Venture in Silent Speed" by Charles Hadfield,
  324. 1967, reprinted 1985 by Alan Sutton Publishing, Gloucester; ISBN
  325. 0-86299-204-4.
  326.  
  327. For other topics, I principally consulted "The Pictorial
  328. Encyclopedia of Railways", 1976 edition, by (C.) Hamilton Ellis,
  329. Hamlyn Publishing; ISBN 0-600-37585-4; some details came from other
  330. books or my memory.
  331.  
  332. The information about the Djakarta line comes from two postings in
  333. rec.railroad, one last November by Andrew Waugh quoting the November 24
  334. issue of "New Scientist" magazine, and the recent one by Russell Day
  335. citing "Towards 2000".
  336.  
  337. -- 
  338. Mark Brader            "Great things are not done by those
  339. SoftQuad Inc., Toronto         who sit down and count the cost
  340. utzoo!sq!msb, msb@sq.com     of every thought and act."  -- Daniel Gooch
  341.  
  342. This article is in the public domain.
  343.