vignette|Le record actuel de affiché sur un TGV en gare de Nancy.
La SNCF a battu en France plusieurs fois le record du monde de vitesse sur rail, une première fois en 1954 entre Dijon et Beaune, puis l'année suivante en 1955 sur la ligne des Landes et, avec l'apparition du TGV, lors de quatre opérations appelées TGV 100 (1981), TGV 117, TGV 140 (1989-1990), et V 150 (2007) qui se sont déroulées sur plusieurs lignes, la LGV Sud-Est, la LGV Atlantique et la LGV Est européenne.
Cinq records de vitesse ont été établis : , ; , (première fois qu'un train dépasse les ) ; , . ; : lors de l'opération TGV 100. ; : lors de l'opération TGV 140 ; : lors de l'opération V 150.
Depuis 1954, la SNCF a toujours été détentrice du record de vitesse sur rail sauf entre et , où le record a été détenu par la Deutsche Bundesbahn (DB) avec obtenu avec une rame ICE-V expérimentale sur la ligne à grande vitesse Hanovre–Wurtzbourg.
Un record de vitesse moyenne sur une longue distance a été battu par la SNCF lors de l'opération Sardine, le , durant laquelle un TGV a parcouru entre Calais et Marseille en , à la vitesse moyenne de .
Avant le TGV
Premier record en 1954 La SNCF bat pour la première fois le record mondial, le avec une locomotive électrique CC 7121 d'Alsthom qui atteint entre Dijon et Beaune.
Record de 1955 vignette|La CC 7107 du record du monde. En 1955, la SNCF décide d'essayer de passer les . Une section de la ligne électrifiée des Landes est choisie, présentant une très longue ligne droite et une courbe très large entre les gares de Facture et de Morcenx. La tension électrique, en courant continu sur cette section de ligne est alors renforcée. Initialement d', elle se voit augmentée de . Deux locomotives, la CC 7107 d'Alsthom et la BB 9004 de Jeumont-Schneider sont sélectionnées et modifiées. Elles tracteront trois voitures dont la dernière se voit doter d'un arrière aéro-dynamique..
Le , la CC 7107 d'Alsthom atteint la vitesse de . La friction sur la caténaire fait fondre le pantographe. Le lendemain, le , la BB 9004 de Jeumont-Schneider sur la même section atteint les . Le SNCF décide d'attribuer cette vitesse aux deux locomotives, la BB 9004 ayant, contrairement à la CC 7107, bénéficié du lever du second pantographe après « fusion » de la semelle du premier et vu la faible différence des vitesses maximales atteintes. Cela lui permet d'assurer le même traitement à ses deux fournisseurs de locomotives.
Programme de 1981 (TGV 100) vignette|droite|TGV Sud-Est rame 16 - Plaque du record mondial de vitesse.
Le , la rame TGV Sud-Est de la SNCF a atteint sur la ligne à grande vitesse Paris-Sud-Est au nord de Pasilly, dans l'Yonne. La tension était augmentée à (au lieu de ) les roues étaient d'un plus grand diamètre et le rapport d'engrenage entre les moteurs et les roues était augmenté. La tension mécanique de la caténaire était aussi augmentée pour élever sa vitesse critique (vitesse de propagation des ondulations provoquées par la pression du pantographe sur le fil de contact). Cette rame a fait l'objet d'une rénovation de type 1 le .
Le 100 du nom de l'opération TGV 100 faisait référence à l'objectif de vitesse de . En effet, l'essai était prévu pour atteindre . Jean Dupuy, alors directeur général adjoint de la SNCF, donne l'ordre au pilote du train d'augmenter la vitesse, et finalement lui donne l'ordre de freiner à ... La raison de cette limite était, comme Dupuy l'a expliqué par la suite, d'éviter un enroulement de la caténaire.. L'objectif de l'essai était en effet de démontrer aux journalistes présents dans la rame que l'on avait dépassé de la vitesse de mise en service commerciale de la voie Paris-Lyon sans prendre de risque inconsidéré et sans abîmer les installations fixes de la voie..
Programmes de 1989 et 1990 (TGV 117 et TGV 140)
Le record du monde de vitesse du TGV () est l'aboutissement d'un programme d'essais menés par la SNCF en 1989 et 1990 (avant l'ouverture au service commercial de la branche sud de la LGV Atlantique), essais visant à explorer les possibilités extrêmes du système TGV. L'objectif de ces essais était d'atteindre la vitesse maximum possible avec une rame TGV dans des conditions permanentes de sécurité.
Les opérations TGV 117 et TGV 140, en référence aux objectifs de vitesse exprimés en mètres par seconde furent menées par la SNCF de à . Le point d’orgue de ces essais fut l’établissement le du nouveau record mondial de vitesse ferroviaire à par la rame .
Le parcours d'essais Les essais se sont déroulés sur un tronçon de la LGV Atlantique quelques mois avant la mise en service commercial de la ligne. La réalisation des essais ne nécessita pas de modifications significatives de la voie ou de la caténaire. Certaines sections de la ligne avaient été planifiées dès 1982 (peu de temps après le record de février 1981 sur la LGV Sud-Est) pour permettre des marches à très hautes vitesses.
La section d’essais commençait sur le tronc commun, au kilomètre 114, à l’embranchement de Dangeau. Elle s’étendait au-delà de la bifurcation de Courtalain sur la branche sud-ouest en direction de Tours. Du kilomètre 135 au kilomètre 170, la ligne fut tracée avec des courbes de plus en plus larges, atteignant un rayon minimum de après le kilomètre 150. Ces courbes furent construites avec un dévers supérieur à ce qui était strictement nécessaire pour une vitesse commerciale de . Au kilomètre 160, la ligne traverse la gare de Vendôme TGV. Au kilomètre 166, il y a une longue descente, avec une pente de 2,5 %, vers la vallée du Loir, affluent de la Loire que la ligne franchit par un pont de . C’est le point où il était prévu d’atteindre les vitesses les plus élevées et la plus grande partie de l’activité se concentra dans cette zone.
La branche sud-ouest (Tours) de la ligne fut contrôlée à l'aide d'un équipement spécial informatisé de maintenance de la voie, de la direction de l'Infrastructure de la SNCF. Comme sur toutes les LGV, les rails sont alignés avec une tolérance de , et le ballast fut soufflé pour le purger des graviers trop fins. Les marches d'essai eurent peu d'effets sur la voie. Il y eut jusqu'à quatre marches par jour. Après les essais la voie n’a nécessité que de légères reprises. Il s'agit d'une différence notable avec les conditions du record de vitesse de 1955, au cours duquel la voie fut fortement déformée durant la marche de la à . Des jauges de contraintes furent placées en plusieurs endroits, en particulier sur les joints de dilatation aux extrémités du pont sur le Loir.
La caténaire était une caténaire LGV standard, sans aucune modification, mise à part la tension du fil car lorsqu'un pantographe se déplace sous une caténaire, il crée une perturbation en forme d’onde qui se propage le long du fil à une vitesse déterminée par la tension du fil et sa masse par unité de longueur. Si le pantographe se déplace à la même vitesse que la perturbation, il provoque un déplacement vertical important et dangereux du fil de contact avec un risque de décollement et d'interruption du contact. Cette vitesse est la vitesse « critique », qui constitue une limite à celle pouvant être atteinte par le train. Ce problème fut au cœur des essais, puisqu'on désirait atteindre des vitesses bien supérieures à la vitesse critique de la caténaire standard des LGV. Il y avait deux solutions : augmenter la tension du fil ou réduire sa masse par unité de longueur.
Il fut envisagé de remplacer le fil de contact en cuivre par un fil plus léger en alliage de cadmium, mais il a fallu renoncer pour des questions de délai et de coût. La vitesse critique de la caténaire de la ligne d’essais dut donc être relevée seulement par l’augmentation de la tension mécanique du fil de contact. Pour les marches d’essais, la tension habituelle de fut portée à et exceptionnellement à .
Au kilomètre 166, les poteaux caténaires étaient équipés de capteurs pour mesurer le déplacement du fil de contact. Lors du record à , le , des déplacements verticaux de presque furent enregistrés, à 1 ou seulement des prévisions réalisées par simulations informatiques. La vitesse critique de la caténaire pour cette marche particulière fut de .
En raison des puissances appelées par la rame, pour certaines des marches les plus rapides, au-delà de , la tension électrique d'alimentation de la caténaire fut porté à , la tension nominale des lignes en exploitation étant de .
Les trains d’essais
Au cours des premières étapes alors que l’opération TGV 117 était encore en phase de définition, différents critères ont été retenus dans la préparation d’un train d’essais. Ils concernaient l’aérodynamique, la traction et les systèmes électriques, les rails et le contact avec la caténaire
L’objectif principal du programme d’essais était d’explorer les limites du système TGV et de caractériser son comportement à de très hautes vitesses. Un principe avait guidé les techniciens : utiliser une rame TGV de série et la modifier le moins possible. La rame du TGV Atlantique (la de la série Atlantique) fut choisie de manière arbitraire pour être le point de départ des modifications. Il faut souligner que cette rame n’avait rien de spécial, et qu’elle retourna après les essais au service commercial auquel elle était destinée. Actuellement, les seuls signes distinctifs de la rame 325 qui la démarquent des autres rames Atlantiques sont un ruban bleu peint sur le nez et des plaques de bronze rivées sur les flancs des deux motrices pour commémorer l’évènement.
Rame 325, première version
Les modifications, lors de la préparation de la seconde campagne d’essais, commencèrent par un raccourcissement de la rame qui passa de sa composition normale à dix caisses à seulement quatre caisses, entraînant une augmentation importante de la puissance massique. La composition était la suivante : motrice TGV24049, remorque R1 TGVR241325, remorque R4 TGVR244325, remorque R6 TGVR246325, remorque R10 TGVR240325 et motrice TGV24050. La longueur de la rame était réduite à au lieu de 237 et sa masse à au lieu de 490.
L’aérodynamique du TGV Atlantique était déjà très bonne et fut très peu améliorée. On décida que la rame 325 aurait un « avant » et un « arrière » pour les marches à grande vitesse, de façon à simplifier les modifications. Normalement, une rame TGV est symétrique et réversible, mais les deux motrices de la rame 325, 24049 et 24050, furent définies, respectivement, comme motrice de tête et motrice de queue. Sur le toit de l’élément de tête, 24049, les pantographes furent déposés et le carénage du toit étendu sur l’ouverture, on fit de même pour le pantographe DC de la motrice de queue 24050. Un seul pantographe devait être utilisé à grande vitesse : le modèle GPU (Grand Plongeur Unique) de Faiveley subsistant sur la motrice 24050. Comme dans un TGV normal, la motrice de tête devait être alimentée depuis la motrice de queue par la ligne de toit courant sur toute la longueur de la rame. D’autres améliorations, comme des membranes de caoutchouc obturant l’espace entre deux remorques, et un spoiler arrière sur la motrice 24050 furent envisagées, puis abandonnées.
Les moteurs de traction synchrones à courant alternatif (type SM47) des motrices 24049 et 24050 ne pouvaient pas tourner trop vite, à cause des limitations de la commutation de fréquence de l’alimentation électronique. Les techniciens ont choisi tours par minute à comme ratio optimum, à la suite des essais de la rame 325 à grande vitesse avec les équipements de traction de série. Le nouveau ratio de traction fut obtenu en changeant le rapport de transmission et en augmentant le diamètre des roues. Comme pour la campagne d’essais de 1981 sur la rame TGV PSE , les roues d’origine des motrices 24049 et 24050 de furent remplacées par des roues de .