- Аеродинаміка швидкісних поїздів: чому вітер не заважає TGV Поїзд TGV (Train З Grande Vitesse, високошвидкісний...
- Іграшкова залізниця
- Спереду і збоку
- перекинути поїзд
- На 10 хвилин вперед
- Аеродинаміка швидкісних поїздів: чому вітер не заважає TGV
- На батьківщині Жуля Верна
- Іграшкова залізниця
- Спереду і збоку
- перекинути поїзд
- На 10 хвилин вперед
- Аеродинаміка швидкісних поїздів: чому вітер не заважає TGV
- На батьківщині Жуля Верна
- Іграшкова залізниця
- Спереду і збоку
- перекинути поїзд
- На 10 хвилин вперед
Аеродинаміка швидкісних поїздів: чому вітер не заважає TGV
Поїзд TGV (Train З Grande Vitesse, високошвидкісний поїзд) Париж - Нант відходить від паризького вокзалу Монпарнас майже безшумно. Проїхавши передмістя Парижа, поїзд збільшує швидкість, але пасажири цього практично не помічають - шлях лежить через рівні поля, навколо немає ні стовпів, ні дерев, тому ніщо не мелькає перед поглядами людей, що сидять в зручних кріслах всередині вагонів.
Сидячи біля вікна, я дістаю GPS-приймач і включаю його, щоб дізнатися швидкість руху. В цей час в наше купе заглядає Франсуа Лакота, старший віце-президент і технічний директор компанії Alstom, яка займається розробкою і виробництвом високошвидкісних поїздів. Колеги називають його «батьком TGV», оскільки він працює над проектом високошвидкісних поїздів з 1983 року (сам Франсуа схильний вважати себе «матір'ю TGV», оскільки батько, на його думку, приймає занадто нетривалу участь в створенні дитини). Зацікавившись моїми маніпуляціями, він з цікавістю киває на приймач і питає: «Ну, яка швидкість?» На екрані горить цифра 272 км / год, і я вказую на неї Франсуа. Він з показним збентеженням каже: «О! Мені дуже шкода, я прошу вибачення! Це не сама швидкісна лінія TGV, але я все ж піду попрошу машиніста збільшити швидкість. Ми ж не можемо зганьбитися перед журналістами! »Журналісти у відповідь сміються, все прекрасно розуміють, що це жарт: поїзд управляється комп'ютером, і машиніст, зрозуміло, просто не може зробити нічого без узгодження з централізованою системою управління рухом.
На батьківщині Жуля Верна
Через дві години з хвилинами поїзд прибуває в Нант, на батьківщину Жюля Верна. Але група європейських журналістів прибула сюди зовсім не для того, щоб вшанувати пам'ять письменника. На околиці Нанта розташована величезна споруда кліматичного аеродинамічного дослідницького комплексу CSTB (Centre Scientifique et Technique du Batiment, Науково-технічний центр будівництва). Тут проводять дослідження впливу вітру, сонячного світла, морозу і спеки, дощу, запорошених і сніжних буревіїв на макети різних будівель і споруд. І не тільки макети, але і повнорозмірні зразки. Наприклад, автомобілі - тут тестують поведінку своїх виробів в несприятливих погодних умовах Peugeot, Citroеn, Renault, Audi, VW, Porsche, Mercedes, Saab. Виробники автомобільних комплектуючих - Michelin, Valeo, Bosch, Webasto, Sent Gobain - теж часті гості випробувальних майданчиків комплексу ім. Жюля Верна. Як і виробники одягу, архітектурні компанії і військові підрядники. Але мета нашої поточної екскурсії - подивитися, як компанія Alstom тестує аеродинаміку наступного покоління високошвидкісних поїздів - AGV (Automotrice З Grénde Vitesse).
Нарівні з літаками Аеродинаміці високошвидкісних поїздів конструктори приділяють величезну увагу. Традиційно ця область асоціюється з літаками, проте поїзди вже починають наздоганяти їх за швидкостями. У деяких аспектах аеродинаміка поїздів навіть складніша - вони рухаються поблизу земної поверхні в умовах змінного вітру. До того ж високошвидкісні поїзди - один з небагатьох видів транспорту, який повинен бути оптимізований по аеродинаміці в обох напрямках, оскільки на кінцевих станціях потяги не розгортають.
Зовні комплекс справляє сильне враження - це будівля розмірами 60х90 м з «гофрованої» дахом. Нашу групу ведуть всередину, і я очікую побачити в випробувальної камері головний вагон нового поїзда AGV (благо розміри майданчика дозволяють). Однак мене чекає розчарування - через прозоре вікно випробувальної камери видно, що на майданчику коштує всього лише макет поїзда. У масштабі 1:15, висотою 28 см.
Іграшкова залізниця
Ремі Грегуар, головний спеціаліст з аеродинаміки компанії Alstom, демонструє моделі поїздів з гордістю батька, який купив своєму синові іграшкову залізницю: «Ось це головні вагони з різними варіантами носових обтічників. А на даху можна встановити різні струмозйомники, дефлектори. А ось вагони в різних варіантах виконання ». Хоча вагони для випробувань не розфарбовані (в цьому немає необхідності) і виготовлені з чорного пластику, всі деталі, що мають значення для аеродинаміки, виконані досить ретельно. Єдине відступ полягає в тому, що на цих моделях немає коліс, вони замінені тонкими короткими шпеньками-стійками, оскільки для досліджень, які тут проводяться, наявність коліс не має значення. «Ручна робота?» - цікавиться один з журналістів. "Ні звичайно! Потяги виготовлені з поліаміду методом пошарового селективного лазерного спікання з комп'ютерної моделі, - каже Ремі. - Але ціна дійсно колекційна: кожен набір вагонів стоїть? 25000 ». Потім Ремі веде нас на склад, де демонструє різні варіанти насипів в тому ж масштабі - вони імітують стандартну насип висотою 6 м. Масштаб 1:15 обраний за сукупністю причин: такі розміри дають можливість відтворити різні деталі, важливі для аеродинаміки, і швидко виготовляти моделі за відносно помірною ціною. Ці розміри дозволяють також укладатися в потрібні діапазони швидкостей вітру і навантажень труби CSTB, а отримані дані легко перераховуються для поїзда реального розміру.
Все в диму У кліматичному аеродинамічному дослідному комплексі ім. Жюля Верна CSTB в Нанті не тільки досліджують взаємодію поїздів AGV з потоками повітря за допомогою вимірювань сил і моментів сил при охолодженні масштабних макетів, а й проводять експериментальні перевірки характеру обтікання.
Спереду і збоку
І ось, нарешті, серце самої аеродинамічної труби - випробувальний майданчик. Тут встановлений поворотний стіл, який можна повернути на заданий кут. На стіл встановлюється масштабна модель насипу, на неї - модель поїзда, що складається з головного і пари звичайних вагонів. Ось поїзда утворює з віссю повітряного потоку гострий кут, і я питаю Ремі про це. «Справа в тому, що ми тестуємо лобове аеродинамічний опір поїздів на моделях не тут, а в трубі Інституту АЕРОТЕХНІКА в Сен-Сіре (Institut AéroTechnique, IAT Saint-Cyr). А в CSTB ми вивчаємо взаємодію поїздів саме з боковим вітром ».
Вплив бокового вітру - аспект не менш важливий, ніж лобове опір. Якщо останнє впливає на витрату енергії, тобто на економічні показники, то бічний вітер здатний просто перекинути поїзд. «Візьміть середземноморську високошвидкісну лінію (Méditerranée), яка веде до Марселя і Монпельє, - говорить Франсуа Лакота. - Кожен день 140 поїздів TGV Duplex проносяться зі швидкістю 300 км / год по віадук заввишки 55 м над долиною Рони на південь від Авіньйона. А адже на міст і проходять по ньому поїзда регулярно обрушуються пориви бокового вітру, що досягають 150 км / год! Забезпечити безпеку поїздів в цьому випадку - ціла технічна проблема, і без комп'ютерного моделювання та експериментальних досліджень в області аеродинаміки її не вирішити ».
перекинути поїзд
Бічний вітер створює момент, який прагне перекинути поїзд, «розвантажуючи» одну з його сторін і навантажуючи іншу. Згідно з європейськими нормативами, перерозподіл навантаження між сторонами не повинно перевищувати 90%, тобто на колеса навітряного боку має як і раніше доводиться як мінімум 5% ваги поїзда. У трубі CSTB якраз займаються вивченням залежності бічних аеродинамічних сил від напрямку і відносної швидкості вітру по відношенню до осі поїзда, при цьому враховується і вельми висока швидкість руху самого поїзда.
«Ми вимірюємо перекидні сили при декількох швидкостях повітряного потоку - до 45м / с, - пояснює один з інженерів CSTB.- Потім підраховуємо залежність аеродинамічних коефіцієнтів від напрямку вітру до курсу поїзда і перераховуємо їх в характеристичні вітрові криві, за якими можна судити про допустимих максимальних поривах вітру при різних швидкостях для реального поїзда. Виконуємо та комп'ютерне моделювання, відмінно доповнює, але не замінює реальні експерименти, які в обов'язковому порядку потрібні для омологації. Для вимірювання перекидаючого моменту можна обмежитися головним і ще одним-двома вагонами - отримані дані легко масштабуються для будь-якої довжини поїзда. На відміну, скажімо, від лобового опору - воно по довжині, що не масштабується, кількість вагонів обов'язково повинно відповідати оригіналу, тільки тоді дані будуть коректні. Для лобового опору також важлива наявність коліс і рухається полотна ».
На 10 хвилин вперед
Однак, якою б оптимізованої не була форма поїзда, все одно знайдеться вітер, який може його перекинути (значення його швидкості якраз і вказані на характеристичних вітрових кривих). Для поїзда TGV Duplex, який ось уже майже десять років є своєрідним еталоном в області аеродинаміки, граничні швидкості поривів вітру складає від 32 м / с (для швидкості поїзда 300 км / ч) до 40м / с (для швидкості поїзда 120 км / ч). Роки досліджень в області аеродинаміки не пропали даром - для поїзда AGV фахівцям Alstom вдалося підвищити ці показники до 33 і 42 м / с відповідно.
Хто тут Дональд Дак? Знамениті японські швидкісні поїзди «Шінкансен», відомі як «поїзд-куля», з виходом нового покоління - 700-й серії - дещо втратили свій шарм в очах шанувальників. «Яка це куля? Це ж Дональд Дак! »- обурювалися залізничні фанати. Дійсно, носова частина поїздів 700-й серії дуже нагадує качиний дзьоб. Але популярність мультфільмів студії Walt Disney в Японії не має до цього ніякого відношення - це не порожня примха дизайнерів, а наслідок ретельної роботи фахівців з аеродинамічним шумів.
Найбільш небезпечний вітер, що дме під гострим кутом (який залежить від швидкості вітру і поїзди) назустріч потягу - в цьому випадку швидкості поїзда і вітру векторно складаються і перекидаючий момент зростає. Запобігти перекиданню при цьому можна, знизивши швидкість поїзда. Однак в самому поїзді немає ніяких приладів, що вимірюють швидкість вітру або перекидаючий момент (навантаження на колеса). «У цьому просто немає сенсу, - пояснює Ремі Грегуар.- Машиніст все одно не зможе нічого зробити, оскільки перехід до перекидання відбувається за одну-дві секунди. Людина просто не встигне відреагувати, та й комп'ютер теж, який би він не був швидкодіючий, - адже зниження швидкості теж вимагає достатнього резерву часу. Тому знати про ймовірне перекиданні обов'язково потрібно заздалегідь, як би заглядаючи в майбутнє ».
Як же влаштована система захисту від вітру? Уздовж найбільш вітряних ділянок шляху через кожні 10 км встановлюються анемометри (датчики швидкості вітру), які передають дані в центр управління рухом. За результатами вимірювань і відповідним метеорологічним моделям комп'ютер обчислює прогноз сили і напряму вітру на 10 хвилин вперед (за цей час поїзд при швидкості 120 км / ч проходить дві ділянки між датчиками). Якщо прогнози передбачають небезпечну швидкість вітру в наступні 10 хвилин, то комп'ютер передає системі управління поїзда команду знизити швидкість до необхідного значення при підході до відповідного датчику. На найнебезпечніших ділянках встановлені спеціальні щитки-дефлектори, що захищають проходить поїзд від вітру. «Такий захист відмінно зарекомендувала себе на самій вітряної високошвидкісної лінії - TGV Méditerranée, - говорить Ремі. - Вона експлуатується з червня 2001 року, і за весь цей час на маршруті не відбулося жодного інциденту. Ми впевнені, що так буде і далі ».
Стаття «Проти вітру» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №8, серпень 2010 ).
Аеродинаміка швидкісних поїздів: чому вітер не заважає TGV
Поїзд TGV (Train З Grande Vitesse, високошвидкісний поїзд) Париж - Нант відходить від паризького вокзалу Монпарнас майже безшумно. Проїхавши передмістя Парижа, поїзд збільшує швидкість, але пасажири цього практично не помічають - шлях лежить через рівні поля, навколо немає ні стовпів, ні дерев, тому ніщо не мелькає перед поглядами людей, що сидять в зручних кріслах всередині вагонів.
Сидячи біля вікна, я дістаю GPS-приймач і включаю його, щоб дізнатися швидкість руху. В цей час в наше купе заглядає Франсуа Лакота, старший віце-президент і технічний директор компанії Alstom, яка займається розробкою і виробництвом високошвидкісних поїздів. Колеги називають його «батьком TGV», оскільки він працює над проектом високошвидкісних поїздів з 1983 року (сам Франсуа схильний вважати себе «матір'ю TGV», оскільки батько, на його думку, приймає занадто нетривалу участь в створенні дитини). Зацікавившись моїми маніпуляціями, він з цікавістю киває на приймач і питає: «Ну, яка швидкість?» На екрані горить цифра 272 км / год, і я вказую на неї Франсуа. Він з показним збентеженням каже: «О! Мені дуже шкода, я прошу вибачення! Це не сама швидкісна лінія TGV, але я все ж піду попрошу машиніста збільшити швидкість. Ми ж не можемо зганьбитися перед журналістами! »Журналісти у відповідь сміються, все прекрасно розуміють, що це жарт: поїзд управляється комп'ютером, і машиніст, зрозуміло, просто не може зробити нічого без узгодження з централізованою системою управління рухом.
На батьківщині Жуля Верна
Через дві години з хвилинами поїзд прибуває в Нант, на батьківщину Жюля Верна. Але група європейських журналістів прибула сюди зовсім не для того, щоб вшанувати пам'ять письменника. На околиці Нанта розташована величезна споруда кліматичного аеродинамічного дослідницького комплексу CSTB (Centre Scientifique et Technique du Batiment, Науково-технічний центр будівництва). Тут проводять дослідження впливу вітру, сонячного світла, морозу і спеки, дощу, запорошених і сніжних буревіїв на макети різних будівель і споруд. І не тільки макети, але і повнорозмірні зразки. Наприклад, автомобілі - тут тестують поведінку своїх виробів в несприятливих погодних умовах Peugeot, Citroеn, Renault, Audi, VW, Porsche, Mercedes, Saab. Виробники автомобільних комплектуючих - Michelin, Valeo, Bosch, Webasto, Sent Gobain - теж часті гості випробувальних майданчиків комплексу ім. Жюля Верна. Як і виробники одягу, архітектурні компанії і військові підрядники. Але мета нашої поточної екскурсії - подивитися, як компанія Alstom тестує аеродинаміку наступного покоління високошвидкісних поїздів - AGV (Automotrice З Grénde Vitesse).
Нарівні з літаками Аеродинаміці високошвидкісних поїздів конструктори приділяють величезну увагу. Традиційно ця область асоціюється з літаками, проте поїзди вже починають наздоганяти їх за швидкостями. У деяких аспектах аеродинаміка поїздів навіть складніша - вони рухаються поблизу земної поверхні в умовах змінного вітру. До того ж високошвидкісні поїзди - один з небагатьох видів транспорту, який повинен бути оптимізований по аеродинаміці в обох напрямках, оскільки на кінцевих станціях потяги не розгортають.
Зовні комплекс справляє сильне враження - це будівля розмірами 60х90 м з «гофрованої» дахом. Нашу групу ведуть всередину, і я очікую побачити в випробувальної камері головний вагон нового поїзда AGV (благо розміри майданчика дозволяють). Однак мене чекає розчарування - через прозоре вікно випробувальної камери видно, що на майданчику коштує всього лише макет поїзда. У масштабі 1:15, висотою 28 см.
Іграшкова залізниця
Ремі Грегуар, головний спеціаліст з аеродинаміки компанії Alstom, демонструє моделі поїздів з гордістю батька, який купив своєму синові іграшкову залізницю: «Ось це головні вагони з різними варіантами носових обтічників. А на даху можна встановити різні струмозйомники, дефлектори. А ось вагони в різних варіантах виконання ». Хоча вагони для випробувань не розфарбовані (в цьому немає необхідності) і виготовлені з чорного пластику, всі деталі, що мають значення для аеродинаміки, виконані досить ретельно. Єдине відступ полягає в тому, що на цих моделях немає коліс, вони замінені тонкими короткими шпеньками-стійками, оскільки для досліджень, які тут проводяться, наявність коліс не має значення. «Ручна робота?» - цікавиться один з журналістів. "Ні звичайно! Потяги виготовлені з поліаміду методом пошарового селективного лазерного спікання з комп'ютерної моделі, - каже Ремі. - Але ціна дійсно колекційна: кожен набір вагонів стоїть? 25000 ». Потім Ремі веде нас на склад, де демонструє різні варіанти насипів в тому ж масштабі - вони імітують стандартну насип висотою 6 м. Масштаб 1:15 обраний за сукупністю причин: такі розміри дають можливість відтворити різні деталі, важливі для аеродинаміки, і швидко виготовляти моделі за відносно помірною ціною. Ці розміри дозволяють також укладатися в потрібні діапазони швидкостей вітру і навантажень труби CSTB, а отримані дані легко перераховуються для поїзда реального розміру.
Все в диму У кліматичному аеродинамічному дослідному комплексі ім. Жюля Верна CSTB в Нанті не тільки досліджують взаємодію поїздів AGV з потоками повітря за допомогою вимірювань сил і моментів сил при охолодженні масштабних макетів, а й проводять експериментальні перевірки характеру обтікання.
Спереду і збоку
І ось, нарешті, серце самої аеродинамічної труби - випробувальний майданчик. Тут встановлений поворотний стіл, який можна повернути на заданий кут. На стіл встановлюється масштабна модель насипу, на неї - модель поїзда, що складається з головного і пари звичайних вагонів. Ось поїзда утворює з віссю повітряного потоку гострий кут, і я питаю Ремі про це. «Справа в тому, що ми тестуємо лобове аеродинамічний опір поїздів на моделях не тут, а в трубі Інституту АЕРОТЕХНІКА в Сен-Сіре (Institut AéroTechnique, IAT Saint-Cyr). А в CSTB ми вивчаємо взаємодію поїздів саме з боковим вітром ».
Вплив бокового вітру - аспект не менш важливий, ніж лобове опір. Якщо останнє впливає на витрату енергії, тобто на економічні показники, то бічний вітер здатний просто перекинути поїзд. «Візьміть середземноморську високошвидкісну лінію (Méditerranée), яка веде до Марселя і Монпельє, - говорить Франсуа Лакота. - Кожен день 140 поїздів TGV Duplex проносяться зі швидкістю 300 км / год по віадук заввишки 55 м над долиною Рони на південь від Авіньйона. А адже на міст і проходять по ньому поїзда регулярно обрушуються пориви бокового вітру, що досягають 150 км / год! Забезпечити безпеку поїздів в цьому випадку - ціла технічна проблема, і без комп'ютерного моделювання та експериментальних досліджень в області аеродинаміки її не вирішити ».
перекинути поїзд
Бічний вітер створює момент, який прагне перекинути поїзд, «розвантажуючи» одну з його сторін і навантажуючи іншу. Згідно з європейськими нормативами, перерозподіл навантаження між сторонами не повинно перевищувати 90%, тобто на колеса навітряного боку має як і раніше доводиться як мінімум 5% ваги поїзда. У трубі CSTB якраз займаються вивченням залежності бічних аеродинамічних сил від напрямку і відносної швидкості вітру по відношенню до осі поїзда, при цьому враховується і вельми висока швидкість руху самого поїзда.
«Ми вимірюємо перекидні сили при декількох швидкостях повітряного потоку - до 45м / с, - пояснює один з інженерів CSTB.- Потім підраховуємо залежність аеродинамічних коефіцієнтів від напрямку вітру до курсу поїзда і перераховуємо їх в характеристичні вітрові криві, за якими можна судити про допустимих максимальних поривах вітру при різних швидкостях для реального поїзда. Виконуємо та комп'ютерне моделювання, відмінно доповнює, але не замінює реальні експерименти, які в обов'язковому порядку потрібні для омологації. Для вимірювання перекидаючого моменту можна обмежитися головним і ще одним-двома вагонами - отримані дані легко масштабуються для будь-якої довжини поїзда. На відміну, скажімо, від лобового опору - воно по довжині, що не масштабується, кількість вагонів обов'язково повинно відповідати оригіналу, тільки тоді дані будуть коректні. Для лобового опору також важлива наявність коліс і рухається полотна ».
На 10 хвилин вперед
Однак, якою б оптимізованої не була форма поїзда, все одно знайдеться вітер, який може його перекинути (значення його швидкості якраз і вказані на характеристичних вітрових кривих). Для поїзда TGV Duplex, який ось уже майже десять років є своєрідним еталоном в області аеродинаміки, граничні швидкості поривів вітру складає від 32 м / с (для швидкості поїзда 300 км / ч) до 40м / с (для швидкості поїзда 120 км / ч). Роки досліджень в області аеродинаміки не пропали даром - для поїзда AGV фахівцям Alstom вдалося підвищити ці показники до 33 і 42 м / с відповідно.
Хто тут Дональд Дак? Знамениті японські швидкісні поїзди «Шінкансен», відомі як «поїзд-куля», з виходом нового покоління - 700-й серії - дещо втратили свій шарм в очах шанувальників. «Яка це куля? Це ж Дональд Дак! »- обурювалися залізничні фанати. Дійсно, носова частина поїздів 700-й серії дуже нагадує качиний дзьоб. Але популярність мультфільмів студії Walt Disney в Японії не має до цього ніякого відношення - це не порожня примха дизайнерів, а наслідок ретельної роботи фахівців з аеродинамічним шумів.
Найбільш небезпечний вітер, що дме під гострим кутом (який залежить від швидкості вітру і поїзди) назустріч потягу - в цьому випадку швидкості поїзда і вітру векторно складаються і перекидаючий момент зростає. Запобігти перекиданню при цьому можна, знизивши швидкість поїзда. Однак в самому поїзді немає ніяких приладів, що вимірюють швидкість вітру або перекидаючий момент (навантаження на колеса). «У цьому просто немає сенсу, - пояснює Ремі Грегуар.- Машиніст все одно не зможе нічого зробити, оскільки перехід до перекидання відбувається за одну-дві секунди. Людина просто не встигне відреагувати, та й комп'ютер теж, який би він не був швидкодіючий, - адже зниження швидкості теж вимагає достатнього резерву часу. Тому знати про ймовірне перекиданні обов'язково потрібно заздалегідь, як би заглядаючи в майбутнє ».
Як же влаштована система захисту від вітру? Уздовж найбільш вітряних ділянок шляху через кожні 10 км встановлюються анемометри (датчики швидкості вітру), які передають дані в центр управління рухом. За результатами вимірювань і відповідним метеорологічним моделям комп'ютер обчислює прогноз сили і напряму вітру на 10 хвилин вперед (за цей час поїзд при швидкості 120 км / ч проходить дві ділянки між датчиками). Якщо прогнози передбачають небезпечну швидкість вітру в наступні 10 хвилин, то комп'ютер передає системі управління поїзда команду знизити швидкість до необхідного значення при підході до відповідного датчику. На найнебезпечніших ділянках встановлені спеціальні щитки-дефлектори, що захищають проходить поїзд від вітру. «Такий захист відмінно зарекомендувала себе на самій вітряної високошвидкісної лінії - TGV Méditerranée, - говорить Ремі. - Вона експлуатується з червня 2001 року, і за весь цей час на маршруті не відбулося жодного інциденту. Ми впевнені, що так буде і далі ».
Стаття «Проти вітру» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №8, серпень 2010 ).
Аеродинаміка швидкісних поїздів: чому вітер не заважає TGV
Поїзд TGV (Train З Grande Vitesse, високошвидкісний поїзд) Париж - Нант відходить від паризького вокзалу Монпарнас майже безшумно. Проїхавши передмістя Парижа, поїзд збільшує швидкість, але пасажири цього практично не помічають - шлях лежить через рівні поля, навколо немає ні стовпів, ні дерев, тому ніщо не мелькає перед поглядами людей, що сидять в зручних кріслах всередині вагонів.
Сидячи біля вікна, я дістаю GPS-приймач і включаю його, щоб дізнатися швидкість руху. В цей час в наше купе заглядає Франсуа Лакота, старший віце-президент і технічний директор компанії Alstom, яка займається розробкою і виробництвом високошвидкісних поїздів. Колеги називають його «батьком TGV», оскільки він працює над проектом високошвидкісних поїздів з 1983 року (сам Франсуа схильний вважати себе «матір'ю TGV», оскільки батько, на його думку, приймає занадто нетривалу участь в створенні дитини). Зацікавившись моїми маніпуляціями, він з цікавістю киває на приймач і питає: «Ну, яка швидкість?» На екрані горить цифра 272 км / год, і я вказую на неї Франсуа. Він з показним збентеженням каже: «О! Мені дуже шкода, я прошу вибачення! Це не сама швидкісна лінія TGV, але я все ж піду попрошу машиніста збільшити швидкість. Ми ж не можемо зганьбитися перед журналістами! »Журналісти у відповідь сміються, все прекрасно розуміють, що це жарт: поїзд управляється комп'ютером, і машиніст, зрозуміло, просто не може зробити нічого без узгодження з централізованою системою управління рухом.
На батьківщині Жуля Верна
Через дві години з хвилинами поїзд прибуває в Нант, на батьківщину Жюля Верна. Але група європейських журналістів прибула сюди зовсім не для того, щоб вшанувати пам'ять письменника. На околиці Нанта розташована величезна споруда кліматичного аеродинамічного дослідницького комплексу CSTB (Centre Scientifique et Technique du Batiment, Науково-технічний центр будівництва). Тут проводять дослідження впливу вітру, сонячного світла, морозу і спеки, дощу, запорошених і сніжних буревіїв на макети різних будівель і споруд. І не тільки макети, але і повнорозмірні зразки. Наприклад, автомобілі - тут тестують поведінку своїх виробів в несприятливих погодних умовах Peugeot, Citroеn, Renault, Audi, VW, Porsche, Mercedes, Saab. Виробники автомобільних комплектуючих - Michelin, Valeo, Bosch, Webasto, Sent Gobain - теж часті гості випробувальних майданчиків комплексу ім. Жюля Верна. Як і виробники одягу, архітектурні компанії і військові підрядники. Але мета нашої поточної екскурсії - подивитися, як компанія Alstom тестує аеродинаміку наступного покоління високошвидкісних поїздів - AGV (Automotrice З Grénde Vitesse).
Нарівні з літаками Аеродинаміці високошвидкісних поїздів конструктори приділяють величезну увагу. Традиційно ця область асоціюється з літаками, проте поїзди вже починають наздоганяти їх за швидкостями. У деяких аспектах аеродинаміка поїздів навіть складніша - вони рухаються поблизу земної поверхні в умовах змінного вітру. До того ж високошвидкісні поїзди - один з небагатьох видів транспорту, який повинен бути оптимізований по аеродинаміці в обох напрямках, оскільки на кінцевих станціях потяги не розгортають.
Зовні комплекс справляє сильне враження - це будівля розмірами 60х90 м з «гофрованої» дахом. Нашу групу ведуть всередину, і я очікую побачити в випробувальної камері головний вагон нового поїзда AGV (благо розміри майданчика дозволяють). Однак мене чекає розчарування - через прозоре вікно випробувальної камери видно, що на майданчику коштує всього лише макет поїзда. У масштабі 1:15, висотою 28 см.
Іграшкова залізниця
Ремі Грегуар, головний спеціаліст з аеродинаміки компанії Alstom, демонструє моделі поїздів з гордістю батька, який купив своєму синові іграшкову залізницю: «Ось це головні вагони з різними варіантами носових обтічників. А на даху можна встановити різні струмозйомники, дефлектори. А ось вагони в різних варіантах виконання ». Хоча вагони для випробувань не розфарбовані (в цьому немає необхідності) і виготовлені з чорного пластику, всі деталі, що мають значення для аеродинаміки, виконані досить ретельно. Єдине відступ полягає в тому, що на цих моделях немає коліс, вони замінені тонкими короткими шпеньками-стійками, оскільки для досліджень, які тут проводяться, наявність коліс не має значення. «Ручна робота?» - цікавиться один з журналістів. "Ні звичайно! Потяги виготовлені з поліаміду методом пошарового селективного лазерного спікання з комп'ютерної моделі, - каже Ремі. - Але ціна дійсно колекційна: кожен набір вагонів стоїть? 25000 ». Потім Ремі веде нас на склад, де демонструє різні варіанти насипів в тому ж масштабі - вони імітують стандартну насип висотою 6 м. Масштаб 1:15 обраний за сукупністю причин: такі розміри дають можливість відтворити різні деталі, важливі для аеродинаміки, і швидко виготовляти моделі за відносно помірною ціною. Ці розміри дозволяють також укладатися в потрібні діапазони швидкостей вітру і навантажень труби CSTB, а отримані дані легко перераховуються для поїзда реального розміру.
Все в диму У кліматичному аеродинамічному дослідному комплексі ім. Жюля Верна CSTB в Нанті не тільки досліджують взаємодію поїздів AGV з потоками повітря за допомогою вимірювань сил і моментів сил при охолодженні масштабних макетів, а й проводять експериментальні перевірки характеру обтікання.
Спереду і збоку
І ось, нарешті, серце самої аеродинамічної труби - випробувальний майданчик. Тут встановлений поворотний стіл, який можна повернути на заданий кут. На стіл встановлюється масштабна модель насипу, на неї - модель поїзда, що складається з головного і пари звичайних вагонів. Ось поїзда утворює з віссю повітряного потоку гострий кут, і я питаю Ремі про це. «Справа в тому, що ми тестуємо лобове аеродинамічний опір поїздів на моделях не тут, а в трубі Інституту АЕРОТЕХНІКА в Сен-Сіре (Institut AéroTechnique, IAT Saint-Cyr). А в CSTB ми вивчаємо взаємодію поїздів саме з боковим вітром ».
Вплив бокового вітру - аспект не менш важливий, ніж лобове опір. Якщо останнє впливає на витрату енергії, тобто на економічні показники, то бічний вітер здатний просто перекинути поїзд. «Візьміть середземноморську високошвидкісну лінію (Méditerranée), яка веде до Марселя і Монпельє, - говорить Франсуа Лакота. - Кожен день 140 поїздів TGV Duplex проносяться зі швидкістю 300 км / год по віадук заввишки 55 м над долиною Рони на південь від Авіньйона. А адже на міст і проходять по ньому поїзда регулярно обрушуються пориви бокового вітру, що досягають 150 км / год! Забезпечити безпеку поїздів в цьому випадку - ціла технічна проблема, і без комп'ютерного моделювання та експериментальних досліджень в області аеродинаміки її не вирішити ».
перекинути поїзд
Бічний вітер створює момент, який прагне перекинути поїзд, «розвантажуючи» одну з його сторін і навантажуючи іншу. Згідно з європейськими нормативами, перерозподіл навантаження між сторонами не повинно перевищувати 90%, тобто на колеса навітряного боку має як і раніше доводиться як мінімум 5% ваги поїзда. У трубі CSTB якраз займаються вивченням залежності бічних аеродинамічних сил від напрямку і відносної швидкості вітру по відношенню до осі поїзда, при цьому враховується і вельми висока швидкість руху самого поїзда.
«Ми вимірюємо перекидні сили при декількох швидкостях повітряного потоку - до 45м / с, - пояснює один з інженерів CSTB.- Потім підраховуємо залежність аеродинамічних коефіцієнтів від напрямку вітру до курсу поїзда і перераховуємо їх в характеристичні вітрові криві, за якими можна судити про допустимих максимальних поривах вітру при різних швидкостях для реального поїзда. Виконуємо та комп'ютерне моделювання, відмінно доповнює, але не замінює реальні експерименти, які в обов'язковому порядку потрібні для омологації. Для вимірювання перекидаючого моменту можна обмежитися головним і ще одним-двома вагонами - отримані дані легко масштабуються для будь-якої довжини поїзда. На відміну, скажімо, від лобового опору - воно по довжині, що не масштабується, кількість вагонів обов'язково повинно відповідати оригіналу, тільки тоді дані будуть коректні. Для лобового опору також важлива наявність коліс і рухається полотна ».
На 10 хвилин вперед
Однак, якою б оптимізованої не була форма поїзда, все одно знайдеться вітер, який може його перекинути (значення його швидкості якраз і вказані на характеристичних вітрових кривих). Для поїзда TGV Duplex, який ось уже майже десять років є своєрідним еталоном в області аеродинаміки, граничні швидкості поривів вітру складає від 32 м / с (для швидкості поїзда 300 км / ч) до 40м / с (для швидкості поїзда 120 км / ч). Роки досліджень в області аеродинаміки не пропали даром - для поїзда AGV фахівцям Alstom вдалося підвищити ці показники до 33 і 42 м / с відповідно.
Хто тут Дональд Дак? Знамениті японські швидкісні поїзди «Шінкансен», відомі як «поїзд-куля», з виходом нового покоління - 700-й серії - дещо втратили свій шарм в очах шанувальників. «Яка це куля? Це ж Дональд Дак! »- обурювалися залізничні фанати. Дійсно, носова частина поїздів 700-й серії дуже нагадує качиний дзьоб. Але популярність мультфільмів студії Walt Disney в Японії не має до цього ніякого відношення - це не порожня примха дизайнерів, а наслідок ретельної роботи фахівців з аеродинамічним шумів.
Найбільш небезпечний вітер, що дме під гострим кутом (який залежить від швидкості вітру і поїзди) назустріч потягу - в цьому випадку швидкості поїзда і вітру векторно складаються і перекидаючий момент зростає. Запобігти перекиданню при цьому можна, знизивши швидкість поїзда. Однак в самому поїзді немає ніяких приладів, що вимірюють швидкість вітру або перекидаючий момент (навантаження на колеса). «У цьому просто немає сенсу, - пояснює Ремі Грегуар.- Машиніст все одно не зможе нічого зробити, оскільки перехід до перекидання відбувається за одну-дві секунди. Людина просто не встигне відреагувати, та й комп'ютер теж, який би він не був швидкодіючий, - адже зниження швидкості теж вимагає достатнього резерву часу. Тому знати про ймовірне перекиданні обов'язково потрібно заздалегідь, як би заглядаючи в майбутнє ».
Як же влаштована система захисту від вітру? Уздовж найбільш вітряних ділянок шляху через кожні 10 км встановлюються анемометри (датчики швидкості вітру), які передають дані в центр управління рухом. За результатами вимірювань і відповідним метеорологічним моделям комп'ютер обчислює прогноз сили і напряму вітру на 10 хвилин вперед (за цей час поїзд при швидкості 120 км / ч проходить дві ділянки між датчиками). Якщо прогнози передбачають небезпечну швидкість вітру в наступні 10 хвилин, то комп'ютер передає системі управління поїзда команду знизити швидкість до необхідного значення при підході до відповідного датчику. На найнебезпечніших ділянках встановлені спеціальні щитки-дефлектори, що захищають проходить поїзд від вітру. «Такий захист відмінно зарекомендувала себе на самій вітряної високошвидкісної лінії - TGV Méditerranée, - говорить Ремі. - Вона експлуатується з червня 2001 року, і за весь цей час на маршруті не відбулося жодного інциденту. Ми впевнені, що так буде і далі ».
Стаття «Проти вітру» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №8, серпень 2010 ).
Зацікавившись моїми маніпуляціями, він з цікавістю киває на приймач і питає: «Ну, яка швидкість?«Ручна робота?
Але ціна дійсно колекційна: кожен набір вагонів стоїть?
Хто тут Дональд Дак?
«Яка це куля?
Як же влаштована система захисту від вітру?
Зацікавившись моїми маніпуляціями, він з цікавістю киває на приймач і питає: «Ну, яка швидкість?
«Ручна робота?
Але ціна дійсно колекційна: кожен набір вагонів стоїть?
Хто тут Дональд Дак?