Интернет журныл о промышленности в Украине

Швидкісний вакуумний потяг | Журнал Популярна Механіка

  1. проект ET3
  2. історичний екскурс
  3. аналогічні проекти
  4. "За та проти"
  5. гравітаційний поїзд
  6. Завершуючи тему

Як ні парадоксально, один із самих економічних видів транспорту - космічний корабель. Здавалося б, витрати, пов'язані з доставкою вантажів на орбіту, дуже високі, але якщо перерахувати їх в співвідношенні «тонна-кілометр», ситуація разюче зміниться. Пальне, по суті, можна витрачати тільки на розгін, а потім, не зустрічаючи опору середовища, корабель буде рухатися як завгодно довго без зовнішніх впливів. А що, якщо зробити за таким же принципом поїзд?

Збільшення швидкості і економічності наземних транспортних засобів в значній мірі досягається боротьбою з тертям. На сьогоднішній день найвище досягнення в цій галузі - магнітна левітація. З 70-х років минулого століття в Німеччині, Англії, Японії, Китаї проходять випробування поїзда на магнітній подушці, деякі країни ввели в експлуатацію магнітні дороги (наприклад, лінія Лінімо в Нагої, Японія). Зведення тертя до мінімуму забезпечує складу високу економічність, безшумність і можливість розвивати швидкість близько 400-500 км / ч.

За задумом Деріла Остера, трубопроводи ET3 повинні зв'язати Америку з Азією через Берингову протоку і далі тягнутися до Японії по Курильської гряди, в Австралію, в Африку, в Європу через Урал, а звідти знову на Американський континент через північні моря, Ісландію і Гренландію За задумом Деріла Остера, трубопроводи ET3 повинні зв'язати Америку з Азією через Берингову протоку і далі тягнутися до Японії по Курильської гряди, в Австралію, в Африку, в Європу через Урал, а звідти знову на Американський континент через північні моря, Ісландію і Гренландію. Але це у віддаленій перспективі. Поки ж передбачається, що до 2013 року буде споруджено мініатюрна модель вакуумного поїзда, а в 2020 році з'явиться перша експериментальна лінія ET3, капсули якої зможуть розвивати швидкість від 500 до 1000 км / год.

Поїзд на магнітній подушці не тільки можна, а й вигідно робити надшвидкісних, оскільки витрати енергії на підтримку магнітної левітації тим нижче, чим менше час у дорозі. З іншого боку, при збільшенні швидкості аеродинамічний опір зростає в певній прогресії. Виключити його цілком можна, проклавши трасу маглева всередині труби, з якої відкачано повітря. Цікаво, що приблизно таким чином уявляв собі ідеальний транспорт російський вчений Борис Вайнберг ще в далекому 1914 році. Але повернемося в наш час.

проект ET3

Ідея вакуумного поїзда витає в повітрі вже майже ціле століття. У 1960-х роках на хвилі технооптімізма народилася смілива концепція трансатлантичного грузопровода, по безповітряним трубах якого, заякоренних в товщі вод на глибині півкілометра, з Європи в Америку мчали б склади на магнітній подушці. Проте патент на Evacuated Tube Transport Technologies (вакуумно-трубопровідні транспортні технології) був отриманий лише в 1999 році американським інженером Деріл Остером. А два роки по тому всерйоз взятися за втілення його ідеї в металі зважилися китайці на чолі з професором Чжаном Яопін.

У поданні Остера призначена для двостороннього руху траса ET3 (або ETT) повинна являти собою пару надземних труб діаметром 150 см. Транспортна капсула, змінна в вакуумі на підвісці з магнітного поля, буде мати діаметр 130 і довжину 490 см. Власна вага «вагона», вміщає 370 кг вантажу або шість пасажирів, не перевищить 190 кг. Його двигуном - вторинним елементом коаксіального лінійного електромотора, статором якого є забезпечена обмотками труба ET3 - стане сам корпус, виготовлений з феромагнітного сплаву. Мінімальний зазор між вторинним і первинним елементами дозволить встановити асинхронний лінійний двигун замість синхронного, що застосовується в існуючому швидкісному електричному транспорті.

Зовні вагон ETT є правильний циліндр Зовні вагон ETT є правильний циліндр. За аналогом з відомої фізичної жартом можна назвати його «циліндричним поїздом в вакуумі». У патенті Деріла Остера вагони забезпечені ілюмінаторами, але китайці кілька переробили проект, припускаючи установку екранів - імітаторів вікон.

Крім пасажирських сидінь і системи регенерації повітря всередині капсули знадобиться розташувати лише електродинамічну підвіску (EDS) на надпровідних магнітах, що забезпечує магнітну левітацію. Причому її обмотки призначаються тільки для відгуку на зовнішні поля: активна частина електромагнітної підвіски також інтегрується в трасу-трубу. Сама капсула потребуватиме лише в мініатюрних акумуляторах, призначених для харчування телевізорів і віртуальних вікон, на які з розташованих зовні трубопроводу камер можуть транслюватися види пересічної місцевості.

Оскільки капсула рухається практично без опору, а велика частина енергії, витраченої на розгін, може бути повернута при гальмуванні, очікується, що економічністю ET3 перевершить рейковий потяг в десятки разів. Сприяє цьому і висока ефективність лінійного двигуна, безпосередньо перетворює електричну енергію в механічну і не має схильних до тертя деталей. Швидкість же вакуумного поїзда може досягати 6500-8000 км / ч (складно сказати, як це вплине на психіку пасажирів, - мабуть, такі швидкості реальні тільки для товарних складів). Фактично обмеження на неї накладає лише неможливість зробити трасу ідеально прямий, оскільки на поворотах електромагнітам доведеться компенсувати не тільки вага капсули, але і відцентрову силу.

Китайці внесли в проект ряд серйозних коректив: траса, швидше за все, буде пролягати під землею, а не на опорах, так і повне вакуумирование труб не планується (хоча тиск в них буде знижено). Це, звичайно, мінус, але попередні розрахунки показали, що витрати енергії на створення вакууму в системі перевершують витрати на розгін капсули і підтримання її левітації. Плюс до того деяку кількість повітря в трубопроводі допоможе вирішити проблему відведення тепла, що виділяється в обмотках і корпусі капсули.

Передбачається, що завдяки зниженню вимог до герметичності труб будівництво траси обійдеться не дорожче звичайного метрополітену, тобто близько $ 3 млн на кілометр.

історичний екскурс

історичний екскурс

Ідея пасажирського трубопроводу має давню історію. Ще в 1667 році французький фізик Дені Папен пропонував використовувати стиснене повітря для переправлення вантажів по трубі. У другій половині XIX століття найбільші міста Європи обзавелися пневмопоштою, і, природно, стала всерйоз розглядатися можливість будівництва «атмосферних залізниць». Але далі проектів справа не зайшла.
Герметична транспортна труба обійшлася б дорожче відкритого рейкового шляху. Єдине ж безперечна перевага пневматичного транспорту полягало в можливості обійтися без локомотива і машиніста. Поїзд наводився б в рух і управлявся зовнішньою силою. Але якщо для крихітної капсули пневмопошти це було величезним гідністю, то для залізничного складу - вкрай незначним. Он-то цілком міг вмістити котел, кочегарів і запас вугілля.

аналогічні проекти

Іменований Swissmetro проект, багато в чому подібний ET3, розроблявся в Швейцарії з 1974 року. Розвиває швидкість до 500 км / год підземний вакуумний потяг на магнітній подушці мав курсувати між головними містами країни: Женевою, Лозанною, Базелем, Берном і Цюріхом. Швейцарський варіант відрізнявся від китайського дещо більшим діаметром труб (180 см) і восьмимісний капсулою. Про інші особливості судити важко, так як толком опрацьовані вони не були. У 2009 році 35-річна історія проекту завершилася його закриттям (втім, компанія не ліквідована, її акціонери все ще сподіваються на відродження).

Гучний проект Swissmetro, схожий з ET3, ще з 1974 року розроблявся в Швейцарії Гучний проект Swissmetro, схожий з ET3, ще з 1974 року розроблявся в Швейцарії. Розвиває швидкість до 500 км / год підземний вакуумний потяг на магнітній подушці мав курсувати між головними містами країни: Женевою, Лозанною, Базелем, Берном і Цюріхом. На жаль, проект так і не дійшов до стадії втілення «в залізі»; на сьогоднішній день від нього залишилися тільки ті, хто надію на кращі часи акціонери.

У 2002 році до ідеї вакуумного поїзда звернулися англійські інженери. FTS (Fast Tube System), покликана, за задумом винахідників, замінити не тільки залізничний, але і автомобільний транспорт, повинна була являти собою покриває всю країну павутину труб порівняно невеликого діаметра - транспортні капсули розраховані лише на одного або двох пасажирів, що розташовуються в положенні лежачи . На відміну від левітірующіх вагонів ET3 мініатюрному снаряду FTS належить котитися зі швидкістю 420 км / год - на колесах по рейках, без будь-якої магнітної підвіски. Статором лінійного електродвигуна, харчування до якого підводилося б по контактної рейки, пропонується оснастити самі візки (розрахункова маса яких в результаті вище, ніж у багатомісних капсул ET3). Трубі ж відводиться роль вторинного, пасивного елемента, завдяки чому конструкція трубопроводу гранично спрощується.

Перераховані особливості, звичайно ж, значною мірою позбавляють вакуумний потяг такого типу серйозних переваг. Навіть не беручи до уваги тертя об рейки, за рахунок відносно невеликої ваги і низької місткості візки витрати енергії на транспортування одного пасажира обіцяють бути в кілька разів вище, ніж в разі ET3 або Swissmetro. Зате, на думку авторів, будівництво мережі FTS обійдеться дешево - не дорожче прокладки водопровідних труб великого діаметру.

Одна з проблем вакуумного транспорту - вплив надвисоких швидкостей і замкнутого простору на пасажирів без спеціальної підготовки, яку проходять, наприклад, льотчики або космонавти Одна з проблем вакуумного транспорту - вплив надвисоких швидкостей і замкнутого простору на пасажирів без спеціальної підготовки, яку проходять, наприклад, льотчики або космонавти. Конструктори не без підстав побоюються, що пасажирам ET3, укладеними в тісних, ізольованих від зовнішнього світу «снарядах», будуть заважати напади клаустрофобії. Розглядається навіть можливість постачання надземних транспортних труб звичайними вікнами.

"За та проти"

Отже, в основі концепції вакуумного поїзда лежить вже давно став реальністю поїзд на магнітній подушці. Тим часом бурхливого розвитку левітірующіе транспорту, з яким 30 років тому пов'язувалися великі надії, поки що не помітно. Кілька побудованих в 1980-і роки ліній вже закриті, на сьогоднішній день експлуатуються лише 30-кілометрова траса в Емсланд (Німеччина), такої ж довжини дорога в Шанхаї і 9-кілометрову ділянку в Нагої (Японія).

Теоретично маглев може розвивати швидкість, цілком можна порівняти зі швидкістю літака, при уп'ятеро менших витратах енергії. Але швидкість стає вагомим гідністю тільки на великих дистанціях: на 30-кілометровій трасі здатність розганятися до 500 км / год практично марна.

Але швидкість стає вагомим гідністю тільки на великих дистанціях: на 30-кілометровій трасі здатність розганятися до 500 км / год практично марна

Знову ж: теоретично маглев втричі економічніше автомобіля (хоча і поступається звичайного потягу), але тільки під час перевезення обмеженого числа пасажирів, так щоб їх маса була невелика по відношенню до маси поїзда. Якщо ж склад навантажити, перевага зникне. Для перевезення товарів транспорт на магнітній подушці непридатний.

Звичайні швидкісні електропоїзди, майже настільки ж швидкі і значно більш економічні, при цьому не потребують прокладки спеціальних, оригінальної конструкції шляхів, на даний момент виграють у конкурентній боротьбі з маглева. Чи змінить ситуацію звільнена від повітря труба? Головний недолік поїзда на магнітній подушці - дорожнеча будівництва доріг, а також їх непристосованість для важких вантажоперевезень і руху інших видів транспорту - тільки посилиться. До того ж незрозуміло, наприклад, яким чином конструктори ET3 намір пропустити через 150-сантиметрова «вушко голки» все зростаючі міжконтинентальні пасажиропотоки. Мала місткість капсул і необхідність їх шлюзування перед подачею в вакуумований канал знижують пропускну здатність транспортної системи, роблячи її непридатною навіть для обслуговування великого аеропорту.

гравітаційний поїзд

гравітаційний поїзд

Потенційно магнітно-вакуумні транспортні технології дозволяють здійснювати перевезення взагалі без витрат енергії на розгін і гальмування вагонів. Ідея гравітаційного поїзда стара, вперше вона була запропонована Французької академії Ннаук ще в XIX столітті. Досить з'єднати будь-які два пункти на земній поверхні (припустимо, що вони розташовані на одній висоті над рівнем моря) прямим тунелем - не в географічному, а в геометричному розумінні, тобто ігнорують сферичну форму планети. В цьому випадку центральна частина траси виявиться розташованої ближче до центру Землі, ніж її кінці, половину дороги поїзд буде ковзати під ухил, прискорюючись силою тяжіння, другу ж частину шляху він подолає за інерцією, оскільки тертя немає. Незалежно від відстані поїздка на гравітаційному поїзді буде тривати 42,2 хвилини - якщо умовно вважати нашу планету ідеально круглої.
Зрозуміло, прямий тунель, що сполучає міста в різних півкулях, повинен буде пройти через центр Землі, а подібний проект не можна назвати навіть науковою фантастикою. Не кажучи вже про температуру і тиск в надрах, внутрішня тверда частина земного ядра обертається не синхронно з корою, та й на сучасному рівні розвитку техніки чи можливе будівництво тунелю навіть на глибині 5000 метрів. Але частково ідея гравітаційного поїзда вже знайшла застосування при спорудженні Московського метрополітену. Підйоми і спуски на перегонах дозволяють економити енергію при розгоні складів і гальмуванні перед станціями.

Недостатньо опрацьовані і питання забезпечення безпеки вакуумного поїзда. Конструктори FTS пропонують обладнати капсули ременями і подушками безпеки (на випадок сходу візки з рейок), а також кисневою маскою (на випадок розгерметизації). На жаль, після спрацьовування подушки скористатися маскою неможливо. Але - автори це визнають, - якщо катастрофа станеться на швидкості 400 км / год, відсутність повітря в тунелі пасажира турбувати вже не буде.

Завершуючи тему

Варто зауважити, що конструкція найсучасніших авіалайнерів включає досить сумнівні засоби порятунку пасажирів у разі катастрофи. Проте більшість людей спокійно ставляться до польотів. Низька ймовірність відмов у магнітно-вакуумних транспортних системах зробить надшвидкісні потяги досить безпечними.

Реалізація сміливого задуму Деріла Остера вимагає величезних витрат. Треба буде розв'язати незліченні технічні проблеми. Але вже зараз видно, що складності переборні. Пасажирські поїзди, в два-три рази більше швидкісні, ніж надзвукові авіалайнери, колосальні міжконтинентальні «грузопроводи», підвішені в товщі океанських вод, навіть індивідуальні «лінії доставки», за якими товари відправляються покупцям на будинок, - все це цілком може з'явитися. Якщо не до кінця нинішнього століття, то на початку наступного століття капсули, ковзаючі в порожнечі на магнітній подушці, замінять і витіснять інші види транспорту, крім особисті автомобілі і круїзні лайнери. Принаймні ми можемо в це повірити.

Стаття «Підземний космос: вакуумні поїзди» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №6, червень 2012 ).

А що, якщо зробити за таким же принципом поїзд?
Чи змінить ситуацію звільнена від повітря труба?