Содержание
По земле, воздуху и в вакуумной трубе. Где поедут поезда будущего – Москва 24, 17.11.2017
17 ноября 2017, 00:00
Город
Железнодорожный транспорт с каждым годом развивается все больше. Портал Москва 24 выяснил, что скоро люди будут передвигаться в вакуумных трубах, в вагонах-самолетах и при этом заниматься спортом в тренажерном зале.
Фото: скриншот YouTube-канала CGTN
Немецкий поезд с кабинетами и спортзалом
Немецкий железнодорожный оператор Deutsche Bahn представил поезд будущего «Иденцуг» (нем. − Ideenzug). В железнодорожном составе помимо обычных сидений обустроят рабочие кабинеты с креслами, изолирующими от шума, и детский уголок.
Фото: ТАСС/Daniel Karmann/DPA
Также в поезде будет место для тех, кто увлекается игровыми приставками, и даже спортзал с тренажерами. Кроме того, есть сиденья, которые крутятся на 360 градусов, чтобы пассажиры всегда могли сидеть лицом в сторону движения поезда или же друг напротив друга.
Прокатиться на поезде можно будет уже в 2019 после общей проверки безопасности состава. Ходить такие поезда будут в Баварии.
Американский поезд со скоростью звука
«Гиперлуп» (англ. – Hyperloop) – проект вакуумного поезда, предложенный еще в 2012–2013 годах американским бизнесменом Илоном Маском. Согласно идее, поезд будет перемещаться в специальных трубах с пониженным давлением со скоростью до 1200 километров в час. Трассы для поезда предполагается строить над землей по аналогии с монорельсом и оснащать солнечными батареями. Технология предполагает максимальную скорость передвижения, что дает возможность существенно сократить время в пути. Например, по подсчетам специалистов, из Москвы в Санкт-Петербург можно будет добраться за 36 минут.
Фото: hyperloop-one.com
Проектом занимаются сразу две независимые компании – Hyperloop One и Hyperloop Transport Technologies (HTT). Hyperloop One провела только первые пробные испытания разгонных моторов. В мае 2016 года на трассе в пустыне Невада они разогнали металлическую каретку до скорости 160 километров в час, причем первые 100 километров в час были набраны менее чем за секунду.
К строительству линий высокоскоростной транспортной системы «Гиперлуп» компания приступит только в 2019 году, а первые испытания назначены после 2021-го.
Китайский «летящий» поезд
Специалисты китайской корпорации CASIC работают сейчас над подобным проектом сверхзвукового поезда под названием «Ти-Флайт» (англ. – T-Flight). Двигаясь внутри «вакуумной магистрали», поезд сможет разгоняться до скорости 4000 километров в час − значительно быстрее скорости движения капсул системы «Гиперлуп».
Фото: скриншот YouTube-канала Chinaspaceflight[/URLEXTERNAL]
«Летающий» поезд «Ти-Флайт» будет «парить» над магистралью за счет эффекта магнитной левитации. И двигаться он будет, подобно капсулам системы «Гиперлуп», в туннеле, в котором будет создан достаточно глубокий вакуум. Каждый вагон рассчитан на перевозку 20 пассажиров, время между окончанием одной поездки и началом другой составит 3 минуты. Правда, пока специалисты корпорации CASIC сами не могут назвать даже предположительных сроков реализации проекта «Ти-Флайт».
Швейцарский поезд-самолет
Специалисты из Швейцарского федерального политехнического университета Лозанны разработали проект гибридной транспортной системы «Клип-Эйр» (англ. – Clip-Air), которая совмещает возможности самолета и железнодорожного вагона. «Клип-Эйр» – огромный самолет, под крыло которого подвесят пассажирские и грузовые капсулы. За один рейс самолет сможет перевозить до 450 пассажиров в трех капсулах, а взлетать и садиться на полосы обычных аэропортов.
Фото: clipair.epfl.ch
Вместо того чтобы ехать в аэропорт, обычно располагающийся за пределами города, пассажиру потребуется добраться до ближайшей железнодорожной станции. Обычным способом состав прибывает в аэропорт, где капсулы прикрепляют к самолету-носителю, после чего он взлетает и направляется в пункт назначения. Проект «Клип-Эйр» пока находится в стадии разработки, так что его стоимость и сроки реализации не определены.
Китайский поезд наоборот
В Китае уже в этом году в тестовом режиме был запущен самый быстрый в стране подвесной поезд, получивший название «Небесный».
У него впечатляющие технические характеристики. Преимущества такого состава заключаются в большей мощности, а также очень низком уровне шума при достаточно легком весе. Поезд перемещается над землей на высоте от 5 до 10 метров. Вместимость вагонов составляет от 300 до 510 пассажиров, а максимальная скорость — 70 километров в час.
Фото: скриншот YouTube-канала CGTN[/URLEXTERNAL]
Ожидается, что в будущем разработка китайской компании CRRC будет пользоваться большой популярностью, особенно в расположенных в горной местности регионах и больших городах.
О будущем московского метро читайте в материале портала Москва 24
Федотов Анатолий
транспорт технологии истории
Дело — труба: что такое вакуумный поезд
Говоря о развитии проекта Hyperloop, предложенного Илоном Маском, мы вскользь упоминали, что миллиардер не был первым человеком, которого посетила идея подобного вида транспорта. Вакуумный поезд (чем, по существу, является Hyperloop) — это концепция, которая развивается с начала ХХ века.
В безвоздушном пространстве
Итак, что такое вакуумный поезд? В принципе, описание концепции довольно простое. Какие-то капсулы или вагоны помещаются в трубу, из которой откачан воздух. При этом в ней не обязательно достигается полный вакуум, а скорее создается очень низкое давление — так называемый форвакуум. Капсулы приводятся в движение и из-за почти полного отсутствия сопротивления воздуха могут развивать очень высокую скорость (хотя она, конечно, зависит от рельефа и конфигурации тоннеля) — например в проекте трансатлантического тоннеля, предложенном в 1960-х, поезда разгонялись до 8 тысяч километров в час. В других проектах, включая Hyperloop, показатели скромнее, но тоже впечатляющи для наземного транспорта — больше 1 тысячи километров в час.
Транспортные средства в вакуумной трубе представляют собой маглевы, которые как бы парят в сильном электромагнитном поле. Разгон и торможение также обеспечивают электромагниты.
Среди плюсов подобной системы можно выделить, помимо высоких скоростей, низкий износ транспортных средств, экологичность (если энергию получать из возобновляемых источников), полностью автоматическое функционирование.
С другой стороны, строительство и обслуживание инфраструктуры вакуумного поезда может быть довольно дорогим, а сильное электромагнитное поле накладывает некоторые ограничения на пассажиров (людям с кардиостимуляторами такой поезд будет недоступен, да и магнитные носители информации в нем лучше не возить). И самое главное, на что упирают критики, — это опасность для пассажиров при аварии. Если что-то пойдет не так, то пассажиры почти наверняка погибнут.
Вакуум вместо локомотива
В 1799 году британский инженер Джордж Медхерст предложил построить железную дорогу, состав на которой приводился бы в движение не локомотивом, а сжатым воздухом. Для этого между рельсов укладывалась труба с разрезом в верхней части. Через этот разрез в нее вставлялся соединенный с вагоном поршень. В трубу подавался воздух — он и толкал поршень, приводя состав в движение.
В 1834 году американский инженер Генри Пинкус видоизменил идею Медхерста: воздух не нагнетался позади поршня, а высасывался перед ним.
Однако на практике реализовать пневматическую железную дорогу первыми смогли британские инженеры Сэмюэль Клегг и Джозеф Самуда. В 1840 году они построили опытную железную дорогу Birmingham, Bristol & Thames Junction Railway. Название было почти таким же длинным, как и сама дорога протяженностью около километра.
Обложка журнала с изображением железной дороги Клегга и Самуды, посторенной для Croydon Atmospheric Railway. Изображение: sciencephoto.com
Разработки Клегг и Сэмюда использовал инженер Изенгард Брунель. При поддержке Great Western Railway он построил атмосферную железную дорогу от Эксетера до Ньютона. Насосные станции располагались на расстоянии около трех километров друг от друга. На ровных участках прокладывались трубы диаметром 381 миллиметр, а на уклонах — 559 миллиметров. Скорость движения на дороге доходила до 109 километров в час.
Увы, довольно скоро железная дорога стала сплошной головной болью. Для герметизации трубы использовались кожаные клапаны, из которых вакуум вытягивал природные жиры.
Из-за этого клапаны намокали и гнили, а зимой и вовсе замерзли и сломались. Когда проблему попытались решить, смазав их жиром, на железную дорогу началось паломничество крыс, которые обгрызли кожу. В конце концов, через год клапан износился настолько, что стал отрываться от заклепок практически по всей длине дороги. Цена его замены оказалась слишком высокой, и дорогу закрыли. Кроме того, оказалось, что стоимость перевозки с использованием вакуума в три раза выше, чем паровозами.
Реконструкция железной дороги Брунеля в железнодорожном музее Дидкота. Фото: Wikipedia
Неоцененное метро
В 1867 году американский инженер Альфред Бич продемонстрировал модель транспортной системы, в котором давление воздуха в тоннеле приводило в движение пассажирский вагон. Эту разработку уже с полным правом можно назвать вакуумным поездом. Прототип доказал, что идея реализуема, и Бич основал Beach Pneumatic Transit Company, целью которой было построить подземную вакуумную железную дорогу под нью-йоркским Бродвеем.
Властям идея подобного транспорта не понравилась, поэтому Бич вложил в проект собственные 350 тысяч долларов (сегодня это были бы несколько десятков миллионов), объявив, что собирается прокладывать коммуникации для пневмопочты. На это он и получил разрешение, которое, впрочем, вскоре было дополнено разрешением построить один большой тоннель с почтовыми трубами внутри.
В результате компания с помощью землеройного щита за 58 дней построила 90-метровый демонстрационный тоннель диаметром почти 2,5 метра. В планах же было проложить под землей восемь километров. Вагон вмещал 22 пассажира. Вентилятор весом 44 тонны нагнетал воздух в тоннель, тем самым приводя транспорт в движение. Когда нужно было ехать обратно, включали реверс, и вентилятор высасывал воздух из тоннеля, а вагон толкало назад отрицательное давление.
На демонстрационной линии построили одну станцию. Единственный вагон ездил туда-сюда от станции в тупик и обратно. Любой желающий мог опробовать новинку за 25 центов, и уже за первую неделю компания продала 11 тысяч билетов, а за год — целых 400 тысяч.
Однако энтузиазм публики не убедил власти, которые раз за разом отказывали Бичу в разрешении на строительство полноценной линии. В итоге бумага была получена только в 1873 году, когда интерес к новинке упал и инвестиции стало получить сложнее. Вдобавок грянул финансовый кризис, известный как Паника 1873 года, который отпугнул последних инвесторов. В результате проект закрылся, а на месте подземной станции Beach Pneumatic Transit теперь станция метрополитена Нью-Йорка City Hall.
Электрификация
В 1909 году в Scientific American вышла статья The Limit of Rapid Transit. Автор фигурировал в ней как «наш читатель», и только спустя время стало известно, что за бесхитростным словосочетанием скрывается инженер, физик, изобретатель, пионер американской космонавтики Роберт Годдард, построивший первую в мире ракету на жидком топливе. В концепцию вакуумного поезда он внес существенное дополнение, предложив использовать силу электромагнитов для «подвешивания» и перемещения составов.
Не приводя в статье подробных расчетов, Годдард утверждал, что подобный поезд смог бы преодолеть 305 километров от Нью-Йорка до Бостона за 10 минут.
Однако Годдард ограничился только теоретическими размышлениями и выкладками на бумаге. Российский физик, профессор Борис Вейнберг в 1909 году построил в Томске модель вакуумного поезда с электромагнитами. Впоследствии он читал лекции на эту тему и опубликовал работу «Движение без трения (безвоздушная электрическая дорога)», в которой изложил концепцию своего вакуумного поезда. К сожалению, с началом Первой мировой войны опыты пришлось прекратить. Ценная медь, из которой была сделана труба прототипа, пошла на военные нужды. Вейнберг опубликовал еще несколько статей в американских журналах (например вот эту в Popular Science, по ссылке она переведена на русский) и после этого к вакуумным поездам не возвращался.
Hyperloop — Фантазия о поезде в вакуумной трубе (7)
Направление и поддержка транспортных средств
От изучения того, как транспортные средства в вакуумной трубе могут приводиться в действие, мы, естественно, переходим к вопросу о направлении и поддержка.
С этим также связан вопрос о том, как можно подавать энергию для работы вспомогательного оборудования, а также, возможно, для тяговых целей.
Использование шин в качестве опоры нецелесообразно. Их чрезмерно нагревало бы сопротивление качению, создаваемое на высоких скоростях до 1200 км/ч. В вакуумной среде не было бы воздуха для их охлаждения. Рельсы также не подходят, поскольку ни одна железнодорожная система никогда не проверялась на такие высокие скорости. Поддержка с использованием статического давления воздуха в почти идеальном вакууме считается нежелательной, а использование динамического давления воздуха в качестве формы поддержки в такой среде было бы невозможным.
Единственная практическая возможность — магнитная левитация в сочетании с линейным электродвигателем. Это испытанная система, используемая, например, в проекте Transrapid. Это положило начало тестовым запускам специальной испытательной линии на магнитной подвеске в Эмсланде, Германия, в начале 1970-х годов. Единственным коммерческим использованием технологии Transrapid на данный момент является Shanghai Trans-rapid, 30-километровая высокоскоростная линия на магнитной подвеске между Longyang Road и международным аэропортом Пудун, открытая 1 января 2004 года.
Однако у маглева есть свои ограничения. Линии Maglev подходят для поездок из пункта в пункт, а затраты на строительство и эксплуатацию высоки. Из-за этих ограничений Германия отказалась от своего проекта Transrapid по линии магнитной подвески между Берлином и Гамбургом, в то время как Китай решил развивать обычную сеть высокоскоростных железных дорог. Примечательно, что ни одна высокоскоростная линия на магнитной подвеске дальнего следования никогда не строилась — обычные высокоскоростные поезда более гибкие, обычно они также могут работать на обычных линиях.
Использование магнитной подвески внутри вакуумных труб, хотя и возможно, не устраняет вышеупомянутых недостатков технологии «поезд в вакууме». Наоборот, это приводит к дополнительным осложнениям и затратам.
Он движется со скоростью 1200 км/ч. Как его остановить?
Тесно связан с темой питания автомобиля на вакуумных лампах вопрос о том, как его остановить. Естественно, кинетическая энергия, выработанная во время дорогостоящей процедуры разгона, должна хотя бы частично рекуперироваться при торможении и возвращаться в электрическую сеть системы. Кроме того, по тепловым причинам необходимо отводить энергию торможения за пределы трубки и, таким образом, минимизировать тепловыделение внутри вакуумной трубки, поскольку там невозможно охлаждать нагретые компоненты.
Из соображений безопасности нельзя на 100 % полагаться на электродинамическое торможение, поскольку основным условием работы электродинамического тормоза является потребление другими транспортными средствами электроэнергии, вырабатываемой при торможении. Это непросто в трехфазной распределительной сети для такой огромной и необычайной мощности. Если условие абсорбции не выполняется, электродинамический тормоз выходит из строя.
Поэтому необходимо иметь резервный фрикционный тормоз. Однако основная проблема здесь заключается в том, что трение генерирует тепло, и нет никакого способа отвести тепло из вакуумной среды. Таким образом, тепловая энергия трения накапливается в теплоемкости масс.
В целом металлы имеют низкую удельную теплоемкость, поэтому они обладают небольшой способностью аккумулировать тепло. Это приводит к быстрому повышению температуры по мере накопления тепла. Если предположить, что все тепло, выделяющееся при торможении, поглощается однородным алюминиевым корпусом автомобиля, то получается, что при непрерывном торможении со скорости 1200 км/ч до полной остановки средний нагрев от одного фрикционного торможения составит 62 К (температура повысится на 62 °C), что математически описывается следующей формулой:
ΔT = E k /C = 0,5 . м . v 2 /(3,6 2 . c . m) = 0,5 . v 2 /(3,6 2 . в) = 0,5 . 1 200 2 /3,6 2 .
896) = 62 K
ΔT … нагрев (K),
E k … кинетическая энергия (Вт·с),
C … теплоемкость (Вт·с/K),
c … удельная теплоемкость (алюминий: 896 Вт·с /кг/К),
м … вес кузова автомобиля (кг),
v … скорость автомобиля (км/ч).
На самом деле произойдет то, что нагрев не будет распределяться равномерно. Он будет нагревать не только весь автомобиль, включая его пассажиров, но и распространяться на поверхность, по которой движется автомобиль. Но даже этот очень упрощенный пример показывает, как трудно будет остановить транспортное средство, движущееся по вакуумной трубе, с помощью фрикционной тормозной системы, если не будут предусмотрены средства для отвода тепла от транспортного средства.
Полная подпись к рисунку 1: Компания PriestmanGoode, несколько лет назад спроектировавшая предложенный двухэтажный высокоскоростной поезд Mercury для использования в британской сети, также разработала это транспортное средство системы Hyperloop. Дизайн включает в себя мельчайшие детали, такие как входная дверь и расположенная на крыше решетка с надписью «Air Intake» (несмотря на то, что трубы Hyperloop — это пылесосы.
..). Дизайн этого транспортного средства, или «капсулы», был разработан в сотрудничестве с Hyperloop Transportation Technologies (HTT). Его длина составляет 30 м, диаметр — 2,7 м, а собственный вес — 20 т. Сиденья должны быть рассчитаны на количество пассажиров от 28 до 40, а максимальная скорость заявлена как 1223 км/ч (760 миль/ч). Конструкция была разработана и запатентована в сотрудничестве с компанией Carbures из Эль-Пуэрто-де-Санта-Мария, недалеко от Кадиса в Андалусии, которая специализируется на производстве конструкций кузовов и материалов для авиационной промышленности.
Продолжение статьи.
Сверхэффективные вакуумные поезда со скоростью 4000 миль в час – почему их не строят?
В 1800-х годах, когда пневматические трубки стреляли телеграммами и мелкими предметами по зданиям, а иногда и по небольшим городам, будущее общественного транспорта казалось ясным: мы будем стрелять людьми через эти запечатанные трубки на высоких скоростях. И оказывается, что сегодня у нас есть технология для этого: рельсовые пути на магнитной подвеске убирают все трение качения из уравнения энергии поезда, а ускорение их в вакуумном туннеле может устранить сопротивление ветра до точки, где это теоретически возможно.
чтобы достичь невероятной скорости более 4000 миль в час (6437 км/ч), используя часть энергии, которую использует авиалайнер, и возвращая большую часть этой энергии при торможении. Сверхбыстрый и высокоэффективный наземный транспорт технологически доступен — так почему же никто его не строит?
Следующий рубеж скорости
У транспорта на основе вакуумных трубок много преимуществ. Скорость, например. Любой, кто ездил на скоростном мотоцикле, знает, что даже без ветра воздух сам по себе представляет собой невероятно мощную силу, воздействующую на ваш двигатель, когда вы разгоняетесь до скорости выше 200 км/ч. На самом деле сопротивление воздуха является проблемой номер один, с которой нужно бороться при увеличении скорости. Авиалайнерам приходится подниматься в воздух на высоту 40 000 футов, чтобы воспользоваться преимуществом уменьшения аэродинамического сопротивления, которое вы получаете, когда воздух немного разрежается. И даже с этим преимуществом они все равно не могут двигаться быстрее, чем 570 миль в час (917 км/ч), не будучи ужасно неэффективным.
Уберите сопротивление воздуха и сопротивление качению, работая в вакууме и используя магнитную левитацию вашего автомобиля, и вы устраните два самых больших препятствия на пути к достижению чрезвычайно высоких скоростей. И как только вы достигнете своей максимальной скорости, вы просто перестанете ускоряться, больше не будете тратить энергию и идите по инерции. Вы теряете очень мало скорости, пока не достигнете пункта назначения, и в этот момент вы можете электромагнитно замедлить свой автомобиль и вернуть себе почти всю энергию, которую вы вложили, чтобы ускорить его.
Теоретически, с установленной вакуумной трубкой нужной длины вы могли бы совершить кругосветное путешествие за несколько часов, почти в десять раз быстрее, чем современные авиалайнеры. Работая в вакууме, эти транспортные средства почти не издавали бы звука, даже когда преодолевали звуковой барьер, потому что у них не было бы воздуха, в котором они могли бы создавать звуковые вибрации. Без реальных точек контакта или трения с гусеницей или трубой.
, практически не было бы потерь энергии на рассеивание тепла.
Революционеры электронных ламп
Нет недостатка в людях и группах, выступающих за повсеместное внедрение технологии электронных ламп в качестве варианта сверхбыстрого передвижения — в конце концов, с исчезновением сверхзвукового авиалайнера «Конкорд» массовые глобальные скорости транзита оставались неизменными с тех пор, как 1960-е годы. Отправка электронного письма из Лондона в Пекин может быть мгновенной, но остальной мир все еще кажется далеким, если вам придется физически путешествовать по нему.
Недавно мы писали о консорциуме ET3, лицензионной организации, которая владеет рядом патентов на транспортное пространство с вакуумными трубами, обтекаемые вакуумные трубки Acabion и проект гигантского космического лифта Startram, в котором будет использоваться низкое энергопотребление Идея вакуумного маглева для дешевого выведения различных объектов на орбиту.
Еще одним претендентом с интересным подходом к технологии является Terraspan, группа, которая хочет объединить сверхбыстрый транспорт с созданием новой внутриконтинентальной энергосистемы, которая может гораздо более эффективно использовать циклы производства и использования энергии в большой стране.
как Соединенные Штаты.
Вот план: в качестве первого шага Terraspan хочет построить магистральную сеть подземных туннелей для вакуумных поездов, соединяющих восточную Канаду с западной Мексикой через Соединенные Штаты. В сеть железнодорожных туннелей будет включена серия толстых сверхпроводящих энергетических кабелей, которые сформируют сердце первой настоящей континентальной энергосистемы.
Преимущества междугородной энергосистемы просты: вы можете использовать энергию, производимую солнечными и ветровыми генераторами в засушливых центральных районах Америки, и сделать ее доступной для гораздо более густонаселенных и энергоемких районов на востоке. и западные побережья. Вы также можете более эффективно использовать циклы выработки и использования электроэнергии — энергия, вырабатываемая в Калифорнии в непиковые часы, может передаваться по сети для использования в часы пик в Нью-Йорке.
Итак, вот план, который объединяет сверхбыстрый, сверхэффективный и удобный транспорт с разумным использованием энергии и ощутимым стимулом для схем создания возобновляемой энергии.
Пойдем, хорошо?
Дело об отрицательном
Конечно, если бы все было так просто, мы бы уже носились вокруг Земли на орбитальных скоростях, как предсказывали в 1800-х годах. Оказывается, на пути есть несколько серьезных препятствий.
Безопасность — немалая проблема, когда речь идет о скорости выше 4000 миль в час (6437 км/ч). В конце концов, мы все видели обломки, которые могут быть вызваны автомобильной аварией на скорости 60 миль в час (96 км/ч). Типы трубчатых путей, о которых мы здесь говорим, должны были бы протянуться на тысячи миль, чтобы достичь оптимального уровня пользы — это тысячи миль рисков для безопасности. Что происходит, когда происходит землетрясение и разрушает герметичное уплотнение или полностью разрушает трубу? Транспортное средство, движущееся со скоростью 4000 миль в час, съест серьезное расстояние в ситуации экстренной остановки.
Более того, практически нет прецедентов, показывающих, что именно происходит, когда пассажирский вагон переходит от сверхвысокой скорости в вакууме к удару с обычным давлением воздуха.
На веб-сайте Terraspan подробно описывается план по формированию поездов с помощью своего рода воздушного крыла, чтобы мягко опускать их в случае повышения давления, но легко представить, что быть забитым насмерть в верхней части туннеля будет так же плохо, как и разбиться наземным транспортом. твоя гибель на дне этого. Как вы можете надеяться управлять аэродинамическим профилем со скоростью 4000 миль в час в крошечной трубе, когда давление воздуха возникает внезапно и неожиданно?
Суть поддержания полного вакуума в том, что одна дыра в вашей конструкции почти сразу же нарушает вакуум. И нетрудно придумать дюжину ситуаций, будь то стихийные бедствия, антропогенные ошибки в суждениях, военные действия или террористические акты, которые могут легко взломать или разрушить подобную структуру.
Опять же, предположим, что эти вопросы безопасности могут быть адекватно решены. Возможно, более серьезное препятствие — по крайней мере, на данный момент — чисто экономическое. Сами линии поездов на магнитной подвеске непомерно дороги: строительство японской Linimo HSST, низкоскоростной пригородной линии на магнитной подвеске, стоит около 100 миллионов долларов США за километр (0,62 мили).