Транспортные системы

Всё об автомобильном, ЖД и авиатранспорте в России

Новые виды транспорта

Новые виды транспорта

 

Критерии прогрессивности видов транспорта

 

 Единственный способ расширить границы познаваемого пространственного мира – воздействовать на четвертое измерение – время путем увеличения скорости перемещения.

Во все времена человеческая мысль неустанно работала над повышением этой скорости, используя все достижения науки и техники. Величина достигнутой скорости свидетельствует о научно-техническом уровне, на котором находятся не только транспортные средства, но и человеческое общество в целом. По значению предельной скорости можно судить о времени, когда она была достигнута.

Достаточно назвать предельную скорость 30–35 км/ч, и мы понимаем, что речь идет об эпохе колесниц и конных экипажей.

Предельная скорость 150 км/ч относит нас к началу ХХ века, когда в воздух поднялись первые самолеты. Переход через звуковой барьер, связанный с появлением реактивной авиации, знаменует начало второй половины ХХ века.

Первая космическая скорость (7,91 км/с у поверхности Земли) дает точную дату – 4 октября 1957 года, когда первый искусственный спутник Земли своими сигналами возвестил миру о начале космической эры.

За первой космической скоростью последовала вторая, равная 11,2 км/с. Эта скорость достаточна для преодоления земного тяготения: достигнув ее, тело по параболической траектории покидает окрестности Земли и уходит на околосолнечную орбиту.

Предельная скорость аппарата, созданного человеком, – третья космическая, равная 16,66 км/с. Достигнув ее, космическая ракета вышла за пределы солнечной системы, преодолев поле тяготения Земли, а затем и Солнца.

В перспективе – четвертая космическая скорость, достигнув которую космическое тело покинет пределы нашей Галактики.

Однако не всегда высокая транспортная скорость делает далекое близким. Иногда до объекта "рукой подать", а добраться к нему невозможно: транспортное средство не обладает нужной проходимостью. Кончается автострада, и быстроходный автомобиль становится беспомощнее телеги. Но в некоторых случаях и телега пройти не может, и тогда незаменимым оказывается вертолет, однако по причине его сравнительной неэкономичности им пользуются в исключительных случаях.

Таким образом, критериями любого транспортного средства являются не только его скорость и проходимость, но и экономичность.

Другими критериями прогрессивности, по которым следует оценивать разрабатываемые транспортные средства, являются безопасность, надежность, проходимость, грузоподъемность, комфортность, экологическое воздействие.

Воздействие транспорта на окружающую среду в настоящее время играет очень важную роль и всякий раз должно подвергаться строгой проверке. В дальнейшем значение этого фактора будет еще более возрастать.

К настоящему времени разработано и реализовано в виде постоянных или опытно-эксплуатационных установок несколько новых видов транспортных средств и значительно больше существуют в виде проектов, патентов или просто идеи.

Большинство так называемых новых видов транспорта предложены много лет назад, но не получили применения и сейчас возрождаются на современной технической основе.

К категории новых видов транспорта условно относят дирижабли, монорельсовые дороги, суда и аппараты на воздушной подушке и магнитной подвеске, инерционный транспорт, оригинальные системы трубопроводного транспорта, движущиеся тротуары, комбинированные транспортные средства и другие, отличающиеся от традиционных принципов движения конструкцией двигателя или всей установки. Рассмотрим более подробно некоторые из них.


Характеристика новых видов транспорта - Дирижабли

 

В последние годы множество публикаций посвящается дирижаблям. Специалисты в разных странах занимаются разработкой и проектированием дирижаблей различного назначения. Поэтому интересно оценить перспективность дирижаблей по критериям прогрессивности.

Главное достоинство дирижабля состоит в том, что он способен транспортировать большие и негабаритные грузы в такие точки Земли, куда другим способом попасть невозможно или очень трудно, т. е. он обладает высокой грузоподъемностью и проходимостью. Если добавить, что транспортировку грузов он способен осуществлять с относительно высокой скоростью, то можно определенно сказать, что по соответствующим критериям прогрессивности дирижабль существенно превосходит другие транспортные средства, используемые для выполнения подобных транспортных операций.

Например, в отличие от барж и лихтеров, которые используются для перевозки тяжелых и негабаритных грузов, дирижаблю не нужен водный путь. В отличие от трейлеров и вертолетов он способен перевозить значительно более тяжелые и габаритные грузы, и, кроме того, ему не нужны дороги, как трейлеру, а экономичность его гораздо выше, чем экономичность вертолетов. По критериям комфортности и экологического воздействия на окружающую природу дирижабль также выдерживает самую строгую проверку. Остаются критерии экономичности, грузооборота, безопасности и надежности эксплуатации.

Экономичность использования дирижаблей тесно связана с его грузооборотом. Стоимость дирижабля, например, превосходит стоимость вертолета, однако если количество перевозимых грузов значительно, то эта стоимость окупится с лихвой. Значит, экономический расчет целесообразности применения дирижабля должен учитывать его конкретное использование. Целесообразность применения дирижаблей не вызывает сомнения, так как круг очень важных для народного хозяйства задач, которые они с успехом могли бы выполнять, весьма широк. Пожалуй, трудно назвать такую область хозяйственной деятельности человека, где они не смогли бы быть использованы. Дирижабли с успехом могут применяться в лесном хозяйстве и лесной промышленности – для борьбы с пожарами и вредителями и вовлечения в хозяйственную деятельность труднодоступных районов леса; в энергетике – для прокладки линий электропередачи, перевозки гидротурбин, электрических генераторов, трансформаторов, доставки в готовом виде малых электростанций: солнечных, ветровых, дизельных; в газовой и нефтедобывающей промышленности — для транспортировки вышек, механизмов, укладки длинных труб, перевозки передвижных поселков вдоль трассы; в машиностроении – для прямых транспортных связей между предприятиями с перевозкой крупногабаритных изделий и укрупненных узлов; в геологии и горнодобывающей промышленности – для проведения различных исследований, перевозки геологических партий. Перечень работ, которые могут с успехом выполняться с помощью дирижаблей, можно продолжать еще долго.

Оценим дирижабли по критериям безопасности и надежности эксплуатации. Именно проблема безопасности заставила отказаться от их применения еще много десятилетий назад.

Дирижабль представляет собой летательный аппарат легче воздуха. В соответствии с законом Архимеда он удерживается в воздухе в том случае, если его вес будет меньше веса вытесненного им воздуха, поэтому его наполняют га-зом, который легче воздуха: водородом или гелием. При нормальных условиях 1 м3 воздуха весит 12,67 Н, а 1 м3 водорода – 1,08 Н. Без учета веса оболочки подъемная сила 1 м3 водорода составит 12,67–1,08 »11,59 Н. В этих же условиях 1 м3 гелия создаст подъемную силу 9,8 Н. Так как подъемная сила дирижабля определяется его объемом, он становится эффективным только при достаточно больших размерах. Существует минимальный объем дирижабля, ниже которого он будет не в состоянии подняться в воздух.

Безопасность дирижабля определяют главным образом два фактора: его размеры и вид наполнителя. Результатом больших размеров дирижабля являются следующие его недостатки, ухудшающие соответствующий критерий прогрессивности: существенная зависимость от погодных условий; чувствительность к турбулентности атмосферы; возможность обледенения; трудности, связанные с удержанием дирижабля на привязи.

Опасность возникновения пожара зависит от наполнителя: водород пожароопасен, гелий – нет, однако гелий относительно дорог. В то же время благодаря особенностям своей конструкции дирижабль имеет ряд достоинств, обусловливающих безопасность его эксплуатации и надежность в работе: он не зависит от неисправностей и отказов двигателей, систем управления, кратковременных ошибок в пилотировании; обладает практически неограниченной продолжительностью и большой дальностью полета; ему не нужны аэродромы.

Правда, есть еще один фактор, который, по-видимому, оказывает влияние на судьбу дирижабля. Большие размеры делают его уязвимым при диверсиях или в случае военных действий. Уникальные возможности дирижабля, незаменимые в отдаленных или труднодоступных районах, делают возможную утрату его еще более чувствительной. Этот фактор скорее психологического характера, тем не менее он оказывает свое действие и его следует учитывать. Более того, психологический фактор, в первую очередь связанный с катастрофами дирижаблей, имевшими место в прошлом, оказывается мощным препятствием на пути их возрождения. И все же их бесспорные достоинства в сочетании с современным уровнем производства и научно-техническими достижениями позволяют уже сегодня создать вполне работоспособные, надежные и экономически оправданные конструкции. Например, уже теперь возможно получение относительно дешевого гелия – безопасного наполнителя дирижаблей (при производстве марганца он пока как сопутствующий продукт выбрасывается в атмосферу).

Мы являемся свидетелями появления первых новых дирижаблей. Через 44 года после катастрофы с немецким дирижаблем "Гинденбург" и спустя 51 год после гибели другого воздушного колосса – английского дирижабля «Р-101» в Великобритании в сентябре 1981 г. поднялся в небо новый пассажирский дирижабль "Скайшип-500", сконструированный английским судостроителем Роджером Манком (рисунок 9.1). Этот дирижабль не копирует ни один из прежних. Манк отказался от жесткой конструкции, что существенно снизило массу дирижабля. Его оболочка наполнена инертным гелием, который более тяжел, чем водород, но совершенно безопасен.

Рисунок 9.1 – Пассажирский дирижабль "Скайшип-500"

clip_image002

Это главное отличие современного дирижабля от дирижаблей прошлого, наполненных водородом, объясняемое тем, что современная технология позволяет получать гелий в необходимых количествах и достаточно дешево. Длина дирижабля "Скайшип" всего 50 м, поэтому с предполетной подготовкой легко справляются несколько человек. Он оборудован двумя двигателями от спортивного автомобиля "Порше-930", которые приводят во вращение винты, размещенные в кольцевых насадках. Дирижабль способен перевозить полезный груз в две тонны со скоростью до 115 км/ч и может находиться в воздухе до 30 ч.

При создании дирижабля были использованы самые современные материалы: оболочка сшита из дакрона, гондола – из пластика, армированного сверхпрочным волокном, в силовых элементах применялись композитные материалы с сотовыми заполнителями. В октябре 1981 г. "Скайшип-500" успешно совершил первый официальный испытательный полет. А теперь разрабатываются варианты будущих дирижаблей с числом пассажиров до 200. Авторы проекта считают, что дирижабли окажутся рентабельнее самолетов на пассажирских линиях протяженностью до 500 км. По расчетам, дирижабль на 200 пассажиров будет примерно в 3,5 раза дешевле авиалайнеров такой же вместимости. Кроме того, эксплуатационные расходы дирижабля будут значительно ниже.

В Советском Союзе было построено 16 дирижаблей, которые совершали полеты с 1920 по 1947 г. После 35-летнего перерыва 9 мая 1982 г. на Урале поднялся в воздух дирижабль длиной 20 м и высотой 15,5 м. К нему были подвешены гондола и несколько труб. Его подстраховывали тросом. Первый экспериментальный полет прошел успешно.

Вызывающей много нареканий зависимости дирижаблей от погодных условий и в первую очередь от ветровых нагрузок в отдельных случаях легко избежать: одна или две расположенные под углом вертикальные стенки оказываются дешевым и вполне надежным "ангаром". Однако он может защитить дирижабль при экстремальных ситуациях, но не решит вопроса при регулярной эксплуатации дирижаблей, осуществляющих челночные перевозки пассажиров и грузов по определенному маршруту при изменяющихся погодных условиях. Поэтому представляет определенный интерес проект "привязного" дирижабля.

Журнал "Изобретатель и рационализатор" (1981, № 3) сообщил о транспортной системе В. Н. Андрейченко, представляющей дирижабли на короткой тяге, скользящие по натянутым канатам воздушной дороги, которые не дают им взмыть в небо (рисунок 9.2). В этой конструкции был использован принцип аэростатической подъемной силой дирижабля. Указанный принцип обеспечивает устойчивую работу транспортного средства, кроме того, "привязные" дирижабли, пролетая над городом, меньше загрязняют воздушный бассейн, поскольку выхлоп из двигателей не сливается с выхлопами автомобилей, а сразу рассеивается в атмосфере, таким дирижаблям не грозят столкновения, им не мешают перекрестки улиц и дорог. Все это позволяет "привязному" дирижаблю развивать скорость поездов и даже самолетов.

По расчетам изобретателя, километр воздушной транспортной системы будет стоить не дороже километра высоковольтной линии электропередачи, примерно в 8 раз дешевле километра линии скоростного трамвая и в 10 раз дешевле километра автомобильной дороги. Конечно, сам трамвай стоит намного дешевле дирижабля, однако по вместимости дирижабль ближе к электричке, чем к трамваю.

Рисунок 9.2 – "Привязной" дирижабль Андрейченко

clip_image004

Андрейченко считает, что его воздушная транспортная система может связать отдаленные от железных дорог и друг от друга города и промышленные объекты. Проложить такую систему через болота, тайгу или пустыню проще и дешевле, чем автомобильную или железную дорогу. В результате обеспечивается высокая проходимость транспортного средства.

Следует обратить внимание еще на одну возможность этого проекта. К двигателям "привязного" дирижабля нетрудно подводить электроэнергию. Это избавит дирижабль от необходимости иметь на борту запас топлива, а атмосферу – от выхлопных газов.

Существенную помощь в решении проблемы охраны природы при вводе в эксплуатацию новых месторождений нефти и газа окажет также применение дирижаблей, благодаря которым можно будет отказаться от временных построек для жилья, складских помещений и т. п., возводимых из местных материалов. Дирижабли смогут по воздуху доставлять стандартное жилье и технологические модуль-блоки, которые монтируются на месте.


Поезда с реактивным двигателем
 

Именно рельсовое полотно оказалось препятствием для роста скоростей железнодорожных составов. При высоких скоростях возникают такие большие динамические воздействия колеса на рельс, что рельсовое полотно не выдерживает. Поэтому основная задача железнодорожного транспорта состояла в переходе на более тяжелые рельсы. Когда, например, более тяжелые рельсы были уложены на участке железной дороги между Москвой и Ленинградом, удалось резко увеличить скорость движения поездов и установить национальный рекорд скорости 200 км/ч.

Однако в перспективе и тяжелые рельсы не решают проблемы. Растут скорости, увеличиваются динамические воздействия колеса на рельсы, и даже более тяжелые рельсы становятся недостаточно прочными. Кроме того, при высоких скоростях начинается пробуксовка колеса относительно рельса. Система "колесо – рельс" теряет способность удовлетворительно передавать тяговое усилие.

В 1967 году в Японии были проведены исследования максимально возможной скорости для суперэкспресса, состоящего из 12 вагонов, который начал курсировать на линии Токайдо. Эта скорость составила 370 км/ч. Дальнейшее увеличение силы, приложенной к колесу, уже не дает увеличения скорости, так как она вызывает только скольжение колеса относительно рельса.

Возникла идея освободить колесо от передачи тягового усилия путем применения установленного на крыше поезда реактивного двигателя (рисунок 9.3.). В этом случае колеса выполняют роль катков, бегущих по рельсам.

clip_image006

Оценим перспективность такого поезда по критериям прогрессивности. Поезд предполагалось эксплуатировать при скоростях до 300 км/ч. Такая скорость на железной дороге – серьезных успех, и критерий скорости у такого поезда значительно лучше, чем у обычных железнодорожных поездов. Поезд с реактивным двигателем проектировался для существующих железных дорог. Поэтому с критерием экономичности у него, казалось бы, все обстоит благополучно, так как не нужны большие затраты на строительство новых дорог.

Однако по существующим железным дорогам ходят обычные пассажирские и грузовые поезда, скорость которых намного ниже. Несоответствие между скоростями реактивных поездов и скоростями остальных поездов приведет к тому, что один поезд новой конструкции выбьет из графика десятки других, которые будут вынуждены стоять ни разъездах в ожидании, пока он промчится. В результате по критерию экономичности реактивный поезд не проходит.

Оценивая такой поезд по критерию безопасности, следует иметь в виду возможный динамический удар, возникающий при встрече двух поездов, каждый из которых несется друг другу навстречу по двум близко расположенным рельсам со скоростью 300 км/ч. Возникает также много других проблем. Однако и одного критерия экономичности достаточно, чтобы отказать этому поезду в перспективности.

Оценка поезда с реактивным двигателем по критериям прогрессивности показывает, что он не является принципиально новым видом транспорта, как об этом в свое время много писали.

Величайшее изобретение человека – колесо – стало препятствием для дальнейшего роста скорости. Возникла идея отказаться от колеса и заменить его воздушной подушкой.

 


 Монорельсовая дорога

 

clip_image008

Монорельсовая дорога в семействе железных дорог – особая: вагоны такой дороги движутся по одному рельсу (рисунок 9.4). "Моно" означает "один", "единственный". И этот один рельс не лежит на земле, а закреплен на высоких опорах. Вагоны как бы плывут над землей. А так как им не мешают пешеходы, автомобили, путь их не пересекает другая дорога, то они могут двигаться со значительно большей скоростью, чем по обычной до-

роге. Это высокоскоростная дорога, которой принадлежит будущее.

Первая монорельсовая дорога на столбах с конной тягой была построена в 1820 году в подмосковном селе Мечкове для перевозки леса. В России это событие осталось незамеченным, а год спустя в Англии на монорельсовый путь был выдан патент. Одна из первых пассажирских монорельсовых дорог появилась в Гер­мании в 1901 году.

Рисунок 9.5 – Навесная монорельсовая дорога:

1 – салон вагона; 2 – ведущие колеса; 3 – направляющие боковые колеса; 4 – путевая балка; 5 – токопроводящее устройство

clip_image010

Современная монорельсовая дорога – это же­лезобетонная или металлическая балка (рельс), поднятая на эстакаду, и подвижной состав (ваго­ны) на тележках с пневматическими шинами. Различают навесные дороги (рисунок 9.5), где ва­гоны имеют нижнюю точку опоры и как бы сидят верхом на несущей балке, и подвесные системы (рисунок 9.6), где вагоны подвешивают­ся к тележкам, опирающимся на балку. Каждый из названных типов дорог имеет свои преимуще­ства и недостатки. Навесная дорога требует более сложной системы ходовых частей для обеспече­ния устойчивости вагонов. В плохих метеоусловиях монорельс (балка) покрывается льдом или снегом и система выходит из строя или требует больших затрат по ее очистке. Но данная дорога требует меньшую высоту опор эстакады (2-3 м) и, следовательно, меньшую строительную стоимость

clip_image012

Для подвесных дорог требуются высокие опоры (4-5 м), но ходовые части вагонов значительно упрощаются.

Ввиду значительной стоимости и некоторых эксплуатационных неудобств (необходимость подъема пассажиров на эстакаду и спуска с неё, сложность обслуживания пути и подвижного со­става) монорельсовые дороги пока не получили повсеместного применения.

Этот вид железной дороги исключительно подходит для современного города с его плотной застройкой, многолюдьем и транспортными пробками. В Японии в 1955 году была организована исследовательская группа, которая занялась созданием сверхзвукового экспресса для монорельсовой дороги.

Рисунок 9.6 – Подвесная монорельсовая дорога типа "Софеж": 1 – балка; 2 – токосъемник; 3 – токопроводное устройство; 4 – ведущие колеса; 5 – двигатель; 6 – направляющие колеса; 7 – салон вагона

Интересно, что возглавил группу профессор Кенойя Одзава – известный конструктор самолетов. В 1970 году на точной копии такого экспресса пробную поездку совершили подопытные животные. Они хорошо перенесли путешествие. Япония пошла дальше других стран и в практических делах. В начале 70-х годов были построены монорельсовые дороги для пригородного и городского сообщений. Высокоскоростная 50-километровая монорельсовая дорога в 1987 году соединила г. Осака с аэропортом.


 Транспорт на воздушной подушке

 

Идею создания аппарата на воздушной подушке впервые высказал в 1716 году шведский ученый Э. Сведенберг. В 1853 году русский инженер Иванов предложил создать воздушную прослойку под днищем судна, чтобы уменьшить сопротивление воды. Для движения своего "трехкильного духоплана" он предлагал использовать реактивное воздействие воздуха, выходящего из-под днища в кормовой части судна. Однако эти идеи по разным причинам не могли еще стать транспортными средствами.

В 1927 году К. Э. Циолковский опубликовал работу "Сопротивление воздуха и скорый поезд", в которой дал научно-техническое обоснование и принципы расчетов вагона на воздушной подушке, двигающегося по специально спрофилированному рельсу. Необходимая для движения сила создавалась вырывающимся из-под поезда в направлении, противоположном его движению, воздухом. Фактически он предлагал поезд-снаряд, который, прежде чем взлететь, разгоняется по монорельсу, опираясь на воздушную подушку.

Однако сам поезд в том виде, как его описал К. Э. Циолковский, транспортным средством быть не может. Безопорный полет в воздухе поезда-снаряда требует больших скоростей, а, следовательно, больших энергетических затрат на преодоление сопротивления движению. Вследствие высоких энергетических затрат, необходимых для движения, критерий экономичности поезда Циолковского оказывается неудовлетворительным. Поезд не отвечает требованиям и по критерию безопасности, так как остается неясным решение проблемы посадки такого поезда после баллистического полета. Однако сама идея заменить колесо воздушной подушкой была революционной.

В 1959 году английский инженер К. Коккерелл провел испытания своего корабля на воздушной подушке, получившего название "Ховеркрафт". В этой конструкции были продолжены разработки, начатые за три десятилетия до этого В. И. Левковым. В. И. Левков построил такой корабль и в начале 30-х годов успешно провел его испытания. Несмотря на это, новый вид транспортного средства не был признан и оценен по достоинству.

В 1955 году в Хлебникове, под Москвой, были проведены испытания первого автомобиля на воздушной подушке, созданного двадцатилетним студентом Московского нефтяного института Г. Туркиным. Уже при первых испытаниях четырехкилограммовая модель автомобиля поднимала 12-16 кг груза. Туркин вместе с С. Демушкиным и П. Морозовым построил машину в натуральную величину. Во время испытаний автомобиль завис над землей, однако заглох один мотор. Испытания были прекращены, так как Туркин умер из-за остановки больного сердца.

 

Рисунок 9.7 - Аппарат (судно) на воздушной подуш­ке: 1 - двигатели, 2 - элементы, образующие воздушную подушку

clip_image014

Суда на воздушной подушке (рисунок 9.7) начали получать распространение лишь с 60-х годов и пока на отдельных небольших линиях (реках) и при перевозках через морские проливы. Идея использования воздушной подушки извест­на давно. В СНГ создано несколько моделей су­дов на воздушной подушке. Среди них "Радуга" - небольшой катер для движения со скоростью 100 км/ч, более крупное – "Горьковчанин" на 48 пассажирских мест и другие. Сотни таких судов построены во многих странах мира. Самые круп­ные работают в качестве автопассажирских па­ромов через пролив Ла-Манш. Одно из таких су­дов водоизмещением 180 т и грузоподъемностью 80 т имеет длину 39,2 м и ширину 22,8 м. Четыре турбовинтовых двигателя общей мощностью 13600 л. с. позволяют развивать скорость до 80 узлов (140-150 км/ч).

В 1977 году во Франции было создано для работы на проливе Паде-Кале судно длиной 50 м и шириной 23 м с 3 винтовыми двигателями на корме и может двигаться со скоростью 65 узлов. При включении вентиляторов суда этого типа поднимаются над водой на 1,5–2 м.

Преимущества судов на воздушной подушке – в их большой скорости и вездеходности, т. е. в возможности движения по мелководью, выхода на пологий берег и движения над относительно ровной поверхностью земли. Такие суда-амфибии не нуждаются в портах и причальных сооружениях. Однако они могут двигаться лишь при небольшом волнении (до 4 баллов), становятся неуправляемыми на малых скоростях, а при движении над водой создают облака водяной пыли, которая ускоряет коррозию частей и агрегатов судна.

Их недостатком является большой расход энергии на создание воздушной подушки и сильный шум. Исследования по совершенствованию судов на воздушной подушке продолжаются.

Сухопутные аппа­раты на воздушной подушке в основном существуют в виде проектов и опытных образцов. Первыми были опытные образцы автомобилей. Они имели плоское днище, под которое вентиля­торы нагнетали воздух. Одно или несколько колес остаются в контакте с землей для обеспечения горизон­тальной тяги. К настоя­щему времени эксперименты с ними отложены.

В рельсовых системах возникла идея использования для опоры вагона (на путь) воздушной подушки (рисунок 9.8), которая улучшает динамику и комфорт при движении. Разработано несколько проектов таких аэропоездов в разных странах. Большим их недостатком является шум от создания воз­душной подушки. Поэтому склонились к применению для транспортных целей линейных электродвигателей. В Англии разработан образец аэропо­езда (вагона) массой 25 т для движения со скоростью 480 км/ч под действи­ем линейного электродвигателя. До недавнего времени проблема линейно­го электродвигателя оставалась не до конца разрешенной. Последние рабо­ты в Японии позволили повысить экономичность и надежность линейного электродвигателя, используемого для передвижения транспортной единицы.

clip_image016

Рисунок 9.8 – Системы подвешивания экипажей: а – на воздушной подушке (смазке);

б – на электромагнитном притяжении; в – на электродинамическом отталкивании

Однако ни корабли, ни автомобили на воздушной подушке не были в состоянии развить скорость порядка нескольких сот километров в час. Им не хватало мощности. Движение кораблей и автомобилей на воздушной подушке с высокой скоростью сопряжено с такими большими затратами мощности, что эти транспортные средства становятся неэкономичными. Главное достоинство этих аппаратов – высокая проходимость.

В 1966 г. из Франции поступило сообщение о строительстве экспериментального участка первой монорельсовой дороги длиной 6,7 км с поездами на воздушной подушке. Модель поезда, названного "Аэротрэн-01", вмещающая четырех человек, развила скорость 170 км/ч. В 1968 г. при испытаниях следующей модификации поезда на воздушной подушке «Аэротрэн-02» была получена максимальная скорость 378 км/ч, которая превысила мировой рекорд скорости рельсового транспорта того времени. Следует отметить, что французские поезда в основных элементах повторяли поезд на воздушной подушке, разработанный Зелькиным: поезд состоял из одного вагона, в качестве рельсового пути использовался монорельс, вынесенный на эстакаду, воздушная подушка создавалась вентиляторами от автономной силовой установки, в качестве тяговых были применены два турбовинтовых двигателя, расчетная скорость достигала 430 км/ч, пассажировместимость составляла 180 человек.

Помимо междугородных поездов, той же фирмой были разработаны поезда на воздушной подушке серии "Аэротрэн" для пригородных и городских сообщений. Форма монорельса имела вид перевернутой буквы "Т". Для создания воздушной подушки использовались две группы сопел: первая группа формировала воздушную подушку над горизонтальной поверхностью профиля монорельса – на нее опирался поезд; вторая группа создавала воздушную подушку около боковых поверхностей – она обеспечивала устойчивое движение поезда в поперечном направлении. В варианте поезда для городского сообщения с целью снижения шума тяговое усилие создавалось линейным электродвигателем переменного тока или двумя роликами, прижимаемыми к вертикальному ребру монорельса.

Вслед за Францией к испытанию модели поезда на воздушной подушке приступила Англия. В 1966 г. здесь начали проводить испытания макета поезда на воздушной подушке, названного "Ховеркар".

В СССР монорельсовый поезд на воздушной подушке был официально признан как новый вид транспорта на Всесоюзной конференции по аппаратам на воздушной подушке, которая проходила в Тюмени в 1972 г.

 
  clip_image018


В работе Г. Г. Зелькина "Поезд на воздушной смазке с аэродинамической разгрузкой рельсового полотна. Основы проектирования и расчета" рассмотрен вариант крылатого монорельсового поезда на воздушной подушке (рисунок 9.9) со следующими параметрами: количество пассажиров – 180 человек, начальная масса – 40 т, толщина воздушной подушки – 8 мм. Поезд имеет два турбовинтовых тяговых двигателя, снабжен крыльями, обеспечивающими 80 %-ную разгрузку рельсового полотна, что позволяет значительно снизить потребную мощность вентиляторов, создающих воздушную подушку.

Рисунок 9.9 – Крылатый монорельсовый поезд на воздушной подушке

Поезд состоит из следующих элементов: пассажирского салона 1, скользящего шасси 11, крыльев 6, тяговых реактивных двигателей 7, силовой вентиляторной группы и вентиляторов 9 (воздух к вентиляторам поступает через карман 10), желобов для создания дополнительной подъемной силы за счет использования струи реактивных двигателей 8. Монорельс поезда 5 размещается на эстакаде 13, которую поддерживают оперы 12. Монорельс имеет гладкие опорные поверхности 2, на которые через воздушную подушку и шасси опирается поезд, и эксплуатационную канавку 4.

Для улучшения центровки багажное отделение предусматривается в нижней части поезда, а пассажирский салон имеет два этажа.

Вдоль монорельса прокладываются линии электропередачи, радиотрансляционной, телефонной связи, а также другие линии коммуникаций 3.

По компоновке поезд состоит из двух отсеков: корпусного с крыльями и пассажирским салоном и двигательного с тяговыми двигателями и вентиляторной установкой. Такая компоновка делает поезд более технологичным, так как предусматривает изготовление отсеков на специализированных предприятиях и увеличивает фронт работ.

Расчет указанного варианта поезда показал, что применение крыльев позволяет снизить мощность силовой установки поезда при скорости 600 км/ч на 0,975 МВт (1325 л. с.), что в 17 раз превышает затраты мощности, связанные с наличием крыльев.

Для снижения шума предусматривалась возможность использовать в качестве тягового линейный асинхронный двигатель. Отметим, что именно шум вместе с выбросом выхлопных газов от работающих двигателей внутреннего сгорания "отбрасывал" поезд на воздушной подушке на уровень существующих транспортных средств.

Следовательно, наиболее слабым критерием прогрессивности поездов на воздушной подушке является критерий экологического воздействия. Шум работающих двигателей и вентиляторов поезда, продукты неполного сгорания топлива, потоки тепла от работающих энергоустановок наносят вред окружающей среде. Положение улучшается, если использовать линейный асинхронный двигатель, однако остаются вентиляторы, питающие воздушную подушку, которые создают наибольший шум.


Поезд на магнитной подушке (подвеске)

 

Аппараты на магнитной подвеске оказываются более перспективными. Принцип магнитной подвески состоит в следующем. Если на путь уложить магниты с полюсами, направленными вверх, а на вагоне установить магниты той же полярности, направленные вниз, то под действием сил отталкивания вагон зависнет над путем с зазором в 10–15 мм. Конструктивно магнитная подвеска может выполняться не только способом электродинамического отталкивания, но и приближения. Под тягой от воздушных винтов или от линейного электродвигателя такой вагон получает поступательное движение, преодолевая только сопротивление воздушной среды. Отсутствие механического контакта вагона с путем обеспечивает почти идеальную плавность хода при самых высоких скоростях. Во многих странах уже 15–20 лет ведутся соответствующие исследования и конструкторские работы.

Сравнение транспортных средств на воздушной подушке и магнитной подвеске показало бесспорное преимущество последних. Главное достоинство магнитной подвески заключается в меньшей затрате энергии на создание зазора между путем и подвижным составом.

В лучших образцах магнитопоездов на тонну массы вагона необходима мощность 1 кВт, тогда как на создание воздушной подушки требуется мощность 30–40 кВт. Второе преимущество поездов на магнитной подвеске заключается в отсутствии сильного шума, присущего аппаратам на воздушной подушке.

В области разработки магнитопоездов наибольшие результаты получены в Германии и Японии. В 1988 году модель, представляющая вагон на 196 мест длиной 54 м и массой 120 т, развила скорость 412 км/ч (Германия).

Первой осуществленной городской линией длиной 600 м с магнитной подвеской считается двухпутная линия, связывающая железнодорожный вокзал с аэропортом в Бирмингеме (Англия). Поезд состоит из 2 легких вагонов из стеклопластика вместимостью 40 пассажиров и следует с зазором 15 мм над путем со скоростью 40 км/ч. Поступательное движение осуществляется линейным электродвигателем. Поезд управляется ЭВМ без машиниста.

Перспективы развития магнитного транспорта связывают с возможностью использования сверхпроводящих магнитов, позволяющих резко снизить энергозатраты. Но и теперь при перевозках на расстояние 1–2 тыс. км магнитопоезда могут оказаться более эффективными, чем самолеты.

Поезд на магнитной подушке должен решать такие же проблемы, как и поезд на воздушной подушке: как эффективнее создать противодействие полю тяготения Земли, отказавшись от колеса, которое ограничивало увеличение скорости движения, и каким должен быть тяговый двигатель. Способ подвески и тип двигателя являются определяющими при разработке, проектировании и практическом воплощении скоростных бесколесных поездов вообще и поездов на магнитной подушке, в частности.

Главное достоинство поездов на магнитной подушке заключается в от-

сутствии вредного воздействия на окружающую среду: они не шумят, не загрязняют атмосферу, и было бы нелогичным в таких поездах в качестве тяговых использовать реактивные двигатели или двигатели с толкающим либо тянущим винтом. Поэтому для поездов на магнитной подушке (рисунок 9.10) разрабатываются двигатели, в которых механическое тяговое усилие возникает в результате взаимодействия магнитных и электрических полей. Созданное таким образом усилие может быть использовано и для подвешивания поезда над рельсовым полотном.

clip_image020

Рисунок 9.10 – Поезд с магнитным подвешиванием для высокоскоростных магистралей

Реализация этого взаимодействия на практике осуществляется в электрических двигателях постоянного и переменного тока. Принцип действия электрической машины постоянного тока основан на явлении электромагнитной индукции, открытом М. Фарадеем в 1841 г. Если замкнутый проводник вращать в постоянном магнитном поле, то в нем возникает переменная электродвижущая сила (ЭДС).

Работа электрического двигателя постоянного тока основана на законе Ампера, по которому магнитное поле с определенной силой действует на проводник с током. Следовательно, если внутри постоянного магнита поместить замкнутый проводник и пропустить через него электрический ток, то возникнет сила, которая заставит этот проводник вращаться. Первый двигатель постоянного тока, который мог быть использован для практических целей, был построен русским физиком и электротехником Б. С. Якоби в 1842 г. Вначале в двигателях использовались постоянные магниты, затем – электромагниты.

Активными элементами электрического двигателя постоянного тока, применяемого в настоящее время, являются обмотки статора и ротора (якоря), магнитные сердечники и коллектор. Магнитный сердечник статора имеет главный и дополнительные полюса. На главных полюсах есть  обмотка возбуждения, которая и создает основное магнитное поле. Коллектор и щетки усложняют конструкцию и понижают надежность ее работы, их обслуживание требует больших затрат. Коллекторно-щеточный узел ограничивает скорость вращения двигателей постоянного тока значениями 50–52 м/с. Однако двигатели постоянного тока позволяют в широких пределах плавно и экономично регулировать угловую скорость. Поэтому они получили большое распространение на рельсовом и безрельсовом электрифицированном транспорте.

Использование такого двигателя в качестве тягового в высокоскоростных поездах на магнитной подушке возможно, если он будет выполнен в виде линейного двигателя, вытянутого вдоль рельсового полотна. Однако применение линейного двигателя постоянного тока с коллектором и механическим коммутатором в бесколесных поездах связано с большими материальными затратами на изготовление и обслуживание коллектора и ограничением скорости значениями 110–140 м/с из-за условий коммутации.

Возможности линейного двигателя постоянного тока могут быть существенно расширены, если переключение секций обмотки якоря осуществлять автоматически в зависимости от расположения полюсов индуктора. Такой двигатель называют автосинхронным.

В настоящее время и у нас в стране, и за рубежом много внимания уделяется разработке электродинамического принципа создания тягового усилия. Известны асинхронные и синхронные электрические двигатели, использующие этот принцип. В асинхронных электрических двигателях осуществляется взаимодействие магнитного поля, создаваемого переменным электрическим током в обмотках статора, с электрическим током, который генерируется в обмотках ротора.

Этот принцип стал использоваться в асинхронных электрических машинах после того, как в 1888 г. итальянский физик Г. Феррарис и сербский инженер Н. Тесла независимо друг от друга открыли явление вращающегося магнитного поля, которое создается при наложении двух или более переменных магнитных полей одинаковой частоты, но сдвинутых в пространстве по фазе.

Если по обмотке статора пустить трехфазный переменный ток, то возникает вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с током, индуцируемым в обмотках ротора полем статора, создает механическое усилие, которое заставляет ротор вращаться в направлении вращения магнитного поля. При этом скорость вращения ротора меньше скорости вращения поля статора, т. е. ротор по отношению к полю статора вращается асинхронно. Скорость вращения ротора зависит от скорости вращения магнитного поля статора и определяется частотой питающего тока и числом пар полюсов.

В зависимости от способа выполнения обмотки ротора различают асинхронные электродвигатели с контактными кольцами и короткозамкнутые. При пуске асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором возникает пусковой ток, величина которого в 4–7 раз превышает номинальный. Чтобы снизить пусковой ток, его включают на пониженное напряжение, а после запуска обмотку ротора асинхронного двигателя замыкают накоротко. Воздушный зазор у асинхронного двигателя должен быть возможно меньшим.

Принцип асинхронной электрической машины можно использовать для создания тягового усилия в бесколесных поездах. В этом случае статор двигателя, к которому подводится переменный трехфазный электрический ток, размещается в вагоне, а ротор – вдоль рельсового пути. Возникнет тяговое усилие, и плоский статор, а вместе с ним и поезд двинется вдоль плоского ротора. Такой двигатель получил название линейного асинхронного. Линейный асинхронный двигатель имеет большие преимущества при использовании в скоростных бесколесных поездах. У него нет ограничения по скорости, так как он не имеет вращающихся частей, которые при высоких скоростях могут быть разорваны центробежными силами, а, следовательно, не возникает и вибраций. Кроме того, сами вращающиеся части подвержены быстрому износу. Поезд с линейным асинхронным двигателем имеет хорошие динамические характеристики: так как масса его невелика, он быстро набирает скорость и легко тормозится, при этом рекуперируемая энергия возвращается в электрическую сеть.

Существует много вариантов конструкций линейного асинхронного двигателя. Один из них состоит в следующем: статор развертывается вдоль полотна (активный путь), а ротор, выполненный в виде алюминиевой шины, – в вагоне. Поезд становится легче, так как он не несет тяжелого статора, масса которого составляет 1/4 массы поезда; кроме того, отпадает необходимость передавать электроэнергию на экипаж, движущийся с высокой скоростью. Однако стоимость активного пути так высока, что приходится от этого варианта отказаться.

Другой вариант предусматривает, например, размещение в вагоне двух статоров, между которыми с зазорами 30–40 мм располагается алюминиевая шина, устанавливаемая на полотне. Это двусторонний линейный асинхронный двигатель с вертикальным расположением алюминиевой шины и статоров. Такая конструкция тягового двигателя очень усложняет устройство "стрелочных" переводов. Эта проблема легко решается применением одностороннего линейного асинхронного двигателя. В этом случае в вагоне в горизонтальном положении размещается один статор, а алюминиевая шина располагается на полотне. Для увеличения магнитной проводимости под нее можно положить стальной сердечник. Эта конструкция получила название "сандвич". Однако тяговое усилие одностороннего линейного асинхронного двигателя при прочих равных условиях вдвое меньше, чем двустороннего.

При использовании линейного асинхронного двигателя полотно дороги не подвержено температурным нагрузкам, так как при быстром движении поезда участки дороги, на которых происходит взаимодействие магнитного поля статора с электрическим током ротора, не успевают нагреваться. А статор нагревается теплом, которое выделяется протекающим в проводниках током. Нагревание статора – одна из самых серьезных проблем. Основное направление ее решения – использование сверхпроводников.


 

Явление сверхпроводимости, открытое в начале XX в. и получившее теоретическое обоснование 25 лет спустя, характеризуется полным отсутствием сопротивления току и, следовательно, тепловых потерь. Возникает оно в проводниках, охлажденных до температуры, близкой к абсолютному нулю (0 К= –273 °С).

Введенный в сверхпроводящую обмотку электромагнита электрический ток, практически не встречая сопротивления, будет циркулировать в ней продолжительное время. Например, через сверхпроводящие магниты, изготовленные в виде катушек размером 1,2х0,6 м, погруженных в жидкий гелий, пропускали ток силой 106 А. Он убывал в сутки на 1 %.

Очень важно найти сплавы, обладающие свойством сверхпроводимости при более высоких температурах. Удалось создать сверхпроводник из ниобия и германия с критической температурой (температурой, при которой сплав приобретает свойства сверхпроводника), равной 22,3 К. Такую температуру можно получить уже с помощью жидкого водорода, а не жидкого гелия, а это значительно проще и гораздо дешевле. Создание материалов, обладающих сверхпроводящими свойствами при комнатной температуре, что теоретически не исключается, привело бы к настоящей революции в науке и технике, в частности на транспорте.

Наряду с бесспорными достоинствами линейный асинхронный двигатель обладает и существенными недостатками. Дорого стоит его неподвижная часть, вытянутая вдоль пути. Увеличивается расход энергии, правда, снижаются расходы на ремонт и эксплуатацию дороги. КПД этих двигателей ниже, чем, например, КПД обычного тягового электродвигателя постоянного тока, у которого он равен 0,92: КПД линейного асинхронного двигателя с алюминиевым ротором составляет 0,88, со стальным ротором – 0,7.

Однако самые существенные недостатки линейных асинхронных двигателей – малый зазор между движущимися и неподвижными частями, который не обеспечивает безопасности движения поездов при высоких скоростях, и трудности, связанные с подводом тока к движущемуся поезду.

Эти недостатки заставляют обратиться к линейному синхронному двигателю.

В линейном синхронном двигателе обмотка статора подключается к сети переменного тока, а обмотка ротора питается постоянным током. Взаимодействие магнитных полей статора и ротора приводит к возникновению крутящего момента, под действием которого ротор вращается синхронно с вектором напряженности магнитного поля статора.

Для пуска синхронных электродвигателей используют: вспомогательный двигатель малой мощности, который разгоняет синхронный электродвигатель с отключенною нагрузкой; плавное увеличение частоты напряжения в статорной обмотке; вращающийся электромагнитный момент, который возникает в результате взаимодействия магнитных полей статора с полем тока, наведенного в пусковой обмотке или теле ротора. Последний способ, представляющий собой асинхронный способ пуска, получил наибольшее распространение.

В линейном синхронном двигателе неподвижная часть – статор – состоит из системы прямоугольных контуров, уложенных вдоль всего пути и питающихся от трехфазной сети. Подвижная часть двигателя – ротор – состоит из ряда одинаковых прямоугольных контуров, по которым протекают постоянные токи одинаковой силы и чередующегося направления.

Токи в статоре, сдвинутые друг относительно друга во времени и пространстве на 1/3 периода, создают магнитное поле, перемещающееся вдоль пути. Взаимодействуя с токами ротора, оно создает тяговое усилие, которое перемещает ротор вдоль рельсового полотна.

Линейный синхронный двигатель становится весьма эффективным в том случае, если обмотка ротора представляет собой сверхпроводящие электромагниты, которые способны создавать огромную намагничивающую силу при малых затратах электроэнергии. В этом случае расстояние между ротором и статором в линейном синхронном двигателе составляет десятые доли метра, что вполне достаточно для безопасного движения поезда при высоких скоростях. Следует отметить, что большое расстояние между подвижной и неподвижной частями линейного синхронного двигателя приводит к тому, что с обмотками ротора сцепляется сравнительно небольшая часть магнитного поля, создаваемого статором. Именно поэтому и требуются сильные токи, необходимые для создания достаточного тягового усилия. Так как сильные токи приводят к очень большим тепловым потерям в проводниках, то без решения проблемы сверхпроводимости линейный синхронный двигатель становится нереальным. Вследствие этого в разрабатываемых поездах с линейным синхронным двигателем предполагается, что обмотка его ротора будет выполнена из сверхпроводящих материалов.

Конструктивно линейные синхронные двигатели сложнее, чем асинхронные. При использовании в поездах синхронных двигателей острее стоит проблема защиты пассажиров от воздействия сильного магнитного поля.

При относительно малых скоростях движения (до 200 – 250 км/ч) благодаря простоте конструкции, возможности легкого пуска, останова и плавного изменения скорости предпочтение обычно отдается линейному асинхронному двигателю. При больших скоростях преимущества на стороне линейного синхронного двигателя. Линейные двигатели – основные двигатели поездов на магнитной подушке.

Для создания магнитной подушки используются те же принципы, которые легли в основу разработки тяговых линейных двигателей. Самый простой способ – использование силы отталкивания одноименных или притягивания разноименных полюсов магнита. Еще в 50-х годах XX в. постоянные магниты были слабы и для создания в поездах магнитного подвешивания не пригодны. В последние годы благодаря появлению улучшенных магнитных материалов, например бариевых ферритов, в ряде стран начались разработки конструкций поездов, использующих для создания магнитной подушки постоянные магниты. Существуют проекты, в которых магнитная левитация достигается силой притяжения постоянных магнитов, размещенных в вагоне, к стальному рельсу; в других проектах магнитная подушка создается за счет отталкивания одноименных полюсов постоянных магнитов поезда и рельса.

Например, в Англии разрабатывается проект, по которому магнитная подушка создается керамическими магнитами, содержащими 90 % окиси железа, а также других окислов. Подъемная сила таких магнитов в 50 раз больше, чем стальных. Сила отталкивания керамических магнитов, уложенных на полотне дороги и размещенных в нижней части вагона, способна поднять вагон массой 5 т на высоту 25 мм.

Постоянные магниты можно заменить электромагнитами. В 1910 г. бельгийский монтер Э. Башле построил первую модель вагона на магнитной подвеске, использовав для этой цели электромагнит. Модель массой 50 кг не только парила в воздухе, но и развивала фантастическую по тем временам скорость 500 км/ч. Через четверть века немецкий инженер Кемпер построил другую модель вагона на магнитной подушке и, будучи более практичным, взял патент на изобретение. И в этой модели для создания магнитной подушки были использованы электромагниты. Однако электромагниты требуют системы стабилизации, которая, воздействуя на величину тока в их обмотке, поддерживает постоянный зазор между электромагнитом и поверхностью пути.

Наиболее эффективный способ создания магнитной левитации состоит в применении электродинамической магнитной подвески. Такие подвески работают в соответствии с уже знакомыми нам принципами действия асинхронной и синхронной электрических машин. В электродинамической магнитной подвеске, осуществляемой по принципу асинхронной электрической машины, происходит взаимодействие магнитного поля, создаваемого переменным электрическим током в обмотках статора, с электрическим током, который индуцируется в обмотках ротора. Так же как и в линейном асинхронном двигателе, экономичность этого способа существенно повышается, если электрический ток циркулирует в сверхпроводящей магнитной катушке.

 


Транспорт для освоения Севера

 

Особые трудности связаны с дорожным строительством в условиях вечной мерзлоты. Мало того, что прокладка дорог в этих районах сопряжена с большими материальными затратами, требует от людей полного напряжения сил; особенности мерзлотных условий приводят к тому, что уже проложенные дороги быстро выходят из строя. Поэтому для освоения северных районов необходим транспорт, который не нуждается в традиционных дорогах. Мы имеем в виду как магистральный транспорт, осуществляющий непрерывную связь промышленных центров с новыми, обживаемыми районами, так и транспортные средства для штурма необжитых земель, перевозящие тяжелые грузы по бездорожью. К последним можно отнести так называемые наземные транспортные средства на воздушной подушке (НТСВП).

В настоящее время разрабатываются различные НТСВП, которые могут быть использованы и уже находят применение для разных целей в осваиваемых труднодоступных районах.

В самоходных НТСВП с регулируемой нагрузкой на опорно-тяговый механический движитель воздушная подушка используется наряду с колесами или гусеничным ходом, причем опорная и тяговая функции движителя разделены. Большая часть нагрузки воспринимается воздушной подушкой, ограниченной по периметру днища гибким ограждением, которая позволяет существенно снизить опорное давление на грунт до величины порядка (0,2– 7) 10-3 МН/м2, что примерно в 100 раз меньше, чем давление колесных машин, и в 10 раз меньше, чем давление гусеничных машин. Оставшаяся незначительная нагрузка используется для создания тягового усилия при контакте колес или гусениц с грунтом, но при этом не происходит деформации мягкого грунта или среза поверхностного слоя почвы. Изменяя давление в воздушной подушке, можно регулировать силу сцепления механического движителя с грунтом в зависимости от состояния грунта для создания наибольшей тяги в соответствии с конкретными условиями движения.

Во время испытаний экспериментальная модель НТСВП на прибрежном песке плотностью 1,9 г/см3 и влажностью 29 % уверенно двигалась со скоростью 15–20 км/ч, а автомобиль повышенной проходимости УАЗ-450Д буксовал и останавливался.

В 1969 г. была изготовлена самоходная гусеничная машина на воздушной подушке, которая с грузом до 9 т двигалась по непроходимому болоту со скоростью до 50 км/ч. Обладая избыточной тягой, она могла буксировать несамоходные грузовые платформы на воздушной подушке. В 1972 г. эта сцепка демонстрировалась участникам 1 Всесоюзной конференции по аппаратам на воздушной подушке, которая проходила в Тюмени.

Назначение самоходных грузовых НТСВП с постоянным давлением в воздушной подушке состоит в поддержании на воздушной подушке груза, перевозимого над слабонесущей опорной поверхностью. Буксировка этих платформ осуществляется колесными или гусеничными тягачами, снегоболотоходами или транспортными средствами на воздушной подушке (рисунок 9.11), при этом один тягач может буксировать несколько платформ на воздушной подушке, так как их сопротивление движению очень мало.

Для управления платформами и придания им устойчивости часто используются контактирующие колеса.

Несамоходные платформы на воздушной подушке предназначены для перевозки от одной до многих сотен тонн грузов. Одной канадской фирмой, например, было запланировано создание платформ на воздушной подушке грузоподъемностью до 3840 т, предназначенных для транспортировки в условиях бездорожья буровых вышек, отдельных узлов и механизмов буровых установок, труб, крупногабаритных и тяжелых грузов, различных строительных конструкций, пиломатериалов.

 
  clip_image022

 

Рисунок 9.11 – Платформа на воздушной подушке

Для перевозки грузов без повреждения мохового покрова тундры другой канадской фирмой созданы платформы на воздушной подушке грузоподъемностью 1, 15 и 25 т. Давление на грунт этих платформ при полной грузоподъемности составляет 3,5 · 10-3 МН/м2. Герметичные отсеки обеспечивают платформам плавучесть и непотопляемость при движении над водной поверхностью.

Платформа грузоподъемностью 1 т имеет стальную раму. Центробежный вентилятор, создающий воздушную подушку, приводится в действие автомобильным двигателем мощностью 81 кВт (110 л. с.). Воздушная подушка образуется по многокамерной двухконтурной схеме, которая позволяет поддерживать в ней более высокое давление и, следовательно, при меньших габаритах создавать большую подъемную силу. Кроме того, двухконтурная схема, при которой происходит перетекание воздуха из камер высокого давления (их восемь) в полость с пониженным давлением, снижает его общий расход и скорость выхода через зазор во внешнем ограждении, что уменьшает повреждение растительного покрова. Применение нескольких независимых воздушных подушек вместо одной общей создает лучшие условия работы при движении платформы по неровной поверхности, позволяет преодолевать препятствия высотой до 0,45 м. Платформу можно разобрать на части и перевозить на самолете.

В 1971 г. в Канаде была построена платформа на воздушной подушке грузоподъемностью 112 т. Платформа имеет раму коробчатого типа, по периметру которой крепится гибкое ограждение баллонно-сегментного типа, ограничивающее воздушную подушку под днищем платформы. Днище платформы способно подниматься над опорной поверхностью на 1,2 м. Платформа допускает преодоление откосов под углом до 40°. Воздушная подушка создается двумя центробежными вентиляторами с приводом от двух дизелей, имеющих мощность по 471 кВт (640 л. с.). Каждый вентилятор подает до 40 м3/с воздуха при давлении 7 · 10-3 МН/м2.

Платформа может быть использована для транспортировки не только грузов, но и рабочих. В этом случае на ней устанавливаются жилые домики на 35–40 человек, подсобные помещения и т. п. Скорость движения платформы до 10 км/ч. Температура воздуха в воздушной подушке ограничивается величиной, при которой тундровый покров остается замерзшим. Однако для трогания с места примерзшей к грунту платформы в воздушную подушку на короткое время подаются горячие отработанные газы. Перевозка грузов несамоходными НТСВП обходится примерно в 8–10 раз дешевле, чем обычными прицепами-тяжеловозами.

Транспортно-технологические НТСВП с постоянным или сменным оборудованием для создания воздушной подушки используют постоянные или съемные устройства. В транспортерах воздушная подушка применяется для того, чтобы сосредоточенную осевую нагрузку равномерно распределить на большую опорную поверхность. Это существенно облегчает транспортировку тяжелых грузов. Расчеты, например, показали, что транспортер, не оборудованный воздушной подушкой, способен везти по мосту с пролетом 7,5 м 125 т груза и в случае оборудования воздушной подушкой сможет по тому же мосту перевезти груз, вдвое больший.

Съемное гибкое ограждение используется для эпизодических перемещений крупногабаритных и тяжелых грузов на воздушной подушке. В 1969 г. в Тюменской области таким способом была перевезена на 12 км буровая вышка со станком и насосом общей массой 170 т. Гибкое ограждение было установлено по периметру основания буровой вышки. Воздушная подушка создавалась центробежными вентиляторами, которые приводились в действие дизельными двигателями буровой вышки. Давление воздуха в воздушной подушке было 3·10-3 МН/м2. Вышку буксировали два трактора, приспособленных для движения по болотам. По пути преодолевались рвы, траншеи, озерца, трубопроводы, земляные валы высотой до 1 м. В результате отпала необходимость в демонтаже и последующем монтаже на новом месте буровой вышки. Применение воздушной подушки для транспортировки буровых вышек позволяет в несколько раз увеличить производительность труда на буровых работах.

Указанные НТСВП получат широкое применение при создании целевых производств в новых районах, которые будут главным образом ориентированы на добычу и транспортировку природных ресурсов. Их использование существенно снизит затраты на "нецелевые" объекты, в первую очередь на дороги. Сейчас к любому новому месторождению прежде всего начинают прокладывать дороги. Из подручных материалов строят времянки – жилые дома для рабочих, складские помещения. Следом за рабочими приезжают их семьи, за ними – работники сферы обслуживания, за которыми также следуют их семьи. Месторождение обрастает временными постройками, сетью дорог.

В условиях тундры даже одноразовый след тягача сохраняется десятилетиями, со временем он может превратиться в овраг. Вдоль лесовозных дорог вымирает сибирская и дальневосточная тайга. Разрушение транспортом естественной структуры, закрепляющей барханы и солончаки, приводит к наступлению пустынь, засолению почв.

У транспортных средств на воздушной подушке давление в площади контакта воздушной подушки с грунтом составляет (0,3 – 7)·10-3 МН/м2. Такое низкое давление резко уменьшает воздействие транспортного средства на грунт, практически сводит на нет сопротивление движению. У НТСВП сопротивление движению возникает лишь за счет задевания гибкого ограждения за грунт и качения контактирующих разгруженных колес.

Таким образом, использование НТСВП может значительно снизить ущерб, который наносится природе при освоении новых, труднодоступных районов.


Идеи проектов новых транспортных средств

 

Прежде, чем говорить о транспорте будущего, рассмотрим, какими проектами наука располагает сегодня, какие идеи, заложенные в этих проектах, окажутся полезными завтра.

Так как транспорт играет огромную роль в человеческом обществе, разработке транспортных средств уделяется очень большое внимание на всех континентах. Газеты и журналы всего мира публикуют информацию о новых, иногда неожиданных и весьма экзотических транспортных средствах и новых принципах, которые в них реализуются.

Инерционный или "заводской" транспорт основан на принципе использования кинетической энергии маховика, установленного на подвижном составе. Идея такого двигателя, предложенная русским инженером В. И. Шутерскимболее 100 лет назад, наиболее полно была реализована в Швейцарии, где были построены 17 автобусов вместимостью по 70 пассажиров для работы на городских маршрутах, и частично в Конго протяженностью 4,5–7,7 км. Инерционный двигатель бесшумен и не загрязняет атмосферу. Супермаховик массой 100 кг при скорости вращения 30 тысяч оборотов в минуту запасает энергию для пробега легкового автомобиля на 160 км.

Пассажирские конвейеры (движущиеся тротуары) начали применяться с 50-х годов нашего века. Это вспомогательный транспорт для перемещения пассажиров на короткие расстояния в местах массового скопления людей: на переходах под улицами и площадями, в метро, аэропортах, на вокзалах, на заводах, в крупных магазинах, парках, на выставках и т. п. По конструк­ции - это ленточные, пластинчатые, тележечные конвейеры с различными приводами, а также системы с открытыми и закрытыми сидениями. Пасса­жирские конвейеры довольно дорогие как в устройстве, так и в эксплуата­ции.

Рядом фирм США разрабатывались проекты трубопроводного транспорта для перевозки пассажиров (рисунок 9.12). Это труба с движущимися в ней вагончиками. Скорость по проекту 192 км/ч. В другом проекте в качестве направляющего устройства использована труба-тоннель с перекачкой воздуха спереди поезда назад с целью уменьшения воздушного сопротивления вагону. Для тяги предложен линейный электродвигатель, а для скорости 480 км/ч – реактивный двигатель.

clip_image024

Рисунок 9.12 - Трубопроводный пассажирский транспорт

В статье А. Клячко «Лазерная левитация» (Изобретатель и рационализатор. 1979. № 2) рассказывается об исследованиях новых приложений лазеров, в том числе "лазерного транспорта", в котором используется принцип отталкивания тел от поверхности воды паром, возникающим в тонком верхнем слое под воздействием лазерного луча. В первых опытах с неодимовым лазером использовался принцип светопаровой подушки. Затем перешли к низкотемпературной плазме. Для этого сфокусировали луч, повысили температуру в месте воздействия светового луча, и в этом случае после вспышки лазера образовался уже не пар, а столб раскаленного ионизированного газа — световой факел. В результате удалось существенно увеличить давление на дно тела. Поддерживающее усилие увеличивалось также благодаря выбросу султанов воды с поверхности.

По мнению исследователей, может быть создан транспорт на светопаровой подушке. Кроме того, используя эти принципы, можно решить задачу мягкой посадки на воду или, наоборот, старта с поверхности воды.

Ставшие уже привычными нам корабли на подводных крыльях имеют ограничения по скорости. Возрастающие сопротивления приводят к неустойчивому режиму работы подводных крыльев. Оказалось, что гораздо эффективнее, чем неподвижные крылья, особенно при высоких скоростях, работают вращающиеся винты.

К идее заменить в кораблях подводные крылья четырьмя вращающимися винтами пришел А. С. Бакшинов. В апреле 1961 г. он подал заявку на изобретение. Эксперты, признавая новизну предложения, пришли к выводу, что энерговооруженность судна должна быть близкой к вертолетной, поэтому, по их мнению, диаметр, а значит, и масса винтов станут очень большими, и они заключили, что такой аппарат создан быть не может.

На самом деле величина силы сопротивления движению вращающихся в воде пропеллеров гораздо меньше, чем у неподвижных жестких крыльев. Вращающиеся лопасти, создавая подъемную силу, не только удерживают аппарат, но и сообщают ему поступательное движение. В 1971 г. гидролет Бакшинова получил положительную оценку.

Группа ученых в США пришла к выводу, что на основе передачи энергии с помощью микроволн и света могут быть построены самолеты и дирижабли, имеющие малую скорость, перемещающиеся на высоте порядка 21 000 м. Они могут быть использованы в качестве авиалайнеров, коммуникационных платформ для теле- и радиовещания, станций наблюдения за лесными пожарами, промежуточных усилителей мощности спутников связи.

Инженер из Драйденовского летно-исследовательского центра Дейл Рид предложил построить и запустить на высоту 3000 м планер, приводимый в действие с помощью микроволн. С этой целью потребуется разместить под крыльями специальные антенны (ректенны), которые смогут эффективно преобразовывать микроволны в электрический ток для привода воздушного винта. Предлагается для передачи энергии использовать микроволновой пучок от 26-метровой Гольдстоновской антенны (Северная Калифорния). Целью экспериментов с планером является создание платформы для наблюдения за погодой и для связи.

В более отдаленном будущем Д. Рид предполагает использовать энергию микроволн для питания авиалайнеров типа "Боинг-707". Однако для этого потребуется сооружение микроволновых антенн с интервалами порядка 15 км на всем пути полета.

 
  clip_image026


Эволюция не обошла традиционные транспортные средства. В 1981 г. в Японии был спущен на воду танкер под парусами (рисунок 9.13), в которых воплощены последние достижения науки и техники. Они выполнены из стального листа, управляются с помощью радиоэлектроники и вычислительной техники. ЭВМ, например, рассчитывает силу и направление ветра, в зависимости от чего управляет парусным оснащением, ориентирует плоскости парусов, автоматически изменяет их площадь или убирает их, держит курс, осуществляет связь с маяками и спутниками. Такая конструкция не только экономит энергию и топливо, снижает шум, уменьшает выбросы газов и дыма, но и повышает безопасность движения и дает возможность сократить экипаж до нескольких техников.

Рисунок 9.13 – Танкер со стальными парусами, управляемыми ЭВМ

Проявление нового в старом наблюдается и в дирижаблестроении. Однако речь пойдет не о применении новых материалов или создании гибридных конструкций, сочетающих принцип аэростатического корабля с вертолетными винтами или самолетными крыльями. Существуют и более экзотические проекты. К ним относится концепция "солнечного дирижабля", который приводится в движение энергией Солнца. Такие дирижабли предъявляют определенные требования: небо должно быть безоблачным, необходимо отсутствие сильных ветров, эксплуатироваться они должны на высоте, не превышающей 1000 м над уровнем моря. На земном шаре имеется немало зон, где такие дирижабли с успехом могут быть использованы, например ряд областей Австралии, Южной Африки, центральных районов Южной Америки; есть такие зоны и в странах СНГ.

Поверхность "солнечного дирижабля" покрывается элементами, преобразующими энергию Солнца в электрическую. Эта энергия подается к электродвигателям постоянного тока, которые вращают воздушные винты. Как показали исследования, масса солнечных батарей на кремниевой основе составляет одну треть общей массы дирижабля нежесткой конструкции. Оптимальная форма дирижабля – вытянутый эллипсоид. Изменение его формы с целью увеличения площади поверхности и повышения количества поглощаемой солнечной энергии неоправданно из-за ухудшения аэродинамических характеристик. При современном 12 %-ном КПД можно обеспечить дирижаблю шестичасовой режим работы со скоростью 100 км/ч, а в некоторых случаях десятичасовой режим работы с такой же скоростью как летом, так и зимой. Это объясняется очень маленькой разницей между максимальным уровнем солнечного излучения в летний период и минимальным его уровнем в зимнее время во многих районах Земли. Если же предусмотреть на дирижабле аккумуляторы энергии для стабилизации питания электроэнергией силовых установок вне зависимости от изменения в течение дня интенсивности солнечного излучения, использование топливных элементов или других способов получения дополнительной электроэнергии, то сфера применения солнечных дирижаблей может быть существенно расширена.

Следовательно, даже при современном уровне техники проект дирижабля, использующего энергию Солнца, оказывается вполне реальным и перспективным для применения в достаточно широких географических пределах.

Перечень экзотических или уже хорошо знакомых проектов предполагаемых будущих транспортных средств весьма велик, и его можно еще продолжить. Однако большинство из них способно решать важные, но частные задачи. Например, выполнять рейсы в определенной географической зоне (солнечные дирижабли) или перемещать тяжелый и крупногабаритный груз из одного места в другое, как это делает 750-тонная платформа на воздушной подушке, построенная в 1974 г. для арабского эмирата Абу-Даби. Ее энергетическая установка используется для создания воздушной подушки, перемещают платформу по воде буксирные суда, а после выхода на землю – тракторы. Платформа применяется для рейдовой разгрузки, в частности она была использована для доставки с морских судов на берег оборудования для сжижения природного газа. За каждый рейс платформа, двигаясь со скоростью от 5,5 до 13,5 км/ч (в зависимости от волн на водной поверхности), перевозила 250 т груза. Удельные энергетические затраты при этом составили всего 1,75 МВт/кг.

Когда речь идет о массовых перевозках на большие расстояния, определяющими критериями являются скорость и экономичность. Что следует иметь в виду в первую очередь при создании транспортных средств, удовлетворяющих этим критериям? В таких транспортных средствах никаких колес или других механических устройств, ограничивающих скорость движения, быть не должно. В этом случае ограничителем скорости движения будет сопротивление воздуха. Для устранения этого препятствия авторы ряда проектов стремятся либо поместить транспортные средства в трубу, в которой создан вакуум, либо уйти в верхние слои атмосферы, в зону разреженного воздуха.

clip_image028

Еще в 1955 г. перед профессором Кекойя Одзава, деканом факультета науки и техники университета Мейджо (провинция Нагоя), была поставлена задача – создать сверхзвуковой наземный транспорт. Прежде чем выбрать окончательный вариант, он и возглавляемая им группа провели около 20 испытаний различных моделей в 1/60 и 1/20 натуральной величины. В результате был выбран вариант поезда длиной 220 м и диаметром 5 м, который имел следующие отсеки (рисунок 9.14): носовой 1 с кабиной водителя 2, грузовой 3, пассажирские салоны 4 и 6, машинный 5, отсек для автомобилей 7, устройство для воздушного торможения 8. Поезд вмещает 1000 пассажиров и 100 т груза. Поезд перемещается по роликам 9, установленным на эстакаде, которые охватывают его сверху, снизу и по бокам. Вдоль пути имеются еще опорные ролики. Поезд приводится в действие четырьмя турбореактивными двигателями с тягой по 98 кН каждый.

Рисунок 9.14 – Проект высокоскоростного поезда с турбореактивными двигателями

В 1968 г. модель поезда развила скорость 1140 км/ч, а в 1969 г. в герметичном туннеле, в котором был создан вакуум, – 2300 км/ч. В 1970 г. модель сверхзвукового поезда апробировали подопытные животные, самочувствие которых было отличным. Специалисты считали, что в самое ближайшее время транспортная система профессора Одзавы пойдет в эксплуатацию.

Однако у этого поезда не было будущего. Прежде всего он не был прогрессивным по критерию экономичности. Длительной работы при сверхзвуковых скоростях колесо выдержать не может. Поэтому в данном проекте оно работает в роликах при кратковременном, по крайне невыгодном режиме, так как ролики, будучи до этого неподвижными, в момент контакта с поездом начинают вращаться. Система установки роликов вдоль всего пути сложна и неэкономична. Кроме того, обеспечить плавный вход корпуса

поезда, несущегося со сверхзвуковой скоростью, в отстоящие друг от друга закрепленные на эстакаде Е-образные устройства, несущие ролики, или вписаться в поворот дороги – задача далеко не простая. Сам принцип механического взаимодействия роликов и поезда при сверхзвуковых скоростях не прогрессивен.

В проекте "Подземного спутника" Г. Котлова и Ю. Федорова предлагается выкопать туннель и откачать из него воздух, причем подземная трасса туннеля должна по форме соответствовать орбите искусственного спутника Земли. По этому туннелю подземный спутник будет летать со скоростью 8 км/с. Чтобы избежать смещения туннеля с орбиты спутника-вагона в результате суточного вращения Земли, трасса туннеля должна быть круговой и лежать в плоскости экватора или придется создавать непрерывный туннель, многократно проходящий через полюсы, – на карте Земли он будет изображен в виде синусоиды. В этом случае трасса свяжет все точки земного шара.

Энергию торможения одного спутника авторы проекта предлагают использовать для разгона другого спутника. С этой целью спутник-вагон входит в соленоид и в процессе торможения генерирует в нем ток, который тут же используется для разгона следующего спутника. Передав ему всю энергию, первый спутник останавливается и отводится с трассы, а его место занимает другой. Пропускная система дороги определяется в конечном итоге принятыми перегрузками, от которых зависят длина участка торможения и его время.

Расчеты предусматривают четырехкратную перегрузку. В этом случае спутник-вагон, пройдя 130 км, затормозится за 7 минут. Однако такие перегрузки способны выдержать только подготовленные люди, да и то, если они займут определенное, фиксированное положение в кресле. Разгуливать по вагону при таких перегрузках не придется.

Предельная величина экстренного торможения в обычных поездах 1,5 м/с2. При таком замедлении человек еще может передвигаться по вагону, а посуда не слетает со столов. При обычном же эксплуатационном торможении она не должна превышать 1,2 м/с2. При четырехкратных же перегрузках величина замедления достигает 40 м/с2.

Имеются проекты, в которых предусматривается решение сразу нескольких проблем. Проект В. Раздумина основан на сочетании двух явлений, которые имеют место при сверхнизких температурах: сверхтекучести и сверхпроводимости. Автор проекта полагает, что в будущем будут созданы гигантские трубы-кабели, передающие энергию с помощью сверхпроводников. По корпусу трубы, заполненной для охлаждения жидким гелием, пойдет ток, а внутри будут находиться транспортные гондолы. В сверхтекучем гелии нет трения. Поэтому эти гондолы будут способны развить огромную скорость.

В одном из проектов, носящем название "Планетран", поезд на магнитной подвеске движется по трубопроводу с очень разреженной атмосферой. Тяговое усилие создается за счет перепада давления по обеим сторонам поезда. Трубопровод, внутри которого движется поезд, по всей длине разделен на шлюзовые камеры. Между предыдущей и последующей шлюзовыми камерами поддерживается определенный перепад давлений. Чем дальше от начала движения расположена камера, тем ниже в ней давление. Например, в пятидесятой шлюзовой камере давление будет составлять 98 Па, что соответствует давлению земной атмосферы на высоте 50 000 м. Это весьма малое давление устанавливается на всей оставшейся длине трубы, и поезд, разогнавшись, несется с огромной скоростью. Когда поезд из конечного пункта начинает двигаться обратно, выполняется такое же шлюзование, но уже в обратном направлении.

Ускорение при разгоне ограничивается комфортными условиями для пассажиров. Максимально допустимое ускорение принималось равным 1 g . Это немало, так как при таком ускорении вес пассажира удваивается. В этом случае, по расчетам авторов проекта, за 10 минут поезд разгоняется до 22 500 км/ч. Естественно, что при таких скоростях поезд может быть использован для эксплуатации на большие расстояния. Создатели "Планетрана" предполагают применить его для маршрута между Нью-Йорком и Лос-Анджелесом протяженностью 3950 км. С учетом замедления движения время поездки на этом участке составит 31 мин 30 с при средней скорости 8350 км/ч.

Сооружение такой дороги – очень сложная инженерная задача. Непросто организовать разгон и торможение поезда. Однако самые большие трудности как технического, так и экономического характера заключаются в сооружении герметичного трубопровода большого диаметра и огромной протяженности. Конечно, можно говорить о том, что по мере развития трубопроводного транспорта совершенствуется технология изготовления и укладки трубопроводов большого диаметра, что уже появились первые пневмоконтейнерные дороги. Однако сооружение трубопроводного транспорта с бесколесными поездами, движущимися с космическими скоростями, в настоящее время представляется делом теоретически возможным, но далеким от практического воплощения.

Любой новый вид транспорта не может существовать изолированно от других транспортных средств. При проектировании необходимо сопоставлять его скорость со скоростями других видов транспорта, более того – с темпом жизни. Ситуация, когда пассажиры авиалайнеров вынуждены добираться от аэродрома домой на телеге, абсурдна. Однако даже с учетом становящегося все более стремительным темпа жизни и роста скоростей транспортных средств, вызванных научно-технической революцией, вряд ли можно предположить, что через несколько десятилетий они будут соответствовать скоростям трубопроводных поездов. Кроме того, безусловный недостаток трубопроводных поездов состоит в том, что они не только не используют окружающую среду, а наоборот, находятся в постоянном противодействии с ней: они должны быть надежно защищены от окружающей атмосферы герметичным трубопроводом; огромные скорости поездов требуют исключительной стабильности и центровки трубопроводной дороги, для чего, учитывая большую протяженность трассы, придется преодолевать грандиозные трудности, связанные с геологической структурой, сейсмическими воздействиями и др.

По этим же причинам не выдерживают критики проекты гравитационных поездов, трассы которых должны проходить на огромных глубинах, пронзая земной шар по хорде.

На пути суперпоездов встают такие проблемы, которые резко взвинчивают экономические затраты и ставят под сомнение их целесообразность: критерий экономичности заявляет о себе в полный голос. Кроме того, конечные размеры Земли ограничивают беспредельное увеличение скорости транспортных средств. В то же время надо иметь в виду, что в будущем транспорту придется перевозить на большие расстояния и с высокой скоростью все увеличивающееся количество пассажиров.


Проектные авиационные виды транспорта

 

Теперь рассмотрим проекты, в которых сопротивление воздуха в значительной мере устраняется высотой. Мы уже говорили о том, что такому стремлению ввысь препятствуют, с одной стороны, малое количество воздуха на больших высотах, в результате чего реактивные двигатели начинают "задыхаться", а использование ракетных двигателей обходится очень дорого, с другой – слой озона, защищающий жизнь на нашей планете от губительного излучения Солнца. Уменьшение сопротивления воздуха имеет своей конечной целью повышение экономичности авиационных транспортных средств в результате снижения энергетических затрат и расхода топлива.

В прессе (За рубежом. 1982. № 36 (1157)) было опубликовано сообщение об авиационной релейной системе X. Смита из Пенсильванского университета (США). Авиалайнер, выполненный в виде огромного летающего крыла (рисунок 9.15), вмещающий до четырех тысяч пассажиров, стационарно находится в воздухе. Крыло состоит из нескольких модулей.

clip_image030

Каждый модуль – это самолет, способный совершать независимые полеРисунок 9.15 – Авиалайнер в виде летающего крыла. Для доставки пассажиров, грузов, дозаправки топливом используются относительно небольшие вспомогательные самолеты, выполняющие челночные рейсы. По мнению автора проекта, конструкция позволяет добиться ламинарного обтекания крыла, снижения его лобового сопротивления и веса. Реализация проекта сократит потребление топлива на авиалиниях на 87 %, будет способствовать разгрузке аэропортов, поскольку челночные полеты вспомогательных самолетов должны осуществляться с небольших аэродромов, и в результате эксплуатационные расходы снизятся на 35 %.

Проекты, предусматривающие эксплуатацию огромных летающих платформ, постоянно обращающихся на больших высотах вокруг земного шара или включающих в зону своего действия крупные регионы, в принципе возможны, однако потребуют не только коренной перестройки наземных служб управления и эксплуатации, но, пожалуй, и существенных изменений социальной структуры на нашей планете. Поэтому в ближайшие годы такие проекты вряд ли найдут применение.

А вот еще более глобальный проект, разработанный ленинградским инженером Юрием Арцутановым, – лифт в космос. По этому проекту вершина башни высотой примерно 35,8 тыс. км перемещается в пространстве вследствие вращения Земли и большой высоты башни со скоростью около 3 км/с (скорость искусственного спутника Земли). На этой высоте проходит геостационарная орбита, на которой спутник совершает один оборот вокруг Земли за 24 часа, т. е. в этом случае он зависает над какой-либо точкой планеты. На вершине башни центробежная сила Земли уравновешивает вес доставленного туда тела. Если столкнуть тело с такой башни, то оно станет спутником Земли. На эту высоту надо доставить космический корабль, а для запуска его на орбиту использовать вращение Земли. Вместо башни можно использовать спутник с геостационарной орбитой, зависший над определенной точкой поверхности планеты.

В чем же преимущества космического лифта? При запусках на орбиту спутников с помощью ракет также используются центробежные силы нашей планеты – траектория движения ракетного космического корабля выбирается с учетом вращения Земли. Главное достоинство космического лифта в том, что для подъема объекта в космос и вывода его на геостационарную орбиту можно использовать электрическую энергию, подводимую по кабелю, проложенному вдоль лифта. Отпадает необходимость иметь на борту космического корабля ракетный двигатель с запасами топлива. А ведь топливо составляет основную массу современной ракеты.

Возникает вопрос: возможно ли построить такой лифт в космос практически? Выдержит ли он напряжения, создаваемые собственным весом? Пока таких сверхпрочных материалов нет. Тем не менее теоретически они могут быть получены. Идея космического лифта ставит перед специалистами интересные и сложные проблемы. Есть предложения осуществить аэростатическую разгрузку космического лифта с помощью воздушных шаров, поддерживающих конструкцию лифта по всей его высоте, или создавать подъемную силу внутри лифта. В последнем случае сечение лифта должно быть увеличено, и транспортные кабины можно будет перемещать не снаружи лифта, а внутри него. Что касается ветровых нагрузок, то и они могут быть использованы для получения энергии и стабилизации самого лифта.

Г. И. Покровский предложил запускать космические аппараты, используя центробежные силы астероида, раскрученного вокруг собственной оси до большой скорости. А известный английский ученый и писатель А. Кларк решил для этой цели применять вращающиеся вокруг своего центра галактики.

Из обсерватории Джодрелл-Бэнк поступило сообщение о том, что английский радиоастроном П. Берг представил экспериментальные доказательства вращения Вселенной. Это позволяет надеяться, что проекты, в которых используются центробежные силы для запуска космических объектов, не иссякнут.

В настоящее время проблему перевозок большого количества людей с высокой скоростью стараются решить с помощью аэробусов. Однако их широкое применение вызывает сложные проблемы, связанные с необходимостью в короткое время перевозить из аэропорта в город большие массы людей и размещать крупные аэропорты далеко от города.

Достоинства авиационного транспорта состоят в его способности достичь любой точки земного шара – воздушный океан окружает нас повсюду. Аэробусы, безусловно, способствуют решению проблемы массовых пассажирских перевозок на большие расстояния, однако, оставаясь традиционным авиационным транспортом, они очень дороги в эксплуатации. Возникает идея использовать для этой цели другую среду – водную. Океаны и моря покрывают примерно 4/5 поверхности земного шара. Издавна моря соединяли континенты, водные просторы использовались мореплавателями для дальних путешествий. И теперь они должны помочь людям в пассажирских и транспортных перевозках, но на новой технической основе и с гораздо большими, чем в прошлом, скоростями. Новый виток спирали эволюции требует качественно новых решений, однако перспективным окажется лишь то решение, в котором будут воплощены в комплексе последние достижения ведущих направлений науки и техники. Это требование отвечает диалектике развития транспорта.


Повышение скорости движения на водном транспорте

 

Важной задачей является повышение скорости движения на водном транспорте. Обычные (водоизмещающие) суда тихоходны потому, что у них с ростом скорости быстро возрастает необходимая для движения мощность, которая может оказаться пропорциональной скорости в третьей, четвёртой и даже большей степени. Как повысить скорость водного транспорта?

При проектировании глиссирующих судов, кораблей на подводных крыльях и воздушной подушке идут по пути вынесения корпуса корабля из водной среды в воздушную (плотность воздуха почти в 800 раз меньше плотности воды). Но есть еще один путь – использование эффекта экрана, как в монорельсовых поездах на воздушной подушке, только экраном здесь служит водная поверхность.

Еще в 20-е годы авиаторы познакомились с "эффектом влияния Земли" (эффектом экрана). Тяжелые самолеты либо упрямо шли над Землей, не желая садиться, либо неожиданно устремлялись вверх, обретая дополнительную подъемную силу. Английский самолет "Тэрэнт Триплэйн" разбился при взлете, моноплан "Суоллоу" едва остановили посадочными щитками. Как только с увеличением высоты эффект экрана исчезал, аэродинамическое качество крыла падало, мощности двигателей не хватало для полета, и самолет прямо по курсу совершал аварийную посадку.

Низколетящий экраноплан способен взять на борт груз, намного больший, чем самолет такой же массы. Следовательно, либо экраноплан должен иметь несущие крылья, либо сам его корпус должен быть выполнен в виде "летающего крыла". Чем меньше высота воздушной подушки, чем ближе аппарат к поверхности воды, тем сильнее проявляется эффект экрана, тем больше подъемная сила. В результате экраноплан затрачивает на создание подъемной силы гораздо меньше энергии, чем самолет, оторванный от поверхности Земли. Экранопланы обладают высоким аэродинамическим качеством – отношением подъемной силы к сопротивлению: оно по меньшей мере в два раза больше, чем у кораблей на подводных крыльях или воздушной подушке. С увеличением скорости и размеров экранопланов их эффективность увеличивается. Парящий над водой аппарат обладает плавучестью, взлетает с поверхности воды и после завершения полета садится на воду.

Имеются проекты экранопланов массой свыше 1000 т и скоростью движения порядка 700 км/ч. Однако в этих проектах остается еще много нерешенных проблем, что делает их пока нереальными.

Г. Г. Зелькиным был предложен проект экраноплана, принципиально отличающийся от существующих, в котором преодолена проблема требуемой очень большой стартовой мощности. Он является логическим продолжением крылатого реактивного монорельсового поезда на воздушной подушке. По этому проекту (рисунок 9.16) экраноплан 1 разгоняется по рельсовому пути 2, опираясь на воздушную подушку. В зависимости от его массы и габаритов можно иметь не одну, а две или несколько опорных рельсовых балок (на рисунке их две).

clip_image032

Рисунок 9.16 – Экраноплан, предложенный Г. Г. Зелькиным

Для создания равномерной подъемной силы в зависимости от распределения массы экраноплана крылья 3 имеют переменную площадь. В качестве тяговых можно применять двигатели с тянущими или толкающими винтами либо реактивные двигатели 4. В случае использования реактивных двигателей с высокой скоростью реактивной струи, так же, как и в крылатом реактивном поезде на воздушной подушке, их целесообразно разместить в желобах 5, чтобы струя реактивного двигателя создавала дополнительную подъемную силу. Разогнавшись, экраноплан соскальзывает с рельсовых балок и продолжает полет над водной поверхностью.

Крейсерская скорость экраноплана будет составлять 500–700 км/ч. Дальнейший рост скорости связан со значительным увеличением мощности, необходимой для преодоления сопротивления воздуха. Запас скорости позволяет увеличивать высоту воздушной подушки, создаваемой динамическим напором, что в свою очередь дает возможность эксплуатировать аппарат при волнении на море. По условиям безопасности волны не должны ударять о днище экраноплана, и высокие скорости позволят ему уйти из района разыгравшейся стихии. Более того, время выхода из порта можно согласовывать с информацией о погоде на трассе, передаваемой навигационными спутниками Земли.

Высокие скорости экраноплана позволяют создать значительное давление в воздушной подушке. Так как его подъемная сила определяется произведением давления в воздушной подушке на площадь экрана в плане, то его грузоподъемность будет измеряться десятками и даже сотнями тысяч тонн, причем с увеличением размеров экраноплана удельная мощность его силовой установки будет уменьшаться.

В проекте рассматриваются различные способы формирования воздушной подушки относительно направляющих рельсовых балок на участке разгона в зависимости от размеров экраноплана и выбранной конструкции. Для ее создания могут быть использованы как отдельно, так и в комплексе вентиляторные установки экраноплана, стационарные компрессорные станции и баллоны со сжатым до высокого давления воздухом, который будет поступать в скользящее шасси, а также динамический напор. В зависимости от скорости полета предусмотрено автоматическое перераспределение мощности силовой установки на создание тяги и работу вентиляторов, питающих воздушную подушку. После схода с рельсового полотна и начала полета над поверхностью воды элементы скользящего шасси, охватывающие путевые рельсовые балки, убираются в корпус экраноплана, формируя необходимый профиль экрана.

Вентиляторы экраноплана используются также при посадке для создания воздушной подушки в его посадочном шасси. Если посадка осуществляется на воду, то сама посадка и начальное торможение осуществляются на воздушной подушке, а затем экраноплан превращается в водоизмещающее судно. На спокойной воде, в затоне мощности вентиляторов будет достаточно для того, чтобы экраноплан вышел на режим зависания, опираясь на воздушную подушку. В этом случае не представит особого труда вывести его на стартовую площадку и установить на направляющих рельсах для последующего полета.

В проекте предусмотрен старт с поверхности воды в случае аварийной посадки. Для этого потребуются дополнительные стартовые ускорители для создания тяги при взлете и резервы мощности или баллоны высокого давления для образования воздушной подушки на участке разгона. Рассмотрены варианты конструкций многокорпусных экранопланов, при которых гарантировано предотвращение опрокидывания аппарата при аварийной посадке в случае волнения на море.

Описанный проект экраноплана по всем критериям прогрессивности представляется весьма перспективным и эффективным. Такой экраноплан использует достижения авиационного, морского и наземного транспорта, а также космической техники для решения проблемы перевозок большого количества людей и грузов на большие расстояния с достаточной скоростью и высокой экономической эффективностью.

Вездеходы-амфибии широко применяются для перевозки пассажиров и

грузов в новых необжитых районах на Севере. Они выполнены либо в виде небольших судов (лодок) с колесами, либо в виде гусеничных машин, спо­собных плавать и передвигаться по болотам и слабым грунтам.

Комбинированные автомобильно-железнодорожные транспортные средства представлены очень большим числом опытных образцов и проектов. Это рельсовые автобусы и "гибридные" трейлеры на автомобильном и железнодорожном ходу, одинаково хорошо передвигающиеся по шоссе и железнодорожным путям.

"Автопланы", или летающие автомобили, – комбинированное средство для движения по дорогам и по воздуху. Их образцы созданы конструкторами-любителями. Автомобиль превращается в самолет и обратно за 30 минут. Процесс состоит в монтаже несущего крыла, хвостового оперенья и воздушного винта.

Имеются проекты создания подводного судна-самолета, который мог бы в любой момент времени взлететь из воды и при необходимости снова уходить под воду после полета в воздухе.

 


Прогноз развития транспорта

 

Трудно даже вообразить, сколько в настоящее время существует транспортных устройств, машин и механизмов. В телевизионной программе "Это вы можете" были рассмотрены десятки вариантов колеса. А сколько было болотоходов, снегоходов, вездеходов – колесных, гусеничных, на воздушной подушке, шагающих, прыгающих, ползающих и даже танцующих! И все это не игрушки, а реальные транспортные средства, задуманные для совершения полезной работы и выполняющие эту работу. Создано не меньше вариантов летательных аппаратов, надводных и подводных транспортных средств.

И все же каждую эпоху отличают наиболее характерные для нее виды транспорта, на которые приходится основная масса пассажирских и грузовых перевозок, определяющих транспортную политику государств.

Какие же виды транспорта следует внести в визитную карточку нашего времени? На земле – это железнодорожный и автомобильный транспорт, в последнем главную роль выполняют автобусы и большегрузные автомобили; в воздухе – реактивные авиалайнеры, а также вертолеты и самолеты сельскохозяйственной авиации; на воде – водоизмещающие пассажирские, грузовые и наливные суда с двигателями внутреннего сгорания, а также корабли-атомоходы, суда на подводных крыльях и воздушной подушке.

О подводном транспорте пока говорить не приходится, а вот подземный трубопроводный транспорт, предназначенный в первую очередь для транспортировки жидкого и газообразного топлива, следует выделить.

Это наиболее характерные для нашего времени виды транспорта. Они меняются нечасто (например, время существования водоизмещающих судов с двигателями внутреннего сгорания можно исчислить уже многими десятилетиями), но все время совершенствуются. Однако непрерывно возрастающий темп научно-технического прогресса создает предпосылки для появления новых видов транспорта в течение существенно меньших отрезков времени, чем это было в прошлом. Можно предположить, что уже в ближайшие десятилетия не только появятся, но и займут главенствующее положение такие виды транспорта, о которых мы сегодня еще только мечтаем.

Попробуем дать прогноз развития транспорта на ближайшие полстолетия, наметить его основные виды, которые будут характерны к середине XXI в. Среди наземного транспорта прочное место займут скоростные поезда на магнитной и воздушной подушке. Широкое применение в осваиваемых и труднопроходимых районах найдут аппараты на воздушной подушке. В воздухе преобладающими станут крупные реактивные самолеты, в первую очередь аэробусы, большое распространение получат дирижабли.

В морях и океанах конкуренцию авиационному транспорту составят экранопланы, расписание и движение которых будут корректироваться из космоса.

Ранее уже достаточно подробно были рассмотрены факторы, позволяющие отнести перечисленные виды транспорта к перспективным. Теперь попробуем оценить перспективность судов на подводных крыльях и воздушной подушке.

Как уже указывалось, скорость и грузоподъемность – основные критерии прогрессивности. Грузоподъемность кораблей на подводных крыльях определяется подъемной силой, создаваемой крыльями и возрастающей с увеличением площади крыльев в прямолинейной зависимости и скорости движения – в квадратичной, то увеличивать ее целесообразно за счет повышения скорости движения. Следовательно, более крупные корабли на подводных крыльях должны обладать и большей скоростью. Однако дальнейшему росту скорости препятствует кавитация.

Кавитацией называется физическое явление, связанное с нарушением сплошности жидкости. Как только давление становится равным или несколько ниже давления насыщенных паров жидкости (в нашем случае – воды), начинает выделяться растворенный в ней воздух, и в воде образуются паровоздушные пузырьки – сплошность жидкости нарушается.

В соответствии с уравнением Бернулли давление и скорость жидкости связаны обратной зависимостью. При движении корабля наибольшая скорость и, следовательно, наименьшее давление возникают сверху подводного крыла. Рост скорости может привести к образованию пузырьков пара в этой области. Продвигаясь к задней кромке крыла, пузырьки попадают в зону более высоких давлений, где произойдет их быстрое захлопывание. Это захлопывание имеет природу гидравлического удара и сопровождается резким повышением давления и температуры, что вызывает сильное повреждение поверхности подводных крыльев. Режим кавитации сопровождается сильной вибрацией.

Кроме кавитации, на пути создания крупных кораблей на подводных крыльях стоит энергетический барьер. Увеличение размеров и массы корабля требует большей скорости, что приводит к резкому возрастанию мощности силовой установки, которая пропорциональна произведению массы корабля на его скорость. В США в начале 60-х годов прогнозировались корабли на подводных крыльях массой 1000 т. Чтобы обеспечить им скорость 120 км/ч, потребуется мощность энергетической установки от 45 до 60 тыс. кВт. Корабль массой 3000 т для достижения скорости 280 км/ч должен иметь мощность двигателей 300 тыс. кВт. Следовательно, создание суперкораблей на подводных крыльях в будущем вряд ли окажется реальным.

Теперь посмотрим, как требования к росту скорости и грузоподъемности реализуются в судах на воздушной подушке. Избыточное давление под днищем такого судна составляет 3–5 кН/м2. Оно образует прогиб на водной поверхности глубиной 10 см на каждые 1 кН/м2. Высота воздушной подушки определяется волнами на поверхности воды: она должна быть больше, чем высота гребня волны. Увеличение воздушной подушки приводит к большим утечкам воздуха из ее полости, возрастанию потребной на ее создание мощности. Утечки воздуха происходят по периметру. Так как подъемная сила определяется произведением давления в воздушной подушке на площадь днища, то оптимальная форма судна на воздушной подушке в плане круг, причем чем площадь круга больше, тем относительно меньше будет периметр: площадь растет пропорционально квадрату радиуса, а периметр – пропорционально первой степени его. Следовательно, чем больше размеры судна, тем при заданной высоте парения будет больше его грузоподъемность и относительно меньше энергозатраты на создание воздушной подушки.

Чтобы снизить утечки воздуха из воздушной подушки, применяют воздушные или водяные завесы, лабиринтные уплотнения, "юбки" по всему периметру из эластичного материала, касающиеся поверхности воды (или земли), жесткие ограждения по бортам – скеги. Скеги, утопленные ниже поверхности воды, хорошо удерживают воздушную подушку, однако корабль теряет качества амфибии, не может, например, выходить на пологий берег для разгрузки.

Самый крупный пока в мире французский корабль на воздушной подушке "Навиплан-500" (рисунок 9.17), вмещающий 400 пассажиров и 45 легковых автомобилей, был пущен в эксплуатацию в середине 1977 г., и теперь до 50 % всех пассажирских перевозок через пролив Ла-Манш осуществляется с помощью кораблей на воздушной подушке. Энерговооруженность корабля "Навиплан-500" весьма высока и составляет 50,8 кВт на 1 т массы.

 
  clip_image034

Рисунок 9.17 – Корабль на воздушной подушке "Навиплан-500"

С ростом размеров кораблей энерговооруженность снижается и, например, у 10 000-тонного судна может быть доведена до 25 кВт/т. Но и в этом случае двигатели должны обладать огромной мощностью, а запасы топлива для двадцатичасового рейса достигнут 30 % его полной массы. Поэтому такие суда в будущем можно будет строить только в случае использования атомных источников энергии.

Экономическая эффективность кораблей на воздушной подушке скегового типа гораздо выше. Например, 5000-тонное скеговое судно может конкурировать с водоизмещающими благодаря существенно большей скорости движения, достигающей 200 км/ч. Представляют большой интерес разработки подводных средств для транспортировки жидкого топлива, а также кораблей-катамаранов или многокорпусных судов.

Безусловно, появятся транспортные средства, обладающие совсем малыми скоростями, но поражающие воображение человека сегодняшнего дня своими удивительными возможностями. Такими транспортными средствами будут оборудованы роботы, которые в будущем станут незаменимыми помощниками человека. Например, уже сегодня обсуждаются конструкции роботов, способных перемещаться по вертикальной стене и даже потолку. Завтра такие роботы станут привычными и очень полезными механизмами.

Необычные транспортные средства будут созданы и для освоения космического пространства. В атмосфере Венеры, плотность которой в 60 раз превышает плотность земной атмосферы, эффективными будут аэростатические аппараты. Зависимость температуры атмосферы Венеры от высоты можно использовать для вертикального перемещения аэростатического аппарата, так как объем его и окружающая температура, а следовательно, и величина подъемной силы (закон Архимеда действует и на Венере) могут быть в упоминаемой конструкции взаимоувязаны.

Трудно представить, что через какие-нибудь полстолетия начнутся работы по строительству космического лифта, использующего центробежные силы Земли для доставки грузов на орбиту. Но нет сомнения, что в это время человечество приблизится к решению подобных грандиозных проектов.

Конечно, эти новые виды транспорта не заменят полностью существующий железнодорожный и автомобильный транспорт, водоизмещающие суда, вертолеты или мотоциклы. Они их дополнят, взяв на себя те перевозки, которые смогут выполнять более эффективно. Но и существующие виды транспорта не останутся на современном уровне, а будут модернизированы.

Научно-технический прогресс всеобъемлющ, и те успехи, которые будут достигнуты в космосе, в области радиоэлектроники, вычислительной техники, материаловедения и др., найдут применение в разрабатываемых транспортных системах. Для этого необходимо содружество специалистов разных направлений из различных стран. В этом случае никто не останется в проигрыше – когда делятся идеями, обогащаются все участники. Отсюда следует необходимость в международном сотрудничестве по проблемам транспорта, ибо транспорт важен для всех.


Скоростные бесколесные поезда на воздушной подушке

 

Воздушная подушка, на которую опирается скоростной бесколесный поезд, благодаря монорельсовому полотну может быть существенно меньше, чем воздушная подушка кораблей и автомобилей: при гладкой поверхности рельсового полотна, которую нетрудно получить в заводских условиях, толщина ее измеряется в миллиметрах. Воздушная подушка в таком поезде выполняет роль смазки между опорной поверхностью поезда – скользящим шасси и поверхностью монорельса. Для создания тонкой воздушной подушки – воздушной смазки – требуется существенно меньшая мощность. Высвободившуюся мощность можно направить на увеличение скорости движения.

Если снабдить поезд крыльями, то по мере увеличения скорости движения они будут создавать все большую и большую подъемную силу, уменьшая тем самым воздействие поезда на воздушную подушку. Но чем меньше масса поезда, тем меньшая мощность требуется для создания воздушной подушки. В результате получается удачная с энергетической, а следовательно, и с экономической точки зрения система. При малых скоростях крыло работает неэффективно, и мощность расходуется на создание воздушной подушки. По мере увеличения скорости растет сопротивление движению, однако эффективнее начинают работать крылья, увеличивая создаваемую ими аэродинамическую подъемную силу, воздействие веса поезда на воздушную подушку снижается. Высвобождаемая мощность направляется на преодоление сопротивлений и увеличение скорости движения.

Таким образом, с увеличением скорости до определенного предела, обусловленного возрастанием лобового сопротивления, экономичность крылатого поезда на воздушной подушке не только не ухудшается, а, напротив, улучшается. При скоростях свыше 400 км/ч воздушную подушку можно создавать без помощи вентиляторов, используя динамический напор набегающего потока воздуха и близость расположения опорных поверхностей поезда и рельсового полотна – эффект экрана. Это обстоятельство еще больше увеличивает возможности крылатых поездов с точки зрения повышения их экономичности при высоких скоростях.

Крылатый поезд на воздушной подушке должен быть не похожим на привычные железнодорожные составы. Во-первых, от составов придется отказаться, так как при скоростях, превышающих 400 км/ч, работа сцепки становится трудноразрешимой проблемой. Поезд на воздушной подушке должен быть похож на фюзеляж крупного пассажирского самолета, однако крылья его будут отличаться от крыльев самолета: так как поезд движется над землей, самолетный размах крыльев неприемлем, они должны быть вытянутыми вдоль корпуса поезда или, для улучшения аэродинамических характеристик, расположены на крыше.

Отсутствие колес позволяет отказаться от двух рельсов и заменить их одним – монорельсом, имеющим достаточную опорную поверхность. Если нет колес, не будет и динамических воздействий колеса на рельс. Поэтому монорельс можно изготавливать не из дорогого и дефицитного металла, а из бетона. Отсутствие колес снимает те ограничения по скорости, которые присущи современным железнодорожным поездам. Высокие скорости поездов на воздушной подушке потребуют изолирования этого вида транспорта от других транспортных средств и пешеходов. С этой целью монорельс целесообразно проложить по эстакаде в нескольких метрах над землей. Вынос монорельса на эстакаду целесообразен не только из соображений безопасности, но также и с экономической точки зрения, особенно если дорогу придется прокладывать в труднодоступных районах. В заболоченных местах, в районах вечной мерзлоты и в ряде других случаев предпочтительной оказывается прокладка по эстакаде даже автомобильной дороги.

Крылатые монорельсовые поезда на воздушной подушке могут использовать турбовинтовые реактивные двигатели, которые обладают хорошими экономическими показателями в диапазоне скоростей 450–600 км/ч. Еще лучше, если вместо них применить двухконтурные турбовентиляторные двигатели: по своим характеристикам они соответствуют турбовинтовым, но создают значительно меньше шума.

Реактивный двигатель может создать дополнительную подъемную силу, если газы, вырывающиеся из его сопла, направить в желоб. Согласно уравнению Бернулли, скорость газа и его давление связаны обратной зависимостью: чем больше скорость, тем меньше давление. За счет разности скоростей струи реактивного двигателя, протекающей по желобу, и окружающего желоб воздуха возникает перепад давления. Этот перепад давления создаст добавочную подъемную силу, которая будет наибольшей на стоянке и станет убывать с увеличением скорости поезда. При ускорении разность между скоростью реактивной струи и скоростью набегающего потока воздуха будет уменьшаться.

Так как скользящее шасси поезда расположено близко к поверхности монорельса, в поездах на воздушной подушке эффективно применение линейного асинхронного двигателя. Что же представляет собой линейный асинхронный двигатель? Если обмотку статора асинхронного электромотора развернуть вдоль монорельса, а ротор разместить на поезде и пустить электрический ток, то между ротором и статором возникнет магнитное поле, которое заставит поезд двигаться вдоль монорельса. Малый зазор между плоскостями поезда и монорельса гарантирует небольшие потери энергии. Линейные асинхронные двигатели бесшумны, не загрязняют окружающей среды. Однако на пути их широкого использования стоит проблема экономичности при высоких скоростях движения поезда.

Произведем оценку крылатого поезда на воздушной подушке, двигающегося по монорельсу, вынесенному на эстакаду, по критериям прогрессивности.

По скорости крылатые монорельсовые поезда на воздушной подушке превосходят все виды транспорта, уступая лишь авиации. Однако, несмотря на то, что скорость поездов ниже скорости пассажирских самолетов, на расстоянии 3000–3500 километров пассажир поезда проводит в пути меньше времени, чем авиапассажир. Это объясняется тем, что авиапассажирам приходится тратить много времени на поездку от центра города до аэропорта, причем с развитием авиации это время увеличивается.

Какова тенденция развития авиации? Чем больше самолет, тем он экономичнее. Но большие самолеты требуют больших аэродромов, которые приходится выносить далеко за черту города. Довольно часто полет отнимает меньше времени, чем поездка из города в аэропорт и из аэропорта в город. Поезда же на воздушной подушке могут проходить через центр города. Следовательно, в отношении скорости доставки пассажиров и грузов крылатые монорельсовые поезда на воздушной подушке выгодно отличаются от других видов транспорта.

Проблема безопасности на транспорте – одна из наиболее острых в современном мире. Каждый год в мире происходит около 55 миллионов автомобильных аварий. Практически каждый девятый водитель в течение своей жизни бывает ранен или погибает в автомобильной катастрофе. Смертность в результате автомобильных аварий стоит по статистике на третьем месте после смертности от болезней системы кровообращения и раковых заболеваний.

Крылатый поезд на воздушной подушке является более скоростным видом транспорта, чем автомобильный, и поэтому, разрабатывая его, надо было с самого начала продумать весь комплекс мероприятий, который обеспечил бы безопасность его эксплуатации.

Безопасность эксплуатации поезда на воздушной подушке обусловлена в первую очередь следующими двумя факторами: отсутствием механического контакта поезда с поверхностью движения, с одной стороны, и неразрывной связью поезда с монорельсом, проложенным по эстакаде, с другой. Отсутствие механического контакта обеспечивается воздушной подушкой, непосредственная связь поезда с монорельсом – конструкцией скользящего шасси поезда и монорельса. Можно предложить ряд конструктивных решений сочленения скользящего шасси и монорельса. Выбор конструкции зависит от многих условий, и в первую очередь от того, будет ли аэродинамическая подъемная сила поезда при расчетной скорости превышать вес поезда или нет.

Если вес поезда больше аэродинамической подъемной силы, то можно предложить скользящее шасси, сверху и с двух сторон охватывающее монорельс. В щель между плоскостями скользящего шасси и монорельса непрерывно поступает под давлением от вентиляторов сжатый воздух. Такая конструкция не позволит поезду сойти с рельса. Если же возникнет усилие в поперечном направлении, например, от порыва ветра, то это приведет к уменьшению зазора между соответствующими боковыми плоскостями скользящего шасси и монорельса, увеличению давления воздуха в этом зазоре, а в итоге – к возникновению противодействующей силы. Аналогично такое сочленение будет действовать при движении поезда по закруглению. Следовательно, в этих случаях система скользящее шасси – монорельс будет вести себя как саморегулирующаяся.

Принцип саморегулирующейся системы используется и для того, чтобы обеспечить устойчивое движение поезда на воздушной подушке относительно монорельса. Вопросы устойчивости имеют важное значение и для безопасности движения, и для экономичной работы силовой установки, и для создания комфортных условий для пассажиров.

Поезд относительно монорельса находится во взвешенном состоянии. Одновременно на него действуют сила тяжести, аэродинамическая подъемная сила и силы сопротивления, которые в процессе движения не остаются постоянными. Масса поезда уменьшается, так как расходуется топливо, следовательно, уменьшается сила тяжести. Аэродинамическая подъемная сила и сила сопротивления зависят от скорости движения, плотности окружающего воздуха, порывов ветра, а также от ряда других факторов. Колебания сил сопротивления уравновешиваются тяговым усилием силовой установки. А колебания аэродинамической подъемной силы и силы тяжести компенсируются воздушной подушкой, т. е. воздушная подушка выполняет роль амортизатора. Если аэродинамическая подъемная сила будет равна весу поезда, то система может оказаться неустойчивой. Поэтому надо, чтобы эти силы не были равны.

При втором варианте, когда вес поезда меньше аэродинамической подъемной силы, на монорельс и эстакаду будет действовать сила, направленная вверх. В этом случае меняется конструкция сочленения скользящего шасси поезда и монорельса.

Связь поезда с монорельсом в существенной мере влияет на безопасность его эксплуатации. На всем пути поезд не отрывается от монорельса, он не взлетает и не садится, как самолет, а ведь до 80 % всех авиационных катастроф происходит при взлете и посадке.

Столкновение поездов с другими транспортными средствами или пешеходами, как уже упоминалось выше, исключается вследствие того, что монорельс размещается на эстакаде и поднят над землей. С помощью эстакады решаются также вопросы транспортных развязок, что особенно важно для густонаселенных районов. Разработаны стрелочные переводы для бесколесных поездов.

Торможение поездов можно осуществить несколькими способами. Во-первых, с помощью реверса тяги, когда направление вектора силы тяги двигателя меняется на противоположное (в реактивных двигателях изменяется направление истекающей струи, у турбовинтовых двигателей изменяется положение лопастей винта); во-вторых, за счет сопротивления выдвигаемых поверхностей (в самолетах, например, для этой цели используют закрылки, выбрасывается тормозной парашют); в-третьих, посредством тормозных колодок благодаря малому зазору между скользящим шасси поезда и монорельсом. Для улучшения эксплуатационных качеств эти колодки могут иметь специальные покрытия.

Засорения поверхности монорельса песком, щебнем и другими предметами легко избежать за счет соответствующей формы монорельса, например, если его верхние опорные поверхности выполнить наклонными, что будет способствовать также стоку воды и уменьшению благодаря этому образования льда в зимнее время. Для борьбы с обледенением можно использовать и высокую температуру выхлопных газов реактивных двигателей, а также другие средства.

Рельсовый транспорт обладает самым высоким грузооборотом. Железнодорожный транспорт нашей страны занимает ведущее положение по количеству перевозимых грузов и пассажиров. Большой грузоподъемностью отличаются и крылатые монорельсовые поезда на воздушной подушке. Правда, состав железнодорожного транспорта более грузоподъёмен, чем поезд на воздушной подушке, однако бесколесные поезда обладают гораздо большей скоростью, от которой существенно зависит грузооборот. Увеличению грузооборота рельсового транспорта в значительной мере способствуют системы автоматики, которые позволяют резко повысить пропускную способность дороги, сокращая интервалы между поездами и в то же время гарантируя безопасность движения. Напомним, что переход к автоматическому регулированию движения на метрополитене позволил сократить интервалы между поездами до 32 секунд.

Внедрение автоматики в транспортные системы крылатых монорельсовых поездов на воздушной подушке позволит решить задачи выбора оптимальных скорости движения бесколесных поездов и интервала между поездами, управления работой агрегатов поезда и контроля за ней, а также состояния трассы (монорельса, эстакады, опор), включения экстренного торможения в случае аварийной ситуации и т. п. Кроме того, поезда на воздушной подушке не зависят от капризов погоды, что тоже благоприятно отражается на грузообороте.

Предполагается использовать поезда на воздушной подушке главным образом как пассажирский транспорт. Однако в отдельных случаях они будут перевозить срочные негабаритные грузы, т. е. выполнять те же функции, которые в настоящее время выполняет авиация.

В целом по критерию грузооборота крылатые монорельсовые поезда на воздушной подушке, способные на высокой скорости вне зависимости от погоды перевозить большое количество пассажиров и относительно легких грузов, вполне отвечают требованиям, предъявляемым к новому виду транспорта, имея показатели лучшие, чем, например, авиационный транспорт.

Прогрессивность скоростных бесколесных поездов на воздушной подушке, как и любого другого вида транспорта, должна быть оценена и с точки зрения экономики. Экономичность можно оценить, например, сроком окупаемости выбранного участка дороги с заданным объемом перевозок. Мы не будем рассматривать весь спектр вопросов, который связан с экономикой крылатых монорельсовых поездов на воздушной подушке, а остановимся лишь на некоторых факторах.

Экономичность любого вида транспорта существенно определяется его энергетическими затратами. В бесколесных поездах энергия расходуется на создание тягового усилия и на поддержание поезда во взвешенном состоянии над поверхностью монорельса, в данном случае на создание воздушной подушки.

Энергозатраты первого вида зависят от сопротивления движению и увеличиваются пропорционально квадрату роста скорости. Затраты этой энергии будут максимальными на режимах наибольшей скорости. Так как скорость монорельсовых поездов на воздушной подушке достигает 500 км/ч и более, то потребление энергии на преодоление сопротивлений при этих скоростях настолько велико, что дополнительное расходование энергии на создание воздушной подушки ставит под сомнение их экономическую целесообразность. Именно этот аргумент выдвигали противники поезда на воздушной подушке в 1960 г. Они не учитывали или не хотели учитывать эффект экрана и отвергали идею использования подъемной силы крыльев для снижения потребной мощности за счет разгрузки воздушной подушки. Более того, они утверждали, что крылья только создают дополнительное сопротивление и увеличивают вес.

Крыло действительно неэффективно при малых скоростях. В этом случае, для того чтобы получить достаточную подъемную силу, необходимы крылья больших размеров, а большие крылья увеличивают силу сопротивления и вес. Однако подъемная сила крыла возрастает пропорционально квадрату роста скорости. Поэтому отличительной особенностью крылатых поездов на воздушной подушке является улучшение его экономичности при высоких скоростях. Более того, при высоких скоростях воздушную подушку можно создавать за счет динамического напора набегающего воздуха, что улучшит экономические показатели поезда на воздушной подушке.

Автомобильный и железнодорожный транспорт требует дорог, стоимость которых весьма высока. Это объясняется большими динамическими воздействиями колес автомобилей на дорогу или тяжеловесных составов на рельсы. На стоимость дороги оказывают существенное влияние условия, в которых она прокладывается. Очень высока стоимость мостов, которая в первую очередь определяется воспринимаемыми нагрузками и от которых зависит долговечность дорожных сооружений.

Монорельсовая эстакадная дорога для крылатых бесколесных поездов на воздушной подушке выгодно отличается от автомобильных и тем более железных дорог. Она не нуждается в непрерывном ложе, так как эстакада раз-мещается на опорах, отстоящих на значительном расстоянии друг от друга. Секции эстакады и монорельс могут быть изготовлены в заводских условиях, а на месте лишь монтироваться. Из-за отсутствия динамических ударных нагрузок колеса на рельс монорельс и эстакаду можно изготавливать из относительно дешевого и доступного бетона. Вследствие аэродинамической разгрузки крылатого поезда монорельс в основном используется как направляющая. Поэтому запас прочности здесь может быть существенно меньшим, чем, например, при строительстве железных дорог, к тому же ширина монорельса и эстакады определяется габаритами скользящего шасси поезда. В результате все сооружение получается достаточно легким. Это существенно облегчает установку опор, монтаж эстакады и монорельса, особенно возведение мостовых переходов, и снижает их стоимость. В результате приведенная к одному километру стоимость эстакадной монорельсовой дороги для крылатых поездов на воздушной подушке оказывается значительно меньшей, чем автомобильной и железной дороги.

Особенности поезда на воздушной подушке позволяют создать очень легкую, надежную и экономичную конструкцию. В самом деле, поезд освобожден от ударных нагрузок, обычно создаваемых колесной группой. Если в качестве двигателя он использует линейный асинхронный двигатель, то энергия для его питания будет передаваться по контактному проводу, и запасаться топливом на весь путь не понадобится; если же он будет снабжен автономным, например реактивным, двигателем, дозаправка топливом на промежуточной станции не представляет проблемы. Значит, топливные баки не будут занимать много места. Не будет занимать полезный объем и обычно громоздкое колесное шасси. Поезд может иметь легкие колеса, предназначенные для его транспортировки на ремонтные и регламентные работы, но они занимают мало места и при движении убираются аналогично авиационным. Всё это делает конструкцию поезда весьма экономичной.


Критерии эффективности монорельсовых поездов

 

Крылатые поезда на воздушной подушке, летящие вдоль монорельса по эстакаде, имеют высокий критерий экономичности. Это определяется следующими основными факторами: малой толщиной воздушной подушки, высокой скоростью движения, аэродинамической разгрузкой воздушной подушки и монорельса, отсутствием ударных динамических нагрузок, облегченностью конструкции поезда и дорожных сооружений.

Критерий комфортности крылатых монорельсовых поездов на воздушной подушке лучше, чем самых современных видов транспорта. Комфорт крылатых поездов обеспечивается высокой скоростью, возможностью доставлять пассажиров непосредственно в город, независимостью поездов от капризов погоды, гарантированной безопасностью движения.

Крылатые монорельсовые поезда способны эффективно решать и проблему проходимости. Через самые непроходимые болота, в районах вечной мерзлоты может быть проложена эстакада, в необходимых случаях с опорами на свайном основании. Расчеты показывают, что 12-метровые сваи, которые используются при строительстве многоэтажных зданий в краю сплошных болот, вполне для этого пригодны. По эстакаде нетрудно проложить и другие коммуникации. Учитывая скорость, грузооборот и экономичность крылатых поездов на воздушной подушке, можно определенно сказать, что для освоения отдаленных и труднодоступных районов, например северных, этот вид транспорта не имеет равных. Кроме того, движущиеся по проложенной в тундре эстакаде поезда гораздо меньше разрушают почву чем, скажем, трактор или автомобиль. По каждому из рассмотренных критериев прогрессивности крылатый монорельсовый поезд на воздушной подушке имеет более высокие показатели, чем соответствующие существующие транспортные средства.

В настоящее время в разных странах уже созданы и продолжают разрабатываться различные варианты поездов на воздушной подушке.

Ограничивать скорости движения поездов на воздушной подушке будет, с одной стороны, сила сопротивления, которая пропорциональна квадрату скорости, а с другой – наличие остановок. На коротких участках или на участках большой протяженности, но с большим количеством остановок поезд не будет успевать разгоняться до высоких скоростей

Для сохранения постоянной аэродинамической разгрузки необходимо при изменении скорости изменять площадь крыльев. Кроме того, при разных скоростях изменяется подъемная сила, создаваемая воздушной подушкой.

С ростом скорости происходит вытеснение воздушной подушки встречным потоком воздуха. В результате толщина воздушной подушки и создаваемая ею подъемная сила уменьшаются. Вместе с тем за счет скоростного напора создается дополнительная аэродинамическая подъемная сила, которая при высоких скоростях становится преобладающей и может полностью заменить воздушную подушку. Воздействие обоих этих факторов для каждого варианта поезда требует специальных исследований, и их необходимо учитывать при разработке скоростных поездов на воздушной подушке.

Следовательно, наиболее слабым критерием прогрессивности поездов на воздушной подушке является критерий экологического воздействия.

Космические летающие аппараты на протяжении жизни одного поколения превратились из фантастических в реальные, чему способствовали, прежде всего, научные труды К. Э. Циолковского. Запуск на околоземную орбиту 4.10.1957 года первого в мире советского искусственного спутника Земли и полет в космос 12.04.1961 года первого человека – Ю. А. Гагарина возвестили о рождении эры космонавтики. За истекшие годы на разные орбиты Земли выведены в Космос многие тысячи околоземных спутников и межпланетных аппаратов.

Особое значение имеет создание пилотируемых и автоматически управляемых кораблей, являющихся транспортными средствами для перемещения исследователей (людей) и соответствующих грузов на околоземные орбиты и обратно на научные станции типа "Союз" и "Мир".

Выдающимся достижением следует признать полет трех астронавтов США (июль 1969 г.) к Луне и высадку двух из них на её поверхность с последующим возвращением всех на Землю.

Все упомянутые корабли являются одноразовыми, состоящими из ракетоносителя, сгорающего в атмосфере, и возвращаемого модуля для доставки людей и грузов на Землю.

На протяжении многих лет США создавали космический аппарат многоразового действия. Первый прототип такого аппарата "Шатл" напоминал собой широкофюзеляжный самолет весом 68 т. Это аэрокосмический самолет, который взлетает под тягой ракеты общей массой более 2000 т, а приземляется как самолет, но с очень большой посадочной скоростью (более 380 км/ч).

В СССР первый орбитальный корабль "Буран" был запущен на околоземную орбиту 15 ноября 1988 года с помощью ракеты-носителя "Энергия" мощностью 170 млн л. с. Самолет типа "Буран" может использоваться для вывода на околоземную орбиту спутников и доставки на орбитальные станции необходимых грузов и исследователей, а также для перевозки пассажиров с гиперзвуковыми скоростями. В будущем вместимость таких самолетов будет 300–500 пассажиров, а скорость полета – до 12 М (1 М равен скорости звука в воздухе – 334 м/с, или 1188 км/ч), хотя это лежит пока за пределами возможностей современных авиадвигателей. Возможно, что гиперзвуковые самолеты будут иметь разные двигатели для различных режимов полета или какие-то новые, сочетающие в себе все необходимые качества. В ожидании таких двигателей изучается возможность создания машины для полетов со скоростями 25 М. Самолет-ракета на 70–110 пассажиров в полете на высоте 60 км должен развивать крейсерскую скорость 28800 км/ч, что позволит достигать любой точки земного шара не более чем за 30 минут.

При современных стремительных темпах научно-технического прогресса реализация таких проектов станет возможной не в столь отдаленной перспективе.

clip_image035