Транспортные системы

Всё об автомобильном, ЖД и авиатранспорте в России

Новые виды транспорта

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.