Транспорт будущего. Часть 9 Кольцевая подушка
Извечно стремление людей передвигаться как можно быстрее. Это заставляет человека уже сейчас думать о создании транспорта, способного перемещать пассажиров со средней скоростью, приближающейся к 600 км/ч. Мне могут возразить: зачем выдумывать что-то еще – ведь современная авиация практически решила эту задачу, а сверхзвуковые лайнеры ближайшего будущего позволят (с учетом времени, затрачиваемого на дорогу в аэропорт и обратно) поднять среднюю скорость передвижения до 1000-1200 км/ч!
Верно, я согласна, но… Мои уважаемые оппоненты, вам когда-нибудь приходилось жить рядом с аэропортом? Даже не рядом, а, скажем, под коридором посадки! Мне выпала такая участь, и мои нервы выдержали лишь полтора года. Это при сегодняшней интенсивности полетов. Что же говорить о завтрашней?
Не следует забывать и о растущем загрязнении биосферы как отработанными газами, так и теплом. Поэтому представляется, что подземный сверхскоростной транспорт имеет в ряде случаев неоспоримые преимущества перед владычицей воздушных океанов – авиацией.
В самом деле, отсутствуют шумовые эффекты; осуществляется доставка пассажиров в центр города без пересадок; высвобождаются большие участки земли, занимаемые аэродромами.
Итак, под землю! При проектировании сверхскоростных подземных трасс опыт сооружения и эксплуатации современного метрополитена может быть использован лишь частично. Но проверенную практикой оптимальную форму тоннеля и способы герметизации тюбингов, несомненно, следует взять на вооружение.
Повышение скорости подземных поездов со 100 до 600-700 км/ч предопределяет требования к конструкции тоннеля, вагонов и источникам энергии. И первое, от чего следует отказаться, это колесо. Оно, к сожалению, тормозит увеличение скорости. Этот грустный вывод основывается на том, что дисбалансы колеса и даже незначительные неровности полотна приводят к опасным вибрациям и большим ударным нагрузкам, а они, в свою очередь, безжалостно разрушают и дорогу и экипаж. Однако преимущества колеса при малых скоростях очевидны. Оно незаменимо для стабилизации поезда на остановках, выручает в аварийных ситуациях. Короче говоря, колесо, как у реактивных самолетов, должно появляться лишь в нужный момент.
Второе – бесконтактный подвод энергии, ибо уже при 200-250 км/ч ни один из возможных способов контактной передачи энергии не выдерживает критики.
Далее. Уже сейчас совершенство аэродинамических форм поезда имеет немаловажное значение. На одно только преодоление сопротивления воздуха выступающими поручнями вагонов, несущихся со скоростью 175 км/ч, расходуется около 20 л. с. мощности! Особенно остро ощущается необходимость снижения аэродинамического сопротивления, когда сверхскоростной поезд мчится в тоннеле. Как показали предварительные расчеты, неглубокий вакуум снимет этот вопрос.
При формулировании трех требований нам пришлось последовательно отказаться от всего привычного. Что же предлагается взамен? Альтернатива – пневмотранспорт на кольцевой воздушной подушке.
На данной стадии работы над проектом еще трудно говорить о деталях, но в основном контуры будущего сверхскоростного метро уже ясно вырисовываются. Было проанализировано семь возможных вариантов пневмовагонов, из которых соберут составы. Для углубленной проработки оставлено два.
Вариант первый. Общая композиция такая же, как у обычного пневмотранспорта. Предварительно создается вакуум в тоннеле. На станции отправления в него без нарушения герметизации помещается вагон. Сзади поезда открываются автоматические жалюзи. Атмосферное давление, действуя как «толкач», доставляет пассажиров к месту назначения. Теперь о деталях. При движении роль стабилизатора вагона играет кольцевая воздушная подушка. Воздух выходит из множества отверстий на корпусе вагона. Поступая в зазор между корпусом и тоннелем, он «смазывает» трущиеся поверхности. Кроме того, вырываясь из зазора, воздух создает реактивную силу. Мы предусматриваем возможность использования этой силы за счет изменения конфигурации зазора. Если последний равномерен по всей длине вагона, то суммарная реактивная сила равна нулю. Несколько изменив положение корпуса, мы делаем зазор увеличивающимся в ту или иную сторону. Таким образом, вагон можно либо ускорять, либо тормозить.
Поезд снабжен колесами, которые на время движения убираются в специальные люки и выпускаются при остановках.
С помощью СВЧ колебаний электромагнитного поля к вагону подводится электрическая энергия. Роль излучающих антенн играют секции стены тоннеля, а приемных – четыре внутренние стенки экипажа. В секциях между ними и корпусом – сжиженный воздух.
Кольцевая воздушная подушка хорошо гасит поперечные колебания вагона, однако не препятствует его вращению вокруг продольной оси. Несколько небольших автоматически управляемых сопл, выбрасывающих струю воздуха перпендикулярно направлению движения, полностью исключат этот нежелательный эффект.
Вариант второй. Все то же, кроме одного – воздух для создания кольцевой подушки и реактивной силы поступает из отверстий на стенках тоннеля. Клапаны открываются и закрываются автоматически. Я предлагаю такую конструкцию. По окружности вдоль всего вагона устанавливается серия магнитов (постоянных или электромагнитов) так, чтобы северный полюс каждого «глядел» наружу. В свою очередь, клапаны делаются из постоянного магнита, северный полюс которого направлен к вагону. При приближении поезда сила отталкивания одноименных полюсов заставляет клапаны открываться. Поскольку отверстие просверлено в ферромагнитном материале, клапан после прохода вагона вернется на прежнее место. Для надежности срабатывания клапанов перед вагоном может быть укреплен полый цилиндр. На нем, как и на вагоне, установлены магниты, но повышенной мощности. Они будут давать первый импульс для открытия отверстий.
Модель. Каждый из рассмотренных проектов имеет свои достоинства и недостатки. В первом случае вагоны получаются более тяжелыми, во втором – наличие большого количества ферромагнитных материалов затрудняет подачу энергии.
Понимая, что только эксперимент поможет снять многие затруднения, в творческой лаборатории «Инверсор», действующей при редакции журнала «Техника – молодежи», была построена приближенная физическая модель сверхскоростного метро. Сохранив все основные детали вагона, мы сознательно пошли на упрощения. Модель двигалась в длинной стеклянной трубке, заполненной воздухом. Электродвигатель, установленный в головном отсеке, вращал пару соосных винтов. Воздух нагнетался в конусообразный короб, а затем выходил через отверстия на корпусе, создавая кольцевую подушку.
Эксперименты позволили выявить наиболее надежную конструкцию магнитных клапанов, отработать способы изменения зазора, проверить, как лучше устранить вращение вагона. Выяснилось, что принцип движения нашей физической модели может быть с успехом использован и в натуре. Больше того, мне кажется, что для начала следует реализовать именно этот принцип движения. Это позволит накопить опыт эксплуатации «труболетов», а главное – потребует значительно меньше капиталовложений, ибо отпадет необходимость в дорогостоящих устройствах для создания и поддержания вакуума. Что же касается бесконтактного подвода энергии к электрическим двигателям, то он не представляет особых трудностей.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Пассажиропровод века XIX, XX, XXI
Взглянув на 4-ю страницу обложки журнала, нетрудно представить, какой огромный путь прошел пассажирский трубопроводный транспорт. На картине, обрамленной золоченой рамкой, изображена станция атмосферического метро такой, какой ее представляли в XIX веке. А под картиной – вполне реальная модель сверхзвукового поезда, сконструированного японским ученым К. Одзава (см. ТМ №3 за 1971 г.).
Теперь обратим внимание на рисунки и прокомментируем их по порядку (слева направо).
1. В 1834 году англичанин Г. Пинкас запатентовал атмосферическую дорогу – наполовину закопанную между рельсами трубу диаметром 55-100 см с продольной прорезью, перекрытой клиновидным канатом-клапаном Когда насосные станции выкачивали из трубы воздух, поршень двухколетом тележки, соединенной с головным вагоном, устремлялся в разреженное пространство силой атмосферного давления и увлекал за собой поезд.
2. Осенью 1864 года англичанин Т. Рэммел ввел в эксплуатацию большую модель – тоннель длиной 550 м и диаметром около 3 м. Насос мощностью 60 л.с. создавал в тоннеле разрежение, достаточное для того, чтобы разгонять вагон до 35-40 км/ч. В 1867 году американец А. Бич построил аналогичную модель, пользовавшуюся большим успехом у ньюйоркцев. Она и показана на рисунке.
3. В 1911 году профессор Томского технологического института Б. Вейнберг предложил безвоздушный электрический путь. Внутри металлической трубы, в которой поддерживается вакуум, движутся вагоны-цилиндры. Сверху вдоль трубы смонтированы мощные электромагниты. Они включаются только тогда, когда к ним приближается вагон. Подхватываемый электромагнитами вагон мчится по волнистой линии со скоростью до 800 км/ч (см, ТМ №5 за 1971 г.).
4. Это проект подводного моста через Мессинский пролив, разработанный английскими инженерами. Ширина пролива, разделяющего Италию и Сицилию, – 3 км. Связка из трех стальных труб, залитых бетоном, удерживается якорями на глубине 50 м. У берегов она будет заканчиваться подземными тоннелями длиной около 500 м каждый. По планам мост вступит в строй через 8 лет.
Б. Американский профессор Дж. Фор изучает возможности «полета» поезда в трубе. Так называемый «безлопастный пропеллер» непрерывно вытягивает воздух из пространства перед вагоном (длина 60 м, 200 мест) и выбрасывает его назад. Опираясь на воздушную подушку, поезд устремляется вперед со скоростью 600 км/ч.
6. А вот как изобретатели собираются использовать даровую энергию гравитации. Более 60 лет назад наш соотечественник А. Родных предложил прорыть между Москвой и Ленинградом прямолинейный тоннель, пересекающий земную сферу по хорде. Поскольку середина пути ближе к центру Земли, чем его начало и конец, состав под собственной тяжестью втягивается в тоннель. Докатившись до середины, он достигнет скорости, достаточной для того, чтобы по инерции с разбегу домчаться до Ленинграда, постепенно замедляясь. После перегрузки поезд готов отправиться в обратный рейс. Второй проект принадлежит молодым московским инженерам Г. Котлову и Ю. Федорову (см. ТМ №6 за 1971 г.). Трасса космического спутника проецируется на поверхность Земли (на карте она будет выглядеть как синусоида). Строго по этой линии выкапывается тоннель, который свяжет почти все пункты планеты; из него откачивается воздух. В трубу запускается вагон – «подземный спутник». Для остановки и разгона применяются соленоиды.
7. Труболет К. Астаховой. В середине – первый вариант конструкции, вверху – второй вариант, внизу – испытывавшаяся физическая модель.
8. Проект американского инженера Дж. Эдвардса. Пока пассажиры занимают свои места, клапан надежно перекрывает отверстие путевой трубы, в которой насосные станции создали уже высокое разрежение. Как только погрузка окончена, двери вагонов герметически закрываются и откидывается клапан. Атмосферное давление вталкивает состав в трубу и начинает быстро ускорять его. Через некоторое время клапан закрывается, н порция воздуха, оказавшаяся в ловушке, расширяясь, продолжает ускорять поезд, который на первых же 6,5 км достигает скорости 480 км/ч. Разреженный воздух перед составом постепенно сжимается. Когда давление за поездом сравнивается с давлением еред ним, начинается торможение. Путевая труба плавает в воде, частично заполняющей тоннель.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
1000 применений одной трубы: от перекачки до перевозки
Ныне трубопроводы сооружаются все более нарастающими темпами, длина их из года в год растет и уже на добрых 300 тыс. км превысила длину железнодорожных линий. О темпах развития той или иной отрасли промышленности окончательное решение выносит экономика. А она в последние годы решительно встала йа сторону трубопроводного транспорта, который оказывается дешевле даже такого, как водный. Расходы на перевозку тонны нефти по трубе в 7-12 раз меньше, чем по железной дороге или автомобилем.
Трубопроводы пересекают реки и болота, горные хребты, пустыни, ложатся на морское дно. Они проходят там, где не было и не будет дорог. И вместе с тем от них, как и от любого вида транспорта, требуют высокой производительности, экономичности в эксплуатации, малых расходов на строительство. Все это вместе взятое концентрируется, как ни странно, в одном показателе: диаметр труб.
Трубы – это самая дорогая «деталь» сооружения. На них приходится половина стоимости строительства. Но поскольку площадь сечения их растет пропорционально квадрату диаметра, а расход металла – лишь в прямой пропорции, линия из труб большого диаметра оказывается и более производительной, и более дешевой. Вот почему во всем мире наблюдается устойчивая тенденция к росту диаметра труб.
Однако легко сказать: увеличить диаметр. Для изготовления больших труб нужны соответствующие прокатные станы. До самого последнего времени, пока трубы изготовлялись сплошными, их диаметр редко превышал 800 мм. После того как была освоена сварка труб из листового металла, диаметр их резко пошел вверх. 1020, 1220, 1440, 2000 и, наконец, 2500 мм – вот ступени их роста.
***
Но вместе с увеличением диаметра незаметно выросла одна серьезная проблема. Как возить эти громадины трубы? Ведь если раньше их помещалось в вагоне или на прицепе автомашины по нескольку штук, то теперь – две, а бывает, что и всего одна.
Изобретатели предлагают весьма радикальный выход из положения: ликвидировать трубные заводы и изготовлять трубы непосредственно на трассе. Стационарные агрегаты, свертывающие трубу из стального листа уже построены. Остается сделать их подвижными – и тогда нить трубопровода окажется созданной не из отдельных труб, а из непрерывной ленты (сваривать концы рулонов, превращая их в лист буквально бесконечной длины, – задача уже давно решенная). Доставлять к местам строительства придется не трубы, а рулоны листового металла – это и проще, и выгоднее с точки зрения экономики.
***
Конечно, еще удобнее было бы создавать трубы не из стали, а из пластмассы, тем более что уже имеются передвижные установки, выпускающие трубы диаметром 125- 140 мм практически неограниченной длины. До недавнего времени к пластмассе у строителей было настороженное отношение. Считалось, что трубы из нее слишком непрочны, чтобы укладывать их в линию магистральных трубопроводов. Однако успехи химии сделали свое. В мире уже уложено более 120 тыс. км трасс из пластиковых труб. Эти трубы весят очень мало, обладают прекрасной стойкостью против коррозии и блуждающих электрических токов – этих главных врагов стальных труб. Пластмассовый трубопровод по 15-20 лет не требует ремонта.
Пластмассовые трубы дешевле. Однако еще не умеют делать пластмассовых труб большого диаметра. Правда, есть сообщения о начавшемся выпуске полиэтиленовых труб диаметром 1000 мм, но это еще далеко не 2500 мм – диаметр ныне освоенных производством стальных труб. Впрочем, может быть, это уж и не такая беда. Стенки пластмассовых труб гораздо более гладкие, и поэтому потери на трение в них меньше.
Пластиковые трубы особенно удобны для прокладки «разводящих» газовых сетей в сельской местности, в городах, при сооружении водопроводов. В строительстве же магистральных нефте- и газопроводов пока что считается наиболее выгодным укладывать не пластмассовые трубы, а стальные, но облицованные изнутри пластиком. Есть ли в этом смысл? Огромный! В стальных трубах легко отлагается парафин, и если его регулярно не счищать (для этого в трубы приходится запускать скребки), через полгода он совершенно забьет трубу. Но вот в 1959 году на нефтепромыслах Башкирии был проложен первый у нас в стране трубопровод с пластмассовой облицовкой. И что же? Парафин на стенках перестал откладываться, и трудоемкая операция очистки оказалась просто ненужной!
Ну, а в существующих трубопроводах? Изобретатели оказались на высоте и здесь. В трубопровод загоняют целый самоходный агрегат, питающийся от автономного источника электроэнергии – скажем, мощной аккумуляторной батареи. Агрегат состоит из двух секций, между которыми залита эпоксидная смола. Передняя секция стальными щетками очищает до блеска металл трубы. Эпоксидная смола прочно сцепляется с ним, а задняя секция выравнивает слой изоляции, не позволяет образовываться потекам. Сразу же после того, как пластмасса нанесена, трубопровод поступает в эксплуатацию сначала при пониженном давлении, а через двое суток – при нормальном рабочем. Таким способом ремонтируют прохудившиеся трубы, причем ремонт обходится в 8 раз дешевле, чем если бы трубу пришлось вскрывать, вырезать негодный кусок и вваривать новый.
***
Уголь можно возить, как это делают до сих пор, по железной дороге. Однако выработанная с его помощью электроэнергия окажется довольно дорогой: ведь в ее себестоимости 30% – расходы на транспорт. Совсем иное дело, если передавать уголь по трубопроводу в виде пульпы – смеси мелких частиц угля с водой. Правда, для этого придется построить рядом с электростанцией устройства для подсушивания угольной мелочи или оборудовать станцию топками, пригодными для сжигания мокрого угольного порошка. Однако это не такие уж сложные проблемы: и то и другое вполне под силу современной технике. Вследствие дешевой транспортировки оказывается недорогой и электроэнергия. Пожалуй, самое интересное, что углепровод длиной около 800 км, перекачивающий более 3 млн. т топлива в год, оказывается дешевле в 1,3-1,7 раза даже линии электропередачи, доставляющей такое же количество энергии!
По трубам сейчас перекачивают на расстояние до 550 км не только уголь, но и известняк, отходы золотых рудников, концентрат железной руды, древесную щепу для целлюлозных фабрик. Существуют проекты и более серьезных магистралей, например для перекачки серы из провинции Альберта (Канада) в район Великих озер (США): ее длина составит 2560 км.
Но, пожалуй, самым интересным и перспективным видом трубопроводного транспорта будет перекачка капсул, в которые можно помещать все, что угодно. Если жидкость способна нести кусочки более тяжелого, чем она, твердого вещества, нетрудно заставить ее нести крупные контейнеры одинакового с ней удельного веса Добиться нужного удельного веса весьма просто достаточно соблюсти нужную пропорцию между заполненным и пустым пространством внутри контейнера Если же вместо жидкости использовать газ, то капсулы должны будут двигаться в трубе на роликах Есть смысл прокладывать трубопроводы для перевозки, например, почты.
Успешные опыты этого рода были проведены в ФРГ. По трубопроводу длиной в 15 км пересылаются письма и посылки. Полагают, что это будет удобнее и быстрее, чем даже авиаперевозки, потому что почта сразу же, минуя всевозможные перевалки, попадает в центральный почтамт.
Однако специалисты идут еще дальше: они считают, что этот вид транспорта станет серьезным конкурентом даже железных дорог. Если выкачивать из трубы достаточно большого диаметра воздух, то вагон, сконструированный так, что он будет прилегать к ее стенкам наподобие поршня, сможет достичь скорости 600-800 км/ч!
Вот какой у нашей трубы диапазон: от простой и даже несколько примитивной перекачки жидкостей до сверхскоростного пассажирского транспорта. Вы скажете: ведь во многом это еще проекты. Верно. Но и трубопроводы – вещь все же весьма молодая, несмотря на тысячелетия истории. А у подобных отраслей техники впереди еще много такого, что сегодня нам кажется невероятным.
В. ДЕМИДОВ, инженер
источник: К. АСТАХОВА, инженер «Кольцевая подушка» «Техника-молодежи» 1972-02
