Развитие железнодорожного высокоскоростного транспорта на базе новых принципов перемещения (магнитной левитации) с учетом экономико-эко

Рис. 7 Станция высокоскоростного  ж/д транспорта в Китае (Маглев)

   [http://analytic-info.net/analytics/inventions/detail.php?element_id=317]

Рис.8 Устройство маглева. [http://old.computerra.ru/magazine/358748/]

    Двигатель состоит из опорных магнитов и полотна, над которым маглев парит. По сути, двигательная система, встроенная в полотно, представляет собой статор (неподвижную часть электродвигателя), развернутый в длину. Через полотно проходит переменный ток, перемещающий состав бесконтактно. Опорные магниты действуют как ротор, опять же, развернутый в длину. Изменение частоты переменного тока приводит к изменению скорости, а изменение направления поля позволяет так же бесконтактно затормозить состав. Таким образом, маглев не нуждается в проводном электроснабжении - а ведь именно надежность контакта с высоковольтными линиями является одной из главных технологических проблем скоростных поездов TGV. Но здесь же кроется и одна из причин (помимо их несовместимости с традиционными железными дорогами - проложенными путями, станциями, парком техники) крайней малочисленности магнитопланерных линий: стоимость строительства одного километра двустороннего полотна для маглева (без учета прокладки туннелей или наведения мостов) составляет около 10 млн. долларов.

   Тем не менее Япония намерена вложить в строительство магнитопланерных поездов и трасс следующего поколения около 45 млрд. долларов. Проект рассчитан на два десятилетия, в течение которых новые маглевы, способные разгоняться до 500 км/час, должны прийти на смену ветшающим синкансэнам.

   Дальнейшее развитие маглевов лежит в нескольких плоскостях. Во-первых, это проекты модернизации железнодорожных путей, которые позволят использовать для посадки и высадки пассажиров уже имеющиеся станции. Пока что подобные проекты существуют только на бумаге, как и планы по интеграции магнитного полотна в строящиеся автострады.

    Это развитие собственно технологии магнитной левитации. Стабильная левитация с использованием только "классических" электромагнитных полей невозможна, поскольку сочетание гравитационных, электростатических и магнитостатических полей будет всегда выводить поезд из стабильного положения. Поэтому Transrapid и другие подобные системы вынуждены прибегать к постоянному электронному контролю и коррекции положения состава.

    Использование в магнитах поезда высокотемпературных сверхпроводников позволяет избежать нестабильности и достичь более высоких скоростей и большей грузоподъемности. Современные  сверхпроводники работают при достаточно высоких температурах, благодаря чему можно использовать для их охлаждения сравнительно недорогой жидкий азот. Такая система подвески, называемая электродинамической, применена, в частности, на японском рекордсмене JR-Maglev. В то же время порождаемые сверхпроводниками мощные магнитные поля могут представлять угрозу сохранности данных на магнитных носителях и определенно противопоказаны людям с кардиостимуляторами. А для движения на низких скоростях подобные поезда нуждаются еще и в колесах, контактирующих с рельсами.

    Самой безопасной (и самой дорогой) выходит система электродинамической подвески на постоянных магнитах. Для активации постоянных магнитов не требуется энергия, к тому же они способны поддерживать левитацию на очень низких скоростях - около 5 км/час (хотя в неподвижном состоянии удерживать поезд не смогут и они). Но магнитные массивы, необходимые для такой подвески, гораздо дороже электромагнитов, поэтому ни коммерческих проектов, ни полномасштабных прототипов такого рода маглевов пока не появилось.

[http://www.computerra.ru/magazine/358748/]

    Создатель маглева призывает летать в космос на поезде

Компания Startram представила очередной концепт электромагнитной космической пушки, способной доставлять грузы и людей в космос. Если проект GEN 1.0 предлагает строительство вакуумной трубы слинейным электродвигателем, которая может забрасывать на орбиту лишь грузы, способные пережить 100g, то в GEN 1.5 речь идёт о доставке в околоземное пространство людей. Некоторые аспекты проекта изложены в этом видео:

Глава Startram Джеймс Пауэлл 46 лет назад изобрёл маглев — парение объекта в воздухе над сверхпроводником. Позже у него появилась мысль о возможности использования этого явления на транспорте. Хотя технологию реализовали в Японии, а не в США, г-н Пауэлл готов предложить к реализации куда более экстраординарную концепцию.

По его расчётам, разгон до 8,1 км/с одного килограмма полезной нагрузки в его системе потребует всего 10 киловатт-часов. Ствол электромагнитной пушки будет представлять собой направленный вверх туннель, из которого выкачан воздух. Следовательно, сопротивление минимально; везти с собой ракетное топливо, занимающее 99% массы обычной ракеты, не требуется.

Рис. 9 В проекте GEN 2.0 предполагалось подвесить верхние элементы трубы при помощи магнитной левитации. [http://www.computerra.ru/magazine/358748/]

GEN 1.5 — самый реалистичный  из всех проектов такого рода. Напомним, космическая пушка всегда казалась малоподходящей для транспортировки людей именно из-за высокой перегрузки, достигающей 100g, притом что уже при 35g человек заканчивает свой жизненный путь. Проблему можно решить, удлинив «ствол» до 20 км, но, в отличие от Марса, на Земле нет таких высоких гор, на которые можно опереть туннель.

Г-н Пауэлл предлагает разгонять выводимый в космос пассажирский корабль (рассчитанный на 100 пассажиров) в трубе наземного маглева до 4 км/с — вместо 8,1 км/с. Длина ствола орудия прямо пропорциональна квадрату скорости — а значит, разгоняя объекты до половины первой космической, GEN 1.5 потребует туннеля в 270 км, бόльшая часть которого будет наземной, и лишь конец должен идти по склону горы высотой около 6 000 м. При этом планируется обеспечить перегрузку всего в 3g. После достижения половины от первой космической скорости ракета, мощностью вчетверо меньше, чем обычно, сможет завершить вывод корабля на орбиту, поскольку требуемая для разгона мощность пропорциональна квадрату намеченной скорости.

    У системы остаются большие резервы: Джеймс Пауэлл говорит о выводе на орбиту космических туристов и пр., а прилично подготовленный космонавт может ускоряться и при 10g, что позволило бы укоротить трубу до 90 км. Это всего впятеро длиннее действующей сегодня в Японии экспериментальной маглев-трассы. Поскольку бóльшая часть туннеля будет горизонтальной, единственной дополнительной сложностью станет создание и поддержание вакуума. Для этого планируется ионизировать воздух на входе в верхний конец трубы, а затем выбрасывать его оттуда, используя МГД-генератор.

Для обеспечения огромного  моментального расхода энергии  команда Startram планирует запасать её в закольцованных сверхпроводниках, расположенных на всём протяжении разгонной  трубы. Чтобы сообщать энергию линейному электродвигателю, в момент залпа её индуктивным способом передадут медным обмоткам, расположенным очень близко от сверхпроводниковых колец, что позволит передавать энергию с КПД до 99%.

[http://science.compulenta.ru/664332/]

 

Рис. 10 Наземные испытания отдельных элементов концепции уже проводились НАСА.  [http://science.compulenta.ru/664332/]

   В технологии нет ничего нового: в ходе экспериментов с электромагнитной пушкой американским военным уже давно удалось добиться выхода снаряда в открытый космос на высоту в 180 км. Его достаточно было бы оснастить небольшим ракетным двигателем, чтобы он сам смог стабилизироваться на околоземной орбите. Проблема проекта лежит скорее в политико-психологической области: реализация GEN 1.5, по расчётам создателей, требует $40 млрд, что, конечно, «в разы» меньше, чем стоила лунная программа США (с учётом инфляции) или сегодня стоит проект МКС, но и в несколько раз больше того, что готова выделить на космические исследования любая страна современного мира.

Но г-н Пауэлл не расстраивается: сегодняшние химические ракеты всё  равно обречены из-за немыслимой неэффективности, ядерные ракетные двигатели не могут быть запущены в атмосфере — а значит, если человечество и выйдет в космос по-настоящему, то столь экстравагантный проект всё равно будет востребован.

[http://science.compulenta.ru/664332/]

 

 

 

1.4. История поездов на магнитной подушке.

 

     Первый  паровоз двигался со скоростью  8 километров в час.

     Новый поезд  на магнитной подушке разогнался  до 581.

     В Японии  стартовал проект по строительству  железной дороги для поездов  на магнитной подушке. Новая монорельсовая дорога ломает все старые представления о привычном нам виде транспорта. Во-первых, скорость. Еще 50 лет назад с такой скоростью летали только самолеты.

Во-вторых, комфорт. Прощай перестук колес и раскачивание вагонов. Новый поезд движется на расстоянии 10 см над рельсом. Единственным неудобством станут перегрузки при разгоне и торможении. Но даже несмотря на это, пассажиры экспериментального экспресса высоко оценили удобство перемещения. В-третьих, такая железная дорога, как утверждают специалисты, требует минимум обслуживания и надежна в эксплуатации.

В-четвертых, этот вид  транспорта гораздо безопаснее. Поезд  не может сойти с рельса, так  как конструкционно охватывает его. Принцип действия «летуна» (именно так прозвали сверхскоростной поезд журналисты) таков: экспресс начинает движение как обычный монорельсовый, но при достижении скорости 130 км/ч колеса у него начинают постепенно втягиваться в корпус, как шасси самолета; при достижении 160 км/ч поезд начинает парить над рельсом. Достигается это благодаря тому, что вдоль всего состава и на направляющем рельсе расположены электрические магниты. Они же двигают всю махину вперед. Интересно, что при таких огромных скоростях и внушительном весе состава для всего процесса перемещения требуются затраты энергии меньшие, чем для работы системы кондиционирования внутри «летуна». Он может парить целый час вообще без подпитки энергией извне. Происходит это за счет мощных аккумуляторов, питающихся от встроенных в магниты генераторов.

Скорость поезда регулируется изменением частоты переменного тока, а торможение выполняется за счет изменения направления магнитного поля. Естественно, что поезд полностью управляется электроникой.

Собственно, японцы не первые, кто решил обзавестись чудо-поездом. В Китае поезд на магнитной подушке уже вовсю перевозит пассажиров на отрезке между станцией Лонг Янг и международным аэропортом Пудонг в Шанхае. Сверхскоростной экспресс «Трансрапид» преодолевает тридцатикилометровый участок за две с половиной минуты.

Японцы же планируют завершить строительство своего «летуна» только к 2025 году. Цена проекта 45 млрд. долларов.

Аналогичными поездами решила обзавестись и Германия. Но первые же эксперименты на родине (а  именно немецкие инженеры

компаний «Тиссен-Крупп» и «Сименс» разработали «Трансрапид») закончились трагедией. На испытательной трассе в Эмсланде

поезд, едва успев отойти от вокзала, столкнулся с вагонеткой ремонтной службы на скорости 200 км/ч. В результате катастрофы

погибли 25 человек, 10 оказались  ранены.

 

5. Российская история. От паровозов до поездов на магнитной подушке.

 

Гироскопический поезд  Шиловского 
    Паровоз ИС 20 -16- 155км/ч 
    Паровоз 2-3-2В – 175 км/ч 
    ТЭП80 – 160-271км/ч 
    ЭП200 – 200 км/ч 
    ЭР200 – 200 км/ч 
    ЧС200 – 200 км/ч 
    Сокол – 250-350 км/ч 
    ТП-05 на магнитом подвесе (маглев) – 200-400 км/ч 
    СТЮ – Струнный Транспорт Юницкого – 200-400 км/ч 
    Сапсан – 250 км/ч 
Итак, рассмотрим все по порядку. Очень прошу внимательно всмотреться в каждый образец, так как это всё очень важно. 
                     [http://e-poezd.livejournal.com/52494.html] 
                  Гироскопический поезд Шиловского. 150 км/ч 
Поезд должен был состоять из двух сочлененных вагонов, моторного и пассажирского, на 400 мест обтекаемой формы, приводимые в действие двумя двигателями по 240 л.с. с электропередачей. Скорость движения должна была доходить до 150 км/час. 
За четыре месяца было построено 12 километров монорельсового пути (от Детского Села до Средней Рогатки), а предприятиям в Санкт-Петербурге был заказан подвижной состав. Однако в мае 1922 года финансирование проекта было прекращено. 
Конечно, проект однорельсовой дороги смотрится интересно, на момент двадцатых годов подкупала его экономическая подоплека – меньше чугуна на рельсы, меньше дерева на шпалы, проще стрелки… и так далее. То есть тут можно было просчитать прямой эффект, но были и моменты, которые только планировалось решать. Никоим образом не были обозначены ни вопросы безопасности, ни инфраструктурные вопросы. 
На самом деле был и проект и инженер и была отработанная технология. Мы еще в 1922 году могли получить скоростной однорельсовый транспорт. К слову сказать, опытный участок начал строиться при Императоре Николае II, а продолжил уже при большевиках после революции. 
[http://e-poezd.livejournal.com/52494.html] 
             Паровоз ИС 20 -16- 155км/ч (Иосиф Сталин) 
Паровоз ИС (Иосиф Сталин, с 1962 года — ФДп — пассажирская разновидность ФД; заводское обозначение — 2П, — 2-й тип паровоза; прозвища — ИСка, ИСак) — советский магистральный пассажирский паровоз типа 1-4-2. На момент создания являлся самым мощным пассажирским паровозом в Европе. Обладатель премии Гран-при на Всемирной парижской выставке (1937). 
ИС-ы перед войной (1937-1941 гг.) обслуживали в основном быстрые, скоростные линии. 
    Ещё в начале 1930-х НИИЖТ совместно с Московским авиационным институтом провели комплексные испытания модели локомотива в аэродинамической трубе, в ходе которых выяснилось, что при скоростях выше 100 км/ч применение обтекаемого кожуха, благодаря снижению воздушного сопротивления, может дать выигрыш в мощности в 200—250 л.с. Проведённые испытания данного паровоза также подтвердили значительное снижение вредного сопротивления паровоза на высоких скоростях, благодаря чему ИС20-16 смог разогнаться до скорости 155 км/ч. 
После «заката» паровозной тяги отечественные двухсекционные тепловозы ТЭ-7 водили пассажирские поезда на той же линии со скоростью до 140 км/ч. Затем их заменили тепловозы ТЭП-60, способные развивать скорость еще выше – до 160 км/ч. 
Тогда в середине 1960-х годов в Ленинград и Москву пошли дневные экспрессы «Аврора» с максимальной и маршрутной скоростью 160/130,4 км/ч! Такие же скоростные параметры были в то время и у европейских экспрессов. Во Франции – «Мистраль» (160/131 км/ч), в Италии – «Стрела Везувия» (160/120 км/ч). 
  [http://e-poezd.livejournal.com/52494.html] 
То есть в 1960 нам не нужно было покупать на стороне технику – своя научная мысль работала отлично. 
 
Паровоз 2-3-2В – 175 км/ч 
Паровоз 2-3-2В (тип 2-3-2 Ворошиловградского завода; заводской номер — № 6998) — опытный советский скоростной паровоз типа 2-3-2, спроектированный и построенный в 1938 году на Ворошиловградском паровозостроительном заводе под руководством инженера Д. В. Львова. Предназначался для вождения курьерских поездов. Обозначения серии данный паровоз не получил, 2-3-2В — основное его обозначение в литературе, в том числе и справочниках по локомотивному парку. 
Изготовление паровоза № 6998 было завершено в апреле 1938 года. Диаметр колёс составлял 2200 мм, а конструкционная скорость — 180 км/ч. Если на паровозах типа 2-3-2 Коломенского завода все основные детали проектировались специально для данных паровозов, то на паровозе Ворошиловградского завода были использованы ряд деталей паровозов серий ФД и ИС. Так, от них новый паровоз получил большинство элементов парового котла (трубчатая часть, топка, арматура), цилиндры, раму задней тележки, буксовые вкладыши и клинья, а также многое другое 
В июне 1938 года паровоз поступил в депо Славянск Южно-Донецкой железной дороги и водил на участках Славянск — Ростов и Славянск — Харьков скорые и курьерские поезда. За месяц работы паровоз прошёл около 6000 км, а в июле того же года локомотив поступил Октябрьскую железную дорогу для работы на участке Москва — Бологое. 
После войны паровоз эксплуатировался со скоростями не выше 70 км/ч, поэтому с него был снят обтекаемый капот. Тем не менее, в апреле 1957 года, на данном паровозе со специальным поездом была достигнута скорость 175 км/ч, что было последним рекордом скорости для паровой тяги в СССР. 
 
Поезд на магнитном подвесе! ТП-05 -200 – 400 км/ч 
Вагон ТП-05 — первый в СССР вагон на электромагнитной подвеске с линейным электроприводом, построенный в МИК (полигон “ВНИИПИ транспрогресс” г. Раменское) в период с1985 по 1986 год. Первый успешный пуск (подвешивание) был осуществлен 25 февраля 1986 г. 
[http://e-poezd.livejournal.com/52494.html] 
Мы привыкли критиковать то, что в СССР планировалось все и вся, Но было и что-то в этом хорошее. В Союзе прекрасно просчитали грядущие транспортные проблемы городов-мегаполисов. И не только городов с большим населением, но и городов, которые географически сильно вытянуты, чья длина составляет сотню и более километров. Это такие города как Волгоград и Кривой Рог. По оценкам 70х годов население в 29 городах Советского Союза должно было превысить миллион, то есть стать городами-миллионерами. И для решения транспортных проблем крупных городов создавались различные институты и бюро. Уже тогда было понятно, что автомобили не очень способны решить транспортную проблему крупного города, а классическое метро дорого и медленно. Считалось, что наряду с совершенствованием традиционных видов передвижения возникла необходимость в создании качественно новых транспортных систем, которые должны быть малошумными, не загрязняющими воздух, экономичными и не создающими дополнительной нагрузки на уличную сеть. 
Вот этим требованиям соответствовал последний инновационный проект, доведенный до испытаний, проект транспорта на магнитной подвеске. 
“Наша лаборатория работает над созданием экспериментального пассажирского вагона, который будет двигаться, не касаясь рельсов. Для горизонтального перемещения используется принцип работы линейного трехфазного асинхронного двигателя. Двигаясь с крейсерской скоростью до 250 километров в час, это транспортное средство будет практически бесшумным. Путь его можно поднять на эстакаду над основными магистралями города. Один километр пути будет обходиться в 3—5 раз дешевле, чем метро”, говорил в одном из интервью заведующий лабораторией ВНИИПИ транспрогресс А.Чемодуров. 
На тот момент был построен 600 метровый скоростной участок в подмосковном Раменском и запланированы участки в Ереване и Алма-Ате. 
Планировалось пускать по трассам вагоны по 65 человек, 19 метров длиной каждый и весом в 40 тонн. Крейсерская скорость же вагона равнялась 250км/ч, с перспективой 400 км/ч и выше. Также были планы пускать не отдельные вагоны, а сцепки из нескольких вагонов, то есть полноценных поездов.

    Сегодня у нового вида транспорта нет надежного, заинтересованного хозяина. Пока что ни одно транспортное министерство, ни Министарство Гражданской Авиации, ни Министерство Путей Сообщения (ныне РЖД) (магнитоплан — не поезд и не самолет—вот их аргумент), не проявляет интереса к нему. Они даже не являются заказчиками. Между тем для того, чтобы эффективно использовать выделенные правительством немалые средства для перехода от экспериментов к внедрению на новом этапе развития, нужно было объединение сил, скажем, в рамках межотраслевого научно-технического комплекса.

[http://e-poezd.livejournal.com/52494.html] 

1.6. Экологические проблемы развития маглевов.

 

Использование для монорельсового транспорта электродвигателей линейного  типа, а также воздушной или  магнитной подушки не только не улучшает его экономических показателей, но и создает ряд новых проблем. Во-первых, магнитная подушка имеют смысл только при высокоскоростном движении, но это возможно лишь при больших расстояниях между станциями, иначе поезду не разогнаться. Во-вторых, по данным статистических исследований, у магнитной дороги удельный энергорасход на 20% больше, чем у аналогичной рельсовой. У дороги же на воздушной подушке он велик, что называется, по определению.

В-третьих, использование  линейных электродвигателей ограничивается тем, что зазор между их статором и ротором для получения надежной работы не должен превышать пяти миллиметров. Это труднодостижимо из-за свойственной всем типам монорельсовых дорог, кроме дорог с боковой подвеской, раскачки вагонов во время движения, особенно

при прохождении поворотов. Магнитный монорельсовый транспорт, или, как его еще называют, магнитоплан, основные трудности создает, как ни странно, в сфере экологии. Хотя в отличие от традиционных монорельсовых дорог он почти бесшумен, мощные электромагниты,

которые используются для подвешивания и движения вагонов, создают излучение, уровень которого многократно превышает таковой у линий электропередачи. А поскольку электромагниты находятся непосредственно под полом вагона или же на пути, то

поездные бригады и  пассажиры, а также окрестные жители подвергнутся риску получения онкологических и ряда иных заболеваний. Этот факт подтверждается статистикой заболеваний помощников и машинистов электровозов переменного тока, так как они работают, подвергаясь воздействию излучения трансформаторов локомотива. Насколько же велико электромагнитное излучение от магнитоплана, могут подтвердить все присутствовавшие на испытаниях опытного участка такой дороги на

полигоне в Раменском: во время ряда опытных поездок  из строя выходили не только калькуляторы и электронные часы, что обычно и в кабине электровоза переменного тока, но даже и контрольное экспериментальное оборудование. В Японии многие пожилые граждане пользуются кардиостимуляторами, которые, как известно, тоже выходят из