Создание высокоскоростной транспортной системы в условиях растущих потребностей человечества и роста городов с последующим обращением их в массовые центры притяжения в настоящее время весьма актуально. В связи с тем, что скорость высокоскоростного железнодорожного подвижного по технологическим соображениям состава ограничена ~ 300 км/ч, возникает вопрос об инновационных способах ее повышения. Наиболее перспективным решением в этой области является создание транспортного средства, движущегося в среде с пониженным давлением при помощи линейного тягового привода с магнитным подвесом экипажа.
Данной проблемой занимаются сотрудники кафедры «Электротехника и теплоэнергетика» Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I на протяжении нескольких лет, результаты их исследований отражены в следующих публикациях [1-3]. Разрабатываемый вид транспорта выступает альтернативой поезда «Сапсан» и американской вакуумно-трубопроводной системе Илона Маска, получившей название в литературе «Hyperloop».
Суть системы «Hyperloop» заключается в том, что экипаж удерживается в состоянии левитации с помощью аэродинамических сил и бесконтактно разгоняется с помощью бегущего магнитного поля линейного электрического двигателя (планируемая расчетная скорость от 480 до 1220 км/ч). Движение экипажа происходит в герметичной трубе, в которой создан форвакуум, последнее обуславливает практически нулевое аэродинамическое сопротивление движению экипажа и низкий уровень шума. Однако для достижения этого необходимо использование системы насосов, распределенных вдоль трубы, что в свою очередь приводит к значительному потреблению электроэнергии для их питания.
По подсчетам Илона Маска (автора проекта) и специалистов из корпорации SpaceX, стоимость реализации проекта «Hyperloop» обойдется в 10 раз дешевле, чем стоимость железнодорожной высокоскоростной транспортной системы «CaliforniaHigh-SpeedRail». Система «Hyperloop», соединяющая крупнейшие города Калифорнии, по оптимистичным подсчетам обойдется инвесторам в 6 млрд долларов.
Конструкцию предлагаемой высокоскоростной пассажирской трубопроводной транспортной системы можно разделить на две части: первую – общую с американской конструкцией, и вторую – отличительную, адаптированную под климатические условия РФ.
Основу инфраструктуры разрабатываемой системы составляет путь, представляющий собой две стальные параллельные трубы, расположенные на железобетонных опорах. Расстояние между соседними опорами ~ 30 м. Такой вариант позволит исключить необходимость строительства переездов и полного выкупа земли под дорогу и полосу отчуждения. Для откачки воздуха из труб используется система насосов. Вес кузова частично компенсируется аэродинамическими силами. Приводом является линейный электрический двигатель, допускающий режим рекуперации электрической энергии при торможении экипажа [4]. Вдоль трассы используются источники возобновляемой энергетики (солнечные батареи).
В трубах давление воздуха всего лишь в 1,5–2 раза ниже атмосферного, что значительно снижает требуемую мощность насосов, а, следовательно, и расход электроэнергии, и «смягчает» требования по обеспечению герметичности труб. Отказ от использования форвакуума приводит к использованию труб с более тонкими стенками (в американском варианте их толщина достигает 20-25 мм) [5]. Отпадает необходимость в дополнительном оборудовании, обеспечивающем безопасную эвакуацию людей из аварийно-остановленного или разгерметизированного экипажа (в американском варианте в экипаже необходимо накапливать запас сжатого воздуха на этот случай).
Рис. 1. Экипаж с перфорированной головной частью
Скорость движения экипажа ~ 500…700 км/ч (в отличие от американского варианта, где она достигает сверхзвуковых значений). Это обуславливает повышение уровня безопасности, т.к. при непрерывном перемещении экипаж в случае аварийной остановки одного из них уменьшается требуемое время для остановки следующего за ним экипажа. Одновременно с этим увеличивается интенсивность перевозочного процесса.
Для уменьшения лобового аэродинамического сопротивления и нивелирования негативных воздействий поршневого эффекта предлагается выполнить головную часть кузова перфорированной и через отверстия осуществлять отсос зарождающихся турбулентных пятен (их координаты получены в результате расчетных и экспериментальных (в аэродинамической трубе) исследований) пограничного слоя воздушного потока, таким образом способствовать ламиниризации последнего [6]. В общем виде эта разработка представлена на рис. 1.
Для частичного устранения негативного проявления поршневого эффекта часть набегающего воздушного потока сбрасывается позади кузова [7]. Для чего в экипажной части кузова устанавливается компрессор, соединенный с перфорированными отверстия с помощью шлангов с выходными патрубками, подсоединенными к компрессору. Отсасываемый воздух сбрасывается в область пониженного давления за экипажем с помощью воздухопровода, соединяющего выходное отверстие компрессора и отверстие в хвостовой части кузова. На рис. 2 представлены результаты компьютерного моделирования в программном комплексе SolidWorks, для кузова простейшей геометрической конфигурации с отверстием в корпусе, учитывающем реально взаимодействие воздушных потоков с корпусом транспортного средства (движение экипажа вправо от наблюдателя). На рис. 2, а экипаж осуществляет движения без компрессора. При этом в области перед кузовом заметны турбулентные завихрения, оказывающие аэродинамическое сопротивление и в области отверстия скорость потока увеличивается до сверхзвукового значения. На рис. 2,б вентилятор, имитирующий компрессор установлен в центр тяжести кузова. В этом случае турбулентные потоки перед экипажем ламинаризировались, скорость потока воздуха, в общем, по сечению снизилась. Благодаря данному опыту можно сделать вывод о том, что это техническое решение позволяет понизить аэродинамического сопротивление.
В отличие от американского веретенообразного варианта нижняя часть экипажа выполнена плоской, что позволяется для компенсации веса снаряженного экипажа использовать экранный эффект, к тому же плоская нижняя часть выполнена профилированной [8], что приводит к образованию своеобразных компрессоров, закачивающих воздух под днище движущегося транспортного средства. Отказ от веретенообразной формы позволит избежать трудностей, связанных с вращательным движением экипажа, свойственным американскому прототипу.
В отличие от американского варианта, где в качестве приводного двигателя используется линейный асинхронный двигатель, в данной разработке движение экипажа осуществляется с помощью линейного синхронного двигателя (ЛСД) с обмоткой возбуждения, расположенной на днище кузова. Запитывание обмотки возбуждения осуществляется через узел скользящего токосъема с использованием композитной смазки на основе дисульфида молибдена, что позволяет значительно уменьшить износ контактной пары.
Для повышения энергоэффективности используются гибридные источники возобновляемой энергетики.
а)
б)
Рис. 2. Картина распределения линий потока при движении экипажа – цилиндра со сквозным отверстием а) без компрессора; б) с компрессором
Таким образом, разрабатываемая система позволит связать крупнейшие города России, при этом обеспечив высокую технологичность, хорошие экономические и экологические показатели, удовлетворив потребности населения в комфортных скоростных пассажирских перевозках и повысить общий уровень развития транспортной отрасли России.
Библиографическая ссылка
Ким К.К., Крон И.Р., Ананченко С.С. ВЫСОКОСКОРОСТНАЯ ПАССАЖИРСКАЯ ТРУБОПРОВОДНАЯ ТРАНСПОРТНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ МАГИСТРАЛИ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГ – МОСКВА» // Материалы МСНК "Студенческий научный форум 2024". – 2020. – № 3. – С. 47-50;URL: https://publish2020.scienceforum.ru/ru/article/view?id=144 (дата обращения: 19.04.2024).