Рассмотрены три варианта канатных транспортных систем на магнитной левитации и способы их работы 2 (стр. 5 из 12)
Режим экраноплана является весьма перспективным для грузовых перевозок с небольшими скоростями (300-400 км/ч). В этом режиме может летать и "ЭКИП". В то же время экраноплан во время полета претерпевает частые перепады высот, что вредно сказывается на человеческом организме (низкая комфортность полета), что ограничивает пассажирские перевозки в этом режиме. Кроме того, управление экранопланом является очень сложным из-за влияния экранного эффекта на продольную устойчивость. Если в обычном полете самолет хорошо управляем, то на посадке, при приближении крыла к земле, центр приложения подъемной силы начинает смещаться к задней кромке крыла, нос перевешивает и получается кульбит. Руля высоты или реакции пилота в таких случаях для выравнивания самолета не хватает.
Если же летательный аппарат зафиксирован на канатах, как в 2D авиации, то аппарат является устойчивым априори.
В пересеченной местности полет в режиме экраноплана невозможен. В густонаселенной и городской местности возникает другая проблема, связанная с землеотводом под трассу экраноплана, так как у него широкий размах крыла. Поэтому для таких условий транспортный модуль должен иметь узкие короткие крылья и каплеобразный фюзеляж. Чтобы создать достаточную подъемную силу для перевозки компактного тяжелого груза порядка 50 т (аналогично железнодорожному вагону), необходима большая площадь крыла. Это можно решить путем компоновки крыльев транспортного модуля по схеме биплана, триплана и т.п. Однако, в режиме экраноплана такие самолеты не эффективны.
Транспортный модуль в виде самолета крыла или би- или триплана будет двигаться по двум канатам. В этом случае автоматически решается проблема продольной устойчивости в полете. Кроме этого, это повышает безопасность движения в штормовых условиях.
Движение транспортного модуля осуществляется с помощью линейных электродвигателей. Электропитание подводится непосредственно от канатов. Канаты проходят внутри одного или нескольких линейных электродвигателей в максимуме электромагнитного поля, которое создает двигатель. Причем поле формируется таким образом, чтобы сформировать некоторую потенциальную магнитную яму для устойчивости самого каната. Двигатели одновременно могут выполнять и функцию виброгасителей, подавляя вибрации каната. Работа двигателя может осуществляться в двух режимах. В первом режиме токосъем осуществляется таким образом, чтобы постоянное магнитное поле канатов непосредственно взаимодействовало с магнитным полем двигателя. Во втором режиме токосъем осуществляется таким образом, чтобы по канатам, проходящим внутри двигателя, не шел ток. Тогда магнитное поле двигателя выталкивается из канатов за счет эффекта Мейснера. Электродвигатели могут работать и в комбинированных режимах.
Путевая структура. Все известные наземные путевые структуры предназначены для компенсации веса транспортного модуля путем опоры на путь. Для увеличения скорости движения модуля этот путь должен быть достаточно ровным, что требует выравнивания рельефа местности. Кроме того, должен использоваться жесткий материал с малым модулем изгиба для уменьшения деформации пути при движении модуля. Выравнивание рельефа осуществляется с помощью дорожных насыпей, туннелей, виадуков и мостов. Эти сооружения требуют больших материальных затрат, что увеличивает себестоимость трасс. Например, стоимость железнодорожных путей составляет порядка 1-10 млн. долларов США на 1 км пути. Себестоимость высокоскоростных железнодорожных путей составляет уже 10-20 млн. долларов США на 1 км. Еще выше себестоимость системы Маглев.
Высокоскоростные автомобильные дороги, например, в Европе, также обходятся в 5-10 млн. долларов США на 1 км. Кроме того, стоимость всех видов дорог сильно возрастает из-за климатических воздействий и износа при их эксплуатации.
Принципиально изменить путевую структуру можно только заставив транспортный модуль не ехать, а лететь по канату вдоль поверхности земли. В этом случае модуль опирается на воздух. Таким образом, мы заменяем сплошной жесткий путь с малым модулем изгиба на «мягкий» путь, т.е., на канат, испытывающий нагрузку только на растяжение. Т.е., прогиб пути заменяется на натяжение каната. В результате можно получить значительный выигрыш по материалоемкости пути. Кроме того, этот выигрыш еще увеличится при переходе на новые конструктивные материалы. Таким материалом может стать канат на основе волокон из углеродных нанотрубок, имеющих прочность в 100 раз выше прочности стальной проволоки при удельном весе в 4,6 раза меньше. Произведение прочности на вес в 460 раз лучше для углеродных нанотрубок, чем для самой прочной стальной проволоки. Например, при весе каната из нановолокон 10 кг на километр, он выдерживает усилие не менее 10-20 тонн.
Рассмотрим один из вариантов реализации путевой структуры.
Натянем два нановолоконных каната с параметрами: линейная плотность 0,01 кг/м, объемная плотность 1730 кг/м3, прочность sB = 350 ГПа, расстояние между опорами 10 км, сечение 5,8 мм2. Тогда расчет по классической схеме дает максимальный прогиб каната в центре между опорами 2 м.
На летящий транспортный модуль будет приходиться дополнительный вес 2 канатов всего в 200 кг. Основное усилие будет приложено к анкерной опоре на сжатие и на натяжение каната при движении модуля. Анкерную опору можно сделать достаточно легкой, так как она будет работать в основном на сжатие и изгиб. На растяжение работают только тросы крепления анкерной опоры к поверхности. Их можно выполнить из тех же нановолоконных канатов.
В аварийном режиме (отсутствует аэродинамическая подъемная сила), транспортный модуль весом от 10 т до 75 т может остановиться в середине пролета. При высоте опор 20 м и расстоянием между ними 10 км модуль может опуститься на землю за счет естественного удлинения канатов. Избежать опускания модуля на землю можно путем натяжения канатов с помощью линейных электродвигателей, запущенных в режиме реверса. Для этого необходимо, чтобы на каждом канате располагалось не менее двух независимых секций линейного электродвигателя транспортного модуля. В критических ситуация этот режим может быть использован для плавного опускания модуля на землю с целью снятия грузов или пассажиров или в целом всего аварийного модуля. При отсутствии электроэнергии в системе на борту модуля должны быть резервные аккумуляторы для проведения аварийных процедур.
Расстояние между анкерными опорами будет определяться как рельефом местности, так и скоростью движения модулей и расстоянием между ними, т.е., пропускной способностью. В принципе, можно организовать сцепление (электронное или механическое) между модулями, что сразу увеличит пропускную способность. Этот режим движения в виде поезда можно использовать для преодоления больших водных преград и т.п., когда опоры находятся на большом расстоянии (10-50 км). Однако, этот режим в целом уменьшает безопасность движения. Поэтому желательно использовать режим движения, когда на одном пролете находится не более одного модуля.
Использование принципа магнитной левитации позволит исключить трение, а, следовательно, процесс износа транспортного полотна. Это фактически приведет к возможности его бессрочной эксплуатации. В результате резко снизятся эксплуатационные расходы как на замену «рельсов», так и на замену «колес» в транспортном модуле.
В итоге прочностные требования к нановолоконному канату будут связаны не столько с усилием натяжения каната, сколько с усилием, возникающем при экстренном торможении транспортного модуля. Такая ситуация может возникнуть при отключении электропитания канатов, землетрясениях и т.д. Например, максимальная сила, возникающая при экстренном торможении модуля массой 10 т, движущегося с крейсерской скоростью 650 км/ч, на тормозном отрезке пути l=1 км, находится из формулы
(6)и равна 161,7 Н (16,5 тонна сил). Это в несколько раз ниже предельной прочности двух канатов. При этом перегрузки для пассажиров не превысят вполне допустимую норму 1,65 g (g - ускорение свободного падения).
Анкерная опора. Конструкция анкерной опоры содержит элементы крепления каната (шлюз), которые могут быть стационарными или крепиться с помощью электромагнитов. В первом случае транспортный модуль имеет элементы конструкции линейного электродвигателя, способные изменять геометрию магнитного зазора при прохождении шлюза. Во втором случае, если канат крепиться к анкерной опоре с помощью электромагнитов, то при прохождении модуля через шлюз канат освобождается от крепления. Модуль над шлюзом продолжает движение по инерции. После прохождения шлюза происходит постепенное натяжение каната на следующем пролете. Управление шлюзом может осуществляться дистанционно из транспортного модуля или диспетчерской службой. Шлюзы должны быть электроизолированы друг от друга. Электро изоляция должна выдерживать рабочие напряжения 1-25 кВ в зависимости от эксплуатационных требований. В связи с тем, что под действием ветровой нагрузки и движения транспортного модуля происходят колебания канатов, то шлюзы должны крепиться к виброгасителям. Виброгасители могут выполняться стандартными способами [8].
Анкерные опоры можно изготавливать из железобетона или стали по стандартным технологиям. Высота их будет определяться рельефом местности с целью нивелирования самой трассы.
Канаты. Канаты между анкерными опорами должны находиться в свободном подвесе, т.е., их натяжение должно осуществляться только под собственным весом. Канаты могут быть круглыми или ленточными. Канаты должны быть токопроводящими, к которым подводится необходимая электроэнергия.
Сами канаты периодически должны соединяться стяжками для компенсации электромагнитных сил между ними. Стяжки должны быть выполнены из диэлектрика и также выполнять роль гасителя вибрации канатов. Например, они могут быть в виде диэлектрического жгута из углеродных нановолокон. Тогда они будут легкими и прочными, а поглощение энергии колебаний может осуществляться путем трения между скрученными волокнами. Аналогичные гасители вибрации применяются на высоковольтных линиях передач.