Фиг. 9. Критический режим полета транспортного модуля при боковом ветре.
Фиг.10. Аварийный спуск транспортного модуля
Фиг.11.Схема космического лифта.
Фиг.12. Схема электромагнитной катапульты.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан принцип действия 2D авиации. Здесь на опоры 1 натянут с небольшим провесом сверхпрочный легкий электропроводящий канат 2. По нему движется транспортный модуль 3 массой m, представляющий собой летательный аппарат тяжелее воздуха с высоким аэродинамическим качеством. Линейный электродвигатель модуля создает силу тяги F1, которая, в сою очередь создает аэродинамическую подъемную силу F2. Участок каната 4 натягивается под действием силы F1, а участок каната 5 свободно провисает под собственным весом.
На фиг.2 показана схема трассы 2D авиации: 2a - вид сбоку, 2b – вид сверху. Расстояние между опорами 6 может составлять 1 – 10 км, что определяется режимом движения модулей по трассе и рельефом местности. Вдоль опор 6 натягиваются канаты 7, не менее двух канатов на одном пути. По канатам двигается транспортный модуль 8. Трасса проложена между конечными погрузочно/разгрузочными терминалами 9 (аэропортами) по прямой линии, но при необходимости трасса может иметь кривизну как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. При небольших радиусах поворотов в горизонтальной плоскости – выполняются виражи. Полосы взлета/посадки 10 примыкают непосредственно к терминалам 9. При необходимости создается промежуточный погрузочно/разгрузочный терминал 11. Изменение направления движения транспортного модуля совершается с помощью управляемых дистанционно стрелок.
На фиг. 3 показан пассажирский транспортный модуль в виде самолета крыла. Здесь в планере типа «ЭКИП» 12 с линейными электродвигателями 13 расположены пассажирские кресла14.
На фиг. 4 показан грузо-пассажирский транспортный модуль в виде самолета крыла. Здесь в планере типа «Экип» 15 с линейными электродвигателями 16 расположен грузовой отсек 17. В этом варианте модуля могут перевозиться также и пассажиры непосредственно в своих автомобилях или в специальном салоне.
На фиг. 5 показан в разрезе грузовой транспортный модуль для перевозки контейнеров в виде самолета триплана. Здесь контейнер 18 располагается в каплевидном фюзеляже 19. Три узких крыла 20 создают необходимую подъемную силу. Снизу триплана расположены линейные электродвигатели 21.
На фиг. 6 показана схема линейного электродвигателя транспортного модуля в момент прохождения шлюза. Здесь канат 22, закрепленный на шлюзе 23 проходит в области максимума электромагнитного поля, создаваемого электродвигателем 24.
На фиг. 7 показана конструкция анкерной опоры. Опора 25 устанавливается на фундаменте 26. Высота опор зависит от рельефа местности, минимального требуемого просвета под путевой структурой и схемы прокладки продольного профиля трассы. Конструкция анкерной опоры содержит электроизолированные шлюзы 27 для крепления канатов 28, которые могут быть стационарными или крепиться с помощью электромагнитов. Шлюзы 27 крепятся к виброгасителям 29. Опора 25 имеет растяжки из сверхпрочного каната 30. По канатам 28 движется транспортный модуль 31. Сами канаты 28 периодически соединены диэлектрическими перемычками-виброгасителями 32.
На фиг. 8 показана сверхпроводящая легированная нанотрубка для изготовления канатов. Здесь внутри калиброванной нанотрубки 33 с калиброванным диаметром 14,5 нм формируется цепочка кольцевых электронов 34. Здесь стрелками показано направление вращения кольцевых электронов, которое определяет их спин. Нанотрубка 33 легируется специальными добавками для создания необходимой плотности электронов для создания высокопроводящего или сверхпроводящего состояния при температурах до 93,5 градусов Цельсия. Такие нанотрубки являются основой волокна для создания сверхпрочного, легкого каната.
На фиг. 9 показан критический режим полета транспортного модуля при боковом ветре. Здесь транспортный модуль 35 под действием бокового ветра 36 натягивает канаты 37 впереди модуля и канаты 38 позади модуля между двумя опорами 39. С помощью линейных электродвигателей модуля 35 натяжение канатов 37 и 38 регулируется оптимальным способом.
На фиг.10 показан аварийный спуск транспортного модуля. Здесь транспортный модуль 40 остановился между двумя опорами 41 и завис на канатах 42 и 43. Секции линейного электродвигателя 44 и 45 регулируют натяжение канатов 42 и 43 таким образом, чтобы вес модуля распределился на опоры 41. Здесь условно показана петля каната 46, которая образуется в результате растяжения каната. Регулируя величину натяжения канатов 42 и 43, можно осуществлять аварийный плавный спуск модуля на землю при отсутствии электроэнергии на трассе. При появлении электроэнергии транспортный модуль может осуществить разгон до крейсерской скорости и продолжить движение по трассе.
На фиг.11 показана схема космического лифта. Здесь космический летательный аппарат 47 движется по канатам 48, натянутым между Землей 49 и космической станцией 50, находящейся на геостационарной орбите.
На фиг.12 показана схема электромагнитной катапульты. Здесь космический транспортный модуль 51 движется по канатам 52, жестко закрепленным на эстакаде 53 с помощью линейных электродвигателей 54.
Промышленная применимость
Долгое время не удавалось технически реализовать заманчивую идею создания космического лифта. Основная проблема, тормозящая его создание, заключается в том, что стальные тросы слишком тяжелые и недостаточно прочные. Такой трос оборвется под действием своего собственного веса уже на высоте 10 км. В высоком здании - основная часть веса, который приходится поднимать тросу лифта - это его собственный вес. Кроме того, низкая электропроводность материала троса не позволяет передать по нему электроэнергию большой мощности. Углеродные нанотрубки в сотню раз прочнее стали, они представляют собой монокристаллические структуры. После открытия этих структур в 1991 году исследователем Сумио Иджима (Iijima Sumio) (фирма NEC) [22] углеродные нанотрубки стали ведущим элементом в концепции создания космического лифта. А после открытия в 1998 г. возможности высокотемпературной сверхпроводимости (93,50С) в нанотрубках с внутренними размерами 12 нм - 16 нм, легированных особым образом [21], стало возможно осуществить магнитную левитацию на таком канате.
Этот эффект был уже экспериментально найден в 2004 г. исследователем из Калифорнийского университета Guo-meng (Peter) Zhao [23].
В настоящее время уже налажено массовое производство нанотрубок. Серийное производство калиброванных нанотрубок стоит от 100 до 500 долларов США за один грамм (Carbon Nanotechnologies, Inc.). Существует много современных методов - испарение угольных электродов или получение горячих углеродных газов, чтобы создать молекулярные трубки [24].
Все новые открытия в технологии производства обещают быстрый прогресс в этой области. Например, недавно исследовательская группа ученых из нескольких университетов США создала сверхпрочную гибкую ленту, состоящую из пучков многослойных углеродных нанотрубок [25]. Была синтезирована матрица из волокон многослойных нанотрубок, расположенных в одном направлении, методом химического осаждения пара, используя ферроцен и ксилен в качестве "сырья". Получилась однородная волокнистая масса, состоящая непосредственно из нанотрубок, с пористостью около 87%. Новый материал можно использовать в качестве каната в космическом лифте, в одежде нового поколения и т.п.
Для предлагаемого изобретения необходимо продолжить исследования по получению длинных волокон из калиброванных нанотрубок с внутренним диаметром 14,5 нм. В настоящее время в этой области работают сотни фирм. Налицо все научные, технические и технологические предпосылки для создания промышленного производства крупнотоннажного объема нановолокон для создания сверхпрочных канатов и материалов при стоимости 1-2 доллара США за грамм. При такой стоимости, для всех вариантов предлагаемого изобретения, на 1 км пути потребуется порядка 10 кг каната, т.е., 10-20 тысяч долларов США. Это значительно ниже, как минимум, на 1-2 порядка, себестоимости 1 км пути всех традиционных наземных транспортных систем.
В промышленности выпускается большой класс линейных электродвигателей и линейных шаговых электродвигателей. Хорошо разработаны технологии их производства и систем управления на основе сильноточных полупроводниковых приборов. Удельная мощность этих двигателей составляет порядка 1 кВт/кг. Известно, что значительное уменьшение удельного веса можно добиться, если использовать низкотемпературные сверхпроводники, имеющие большие магнитные поля 3-5 Тл. Уменьшение веса осуществляется за счет отказа от стальных магнитопроводов и уменьшения веса конструктивных элементов. Одновременно исключаются омические потери в проводниках. Для мощных сверхпроводящих двигателей можно достичь удельной мощности до 10кВт/кг при КПД, близком к единице. Это в несколько раз выше удельной мощности, характерной для авиационных турбореактивных двигателей.
Переход на высокотемпературные сверхпроводники позволит в принципе отказаться от криогенных систем охлаждения, что резко упростит конструкцию двигателя и его конструктивных элементов. В линейных двигателях можно использовать намоточные провода, аналогичные канатам из калиброванных нанотрубок, имеющих электрическую изоляцию.
В качестве транспортных модулей для 2D авиации в качестве базовой модели можно взять планер «ЭКИП». Разработка этого летательного аппарата достаточно продвинута и имеет все необходимые аэродинамические качества. В этом планере исключаются воздушная подушка, турбореактивные двигатели, топливная система. Вспомогательные турбореактивные насосы, формирующие ламинарные воздушные потоки, можно заменить на электротурбины на основе материала с высокой электропроводностью. Для пассажирского варианта достаточно использовать модули с полетным весом до 10 т (50-60 пассажиров), а для грузоперевозок можно использовать модули с полетным весом до 75 т. Ограничения связаны с международными стандартами транспортных перевозок (масса двух 20 футовых контейнеров – 44 т, одного 40 футового контейнера – 30,5 т).