Google+
Вселенная «Magic: The Gathering» Code Geass ТОР MARVEL Forgotten Realms: Литературный цикл «Забытых королевств»
Версия для печатиМашина времени: Футурология. Вакуумно-трубопроводный транспорт
Кратко о статье: Одно из физических явлений, портящих жизнь человечеству, — трение. Трение тормозит любое движение, заставляя тратить всё больше и больше усилий на разгон. От неровности дороги и плотности воздуха или воды страдает любой транспорт. И вряд ли можно победить это явление — разве что на другой планете или в мире с иными физическими законами. Но законы можно обойти. «Мир фантастики» рассказывает о проектах вакуумно-трубопроводного транспорта.

Парящий над рельсами

БУДУЩЕЕ ВАКУУМНО-ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА

Одно из физических явлений, портящих жизнь человечеству, — трение. Сопротивление воздуха, проявляющееся как приятный ветерок, если вы решили слегка пробежаться, составляет серьёзную проблему для высокоскоростного транспорта. Трение тормозит любое движение, заставляя тратить всё больше и больше усилий на разгон. От неровностей дороги и плотности воздуха или воды страдает любой транспорт. И вряд ли можно победить это явление — разве что на другой планете или в мире с иными физическими законами. Но законы можно обойти.

Обычно считается, что космические полёты — дорогое удовольствие. Выведение тонны груза на орбиту действительно требует астрономических затрат, а разгон до третьей космической скорости увеличит их ещё на порядок. Но после этого корабль преодолеет любое расстояние, почти не расходуя горючее: среда практически перестанет тормозить корабль. И чем больше пройденное расстояние, тем дешевле обойдётся перевозка груза в космосе. Если отбросить в сторону вопрос, а куда, собственно, нужно везти этот груз, сам собой напрашивается вывод: отсутствие трения в вакууме делает перевозки очень экономичными.

«ГРУЗОПРОВОД»

Чем меньше трение влияет на транспорт, тем эффективнее он становится. Работа в этом направлении ведётся с момента изобретения лодки и колеса. Материалы становятся легче, а формы — более обтекаемыми. Но полностью избавиться от трения качения или скольжения можно, только взлетев. Да и после этого всё равно останется трение о воздух. Причём чем больше скорость, тем больше энергии тратится впустую, — и это сильно удорожает авиаперевозки.

Запущенный в 1972 году зонд «Пионер-10» к настоящему времени преодолел расстояние в 16 миллиардов километров. И в ближайшие несколько миллиардов лет он не остановится

То, что идеальный транспорт должен, словно космический корабль, двигаться в вакууме, не касаясь опоры, стало ясно уже более века назад. Над тем, как осуществить такие перевозки в земных условиях, задумался в 1914 году русский инженер Борис Вайнберг. Он предложил пересылать левитирующие в магнитном поле капсулы с пассажирами и грузом по трубе, из которой откачан воздух. Но идея, которая органично смотрелась бы в каком-нибудь ретрофантастическом произведении, в реальном мире оказалась технически нереализуемой. И остаётся таковой уже целый век.

Тем не менее о проекте Вайнберга не забывали. Ещё в середине прошлого века мечтали о строительстве грандиозного трансатлантического «грузопровода» — огромной трубы, висящей в толще воды. Связать континенты должны были «вакуумные поезда», бесшумно скользящие на магнитной подушке на глубине 500 метров, куда уже не пробивается солнечный свет и редко заплывают киты.

Из всех видов «нелетающего» транспорта потери на трение меньше всего у буера

Но лишь три десятилетия назад появилась техническая возможность осуществить подобных проект. В Англии, Германии и Японии открыли первые, экспериментальные линии маглевов (от словосочетания «магнитная левитация»). Летающим поездам тогда прочили большое будущее. Расчёты показывали, что авиация не сможет конкурировать с железной дорогой на внутриконтинентальных маршрутах, если скорость составов удастся довести до 500 километров в час. А маглев не просто мог достичь такой скорости — ему экономически невыгодно было двигаться медленнее! Ведь затраты электроэнергии на левитацию напрямую зависели от продолжительности поездки.

Но высокая скорость подразумевала и большие затраты энергии на преодоление сопротивления воздуха. Обтекаемая, аэродинамически совершенная форма состава не решала проблему. Ведь самолёты пронзали разреженный воздух на высоте десяти и более километров. Маглеву же предстояло развивать авиационную скорость на уровне моря. Как следствие, мысли конструкторов снова обратились к трубе Вайнберга.

ЗВЁЗДНЫЙ ТРАМВАЙ

На строительстве вакуумных трасс можно существенно сэкономить, используя пустоту естественного происхождения. Американский проект Startram («Звёздный трамвай») подразумевает наклонное расположение трубы, фактически превращённой в ствол электромагнитной пушки, чей конец поднят аэростатами на высоту 20 (для беспилотных) или 25 (для пилотируемых полётов) километров. Капсула, разогнанная магнитным полем до космической скорости, покидает атмосферу и выводится на орбиту.

Задумка кажется вполне осуществимой и уж, во всяком случае, куда более реалистичной, чем космический лифт. Но некоторые проблемы остаются. Не вполне ясно, например, как защитить аэростаты, да и сам ствол, от ударной волны при «выстреле».

Художник упустил важную деталь: окружающие челнок клубы пламени. Вхождение капсулы на космической скорости в атмосферу, на высоте 20–25 километров всё ещё плотную, должно сопровождаться мощным взрывом

ТРИ «ТЭ»

В течение десятилетий идея вакуумного поезда считалась настолько фантастической, что запатентовать Evacuated Tube Transport Technologies (вакуумно-трубопроводные транспортные технологии, сокращённо ET3) решился лишь в 1999 году американец Дэрил Остер. Но уже в 2001 году проектом заинтересовались китайцы.

Проект Остера подразумевает прокладку двух (для движения в оба конца) труб диаметром 150 сантиметров, размещённых на высоких опорах. Поезда в привычном понимании здесь нет. Система более всего напоминает пневмопочту — пассажиров «пересылают» в безмоторных шестиместных капсулах.

Транспортная капсула ET3 должна иметь диаметр 130 сантиметров и длину 490 сантиметров. Собственный вес «вагона», вмещающего 370 килограммов груза или 6 пассажиров, не превысит 190 килограммов

Активные электромагнитные обмотки интегрированы в трубы ET3, что превращает их в статор (неподвижную часть) линейного электродвигателя. Капсула становится всего лишь снарядом из ферромагнитного сплава, ускоряемым внешним полем. Левитацию обеспечивают сверхпроводящие магниты.

Такой подход позволяет превратить капсулу в лёгкую (менее 2 центнеров) скорлупку, оборудованную сидениями и системой регенерации воздуха. Развлечениями пассажиров обеспечат телевизоры, имитирующие окна. Ибо заключённым в изолированные от внешнего мира снаряды людям будут необходимы яркие дорожные впечатления, а иллюминаторов конструкция капсулы не предусматривает. Да и что можно было бы через них увидеть, кроме проносящейся в 10 сантиметрах от стекла гладкой поверхности трубы?

Сомнения вызывает пропускная способность линий ET3. Для обслуживания крупного аэропорта потребуется отправлять по 10–20 капсул в минуту

Пропускная способность системы будет зависеть от расторопности механизмов, подающих «снаряжённые» капсулы через шлюзовые камеры в «ствол». Предполагается, что отсутствие трения, высочайшая эффективность линейного электродвигателя (в котором опять-таки отсутствуют подвижные части и, значит, нет трения и износа), а также возможность переключить систему на режим «генератора» и, таким образом, вернуть при торможении часть затраченной на разгон капсулы энергии обеспечат ET3 экономичность, недостижимую для рельсовых поездов. Невероятной окажется и скорость перемещения пассажиров. Теоретически она может достигать 1,5 –2километров в секунду — втрое быстрее сверхзвукового истребителя! На практике, впрочем, скорость будет зависеть от кривизны трассы. Ведь на поворотах магнитной подвеске придётся выдерживать не только вес «снаряда», но и перегрузки, создаваемые центробежной силой. Интересно, что технологию ET3 может приобрести любой желающий — Остер свободно продаёт лицензии на неё.

В отдалённой перспективе линии ET3 должны соединить США с Японией (через российскую территорию), а затем, пересекая моря и горные цепи, протянуться в Европу, Африку и Австралию. Но ближайшие планы подразумевают лишь изготовление действующего макета системы, и только в 2020 году начнутся испытания линии «в натуральную величину».

МАГЛЕВ

Маглев — поезд на магнитной подушке — удерживается на небольшой (5–10 сантиметров) высоте над трассой благодаря отталкиванию одноимённых полюсов мощных электромагнитов. Опоры, от которой можно оттолкнуться, состав, таким образом, не имеет и приводится в движение линейным электродвигателем. Мотор работает по принципу электромагнитной пушки — обмотки статора создают электромагнитное поле, ускоряющее снаряд.

Маглев способен развивать скорость в сотни километров в час, при этом в пять раз превосходя самолёт по экономичности. Но обычный рельсовый электропоезд расходует ещё меньше энергии, поэтому в мире на данный момент остались лишь три «магнитные» трассы — 30-километровая в немецком городе Эмсланд (она используется как аттракцион), 30-километровая в Шанхае (дорога в аэропорт) и 9-километровая в японском Нагое.

Маглевы, призванные конкурировать с самолётами, сами напоминают фюзеляжи авиалайнеров

ЕВРОПЕЙСКИЕ ТРАДИЦИИ

Во многом схожий с ET3 Дэрила Остера проект разрабатывался в Швейцарии с 1974 года. Swissmetro должно было представлять собой проложенные под землёй трубы диаметром 180 сантиметров. Восьмиместным, снующим со скоростью 500 км/ч капсулам предстояло перевозить пассажиров между Цюрихом, Берном, Базелем, Женевой и Лозанной. Рассматривалась также возможность продолжения линий во Францию и Германию — в случае, если бы эти страны проявили заинтересованность. Но они её не проявили.

Технические детали проекта так и не были проработаны — все 35 лет обсуждалась целесообразность выделения средств на их проработку. В 2009 году проект Swissmetro был закрыт. Но швейцарцы до сих пор не уверены, что это решение было достаточно продуманным.

Предполагается, что строительство трассы ET3 обойдётся не дороже постройки обычного метрополитена. То есть около 100 миллионов рублей за километр

Британская трубо-транспортная система FTS (Fast Tube System) не может похвастаться столь долгой историей. Английские инженеры обратились к идее вакуумного поезда, способного заменить автомобильный и железнодорожный транспорт, только в 2002 году. Причём сразу же пришли к выводу, что лучше всего будет обойтись без магнитной левитации.

Карта линий скоростного «Швейцарского метро», постройка которых уже не планируется

Изобретатели FTS видят спасение от пробок и выхлопных газов в том, чтобы покрыть остров настоящей паутиной дешёвых трасс, по конструкции и цене мало отличающихся от водопроводных труб диаметром до метра. По сети должны перемещаться узенькие тележки, рассчитанные на одного либо двоих пассажиров, расположенных лёжа, ногами по ходу движения. Крошечные вагоны, которые можно будет вызвать на станциях, как сейчас вызывают лифт, автоматически будут подаваться на нужные «линии». После чего со скоростью 400 км/ч понесутся по проложенным в трубах рельсам.

ГИПЕРПЕТЛЯ

Жизнеспособную идею вакуумно-трубопроводного транспорта совсем недавно подал Элон Маск, глава компании Space X, разработавшей первый частный космический грузовик Dragon. Проект привлёк широкое внимание общественности, тем более что личность создателя внушает определённый оптимизм: Маск не стеснён в средствах, и его идеи, какими бы безумными они ни казались, уже получали путёвку в жизнь. Система получила название Hyperloop («Гиперпетля»). Капсулы с пассажирами (до 28 человек) движутся по трубопроводу, размещённому на эстакаде. Давление внутри трубы составляет около 1/1000 атмосферы, диаметр трубы — чуть больше двух метров. Интересно, что автор предложил не только красивую презентацию своего проекта, но и его подробное экономическое обоснование, доступное каждому на официальном сайте системы (spacex.com/hyperloop). Первую такую дорогу Space X обещает построить между Лос-Анджелесом и Сан-Франциско. Расстояние в 550 километров «петля» преодолеет примерно за 35 минут, при этом билет будет стоить около 20 долларов. Стоимость проекта составит не более 6 миллиардов долларов, ожидаемый срок реализации — уже через четыре года.

Главное отличие FTS от китайской и швейцарской систем состоит в том, что статор линейного электромотора размещён на самих тележках. Питание подаётся к двигателю по контактному рельсу, труба же становится «пассивным элементом». Такой подход позволяет предельно удешевить строительство транспортной сети, хотя расходы на перевозку оказываются в несколько раз выше. Ведь вместимость капсул минимальна, а вес сравнительно велик. И опять-таки остаётся трение — обеспечить магнитную левитацию внутри обычной, лишённой обмоток трубы невозможно.

Подземное расположение труб позволяет минимизировать количество жертв в случае аварии. Коснувшись стенки на скорости 2 км/с, капсула испарится, но 20 метров грунта способны поглотить ударную волну

НЕ ВЗЛЕТИТ!

Всерьёз взявшись за реализацию идеи вакуумного поезда, инженеры сразу же столкнулись с целым рядом проблем, о которых конструкторы-теоретики, начиная с Вайнберга, не задумывались. Например, оказалось, что при скорости капсулы 500–1000 км/ч вакуумирование трубы уже нецелесообразно, так как на откачку воздуха будет затрачено больше энергии, чем поглотит трение. Оптимальным оказывается давление в треть или в четверть атмосферного — как на высоте 7–10 километров. Но, скорее всего, плотность воздуха в трубе будет снижена всего в полтора-два раза. Ибо только набегающий поток воздуха способен предотвратить поджаривание пассажиров — иначе не отвести избыточное тепло, выделяющееся в корпусе и обмотках «вагона».

ГРАВИТАЦИОННЫЙ ПОЕЗД

Идею гравитационного поезда впервые сформулировали французские учёные ещё в позапрошлом веке. Если соединить два города геометрически прямым тоннелем — то есть не дугой, изгибающейся вместе с земной поверхностью, а хордой, — состав первую половину пути будет ускоряться, катясь под уклон, а вторую — тормозиться на подъёме. Ведь центральная часть тоннеля окажется ближе к центру планеты, чем его концы.

Любопытно, что, независимо от расположения станций, поездка на гравипоезде между ними всегда будет занимать 42 минуты. Но строительство трансконтинентальных, проходящих через расплавленную мантию Земли гравитрасс технически невозможно. Короткие же маршруты с заглублением не более 5000 метров невыгодны экономически.

Частично идея гравитационного поезда реализована при сооружении Московского метрополитена. Подъёмы и спуски на перегонах позволяют экономить энергию при разгоне составов и торможении перед станциями

Да и найдутся ли желающие пользоваться «вакуумным поездом»? Маглевы существуют уже 30 лет, но, вопреки прогнозам, бурного развития этого вида транспорта не наблюдается. Во всём мире действующие маглевы можно пересчитать по пальцам одной руки. Несмотря на ряд бесспорных преимуществ, поезда на магнитной подушке терпят поражение в конкурентной борьбе со скоростными электропоездами традиционной конструкции.

При скорости до 500 км/ч рельсовый транспорт экономичнее левитирующего и не требует прокладки специальных дорогостоящих трасс. Кроме того, по одним и тем же рельсам могут ездить как пассажирские, так и товарные составы. А вот поддержание магнитной левитации вагонов с углём и цементом экономически нецелесообразно.

Опасность поездок на «вакуумном поезде» не стоит преувеличивать. Даже самые современные авиалайнеры практически не имеют средств для спасения пассажиров в случае катастрофы

«Вакуумные пути», конечно же, обойдутся ещё дороже, чем трасса для обычного маглева, но позволят капсуле свести энергетические затраты к минимуму и разгонят её до скорости, для обычного электропоезда недосягаемой. Но даже скромные 500 км/ч бесполезны на маршруте протяжённостью в десятки километров. При поездках на короткие дистанции пассажиры теряют куда больше времени, добираясь до вокзала и ожидая отправки поезда. А тут ещё добавится задержка, связанная со шлюзованием снаряда. Если же связать линиями ET3 континенты, то как загнать грандиозный пассажиропоток в узенькую трубу? Разрешить это противоречие ещё предстоит.

***

Технические проблемы, которые стоят на пути создания совершенного транспорта — непревзойдённо экономичного, бесшумного, не зависящего от погоды, — грандиозны, но преодолимы. Работы в рамках проекта ET3 позволяют приобрести бесценный опыт и создать новые технологии. С каковой целью, несомненно, и проводятся. Практическую же ценность вакуумный поезд приобретёт, если будут построены линии, тянущиеся на тысячи километров и способные доставлять капсулы с сотнями пассажиров. Это потребует фантастических затрат. Но будет сделано, хотя и нескоро. Скорость, недостижимая для сверхзвукового самолёта, и в десятки раз меньшие энергетические затраты, чем у железнодорожного состава, дают вакуумному поезду слишком большое преимущество.

Комментарии к статье
Для написания комментария к статье необходимо зарегистрироваться и авторизоваться на форуме, после чего - перейти на сайт
Max-88
№ 1
08.11.2014, 13:24
Очень интересный трубопровод в Нью-Нью-Йорке.
РАССЫЛКА
Новости МФ
Подписаться
Статьи МФ
Подписаться
Новый номер
В ПРОДАЖЕ С
24 ноября 2015
ноябрь октябрь
МФ Опрос
[последний опрос] Что вы делаете на этом старом сайте?
наши издания

Mobi.ru - экспертный сайт о цифровой технике
www.Mobi.ru

Сайт журнала «Мир фантастики» — крупнейшего периодического издания в России, посвященного фэнтези и фантастике во всех проявлениях.

© 1997-2013 ООО «Игромедиа».
Воспроизведение материалов с данного сайта возможно с разрешения редакции Сайт оптимизирован под разрешение 1024х768.
Поиск Войти Зарегистрироваться