Подземный космос: вакуумные поезда

Подземный космос: вакуумные поезда

Как ни парадоксально, один из самых экономичных видов транспорта — космический корабль. Казалось бы, затраты, связанные с доставкой грузов на орбиту, очень высоки, но если пересчитать их в соотношении «тонна-километр», ситуация разительно изменится. Горючее, по сути, можно расходовать только на разгон, а затем, не встречая сопротивления среды, корабль будет двигаться сколь угодно долго без внешних воздействий. А что, если сделать по такому же принципу поезд?

Увеличение скорости и экономичности наземных транспортных средств в значительной мере достигается борьбой с трением. На сегодняшний день наивысшее достижение в этой области — магнитная левитация. С 70-х годов прошлого века в Германии, Англии, Японии, Китае проходят испытания поезда на магнитной подушке, некоторые страны ввели в эксплуатацию магнитные дороги (например, линия Линимо в Нагое, Япония). Сведение трения к минимуму обеспечивает составу высокую экономичность, бесшумность и возможность развивать скорость порядка 400−500 км/ч.

По замыслу Дэрила Остера, трубопроводы ET3 должны связать Америку с Азией через Берингов пролив и далее тянуться в Японию по Курильской гряде, в Австралию, в Африку, в Европу через Урал, а оттуда снова на Американский континент через северные моря, Исландию и Гренландию. Но это в отдаленной перспективе. Пока же предполагается, что к 2013 году будет сооружена миниатюрная модель вакуумного поезда, а в 2020 году появится первая экспериментальная линия ET3, капсулы которой смогут развивать скорость от 500 до 1000 км/ч.

Поезд на магнитной подушке не только можно, но и выгодно делать сверхскоростным, поскольку затраты энергии на поддержание магнитной левитации тем ниже, чем меньше время в пути. С другой стороны, при увеличении скорости аэродинамическое сопротивление возрастает в определенной прогрессии. Исключить его целиком можно, проложив трассу маглева внутри трубы, из которой откачан воздух. Интересно, что примерно таким образом представлял себе идеальный транспорт российский ученый Борис Вайнберг еще в далеком 1914 году. Но вернемся в наше время.

Проект ET3

Идея вакуумного поезда витает в воздухе уже почти целый век. В 1960-х годах на волне технооптимизма родилась смелая концепция трансатлантического грузопровода, по безвоздушным трубам которого, заякоренным в толще вод на глубине полукилометра, из Европы в Америку неслись бы составы на магнитной подушке. Тем не менее патент на Evacuated Tube Transport Technologies (вакуумно-трубопроводные транспортные технологии) был получен лишь в 1999 году американским инженером Дэрилом Остером. А два года спустя всерьез взяться за воплощение его идеи в металле решились китайцы во главе с профессором Чжаном Яопином.

В представлении Остера предназначенная для двухстороннего движения трасса ET3 (или ETT) должна представлять собой пару надземных труб диаметром 150 см. Транспортная капсула, скользящая в вакууме на подвеске из магнитного поля, будет иметь диаметр 130 и длину 490 см. Собственный вес «вагона», вмещающего 370 кг груза или шесть пассажиров, не превысит 190 кг. Его двигателем — вторичным элементом коаксиального линейного электромотора, статором которого является снабженная обмотками труба ET3 — станет сам корпус, изготовленный из ферромагнитного сплава. Минимальный зазор между вторичным и первичным элементами позволит установить асинхронный линейный двигатель вместо синхронного, применяемого в существующем скоростном электрическом транспорте.

Внешне вагон ETT представляет собой правильный цилиндр. По аналогу с известной физической шуткой можно назвать его «цилиндрическим поездом в вакууме». В патенте Дэрила Остера вагоны снабжены иллюминаторами, но китайцы несколько переработали проект, предполагая установку экранов — имитаторов окон.

Помимо пассажирских сидений и системы регенерации воздуха внутри капсулы понадобится расположить лишь электродинамическую подвеску (EDS) на сверхпроводящих магнитах, обеспечивающую магнитную левитацию. Причем ее обмотки предназначаются только для отклика на внешние поля: активная часть электромагнитной подвески также интегрируется в трассу-трубу. Сама капсула будет нуждаться лишь в миниатюрных аккумуляторах, предназначенных для питания телевизоров и виртуальных окон, на которые с расположенных снаружи трубопровода камер могут транслироваться виды пересекаемой местности.

Поскольку капсула движется практически без сопротивления, а большая часть энергии, затраченной на разгон, может быть возвращена при торможении, ожидается, что экономичностью ET3 превзойдет рельсовый поезд в десятки раз. Способствует этому и высокая эффективность линейного двигателя, непосредственно преобразующего электрическую энергию в механическую и не имеющего подверженных трению деталей. Скорость же вакуумного поезда может достигать 6500−8000 км/ч (сложно сказать, как это повлияет на психику пассажиров, — видимо, такие скорости реальны только для товарных составов). Фактически ограничения на нее накладывает лишь невозможность сделать трассу идеально прямой, поскольку на поворотах электромагнитам придется компенсировать не только вес капсулы, но и центробежную силу.

Китайцы внесли в проект ряд серьезных корректив: трасса, скорее всего, будет пролегать под землей, а не на опорах, да и полное вакуумирование труб не планируется (хотя давление в них будет снижено). Это, конечно, минус, но предварительные расчеты показали, что затраты энергии на создание вакуума в системе превосходят расходы на разгон капсулы и поддержание ее левитации. Плюс к тому некоторое количество воздуха в трубопроводе поможет решить проблему отвода тепла, выделяющегося в обмотках и корпусе капсулы.

Предполагается, что благодаря снижению требований к герметичности труб строительство трассы обойдется не дороже обычного метрополитена, то есть около $3 млн на километр.


Исторический экскурс

Идея пассажирского трубопровода имеет древнюю историю. Еще в 1667 году французский физик Дени Папен предлагал использовать сжатый воздух для переправки грузов по трубе. Во второй половине XIX века крупнейшие города Европы обзавелись пневмопочтой, и, естественно, стала всерьез рассматриваться возможность строительства «атмосферических железных дорог». Но далее проектов дело не зашло.

Герметичная транспортная труба обошлась бы дороже открытого рельсового пути. Единственное же бесспорное преимущество пневматического транспорта заключалось в возможности обойтись без локомотива и машиниста. Поезд приводился бы в движение и управлялся внешней силой. Но если для крошечной капсулы пневмопочты это было огромным достоинством, то для железнодорожного состава — крайне незначительным. Он-то вполне мог вместить котел, кочегаров и запас угля.


Аналогичные проекты

Именуемый Swissmetro проект, во многом подобный ET3, разрабатывался в Швейцарии с 1974 года. Развивающий скорость до 500 км/ч подземный вакуумный поезд на магнитной подушке должен был курсировать между главными городами страны: Женевой, Лозанной, Базелем, Берном и Цюрихом. Швейцарский вариант отличался от китайского несколько большим диаметром труб (180 см) и восьмиместной капсулой. О прочих особенностях судить трудно, так как толком проработаны они не были. В 2009 году 35-летняя история проекта завершилась его закрытием (впрочем, компания не ликвидирована, ее акционеры все еще надеются на возрождение).

Громкий проект Swissmetro, схожий с ET3, еще с 1974 года разрабатывался в Швейцарии. Развивающий скорость до 500 км/ч подземный вакуумный поезд на магнитной подушке должен был курсировать между главными городами страны: Женевой, Лозанной, Базелем, Берном и Цюрихом. К сожалению, проект так и не дошел до стадии воплощения «в железе»; на сегодняшний день от него остались только надеющиеся на лучшие времена акционеры.

В 2002 году к идее вакуумного поезда обратились английские инженеры. FTS (Fast Tube System), призванная, по замыслу изобретателей, заменить не только железнодорожный, но и автомобильный транспорт, должна была представлять собой покрывающую всю страну паутину труб сравнительно небольшого диаметра — транспортные капсулы рассчитаны лишь на одного или двух пассажиров, располагающихся в положении лежа. В отличие от левитирующих вагонов ET3 миниатюрному снаряду FTS предстоит катиться со скоростью 420 км/ч — на колесах по рельсам, без всякой магнитной подвески. Статором линейного электродвигателя, питание к которому подводилось бы по контактному рельсу, предлагается оснастить сами тележки (расчетная масса которых в результате выше, чем у многоместных капсул ET3). Трубе же отводится роль вторичного, пассивного элемента, благодаря чему конструкция трубопровода предельно упрощается.

Перечисленные особенности, конечно же, в значительной мере лишают вакуумный поезд такого типа серьезных преимуществ. Даже не принимая во внимание трение о рельсы, за счет относительно небольшого веса и низкой вместимости тележки затраты энергии на транспортировку одного пассажира обещают быть в несколько раз выше, чем в случае ET3 или Swissmetro. Зато, по мнению авторов, строительство сети FTS обойдется дешево — не дороже прокладки водопроводных труб большого диаметра.

Одна из проблем вакуумного транспорта — воздействие сверхвысоких скоростей и замкнутого пространства на пассажиров без специальной подготовки, которую проходят, например, летчики или космонавты. Конструкторы не без оснований опасаются, что пассажирам ET3, заключенным в тесных, изолированных от внешнего мира «снарядах», будут мешать приступы клаустрофобии. Рассматривается даже возможность снабжения надземных транспортных труб обычными окнами.

«За» и «против»

Итак, в основе концепции вакуумного поезда лежит уже давно ставший реальностью поезд на магнитной подушке. Между тем бурного развития левитирующего транспорта, с которым 30 лет назад связывались большие надежды, пока что не заметно. Несколько построенных в 1980-е годы линий уже закрыты, на сегодняшний день эксплуатируются лишь 30-километровая трасса в Эмсланде (Германия), такой же длины дорога в Шанхае и 9-километровый участок в Нагое (Япония).

Теоретически маглев может развивать скорость, вполне сопоставимую со скоростью самолета, при впятеро меньших затратах энергии. Но скорость становится весомым достоинством только на больших дистанциях: на 30-километровой трассе способность разгоняться до 500 км/ч практически бесполезна.

Опять же: теоретически маглев втрое экономичнее автомобиля (хотя и уступает обычному поезду), но только при перевозке ограниченного числа пассажиров, так чтобы их масса была невелика по отношению к массе поезда. Если же состав нагрузить, преимущество исчезнет. Для перевозки товаров транспорт на магнитной подушке непригоден.

Обычные скоростные электропоезда, почти столь же быстрые и значительно более экономичные, при этом не требующие прокладки специальных, оригинальной конструкции путей, на данный момент выигрывают в конкурентной борьбе с маглевами. Изменит ли ситуацию освобожденная от воздуха труба? Главный недостаток поезда на магнитной подушке — дороговизна строительства дорог, а также их неприспособленность для тяжелых грузоперевозок и движения других видов транспорта — только усугубится. К тому же непонятно, например, каким образом конструкторы ET3 намереваются пропустить через 150-сантиметровое «игольное ушко» все возрастающие межконтинентальные пассажиропотоки. Малая вместимость капсул и необходимость их шлюзования перед подачей в вакуумированный канал снижают пропускную способность транспортной системы, делая ее непригодной даже для обслуживания крупного аэропорта.


Гравитационный поезд

Потенциально магнитно-вакуумные транспортные технологии позволяют осуществлять перевозки вообще без затрат энергии на разгон и торможение вагонов. Идея гравитационного поезда стара, впервые она была предложена Французской академии Ннаук еще в XIX веке. Достаточно соединить любые два пункта на земной поверхности (предположим, что они расположены на одной высоте над уровнем моря) прямым тоннелем — не в географическом, а в геометрическом понимании, то есть игнорирующим сферическую форму планеты. В этом случае центральная часть трассы окажется расположенной ближе к центру Земли, чем ее концы, половину дороги поезд будет скользить под уклон, ускоряясь силой тяжести, вторую же часть пути он преодолеет по инерции, поскольку трения нет. Независимо от расстояния поездка на гравитационном поезде будет продолжаться 42,2 минуты — если условно считать нашу планету идеально круглой.

Разумеется, прямой тоннель, соединяющий города в разных полушариях, должен будет пройти через центр Земли, а подобный проект нельзя назвать даже научной фантастикой. Не говоря уж о температуре и давлении в недрах, внутренняя твердая часть земного ядра вращается не синхронно с корой, да и на современном уровне развития техники едва ли возможно строительство тоннеля даже на глубине 5000 метров. Но частично идея гравитационного поезда уже нашла применение при сооружении Московского метрополитена. Подъемы и спуски на перегонах позволяют экономить энергию при разгоне составов и торможении перед станциями.


Недостаточно проработаны и вопросы обеспечения безопасности вакуумного поезда. Конструкторы FTS предлагают оборудовать капсулы ремнями и подушками безопасности (на случай схода тележки с рельсов), а также кислородной маской (на случай разгерметизации). К сожалению, после срабатывания подушки воспользоваться маской невозможно. Но — авторы это признают, — если катастрофа произойдет на скорости 400 км/ч, отсутствие воздуха в тоннеле пассажира беспокоить уже не будет.

Завершая тему

Стоит заметить, что конструкция самых современных авиалайнеров включает довольно сомнительные средства спасения пассажиров в случае катастрофы. Тем не менее большинство людей спокойно относятся к полетам. Низкая вероятность отказов в магнитно-вакуумных транспортных системах сделает сверхскоростные поезда достаточно безопасными.

Реализация смелого замысла Дэрила Остера требует огромных затрат. Предстоит решить бесчисленные технические проблемы. Но уже сейчас видно, что сложности преодолимы. Пассажирские поезда, в два-три раза более скоростные, чем сверхзвуковые авиалайнеры, колоссальные межконтинентальные «грузопроводы», подвешенные в толще океанских вод, даже индивидуальные «линии доставки», по которым товары отправляются покупателям на дом, — все это вполне может появиться. Если не к концу нынешнего столетия, то в начале следующего века капсулы, скользящие в пустоте на магнитной подушке, заменят и вытеснят прочие виды транспорта, исключая личные автомобили и круизные лайнеры. По крайней мере мы можем в это поверить.

Статья «Подземный космос: вакуумные поезда» опубликована в журнале «Популярная механика» (№6, Июнь 2012).
Комментарии

Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь,
чтобы оставлять комментарии.