Рассмотрены три варианта канатных транспортных систем на магнитной левитации и способы их работы 2 (стр. 10 из 12)

При себестоимости 1 км нановолоконного каната 20-30 тыс. долларов США и себестоимости 1 анкерной опоры и ее установки порядка 45 тыс. долларов, себестоимость пути в одном направлении с расстояниями между опорами 10 км составит порядка 25-35 тыс. долларов США на 1 км пути. Это, как минимум, в 100 раз дешевле любой высокоскоростной наземной транспортной системы. Т.е., переход на строительство пути на основе дорогих материалов, но имеющих уникальные качества – в 460 раз прочнее и легче стали, позволяет практически во столько же раз уменьшить себестоимость пути.

Рассчитаем альтернативные железным дорогам перевозки грузов на основе 2D авиации при максимально возможной скорости и грузоподъемности железных дорог.

Полный взлетный вес P₀ -75 т,

Грузоподъемность – 50 т,

Крейсерская скорость полета – 300 км/ч,

Размах крыльев – 15 м,

Нагрузка на крыло – 150 кг/м²,

Аэродинамическое качество – 10-15

Транспортный модуль можно изготавливать из легких композитных материалов на основе углеродных нанотрубок, что резко уменьшает вес модуля.

Минимально необходимая скорость движения для подъема груза определяется из формулы (2), преобразованной к виду:

, (10)

где r_в– плотность воздуха у земли, g – ускорение свободного падения, S – площадь крыла, c_y – аэродинамический коэффициент, определяющий подъемную силу, который изменяется в зависимости от геометрии крыла для разных режимов полета от 0,4 до 2,5.

Для крейсерской скорости и тонкого крыла площадью 500 м²c_y =0,4. Тогда минимальная скорость составит 272 км/ч. Чтобы уменьшить площадь землеотвода, сохранив при этом грузоподъемность и площадь крыла, необходимо использовать планер в виде триплана (см. Фиг.5).

Необходимая мощность двигателя, следовательно, энергия, затрачиваема на полет P_x, будет определяться лобовым сопротивлением по формуле (3). При каплевидном виде корпуса c_x = 0,04, площадь сечения S_x= 11,25 м². Для тонкого крыла c_x = 0,075 и S_x= 6,25 м². Тогда при скорости 300 км/ч мощность двигателя P_x составит 343 кВт. На преодоление 1000 км модуль затратит 3,33 ч, т.е., потребуется 1142 кВт ч, или 388 кг условного топлива. Т.е, на 1 т перевозки полезного груза на 1000 км потребуется 7,6 кг условного топлива.

В результате мы видим, что 2D авиация является более экономичным транспортом, чем современные железные дороги. При этом скорость перевозок практически возрастает с 80 км/ч до 300 км/ч.

Поясним, каким образом в 2D авиации при постановке железнодорожного вагона на «крыло» скорость перевозки возрастает в 3,8 раза, а энергозатраты остаются эквивалентными энергозатратам железнодорожного транспорта (80 км/ч) (см. Табл.1). Это связано с тем, что энергозатраты на преодоление трения качения в системе колесо/рельс оказались соизмеримыми с энергозатратами на преодоление аэродинамического сопротивления транспортного модуля 2D авиации [26]. Это достигнуто за счет его аэродинамической оптимизации, применения линейных электродвигателей с высоким 95% кпд тяги и новых композиционных материалов. При этом полезная нагрузка модуля достигает 70% взлетного веса, что в 2,5 раза выше, чем у самолетов.

Основной проблемой транспортных систем в Европе является землеотвод и экологические требования к ним.

Поэтому, другим вариантом реализации является создание транспортных трасс 2D авиации вдоль автомагистралей или создание энерго-транспортных трасс взамен высоковольтных линий электропередач.

2D авиация автоматически решает обе эти проблемы. Располагать транспортную структуру можно непосредственно над скоростными автомагистралями, например, можно использовать небольшие пассажирские летельные аппараты типа «ЭКИП» (см. Фиг.3). Тогда можно будет переключить транспортный поток с движения по земле на движение по воздуху. Автомобили вместе с пассажирами можно будет перевозить в специальных контейнерах, размещенных в транспортных модулях. Это аналогично перевозкам автомобилей с пассажирами в специальных контейнерах по железной дороге со скоростью до 180 км/ч, что рассматривается в проектах транспортных систем AutoShuttle, Autran и AVT-TRAIN [27]. В 2D авиации скорость перевозки значительно выше и достигает 300 км/ч.

Согласно нашим расчётам - это, во-первых, дешевле, чем ехать на той же машине по дороге, во-вторых, это быстрее — 300 км/час, в-третьих — экологически чисто, а в четвёртых — безопасно и нет пробок. В один транспортный модуль может вмещаться 4-6 легковых автомобилей плюс салон для пассажиров со всеми удобствами (см. Фиг.4). Себестоимость перевозки одного автомобиля будет не выше стоимости бензина, необходимо для проезда автомобиля на тоже расстояние.

В развитых странах с высокой плотностью населения, как правило, электроэнергия подводится к городам по высоковольтным линиям передач. Сама процедура выделения земельных участков под линии электропередач давно закончена. Избежать длительного процесса выделения земельных участков возможно за счет объединения функций передачи электроэнергии и трассы 2D авиации. В этом случае мы имеем возможность осуществить достаточно удобный доступ к центрам городов для 2D авиации.

Опоры для 2D авиации легко использовать для прокладки линий электропередач без потерь на основе сверхпроводящего кабеля более 1 ГДж на одну линию. В этом случае можно сэкономить до 10% передаваемой электроэнергии.

Другим вариантом объединения энерго транспортных систем является ввод в города трасс 2D авиации над железнодорожными линиями. Здесь также можно непосредственно передавать большие объемы электроэнергии.

Отсюда следует, что существуют все предпосылки для промышленной реализации транспортной системы 2D авиация.

Для технической реализации космического лифта (см Фиг. 11) существует более сложная технологическая проблема, связанная с необходимостью использования существующей ракетно-космической техники для натягивания каната. В настоящее время эта проблема разрабатывается несколькими фирмами типа LiftPort и HighLift и исследовательскими институтами под руководством NASA [11]. В качестве транспортного модуля в космическом лифте можно использовать космические планеры типа Шатл или Буран. Это увеличивает надежность лифта, так как при обрыве каната модуль может приземлиться автономно. Полетный вес их уменьшается за счет отсутствия топлива и уменьшения мощности реактивного двигателя. Двигатель необходим только для аварийной посадки модуля.

Электромагнитный лифт может находиться в шахте или на эстакаде (см. Фиг. 12). Движение будет осуществляться по сверхпроводящим канатам с использованием магнитной левитации. Линейные сверхпроводящие электродвигатели устанавливаются в движущемся модуле лифта. Канаты будут периодически закрепляться на стенках шахты/башни. Упрощенные варианты электромагнитного лифта можно использовать для создания скоростных лифтов в небоскребах, для перемещения грузов.

Принцип магнитной левитации можно использовать для модернизации существующих железнодорожных транспортных систем. Наиболее просто можно реконструировать уже существующие электрофицированные железные дороги путем дополнительной прокладки по рельсу высокотемпературного сверхпроводящего каната. Это можно осуществить простым и дешевым способом путем фрезеровки небольшой канавки 1-10 мм в головке рельса, в которую закладывается канат. Процесс фрезерования можно легко сделать непосредственно на уже установленных рельсах. В подвижном составе колесные тележки заменятся на линейные электродвигатели на высокотемпературных сверхпроводниках. Реконструкции электросети не требуется. В результате мы получим очень дешевый аналог системы Маглев, полностью исключив проблему трения колеса о рельс. Кроме того, по модернизированной железной дороге можно будет осуществлять и обычное традиционное передвижение на колесах. Железная дорога приобретет новые качества – увеличится скорость в 1,5 -2 раза, уменьшится износ трассы и колес, возрастет угол наклона транспортного пути, что упростит строительство дорог в горах, и особо важно – упростит переход с одной ширины колеи на другую и исключит шум и вибрацию, что весьма актуально для пассажирских перевозок и метро.

Таким образом, использование нанотехнологий для создания сверхпрочных сверхпроводящих проводников (канатов) позволяет создать принципиально новые транспортные системы на магнитной левитации, которые полностью решают скоростную транспортировку пассажиров и грузов на земле, в воздухе и космосе при увеличении безопасности, экологичности и уменьшении себестоимости.

Литература

Транспорт: Наука, Техника, Управление. Сборник обзорной информации. ВИНИТИ, 1995, №9.
Машиностроение. Энциклопедия. Самолеты и вертолеты. Т.IV-21/К.Ф. Фролова. Изд. М. Машиностроение. 2002.
http://www.khsu.ru/fly/trans_problem.shtml#2
Петренко О.С. Подвесные рельсовые дороги. М. Машиностроение. 1981.
Грушевич А.Е. Автомобили: Теория: Учебник для вузов. Мн.: Высшая школа, 1986. Стр.93.
Патент RU 2080268С1
Какурин В.К. Проектирование висячих и вантовых мостов. М. Транспорт. 1971.
Глазунов А.А. Работа и расчет проводов и тросов. Т.1. Основы механической части воздушной линии электропередачи. Л.М. Госэнергоиздат. 1956.
Машины непрерывного транспорта/Павинский В.И. М. Машиностроение. 1969.
Edwards, B. C., Design and Deployment of a Space Elevator, Acta Astronautica , 2000, 47 no. 10, page 735-744. Смотрите также сайт автора http://www.bradleyedwards.info/BCE_resume.pdf
http://www.isr.us/Downloads/niac_pdf/contents.html,
Юрий Арцутанов, “В космос на электровозе”, Комсомольская правда. 31.07.1960 г.
Дж.Барбер. Электромагнитная рельсовая пушка», Ф.Хилтон. «Космический электромагнитный транспорт – теория и история. http://sakramento3.narod.ru/zerkalo/uskor.htm.
Транспорт с магнитным подвесом/ Ю.А. Бохвалов, В.И. Богаров и др. М. Машиностроение. 1991. 320 с.
Авиация: Энциклопедия / Гл. ред. Г.П. Свищев. М.: БРЭ, 1994. 736 с.
Белавин Н.И. Экранопланы. Ленинград. Судостроение. 1977.
Патенты RU 2015941, 2011542, 2033945, http://www.ekip-aviation-concern.com/rus-b/10.shtml
Экономические перспективы. Том 5. Электронный журнал Государственного департамента США № 3. октябрь 2000 г. http://www.infousa.ru/economy/ijee1000.htm.
Авт свид. CCCР № 35209.
US Patent 5,535, 963.
US Patent 6,570,224 B1
Patent JP6227806, US 6,203,864, CN1598971, Patent Application US 2005106093.
Guo-meng (Peter) Zhao. The resistive transition and Meissner effect in carbon nanotubes: Evidence for quasi-one-dimensional superconductivity above room temperature. http://www.superconductors.org/roomnano.pdf
Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. 2005. Изд-во: Физматлит. 416 с.
http://www.sciencerf.ru/client/fcntp.aspx?ob_no=1806&cat_ob_no=562 , Science.
Д. П. МАРКОВ, Коэффициенты трения и сцепления при взаимодействии колес с рельсами. Вестник ВНИИЖТ, 2005, № 4.
http://www.membrana.ru/articles/technic/2002/04/18/114500.html

Формула изобретения