Рассмотрены три варианта канатных транспортных систем на магнитной левитации и способы их работы 2 (стр. 3 из 12)

Рассмотрим воздушные транспортные системы. Известно, что летательные аппараты тяжелее воздуха (самолеты, вертолеты, экранопланы) должны иметь большую удельную мощность на единицу веса и большой запас топлива для передвижения на большие расстояния. Например, вертолет имеет удельную мощность 300 Вт/кг при крейсерской скорости порядка 250-300 км/ч. Винтовые и турбовинтовые самолеты имеют удельную мощность порядка 100 Вт/кг при крейсерской скорости 500-650 км/ч. Турбореактивные самолеты имеют удельную мощность порядка 150 Вт/кг при крейсерской скорости 700-900 км/ч [2,15]. Экранопланы имеют лучшие аэродинамическое качество и экономические показатели, чем самолеты за счет полета на небольшой (до 10 м) высоте над ровными поверхностями или водой [16]. Вертолеты из-за низких – в 2-3 раза ниже, чем у самолетов – экономических параметров имеют узкий круг применения и не используются для массовых перевозок (см. табл.1).

В настоящее время наиболее широко получили развитие турбореактивные самолеты для перевозки большого количества грузов и пассажиров. Например, Ил-96, Боинг 747, Боинг 777, новейший аэробус А 380 и т.п. У всех этих самолетов есть предельные экономические характеристики, которые были достигнуты еще в 1970-ые годы. Это удельное потребление топлива - грамм/(пассажир, километр). Оно равно порядка 20 г/(пас км). Для перевозки грузов используется аналогичная характеристика – грамм/(тонна километр). Из расчета, что 1 человек весит 100 кг, эти характеристики соотносятся как 200 г/(тонна км). Кроме того, в соответствии с требованиями безопасности полетов, каждый самолет берет с собой дополнительное топливо на 0.5 -1 час полета.

Из-за высоких шумовых характеристик полеты самолетов осуществляются на высоте 5 -10 км. При этом затраты энергии для подъема самолета на высоту полета определяются выражением

(1)

где g – ускорение свободного падения, m – масса самолета, h – высота полета. Например, для самолета массой 10 тон при высоте полета 10 км, затраченная энергия составит 980 МДж. Это соответствует неэффективным затратам топлива при коэффициенте полезного действия двигателя 0,3-0,4, кпд движения 0,25-0,35 (см. табл. 2) и удельной энергоемкости топлива 44 МДж/кг порядка 180 литров.

Для горизонтального перемещения самолета необходимо создать подъемную силу, которая будет связана с аэродинамическим качеством самолета соотношением:

, (2)

где C_y – коэффициент вертикального сопротивления, S_y – площадь крыла, v_x – горизонтальная скорость самолета, r - плотность воздуха.

Необходимая мощность двигателя для горизонтального перемещения самолета будет определяться выражением:

, (3)

где C_x – коэффициент горизонтального сопротивления, S_x – площадь поперечного сечения самолета.

Минимально необходимая мощность двигателя, затрачиваемая на пологий подъем высотой h и длиной L равна:

. (4)

Таким образом, мощность двигателя будет затрачиваться на подъем самолета и на преодоление воздушного сопротивления. Качество самолета будет определяться выражением:

. (5)

Как правило, для современных самолетов в крейсерском режиме k составляет 10-18, а для экранопланов k достигает 20-25.

Для безопасности полета в режиме взлета/посадки используется скорость порядка 250 км/ч. В результате требуется изменить геометрию крыла, соответственно k падает в несколько раз. Это приводит к увеличению энергопотребления.

Последнее время наблюдается тенденция увеличения экономической эффективности самолетов за счет строительства самолетов с более высоким аэродинамическим качеством в разных режимах полета. Это достигается отказом от фюзеляжной конструкции и создания самолета-крыла типа B2 (военный самолет-невидимка). Для гражданской авиации фирма Боинг планирует построить самолет-крыло на 800 пассажиров. По их расчетам это на 30% уменьшит мощность двигателя и, соответственно, на 20% уменьшит себестоимость полетов. В России также ЗАО "Авиационный концерн "ЭКИП" разрабатывает самолет-крыло разной грузоподъемности от 2 человек до 1200 человек [17].

Основными техническими решениями, заложенными в Проект "ЭКИП", являются следующие.

Аэродинамический несущий корпус аппарата в форме толстого крыла малого удлинения объединяет функции крыла и фюзеляжа с нагрузкой на крыло (корпус) 125 кг/м².

Профиль корпуса аппарата обеспечивает ламинарное обтекание большей части верхней поверхности аппарата и позволяет установить на верхней кормовой части вихревую систему управления течением в пограничном слое, для безотрывного обтекания корпуса, и получить аэродинамическое качество 15-18. Профиль корпуса (большая площадь в плане) позволяет установить на нижней поверхности аппарата взлетно-посадочное устройство на воздушной подушке или использовать режим движения экраноплана при скорости до 400 км/ч.

Вихревая система управления движением на кормовой поверхности аппарата обеспечивает его безотрывное обтекание на всех режимах полета, включая взлет и посадку с большими углами атаки (до 40 градусов).

Большие объемы аппарата и жесткая конструкция позволяют установить грузовые контейнеры большого объема

Вспомогательные двигатели мощностью 6-8% от общей мощности обеспечивают экономный режим для работы вихревой системы безотрывного обтекания аппарата на крейсерских режимах полета и форсированный режим для воздушной подушки на взлетно-посадочных режимах. Вспомогательные управляющие двигатели обеспечивают устойчивость и управляемость аппарата на взлетно-посадочных режимах полета. Изготовление корпуса аппарата и оперения из композиционных материалов обеспечивает малый вес конструкции, технологичность изготовления, долговечность и коррозийную стойкость.

К сожалению, все перечисленные виды авиатранспорта создают экологическую напряженность. Хотя под руководством ИКАО в течение последних 20 лет ведущие авиаперевозчики мира достигли 70-процентного снижения выбросов окиси углерода, повышения кпд топлива почти на 50 % и, с появлением нового поколения реактивных самолетов, − снижения шума на 85 %. Однако дальнейшего прогресса за последние годы не наблюдается [18].

Эксплуатационные расходы на самолеты составляют значительную часть себестоимости полета. Это, в первую очередь, высококвалифицированный экипаж, инженерные и диспетчерские службы, аэродромное обслуживание. Кроме того, пассажиры и грузоперевозчики несут финансовые и временные затраты на путь до аэропорта, который обычно располагается в десятках километров от города.

Авиатранспорт является достаточно безопасным технически видом транспорта. Большинство аварий - 70%, происходит благодаря человеческому фактору, причем основная часть аварий и катастроф приходится на взлет и посадку, особенно при плохих погодных условиях. Кроме того, высокий процент технических катастроф связан с дефектами шасси. Поэтому, для увеличения безопасности полетов необходимо рассмотреть возможность устранения человеческого фактора и устранения шасси.

Объем пассажирских перевозок в мире ежегодно возрастает на 3-6%, и он удвоится примерно через 15 лет. С другой стороны, уже сейчас воздушное пространство вокруг аэропортов настолько загружено, что почти все большие межконтинентальные узлы управления движением в мире почти лишились свободного воздушного пространства. Проблема управления воздушным движением во многих из этих мест уже достигла критического уровня. Согласно официальным отчетам, ежедневно в Европе случалось порядка 7000 задержек авиарейсов. Кроме того, любому международному аэропорту требуются, по крайней мере, 10,4 кв. км земли без учета подавления шумов в окружающей местности. Это также ограничивает возможности развития авиатранспорта.

В ближайшие годы из-за перегруженности маршрутов и аэропортов может сильно возрасти опасность полетов на внутренних рейсах в крупных странах. Это может привести к прекращению развития авиаперевозок на близкие и средние расстояния.

Фирмой Airtrain.Inc была сделана попытка решить проблему перевозки на близкие расстояния. Они на новом техническом уровне попробовали реанимировать старую идею Валоднера 1933 года использования самолета на монорельсе - аэропоезд [19]. Airtrain — это высокоскоростная система, состоящая из рельса в форме перевёрнутой буквы "Т" и аэродинамических транспортных средств. Эти средства, по сути, являются самолётами необычной и, естественно, уникальной конструкции. Как и полагается, у них есть крылья — два спереди, два сзади — и электродвигатели с пропеллерами — две штуки.

Эти самолёты на небольшой скорости — те же вагончики монорельса, а когда аэропоезд достигает скорости 320 км/ч, они в буквальном смысле летят, не касаясь рельса. Если не считать подпружиненного контакта, благодаря которому самолёты Airtrain "питаются" электроэнергией. В то же время, многочисленные датчики и сенсоры, управляемые бортовым компьютером, не позволяют самолётам с этого рельса соскочить [20].

Саму дорогу планируется построить из двух параллельных друг другу рельсов для движения в обоих направлениях и опор, которые должны стоять через каждые 30 метров, т.е создать «жесткий» путь. .

В зависимости от модели, Airtrain был бы способен везти от 72 до 92 человек с максимальной скоростью 320 км/час. Тормозить аэропоезд должен путём изменения угла пропеллеров, а на небольшой скорости так же, как и монорельс. В результате вес поезда будет прикладываться к рельсу и опорам, что приводит к высокой стоимости пути из-за необходимости большого количества опор.