Стоимость дороги может составить $7,3 миллионов за полтора километра, каждый самолёт от 11 до 16 миллионов долларов, а вся система протяжённостью около 450 километров — всего-навсего $2,06 миллиарда!
Эта система практически не была реализована из-за той же проблемы неустойчивости самолета при движении вдоль Т-образного рельса при порывах ветра, так как опять используется «жесткий» путь.
Проведение системного анализа современных транспортных средств и последних достижений в области нанотехнологий позволило синтезировать новые транспортные системы для XXI века. Для этого использовались последние достижения в самолетостроении, новые идеи в космических транспортных средствах и последние достижения в области нанотехнологий по созданию сверхпрочных легких материалов на основе углеродных нанотрубок, имеющих высокую электропроводность, вплоть до сверхпроводимости при температурах вплоть до 93,5 0С [21].
Техническая задача изобретения
Задачей изобретения является создание высокоскоростных транспортных систем с использованием магнитной левитации при движении транспортного модуля вдоль электропроводящих канатов. Предлагаемые системы позволяют принципиально по-новому решить:
Раскрытие изобретения
Решить задачу создания принципиально новой транспортной системы возможно путем использования последних достижений в области получения сверхпрочных легких материалов, имеющих высокую электропроводность, вплоть до сверхпроводимости при температурах вплоть до 93,5 градусов Цельсия.
Одним из таких достижений явилось открытие углеродных нанотрубок, которые имеют прочность в 100 раз выше прочности стальной проволоки (sB=3,5–4,0 ГПа, r=7,8 г/смс3) при удельном весе r=1,7 г/см3. Тогда произведение прочность на вес в 460 раз лучше у углеродных нанотрубок, чем у самой прочной стальной проволоки. При этом сопротивление нанотрубок зависит от их внутреннего диаметра и может изменяться от диэлектриков до металлических проводников вплоть до сверхпроводников. Высокотемпературная (комнатная) сверхпроводимость возникает при внутреннем диаметре нанотрубки 14,5 нм [21], при этом критическая плотность тока составляет 3,4 104 А/см2, критическая напряженность магнитного поля равна 12,5 Тл. При этом исчезновение этих критических параметров наступает при температуре 93,50С, т.е., почти при температуре кипения воды. Отметим, что при такой же температуре рабочая плотность тока в алюминиевых проводах равна 102 А/см2. При этом удельный вес алюминиевого провода в 2 раза выше, чем удельный вес углеродных нанотрубок, а прочность алюминиевой проволоки - всего sB= 0,1ГПа.
К настоящему времени еще не создали технологию производства достаточно длинных кабелей и канатов из калиброванных нанотрубок с приемлемой себестоимостью. Решением этих проблем занимаются сотни фирм во всем мире.
При запуске промышленного производства кабеля из калиброванных нанотрубок можно будет реально осуществить создание магнитно-левитирующей канатной транспортной системы по крайней мере, трех видов.
Канатная авиатранспортная система. 2D авиация. Под 2D авиацией будем понимать транспортную систему, в которой транспортный модуль с аэродинамическими параметрами самолета двигается вдоль двухмерной сети канатных дорог, натянутых на опоры вдоль поверхности земли, причем электрическая энергия от внешнего источника подается по электропроводящим канатам непосредственно к линейному электродвигателю транспортного модуля, который создает магнитный подвес. Одновременно при электромагнитном взаимодействии электродвигателя с канатом создается и сила тяги. Только в этом случае кпд движения транспортного модуля - самолета возрастает в 2-3 раза (см. табл.2).
Известно, что гражданская авиация осуществляет перевозки между пунктами назначения по заданным маршрутам и высоте полета - коридорам и эшелонам. Т.е., осуществляет трехмерное движение – 3D. На подъем (3-12 км) и спуск самолета затрачивается дополнительное время и топливо, и это является
теми дополнительными издержками, которые можно ликвидировать при переходе на полет на малых высотах (5-50 м).
Вторым недостатком авиации является использование огромного количества топлива, которое перевозится непосредственно на борту самолета, что влечет дополнительные энергетические затраты и, кроме того, является крайне опасным грузом при аварийных ситуациях. Кроме того, низкий коэффициент полезного действия авиационных турбин порядка 0.4 и низкий кпд движения 0.2-0.4 приводит в лучшем случае к бесполезному сжиганию 80% топлива, которое необходимо возить с собой (табл.2). Мощные авиационные турбины имеют большой вес - их удельная мощность составляет 1-3 кВт/кг. При переходе на магнитную левитацию с внешним электропитанием от каната тяговое усилие осуществляется посредством каната, закрепленного на опорах. Здесь осуществляется принципиальный переход движения с отталкиванием от воздуха на движение с отталкиванием от каната. Такое движение имеет кпд 0.85-0.95 (см. табл.2). В этом случае в 2 раза увеличивается экономия энергии по сравнению с воздушно винтовыми самолетами (например, с самолетом AirTrain) или почти в 3 раза по сравнению с самолетами типа А-380 с двухконтурными турбореактивными двигателями.
Таким образом, в случае 2D авиации, при переходе с тепловых двигателей самолетов на двигатели на основе магнитной левитации, т.е. на высокотемпературные сверхпроводящие линейные электродвигатели, появляется принципиальная возможность увеличить электрический кпд двигателя почти до 1, тяговый кпд двигателя до 0,95. Кроме того, вес двигателей на магнитной левитации можно уменьшить до 10 кВт/кг. Здесь происходит оптимизация сразу по нескольким параметрам – по энергетическим и весовым характеристикам.
Дальнейшая оптимизация получается в результате полного отказа от топлива и от тяжелых шасси, что сильно облегчает вес транспортного модуля. Кроме того, будет естественным образом улучшаться аэродинамика за счет отсутствие воздухозаборников турбин и гондол шасси, что приведет к уменьшению лобового сопротивления и, соответственно, шума. Отсутствие турбин повысит безопасность полета, так как полностью исключается вероятность попадания птиц в двигатели.
Существуют проблемы аэродинамики самолетов в разных режимах полета. Известно, что по требованиям безопасности полетов скорость самолетов при посадке и взлете не должна превышать 250 км/ч. Для этого обычно применяется сложная механика управления обтекания крыла или изменение самой геометрии крыла, что приводит к изменению аэродинамического качества самолета. Т.е., на малых скоростях (взлет/посадка) крыло должно быть длинным, но на больших крейсерских скоростях длинное крыло увеличивает лобовое сопротивление. Устранить эту принципиально не решаемую дилемму авиации можно, если летательный аппарат при использовании магнитной левитации разгоняется и тормозиться по жесткому пути за счет электромагнитного поля. Оно создается линейным электродвигателем при взаимодействии с канатом. При этом сам канат жестко закрепляется на эстакаде (подобно рельсам). Такой жесткий канатный путь является аналогом взлетной/посадочной полосы самолета. При остановке транспортного модуля его вес распределяется по эстакаде. Обратим внимание, что подъемная аэродинамическая сила необходима только при движении модуля в крейсерском режиме над свободно висящим канатом между опорами. Только в этом случае исчезает проблема изменения аэродинамических параметров в разных режимах полета: взлете/посадке и крейсерском режиме. Это упрощает конструкцию самолета (транспортного модуля), а, следовательно, увеличивает его надежность.
Если полет самолета происходит низко над достаточно ровной поверхностью типа поверхность воды, льда или степи, с локальными неровностями высотой 1м - 3 м, то появляется дополнительная подъемная сила за счет экранного эффекта. Это позволяет уменьшить мощность двигателя почти в 2 раза. По такому принципу разработано и создано целое семейство самолетов - экранопланов. Они летают на низкой высоте (до 10 м), но при возникновении достаточно больших препятствий на суше или большой волны они могут переходить на небольшое время в режим полета обычного самолета, являющийся менее экономичным. [16]. Для 2D авиации можно дополнительно сэкономить энергию, переведя полет транспортного модуля в режим экраноплана.
Транспортный модуль. Одним из вариантов транспортного модуля можно использовать новый вид самолета-крыла типа "ЭКИП", со всеми его аэродинамическими параметрами планера [17].