Реферат
Рассмотрены три варианта канатных транспортных систем на магнитной левитации и способы их работы - 2D авиация, космический лифт и электромагнитный лифт. Они охвачены единым изобретательским замыслом и единой общей характеристикой – движением транспортного модуля на магнитном подвесе (левитации) вдоль сверхпрочного легкого каната с высокой электропроводимостью. Сам канат выполнен на основе нанотехнологии с использованием углеродных и других нанотрубок, он имеет прочность как минимум в 100 лучше прочности стали и весит в несколько раз меньше. Его электропроводность в минимум в 100 раз лучше проводимости алюминия или меди при комнатной температуре, и в пределе канат является высокотемпературным сверхпроводником (до 93,5 градусов Цельсия). Магнитная левитация и движение вдоль каната осуществляется с помощью линейного электродвигателя, имеющего обмотку из материала, аналогичного материалу каната. В результате левитация и тяга создаются за счет взаимодействия магнитных полей двигателя и канатов. При этом электроэнергия, необходимая для движения, подается непосредственно по самим канатам от источника электроэнергии. Фиг.1.
Изобретение относится к высокоскоростным транспортным средствам на основе сочетания канатных и левитационных систем с электротягой и магнитным подвесом с использованием последних достижений в нанотехнологии и предназначено для перевозки грузов и пассажиров.
Уровень техники
При создании транспортных систем для высокоскоростной перевозки грузов и пассажиров используются воздушные и наземные транспортные средства. Наземные транспортные средства создаются на основе колеса, воздушной подушки или на магнитном подвесе (магнитной левитации). Путевые структуры транспортных систем могут располагаться непосредственно на земле или на несущих опорах (эстакадах) или мостах. Используемые наземные путевые структуры являются неэластичными конструкциями, образуя жесткий путь. Существуют и воздушные транспортные системы, использующие летательные аппараты тяжелее и легче воздуха, которые не требуют создания жестких путевых структур с опорой на землю.
Транспортные системы являются основными потребителями энергоресурсов. Причем потребление топлива возрастает с увеличением скорости.
Сравним существующие транспортные системы, выбирая в качестве наиболее объективного критерия удельный расход условного топлива (Табл. 1).
Таблица 1. Удельный расход условного топлива на перевозки разными видами транспорта [1].
кг/1000 т-км
| Вид транспорта | 1960 г. | 1970 г. | 1980 г. | 2010 г. |
| Железнодорожный, скорость до 80 км/ч | 35,64 | 11,43 | 8,3 | |
| Железнодорожный, скорость до 300 км/ч | - | - | 31,0* | |
| Автомобильный груз. скорость до 100 км/ч | 237,0 | 200,3 | 144,1 | |
| Самолеты, скорость до 900 км/ч | 300 | 180,0** взлетный вес до 1000 т | ||
| Самолет-экраноплан, скорость до 400 км/ч | 100-180 | 60,0*** взлетный вес до 1000 т | ||
| Вертолеты, скорость до 400 км/ч | 300-400 |
* рассчитано по энергопотреблению с условием 1 кВт ч =0.34 кг условного топлива при кпд преобразования тепловой энергии в электрическую 36%. 1 кг усл. топлива эквивалентен 29,308 кДж/кг. Для самолетов и автомобилей для 1 кг топлива выбирается среднее значение 44 кДж/кг.
** [2], ***[3]
Из таблицы 1 следует, что за последние 30 лет транспортные системы принципиально исчерпали ресурс своего развития. Это связано с тем, что решить задачу создания высокоэффективных транспортных систем, базируясь на технологиях ушедших веков, принципиально невозможно.
Для транспортных систем важно, каким образом транспортный модуль взаимодействует со средой движения (воздух, рельс, шоссе). Поэтому при сравнении транспортных систем также необходимо учитывать коэффициент полезного действия движения при взаимодействии со средой (Табл.2).
Табл. 2. Коэффициенты полезного действия движения [4].
| Вид тяги | КПД |
| Железное колесо | 0,96-0,98 |
| Резиновое колесо | 0,8-0,9 |
| Воздушный винт | 0,45 |
| Одноконтурный турбореактивный двигатель | 0,2 |
| Двухконтурный турбореактивный двигатель | 0,25 - 0,35 |
| Линейный электродвигатель | 0,85-0,95 |
Из анализа табл. 1,2 следует, что из-за низкого кпд движения 0,25-0,35 уменьшить энергопотребление авиации можно будет только с применением новых принципов движения. Пока в настоящее время решить проблему уменьшения энергопотребления пытаются традиционным путем, уменьшая массу самолета и улучшая аэродинамическое качество, например, путем перехода на самолет-крыло или на режим экраноплана с уменьшением крейсерской скорости.
Рассмотрим высокоскоростные наземные транспортные системы.
На сегодняшний день существуют следующие технологии высокоскоростного наземного транспорта:
• традиционные колесно-рельсовые системы со скоростью 300 км/ч - французская TGV, японская «Шинкансен», немецкая ICE.
• Система на магнитной левитации Maglev со скоростью 400-550 км/ч - немецкая опытная система «Трансрапид»; японская опытная система SCM и MLU 002; китайская система «Maglev» длиной 30 км, соединяющая Шанхай и аэропорт Пудун.
Наземные высокоскоростные системы (скорость до 300 км/ч) требуют использования рельсовых путей с малой стрелой прогиба (10-3 – 10-4), с большими радиусами поворота и с малым уклоном. Известно, что движение колесных тележек по рельсу происходит не по прямой линии, а с поперечными биениями. Это приводит к ускоренному износу как рельса, так и колеса, что ведет к постоянным эксплуатационным издержкам, составляющим до 80% всех эксплуатационных затрат.
Кроме того, при увеличении скорости движения железнодорожного транспорта с 80 км/ч до 300 км/ч коэффициент сопротивления качению колесо/рельс возрастает в 3-4 раза, поэтому увеличение скорости свыше 300 км/ч экономически не выгодно [5]. Кроме того, при скорости свыше 200 км/ч большая часть энергия расходуется на преодоление аэродинамического сопротивления. Высокая стоимость прокладки железнодорожного полотна со специальными требованиями к насыпи ограничивает строительство таких дорог в болотистых местах, сильно пересеченных местах и на вечной мерзлоте. Для решения перечисленных проблем используются эстакады в виде классических вантовых и подвесных мостов.
Для уменьшения веса рельсового пути, а, следовательно, и удельной себестоимости, был предложен метод распределения транспортной нагрузки – струнная транспортная система [6]. Это достигается путем использования вместо цельного поезда с жестко связанными вагонами отдельных экипажей с электронной дистанционной связкой, Для уменьшения аэродинамических потерь при скоростях до 300 км/ч экипажи имеют низкое лобовое сопротивление – Cx порядка 0.075. Основу системы составляют выпускаемые промышленностью стальные канаты, натянутые внутри специального рельса. Один путь многопутной трассы представляет собой два рельса-струны, образующие колею 2 м и установленные на опорах высотой 1 - 10 м и более. Струны в рельсе натянуты до суммарного усилия 100-300 тонн (в зависимости от длины пролёта и массы подвижного состава) и жёстко закреплены в анкерных опорах, установленных на расстоянии 1-5 км друг от друга (по длине каната). В промежутке путевая структура опирается на легкие поддерживающие опоры, оптимальное расстояние между которыми составляет 20-50 м.
По существу, предложенная структура является классическим подвесным мостом облегченной конструкции, с малой стрелой прогиба каната. Мост располагается над сушей и реками, и нивелирует рельеф местности [7].
Основным недостатком струнной транспортной системы является малая грузоподъемность транспортного модуля (1-2 т), что не позволит вписать эту систему в современные логистические схемы. Также очень существенным недостатком этой системы является тот факт, что в жестко натянутых струнах, под действием ветра и движения транспортного модуля, возникают сильные неустранимые вибрации, которые могут привести к разрушению самой дороги, особенно в местах крепления струны [8]. Поэтому такие струнные транспортные системы не использовались в мостостроении. На практике используются не натянутые струны, а провисающие тросы, что видно на примере технологии натяжения проводов, используемой в линиях электропередач [9].
Попытки усовершенствовать железные дороги привели к созданию монорельсовых эстакадных дорог. Они бывают двух типов: колесно-рельсовые и на воздушной подушке. Многократные попытки увеличить скоростные характеристики таких дорог не дали положительных результатов. Эстакадные колесно-рельсовые системы обладают всеми недостатками классических колесно-рельсовых систем, а использование воздушной подушки увеличивает энергопотребление и стоимость монорельса (за счет необходимости создания желоба), а также имеет труднопреодолимые шумовые характеристики.
Перечисленные выше наземные транспортные системы обладают общим недостатком – проскальзыванием колеса относительно рельса при увеличении крутизны подъема свыше 1/40. Поэтому в гористой и сильно пересеченной местности для перевозки людей и грузов с низкими скоростями используются канатные подвесные дороги. Они состоят из жесткого колеса и «мягкого» рельса. Эти дороги позволяют преодолевать значительные перепады высот, что невозможно для других видов колесно-рельсовых транспортных систем. Их недостатком является провисание несущего и тянущего канатов. В результате этого на них невозможно развить скорости выше 10 км/ч, так как путь является волнообразным. Например, наиболее протяженная грузовая канатная дорога построена в Швеции, имеет длину 98 км, максимальные пролеты 600-800 м, средние пролеты 100-150 м, максимальный угол подъема 300, производительность 50тон/ч, среднюю скорость движения 1,5 - 3,15 м/с [9].