Дудников
В.С.
СОСТОЯНИЕ И
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО МАГНИТОЛЕВИТИРУЮЩЕГО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Анализ
результатов патентно-информационных исследований показывает, что полноценный
рост производительных сил и решение возникающих в этой связи транспортных
проблем в этом столетии будет невозможным без наземных транспортных систем,
осуществляющих перевозки со скоростями порядка 500 км/час. Этот вывод следует
из закона, впервые сформулированного японскими учеными, согласно которому по
мере развития цивилизации происходит сближение времени междугородных перевозок
и времени внутригородских перевозок.
В течение последних десятилетий во многих развитых
странах широкое распространение получили высокоскоростные железные дороги, на
которых осуществляется движение специализированного подвижного состава с
высокими скоростями и заданным уровнем безопасности и комфорта, что
обеспечивается надлежащими инженерно-техническими и технологическими решениями,
эффективной системой контроля технического состояния, обслуживания и ремонта
подвижного состава и стационарных устройств. Наибольшее
распространение высокоскоростные железные дороги получили в Японии, Франции,
Германии, Испании, Италии.
Опыт
эксплуатации высокоскоростных линий в ряде стран показал, что максимальные
скорости движения поездов в зависимости от конкретных условий и конструктивных
параметров линий достигают 250 – 350 км/час. Мировой рекорд скорости для
железных дорог (515,3 км/час), который удерживается до настоящего времени, был
установлен во Франции 16 мая 1990 года на
Юго-Западной секции Атлантической
высокоскоростной системы TGV A.
Пассажиры
отдают предпочтение высокоскоростной поездке перед самолетами не только из-за
времени, но и потому, что эти поезда следуют строго по расписанию, обеспечивают
высокий уровень комфорта, возможность работы и отдыха в поезде, большее
пространство, отсутствие привязных ремней, возможность комфортно путешествовать
с детьми.
В то
же время установлено, что временным барьером в конкурентной борьбе между
самолетом и поездов является 4 часа.
Стремление
достичь скоростей, на порядок превышающих скорости движения традиционных
транспортных средств, привело к необходимости искать принципиально иные
технические решения во всех системах и агрегатах экипажа. С точки зрения
принимаемых технических решений скоростная характеристика является
определяющей.
На скоростные характеристики влияют следующие основные
факторы: трение в местах контакта экипажа с полотном или тормозящие силы в
подвеске; тяговые свойства двигателей; аэродинамические свойства экипажа;
весовые показатели экипажа и момент его инерции; ограничения, накладываемые
конфигурацией трассы и состоянием трассового полотна; ограничения по
регулированию положения экипажа на трассе и относительно трассового полотна.
Исходя
из обеспечения минимального трения с трассовым полотном, наиболее перспективным
из известных в настоящее время является подвешивание транспортного экипажа в
магнитном поле. При этом исключается непосредственный контакт, а силы
механического трения заменяются силами магнитного взаимодействия. Наибольшее
распространение получили два варианта магнитного подвеса. Первый вариант –
электромагнитный подвес – основан на притягивающих усилиях, возникающих между
установленными на экипаже электромагнитами и уложенным по всей длине трассы
феррорельсом. При этом подъемная сила обратно пропорциональна квадрату
воздушного зазора, который обычно составляет 10 – 20 мм.
Второй
вариант – электродинамический подвес – основан на усилиях отталкивания между
источником магнитного поля на борту экипажа и проводником, уложенным вдоль
трассы, при их взаимном движении. В процессе движения
источника магнитного поля относительно проводящей пластины в последней
возникают вихревые токи. Согласно закону Ленца, магнитное поле этих
токов направлено противоположно внешнему магнитному полю, в результате чего
силовые линии источника вытесняются из проводника, возникает сила отталкивания.
Высота левитации (воздушный зазор) достигает величины 100 – 250 мм, что снижает
требования к путевой структуре.
Магистральный магнитнолевитирующий транспорт для
осуществления грузопассажирских перевозок у земли с крейсерскими скоростями 500
– 600 км/час не является ни железнодорожным транспортом, ни авиационным, хотя
по своей сути – это низколетящий летательный аппарат, использующий в отличие от
самолета положительную аэродинамическую интерференцию (экранопланный эффект) и
электродинамическую интерференцию (эффект магнитной левитации на основе
применения сверхпроводящих устройств) транспортного средства и опорной
поверхности направляющего пути.
При
разработке магнитолевитирующих транспортных систем лидирующими странами
(Германия, Япония) изначально были допущены принципиальные просчеты, не
позволяющие путем последовательного совершенствования этих систем достичь
оптимальных решений. Так, принцип электромагнитного подвеса, положенный в
основу транспортной системы Германии “Трансрапид” не позволяет реализовать
клиренс, превышающий 10 мм. Следовательно, для такой системы всегда будет
присуща значительная стоимость путевой структуры. Принципиальная неустойчивость
электромагнитного подвеса требует непрерывного управления токами в каждом
электромагните. Это снижает надежность транспортной системы и не позволяет
достичь высоких значений весовой отдачи.
Существенным
недостатком разработанной в Японии системы “Маглев” является желобообразный
профиль пути, при движении в котором значительно возрастает аэродинамическое
сопротивление транспортного средства, что обусловлено течением воздуха в
боковых зазорах между вагоном и путевой структурой, а также проявлением
поршневого эффекта.
Транспортные
системы обеих систем обладают продольной аэродинамической неустойчивостью, так
как аэродинамическая сила при выбранных компоновочных решениях не приложена в
центре масс вагона. Это вызывает значительные дестабилизирующие
аэродинамические моменты. Так, при испытании поезда из нескольких вагонов
японской системы MLU, последующий вагон относительно
предыдущего под действием нецентрально приложенной аэродинамической силы
поднимается на 10 – 20 мм. Это значительно увеличивает сопротивление и создает
серьезные проблемы для формирования поезда из нескольких вагонов.
В
СССР исследования по созданию магнитолевитирующего транспорта с применением
принципа электродинамического подвеса на основе сверхпроводящих устройств были
начаты более 30 лет назад и ведутся до настоящего времени в Украине (“Трансмаг”
г. Днепропетровск.) [1].
Принципиальное отличие отечественных разработок
магнитолевитирующего транспорта от аналогичных зарубежных – в основе концепции. Зарубежные
разработчики рассматривают магнитолевитирующее транспортное средство как
транспортный экипаж типа электрички, у которого колеса заменены магнитными
опорами. С этих позиций аэродинамическая сила – это причина
дополнительного сопротивления и дестабилизирующих моментов.
В
рамках концепции отечественной системы “Трансмаг” магнитолевитирующее
транспортное средство рассматривается как низколетящий летательный аппарат,
основным показателем совершенства которого, как известно, является
аэродинамическое качество, представляющее собой отношение величины
аэродинамической подъемной силы к величине аэродинамического сопротивления.
Разные
концепции определили разные подходы к компоновочным решениям комплекса “транспортное
средство – направляющий путь”, что, в свою очередь, обусловлено принципиально
различными подходами к аэродинамической компоновке транспортного средства. Если зарубежные разработчики, стремясь устранить дестабилизирующее
действие аэродинамических сил путем их минимизации, применяют при создании
транспортных средств самолетные фюзеляжные аэродинамические компоновки (т.е.
выбирают очертания вагонов, близкие к телам вращения с продольной осью
симметрии), то в основу компоновочных решений системы “Трансмаг” положена идея
использования аэродинамический силы как несущей, наряду с магнитной. Это
возможно реализовать, если в аэродинамических компоновках вагонов использовать
крыльевые формы, располагаемые под некоторым углом атаки над опорными
поверхностями направляющего пути. Такие компоновки позволяют максимально
использовать экранопланный эффект, уменьшить суммарные энергозатраты на
движение и обеспечить продольную устойчивость как одиночного вагона, так и
поезда из ряда вагонов. Выполненные “Трансмагом” аэродинамические исследования
показали, что для таких компоновок оптимальным является путь с трапециевидным
поперечным профилем.
Система
“Трансмаг” обладает высокой степенью надежности и безопасности. В случае отказа
линейного электропривода левитационный режим движения транспортного средства
будет продолжаться до тех пор, пока его скорость не уменьшится до 50 км/час,
так как сверхпроводящие магниты будут продолжать индуцировать в обмотках
путевой структуры вихревое поле. В случае отказа основных и дублирующих
сверхпроводящих магнитов системы подвеса бесконтактное движение транспортного
средства над опорным путем будет продолжаться в режиме планирующей посадки за
счет аэродинамического экранопланного эффекта.
Наиболее
полно вопросы аэродинамической компоновки, теоретической и экспериментальной
аэродинамики ВСНТ с электродинамическим подвесом системы “Трансмаг”, экипажи
которых используют крыльевые формы, располагаемые под некоторым углом атаки над
опорными поверхностями направляющего пути, рассмотрены в работах Б.Л.
Заславского, А.А. Приходько, А.В. Сохацкого. При этом отдается предпочтение математическому
моделированию [2-6].
Транспортное
средство системы “Трансмаг” снабжено крыльями, расположенными параллельно
боковым поверхностям трапецевидной путевой структуры и под углом к горизонту,
что при движении создает аэродинамическую подъемную силу, позволяющую частично
или полностью компенсировать вес транспортного средства, а также
стабилизировать его движение по путевой структуре при существенно меньшей
величине магнитных усилий и расходе электроэнергии.
Сравнение транспортного средства системы “Трансмаг” с вагоном
системы MLU-002 [1, c. 38, табл. 1.4] в
предположении компенсации 80% веса за счет аэродинамической подъемной силы
показывает, что при прочих равных условиях использование аэродинамической
подъемной силы позволяет существенно уменьшить количество (с 12 до 4)
сверхпроводящих магнитов на борту транспортного средства, что, помимо
уменьшения массы более чем на 600 кг и соответствующего уменьшения
стоимости, снижает уровень индукции магнитного
поля внутри экипажа, делая его еще более безопасным для пассажиров.
Анализ
состояния высокоскоростного наземного транспорта показывает, что
магнитолевитирующий путенаправленный транспорт не имеет в обозримом будущем альтернативы.
Он превосходит все известные виды транспорта по ряду эксплуатационных,
технико-экономических, экологических параметров. Например, относительная
полезная загрузка транспортных средств “Маглев” в пассажирском варианте
составляет 45-55%, в то время как у пассажирских вагонов классической схемы с
колесными тележками она составляет всего 11%.
Удельные энергозатраты различных видов транспорта
составляют:
- самолет при скорости 500
км/час – 620 Вт/пасс. км;
- автомобиль при скорости
200 км/час – 400 Вт/пасс.км;
- система “Маглев” при
скорости 500 км/час – 400 Вт/пасс. км.
Экологическое
воздействие различных видов транспорта на окружающую среду может быть представлена величиною выброса вредных веществ:
- самолет при скорости 500
км/час – 386 г/пасс. км;
- автомобиль при скорости
200 км/час – 12 г/пасс.км;
- железнодорожный
пассажирский транспорт – 0,6 г/пасс. км;
- система “Маглев” при
скорости 500 км/час – 0.
Уровень
шума:
- безвредный для человека
уровень постоянного шума – 40 дб;
- шум от взлетающего
реактивного самолета – 100 дб;
- шум от
железнодорожного состава при скорости 220 км/час на расстоянии 25 м от
полотна – 80 дб;
- шум от автомобиля при
скорости 200 км/час на расстоянии 25 м от трассы – 70 дб;
- шум от
магнитолевитирующего транспорта при клиренсе 110 мм и скорости 500 км/час
на расстоянии 25 м от пути – 40 дб.
Литература
1. Дзензерский
В.А., Омельченко В.И., Васильев С.В., Матин В.И., Сергеев С.А. Высокоскоростной
магнитный транспорт с электродинамической левитацией. – К.: Наукова думка,
2001. – 480 с.
2. Заславский
Б.Л., Приходько А.А., Сохацкий А.В. Численное моделирование и экспериментальные
исследования аэродинамики элементов транспортных средств вблизи опорных
поверхностей // Численные методы в гидравлике и гидродинамике. Донецк: ДонГУ,
1994. – С. 10-11.
3. Заславский
Б.Л., Приходько А.А., Сохацкий А.В. Проблемы математического и
экспериментального моделирования дозвукового обтекания транспортных средств
вблизи профилированных поверхностей // Праці II Міжнародного
сімпозіуму українських інженеров-механіков. Львів: ЛДУ «Львівська політехніка»,
1995. – С.24.
4. Заславский
Б.Л., Приходько А.А., Сохацкий А.В. Современные проблемы математического и
экспериментального моделирования аэродинамики транспортных средств на магнитном
подвесе // Проблемы механики железнодорожного транспорта. Труды IX Международной
конференции. – Дніпропетровськ: Державний технічний університет
залізничного транспорту, 1996. – С. 160.
5. Сохацький А.В., Приходько О.А. Проблеми математичного
моделювання та оптимізації аєродинамічних компоновочних схем високошвидкісних
транспортних засобів // Проблемы механики железнодорожного транспорта.
Труды Х Международной конференции. – Дніпропетровськ: Державний
технічний університет залізничного транспорту, 2000. – С. 147-148.
6. Сохацкий А.В.,
Приходько А.А. К расчету аэродинамических характеристик высокоскоростных
транспортных средств // Вестник национального технического университета
„КПИ”, „Машиностроение”, т. 1, № 42. – 2002. – С.
95-99.