XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Идея.

Впервые идея вакуумного поезда была публично высказана в 1909 году в заметке, вышедшей в журнале «Scientific American» со ссылкой на неназванного читателя. Читатель предложил организовать движение автомобилей в вакуумной трубе на основе магнитной левитации. По его расчётам, путь от Нью-Йорка до Филадельфии (136 км) занял бы в таком случае 6 мин 44 с, а расстояние от Нью-Йорка до Бостона (305 км) могло быть преодолено за 10 мин 4 с. Впоследствии неназванный читатель стал известен как американский пионер космонавтики Роберт Годдард (англ. Robert Goddard). После смерти изобретателя в 1945 году в его бумагах были найдены прототипы вакуумного поезда, движущегося со средней скоростью 1 000 миль в час (1 600 км/ч).

Первый опыт.

Первые в мире опыты с перемещением тела в вакуумной трубе за счёт электромагнитного поля поставил в 1911—1913 годах в Томском технологическом институте российский профессор Борис Вейнберг. По его замыслу, капсула (сигарообразный цилиндр длиной около 2,5 м и высотой 0,9 м) внутри трубы должна была разгоняться на станции отправления соленоидом, выполняющим в этом случае роль электромагнитной пушки, а на станции назначения соленоидом же тормозиться. Вейнберг предполагал, что капсула сможет развивать скорость до 800—1 000 км/ч. Продолжению опытов Вейнберга помешала Первая мировая война: медь, из которой была сделана труба, потребовалась для военных нужд, и установка была разобрана.

Послевоенные опыты.

В 1969 году декан факультета науки и техники Университета Мэйджо из Нагои Кенойя Одзава (англ. Kyunojo Ozawa или Hisanojo Ozawa) поместил в вакуумный тоннель реактивный поезд, развивший скорость 2 300 км/ч. Длина поезда составляла 220 м, диаметр 5 м. В следующем году Одзава возил на этом поезде подопытных животных.

Современность.

Китай подготавливает к осуществлению проект рельсового поезда в подземном тоннеле с пониженным давлением воздуха^[. Проект предполагается реализовать к 2020 году. Предположительно, поезд будет способен развивать скорость около 1000 км/ч. Стоимость одного километра такой подземной дороги оценивается в 2,9 миллиона долларов.

Планы строительства подводного Трансатлантического тоннеля для сверхзвуковых поездов на магнитной подушке вынашивает один из проектировщиков Евротоннеля американский изобретатель Фрэнк Дэвидсон. Он поставил эксперимент, в ходе которого шарик для пинг-понга разогнался в 300-метровой пластиковой трубе до скорости 1 200 км/ч.

Hyperloop.

Идея Hyperloop возникла в ответ на правительственный проект высокоскоростной железной дорогиCalifornia High-Speed Rail, которая к 2029 году должна соединить Лос-Анджелес и Сан-Франциско.Впервые Илон Маск (американский инженер, предприниматель, изобретатель и инвестор) упомянул о Hyperloop в интервью с Сарой Лэйси, которое дал в июле 2012 года на мероприятии PandoDaily в Санта-Монике. Предприниматель пообещал, что новое транспортное средство будет в 2 раза быстрее самолёта и в 3—4 раза быстрее скоростного поезда, время в пути от Лос-Анджелеса до Сан-Франциско (расстояние 561 км по прямой) займёт всего 30 минут. Позже Маск сделал ещё ряд громких заявлений: проект окажется в 10 раз дешевле по сравнению с California High-Speed Rail; транспорт не будет подвержен авариям; дорога должна работать от солнечной энергии; пассажирам не придётся подстраиваться к расписанию, ибо транспортные капсулы будут двигаться с короткими интервалами, как в метро; все спецификации окажутся в свободном доступе.

Первые концепции.

В августе 2013 года ключевая концепция проекта заключалась в стремлении к дешевизне системы. Поэтому Маск взял за основу модель вакуумного поезда, преимуществом которого является отсутствие необходимости преодолевать трение опоры и встречное сопротивление воздуха. Однако предприниматель усовершенствовал идею: по его мнению, нет смысла стремиться к достижению в трубе полного вакуума. Достаточно поддержания форвакуума, а именно давления в 100 Па (это 1/1000 от атмосферного давления). В то же время поддерживать форвакуум можно с помощью насосов умеренной мощности и стенок трубы из обычной стали толщиной 20—25 мм. Капсула должна приводиться в движение линейным электродвигателем. Статором послужит алюминиевый рельс длиной 15 м на полу трубы, который нужен только через каждые 110 км. Ротор будет находиться в каждой капсуле, при этом требуемая постоянная мощность составляет всего 100 кВт. Поскольку система будет приводиться в движение электричеством, предусмотрено получение энергии с помощью солнечных батарей. Они должны вырабатывать 57 МВт электроэнергии при потребности системы только в 21 МВт. Разгон и торможение капсулы производят линейные индукционные двигатели. Они размещаются в трубе, на расстоянии друг от друга. Статор этих двигателей расположен в капсуле. Таким образом, капсула, передвигаясь над двигателем, будет получать импульс ускорения или, наоборот, замедлять скорость. От продажи излишков энергии планируется выручать $25 млн ежегодно, что создаст дополнительный источник финансирования эксплуатационных расходов. Как результат, билет в один конец должен стоить $20, и при общей стоимости системы $7,5 млрд окупаемость проекта будет достигнута за 20 лет.

Для того, чтобы преодолеть сопротивление воздуха, которое становится весьма серьёзным препятствием для капсулы, летящей со сверхзвуковой скоростью, создатели Hyperloop предусмотрели встроенный канальный вентилятор, воздушный компрессор и систему воздуховодов в передней части транспортного средства. Предназначение этих устройств и приспособлений — перемещение воздушного потока перед капсулой, назад по ходу движения.

Ещё одна «уловка» создателей Hyperloop для снижения сопротивления воздуха состоит в том, что в стальной трубе будет поддерживаться сильное разрежение (давление, составляющее одну тысячную часть атмосферного). По словам Илона Маска, при возведении системы Hyperloop на Марсе (да, уже есть и такие планы) из-за гораздо более разрежённой атмосферы на Красной планете необходимость в стальной трубе отпадёт, и капсулы будут передвигаться в открытом пространстве.

Другие проекты.

HyperloopTT3 октября 2018 года в Испании компания Hyperloop Transportation Technologies (HyperloopTT), которая занимается реализацией проекта сверхскоростной системы поездов, продемонстрировала первую в мире пассажирскую капсулу

Следующий проект Virgin Hyperloop One

В мае 2017 года компания провела первое полноценное полевое испытание системы. Испытание проводилось на тестовом участке под названием DevLoop, строительство которого завершено месяцем ранее в пригороде Лас-Вегаса. Протяжённость участка составляет 500 м, диаметр трубы— 3,3 м. Пассажирская капсула разогналась до 113 км/ч, а 29 июля скорость удалось поднять до 310 км/ч. В феврале 2018 года компания заключила с правительством Индии соглашение о строительстве трассы в штате Махараштра, между городами Пуна и Мумбаи. Предполагается, что после 6-месячного исследования проекта Virgin Hyperloop One возведёт в течение 2-3 лет демонстрационную трассу, а в течение следующих 5-7 лет — и полноценную дорогу. В начале мая объявлено о том, что компания создала совместное предприятие с портовым оператором DP World, которое будет называться DP World Cargospeed. Оно задумано как оператор грузоперевозок на технологиях Virgin Hyperloop One.

SpaceX

В июне 2015 года SpaceX объявила конкурс на дизайн пассажирской капсулы. Капсулы предполагалось испытать в ходе гонок на пробной трассе в калифорнийском Хоторне, где расположена штаб-квартира компании^[. Соревнование получило название Hyperloop pod competition. В январе 2016 года на базе Техасского университета A&M в Колледж-Стейшен состоялся первый этап, на котором были отобраны 22 лучшие команды. Все они получили право испытать свои модели на настоящей трассе в ходе второго этапа. Главный приз достался команде Массачусетского технологического института.

Первоначально проведение финального этапа Hyperloop pod competition ожидалось в середине августа того же года, но было отложено. SpaceX объявила о начале строительства испытательной трассы длиной 1500 м и с диаметром трубы 1,8 м только в начале сентября 2016 года. В итоге заключительный этап состоялся 27 августа 2017 года. Первое место на нём завоевала команда из Мюнхенского технического университета, чья капсула развила скорость 327 км/ч. Впрочем, рекорд немцев продержался всего несколько дней, ведь 31 августа Маск продемонстрировал капсулу, созданную совместно компаниями SpaceX и Tesla, которая смогла достичь скорости 355 км/ч.

В середине октября Маск получил первое официальное разрешение на строительство полноценной трассы Hyperloop. Участок протяжённостью примерно 16,58 км (10,3 мили) должен связать окраину Балтимора с территорией Ганновер (штат Мэриленд). Ожидается, что дорога станет в дальнейшем частью маршрута Вашингтон — Нью-Йорк с остановками в Балтиморе и Филадельфии. Трасса будет строиться в подземном исполнении, тоннель должна построить Boring Company Илона Маска^[. В феврале 2018 года Маск получил разрешение на подготовку места строительства станции и первичные земляные работы на пустыре в северо-восточной части Вашингтона.

22 июля 2018 года состоялся третий этап Hyperloop pod competition. Победу в нём повторно одержала команда из Мюнхена, сумевшая разогнать капсулу до 457 км/ч. Пока это абсолютный рекорд для Hyperloop

Энтузиасты проекта осознают, что сами они ничего сделать не могут, нужна всесторонняя поддержка. «Когда мы изучали предыдущие попытки вывести на рынок какой-либо новый транспорт, мы видели, что без поддержки правительства ничего не получается, нужна широкая поддержка как государства, так и общественности. Нам необходимо создать нечто большее, чем просто компания, нам нужно общественное движение», — говорит один из представителей HTT.

Стоит отметить, что планы по реализации Hyperloop в настоящее время видоизменились, и несколько отличаются от первоначальной идеи. Главное отличие — инженеры отказались от полного вакуума в тоннелях. Это слишком сложно и дорого (да и опасно тоже), поэтому воздух откачивается до достижения давления, составляющего одну десятую атмосферного. А это означает, что капсулы не могут двигаться с максимально возможной скоростью, воздух, хотя и очень разреженный, будет этому препятствовать. Дизайн тоннелей тоже был изменен, трубы сделаны более аэродинамичными, с тем, чтобы воздух обтекал капсулы и не мешал им двигаться.

Большинство технологических решений в этой сфере open-source. Компании делятся своими наработками (хотя не все и не всегда) для достижения оптимального результата.

И сейчас еще не до конца ясно, что случится с капсулами, которые достигнут близких к теоретическому пределу скоростей. Будут шумы, вибрация, с которыми необходимо справляться. Поэтому впереди — испытания, много испытаний. Ежегодный конкурс среди команд Hyperloop позволяет следить за прогрессом. Пока что его сложно назвать слишком уж быстрым, но подвижки, безусловно, есть.

Список литературы:

Апбин Б.Петля времени: как бизнес изобретает транспорт будущего (Hyperloop Is Real: Meet The Startups Selling Supersonic Travel // Forbes ): журнал. — 15 апреля 2015.URL: https://www.forbes.com/sites/bruceupbin/2015/02/11/hyperloop-is-real-meet-the-startups-selling-supersonic-travel/

Краузова Е.Кнут Зауэр: «Физика в основе Hyperloop не космически сложная» (рус.) // Forbes : журнал. — 2 июня 2016URL: https://www.forbes.ru/tekhnologii/idei-i-izobreteniya/321725-knut-zauer-fizika-v-osnove-hyperloop-ne-kosmicheski-slozhnaya

Chin J. C. etc.Open-Source Conceptual Sizing Models for the Hyperloop Passenger PodURL: https://mdao.grc.nasa.gov/publications/AIAA-2015-1587.pdf

Код для цитирования: Скопировать