Нетрадиционные транспортные средства и системы

Рассмотренные в предыдущих разделах книги виды транспорта считаются традиционными. История их многолетнего развития и совершенствования доказала целесообразность и эффективность при­менения таких видов транспорта. Вместе с тем, экономика и обще­ство нуждаются не только в совершенствовании хорошо известных, существующих долгие годы традиционных транспортных средств и систем, но также в создании и использовании принципиально новых видов транспортной техники, способной полнее отвечать требованиям времени, чем традиционные ее виды. Нетрадиционная транспортная техника отличается от традиционной иными принципами движения, конструкциями двигателей, движителей, используемых энергетичес­ких установок.

Существуют тысячи идей, патентов, проектов, созданы сотни опытных образцов нетрадиционной транспортной техники. Авторы этих разработок стремятся доказать преимущества предлагаемых ими решений. Безусловно, многие их них имеют право на жизнь и широкое использование в перспективе. Ряд решений предложен много лет назад и сегодня лишь возрождается на новой технической основе.

Например, монорельсовые дороги впервые предложены 180 лет на­зад. В российском селе Мячково на лесозаготовках в 1820 г. была пост­роена первая монорельсовая дорога с конной тягой. Действующую мо­дель электрической монорельсовой дороги создал в 1897 г. русский инженер И.В. Романов. Через шесть лет в г. Вуппертале (Германия) была построена первая пассажирская дорога такого типа. Последующие полвека большого интереса к монорельсовым дорогам не проявлялось. И только во второй половине XX века пассажирские монорельсовые дороги стали активно строить, правда, как аттракционы в городских пар­ках и на выставках.

Современная монорельсовая дорога состоит из железобетон­ной или металлической балки, опирающейся на бетонные опоры, и подвижного состава с колесами на пневматическом малошум­ном ходу (рис. 33). Известны дороги системы «Альвег» (ФРГ), у которых подвижной состав находится сверху балки, и системы «Сафеже» (Франция) с вагонами, подвешенными к тележкам сни­зу балки.

Рис. 33. Подвесная монорельсовая дорога:

',. . . а — системы «Альвег» (ФРГ);

б—системы «Сафеже» (Франция)

Такие дороги не требуют больших объемов земляных работ, переустройств наземных коммуникаций. Капиталовложения при их строительстве в 2-4 раза меньше, чем при строительстве мет­рополитена той же протяженности и провозной способности. Они легко преодолевают наземные препятствия, не вызывают необхо­димость значительного отчуждения земель, обеспечивают высо­кую безопасность движения.

Большинство монорельсовых пассажирских дорог имеет соста-вы из шести вагонов, вмещающих до 120 человек и передвигающихся со скоростью до 200 км/ч. В Москве намечено построить первую монорельсовую дорогу к 2003 г. Она свяжет станции метро «Ботани­ческий сад» и «Тимирязевская». Ее протяженность 8,5 км. Строи­тельство этой дороги обойдется в 10 раз дешевле чем метро.

Саратовским ОКБ им. А.С. Яковлева совместно с Саратовским авиационным заводом и местным госуниверситетом в 1999 г. разра­ботан проект монорельсовой подвесной дороги для скоростной пере­возки пассажиров внутри города и обеспечения его транспортной связи с аэропортами и городами-спутниками. В конструкции дороги предложен несущий остов с использованием предварительно напря­женных подвесных мостовых элементов. Благодаря этому достигнуто существенное снижение материалоемкости дороги и обеспечено сокращение сроков ее строительства по сравнению с дорогами-ана­логами.

Прогрессивная конструкция скоростной струнной транспорт­ной системы на опорах предложена белорусским изобретате- ' лем А.Э. Юницким. Эта система запатентована под названием

I,

«Струнный транспорт Юницкого». Модель системы демонстри­ровалась на Лейпцигской и Ганноверской ярмарках в Германии, получила золотую медаль Всероссийского выставочного центра в 1998 г. Концепция системы поддержана ООН.

С января 1999 г. Центр ООН Хабитат открыл финансирование проекта «Устойчивое развитие населенных пунктов и улучшение их коммуникационной инфраструктуры с использованием струн­ной транспортной системы (СТС)». Система состоит из двух спе­циальных токонесущих рельсов-струн (изолированных друг от друга и от опор), по которым движутся высокоскоростные элект­ромобили-модули. Рельс-струна представляет собой жесткую нить, образованную пустотелым рельсом, внутри которого разме­щены стальные канаты, натянутые с усилием в 2500 кН. Пустоты внутри рельса заполнены эпоксидной смолой. Провесы рельсовой нити в пролетах до 100 м составляют 10 см. Анкерные опоры, меж­ду которыми натянуты рельсы-канаты, установлены с интервалом 500-2000 м, а промежуточные опоры — с интервалом от 20 до 100 м. Высота опор зависит от рельефа местности, а также высоты тех объектов, под которыми проходит трасса.

Автомобили — модули должны быть оснащены стальными коле­сами диаметром 50-70 см. Каждая пара колес имеет индивидуаль­ный электропривод. Они будут перемещаться по бесстыковым рель­сам-струнам так же, как подвижной состав высокоскоростных железных дорог. Пассажировместимость одного автомобиля-мо­дуля 10 человек, грузовместимость 5 т. Скорость движения до 300 км/ч. Грузовые терминалы, на которых будет осуществляться загрузка и разгрузка модулей, а также пассажирские вокзалы для них должны иметь кольцевую форму. Строительство СТС включено в Федеральную программу развития города-курорта Сочи. Автором изобретения предложена и экономически обосно­вана кольцевая трасса СТС протяженностью 5,4 тыс. км в реги­оне Балтийского моря по маршруту: Стокгольм - Хельсинки -Санкт-Петербург - Таллинн - Калининград - Росток - Копенга­ген - Стокгольм.

Дальнейшее развитие систем монорельсового транспорта предполагает их широкое использование не только для пасса­жирских, но и высокоскоростных грузовых перевозок, в частно­сти, для доставки крупнотоннажных универсальных контейне­ров на дальние расстояния. Существенным недостатком высо­коскоростных монорельсовых дорог является шум, возникаю-

щий при контакте стальных колес с опорно-направляющими рельсами. В связи с этим недостатком подвижной состав на маг­нитной подвеске представляется более перспективным.

Несколько лет назад в лабораторном эксперименте фирмой «Ве-стингауз электрик» (США) испытана транспортная капсула, которая движется между верхним и нижним направляющими рельсами, работающими как магниты разной полярности. По расчетам экспертов транспортная капсула, преобразованная в вагон, способна двигаться со скоростью до 240 км/ч. Такой вагон на магнитной подвеске с линейным двигателем практически бесшу­мен. Создание транспортных систем на магнитной подвеске, при­годных для пригородных и междугородних пассажирских сооб­щений, предусмотрено программой совместной работы конструкторов и исследователей США и России.

Над воплощением подобного проекта задумались и японские конструкторы фирмы «Хатанги». Они предложили оборудовать магнитами только вагоны, а вдоль пути уложить катушки из алюминиевого провода. Чтобы индуктировать в них сильный ток, вагоны нужно предварительно разогнать, только тогда об­разуется магнитное поле, способное поднять вагоны. Чем выше скорость, тем больше высота подъема вагонов (максимальная высота 30 см). Считают, что при такой подвеске поезд может развивать скорость до 500 км/ч.

В Германии построен участок трассы, на котором поезд «Трансрапид» на магнитной подвеске достиг такой скорости. Проект был разработан мюнхенским инженером К. Маффе.

Компания «ABB Daimler Benz Transportation» no инициативе московского правительства разработала проект строительства высокоскоростной пассажирской транспортной системы «Транс­рапид» для сообщений между аэропортами Шереметьево и цент­ром «Москва-Сити».

Учеными японского университета создана конструкция лета­ющего поезда. На испытательный полигон института железнодо­рожной технологии в префектуре Миядзаки передан 4-осный ва­гон длиной около 8 м, оснащенный двумя самолетными кры­льями и электродвигателем с пропеллером. Крылатый вагон бу­дет получать энергию для своего движения через рельсы от сол­нечных батарей, смонтированных по обе стороны железнодорож­ного пути. Сначала вагон будет разгоняться на колесах, а затем взмывать над рельсовым полотном и скользить над ним

на высоте примерно 15 см. При этом электродвигатель, вращаю­щий пропеллер, будет питаться от вагонных аккумуляторов. Бла­годаря такой конструкции вагон может достигать скорости до 500 км/ч.

Идея резкого уменьшения трения, возникающего при контакте подвижного состава с опорной поверхностью, на которой он перемещается, привела к созданию транспортных средств на воз­душной подушке. Такие транспортные средства возникли на вод­ном транспорте. Принципиальная схема судна на воздушной по­душке представлена на рис. 34.

Рис. 34. Судно на воздушной ^: подушке (разрез по воздушному каналу):

1 — нагнетатель; 2 — воздушная 7 ^шахта; ³ ~ воздушный канал; 4 — отсек плавучести; 5 — воздушная подушка; б — ватерлиния при работающем вентиляторе; 7—ватерлиния при неработающем вентиляторе

В нашей стране создано несколько моделей судов на воздуш­ной подушке. Их преимущества заключаются в большой скорос­ти и вездеходности.

Они не нуждаются в причальных сооружениях. Самым крупным в мире судном на воздушной подушке считается автопассажирс­кий паром, обеспечивающий перевозки через пролив Ла-Манш. Длина этого судна 39,2 м, ширина 22,8 м, грузоподъемность 80 т, мощность двигателей 10 тыс. кВт, высота подъема над поверхнос­тью воды 180 см.

В Архангельском порту эксплуатируют подвижные причалы на воздушной подушке грузоподъемностью до 40 т. На Сормов­ском судостроительном заводе организовано серийное производ­ство судов этого типа. Недостатки таких судов заключаются в больших затратах энергии на создание воздушной подушки и сильном создаваемом ими шуме.

Сухопутные аппараты на воздушной подушке существуют в виде проектов и опытных образцов как у нас, так и за рубежом.

Во второй половине XX века наиболее обстоятельные исследо­вания в этой области провели французские специалисты. Ими была сооружена опытная монорельсовая дорога на воздушной подушке. В качестве рельса они применили железобетонную бал­ку в виде опрокинутой буквы «Т», которую положили на опоры. Под днище вагона, опирающегося на эту балку, нагнетался воздух. Он создавал тонкую подушку — «воздушную смазку», обеспечи­вающую легкое перемещение вагона. Вагон был оборудован само­летным турбореактивным двигателем и реактивными ускорителями общей мощностью 2000 кВт. Достигнута скорость передвижения 345 км/ч.

Сухопутные транспортные устройства на воздушной подушке ис­пользуются в нашей стране для перемещения тяжелых грузов в усло­виях бездорожья, болот, труднопроходимой местности, а также в сбо­рочных цехах ряда промышленных предприятий.

Инерционные транспортные средства базируются на использо­вании кинетической энергии маховика, который установлен на подвижном составе. Идея такого двигателя (инерционного акку­мулятора) была впервые предложена российским инженером В.И. Шуберским в 1864 г.

Другой российский инженер А.Г. Уфимцев в 1925 г. поместил маховик в вакуумную камеру и довел до минимума потери энер­гии в подшипниках качения.

Первые автобусы с инерционными двигателями были постро­ены швейцарской фирмой «Эрликон» в середине XX века. Эти автобусы стали называть гиробусами. Принцип их действия прост. Маховик и электродвигатель (генератор) связаны общим валом. Электродвигатель, потребляя энергию из сети, разгоня­ет маховик. Затем электродвигатель переключают в генератор­ный режим, и он сам начинает вырабатывать электроэнергию, обеспечивающую работу мотор-колес гиробуса. Маховики гиробуса, вращающиеся в вакууме, сохраняют энергию в течение 12 ч.

В настоящее время инерционные двигатели не получили ши­рокого применения из-за высокой массы маховиков, которая составляет 6-7% от общей массы транспортных средств. Продол­жаются разработки маховиков, обладающих высоким запа­сом энергии и меньшей массой. Это достигается повышени­ем частоты их вращения до 20-30 тыс. мин¹. По утверждению ряда специалистов маховик массой 100 кг при скорости враще-

ния 30 тыс. мин¹ запасает энергию, достаточную для пробега легко­вого автомобиля на расстояние до 160 км.

Ужесточающие требования охраны окружающей среды обус­ловили активный поиск эффективных решений, касающихся со­здания автомобилей с электроприводом — электромобилей. Тяго­вые двигатели таких автомобилей устанавливают на ведущих колесах. Энергия к этим двигателям подается от тяговых аккуму­ляторов большой электрической емкости. Однако тяговые акку­муляторы имеют значительную массу и их приходится возить на транспортном средстве или прицепе к нему. На рис. 35 электри­ческий автобус (электробус) фирмы «МАН» со сменной аккуму­ляторной батареей на одноосном прицепе.

Для подзарядки аккумуляторов электромобилей в ряде европей­ских стран начали использовать солнечные панели (гелиоэнерге-тические батареи) мощностью 0,5-3,0 кВт. Такие панели монтиру­ют на крышах жилых и административных зданий.

Рис. 35. Электробус

фирмы «МАН» со сменной

аккумуляторной батареей

на одноосном прицепе

(Германия)

Специалисты Швейцарии подсчитали, что стационарная гелиоэнер-гетическая установка площадью 25-30 м² способна за год вырабаты­вать до 3 тыс. кВт-ч электроэнергии. Солнечные батареи могут быть установлены и на самом электромобиле (солнцемобиле), принципи­альная схема которого представлена на рис. 36.

Солнцемобиль в отличие от электромобиля должен иметь значитель­ную площадь крыши для размещения солнечных панелей.

В 90-х годах американская авиастроительная компания «Лок-хид» разработала беспилотный летательный аппарат (солнцелет), который может находиться в стратосфере на высоте 20 км около года. Заказчик этого солнцелета — ассоциация НАСА предпола­гает наблюдать с его помощью за морскими и сухопутными гра­ницами, своевременно обнаруживать лесные пожары, изучать миграцию китов, перемещение саранчи и т.д. Размах крыльев этой высотной солнечной платформы (рис. 37) около 100 м, а масса всего 900 кг. Общая площадь солнечных батарей, размещенных на его крыльях и вертикальных плоско-

Рис. 36. Схема устройств «классического» солнцемобиля:

1 — солнечные панели; 2 — электронный блок управления двигателем; 3 — ведущее колесо; 4 — двигатель и трансмиссия; 5 — аккумуляторные батареи; 6 — электронный «максимайзер» солнечной энергии

стях, около 900 м². Солнечная энергия вращает с частотой 150 мин¹, воздушный винт диаметром 12 м.

В 1998-1999 гг. молодые конструкторы Всероссийского института нетрадиционной техники (ВИНТ) подсчитали, что для обеспечения элек­троэнергией современного пассажирского авиалайнера требуется от 20 до 100 м²солнечных батарей, используемых на орбитальных станциях. Они установили такие батареи на крыльях, фюзеляже и хвостовом опе­рении серийного турбореак­тивного самолета. Опытные по­леты дали позитивные результа­ты. Новинкой заинтересовались специалисты многих стран мира.

За последние 20 лет в мире возродился активный инте­рес к дирижаблям. В 1985 г. американские фирмы «Гудь-ир», «Вестингауз», «Боинг» и британская фирма «Эршип индастриз» по заказу ВМС США начали разработку дирижабля для дальнего ра­диолокационного обнаружения объектов связи и управления. Общий объем дирижабля должен был составить 65 тыс. м³. Подобные работы начаты и в Германии компанией «Цеппелин Люфтшиффбау». В 199$ г. эта компания приступила к строительству дирижабля LZN 07 длиной 75 м, объемом 8200 м³. Его первый полет состоялся в сен­тябре 1997 г.

В России конструкторы ЗАО «КБ Термоплан», созданного при Московском авиационном институте, ведут разработку аналога дирижабля — аэростатического летательного аппарата. Этот ле­тательный аппарат назван ими термопланом. Конструкторы от­казались от традиционной сигарообразной формы дирижабля и создали аппарат, напоминающий «летающую тарелку». В Улья­новске намечено испытание модели термоплана грузоподъемнос­тью до 35 т. По результатам испытаний планируется создать два готовых образца термоплана грузоподъемностью 600 т.

Можно утверждать, что многие созданные или воссоздан­ные во второй половине XX века виды нетрадиционной транспортной техники постепенно приобретут статус тради­ционных.

Контрольные вопросы к разделу 3.9 главы 3

1. Как устроены и работают монорельсовые транспортные системы?

2. В чем заключаются особенности струнной транспортной системы?

3. Расскажите о магнитной подвеске подвижного состава.

4. Как устроена воздушная подушка судов?

5. На чем основана работа гиробусов?

6. В чем отличие солнцемобилей от электромобилей?