Нетрадиционные транспортные средства и системы

Рассмотренные в предыдущих разделах книги виды транспорта считаются традиционными. История их многолетнего развития совершенствования доказала целесообразность и эффективность применения таких видов транспорта. Вместе с тем, экономика и общество нуждаются не только в совершенствовании 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 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. инженер И.В. Романов. Через шесть лет в г. Вуппертале Германии была построена первая пассажирская дорога такого типа. Последующие полвека большого интереса к монорельсовым дорогам не проявлялся. И только во второй половине XX века пассажирские монорельсовые дороги стали активно строить, правда, как аттракционы 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

Такие дороги не требуют больших объемов земляных работ, устройств 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 незначительного отчуждения земель, обеспечивают высокую безопасность движения. Большинство монорельсовых пассажирских дорог имеет составы из шести вагонов, вмещающих до 120 человек и передвигающихся со скоростью до 200 км/ч. В Москве построена первая монорельсовая дорога в 2003 г. Она связала станции метро «Ботанический сад» и «Тимирязевская». Ее протяженность 8,5 км.

Прогрессивная конструкция скоростной струнной транспортной системы на опорах предложена А.Э.Юницким. Эта система запатентована под названием «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, возникающий 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 «Вестингауз 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 нагон, 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 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 налом. 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. мин. По утверждению ряда специалистов маховик массой 100 кг при скорости вращения 30 тыс. мин^-1 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 (гелиоэнергетические 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 гелиоэнергетическая 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.

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

Общая площадь солнечных батарей, размещенных на его крыльях и вертикальных плоскостях, 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 м2 солнечных 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 возро- дился интерес к дирижаблям. Рис 37 Высотная солнечная платформа НАСА

В 1985 г. американские фирмы «Гудьир», «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 1993 г. эта компания приступила к строительству дирижабля LZN 07 длиной 75 м, объемом 8200 м3. Его первый полет состоялся в сен­тябре 1997г.

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.