Канатная транспортная система на магнитной левитации (стр. 9 )

Промышленная применимость

Долгое время не удавалось технически реализовать заманчивую идею создания космического лифта. Основная проблема, тормозящая его создание, заключается в том, что стальные тросы слишком тяжелые и недостаточно прочные. Такой трос оборвется под действием своего собственного веса уже на высоте 10 км. В высоком здании - основная часть веса, который приходится поднимать тросу лифта - это его собственный вес. Кроме того, низкая электропроводность материала троса не позволяет передать по нему электроэнергию большой мощности. Углеродные нанотрубки в сотню раз прочнее стали, они представляют собой монокристаллические структуры. После открытия этих структур в 1991 году исследователем Сумио Иджима (Iijima Sumio) (фирма NEC) [22] углеродные нанотрубки стали ведущим элементом в концепции создания космического лифта. А после открытия в 1998 г. возможности высокотемпературной сверхпроводимости (93,50С) в нанотрубках с внутренними размерами 12 нм - 16 нм, легированных особым образом [21], стало возможно осуществить магнитную левитацию на таком канате.

Этот эффект был уже экспериментально найден в 2004 г. исследователем из Калифорнийского университета Guo-meng (Peter) Zhao [23].

В настоящее время уже налажено массовое производство нанотрубок. Серийное производство калиброванных нанотрубок стоит от 100 до 500 долларов США за один грамм (Carbon Nanotechnologies, Inc.). Существует много современных методов - испарение угольных электродов или получение горячих углеродных газов, чтобы создать молекулярные трубки [24].

Все новые открытия в технологии производства обещают быстрый прогресс в этой области. Например, недавно исследовательская группа ученых из нескольких университетов США создала сверхпрочную гибкую ленту, состоящую из пучков многослойных углеродных нанотрубок [25]. Была синтезирована матрица из волокон многослойных нанотрубок, расположенных в одном направлении, методом химического осаждения пара, используя ферроцен и ксилен в качестве "сырья". Получилась однородная волокнистая масса, состоящая непосредственно из нанотрубок, с пористостью около 87%.  Новый материал можно использовать в качестве каната в космическом лифте, в одежде нового поколения и т. п.

Для предлагаемого изобретения необходимо продолжить исследования по получению длинных волокон из калиброванных нанотрубок с внутренним диаметром 14,5 нм. В настоящее время в этой области работают сотни фирм. Налицо все научные, технические и технологические предпосылки для создания промышленного производства крупнотоннажного объема нановолокон для создания сверхпрочных канатов и материалов при стоимости 1-2 доллара США за грамм. При такой стоимости, для всех вариантов предлагаемого изобретения, на 1 км пути потребуется порядка 10 кг каната, т. е., 10-20 тысяч долларов США. Это значительно ниже, как минимум, на 1-2 порядка, себестоимости 1 км пути всех традиционных наземных транспортных систем.

В промышленности выпускается большой класс линейных электродвигателей и линейных шаговых электродвигателей. Хорошо разработаны технологии их производства и систем управления на основе сильноточных полупроводниковых приборов. Удельная мощность этих двигателей составляет порядка 1 кВт/кг. Известно, что значительное уменьшение удельного веса можно добиться, если использовать низкотемпературные сверхпроводники, имеющие большие магнитные поля 3-5 Тл. Уменьшение веса осуществляется за счет отказа от стальных магнитопроводов и уменьшения веса конструктивных элементов. Одновременно исключаются омические потери в проводниках. Для мощных сверхпроводящих двигателей можно достичь удельной мощности до 10кВт/кг при КПД, близком к единице. Это в несколько раз выше удельной мощности, характерной для авиационных турбореактивных двигателей.

Переход на высокотемпературные сверхпроводники позволит в принципе отказаться от криогенных систем охлаждения, что резко упростит конструкцию двигателя и его конструктивных элементов. В линейных двигателях можно использовать намоточные провода, аналогичные канатам из калиброванных нанотрубок, имеющих электрическую изоляцию.

В качестве транспортных модулей для 2D авиации в качестве базовой модели можно взять планер «ЭКИП». Разработка этого летательного аппарата достаточно продвинута и имеет все необходимые аэродинамические качества. В этом планере исключаются воздушная подушка, турбореактивные двигатели, топливная система. Вспомогательные турбореактивные насосы, формирующие ламинарные воздушные потоки, можно заменить на электротурбины на основе материала с высокой электропроводностью. Для пассажирского варианта достаточно использовать модули с полетным весом до 10 т (50-60 пассажиров), а для грузоперевозок можно использовать модули с полетным весом до 75 т. Ограничения связаны с международными стандартами транспортных перевозок (масса двух 20 футовых контейнеров – 44 т, одного 40 футового контейнера – 30,5 т).

При себестоимости 1 км нановолоконного каната 20-30 тыс. долларов США и себестоимости 1 анкерной опоры и ее установки порядка 45 тыс. долларов, себестоимость пути в одном направлении с расстояниями между опорами 10 км составит порядка 25-35 тыс. долларов США на 1 км пути. Это, как минимум, в 100 раз дешевле любой высокоскоростной наземной транспортной системы. Т. е., переход на строительство пути на основе дорогих материалов, но имеющих уникальные качества – в 460 раз прочнее и легче стали, позволяет практически во столько же раз уменьшить себестоимость пути.

Рассчитаем альтернативные железным дорогам перевозки грузов на основе 2D авиации при максимально возможной скорости и грузоподъемности железных дорог.

Полный взлетный вес P0 -75 т,

Грузоподъемность – 50 т,

Крейсерская скорость полета – 300 км/ч,

Размах крыльев – 15 м,

Нагрузка на крыло – 150 кг/м2,

Аэродинамическое качество – 10-15

Транспортный модуль можно изготавливать из легких композитных материалов на основе углеродных нанотрубок, что резко уменьшает вес модуля.

Минимально необходимая скорость движения для подъема груза определяется из формулы (2), преобразованной к виду:

, (10)

где rв – плотность воздуха у земли, g – ускорение свободного падения, S – площадь крыла, cy – аэродинамический коэффициент, определяющий подъемную силу, который изменяется в зависимости от геометрии крыла для разных режимов полета от 0,4 до 2,5.

Для крейсерской скорости и тонкого крыла площадью 500 м2 cy =0,4. Тогда минимальная скорость составит 272 км/ч. Чтобы уменьшить площадь землеотвода, сохранив при этом грузоподъемность и площадь крыла, необходимо использовать планер в виде триплана (см. Фиг.5).

Необходимая мощность двигателя, следовательно, энергия, затрачиваема на полет Px, будет определяться лобовым сопротивлением по формуле (3). При каплевидном виде корпуса cx = 0,04, площадь сечения Sx= 11,25 м2. Для тонкого крыла cx = 0,075 и Sx= 6,25 м2 . Тогда при скорости 300 км/ч мощность двигателя Px составит 343 кВт. На преодоление 1000 км модуль затратит 3,33 ч, т. е., потребуется 1142 кВт ч, или 388 кг условного топлива. Т. е, на 1 т перевозки полезного груза на 1000 км потребуется 7,6 кг условного топлива.

В результате мы видим, что 2D авиация является более экономичным транспортом, чем современные железные дороги. При этом скорость перевозок практически возрастает с 80 км/ч до 300 км/ч.

Поясним, каким образом в 2D авиации при постановке железнодорожного вагона на «крыло» скорость перевозки возрастает в 3,8 раза, а энергозатраты остаются эквивалентными энергозатратам железнодорожного транспорта (80 км/ч) (см. Табл.1). Это связано с тем, что энергозатраты на преодоление трения качения в системе колесо/рельс оказались соизмеримыми с энергозатратами на преодоление аэродинамического сопротивления транспортного модуля 2D авиации [26]. Это достигнуто за счет его аэродинамической оптимизации, применения линейных электродвигателей с высоким 95% кпд тяги и новых композиционных материалов. При этом полезная нагрузка модуля достигает 70% взлетного веса, что в 2,5 раза выше, чем у самолетов.

Основной проблемой транспортных систем в Европе является землеотвод и экологические требования к ним.

Поэтому, другим вариантом реализации является создание транспортных трасс 2D авиации вдоль автомагистралей или создание энерго-транспортных трасс взамен высоковольтных линий электропередач.

2D авиация автоматически решает обе эти проблемы. Располагать транспортную структуру можно непосредственно над скоростными автомагистралями, например, можно использовать небольшие пассажирские летельные аппараты типа «ЭКИП» (см. Фиг.3). Тогда можно будет переключить транспортный поток с движения по земле на движение по воздуху. Автомобили вместе с пассажирами можно будет перевозить в специальных контейнерах, размещенных в транспортных модулях. Это аналогично перевозкам автомобилей с пассажирами в специальных контейнерах по железной дороге со скоростью до 180 км/ч, что рассматривается в проектах транспортных систем AutoShuttle, Autran и AVT-TRAIN [27]. В 2D авиации скорость перевозки значительно выше и достигает 300 км/ч.

Согласно нашим расчётам - это, во-первых, дешевле, чем ехать на той же машине по дороге, во-вторых, это быстрее — 300 км/час, в-третьих — экологически чисто, а в четвёртых — безопасно и нет пробок. В один транспортный модуль может вмещаться 4-6 легковых автомобилей плюс салон для пассажиров со всеми удобствами (см. Фиг.4). Себестоимость перевозки одного автомобиля будет не выше стоимости бензина, необходимо для проезда автомобиля на тоже расстояние.

В развитых странах с высокой плотностью населения, как правило, электроэнергия подводится к городам по высоковольтным линиям передач. Сама процедура выделения земельных участков под линии электропередач давно закончена. Избежать длительного процесса выделения земельных участков возможно за счет объединения функций передачи электроэнергии и трассы 2D авиации. В этом случае мы имеем возможность осуществить достаточно удобный доступ к центрам городов для 2D авиации.

Опоры для 2D авиации легко использовать для прокладки линий электропередач без потерь на основе сверхпроводящего кабеля более 1 ГДж на одну линию. В этом случае можно сэкономить до 10% передаваемой электроэнергии.