Текст книги "Скоростные поезда"
Автор книги: Ромэн Яров
сообщить о нарушении
Текущая страница: 4 (всего у книги 5 страниц)
Воздух – враг и союзник
Высокие скорости требуют не только мощных локомотивов, но и совершенно особого технического оснащения путевого хозяйства и подвижного состава. И помимо таких, чисто конструкторских вопросов, встал еще один, казалось бы, до сих пор являвшийся привилегией авиаторов и не очень смущавший инженеров наземного транспорта.
Два поезда мчались навстречу друг другу. Все ближе, ближе, вот поравнялись. И в этот момент машинист одного из электровозов ЧС2 вдруг услышал глухой удар над крышей. Оказалось, что встречным потоком воздуха подняло передний нерабочий пантограф, который ударился о фиксатор контактного провода и сломался. Этот случай произошел на Октябрьской железной дороге летом 1965 г. Инженеры могут рассказать о множестве подобных происшествий. При относительных скоростях встречных поездов, приближающихся к 300 км/ч, воздушная волна выдавливает оконные стекла. И это не удивительно. Когда оба состава движутся со скоростями 160 км/ч, давление воздуха на стены и окна составляет 2 кГ/см2. Поезд, весящий 300 т и движущийся со скоростью 200 км/ч, испытывает воздушное сопротивление силой в 6–8 т. Что уж тут говорить об отдельном человеке, попавшем в этот мощный воздушный поток. Известно, что подходить близко к работающим реактивным двигателям самолета не стоит. Точно таких же предосторожностей требует и быстро идущий поезд. Если скорость его равна 250 км/ч, то человек, стоящий на расстоянии 1 м от стенки вагона, почувствует «прикосновение» воздушной струи силой в 50 кГ. Не поздоровится от такого «прикосновения». Даже на расстоянии 2,5 м от стенки сила воздушного удара составит 6 кГ, что, в общем тоже немало.
Как несовершенны были старинные паровозы с точки зрения аэродинамики! Сколько угловатых, прямоугольных выступающих за линии общего контура частей! Это объясняется просто: при скорости 30 км/ч воздушное сопротивление по отношению к общему составляет всего 5 %, и потому не было нужды работать над обтекаемостью паровозов. Увеличьте скорость до 1100 км/ч, сопротивление вырастет до 35 %. А при скорости 1230 км/ч 70 % всей потребляемой мощности поезд затрачивает на то, чтобы разрывать возникающую перед ним воздушную стену.
Инженеры-железнодорожники встали перед той же проблемой, которая постоянно волнует авиаторов. Но на земле она оказалась в чем-то посложнее. В самом деле, поезд под один фюзеляж не спрячешь, форму капли ему не придашь. Он всегда будет состоять из вагонов, а следовательно, и промежутков между ними. Отсюда лишние завихрения. Те «собачьи ящики» под вагонами, в которых путешествовали беспризорники, для поезда больших скоростей недопустимы, как недопустимы вообще любые выступающие агрегаты.
Для скоростных и сверхскоростных поездов важно выяснить, как зависит аэродинамическое сопротивление от скорости и направления ветра, строения пути, как распределяются силы воздушного сопротивления по поверхности состава, на какие элементы приходится наибольшая их часть. При скорости 160 км/ч разница между лобовым давлением и давлением в хвосте составляет 95 кГ/см2. А это значит, что вдоль состава проходят зоны разного давления. При скорости 250 км/ч не будет разрешено открывать окна. Следовательно, надо знать, как распределяются эти зоны, чтобы правильно спроектировать вентиляцию, кондиционирование воздуха, выхлопные устройства тепловозных дизелей.
Все это элементы чисто конструкторские. Но ведь существуют еще требования эксплуатационников, которые хотят, чтобы все узлы и агрегаты работали надежно и их было бы легко обслуживать. Затем поезд должен удовлетворять всем требованиям технической эстетики. И, наконец, технологи, как всегда, хотят, чтобы все детали легко было сделать, а агрегаты собрать. Короче говоря, инженеры-железнодорожники столкнулись с проблемами, никогда доселе перед ними не стоявшими. Зато этими же вопросами много лет подряд занимаются авиационники. Пришлось обратиться к их опыту, их оборудованию и… моделям. В аэродинамической трубе расположили модели, каждая из которых имитировала форму лобовой части одного из составов.
Существуют методы испытаний будущих машин с помощью моделей, где соответствие форм модели и прототипа вовсе не обязательно. Здесь было совсем не так. Выявлялась форма будущего поезда, и поэтому модель ее полностью повторяла. Это был, по существу, гипсовый макет, причем не только будущих, но – и существующих поездов. Быть может, уже найденные формы можно будет оставить? Множество научных организаций нашей страны принимало участие в этих экспериментах: Всесоюзный научно-исследовательский институт вагоностроения, Рижский и Калининский вагоностроительные заводы, Институт подшипниковой промышленности, Институт механики МГУ и др.
И вот маленькая модель заключена в трубу, где дует ураганный ветер. Но он нисколько не больше того, с которым придется бороться сверхскоростному поезду. Ураган, срывающий крыши с домов, имеет скорость 30 м/сек, поезду же придется преодолевать 60–75 м/сек. Одна модель, другая, третья… Сразу ясно, что формы многих ныне существующих электропоездов не годятся: слишком сильно лобовое сопротивление. Самыми лучшими оказались формы, предложенные МГУ и Рижским вагоностроительным заводом. Опыт и расчеты помогли установить очень важные закономерности. Поезд всего – из одного вагона с самыми лучшими из ныне существующих форм для того, чтобы двигаться со скоростью 250 км/ч, должен иметь двигатель мощностью 1150 л. с. А те формы, которые «рекомендовала» аэродинамическая труба, позволяют снизить эту мощность до 800 л. с. Правда, для поезда длиной в несколько вагонов экономия уменьшится, но, конечно, не исчезнет совсем.
Разумеется, уменьшение экономии с увеличением длины поезда явление не случайное. Самолет весь, как сорвавшаяся капля. С поездом то же самое сделать трудно. Его даже в аэродинамическую трубу трудно поместить. Но отдельные части можно. И вот вслед за моделями передней части локомотивов настала очередь моделей вагонов, и с полностью закрытым подвагонным пространством и с закрытым лишь частично. Три модели каждого типа образовали «поезд». Что же показали испытания? Если хоть частично закрыть подвагонное пространство, то при скорости 200 км/ч трехвагонный поезд потребует на 150 л. с. меньше, чем это нужно для движения такого же поезда, где внизу ураганный ветер цепляется за каждый выступ. А если днище вагона сделать таким же гладким, как низ самолета, то экономия мощности возрастет до 400 л. с. При этом, правда, ухудшится доступ к некоторым узлам. Что ж, придется разрабатывать новые методы проверки и осмотра, да и эксплуатации вообще.
Вихри под полом вагона «съедают» большую часть мощности локомотивных двигателей. Но свою долю «требуют» и те вихри, которые возникают в пространстве между вагонами. Встаньте на переходе из вагона в вагон в обычном поезде. Вы увидите торцы вагонов, лестницы, ведущие на крыши, и проносящиеся пейзажи. Поезду из десяти вагонов, идущему со скоростью 200 км/ч, эти картины обойдутся в лишних 500 л. с. Чтобы этого не было, придется полностью закрыть интервалы между вагонами или, на худой конец, уменьшить их, чтобы негде было разгуляться ветру. Вообще поезд, мчащийся с той скоростью, с какой совсем недавно летал самолет (например, послевоенный ЯК-18 делал в час около 250 км), должен быть гладок, как птица.
Высокая скорость опрокидывает все привычные представления и взгляды. Ну что такое, казалось бы, вагонный поручень? А между тем эти в общем-то необходимые детали увеличивают требуемую мощность на 20 л. с. Смотровые мостки, проложенные по крыше вагона, – на 28 л. с. И таких «мелочей» набирается очень много.
Проблема создания сверхскоростного поезда является одной из сложнейших, какие стояли когда-либо перед инженерами железнодорожного транспорта. Свой собственный опыт придется коренным образом пересмотреть, привлечь на помощь опыт инженеров других отраслей промышленности, в первую очередь, авиации. Технические средства, рождающиеся на стыке разных отраслей промышленности, приводят к поразительным достижениям. Сверхскоростной поезд – одно из них.
Законы аэродинамики выступают как будто в роли врагов сверхскоростного поезда. Но нет худа без добра. Воздушное сопротивление препятствует движению поезда – но оно же может оказаться и полезным. Колоссальное давление воздуха на стенки поезда приведет к тому, что он будет меньше колебаться в поперечном направлении. Уменьшится виляние. Воздух превратится как бы в плотную оболочку, гасящую колебания, прижимающую поезд к рельсам. Тут может возникнуть новая отрасль науки – аэродинамика скоростных поездов. Так технические проблемы приводят к возникновению научных дисциплин, а те, в свою очередь, способствуют развитию техники.
Путь надо готовить
Если отдельные паровозы-рекордсмены могли в старину двигаться со сверхвысокими скоростями, то путь на подобную резвость никак не был рассчитан. Вот поэтому-то сейчас при обдумывании проблем скоростного движения инженеры обращают внимание на подготовку пути не меньшее (если не большее), чем на конструкцию подвижного состава. Прежде всего речь идет об улучшении плана трассы. Эта работа заключается в увеличении радиусов кривых и спрямлении отдельных участков. Важность ее легко понять из таких цифр: в нашей стране на каждые 100 км сети приходится в среднем 8-16 участков для грузовых и 20–40 участков для пассажирских поездов, где из-за кривых приходится снижать скорость. При радиусе 600 м скорость не может быть больше 115 км/ч, при радиусе 800 м – больше 130 км/ч. Вот поэтому улучшение трассы в плане сыграет очень большую роль при подготовке к сверхскоростному движению. Американцы подсчитали: если можно выиграть минуту в пути, затратив от 46 тыс. до 115 тыс. долларов, на эти расходы целесообразно идти. Поэтому при спрямлении дорог они прибегают к очень большим капитальным работам, вплоть до постройки тоннелей, виадуков, изменения русел рек.
Чем больше скорость движения, тем больше действующие на путь силы. Вот почему при подготовке к сверхскоростному движению стараются усилить путь, применяя более тяжелые рельсы. С повышением веса рельс – возрастает их несущая способность, срок службы, стабильность пути. На линиях, где поезда ходят со скоростью 120 км/ч и выше, применяют рельсы, весящие не менее 50 кг/пог. м. В США, где скоростные поезда ведут тепловозы с осевой нагрузкой 25 т, применяются рельсы весом 60–65 кг/пог. м. На наших дорогах при скоростях от 101 до 120 км/ч укладывают рельсы типа Р50 и при скоростях более 120 км/ч – рельсы типа Р65.
Чем больше неровностей на рельсах, тем меньше комфорт для пассажиров. Удары и толчки неизбежны на стыках рельс, поэтому инженеры стараются на скоростных линиях укладывать длинные сварные рельсовые плети. Бесстыковой путь получает очень большое распространение. И дело не только в сокращении количества рельсовых стыков. Сама колея становится более стабильной в плане и профиле.
Какие только профили рельсов ни применялись в те далекие времена, когда появились железные дороги! После многих опытов наш современный профиль рельса – с подошвой, шейкой и головкой – был признан наилучшим. Не изменился он и с появлением высокоскоростных поездов, только чуть-чуть модернизировался. На линии Новая Токайдо головка сопрягается с шейкой по кривой большего радиуса, чем обычно. Точно так же новые рельсы, которые появляются в Западной Европе, имеют более пологие сопряжения шейки с головкой и подошвой. Все это уменьшает опасную концентрацию напряжений.
Во времена первых железных дорог никто не мог поверить, что деревянные шпалы способны выдерживать ту громадную нагрузку, которую создает движущийся поезд. Под рельсы сперва подкладывали камни, которые даже не соединяли колею, потом додумались до каменных шпал, укладка которых стоила чрезвычайно дорого, наконец, пришла очередь деревянных. Интересно, что не с изобретением паровоза и не с подбором профиля рельс, а с появлением деревянной шпалы железнодорожный транспорт сделал большой рывок. Ведь строительство дорог после этого резко подешевело. С появлением скоростных поездов деревянная шпала не изменила своей конструкции. Изменилось число их на километр пути. Специалисты считают, что увеличение этого числа, особенно на кривых, усиливает путь, следовательно, является одной из мер при подготовке к скоростному движению. На дорогах с тяжелыми рельсами укладывают 1840–2000 шпал на километр.
Если вместо деревянных применяют железобетонные шпалы, получающие в последнее время все больше распространение, путь становится более жестким. Зато движение – более плавным. В связи с повышенной жесткостью пути с железобетонными шпалами между рельсом и шпалой на линии Новая Токайдо уложены резиновые прокладки. В систему соединения рельс – шпала должны входить и другие упругие элементы, снижающие жесткость основания. Для этой цели применяются упругие сопряжения. Вот один из вариантов на линии Новая Токайдо (рис. 5).
Рис. 5. Узел крепления рельса со шпалой на дороге Новая Токайдо: 1 – пружинная клемма; 2 – поперечная (боковая) пружинная клемма; 3 – болт; 4 – шайба; 5 – упругая резиновая прокладка; 6 – втулка; 7 – пластичная упругая подушка – башмак; 8 – спираль из проволоки.
Втулка 6 из полиэфирной смолы, вделанная в железобетонную шпалу, имеет внутри резьбу. В эту резьбу ввинчивается болт 3,который прижимает к подошве рельса пружинные клеммы 1 и 2 с силой до 500 кГ. Такие пружинные клеммы дают возможность регулировать положение рельса относительно шпалы и увеличивают стабильность пути Между подошвой рельса и шпалой установлена резиновая прокладка 5. Вообще промежуточные скрепления скоростных линий должны обеспечивать упругую связь рельсов со шпалами и в то же время надежно сопротивляться боковым силам.
Очень важное значение для нормального движения на скоростных дорогах имеет работа балластного слоя. От профиля балластной призмы, степени уплотнения слоя и качества материала зависит устойчивость пути. Балластом обычно служит щебень из твердых горных пород. При подготовке дорог к скоростному движению увеличивают толщину балластного слоя, иначе будут возникать деформации основной площадки земляного полотна. Увеличивают плечо – расстояние от торца шпалы до балластной бровки. Уменьшают, наконец, крутизну откоса балластной призмы, так как из-за вибраций на высоких скоростях при крутом откосе щебеночный слой быстрее теряет свою плотность.
При движении по стрелкам даже с обычной скоростью чувствуются толчки. На больших же скоростях подобные неприятные явления должны стать еще заметнее. Данная проблема тоже очень серьезная. Задача конструкторов в этом вопросе – повысить плавность движения, чтобы свести к минимуму силу и частоту ударов колес об элементы стрелочного перевода. Правда, когда поезд идет в прямом направлении, ограничений скорости нет. Японские экспрессы проходят на прямую стрелки со скоростью 210 км/ч. Но – вот когда нужно переходить на боковой путь, приходится либо снижать скорость, либо применять особые конструкции. На Новой Токайдо скорость хода по стрелкам приемно-отправочных путей равняется 70 км/ч. Сейчас все большее применение находят стрелки с большим радиусом переводной кривой. Во Франции, например, есть стрелки с радиусом переводной кривой, равным 1300 м. Это позволяет переходить на боковой путь поезду, движущемуся со скоростью 100 км/ч. А если работает стрелка с радиусом 3000 м, то величина скорости увеличивается до 140 км/ч. Рельсы французских стрелок отличаются от обычных более широкой и толстой подошвой. Когда поезд движется по стрелке, возникают поперечные усилия, и более массивная подошва должна им противостоять.
Очень важно сохранять плавность движения при переходе через крестовину. Японцы для этой цели применили подвижную часть сердечника крестовины.
Несколько необычных проектов
Как бы ни улучшали мы железную дорогу, какие бы новые элементы ни вводили в конструкцию подвижного состава или пути, нам никуда не деться от принципиальной основы этого вида транспорта – движения колес с внутренними гребнями по рельсам. Все изменилось за те полтораста лет, что существует железная дорога: и тип локомотива, и мощность его, и конструкция сцепок, тормозов, вагонов. А особенно в последние годы при переходе к высоким скоростям. И только основной принцип движения остается неизменным. Это и хорошо, и плохо. Хорошо, потому что добротно, привычно, надежно, отработано за десятилетия, наконец, в силу чрезвычайной распространенности. И ни один другой вид транспорта так не способствует развитию каких-нибудь глухих областей. Самолет может не вылететь из-за плохой погоды, автомобиль – застрять. Да и много ли они возьмут груза! Но если проложить рельсы, ничто не помешает поезду прийти. Плох же этот вид транспорта потому, что удачное конструктивное решение XVIII века – рельсы и колеса с гребенками – имеет принципиальные недостатки, которые ставят предел повышению скоростей. 250–300 км/ч – это ведь с точки зрения технически достижимых современных скоростей совсем немного. Но выше этого железнодорожный транспорт подняться не сможет. Зазоры между головками рельсов и гребнями колес заставляют оси все время вилять в поперечном направлении. От этого разрушается путь и подвижной состав. Жесткая нагрузка стальных колес на рельсы приводит к ударам и в конечном счете износу того и другого. О том, как стараются избавиться и от виляния и от ударов было написано в предыдущих главах. Но ведь есть же предел конструктивным усовершенствованиям. Паровоз улучшали 150 лет, потом оказалось, что лучше его сделать невозможно, а он все равно плох. Дорога, где стальные колеса должны постоянно контактировать с рельсами, позволит довести скорость до величины около 300 км/ч. Дальше – все. И тут начинаются поиски новых принципов движения. В первую очередь речь идет о воздушной подушке. Но по этому поводу писалось уже так много, что добавить, пожалуй, нечего. Разве только то, что в конце 1967 г. во Франции вагон на воздушной подушке развил скорость 345 км/ч. Если учесть, что мировой рекорд скорости электропоезда на рельсах равен 331 км/ч, то ясно, что движение, основанное на принципе воздушной подушки, может осуществляться с большими скоростями. Этот вагон, двигавшийся по бетонному рельсу, который имеет форму перевернутой буквы Т, является всего лишь моделью. А настоящий вагон намечено испытать летом 1969 г. По двадцатикилометровой магистрали он будет мчаться со скоростью 400 км/ч. Но воздушная подушка это не новость, поговорим о проектах менее известных, но более любопытных да к тому же, быть может, и более практичных. Если скоростную дорогу требуется проложить через населенный район, то принцип воздушной подушки отпадает сразу. Нужно такое транспортное средство, при использовании которого не было бы шума, пыли, а скорость создавалась высокая. Средством подобного рода может явиться линейный двигатель.
Название его родилось по контрасту. В обычных электродвигателях две основные части – ротор и статор круглые. У статора на сердечнике из стальных пластин помещены обмотки, связанные с источником переменного тока. Они создают магнитное поле. Внутри статора с небольшим воздушным зазором по диаметру размещен ротор – магнитный сердечник с неизолированными закороченными между собой обмотками. Ток, который в них индуктируется, взаимодействует с магнитным полем, и от этого ротор вращается. Представим себе теперь, что мы разрезали и ротор, и статор, обе обмотки вытянули в линию, а одну из них еще и удлинили, допустим, от Москвы до Ленинграда. Получится так, как показано на рис. 6.
Рис. 6. Вагон с линейным двигателем: 1 – реактивный рельс; 2 – группа тележки (колеса диаметром 965 мм);3 – линейный асинхронный двигатель; 4 – генератор переменного тока; 5 – редуктор; 6 – газовая турбина.
Первичная обмотка (статора) вытянута и закреплена неподвижно. При подаче к ней переменного тока будет наведен ток и во вторичной обмотке. Между тем возникает сила тяги, и плоский ротор двинется вдоль плоского статора. А можно и наоборот – статор вдоль ротора. Принцип линейного двигателя известен давно. Его предлагал еще в конце прошлого века известный русский изобретатель Доливо-Добровольский. Но широкая работа над его применением началась только в последние годы. Как бы ни было хорошо техническое средство, если в нем нет массовой потребности, за пределы лабораторий ему не выйти. Потребность в скоростном наземном транспорте, ограниченность обычных железных дорог в смысле повышения скоростей – все это распахнуло перед линейным двигателем двери лабораторий. В чем же его преимущества? Их много.
Для того, чтобы возникло тяговое усилие, вовсе не обязательно иметь поверхность контакта между подвижным составом и дорогой. Поэтому экипаж с таким двигателем можно использовать для любого подвешивания, в том числе и на воздушной подушке.
Когда ротор вращается внутри статора, скорость его вращения ограничена, иначе он разорвется под действием центробежных сил. В линейном двигателе движение поступательное, поэтому скорость может быть достаточно большой. Это достоинство особенно ценно для скоростного транспорта.
Нет поверхностей контакта и внутри самого двигателя; стало быть нет изнашивающихся деталей вроде втулок, шестерен и тому подобное.
Двигатель бесшумен, не создает воздушного потока – значит, пыль не будет лететь в окна. К тому же он работает без вибраций.
Движущийся вагон весит сравнительно немного. Поэтому возможны высокие ускорения и резкие ступени передач. Это очень важно для городского и пригородного транспорта.
К достоинствам линейного двигателя относится и ненапряженный температурный режим его работы. Вагон-статор скользит вдоль шины-ротора, и участки шины, где происходит взаимодействие, не успевают нагреваться. Нагревается только статор, а ротор его даже охлаждает.
Экипажу с линейным двигателем очень легко осуществлять электрическое торможение, а рекуперируемую энергию возвращать в сеть.
Достоинств очень много. Но есть и недостатки.
Между движущимся и неподвижным элементами конструкции необходимо иметь зазор больший, чем в обычном асинхронном двигателе, что трудно, так как сила притяжения между ними в 3-10 раз превышает силу тяги. Этим объясняется отчасти сравнительно низкий к. п. д. линейного двигателя (0,88 с алюминиевым ротором и 0,70 со стальным против 0,92 у обычного тягового электродвигателя постоянного тока).
Длинный элемент, вытянутый вдоль дороги большого протяжения, вещь очень не дешевая. Размеры двигателя определяются тяговым усилием, поэтому небольшой двигатель на малых скоростях не может развить большого тягового усилия.
Достоинств тем не менее значительно больше, чем недостатков. Поэтому в нашей стране, в Англии и в США проводятся исследования линейных двигателей в качестве источника энергии для высокоскоростного наземного транспорта.
Опытные экземпляры двухобмоточного, трехскоростного линейного двигателя сделаны на Киевском заводе электротранспорта имени Ф. Э. Дзержинского. Используя одну обмотку, можно получить максимальную скорость, используя вторую – 2/3 и 1/3 максимальной скорости при разгоне, торможении, прохождении кривых малых радиусов и стрелок. Статор (пакет из листовой электротехнической стали) отделяет от ротора (ферромагнитного рельса) воздушный зазор в 3–4 мм. Рельс (полоса из конструкционной стали прямоугольного сечения) закреплен на несущей балке. Опытный вагон оснащен четырьмя скоростными двигателями, имеющими гибкое соединение с ходовой тележкой. Каждый двигатель состоит из двух статоров, расположенных по обе стороны рельса и связанных между собой общей тележкой.
В работе над линейным двигателем, кроме заводских инженеров, принимают участие сотрудники кафедры электрических машин и кафедры электропривода и автоматизации промышленных установок Киевского политехнического института. Правда, они предназначают линейный двигатель для монорельсовой дороги. Но это не имеет принципиального значения.
Сейчас в США уже началась постройка линейного двигателя мощностью 2500 л. с., который должен развивать скорость до 400 км/ч. Сила его тяги должна быть равна 1700 кГ. Рельс для двигателя алюминиевый, толщиной 6,3 мм. Воздушный зазор 15,9 мм на каждую сторону. Экспериментальный вагон с этим двигателем (см. рис. 6) должен перемещаться по обычной рельсовой колее, а алюминиевая полоса будет размещаться между рельсами. Быть может, лучше было бы использовать воздушную подушку, но инженеры пришли к выводу, что слишком сложно делать конструкцию, основанную сразу на двух новых технических принципах. Лучше уж разрабатывать ее поэтапно. Тележки спроектированы так, что ни одна деталь ниже осей – не выступает. Это позволило поднять алюминиевую полосу на 406 мм выше головок рельс. Линейный двигатель, размещенный в средней части вагона, охватывает полосу с обеих сторон.
Газотурбинный двигатель мощностью 3000 л. с. через одноступенчатый понижающий редуктор приводит в действие генератор переменного тока мощностью 2000 квт. Скорость вращения валов турбины и генератора почти прямо пропорциональна скорости движения экипажа (если б не было скольжения, пропорция была бы абсолютной). Скорость регулируется изменением частоты переменного тока.
Второй газотурбинный двигатель мощностью 200 л. с. нужен для питания системы возбуждения генератора, подачи охлаждающего воздуха, зарядки батарей и запуска главного газотурбинного двигателя.
Линейный двигатель испытывается и в Англии. Англичане подсчитали, что электровоз с таким двигателем будет стоить на 60 % меньше обычного. Увеличится расход электроэнергии, но зато на ту же примерно сумму снизятся ремонтно-эксплуатационные расходы. Дорого будет стоить прокладка шины, но не дороже, однако, стоимости работ по обычной электрификации. В другом проекте англичане ушли уже от обычных колес. Они работают над поездом на магнитной подушке. Керамические магниты (90 % окиси железа и других окислов) имеют подъемную силу, примерно в 50 раз большую, чем у обычных стальных магнитов. Сила взаимного отталкивания магнитов, прикрепленных к нижней части вагона и уложенных на полотно железной дороги, поднимет вагон, весящий 5 т с 50 пассажирами, на 25 мм над поверхностью земли. Форма вагона – цилиндр длиной 15,24 м и диаметром 2,74 м. Вот уж в такой конструкции не должно быть ни вращающихся, ни трущихся частей, а в работе – полная бесшумность, надежность, отсутствие толчков. Правда, феррит стоит дорого, а потребуется его 200 т на километр пути.
Конструкция поезда на магнитной подушке разработана и в США. Вдоль дороги по проекту должны быть проложены две линии индукционных катушек. В днище вагона – тоже катушки с чередующейся полярностью. Сначала вагон начинает двигаться по бетонной дороге на колесиках с резиновыми шинами. При этом в путевых катушках индуктируется ток, создается сила магнитного отталкивания, и вагон поднимается на 300 мм над дорогой. Все мощнее работает турбореактивный двигатель, быстрее вращается пропеллер. При скорости движения 480 км/ч вагон весом 30 т поднимается на 300 мм над дорогой. Для создания подъемной силы требуется, чтобы в вагонных катушках проходил ток в 300 тыс. а. Можно себе представить, какие будут потери на нагревание, если применить катушку обычной конструкции. Решено было использовать сверхпроводники. Сверхпроводимость – полное отсутствие сопротивления току и, следовательно, тепловых потерь – возникает в проводниках, охлажденных до температуры, близкой к абсолютному нулю (—273 °C).
Катушки под днищем вагона выполнены из ниобиево-титановой проволоки. До температуры минус 260 °C ее охлаждает жидкий гелий, находящийся в середине сверхпроводникового кабеля. Он изолируется слоями стекловолокна и алюминиевой фольги в вакууме. Источник электрической энергии мощностью 200 л. с. и двигатель для пропеллера в 1200 л. с. – вот силовые установки вагона, рассчитанные на перевозку 100 человек со скоростью до 480 км/ч.
Транспортники, вероятно, смогут гордиться, если первое промышленное использование сверхпроводимости будет принадлежать им. Есть, однако, и другие, не менее любопытные, проекты.
Трубопроводом ныне никого не удивишь. Не только жидкие, но и твердые тела отлично перемещаются по многокилометровым подземным артериям. Но чтобы по трубам перемещались люди – этого еще не было. Однако именно такого рода проект разработан недавно американскими инженерами все для той же северо-восточной прибрежной полосы США. Но чтобы успешно конкурировать с авиацией, поезда на ровном пути должны иметь среднюю скорость не менее 320 км/ч, а на иных участках развивать и 640 км/ч. По поверхности земли ездить с такой быстротой невозможно, если не предохранить трассу от посторонних предметов и обледенения. Но тогда лучше уж заключить весь путь в трубу. Однако суть проекта совсем не в том, чтобы проложить еще одну трассу метрополитена, быть может, несколько более длинную, чем обычно. Для создания тягового усилия инженеры предлагают использовать давно известный принцип. Если обеспечить герметичность между стенками поезда и стенками трубы, а перед поездом создать разрежение, то давление воздуха позади него заставит поезд двигаться. Если перед поездом будет абсолютный вакуум, то атмосферное давление сзади него создаст тяговое усилие, равное приблизительно 63 т. Поезд начнет двигаться, через клапаны, расположенные по всей длине трубопровода, будет накачиваться воздух позади поезда, и скорость его будет все более увеличиваться до тех пор, пока пассажиры безболезненно смогут выдерживать ускорение. Поезд, похожий на шарик, который так легко выдуть из трубки, кажется фантазией. Но многочисленные модели подобной установки показали полную ее осуществимость.
Полный снаряд весом 228 т и диаметром 152 мм разгонялся в трубе длиной всего 30,5 м до скорости 1207 км/ч. Даже пассажирские реактивные самолеты не летают так быстро! Пассажирский вагон по проекту должен представлять собой цилиндр длиной 19,8 м и внутренним диаметром 2,9 м. Он сможет вместить 64 пассажира. Вагон движется на стальных колесах по рельсам. Поезд состоит из нескольких вагонов. Головной и хвостовой имеют специальные торцы, плотно прилегающие к стенкам трубы, и питающиеся от аккумуляторных батарей тихоходные электродвигатели для передвижения по станции.
Самое трудное технически – добиться надежного и постоянного уплотнения между торцом вагона и трубой. Исследования показали, что это вполне возможно – и потери энергии из-за просачивания воздуха невелики. Трубы предполагается устанавливать в лотках с водой для того, чтобы весь путь был горизонтальным. Транспортные сооружения такого рода предлагается построить сейчас и в больших городах.
