Эволюция массового транспорта коренным образом изменила человеческую цивилизацию. В 1860-х годах трансконтинентальная железная дорога превратила многомесячное путешествие по Америке в недельное. Всего несколько десятилетий спустя пассажирские автомобили стали ездить по сельской местности гораздо быстрее, чем верхом. И, конечно же, во время Первой мировой войны первые коммерческие рейсы снова начали преобразовывать наши путешествия, делая поездки от побережья до побережья делом нескольких часов. Но железнодорожные перевозки в США сегодня не намного быстрее, чем сто лет назад. Для инженеров, ищущих следующий большой прорыв, возможно,» волшебные » плавучие поезда — это просто билет.
В 21 веке есть несколько стран, использующих мощные электромагниты для разработки высокоскоростных поездов, называемых поездами на магнитной подвеске. Эти поезда плавают по направляющим, используя основные принципы магнитов, чтобы заменить старые стальные колесные и гусеничные поезда. Там нет трения рельсов, о котором можно говорить, а это означает, что эти поезда могут развивать скорость в сотни миль в час.
Однако высокая скорость-это лишь одно из главных преимуществ поездов на магнитной подвеске. Поскольку поезда редко (если вообще когда-либо) касаются рельсов, здесь гораздо меньше шума и вибрации, чем в обычных, сотрясающих землю поездах. Меньшая вибрация и трение приводят к меньшему количеству механических поломок, а это означает, что поезда на магнитной подвеске с меньшей вероятностью столкнутся с задержками, связанными с погодой.
Первые патенты на технологии магнитной левитации (маглева) были поданы американским инженером французского происхождения Эмилем Бачелетом еще в начале 1910-х годов. Еще до этого, в 1904 году, американский профессор и изобретатель Роберт Годдард написал статью, в которой изложил идею левитации на магнитной подвеске. Это было незадолго до того, как инженеры начали планировать системы поездов, основанные на этом футуристическом видении. Они верили, что скоро пассажиры сядут в вагоны с магнитным приводом и будут переезжать с места на место на большой скорости, не заботясь о техническом обслуживании и безопасности традиционных железных дорог.
Большая разница между поездом на магнитной подвеске и обычным поездом заключается в том, что поезда на магнитной подвеске не имеют двигателя — по крайней мере, такого двигателя, который используется для перемещения обычных вагонов по стальным рельсам. Двигатель для поездов на магнитной подвеске довольно неприметен. Вместо того чтобы использовать ископаемое топливо, магнитное поле, создаваемое наэлектризованными катушками в стенах направляющих и рельсах, объединяется, чтобы привести поезд в движение.
Если вы когда-нибудь играли с магнитами, вы знаете, что противоположные полюса притягивают и как полюса отталкивают друг друга. Это основной принцип электромагнитного движения. Электромагниты похожи на другие магниты в том, что они притягивают металлические предметы, но магнитное притяжение является временным. Вы можете легко создать небольшой электромагнит самостоятельно, соединив концы медного провода с положительными и отрицательными концами батареи типа АА, с или D-элементов. Это создает небольшое магнитное поле. Если отсоединить оба конца провода от батареи, магнитное поле снимается.
Магнитное поле, созданное в этом эксперименте с проводами и батареями, является простой идеей, лежащей в основе рельсовой системы поезда на магнитной подвеске. Эта система состоит из трех компонентов:
Дальше посмотрим на трассу.
Намагниченная катушка, идущая вдоль пути, называемая направляющей, отталкивает большие магниты на ходовой части поезда, позволяя поезду левитировать между 0,39 и 3,93 дюйма (от 1 до 10 сантиметров) над направляющей. Как только поезд левитирует, энергия подается на катушки внутри стенок направляющей, чтобы создать уникальную систему магнитных полей, которые тянут и толкают поезд вдоль направляющей. Электрический ток, подаваемый на катушки в стенках направляющей, постоянно чередуется, чтобы изменить полярность намагниченных катушек. Это изменение полярности заставляет магнитное поле перед поездом тянуть транспортное средство вперед, в то время как магнитное поле позади поезда добавляет больше тяги вперед.
Поезда на магнитной подвеске плавают на воздушной подушке, устраняя трение. Это отсутствие трения и аэродинамические конструкции поездов позволяют этим поездам достигать беспрецедентной скорости наземного транспорта более 310 миль в час (500 км / ч), или в два раза быстрее, чем самый быстрый пригородный поезд Amtrak. Для сравнения, коммерческий самолет Boeing-777, используемый для дальних полетов, может развивать максимальную скорость около 562 миль в час (905 км / ч). Разработчики говорят, что поезда на магнитной подвеске в конечном итоге свяжут города, которые находятся на расстоянии до 1000 миль (1609 километров) друг от друга. Со скоростью 310 миль в час вы могли бы добраться из Парижа в Рим всего за два часа.
Некоторые поезда на магнитной подвеске способны развивать еще большую скорость. В октябре 2016 года скоростной поезд на магнитной подвеске японской железной дороги за короткое время разогнался до 374 миль в час (601 км / ч). Такие скорости дают инженерам надежду, что технология окажется полезной для маршрутов длиной в сотни миль.
Германия и Япония разработали технологию поездов на магнитной подвеске и испытали прототипы своих поездов. Хотя немецкие и японские поезда основаны на схожих концепциях, они имеют явные различия. В Германии инженеры разработали систему электромагнитной подвески (EMS), получившую название Transrapid. В этой системе нижняя часть поезда оборачивается вокруг стальной направляющей. Электромагниты, прикрепленные к ходовой части поезда, направлены вверх к направляющей, которая левитирует поезд примерно на 1/3 дюйма (1 сантиметр) выше направляющей и удерживает поезд в левитации, даже когда он не движется. Другие направляющие магниты, встроенные в корпус поезда, поддерживают его устойчивость во время движения. Германия продемонстрировала, что Трансрапидный поезд на магнитной подвеске может развивать скорость 300 миль в час с людьми на борту. Однако после аварии в 2006 году (см. боковую панель) и огромного перерасхода средств на предлагаемом маршруте Мюнхен-Центральный вокзал-аэропорт планы строительства поезда на магнитной подвеске в Германии были отменены в 2008 году. С тех пор Азия стала центром деятельности на магнитной подвеске.
11 августа 2006 года загорелось купе поезда на магнитной подвеске на линии Трансрапид шанхайского аэропорта. Пострадавших нет, и следователи полагают, что причиной пожара стали неполадки с электричеством. 22 сентября 2006 года испытательный поезд Transrapid в Эмсланде, Германия, во время испытательного пробега врезался в ремонтный вагон, случайно оставленный на рельсах. В то время поезд шел со скоростью не менее 120 миль в час (193 км / ч). Около 23 пассажиров погибли и 11 получили ранения. Суд постановил, что в инциденте виновата человеческая ошибка, которой можно было бы избежать, если бы сотрудники следовали установленным правилам и процедурам. С 2006 года больше не было зарегистрировано ни одной аварии на магнитной подвеске. Однако испытательные поезда в Германии в конце концов были прекращены, а Шанхайский поезд на магнитной подвеске все еще ходит.
Японские инженеры разработали конкурирующую версию поездов на магнитной подвеске, использующую систему электродинамической подвески (ЭДС), которая основана на силе отталкивания магнитов. Ключевое различие между японской и немецкой технологией поездов на магнитной подвеске заключается в том, что в японских поездах используются сверхохлажденные сверхпроводящие электромагниты. Этот вид электромагнита может проводить электричество даже после отключения источника питания. В системе EMS, которая использует стандартные электромагниты, катушки проводят электричество только при наличии источника питания. Охлаждая катушки при низких температурах, японская система экономит энергию. Однако криогенная система, используемая для охлаждения змеевиков, может быть дорогостоящей и значительно увеличить затраты на строительство и техническое обслуживание.
Еще одно различие между системами заключается в том, что японские поезда левитируют почти на 4 дюйма (10 сантиметров) выше направляющей. Одним из потенциальных недостатков использования системы EDS является то, что поезда на магнитной подвеске должны катиться на резиновых шинах до тех пор, пока они не достигнут скорости взлета около 93 миль в час (150 км / ч). Японские инженеры говорят, что колеса являются преимуществом, если сбой питания вызвал остановку системы. Кроме того, пассажиры с кардиостимуляторами должны были быть защищены от магнитных полей, создаваемых сверхпроводящими электромагнитами.
Индуктор-это новый тип ЭЦП, который использует постоянные магниты комнатной температуры для создания магнитных полей вместо питаемых электромагнитов или охлаждаемых сверхпроводящих магнитов. Inductrack использует источник питания для ускорения поезда только до тех пор, пока он не начнет левитировать. Если питание не работает, поезд может постепенно замедляться и останавливаться на вспомогательных колесах.
Трек на самом деле представляет собой массив электрически закороченных цепей, содержащих изолированный провод. В одной конструкции эти контуры выровнены, как ступеньки лестницы. Когда поезд движется, магнитное поле отталкивает магниты, заставляя поезд левитировать.
В настоящее время существует три конструкции Inductrack: Inductrack I, Inductrack II и Inductrack III. Inductrack I предназначен для высоких скоростей, в то время как Inductrack II подходит для низких скоростей. Inductrack III специально разработан для очень тяжелых грузов, перемещаемых на медленных скоростях. Индукторные поезда могли левитировать выше с большей стабильностью. Пока он движется со скоростью несколько миль в час, индукторный поезд будет левитировать почти на дюйм (2,54 сантиметра) выше рельсового пути. Больший зазор над колеей означает, что поезд не будет нуждаться в сложных сенсорных системах для поддержания устойчивости.
Постоянные магниты раньше не использовались, потому что ученые считали, что они не создадут достаточной левитирующей силы. Конструкция индуктора позволяет обойти эту проблему, расположив магниты в матрице Хальбаха. Магниты сконфигурированы таким образом, что интенсивность магнитного поля концентрируется над массивом, а не под ним. Они сделаны из нового материала, состоящего из сплава неодим-железо-бор, который генерирует более высокое магнитное поле. Конструкция Inductrack II включает в себя две матрицы Хальбаха для создания более сильного магнитного поля на более низких скоростях.
Примечательно, что концепция пассивной магнитной левитации является основной особенностью предлагаемых транспортных систем hyperloop, которые по сути представляют собой поезд типа Inductrack, который взрывается через герметичную трубу, которая заключает в себе весь путь. Вполне возможно, что гиперлопы могут стать предпочтительным подходом, отчасти потому, что они уклоняются от проблемы сопротивления воздуха так, как обычные маглевы не могут и, следовательно, должны быть в состоянии достичь сверхзвуковых скоростей. Некоторые говорят, что hyperloop может стоить даже меньше, чем традиционная высокоскоростная железнодорожная линия.
Но в то время как поезда на магнитной подвеске уже являются проверенной технологией с многолетней эксплуатационной историей, никто еще не построил коммерческий hyperloop нигде в мире.
В то время как транспортировка на магнитной подвеске была впервые предложена более века назад, первый коммерческий поезд на магнитной подвеске не стал реальностью до 1984 года, когда между международным железнодорожным вокзалом Бирмингема в Соединенном Королевстве и терминалом международного аэропорта Бирмингема начал функционировать низкоскоростной шаттл на магнитной подвеске. С тех пор различные проекты на магнитной подвеске начались, остановились или были полностью заброшены. Однако в настоящее время существует шесть коммерческих линий на магнитной подвеске, и все они расположены в Южной Корее, Японии и Китае.
Тот факт, что системы на магнитной подвеске быстры, плавны и эффективны, не меняет одного печального факта – эти системы невероятно дороги в строительстве. американские города от Лос-Анджелеса до Питтсбурга и Сан-Диего имели планы линий на магнитной подвеске в работе, но затраты на строительство транспортной системы на магнитной подвеске (примерно от 50 до 200 миллионов долларов за милю) были непомерно высокими и в конечном итоге убили большинство предлагаемых проектов. Некоторые критики считают, что проекты на магнитной подвеске стоят примерно в пять раз дороже традиционных железнодорожных линий. Но сторонники указывают, что стоимость эксплуатации этих поездов в некоторых случаях до 70 процентов меньше, чем при использовании старой технологии поездов.
Не помогает и то, что некоторые громкие проекты провалились. Администрация университета Олд Доминион в Вирджинии надеялась, что в осеннем семестре 2002 года по кампусу будет курсировать супер-шаттл, перевозящий студентов туда и обратно, но поезд сделал несколько тестовых пробегов и так и не приблизился к обещанной скорости в 40 миль в час (64 км / ч). Железнодорожные станции были окончательно демонтированы в 2010 году, но часть системы надземных путей все еще стоит, что свидетельствует о провале в размере 16 миллионов долларов.
Но другие проекты сохраняются. Одна амбициозная группа хочет построить 40-мильный (64-километровый) участок от Вашингтона до Балтимора, и у этой идеи есть много сторонников, но проект, как ожидается, будет стоить до 15 миллиардов долларов. Непомерная цена концепта может показаться смехотворной практически в любой другой точке мира, но душераздирающий тупик и ограниченное пространство этого региона означают, что градостроителям и инженерам нужно инновационное решение, и сверхбыстрая система маглева может быть лучшим вариантом. Ключевой пункт продажи-расширение этого проекта могло бы соединить Вашингтон с Нью-Йорком и сократить время в пути всего до 60 минут, что могло бы трансформировать торговлю и путешествия на северо-востоке.
Однако в Азии бум на магнитной подвеске, по сути, уже начался. Япония лихорадочно работает над маршрутом Токио-Осака, который может открыться к 2037 году. Когда он будет завершен, поезд сократит почти трехчасовую поездку всего до 67 минут.
Китай всерьез рассматривает десятки потенциальных маршрутов на магнитной подвеске, причем все они проходят в перегруженных районах, где требуется массовый транспорт большой вместимости. Это не будут скоростные поезда. Вместо этого они будут перемещать множество людей на более короткие расстояния с более низкой скоростью. Тем не менее, Китай производит все свои собственные технологии maglev и собирается представить коммерческую линию maglev третьего поколения с максимальной скоростью около 125 миль в час (201 км / ч) и-в отличие от предыдущих версий – полностью без водителя, полагаясь вместо этого на компьютерные датчики ускорения и торможения (в стране уже есть несколько поездов maglev в эксплуатации, но им нужен водитель.).
Невозможно точно знать, как маглевы войдут в будущее человеческого транспорта. Прогресс в области самоуправляемых автомобилей и авиаперелетов может усложнить развертывание линий на магнитной подвеске. Если индустрии hyperloop удастся создать импульс, она может разрушить все виды транспортных систем. И некоторые инженеры подозревают, что даже летающие автомобили, хотя и невероятно дорогие, могут превзойти железнодорожные системы в будущем, потому что им не нужны масштабные инфраструктурные проекты, чтобы оторваться от Земли.
Возможно, всего через десятилетие или два страны по всему миру вынесут вердикт о поездах на магнитной подвеске. Может быть, они станут стержнем высокоскоростных путешествий или просто домашними проектами, которые обслуживают только фрагменты определенных групп населения в переполненном городском районе. Или, возможно, они просто исчезнут в истории, почти волшебная форма технологии левитации, которая просто никогда не взлетала.
https://science.howstuffworks.com/transport/engines-equipment/maglev-train.htm
Загрузка...
