Скоростные поезда

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.

А где же предел?

Строительство скоростных железных дорог требует огромных затрат. Но оправдано ли это? До каких пределов можно вообще повышать скорость подвижного состава на рельсовом пути. Железные дороги строятся на десятки лет, и правильная перспектива здесь очень важна. Сейчас мы говорим о реальных 200–250 км/ч, но на существующих дорогах такую скорость развить трудно. Предположим, мы построим для скоростного движения специальные дороги. А завтра нам потребуются еще большие скорости. Можно ли будет двигаться по этим дорогам еще быстрее? Японский научно исследовательский институт железнодорожного транспорта занялся проблемой максимальных скоростей. Оказалось, что пределы их повышения на рельсовых дорогах ограничены шестью факторами.

1. Скоростью распространения волн при движении тела и определенной среде. Поезду никогда не перейти звуковой барьер (1140–1220 км/ч).

2. При 1800 км/ч рельсы разрушаются из-за деформационных волн.

3. Пантограф также вызывает в контактном проводе деформационные волны, поэтому надежный токосъем обеспечен лишь при скорости до 320 км/ч.

4. Надежное сцепление колес с рельсами может быть только при скоростях до 370 км/ч.

5. Уже при 230 км/ч вибрации вагонов доходят до уровня, при котором у пассажиров возникают неприятные ощущения.

6. Трудно проходить кривые. На линии Новая Токайдо поезд проходит кривую радиусом 2500 м со скоростью не выше 200 км/ч. К тому же наружный рельс выступает над внутренним на 180 мм.

Каков же окончательный итог? Вот данные, которые позволяют судить о пределах максимальных скоростей.

Существующая система с движением по рельсам — до 280 км/ч.

С линейным двигателем, но тоже по рельсам — 250–340 км/ч.

С линейным двигателем на воздушной подушке — 300–400 км/ч.

С турбовинтовым двигателем на воздушной подушке — 300–500 км/ч.

С турбореактивным двигателем на воздушной подушке — 500-1000 км/ч.

До этих скоростей наземному рельсовому транспорту (если иметь в виду не отдельные рекорды, а регулярные сообщения) пока еще далеко. Но как знать, может быть, нашим потомкам именно такая быстрота потребуется для самых массовых перевозок.