Сомкнётся ли гиперпетля на шее калифорнийских скоростных поездов?

Элон Маск, глава SpaceX и Tesla Motors, наконец-то обнародовал технические детали своего проекта скоростного и дешёвого транспорта. И они стоили того, чтобы мы их ждали.

«Когда "высокоскоростная" калифорнийская железная дорога прошла процедуру утверждения, я был разочарован, как, насколько мне известно, и многие другие». Вот так Элон Маск начинает опубликованный вчера документ, описывающий альфа-версию «Гиперпетли» (Hyperloop Alpha). Наш читатель легко может понять талантливого американца.

Что-то похожее, думается, пережил любой россиянин-с-головой, когда узнал, что РЖД имели в виду под словосочетанием «скоростной поезд»: нечто со средней скоростью 145–160 км/ч (как у ЭР-200, появившегося в 1973 году) и максимальной не выше 230 км/ч — на единственном коротком участке. Культурный шок калифорнийцев близок к сапсановско-якунинскому: проект California High-Speed Rail тоже соединяет две столицы, правда, калифорнийские, и тоже разделённые 600 км. Общая протяжённость планируется, конечно, больше, в 1 300 км, но вот стоимость проекта ещё до начала строительства выросла до $60 млрд — при запланированной скорости движения чуть выше 200 км/ч. И это притом, что железнодорожный транспорт в лице паровозов одолел 200 км/ч ещё в 1932 году, а синкэнсан достиг 256 км/ч ровно полвека назад.

Элон Маск возмущён, он недоумевает. Ему кажется, что космическая держава не имеет права браться за «скоростной поезд, который одновременно и один из самых дорогих в мире, и один из самых медленных в мире». В общем, стыдно, чего уж там. Что же делать?

Г-н Маск считает, что добиться быстрого движения при вменяемых энергозатратах можно с помощью трубы — вакуумной трубы. Правда, замечает он, идея и не нова, и далека от реальности: жёсткий вакуум трудно поддерживать даже в комнате, а тут нужно добиться того же в трубе длиной 1 100 км, да ещё с дюжиной станций и шлюзов. Значит, заключает он, нужен технический, а не жёсткий вакуум, что-то порядка 100 Па — то есть тысячной доли атмосферного давления Земли (или одной шестой марсианского). Такие показатели достижимы при помощи вполне обычных насосов умеренной стоимости и мощности.

Опять же труба туннеля может быть сделана из обычной стали (20–25 мм), на стандартных железобетонных опорах — что куда дешевле экзотических разработок для трубы с настоящим глубоким вакуумом.

На первый взгляд, это не решение проблемы. Даже тысячной доли плотности воздуха достаточно, чтобы на высокой скорости — а Элон хочет непременно околозвуковую, иначе зачем огород городить, — транспортная капсула начала сжимать газ как поршень и двигать перед собой 1 100 км разреженного воздуха. Как быть? Можно сделать трубу стометрового диаметра, снизить или... повысить скорость, что изменит параметры воздушного потока (капсула будет не толкать воздух, а «прорезать» его). Увы, последний вариант требует тысяч километров в час, то есть поворот на 1º обеспечит пассажиру такие перегрузки, которые недопустимы даже для космонавтов. Словом, придётся ограничиться жалкими 1 220 км/ч...

Элон Маск предлагает разместить в носу капсулы компрессор, приводимый в действие электричеством и перекачивающий воздух от носа к корме. Одновременно тот же воздух от набегающего сверхразрежённого потока будет использоваться для создания воздушной подушки под капсулой. Хватит ли воздуха? Энтузиаст НТР уверен, что проблема легче, чем кажется: если давление в 1 000 раз меньше обычного, то и подушка должна выдавать вниз не так уж много воздуха (9,4 кПа, что потребует подачи 0,2 кг воздуха в секунду). Причём на средних и больших скоростях он будет сам нагнетаться под капсулу, так как подкапсульные направляющие начнут при этом приоткрываться спереди, позволяя почти что полёт на набегающем потоке. Правда, чтобы избежать нежелательных аэродинамических последствий, проекция внутреннего сечения трубы должна равняться 3,91 м², что в несколько раз больше проекции капсулы, — иначе обтекание набегающим потоком будет слишком затруднено.

А почему воздушная, а не магнитная подушка, как на маглевах? Всё просто: основная идея «Гиперпетли» в дешевизне. Она должна быть вдесятеро дешевле «высокоскоростной» California High-Speed Rail, а магнитная подвеска, сверхпроводниковые магниты в жидком гелии и прочее в том же духе дешёвым не бывает. Воздух, который всё равно надо эвакуировать от носа капсулы, можно считать «отходом» перемещения в трубе, так что он в данном случае едва ли не бесплатен.

Движение логично предлагается обеспечить внешним линейным электродвигателем, со статором в виде рельса на полу туннеля и ротором в каждой капсуле. Кстати, из-за низкого трения статор нужен будет лишь после остановок, на притяжении всего 1% длины туннеля. Чтобы минимизировать расходы на туннель, он должен иметь небольшой диаметр, поэтому в каждой капсуле можно разместить не так много людей — всего 28 человек. Но это и не мало, если учесть, что для минимизации затрат высота будет всего 1,1 м, а ширина — 1,35 м, что даёт лобовую проекцию менее полутора квадратов — и это при весе в 15 тонн.

Так что интервалы между поездами не превысят 30 секунд; это создаёт образ, близкий не столько к поезду, сколько к трубопроводу, — так велик коэффициент загрузки линии. Правда, максимальная пропускная способность всё равно будет только 7,4 млн человек в год в каждую сторону, что в 10 раз ниже пассажиропотока токийского синкансэна. Конечно, Калифорния не Япония, но всё же... Попытка Элона исходить из текущих цифр пассажиропотока ЛА — Сан-Франциско нехороша, ибо опыт скоростных ж/д показывает, что само их появление резко увеличивает число желающих прокатиться из пункта А в точку Б.

По расчётам автора концепции, при 1 130 км/ч сопротивление на 100 Па будет требовать от одной капсулы постоянных затрат в 100 кВт, то есть мощности автомобиля. А при полной загрузке на одного пассажира придутся жалкие несколько киловатт — как на мопеде.

Что будет, если с одной из капсул что-то случится? Как избежать столкновения? По расчётам, среднее расстояние между ними будет всего 37 км. Что при околозвуковой скорости мало, но вкупе с системой автоматического торможения при слишком малой дистанции достаточно.

В концепте есть много непростых мест: компрессор должен накапливать на борту значительное количество сжатого воздуха на случай разгерметизации или аварии, чтобы не дать давлению в пассажирском салоне упасть слишком быстро (кислородные маски, разумеется, будут, но моментальное падение давления и с кислородом способно вызывать летальный исход). Следовательно, сжимая воздух в двадцать раз, он будет заметно нагревать баллоны, что потребует для них водяного охлаждения. А чтобы не увеличивать объём бортового охладителя, воду и пар (часть воды придётся испарять) надо будет в автоматическом режиме менять на каждой станции, то есть речь идёт о быстросменных резервуарах.

На случай перебоев с электропитанием помогут 1,5 т аккумуляторов в каждом вагоне, что обеспечит питание в течение 45 минут, а этого хватит, чтобы, поддерживая компрессором хоть какое-нибудь давление в случае разгерметизации, добраться до ближайшей станции со шлюзом.

Кстати, питание бортовых систем, включая компрессор, также осуществляется от батарей, поэтому на каждой станции модульные аккумуляторы выкатываются и меняются на заранее заряженные. Кажется, такие груды аккумуляторов должны стоить уймы денег и требовать периодической замены. Однако глава SpaceX настаивает: это не дороже поездов California High-Speed Rail; его вариант будет стоить всего $7,5 млрд.

Более того, Элон Маск считает, что в принципе возможен вариант не пассажирской, а «паромной» «Гиперпетли», везущей людей с их автомобилями, загнанными в капсулу (загрузка-разгрузка подвижными платформами для экономии времени). Тогда, правда, лобовая проекция капсул вырастет до 4 м², а диаметр трубы — до 3,3 м. А отсюда дороже будет и вся система — но всё ещё значительно дешевле нынешней высокоскоростной железки. На первый взгляд, решение сомнительно рациональное. Но надо понимать, что речь идёт об американском проекте: жители США уж очень не любят терять доступ к своему авто, хотя и понимают, что проделать на нём путь из южной столицы Калифорнии в северную за полчаса всё же не смогут. В общем, метадон для автомобилистов: лучше уж так, чем на своей удлинённой североамериканской версии RAV4 с 3,5-литровым двигателем целых 600 км портить и без того малоприятный калифорнийский воздух.

Наконец, цена. По расчётам разработчика концепта, один билет ЛА — Сан-Франциско должен стоить $20 (окупаемость — 20 лет), что, например, равно стоимости бензина для втрое более короткой автопоездки, или трети от самого дешёвого билета на «Сапсан», ходящий по маршруту той же длины, но по железной дороге, амортизированной ещё проклятым царизмом, и к тому же впятеро более медленный.

Видимо, по сильной космической привычке, Элон хочет сделать «Гиперпетлю» энергоавтономной. Поверхность пары труб будет покрыта солнечными батареями шириной в 4,25 м на протяжении 563 км, что в солнечный полдень даст до 285 МВт мощности для пассажирской версии и 443 МВт — для «паромной», ширина полосы фотоэлементов над которой достигнет 6,6 м (шире трубы). Легко видеть, что это больше энергетических потребностей линии, хотя ночью или в пасмурный день наверняка потребуется альтернативный источник. Г-н Маск призывает создать накопительные мощности на самой линии, используя в качестве носителя сжатый воздух, но более дешёвым решением, несомненно, будет подключение к общей энергосети.

Как следует оценивать проект? Ещё раз подчеркнём: в его основе лежит очень рациональная идея дешёвого «технического» вакуума и также недорогой (на фоне маглевов) воздушной подушки, создаваемой набегающим воздухом. Это очень сильная и здравая концепция, ранее в таком виде не предлагавшаяся. Минусы у проекта тоже есть: технологию придётся создавать с нуля, и уйдёт на это много лет. «Скоростная» железка в Калифорнии явно построится быстрее, хотя и на порядок дороже. Только вот по энергоэффективности и скорости пассажироперевозок сравнить её с «Гиперпетлёй» не получится.

Сам Элон Маск, ссылаясь на занятость в колонизации Марса и тотальной электромобилизации США, от начинания как бы отказывается: мол, нет времени. Но идеи не патентует, заявляя, что это открытый проект по типу Linux: воплощай кто хочет. Увы, есть сильное чувство, что, пока не хочет конкретно он, в США ничего не сдвинется. История развития железнодорожного транспорта в этой стране просто вопиет: для создания действительно скоростной и при этом недорогой ж/д у американцев неподходящий менталитет.

А вот в Японии (а то и в Китае) эти зажигательные идеи вполне могут пробиться: проектируемая стоимость километра маглева там от 2 до 20 раз выше, а скорость у «Гиперпетли» явно побольше, причём без проблемы жёсткости магнитной подвески и избыточного трения об атмосферный воздух, ведущего к большим энергопотерям.

Проверить расчёты эксцентричного миллиардера можно здесь. http://www.spacex.com/sites/spacex/files/hyperloop_alpha-20130812.pdf

Сверхзвуковой Hyperloop: американцы довели до ума идею ученого из Томска

Из Сан-Франциско в Лос-Анджелес за полчаса: в США представлен проект уникального сверхзвукового поезда. Пассажиров будут перевозить в специальных капсулах по системе труб практически со скоростью звука. Революционную транспортную технологию разработала американская компания SpaceX. Инженеры уверены: революционный проект составит конкуренцию гражданской авиации и железным дорогам.

Транспорт будущего — быстрый как самолет, дешевый как такси. По степени надежности и безопасности — не имеющий аналогов в истории. Именно так разработчики проекта Hyperloop анонсируют свое изобретение — сверхбыстрые пассажирские капсулы на воздушных подушках. За считанные минуты они доставят пассажиров из одного города в другой.

"Если проект удастся построить, и этому не помешают вопросы экологии, политики и огромных затрат, то это будет фантастический скачок вперед, который откроет абсолютно новый рынок и предоставит невиданные по сей день возможности для пассажиров", — отмечает президент компании Eno Center Джошуа Шенк.

И как же все это будет работать? Hyperloop представляет собой большую стальную трубу, проложенную под землей или на поверхности, по которой будут летать алюминиевые челноки. Достаточно крупные, чтобы вместить 28 человек или три автомобиля. Давление внутри туннеля будет как в верхних слоях атмосферы. Но пассажиры не должны испытывать никакого дискомфорта. Разве что в начале пути, пока капсула не наберет нужную скорость — почти тысячу километров в час.

Разгоняться новый транспорт будет с помощью специальных магнитных ускорителей. Тоннели покроют панелями солнечных батарей — они должны полностью удовлетворить все потребности в электроэнергии. Разработчики утверждают, что учли каждую мелочь. И проект осталось только реализовать на практике.

Необычный проект вызвал всеобщий ажиотаж. Но — как это часто бывает в научном мире — американские ученые не придумали все с нуля, а довели до ума идеи, высказанные и разработанные много лет назад. Почти сто лет назад российский ученый Борис Вейнберг в Томском технологическом институте создал концепцию вакуумного поезда будущего. В его работе "Движение без трения" рассказывается о вагонах, которые силой электромагнитного поля движутся по медной трубе безо всякой опоры.

Читая о разработках Вейнберга, трудно поверить, что эта работа была написана в далеком 1914 году. Модель вакуумного поезда ученый даже испытал в лаборатории. Разработка получила мировую известность — Вейнбергу рукоплескали в Петербурге, в США, о ней писали статьи, а американские документалисты даже сняли фильм о сибирском "магнитоплане". Но — как это часто бывает с изобретениями, опередившими свое время, — работы Вейнберга в итоге оказались незаслуженно забыты. Труды ученого хранятся в музее Томского политехнического университета.

Между тем, вопрос о том, кто теперь будет реализовать проект поезда будущего на практике, пока остается открытым. Организатор проекта Hyperloop Элон Мак объявил, что заниматься им больше не будет. У него слишком много других проектов, в том числе по строительству космических кораблей. Но, похоже, что создание скоростных капсул — лишь дело времени. Экспериментами в этом направлении одновременно сейчас занимаются ученые в нескольких странах. Жаль, что воплощают в жизнь идею Вейнберга не в России.

http://www.vesti.ru/doc.html?id=1117413