Струнные технологии Юницкого

11 января 2007 г.

Оптимизация транспортной системы

Сегодня известно более 300 видов и вариантов транспортных систем, но какая из них наиболее близка к идеальной? И что такое идеальная транспортная система?

Если берётся груз в точке А, скажем, в Лондоне, и доставляется в точку В, например, во Владивосток, то энергетическое состояние груза при этом не изменяется: в точке В он имеет ту же высоту над уровнем моря и ту же нулевую скорость движения относительно поверхности земли. Поэтому с точки зрения физики полезная транспортная работа в гравитационном поле Земли, в данном случае, равна нулю и в идеале затраты энергии на перемещение груза также должны быть равны нулю. А поскольку энергия все-таки расходуется, то с позиций механики коэффициент полезного действия любой реальной наземной транспортной системы всегда будет равен нулю, так как, если разделить ноль на какое-либо число, то в результате также получится ноль. Любое наземное транспортное средство расходует энергию не на полезную транспортную работу, а на преодоление сопротивления окружающей среды и на разрушение этой среды, поэтому совершенствование транспорта должно быть направлено не на наращивание мощности двигателей, повышение грузоподъёмности и пассажировместимости, увеличение скоростей, как это происходит сейчас, а - на уменьшение сопротивления перемещению, в первую очередь - высокоскоростного перемещения (свыше 300 км/ч, так как многие виды сопротивления возрастают пропорционально квадрату и кубу скорости движения).

В табл. 1 представлен анализ основных видов сопротивления движению усредненного высокоскоростного транспортного модуля, имеющего скорость движения 100 м/с (360 км/час), массу 10 т (вместимость модуля 50 пассажиров) и площадь поперечного сечения (мидель) 5 м². Основное сопротивление движению такого транспортного средства - это аэродинамическое сопротивление, которое зависит не только от формы корпуса модуля и качества его поверхности, но и от схемы его размещения относительно путевой структуры. Монорельсовая схема подвеса, которая использована, например, в поезде на магнитном подвесе "Трансрапид", Германия (в таблице - крайняя слева схема), имеет самое высокое значение коэффициента аэродинамического сопротивления С_х. Его значение при скорости 100 м/с не может быть ниже 0,3 из-за наличия "юбки", охватывающей несущую балку, и градиента скоростей в воздушном зазоре между движущейся со скоростью 100 м/с "юбкой" и неподвижной балкой. Минимально возможное значение С_х для модуля, размещённого в непосредственной близости от полотна (как у автомобиля), - 0,2, из-за эффекта экрана, который создаёт неподвижное дорожное полотно (в таблице - средняя схема). Наименьшее значение С_х = 0,1 - у бескрылого модуля, летящего на высоте 10 м и более (крайняя справа схема). В первом случае мощность аэродинамического сопротивления составит 1120 кВт (это мощность двух танковых двигателей), во втором случае - 620 кВт (мощность маневрового тепловоза), в третьем - 310 кВт (мощность двигателя современного скоростного легкового автомобиля).
 

Таблица 1.
Сопротивление движению усредненного* высокоскоростного транспортного модуля 

Разница в мощностях аэродинамического сопротивления особенно существенна, если учесть масштабный фактор - предположим, что в будущем на сети дорог в 10 млн. км (протяженность сети автомобильных дорог в мире сегодня превышает 30 млн. км) будет эксплуатироваться 10 млн. скоростных модулей (по одному модулю на 1 км трасс или по одному модулю на 600-800 жителей, т.е. примерно в 50 раз меньше, чем сегодня автомобилей). Тогда годовой расход топлива на аэродинамику составит 12,2 млрд. тонн для модулей с "юбкой" и 6,8 млрд. тонн для модулей типа автомобиля. Это превышает прогнозную добычу нефти - по данным Всемирного Энергетического Совета, мировое потребление нефти составит в 2020 г. 5,3 млрд. тонн. Стоимость годового потребления топлива скоростным транспортом при этом составит (исходя из сегодняшней, в 2005 г., средней мировой цены - 0,5 USD/кг): в первом случае - 6,1 триллиона USD, во втором - 3,4 триллиона USD. Приемлемые показатели только у бескрылого самолёта, который назван автором "юнибус" - такой транспорт будет потреблять 3,4 млрд. т горючего в год, стоимость которого составит 1,7 триллиона USD. Это примерно соответствует мировому потреблению топлива транспортом сегодня (с учётом электрифицированных дорог: железные дороги, трамвай, троллейбус, метро, поезд на магнитном подвесе, канатные и монорельсовые дороги, конвейеры, а также трубопроводный транспорт).

Разница в годовом расходе топлива по первой и третьей схемам составит 8,8 млрд. тонн, или в стоимостном выражении - 4,4 триллиона USD. Причём только "юбка", увеличивающая мидель скоростных модулей не менее чем на 1 м², даст перерасход топлива в размере 2 млрд. т/год на сумму 1 трлн. USD.

Невысокие характеристики также у транспортных средств, использующих воздушную подушку и магнитный подвес с линейным электродвигателем. Мало того, что у них очень плохая аэродинамика, но и система их подвеса очень чувствительна к зазору между полотном и "юбкой", т.к. при увеличении зазора, который, например, в "Трансрапиде" не должен превышать 10 мм, КПД привода резко падает и не превышает 40%. Причём такой подвес чувствителен к загрязнениям в зазоре, в том числе в виде снега и льда. А с учётом КПД электростанций, где идёт первичная выработка электроэнергии, её потерь в линиях электропередач, многочисленных трансформаторных подстанциях, преобразователях, кабельном хозяйстве, электродвигателях, суммарное энергетическое КПД такой системы составляет порядка 10%, в то время как у современного паровоза КПД достигает 15%. Если же говорить о расходе топлива, то его суммарное годовое потребление в последнем случае составило бы 18 млрд. тонн при стоимости 9 триллионов USD. К этим затратам топлива необходимо добавить и расход горючего на аэродинамику.

Колесо имеет лучшие характеристики среди других систем подвеса скоростного модуля относительно путевой структуры. Однако резиновое (пневматическое) колесо плохо подходит для высоких скоростей, так как при скорости 100 м/с его сопротивление качению увеличивается и составляет порядка 0,05 (т.е. его КПД = 95%). Поэтому на преодоление этого сопротивления (в дополнение к аэродинамическому сопротивлению) потребуется дополнительная мощность двигателя усредненного модуля в 500 кВт, что для указанного мирового скоростного парка модулей потребует дополнительного расхода топлива в 5,5 млрд. т/год (2,75 триллиона USD в год).

Наилучшие характеристики имеет стальное колесо, имеющее независимую ("автомобильную") подвеску и цилиндрическое опирание. Наличие на современной железной дороге колёсной пары, у которой левое и правое колёса всегда будут иметь различия в диаметрах, а также наличие у них конической опорной поверхности, приводит к проскальзыванию колёс пары относительно рельса, что увеличивает коэффициент сопротивления качению с 0,001 до 0,002. Цена этой разницы в 0,001 для упомянутого ранее парка модулей составит 110 млн. тонн топлива в год стоимостью 55 миллиардов USD. За 100 лет эта разница составит 11 млрд. тонн топлива стоимостью 5,5 триллионов USD, хотя речь, казалось бы, идёт о такой "мелочи": использовать колесо с КПД 99,9% или 99,8%?

Маловероятно, что в XXI веке изобретут движитель скоростного модуля с КПД более высоким, чем 99,9 %, поэтому в высокоскоростном транспорте стальное жёсткое колесо, вероятнее всего, будет лидировать в будущем как экономически более оправданное решение.

Сверхэкономичность юнибуса СТЮ особенно наглядно видна при невысоких, например, традиционных для автомобильного транспорта скоростях движения - 100 км/час. При устоявшемся движении на горизонтальном участке пути 50-тиместному юнибусу весом 10 тонн для поддержания скорости 100 км/час необходима мощность двигателя в 9 кВт (из них - 6,6 кВт на аэродинамическое сопротивление, 1,5 кВт - на сопротивление качению стального цилиндрического колеса по стальному рельсу, 0,9 кВт - потери в трансмиссии). При этом расход топлива на 100 км пути составит 2 литра (или 0,04 л/100 пасс.×км или 0,4 л/1000 пасс.×км), что экономичнее легкового автомобиля в 20-30 раз (лучшие легковые автомобили расходуют 1-1,5 литра горючего на 100 пасс.×км, при худших комфортности, безопасности, экологичности), экономичнее самолёта в 200-300 раз (50-тиместный самолёт расходует на 100 км пути 500-700 литров топлива).

Для создания мировой сети скоростных дорог в XXI веке потребуется значительное количество ресурсов. Ведь только в России, территория которой, на 3/4 состоящая из болот, вечной мерзлоты, тайги и гор, и по площади большая, например, территории США в 1,8 раза, нужно построить не менее 5 млн. км новых дорог, чтобы только догнать США XX века.

Основные ресурсы, необходимые для создания сети скоростных дорог протяжённостью 10 млн. км, показаны в табл. 2. Наиболее значимый ресурс - отчуждаемая земля. При наземной прокладке трасс её потребуется около 50 млн. га (500 тыс. км2), что равно суммарной площади таких стран, как Австрия, Венгрия, Греция, Дания, Израиль, Швейцария и Куба. При заниженной средней стоимости этой земли в 200 тыс. USD/га, цена этого ресурса составит 10 триллионов USD. Поэтому трассы необходимо прокладывать над землёй на опорах, на втором уровне.
 

Таблица 2.
Основные ресурсы для создания сети скоростных многопутных дорог протяженностью 10 млн. км 

Известны два способа создания пролётного строения между опорами: 1) с помощью жёсткой балки; 2) с помощью гибкой нити, натянутой до высоких усилий. Поскольку абсолютно жёстких систем не бывает, то в результате компромисса между требованиями по снижению материалоёмкости пролётных строений и требованиями по получению максимально высокого значения жёсткости путевой структуры под воздействием расчётной подвижной нагрузки, во всём мире была принята расчётная относительная жёсткость пролётов мостов и путепроводов, равная 1/400-1/800.

На рис. 1 показано балочное пролётное строение однопутной дороги монорельсового типа. Относительный прогиб такой балки пропорционален квадрату её длины и обратно пропорционален высоте в третьей степени, модулю упругости материала и коэффициенту, учитывающему форму поперечного сечения балки. Поэтому при проектировании балочного пролёта стремятся уменьшить пролёт, увеличить высоту балки, и использовать материал с высоким модулем упругости. На рисунке показано оптимальное поперечное сечение стальной балки максимально облегчённого коробчатого типа, имеющей относительную жёсткость 1/400 в пролёте 50 м при воздействии нагрузки в 10 тс. Расход стали на такую балку будет равен 750 кг/м (общая масса балки на пролете G=37,5 т), площадь поперечного сечения - 960 см². Температурные усилия (при перепаде температур 100 °С, от -50 °С зимой, до +50 °С летом на солнце) в такой балке могут достигать 2400 тс, поэтому на балке устраивают температурный шов, опирая её концы на ригель опоры. Поскольку верх опоры не закреплён, то коэффициент µ, который определяет приведённую высоту опоры при определении её несущей способности, равен двойке.
 

Рис. 1. Балочное пролетное строение:
а) схема балочной эстакады; б) балочное пролетное строение;
в) поперечное сечение оптимальной коробчатой балки;
г) схема работы опоры балочного пролетного сечения

Рассмотрим струнное пролётное строение (рис. 2). Относительный прогиб такого пролёта пропорционален нагрузке Q и обратно пропорционален натяжению Т струны. Следует обратить внимание на то, что относительный прогиб струнного пролёта не зависит от материала струны, от её формы и поперечных размеров, а также - от длины пролёта. Для обеспечения относительной жёсткости 1/400, под нагрузкой 10 тс, натяжение нити должно быть равно 1000 тс. Поскольку жёсткость пролёта не зависит от формы поперечного сечения нити, то она может быть набрана, например, из высокопрочной проволоки с расчётными напряжениями растяжения порядка 10000 кгс/см² (например, СНиП 2.05.03-84 на мосты допускает нормативные сопротивления растяжению в арматурных канатах К-7 в 13200-14000 кгс/см²). Тогда площадь поперечного сечения стальной струны составит 100 см², а её масса - 78 кг/м (общая масса на пролёте - 3,9 т).

Рис. 2. Струнное пролетное строение:
а) схема струнной эстакады; б) струнное пролетное строение;
в) поперечное сечение струнной путевой структуры;
г) схема работы опоры струнного пролетного строения;
д) зависимости, определяющие напряженно-деформированное состояние струны

Поскольку верх опоры закреплён на нити (прикреплён к путевой структуре), то коэффициент µ, определяющий приведённую высоту опоры, равен 0,7. Поэтому при той же высоте опоры, что и у балочного пролёта, опора струнного пролёта будет иметь в 8 раз большую несущую способность (см. несущие способности опор на рис. 1 и 2). А поскольку балочный пролёт длиной 50 м будет весить 37,5 тс, а струнный пролёт - только 3,9 тс, то расчётная материалоёмкость опор и самих пролётов струнного типа будет примерно в 10 раз более низкой. Во столько же раз будет ниже и стоимость струнных дорог, так как стоимость высокопрочной стальной проволоки примерно равна стоимости стального проката и составляет, например, в России, 1000-1500 USD/т (с НДС).

Для повышения защищенности струны от внешних воздействий - механических, климатических и др. - и увеличения жесткости пути под колесом модуля, струну необходимо разместить внутри специального рельса, омонолитив их друг с другом посредством высокопрочного композита.

Стоимость основных ресурсов, необходимых для сооружения 1 км усредненной высокоскоростной двухпутной рельсо-струнной трассы составит около 700 тыс. USD, что для сети дорог, протяжённостью 10 млн. км, даст экономию: 16,3 трлн. USD - по сравнению с автобанами с асфальтобетонным покрытием, 37,3 трлн. USD - для автобанов с железобетонным полотном, 19,4 трлн. USD - по сравнению с железными дорогами, 89 трлн. USD - по сравнению с автомобильными эстакадами, 36,2 трлн. USD - по сравнению с эстакадой монорельсового типа, 78,7 трлн. USD - по сравнению с эстакадой для поездов на магнитном подвесе (см. табл. 2).

Из приведённого анализа можно сделать вывод, что скоростную сеть дорог в XXI веке целесообразнее всего создавать на опорах с натянутой путевой структурой, без образования сплошного полотна. В качестве движителя целесообразнее использовать стальное цилиндрическое колесо с независимой подвеской. В механическую работу энергию топлива лучше всего преобразовывать непосредственно на борту модуля, например, с помощью двигателя внутреннего сгорания. Такая надземная транспортная система является оптимальной с позиций точных наук - физики, механики, строительной механики, сопротивления материалов, аэродинамики, экономического анализа - и она получила название "Струнный транспорт Юницкого" (СТЮ). И никакая другая перспективная надземная транспортная система, в том числе описываемая в научной фантастике (антигравитационные корабли, гравитолёты, "летающие тарелки" и другое) не будет иметь более высокие технико-экономические и экологические характеристики, чем СТЮ.

По материалам статьи А.Э. Юницкого "Оптимизация наземной транспортной системы", опубликованной в международном научном журнале "Проблемы машиностроения и автоматизации", № 4, 2005 г., с. 45-50, г. Москва

© 1977—2018 А.Э. Юницкий. Все права защищены