12/07/2017 ИТПМ СО РАН
Транспорт будущего глазами новосибирских ученых
53 ИТПМ СО РАН СО РАН Инновации Физика Новосибирск Быстрее звука и в трубе… Именно таким сибирские учёные видят один из вариантов пассажирского транспорта будущего. В научно-популярной повестке всё чаще обсуждаются идеи инновационных средств передвижения для города и междугородних маршрутов.
Новосибирск становится генератором новых концептов: дирижаблей-троллейбусов, пассажирских капсул на тросах, эстакадного дублера Бердского шоссе… Старый добрый поезд на электрической или тепловой тяге сегодня тоже кажется архаичным и просит замены: стук колес, жалкие 100-150 километров в час… Чтобы не копировать с опозданием японские «Синкансены» и французские «Евростары», российские учёные сосредоточились уже на следующих за ними вариантах развития железной дороги. Точнее, уже не совсем железной и не вполне дороги. «Известны два технологических предела, — рассказал научный сотрудник Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, кандидат технических наук Денис Геннадьевич Наливайченко. — Первый связан с силой трения, на скоростях около 200 километров в час пара «колесо-рельс» перестает нормально работать. Проблема решается — например, созданием магнитной подушки, но на следующем рубеже, порядка 500 километров в час, почти вся энергия начинает уходить на преодоление аэродинамического сопротивления». Решение напрашивается чисто логически: если воздух становится препятствием номер один, его надо убрать — то есть создать вокруг вагона безвоздушную среду. Идея «вакуумного поезда» не нова, она была изложена еще в 1911 году профессором Томского политехнического института Борисом Петровичем Вейнбергом в монографии «Движение без трения». В физической лаборатории ТПИ Б. Вейнберг и его ученики собрали макет вакуумной дороги, на котором удавалось достичь скромной и по тем временам скорости 10 километров в час. Почти одновременно американец Роберт Годдард публикует статью на ту же тему в Scientific American и оформляет два патента: на вакуумную трубу и аппарат для нее. В 1939-1943 годах работа над созданием такой техники на макетах велась в Германии под руководством Германа Кемпера: Третьему рейху требовалось не только чудо-оружие, но и чудо-транспорт. В послевоенное время более проработанные проекты возникали в Швейцарии и США, в том числе и у Илона Маска. Его система Hyperloop предназначалась для сообщения Лос-Анжелес — Сан-Франциско (640 километров). В трубе двухметрового диаметра предполагалось разгонять капсулу на 20-40 пассажиров до сверхзвуковых 1 200 км/час при давлении разрежения около 100 паскалей (нормальное атмосферное давление в тысячу раз выше). В современной России подобные проекты тоже вызывают интерес. «На ученых советах РЖД регулярно обсуждаются перспективы вакуумного транспорта», — сообщил Д. Наливайченко. В стране есть отдельные сообщества ученых и инженеров, занятых (как правило, по собственному почину) проработкой отдельных элементов. В ИТПМ СО РАН по инициативе научного руководителя института академика Василия Михайловича Фомина создана небольшая рабочая группа — в основном из молодых ученых и даже студентов. Но всем российским энтузиастам мешает раздробленность и без того немногочисленных сил и ресурсов. «У нас нет отечественной компании, объединяющей инициативные коллективы», — констатировал специалист ИТПМ СО РАН. Заметим, что во всем мире ни один из проектов вакуумной дороги не продвинулся дальше работающих макетов и небольших опытных участков. И понятно почему. Это совершенно особый вид транспорта, требующий разработки всех его элементов с чистого листа: тоннелей или эстакад, трубопроводов, насосов, переходных шлюзов, подвижного состава, систем управления и жизнеобеспечения… «Создание принципиально новой транспортной системы должно иметь серьезное обоснование, — считает Денис Наливайченко, — а сама система обладать существенным набором преимуществ в сравнении с существующими видами транспорта». В идеале, по мнению эксперта из ИТПМ, новая транспортная система должна быть: — экономичнее; — быстрее; — безопаснее; — более экологичной; — более защищенной от природных явлений и катаклизмов, от террористических атак и др.; — более комфортабельной для пассажиров; — удобной в эксплуатации и техническом обслуживании. Экономичность трудно не поставить на первое место: если она не будет гарантированно достижимой, нет смысла говорить обо всем остальном. Краеугольным камнем здесь видится объём затрат на поддержание вакуума в системе. Впрочем, полный вакуум не нужен: достаточно сделать воздушную подушку перед движущейся капсулой ничтожно плотной. «Мы сравнивали энергию, идущую на преодоление аэродинамического сопротивления, с энергией, необходимой для создания вакуума, — рассказал Денис Наливайченко, — и пришли к выводу, что давление в трубопроводе меньше 50-100 паскалей технологически и экономически нецелесообразно. И в соответствии с этим положением мы сформулировали те задачи, которыми можно заниматься именно в нашем институте, хорошо оснащенном установками для аэродинамических экспериментов и мощными компьютерами для расчетов и моделирования». Сибирские ученые уже посчитали на примере трассы Москва — Санкт-Петербург (660 км) зависимость количества насосов от выбранного давления разрежения. Для откачки воздуха до уровня 10 паскалей потребуется 129 установок типа ET 3S, 30 паскалей обеспечат 42 насоса, а 100 паскалей — только 13. Но это лишь часть более сложной задачи (скорее, группы задач), в которой присутствует множество других переменных величин — форма и структура поверхности капсул, их собственная энерговооруженность и одновременное количество в тоннеле. Последний показатель, по словам Д.Г. Наливайченко, «…является определяющим параметром, влияющим на величину оптимального давления эксплуатации вакуумного транспорта. Чем больше плотность капсул, тем ниже граница по давлению. И наоборот, чем меньше транспортных капсул в пути, тем большее давление является энергетически и экономически обоснованным». Инициативная группа из ИТПМ СО РАН на сегодня определила круг задач, решить которые ей по силам. «Мы рассматриваем только те вопросы, в которых институт имеет хорошие компетенции, — подчеркнул Денис Наливайченко. — Это, прежде всего, механика, аэродинамика, динамика движения». В числе упомянутых им конкретных задач — выбор оптимального соотношения площадей поперечных сечений путепровода и капсулы, минимизация её лобового сопротивления, снижение сопротивления трения на стенках транспортного средства и так далее. В целом же новосибирские специалисты занялись проблемой повышения аэродинамической эффективности «вакуумной дороги». А это лишь часть другой проблемы, более общего порядка — достижения эффективности экономической. Даже при конкурентоспособной цене билета Москва — Петербург или Новосибирск — Томск и при гарантированной окупаемости и прибыльности проекта он вряд ли будет реализован при несоблюдении ещё шести ключевых условий, о которых говорил Денис Геннадьевич. Как писал гуру тайм-менеджмента Клаус Мёллер, «слона нужно есть по кусочкам». Соответственно, в любой стране создание вакуумного транспорта начинается с получения комплекса доказательств целесообразности такого шага, а это — типичная «слоновая задача», решаемая лишь при условии консолидации множества коллективов. Они есть и в России — молодая команда ИТПМ тому подтверждение. Но продвижение будет достижимо лишь при координации и ресурсной поддержке всех задействованных групп. Именно так были реализованы атомный и космический проекты. Андрей Соболевский