Техническая задача изобретения

Канатная транспортная система на магнитной левитации

Реферат

Рассмотрены три варианта канатных транспортных систем на магнитной левитации и способы их работы - 2 D авиация, космический лифт и электромагнитный лифт. Они охвачены единым изобретательским замыслом и единой общей характеристикой – движением транспортного модуля на магнитном подвесе (левитации) вдоль сверхпрочного легкого каната с высокой электропроводимостью. Сам канат выполнен на основе нанотехнологии с использованием углеродных и других нанотрубок, он имеет прочность как минимум в 100 лучше прочности стали и весит в несколько раз меньше. Его электропроводность в минимум в 100 раз лучше проводимости алюминия или меди при комнатной температуре, и в пределе канат является высокотемпературным сверхпроводником (до 93,5 градусов Цельсия). Магнитная левитация и движение вдоль каната осуществляется с помощью линейного электродвигателя, имеющего обмотку из материала, аналогичного материалу каната. В результате левитация и тяга создаются за счет взаимодействия магнитных полей двигателя и канатов. При этом электроэнергия, необходимая для движения, подается непосредственно по самим канатам от источника электроэнергии. Фиг.1.

 

 

Область техники

Изобретение относится к высокоскоростным транспортным средствам на основе сочетания канатных и левитационных систем с электротягой и магнитным подвесом с использованием последних достижений в нанотехнологии и предназначено для перевозки грузов и пассажиров.

Уровень техники

       При создании транспортных систем для высокоскоростной перевозки грузов и пассажиров используются воздушные и наземные транспортные средства. Наземные транспортные средства создаются на  основе колеса, воздушной подушки или на магнитном подвесе (магнитной левитации). Путевые структуры транспортных систем могут располагаться непосредственно на земле или на несущих опорах (эстакадах) или мостах. Используемые наземные путевые структуры являются неэластичными конструкциями, образуя жесткий путь. Существуют и воздушные транспортные системы, использующие летательные аппараты тяжелее и легче воздуха, которые не требуют создания жестких путевых структур с опорой на землю.

       Транспортные системы являются основными потребителями энергоресурсов. Причем потребление топлива возрастает с увеличением скорости.

Сравним существующие транспортные системы, выбирая в качестве наиболее объективного критерия удельный расход условного топлива (Табл. 1).

Таблица 1. Удельный расход условного топлива на перевозки разными видами транспорта [1].

Кг/1000 т-км

Вид транспорта	1960 г.	1970 г.	1980 г.	2010 г.
Железнодорожный, скорость до 80 км/ч	35,64	11,43	8,3
Железнодорожный, скорость до 300 км/ч	-	-	31,0*
Автомобильный груз. скорость до 100 км/ч	237,0	200,3	144,1
Самолеты, скорость до 900 км/ч			300	180,0** взлетный вес до 1000 т
Самолет-экраноплан, скорость до 400 км/ч			100-180	60,0*** взлетный вес до 1000 т
Вертолеты, скорость до 400 км/ч			300-400

 

* рассчитано по энергопотреблению с условием 1 кВт ч =0.34 кг условного топлива при кпд преобразования тепловой энергии в электрическую 36%. 1 кг усл. топлива эквивалентен 29,308 кДж/кг. Для самолетов и автомобилей для 1 кг топлива выбирается среднее значение 44 кДж/кг.

** [2], ***[3]

Из таблицы 1 следует, что за последние 30 лет транспортные системы принципиально исчерпали ресурс своего развития. Это связано с тем, что решить задачу создания высокоэффективных транспортных систем, базируясь на технологиях ушедших веков, принципиально невозможно.

Для транспортных систем важно, каким образом транспортный модуль взаимодействует со средой движения (воздух, рельс, шоссе). Поэтому при сравнении транспортных систем также необходимо учитывать коэффициент полезного действия движения при взаимодействии со средой (Табл.2).

Табл. 2. Коэффициенты полезного действия движения [4].

Вид тяги	КПД
Железное колесо	0,96-0,98
Резиновое колесо	0,8-0,9
Воздушный винт	0,45
Одноконтурный турбореактивный двигатель	0,2
Двухконтурный турбореактивный двигатель	0,25 - 0,35
Линейный электродвигатель	0,85-0,95

Из анализа табл. 1,2 следует, что из-за низкого кпд движения 0,25-0,35 уменьшить энергопотребление авиации можно будет только с применением новых принципов движения. Пока в настоящее время решить проблему уменьшения энергопотребления пытаются традиционным путем, уменьшая массу самолета и улучшая аэродинамическое качество, например, путем перехода на самолет-крыло или на режим экраноплана с уменьшением крейсерской скорости.

Рассмотрим высокоскоростные наземные транспортные системы.

На сегодняшний день существуют следующие технологии высокоскоростного наземного транспорта:

• традиционные колесно-рельсовые системы со скоростью 300 км/ч - французская TGV, японская «Шинкансен», немецкая ICE.

• Система на магнитной левитации Maglev со скоростью 400-550 км/ч - немецкая опытная система «Трансрапид»; японская опытная система SCM и MLU 002; китайская система «Maglev» длиной 30 км, соединяющая Шанхай и аэропорт Пудун.

Наземные высокоскоростные системы (скорость до 300 км/ч) требуют использования рельсовых путей с малой стрелой прогиба (10^-3 – 10^-4), с большими радиусами поворота и с малым уклоном. Известно, что движение колесных тележек по рельсу происходит не по прямой линии, а с поперечными биениями. Это приводит к ускоренному износу как рельса, так и колеса, что ведет к постоянным эксплуатационным издержкам, составляющим до 80% всех эксплуатационных затрат.

Кроме того, при увеличении скорости движения железнодорожного транспорта с 80 км/ч до 300 км/ч коэффициент сопротивления качению колесо/рельс возрастает в 3-4 раза, поэтому увеличение скорости свыше 300 км/ч экономически не выгодно [5]. Кроме того, при скорости свыше 200 км/ч большая часть энергия расходуется на преодоление аэродинамического сопротивления. Высокая стоимость прокладки железнодорожного полотна со специальными требованиями к насыпи ограничивает строительство таких дорог в болотистых местах, сильно пересеченных местах и на вечной мерзлоте.  Для решения перечисленных проблем используются эстакады в виде классических вантовых и подвесных мостов.

Для уменьшения веса рельсового пути, а, следовательно, и удельной себестоимости, был предложен метод распределения транспортной нагрузки – струнная транспортная система [6]. Это достигается путем использования вместо цельного поезда с жестко связанными вагонами отдельных экипажей с электронной дистанционной связкой, Для уменьшения аэродинамических потерь при скоростях до 300 км/ч экипажи имеют низкое лобовое сопротивление – C_x порядка 0.075. Основу системы составляют выпускаемые промышленностью стальные канаты, натянутые внутри специального рельса. Один путь многопутной трассы представляет собой два рельса-струны, образующие колею 2 м и установленные на опорах высотой 1 - 10 м и более. Струны в рельсе натянуты до суммарного усилия 100-300 тонн (в зависимости от длины пролёта и массы подвижного состава) и жёстко закреплены в анкерных опорах, установленных на расстоянии 1-5 км друг от друга (по длине каната). В промежутке путевая структура опирается на легкие поддерживающие опоры, оптимальное расстояние между которыми составляет 20-50 м.

По существу, предложенная структура является классическим подвесным мостом облегченной конструкции, с малой стрелой прогиба каната. Мост располагается над сушей и реками, и нивелирует рельеф местности [7].

Основным недостатком струнной транспортной системы является малая грузоподъемность транспортного модуля (1-2 т), что не позволит вписать эту систему в современные логистические схемы. Также очень существенным недостатком этой системы является тот факт, что в жестко натянутых струнах, под действием ветра и движения транспортного модуля, возникают сильные неустранимые вибрации, которые могут привести к разрушению самой дороги, особенно в местах крепления струны [8]. Поэтому такие струнные транспортные системы не использовались в мостостроении.  На практике используются не натянутые струны, а провисающие тросы, что видно на примере технологии натяжения проводов, используемой в линиях электропередач [9].

Попытки усовершенствовать железные дороги привели к созданию монорельсовых эстакадных дорог. Они бывают двух типов: колесно-рельсовые и на воздушной подушке. Многократные попытки увеличить скоростные характеристики таких дорог не дали положительных результатов. Эстакадные колесно-рельсовые системы обладают всеми недостатками классических колесно-рельсовых систем, а использование воздушной подушки увеличивает энергопотребление и стоимость монорельса (за счет необходимости создания желоба), а также имеет труднопреодолимые шумовые характеристики.

Перечисленные выше наземные транспортные системы обладают общим недостатком – проскальзыванием колеса относительно рельса при увеличении крутизны подъема свыше 1/40. Поэтому в гористой и сильно пересеченной местности для перевозки людей и грузов с низкими скоростями используются канатные подвесные дороги. Они состоят из жесткого колеса и «мягкого» рельса. Эти дороги позволяют преодолевать значительные перепады высот, что невозможно для других видов колесно-рельсовых транспортных систем. Их недостатком является провисание несущего и тянущего канатов. В результате этого на них невозможно развить скорости выше 10 км/ч, так как путь является волнообразным. Например, наиболее протяженная грузовая канатная дорога построена в Швеции, имеет длину 98 км, максимальные пролеты 600-800 м, средние пролеты 100-150 м, максимальный угол подъема 30⁰, производительность 50тон/ч, среднюю скорость движения 1,5 - 3,15 м/с [9].

Предельным случаем канатной дороги являются лифты. Транспортный модуль – кабина лифта – движется вдоль жестко укрепленных направляющих с помощью тянущего каната. Предельным случаем лифтовой системы можем считать систему, в которой канат натянут между Землей и космическим объектом.

В NASA (США) считают, что освоение Луны и Марса с помощью устаревших технологий 60-ых годов перевозки грузов на основе ракет на химическом топливе не приведет к дальнейшему технологическому скачку, поэтому не является перспективным.

Например, для осуществления космического полета традиционными способами с помощью ракет, на высоте 150 км с первой космической скоростью необходимо затратить энергию 31,3 МДж/кг. Дополнительно преодоление гравитации потребует еще 8-10%, аэродинамическое сопротивление 1%-5%, направление ракеты 1%-5%. Следовательно, в среднем затраты на вывод ракеты в космос составят 35 МДж на 1 килограмм общего веса. Так, для системы Буран-Энергия стартовая масса с Земли составляет 2430 тон. Корабль Буран весит 105 т, а полезная нагрузка составляет всего 30 т т.е., 1,23% от общего веса корабля.

В настоящее время исследователи из NASA [10,11] предлагают упростить вывод крупных объектов на орбиту, используя систему, названную ими «Космическим лифтом» и предложенную еще Ю.В. Арцутановым в 1960 г. [12].

В их проекте "Космический лифт - это сверхпрочная легкая лента из углеродных нанотрубок весом порядка 7,5 кг/км. Ее прочность в 100 раз лучше прочности аналогичной стальной ленты, при этом в 4,5 раза она легче. Один конец ленты присоединен к поверхности Земли, а другой находится на геосинхронной орбите в космосе (на высоте 100 000 км). Гравитационное притяжение нижнего конца ленты компенсируется силой, вызванной центростремительным ускорением верхнего конца. Таким образом, лента постоянно находится в натянутом состоянии.

Изменяя длину пути, можно достигать разных орбит. Космический модуль, содержащий полезный груз, будет передвигаться вдоль ленты. Для начального старта модуля, имеющего вес 10-20 тон, потребуется его разгон до 100-200 км/ч. Вертикальное движение его предполагается осуществлять с помощью блока колес. Движение до конечной станции займет время порядка 7 дней. Как только он будет приближаться к концевой станции, его горизонтальная (орбитальная) скорость будет увеличиваться из-за центростремительного ускорения всей системы. На конечной станции, если это необходимо, модуль отсоединяется от лифта и выходит в открытый космос. Орбитальная скорость модуля при этом будет составлять 11 км/с. Этой скорости будет достаточно для того, чтобы начать путешествие к Марсу и другим планетам. Таким образом, затраты на пуск модуля будут только в начале ее пути на орбиту. Спуск будет производиться в обратном порядке - в конце спуска модуль будет ускорять гравитационное поле Земли. Можно использовать космический лифт в качестве "пусковой платформы" для космических кораблей, запускаемых к другим планетам, спутникам и астероидам (Марсу, Венере, Луне). Это поможет сократить расходы примерно в 100 раз, связанные с традиционным запуском ракет на химическом топливе. Также можно построить лифт грузоподъемностью до 100 тонн, что позволит строить на орбите большие колонии и орбитальные станции.

Мощность для разгона модуля, в зависимости от массы груза, будет варьироваться в границах от 100 киловатт до 2,4 мегаватт. Планируется передавать энергию с помощью инфракрасного лазера. Однако, коэффициент полезного действия фотопреобразователей оптического излучения в электричество не превышает 35%. Поэтому возникает проблема охлаждения фотопреобразователей  в космическом пространстве.

За счет трения колес о ленту будет происходить износ ленты. Ее придется менять каждые два-три года. Таким образом, здесь также не решается проблема колесо-рельсы (трос).

Специалисты NASA в настоящее время приступили к исследованию, связанному с возможностью осуществлять запуск космических ракет с помощью электромагнитных ускорителей на начальном этапе полета. Они предполагают, что это не только поможет решить проблемы экологического характера, но и существенно снизит стоимость каждого запуска примерно в 10 раз.

Для грузовых перевозки в настоящее время рассматривается возможность использования электромагнитных катапульт для запуска космических модулей непосредственно с Земли. Такие электромагнитные пушки предложил еще в 1901 г К. Брикланд, которые развивал Э.Циолковский. В настоящее время это направление также продолжает развиваться, например, прелагается создать электромагнитные ускорители длиной до 1 км с использованием электромагнитных секций. Секции предполагается создавать как из обычных магнитов, так и из сверхпроводящих магнитов [13]. Космический летательный аппарат с помощью такой катапульты может развить скорость 6,5 км/с, при этом он испытывает ускорение до 2000g. Такие перегрузки могут выдержать только бесструктурные объекты и жидкости. Кроме того, при таких скоростях корабль должен иметь тепловую защиту для движения в атмосфере. Предполагается, что при стоимости запуска 30 долларов США на один кг груза при круглосуточной работе такая пушка может обеспечить топливом и продуктами питания космическую станцию. Отметим, что запуск одного килограмма груза с помощью ракет на химическом топливе на низколежащую орбиту стоит порядка 2500 долларов, а на геостационарную – 60 000 тыс. долларов США.

К сожалению, для достаточно дешевого запуска с помощью электромагнитных катапульт существует две основные и пока не решенные проблемы: высокие перегрузки и потеря энергии при трении о воздух при больших начальных скоростях.

Эти проекты в настоящее время из-за высокой себестоимости самой катапульты пока не получили практического применения и находятся в стадии экспериментов.

Следующей технологией высокоскоростного транспорта, в которой сделаны попытки решить проблему колесо - рельс и увеличить скорость до 500-600 км/ч, стали системы на магнитном подвесе.

Например, Маглев (Maglev от англ. magnetic levitation ru.wikipedia.org/wiki/) — это поезд на магнитной левитации (подвесе), движимый и управляемый магнитными силами. Такой состав, в отличие от традиционных поездов, в процессе движения не касается поверхности рельса. Так как между поездом и поверхностью движения существует зазор, механическое трение исключается и основной тормозящей силой является сила аэродинамического сопротивления и потери в линейном электродвигателе (см. табл. 2).

Скорость, достижимая Маглев, сравнима со скоростью самолёта и позволяет составить конкуренцию воздушным сообщениям на малых расстояниях (до 2000 км). На данный момент существует 3 основных технологии магнитного подвеса поездов:

На сверхпроводящих магнитах (электродинамическая подвеска, EDS)

На электромагнитах (электромагнитная подвеска, EMS)

На постоянных магнитах; это новая и потенциально самая экономичная система.

Состав левитирует за счёт отталкивания одинаковых полюсов магнитов и, наоборот, притягивания разных полюсов. Движение осуществляется линейным двигателем, расположенным либо на поезде, либо на пути, либо и там, и там. Серьёзной проблемой проектирования является большой вес достаточно мощных магнитов, поскольку требуется сильное магнитное поле для поддержания в воздухе массивного состава. Так, затраты электроэнергии при использовании обычных электромагнитов составляют 1 -1,5 Вт на килограмм поднимаемой массы. 

Статичные поля, создаваемые одними только электромагнитами и постоянными магнитами, нестабильны, в отличие от полей диамагнетиков и сверхпроводящих магнитов. Существуют системы стабилизации: датчики постоянно замеряют расстояние от поезда до пути и соответственно ему меняется напряжение на электромагнитах. Наиболее активные разработки Маглев ведут Германия и Япония.

Использование сверхпроводящих магнитов на самом составе требуют криогенных температур от 4К до 70К. Высокая теплопроводность металла очень сильно усложняет систему подвески и крепления сверхпроводящих катушек магнитов. Поэтому требуется постоянная система регенерации криожидкости. Большие объемы криожидкости опасны для пассажиров в аварийной ситуации. Использование линейных электродвигателей требует создания вдоль пути высоко материалоемких магнитных структур. Это резко увеличивает себестоимость проекта.

Вследствие высокой себестоимости несущего пути транспортные системы на магнитной подвеске до сих пор не нашли широкого применения. Например, стоимость единственной действующей в настоящее время дороги Маглев в Шанхае длиной 30 км составила 1,3 млрд. долларов США.

Проблемой всех дорог со скоростью движения порядка 500 км/ч является высокое аэродинамическое сопротивление, приводящее к огромным затратам энергии на его преодоление. Чем длиннее состав и чем больше количество вагонов, тем выше сопротивление. Лобовое сопротивление C_x для 5-7 вагонов может достигать 0.31-0.5 [14].

Кроме этого, из-за несимметричной аэродинамической формы состава возникает дополнительная подъемная сила, приводящая к неустойчивости поезда, особенно при сильных порывах ветра. Эта проблема вызвана тем, что путь является «жестким» по отношению к поезду. Попытка устранить эти проблемы путем увеличения зазора от 1-2 см до 10-15 см между двигателем и рельсом приводит к дополнительным затратам энергии.

В северных районах с большим количеством снежных осадков и возможностью обледенения возникают дополнительные сложности эксплуатации таких дорог. Поэтому на сегодняшний день даже не рассматривается возможность их использования на Севере.

 

       Рассмотрим воздушные транспортные системы. Известно, что летательные аппараты тяжелее воздуха (самолеты, вертолеты, экранопланы) должны иметь большую удельную мощность на единицу веса и большой запас топлива для передвижения на большие расстояния. Например, вертолет имеет удельную мощность 300 Вт/кг при крейсерской скорости порядка 250-300 км/ч. Винтовые и турбовинтовые самолеты имеют удельную мощность порядка 100 Вт/кг при крейсерской скорости 500-650 км/ч. Турбореактивные самолеты имеют удельную мощность порядка 150 Вт/кг при крейсерской скорости 700-900 км/ч [2,15]. Экранопланы имеют лучшие аэродинамическое качество и экономические показатели, чем самолеты за счет полета на небольшой (до 10 м) высоте над ровными поверхностями или водой [16]. Вертолеты из-за низких – в 2-3 раза ниже, чем у самолетов – экономических параметров имеют узкий круг применения и не используются для массовых перевозок (см. табл.1).

В настоящее время наиболее широко получили развитие турбореактивные самолеты для перевозки большого количества грузов и пассажиров. Например, Ил-96, Боинг 747, Боинг 777, новейший аэробус А 380 и т.п. У всех этих самолетов есть предельные экономические характеристики, которые были достигнуты еще в 1970-ые годы. Это удельное потребление топлива - грамм/(пассажир, километр). Оно равно порядка 20 г/(пас км). Для перевозки грузов используется аналогичная характеристика – грамм/(тонна километр). Из расчета, что 1 человек весит 100 кг, эти характеристики соотносятся как 200 г/(тонна км). Кроме того, в соответствии с требованиями безопасности полетов, каждый самолет берет с собой дополнительное топливо на 0.5 -1 час полета.

Из-за высоких шумовых характеристик полеты самолетов осуществляются на высоте 5 -10 км. При этом затраты энергии для подъема самолета на высоту полета определяются выражением

                                                 (1)

где g – ускорение свободного падения, m – масса самолета, h – высота полета. Например, для самолета массой 10 тон при высоте полета 10 км, затраченная энергия составит 980 МДж. Это соответствует неэффективным затратам топлива при коэффициенте полезного действия двигателя 0,3-0,4, кпд движения 0,25-0,35 (см. табл. 2) и удельной энергоемкости топлива 44 МДж/кг порядка 180 литров.

Для горизонтального перемещения самолета необходимо создать подъемную силу, которая будет связана с аэродинамическим качеством самолета соотношением:

,                                                 (2)

где C_y – коэффициент вертикального сопротивления, S_y – площадь крыла, v_x – горизонтальная скорость самолета, r - плотность воздуха.

Необходимая мощность двигателя для горизонтального перемещения самолета будет определяться выражением:

                                          ,                                                      (3)

где C_x – коэффициент горизонтального сопротивления, S_x – площадь поперечного сечения самолета.

Минимально необходимая мощность двигателя, затрачиваемая на пологий подъем высотой h и длиной L равна:

                                          .                                                         (4)

Таким образом, мощность двигателя будет затрачиваться на подъем самолета и на преодоление воздушного сопротивления. Качество самолета будет определяться выражением:

                                          .                                                          (5)

Как правило, для современных самолетов в крейсерском режиме k составляет 10-18, а для экранопланов k достигает 20-25.

Для безопасности полета в режиме взлета/посадки используется скорость порядка 250 км/ч. В результате требуется изменить геометрию крыла, соответственно k падает в несколько раз. Это приводит к увеличению энергопотребления.

Последнее время наблюдается тенденция увеличения экономической эффективности самолетов за счет строительства самолетов с более высоким аэродинамическим качеством в разных режимах полета. Это достигается отказом от фюзеляжной конструкции и создания самолета-крыла типа B2 (военный самолет-невидимка). Для гражданской авиации фирма Боинг планирует построить самолет-крыло на 800 пассажиров. По их расчетам это на 30% уменьшит мощность двигателя и, соответственно, на 20% уменьшит себестоимость полетов. В России также ЗАО "Авиационный концерн "ЭКИП" разрабатывает самолет-крыло разной грузоподъемности от 2 человек до 1200 человек [17].

Основными техническими решениями, заложенными в Проект "ЭКИП", являются следующие.

Аэродинамический несущий корпус аппарата в форме толстого крыла малого удлинения объединяет функции крыла и фюзеляжа с нагрузкой на крыло (корпус) 125 кг/м².

Профиль корпуса аппарата обеспечивает ламинарное обтекание большей части верхней поверхности аппарата и позволяет установить на верхней кормовой части вихревую систему управления течением в пограничном слое, для безотрывного обтекания корпуса, и получить аэродинамическое качество 15-18. Профиль корпуса (большая площадь в плане) позволяет установить на нижней поверхности аппарата взлетно-посадочное устройство на воздушной подушке или использовать режим движения экраноплана при скорости до 400 км/ч.

Вихревая система управления движением на кормовой поверхности аппарата обеспечивает его безотрывное обтекание на всех режимах полета, включая взлет и посадку с большими углами атаки (до 40 градусов).

Большие объемы аппарата и жесткая конструкция позволяют установить грузовые контейнеры большого объема

Вспомогательные двигатели мощностью 6-8% от общей мощности обеспечивают экономный режим для работы вихревой системы безотрывного обтекания аппарата на крейсерских режимах полета и форсированный режим для воздушной подушки на взлетно-посадочных режимах. Вспомогательные управляющие двигатели обеспечивают устойчивость и управляемость аппарата на взлетно-посадочных режимах полета. Изготовление корпуса аппарата и оперения из композиционных материалов обеспечивает малый вес конструкции, технологичность изготовления, долговечность и коррозийную стойкость.

К сожалению, все перечисленные виды авиатранспорта создают экологическую напряженность. Хотя под руководством ИКАО в течение последних 20 лет ведущие авиаперевозчики мира достигли 70-процентного снижения выбросов окиси углерода, повышения кпд топлива почти на 50 % и, с появлением нового поколения реактивных самолетов, − снижения шума на 85 %. Однако дальнейшего прогресса за последние годы не наблюдается [18].

Эксплуатационные расходы на самолеты составляют значительную часть себестоимости полета. Это, в первую очередь, высококвалифицированный экипаж, инженерные и диспетчерские службы, аэродромное обслуживание. Кроме того, пассажиры и грузоперевозчики несут финансовые и временные затраты на путь до аэропорта, который обычно располагается в десятках километров от города.

Авиатранспорт является достаточно безопасным технически видом транспорта. Большинство аварий - 70%, происходит благодаря человеческому фактору, причем основная часть аварий и катастроф приходится на взлет и посадку, особенно при плохих погодных условиях. Кроме того, высокий процент технических катастроф связан с дефектами шасси. Поэтому, для увеличения безопасности полетов необходимо рассмотреть возможность устранения человеческого фактора и устранения шасси.

Объем пассажирских перевозок в мире ежегодно возрастает на 3-6%, и он удвоится примерно через 15 лет. С другой стороны, уже сейчас воздушное пространство вокруг аэропортов настолько загружено, что почти все большие межконтинентальные узлы управления движением в мире почти лишились свободного воздушного пространства. Проблема управления воздушным движением во многих из этих мест уже достигла критического уровня. Согласно официальным отчетам, ежедневно в Европе случалось порядка 7000 задержек авиарейсов. Кроме того, любому международному аэропорту требуются, по крайней мере, 10,4 кв. км земли без учета подавления шумов в окружающей местности. Это также ограничивает возможности развития авиатранспорта.

В ближайшие годы из-за перегруженности маршрутов и аэропортов может сильно возрасти опасность полетов на внутренних рейсах в крупных странах. Это может привести к прекращению развития авиаперевозок на близкие и средние расстояния.

Фирмой Airtrain.Inc была сделана попытка решить проблему перевозки на близкие расстояния. Они на новом техническом уровне попробовали реанимировать старую идею Валоднера 1933 года использования самолета на монорельсе - аэропоезд [19]. Airtrain — это высокоскоростная система, состоящая из рельса в форме перевёрнутой буквы "Т" и аэродинамических транспортных средств. Эти средства, по сути, являются самолётами необычной и, естественно, уникальной конструкции. Как и полагается, у них есть крылья — два спереди, два сзади — и электродвигатели с пропеллерами — две штуки.

Эти самолёты на небольшой скорости — те же вагончики монорельса, а когда аэропоезд достигает скорости 320 км/ч, они в буквальном смысле летят, не касаясь рельса. Если не считать подпружиненного контакта, благодаря которому самолёты Airtrain "питаются" электроэнергией. В то же время, многочисленные датчики и сенсоры, управляемые бортовым компьютером, не позволяют самолётам с этого рельса соскочить [20].

Саму дорогу планируется построить из двух параллельных друг другу рельсов для движения в обоих направлениях и опор, которые должны стоять через каждые 30 метров, т.е создать «жесткий» путь. .

В зависимости от модели, Airtrain был бы способен везти от 72 до 92 человек с максимальной скоростью 320 км/час. Тормозить аэропоезд должен путём изменения угла пропеллеров, а на небольшой скорости так же, как и монорельс. В результате вес поезда будет прикладываться к рельсу и опорам, что приводит к высокой стоимости пути из-за необходимости большого количества опор.  

Стоимость дороги может составить $7,3 миллионов за полтора километра, каждый самолёт от 11 до 16 миллионов долларов, а вся система протяжённостью около 450 километров — всего-навсего $2,06 миллиарда!

Эта система практически не была реализована из-за той же проблемы неустойчивости самолета при движении вдоль Т-образного рельса при порывах ветра, так как опять используется «жесткий» путь.

Проведение системного анализа современных транспортных средств и последних достижений в области нанотехнологий позволило синтезировать новые транспортные системы для XXI века. Для этого использовались последние достижения в самолетостроении, новые идеи в космических транспортных средствах и последние достижения в области нанотехнологий по созданию сверхпрочных легких материалов на основе углеродных нанотрубок, имеющих высокую электропроводность, вплоть до сверхпроводимости при температурах вплоть до 93,5 ⁰С [21].  

Техническая задача изобретения

Задачей изобретения является создание высокоскоростных транспортных систем с использованием магнитной левитации при движении транспортного модуля вдоль электропроводящих канатов. Предлагаемые системы позволяют принципиально по-новому решить:

· Создание двумерной авиационной транспортной системы «2D авиация» для перевозки тяжелых грузов со скоростью 200-400 км/ч и пассажиров со скоростью 400-700 км/ч при себестоимости в 3 раза ниже стоимости авиаперевозок и соизмеримой со скоростными железными дорогами (200-300 км/ч), с низкой себестоимостью трассы, не более 40-50 тыс. долларов США  на километр, с высокой надежностью и безопасностью, соизмеримой со скоростными железными дорогами. Основным прототипом этой системы выбирается система AirTrain.

· Создание «космического лифта» для скоростной доставки грузов и пассажиров на космические орбиты без использования в транспортном модуле колесного движетеля по канату и наземного лазерного источника энергии. Основным прототипом этой системы выбирается система Space Elevator.

· Создание наземных скоростных лифтов – «электромагнитного лифта». Принцип действия электромагнитного лифта можно использовать при создании классических лифтов для высотных зданий, при создании портов в 2D авиации, при реконструкции железных дорог с обычных на дороги на магнитном подвесе, для электромагнитных катапульт и т.п. Основным прототипом этой системы выбирается система Maglev.

Раскрытие изобретения

Решить задачу создания принципиально новой транспортной системы возможно путем использования последних достижений в области получения сверхпрочных легких материалов, имеющих высокую электропроводность, вплоть до сверхпроводимости при температурах вплоть до 93,5 градусов Цельсия.  

Одним из таких достижений явилось открытие углеродных нанотрубок, которые имеют прочность в 100 раз выше прочности стальной проволоки (s_B=3,5–4,0 ГПа, r=7,8 г/смс³) при удельном весе r=1,7 г/см³. Тогда произведение прочность на вес в 460 раз лучше у углеродных нанотрубок, чем у самой прочной стальной проволоки. При этом сопротивление нанотрубок зависит от их внутреннего диаметра и может изменяться от диэлектриков до металлических проводников вплоть до сверхпроводников. Высокотемпературная (комнатная) сверхпроводимость возникает при внутреннем диаметре нанотрубки 14,5 нм [21], при этом критическая плотность тока составляет 3,4 10⁴ А/см², критическая напряженность магнитного поля равна 12,5 Тл. При этом исчезновение этих критических параметров наступает при температуре 93,5⁰С, т.е., почти при температуре кипения воды. Отметим, что при такой же температуре рабочая плотность тока в алюминиевых проводах равна 10² А/см². При этом удельный вес алюминиевого провода в 2 раза выше, чем удельный вес углеродных нанотрубок, а прочность алюминиевой проволоки - всего s_B= 0,1ГПа.   

К настоящему времени еще не создали технологию производства достаточно длинных кабелей и канатов из калиброванных нанотрубок с приемлемой себестоимостью. Решением этих проблем занимаются сотни фирм во всем мире.

При запуске промышленного производства кабеля из калиброванных нанотрубок можно будет реально осуществить создание магнитно-левитирующей канатной транспортной системы по крайней мере, трех видов.

Канатная авиатранспортная система. 2 D авиация. Под 2D авиацией будем понимать транспортную систему, в которой транспортный модуль с аэродинамическими параметрами самолета двигается вдоль двухмерной сети канатных дорог, натянутых на опоры вдоль поверхности земли, причем электрическая энергия от внешнего источника подается по электропроводящим канатам непосредственно к линейному электродвигателю транспортного модуля, который создает магнитный подвес. Одновременно при электромагнитном взаимодействии электродвигателя с канатом создается и сила тяги. Только в этом случае кпд движения транспортного модуля - самолета возрастает в 2-3 раза (см. табл.2).

Известно, что гражданская авиация осуществляет перевозки между пунктами назначения по заданным маршрутам и высоте полета - коридорам и эшелонам. Т.е., осуществляет трехмерное движение – 3D. На подъем (3-12 км) и спуск самолета затрачивается дополнительное время и топливо, и это является  
теми дополнительными издержками, которые можно ликвидировать при переходе на полет на малых высотах (5-50 м).

Вторым недостатком авиации является использование огромного количества топлива, которое перевозится непосредственно на борту самолета, что влечет дополнительные энергетические затраты и, кроме того, является крайне опасным грузом при аварийных ситуациях. Кроме того, низкий коэффициент полезного действия авиационных турбин порядка 0.4 и низкий кпд движения 0.2-0.4 приводит в лучшем случае к бесполезному сжиганию 80% топлива, которое необходимо возить с собой (табл.2). Мощные авиационные турбины имеют большой вес - их удельная мощно<