Поезда MAGLEV: основные характеристики и перспективы эксплуатации
Необходимость поездов на магнитной подушке (MAGLEV) [Magnetic Levitation] обсуждается уже долгие годы, однако результаты попыток их реального применения оказались обескураживающими. Важнейший недостаток поездов MAGLEV заключается в особенности работы электромагнитов, которые и обеспечивают левитацию вагонов над полотном.
Электромагниты, не охлаждаемые до состояния сверхпроводимости, потребляют гигантские объемы энергии. При использовании же сверхпроводников в полотне стоимость их охлаждения сведет на нет все экономические преимущества и возможность осуществления проекта.
Альтернатива предложена физиком Ричардом Постом из Lawrence Livermore National Laboratory, Калифорния. Ее суть заключается в использовании не электромагнитов, а постоянных магнитов. Ранее применяемые постоянные магниты были слишком слабы, что бы поднять поезд, и Пост применяет метод частичной акселерации, разработанный отставным физиком Клаусом Хальбахом из Lawrence Berkley National Laboratory.
Хальбах предложил метод расположения постоянных магнитов таким образом, что бы сконцентрировать их суммарные поля в одном направлении. Inductrack – так Пост назвал эту систему – использует установки Хальбаха, вмонтированные в днище вагона. Полотно, само по себе, – это упорядоченная укладка витков изолированного медного кабеля.
Установка Хальбаха концентрирует магнитное поле в определенной точке, снижая ее в других. Будучи вмонтированной в днище вагона, она генерирует магнитное поле, которое индуцирует достаточные токи в обмотках полотна под движущимся вагоном, чтобы поднять вагон на несколько сантиметров и стабилизировать его [рис. 1]. Когда поезд останавливается, эффект левитации исчезает, вагоны опускаются на дополнительные шасси.
Что дальше?
На данный момент будущее поездов на магнитной подвеске выглядит туманно в большей степени из-за запредельной дороговизны подобных проектов и длительного периода окупаемости. В то же время множество стран продолжают инвестировать огромные средства в проекты по созданию высокоскоростных железнодорожных магистралей (ВСМ).
Японское правительство также надеется заинтересовать собственными поездами на магнитной подушке США. Недавно представители компании The Northeast Maglev, которые планируют соединить с помощью железнодорожной линии на магнитном подвесе Вашингтон и Нью-Йорк, совершили официальный визит в Японию.
Есть еще один сценарий развития событий. Как известно, одним из путей к увеличению эффективности поездов на магнитной подушке является применение сверхпроводников, которые при охлаждении до близких к абсолютному нулю температур полностью теряют электрическое сопротивление.
Но никто не исключает вероятности, что в ближайшем будущем светилам физики удастся создать недорогое вещество, сохраняющие сверхпроводящие свойства даже при комнатной температуре. При достижении сверхпроводимости при высоких температурах мощные магнитные поля, способные удерживать на весу машины и поезда, станут настолько доступными, что даже «летающие автомобили» окажутся экономически выгодными. Так что ждем новостей из лабораторий.
Все самое интересное о поездах на магнитном подвесе » сайт для электриков – статьи, советы, примеры, схемы
Магнитоплан или Маглев (от англ. magnetic levitation ) — это поезд на магнитном 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, трение исключается, и единственной тормозящей силой является сила аэродинамического сопротивления.
Скорость, достижимая маглев, сравнима со скоростью самолета и позволяет составить конкуренцию воздушным сообщениям на малых (для авиации) расстояниях (до 1000 км). Хотя сама идея такого транспорта не нова, экономические и технические ограничения не позволили ей развернуться в полной мере: для публичного использования технология воплощалась всего несколько раз. В настоящее время, Маглев не может использовать существующую транспортную инфраструктуру, хотя есть проекты с расположением элементов магнитной дороги между рельсов обычной железной дороги или под полотном автотрассы.
Общие сведения о поездах на магнитном подвесе
На данный момент существует 3 основных технологии магнитного подвеса поездов:
1. На сверхпроводящих магнитах (электродинамическая подвеска, EDS).
Сверхпроводящий магнит – соленоид или электромагнит с обмоткой из сверхпроводящего материала. Обмотка в состоянии сверхпроводимости обладает нулевым омическим сопротивлением. Если такая обмотка замкнута накоротко, то наведённый в ней электрический ток сохраняется практически сколь угодно долго.
Магнитное поле незатухающего тока, циркулирующего по обмотке сверхпроводящего магнита, исключительно стабильно и лишено пульсаций, что важно для ряда приложений в научных исследованиях и технике. Обмотка сверхпроводящего магнита теряет свойство сверхпроводимости при повышении температуры выше критической температуры Тк сверхпроводника, при достижении в обмотке критического тока Iк или критического магнитного поля Нк. Учитывая это, для обмоток сверхпроводящих магнитов. применяют материалы с высокими значениями Тк, Iк и Нк.
2. На электромагнитах (электромагнитная подвеска, EMS).
3. 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.
Линейный двигатель —электродвигатель, у которого один из элементов магнитной системы разомкнут и имеет развёрнутую обмотку, создающую бегущее магнитное поле, а другой выполнен в виде направляющей, обеспечивающей линейное перемещение подвижной части двигателя.
Сейчас разработано множество проектов линейных двигателей, но всех их можно разделить на две категории – двигатели низкого ускорения и двигатели высокого ускорения.
Двигатели низкого ускорения используются в общественном транспорте (маглев, монорельс, метрополитен). Двигатели высокого ускорения весьма небольшие по длине, и обычно применяются, чтобы разогнать объект до высокой скорости, а затем выпустить его. Они часто используются для исследований гиперскоростных столкновений, как оружие или пусковые установки космических кораблей. Линейные двигатели широко используются также в приводах подачи металлорежущих станков ,и в робототехнике. 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.
По теореме Ирншоу (S. Earnshaw, иногда пишут Эрншоу), статичные поля, создаваемые одними только электромагнитами и постоянными магнитами, нестабильны, в отличие от полей диамагнетиков.
Диамагнетики – вещества, намагничивающиеся навстречу направлению действующего на них внешнего магнитного поля. В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетики не имеют магнитного момента. 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.
Достоинства
Теоретически самая высокая скорость из тех, которые можно получить на серийном (не спортивном) наземном транспорте.
Низкий шум.
Недостатки
Высокая стоимость создания и обслуживания колеи.
Вес магнитов, потребление электроэнергии.
Создаваемое магнитной подвеской электромагнитное поле может оказаться вредным для поездных бригад и/или окрестных жителей. Даже тяговые трансформаторы, применяемые на электрифицированных переменным током железных дорогах, вредны для машинистов, но в данном случае напряжённость поля получается на порядок больше. Также, возможно, линии маглева будут недоступны для людей, использующих кардиостимуляторы.
Потребуется на высокой скорости (сотни км/ч) контролировать зазор между дорогой и поездом (несколько сантиметров). Для этого нужны сверхбыстродействующие системы управления.
Требуется сложная путевая инфраструктура.
Например, стрелка для маглева представляет собой два участка дороги, которые сменяют друг друга в зависимости от направления поворота. Поэтому маловероятно, что линии маглева будут образовывать мало-мальски разветвлённые сети с развилками и пересечениями.
Варианты
Существуют проекты магнитных дорог с различными видами магнитного подвеса, например, Tubular Rail предлагает отказаться от рельса как такового, и использовать лишь периодически расставленные кольцевые опоры.
Реализация
M-Bahn в Берлине
Первая публичная система маглев (M-Bahn) построена в Берлине в 1980-х годах.
Дорога длиной 1,6 км соединяла 3 станции метро от железнодорожного узла Gleisdreieck до выставочного комплекса на Potsdamer Strasse. После долгих испытаний дорога была открыта для движения пассажиров 28 августа 1989 г. Проезд был бесплатный, вагоны управлялись автоматически без водителя, дорога работала только по выходным дням. В районе, куда подходила дорога, предполагалось провести массовое строительство. Дорога была построена на эстакадном участке бывшей линии метро U2, где движение было прервано в связи с разделением Германии и разрушениями во время войны. 18 июля 1991 линия перешла в промышленную эксплуатацию и включена в систему метро Берлина.
После разрушения Берлинской стены население Берлина фактически удвоилось и потребовалось соединить транспортные сети Востока и Запада. Новая дорога прерывала важную линию метро, а городу требовалось обеспечить высокий пассажиропоток. Через 13 дней после ввода в промышленную эксплуатацию, 31 июля 1991, муниципалитет принял решение демонтировать магнитную дорогу и восстановить метро. C 17 сентября дорога была демонтирована, а позднее — восстановлено метро.
Бирмингем
Нескоростной маглев-челнок ходил от Бирмингемского аэропорта к ближайшей железнодорожной станции в период с 1984 по 1995 гг. Длина трассы составляла 600 м, и зазор подвеса составлял 1,5 см. Дорога, проработав 10 лет, была закрыта из-за жалоб пассажиров на неудобства и была заменена традиционной монорельсовой дорогой.
Шанхай
Неудача с первой маглев-дорогой в Берлине не отпугнула немецкую компанию Transrapid — дочернее предприятие Siemens AG и ThyssenKrupp — от продолжения исследований, и позже компания получила заказ от китайского правительства на строительство высокоскоростной (450 км/ч) маглев-трассы от шанхайского аэропорта Пудун до Шанхая. Дорога открыта в 2002 году, её длина составляет 30 км. В будущем её планируется продлить на другой конец города до старого аэропорта Хунцяо и далее на юго-запад до города Ханчжоу, после чего её общая длина должна составить 175 км.
Япония
В Японии испытывается дорога в окрестностях префектуры Яманаси по технологии JR-Maglev. Скорость, достигнутая в процессе испытаний MLX01-901 с пассажирами 2 декабря 2003, составила 581 км/ч.
Там же, в Японии, к открытию выставки Expo 2005 в марте 2005 введена в коммерческую эксплуатацию новая трасса. 9-километровая линия Линимо (Нагоя) состоит из 9 станций. Минимальный радиус — 75 м, максимальный уклон — 6 %. Линейный двигатель позволяет поезду разгоняться до 100 км/ч за считанные секунды. Линия обслуживает территорию, прилегающую к месту проведения выставки, университету префектуры Айти, а также некоторые районы Нагакутэ. Поезда изготовлены компанией Chubu HSST Development Corp.
Имеются сведения, что вышеназванные японские компании ведут строительство подобной линии в Южной Корее.
Япония запустит поезд на магнитной подушке
Япония планирует в 2025 финансовом году запустить сверхскоростной поезд на магнитной подушке. Постройка линии и составов обойдется примерно в 45 миллиардов долларов США, сообщает AFP.
Поезд будет использовать технологию магнитной левитации (иногда называемую маглев). Магнитное поле позволяет составу, невзирая на притяжение Земли, парить над линией и за счет этого двигаться гораздо быстрее обычного поезда.
Единственная в мире действующая пассажирская магнитно-левитационная железнодорожная линия расположена в Шанхае и имеет протяженность 30,5 километров. Поезд движется по ней со скоростью 430 километров в час.
Японская линия длиной 290 километров соединит Токио и пока еще не определенный район в центральной Японии. Ожидается, что поезда с линейным электродвигателем будут развивать скорость около 500 километров в час.
Постройкой линии займется железнодорожная компания Central Japan Railway Co. (JR Central), которая в 2003 году уже провела испытания технологии магнитной левитации. Опытный состав установил тогда мировой рекорд скорости для поезда: 581 километр в час. Напомним, что рекорд скорости для обычного рельсового поезда принадлежит Франции – 574,8 километра в час.
Компания потратит на проект около 45 миллиардов долларов. Первоначально ожидалось, что правительство частично субсидирует постройку линии, однако эти надежды не оправдались, в итоге компания изыщет средства за счет повышения своих долгосрочных долговых обязательств. JR-Maglev
Технологические особенности
JR-Maglev использует электродинамическую подвеску на сверхпроводящих магнитах (EDS), установленных как на поезде, так и на трассе. В отличие от немецкой системы Transrapid (действующая линия от Шанхая до Шанхайского аэропорта в Китае), JR-Maglev не использует схему монорельса: поезда движутся в канале между магнитами. Такая схема позволяет развивать бо?льшие скорости, обеспечивает большую безопасность пассажиров в случае эвакуации и простоту в эксплуатации.
Движение маглева осуществляется за счёт линейного двигателя.
В отличие от электромагнитной подвески (EMS), поездам созданным по технологии EDS требуются дополнительные колёса при движении на малых скоростях (до 150 км/ч). При достижении определённой скорости колёса отделяются от земли и поезд «летит» на расстоянии нескольких сантиметров от поверхности. В случае аварии колёса также позволяют осуществить более мягкую остановку поезда. Однако по стоимости строительства и эксплуатации EDS система реализованная JR-Maglev дороже EMS системы Transrapid.
Для торможения в обычном режиме используются электродинамические тормоза. Для экстренных случаев поезд оборудован выдвигающимися аэродинамическими и дисковыми тормозами на тележках.
На линии в Яманаси проходят испытания несколько составов с разными формами носового обтекателя: от обычного заострённого, до практически плоского, длиной 14 метров, призванного избавиться от громкого хлопка, сопровождающего въезд поезда в тоннель на большой скорости. Поезд маглева может полностью управляться компьютером. Машинист осуществляет контроль за работой компьютера и получает изображение пути через видеокамеру (кабина машиниста не имеет окон переднего обзора).
Китайцы против “дороги будущего”
Население Шанхая выступило с массовыми протестами против местной гордости – уникальной железной дороги на магнитной подушке, поезда которой словно летят по воздуху.
Причем на улицы вышли не полуголодные рабочие, а вполне обеспеченные представители среднего класса. Они нарушили существующий в стране запрет на демонстрации и скандируют: “Спасите детей, сопротивляйтесь радиации!”
Мощные магниты как бы подвешивают состав над платформой и толкают его вперед со скоростью до 430 километров в час. За пуск первого маршрута – из аэропорта до городских окраин – было заплачено 1,4 миллиарда долларов, и теперь в Шанхае решили продлить эту дорогу еще на 30 километров дальше, через город.
“Мы чувствуем себя так, словно живем в микроволновой печке, наши дома обесценились, риелторы отказываются иметь с нами дело, когда узнают, что наши дома находятся рядом с трассой поезда”, – жалуются китайцы, чьи жилища оказались в непосредственной близости от “дороги будущего”. По их словам, магистраль излучает сильную электромагнитную радиацию.
Созданная в Германии “железная дорога будущего” и прежде вызывала протесты жителей Шанхая. Но на этот раз власти, напуганные демонстрациями, грозящими вылиться в крупные волнения, пообещали разобраться с поездами. Чтобы вовремя пресекать демонстрации, чиновники даже развесили видеокамеры в тех местах, где чаще всего происходят массовые протесты. Китайская толпа очень организованна и мобильна, она может в считанные секунды собраться и превратиться в демонстрацию с лозунгами.
Это крупнейшие народные выступления в Шанхае со времен антияпонских маршей в 2005 году. Это уже не первый протест, вызванный озабоченностью китайцев ухудшающейся экологией. Минувшим летом многотысячные толпы демонстрантов заставили правительство отложить строительство химического комплекса.
Комментарий
По мнению экологов WWF, самая большая опасность от поездов на магнитной подушке – это так называемые шумовые загрязнения. Шум этих поездов гораздо более неприятный и раздражающий, чем у обычных поездов или электричек. Постоянное пребывание в районе этого шума вызывает чувство беспокойства, неуверенности, раздражения. Любые звуки так или иначе действуют на людей раздражающе, а эти особенно, подчеркивают специалисты. Проблем с излучением, магнитным или тепловым, обычно не наблюдается, потому что такие поезда курсируют на небольшие расстояния и с большими временными промежутками.
Смотрите также: Магнитный двигатель Минато
История становления
Первые страницы истории маглев были заполнены рядами патентов, полученных в начале XX века в разных странах. Еще в 1902 году патентом на конструкцию поезда, оснащенного линейным двигателем, отметился немецкий изобретатель Альфреда Зейден. А уже спустя четыре года Франклин Скотт Смит разработал еще один ранний прототип поезда на электромагнитном подвесе.
Немного позже, в период с 1937 года по 1941 год, еще нескольких патентов относящихся к поездам, оснащенным линейными электродвигателями, получил немецкий инженер Герман Кемпер. К слову, подвижные составы Московской монорельсовой транспортной системы, построенной в 2004 г., используют для движения асинхронные линейные двигатели – это первый в мире монорельс с линейным двигателем.
В конце 1940-х годов исследователи перешли от слова к делу. Британскому инженеру Эрику Лэйзвейту, которого многие называют «отцом маглевов», удалось разработать первый рабочий полноразмерный прототип линейного асинхронного двигателя. Позже, в 1960-х годах, он присоединился к разработке скоростного поезда Tracked Hovercraft. К сожалению, в 1973 году проект закрыли из-за нехватки средств.
В 1979 году появился первый в мире прототип поезда на магнитной подушке, лицензированный для предоставления услуг по перевозке пассажиров – Transrapid 05. Испытательный трек длиной 908 м был построен в Гамбурге и представлен в ходе выставки IVA 79. Интерес к проекту оказался настолько велик, что Transrapid 05 удалось успешно проработать еще три месяца после окончания выставки и перевезти в общей сложности около 50 тыс. пассажиров. Максимальная скорость этого поезда составляла 75 км/ч.
А первый коммерческий магнитоплан появился в 1984 году в Бирмингеме, Англия. Железнодорожная линия на магнитном подвесе соединяла терминал международного аэропорта Бирмингема и расположенную рядом железнодорожную станцию. Она успешно проработала с 1984 по 1995 год.
Протяженность линии составляла всего 600 м, а высота, на которую состав с линейным асинхронным двигателем поднимался над полотном дороги – 15 миллиметров. В 2003 году на ее месте была построена система пассажирских перевозок AirRail Link на базе технологии Cable Liner.
В 1980-х годах к разработке и реализации проектов по созданию высокоскоростных поездов на магнитной подушке приступили не только в Англии и Германии, но и в Японии, Корее, Китае и США.
Практическая реализация
Поезд на магнитной подушке Linimo, эксплуатация которого началась в марте 2005 года, был разработан компанией Chubu HSST и до сих пор используется в Японии. Он курсирует между двумя городами префектуры Айти. Протяженность полотна, над которым парит маглев составляет около 9 км (9 станций).
Более известным является шанхайский маглев, созданый немецкой компанией Transrapid и введенный в эксплуатацию 1 января 2004 года. Эта железнодорожная линия на магнитном подвесе соединяет станцию шанхайского метро Лунъян Лу с международным аэропортом Пудун. Общее расстояние составляет 30 км, поезд преодолевает его приблизительно за 7,5 мин, разгоняясь до скорости 431 км/ч.
Еще одна железнодорожная линия на магнитном подвесе успешно эксплуатируется в городе Тэджон, Южная Корея. UTM-02 стал доступен пассажирам 21 апреля 2008 года, а на его разработку и создание ушло 14 лет. Железнодорожная линия на магнитном подвесе соединяет Национальный музей науки и выставочный парк, расстояние между которыми всего лишь 1 км.
Среди поездов на магнитной подушке, эксплуатация которых начнется в ближайшем будущем, стоит отметить Maglev L0 в Японии, его испытания были возобновлены совсем недавно. Ожидается, что к 2027 году он будет курсировать по маршруту Токио – Нагоя.
Советский маглев
В 1970-х городское население в СССР быстро росло. С ним увеличивалась и потребность в расширении транспортной сети. Наряду с «консервативными» методами решения проблемы — например, увеличением парка традиционных поездов и авиации — рассматривались и более смелые идеи.
Одной из них стал проект пассажирских линий, по которым с большой скоростью курсируют магнитопланы небольшой вместимости (по сравнению с обычными электричками). Конечно, покрыть всю страну маглев-сетью не смог бы позволить себе даже СССР. Но на некоторых наиболее нагруженных направлениях маглевы могли бы быть экономически целесообразны.
В 1975 году было создано транспортное объединение «Союзтранспрогресс», в рамках которого организовали институт ВНИИПИтранспрогресс. Инженеры и учёные этого НИИ и занялись разработкой прогрессивного транспортного средства. И в 1979-м, одновременно с немцами, первый советский маглев ТП-01 проехал по заводской тестовой линии.
ТП-01 имел массу 12 т и вмещал 20 пассажиров. В сжатые сроки были созданы новые испытательные маглевы — ТП-02 и 03. Их тестировали на 180-метровой трассе в подмосковном городе Раменское, где находился ВНИИПИтранспрогресс. Вскоре трассу удлинили до 850 метров. Маглев ТП-04 стал передвижной лабораторией.
Успехи, продемонстрированные конструкторами на первых образцах, позволили запланировать создание экспериментальных линий, на которых маглевы уже перевозили бы пассажиров. Первыми республиками с действующими маглевами должны были стать Казахская и Армянская ССР.
Но затем алма-атинский проект трансформировался в метрополитен, и остался ереванский. Столицу республики планировали соединить с городом Абовяном, расположенным в 16-ти км. Он должен был стать своего рода огромным «спальным районом» Еревана, и маглев представлялся идеальным решением проблемы транспортной доступности.
В 1986-м инженеры ВНИИПИтранспрогресса создали свой последний и наиболее совершенный прототип маглева — ТП-05.
Тп-05
Одной из «изюминок» конструкции ТП-05 было использование вдоль вагона цепи из небольших магнитов. При его движении датчики измеряли величину зазора между вагоном и дорогой, а система меняла силу тока на конкретных магнитах, увеличивая или уменьшая их отталкивание. Тем самым компенсировались неровности дороги и обеспечивалась плавность хода.
Маглев имел алюминиевый корпус, весил 18 т и мог перевозить 18 человек. В принципе, мог и больше, просто остаток объёма был занят дополнительным испытательным и измерительным оборудованием. Изначально планировалось испытывать ТП-05 на скоростях до 100 км/ч.
Ереванский маглев должен был стать не только испытательной линией, но и своеобразной технологической витриной. Даже выбор Абовяна в качестве конечной точки маршрута был не случаен: в этом небольшом городе создавались высокотехнологичные производства, а немалая часть населения относилась к научно-технической интеллигенции.
Ходовая часть.
Нам нужно было «догнать Запад» — в 1984-м в Великобритании запустили первый в мире коммерческий маглев, с жалкой протяжённостью трассы в 600 м, и в том же году в Западной Германии запустили испытательную линию беспилотных маглевов длиной 31,5 км.
У нас были все шансы стать одной из первых стран, создающих и эксплуатирующих маглевы. В 1986-м у нас началось возведение опытной линии длиной 3,2 км. Запуск в эксплуатацию советского маглева был запланировано на 1991 год. Сначала считалось, что вагоны будут перемещаться со скоростью 250 км/ч и перевозить по 64 человека.
То есть 16 километров от Еревана до Абовяна маглев должен был пролетать примерно за четыре минуты. Но из-за доступной мощности тяговой электроподстанции, которая должна была питать линию электричеством, максимальную скорость пришлось снизить до 180 км/ч.
В 1987-м ТП-05 даже сняли в фантастической теленовелле «С роботами не шутят».
Увы, но все планы пошли прахом. Через два года после начала строительства линии, в 1988 году произошло Спитакское землетрясение. За полминуты с лица земли был стёрт город Спитак и десятки деревень, под завалами в течение нескольких дней погибло не менее 25 тыс. человек, многие промышленные предприятия лежали в руинах.
Но удивительное дело — ТП-05 умудрился пережить 1990-е. Он до сих пор стоит в том же цехе, где его собрали. Его не растащили по частям, не распилили на цветмет. Говорят, так и стоит под полиэтиленовой плёнкой, немного подреставрировать — и хоть сейчас в музей транспорта.
