Вакуумно-левитационный транспорт: перспектива или тупик?

Как известно, новое – хорошо забытое старое. Идея вакуумного транспорта были публично высказана ещё более ста лет назад, но использование одновременно не только вакуума, но ещё и магнитного подвеса, рассматривалась отечественным учёным-геофизиком, профессором Томского политехнического института Борисом Петровичем Вейнбергом в 1914 г.

Впоследствии было сделано множество попыток реализовать эту идею, однако до практического применения дело не дошло.

Несколько лет назад к этой теме обратился Илон Маск и все восприняли его предложение разработать проект вакуумной транспортной системы под аббревиатурой Hyperloop (Суперпетля) как нечто новое и революционное. Тем не менее, на современном уровне развития материалов, техники и технологий показалось, что к этому можно вернуться и реализовать идею создания вакуумного поезда. Этому способствовало появление новых высоковольтных и сильноточных силовых полупроводников (IGBT-транзисторов), новых магнитных материалов (Nd-Fe-B), металлокерамических высокотемпературных сверхпроводников (Y-Ba-Cu-O). Отсутствие силы аэродинамического сопротивления внутри вакуумированной трубы и механического контакта с ее стенками за счет, например, магнитного подвеса, (как принято сейчас называть - вакуумно-левитационный транспорт - ВЛТ) кажется заманчивым с точки зрения увеличения скорости движения до нескольких тысяч км/ч. Вместе с тем возникает огромное количество технических и организационных проблем.

Целесообразно рассмотреть вопрос создания нового вида транспорта со следующих точек зрения: экономической, технической и социальной. Очень важно также учитывать имеющийся опыт разработки проектов высокоскоростных железнодорожных магистралей (ВСМ).

Первый вопрос, который возникает: кто Инициатор и/или Заказчик, кто заинтересован в этом Проекте? Идея новой транспортной системы возникает вследствие необходимости (например, отсутствие пропускной способности на маршруте) или сильной политической воли. На этом этапе, любой может быть инициатором и драйвером проекта. И необходимо определить, кто будет заказчиком проведения предпроектного анализа, в рамках которого будет проведено исследование грузо/пассажиропотока, социально-экономической ситуации, определен в первом приближении коридор и всеобъемлющий план для будущей транспортной сети.

Проект должен исходить из экономической целесообразности с учетом необходимых объемов перевозок и времени доставки. Если грузы – какой объем (контейнерных) перевозок необходим? Если пассажиры – какой пассажиропоток определяет минимальную доходность проекта? На какое расстояние целесообразно перемещать этот груз и/или пассажиров?

При проектировании новой трассы должен быть выбран транспортный коридор. Экономика такого Проекта диктует необходимость максимального охвата крупных населённых пунктов и промышленных центров, а также учитывать перспективу развития новых жилых и промышленных районов. В большинстве проектов ВСМ в мире отсутствует коммерческая окупаемость и они развиваются благодаря государственной поддержке и за счет социально-экономических эффектов (развития регионов, развития промышленности, появления новых рабочих мест, в том числе и для строительства ВСМ, повышения мобильности населения, развития туризма и т.д.). Например, положительный денежный поток проекта ВСМ Москва – Казань (770 км) наступает при достижении пассажиропотока более 10 млн. пассажиров в год. По прогнозам, он может быть достигнут через 15-20 лет, а возможно и больше.

Если предположить, что в капсуле ВЛТ 28 мест и интервал движения составляет 2 минуты^[1], что крайне сложно обеспечить по условиям безопасности, то возможный объем перевозок при 12 часовой работе в сутки составит около 10000 пассажиров. В проекте ВСМ к 2030 году запланированы размеры движения на участке Москва – Казань 15 пар поездов^[2], т.е. максимальный объем перевозок при вместимости поезда 600 мест около 9000 пассажиров, а к 2050 году – 24 пары, т.е. более 14000 пассажиров. При этом сохраняется существенный резерв увеличения производительности ВСМ, в то время как для ВЛТ такое увеличение проблематично.

Эффективность проекта ВСМ может быть повышена за счет организации смешанного пассажирско-грузового сообщения, например, перевозки грузов определённой номенклатуры, в ночное время, когда отсутствует пассажирское движение.

В последние годы бурными темпами развивается интернет-торговля. Анализ грузопотоков показывает, что средний интернет-заказ составляет по весу около 7 кг и занимает небольшой объем, т.к. основную долю таких заказов составляют электротехнические, электронные, парфюмерные и прочие товары. Сроки доставки заказанного товара от мест его производства до потребителя определяют коммерческий успех. Поэтому, в проекте ВСМ Москва – Казань предполагается применить специальный подвижной состав для перевозки подобных грузов авиационными контейнерами.

Какой должен быть источник финансирования нового Проекта? Возможно ли привлечение средств государственного бюджета? Можно ли привлечь к проекту частные инвестиции?

Опыт реализации проектов ВСМ во многих странах показывает, что наиболее эффективным механизмом финансирования таких сложных инфраструктурных проектов может быть государственно-частное партнёрство (ГЧП). Существует множество различных форм ГЧП, на основе которых реализуются проекты строительства и эксплуатации автомобильных дорог, высокоскоростных железнодорожных магистралей. В России постепенно получают развитие концессионные схемы, например, строительство Западного скоростного диаметра кольцевой дороги в Санкт-Петербурге. Любой частный инвестор (для крупных инфраструктурных проектов это, как правило, пул проектных, строительных, эксплуатационных и финансовых организаций) не сможет принять решения об участии в Проекте без глубокого анализа организационно-правовой схемы, результатов финансового и экономического моделирования, анализа рисков, включая анализ возможности его технической реализации.

Для реализации ВЛТ потребуется решить комплекс технических проблем. Важнейший вопрос, возникающий на начальном этапе: какая должна быть оптимальная скорость новой транспортной системы - 1000, 6500 или более км/ч? Выбор скорости определяется техническими характеристиками и требованиями по обеспечению безопасности, а в дальнейшем потребуется корректировка производительности транспортной системы и, соответственно, экономических и социальных показателей Проекта. Например, трассировку линии (радиусы кривых) необходимо определять с учетом непогашенного ускорения (для пассажиров). Эта величина по действующим нормам при скорости 400 км/ч не должна превышать 0,4 м/с². И это означает, что минимальный радиус кривой в плане составляет около 10 км. А если рассмотреть профиль трассы при уклоне 24%о, при 400 км/ч, то радиус кривых должен быть от 30 до 42 км[3]. А какой должен быть план и профиль трассы новой транспортной системы при скорости, например, 1000 км/ч.? Идеально ровной[4]? Пассажиры не должны испытывать перегрузки как боевые лётчики-истребители! Или еще: разгон до 400 км/ч при постоянном ускорении 1 м/с² – эта величина ограничивается действующими нормами для перевозки пассажиров железнодорожным транспортом – происходит на длине более 6 км, а разгон до скорости 1000 км/ч – более 38 км. Сравните: длина трассы Хуньчунь – Зарубино – 65 км! Грузы можно перевозить и с большим ускорением. Например, тормозной путь поезда ВСМ со скорости 400 км/ч до 0 при экстренном торможении более 8 км. При торможении от скорости 1000 км/ч и экстренном торможении (при перевозке пассажиров с замедлением до 3 м/с²) значительно больше. Тормозным путем должен определяться интервал движения между капсулами. Это не позволяет "загнать в трубу" большое количество капсул, что соответственно влияет на провозную способность транспортной системы.

Следующий важнейший вопрос: обеспечение комплексной системы безопасности. Должен ли быть обеспечен непрерывный контроль местоположения подвижных капсул? Должна ли быть обеспечена непрерывная тяга вдоль всей трассы? Допустимо ли по условиям безопасности использовать импульсный режим разгона и/или торможения? Должны ли быть вдоль трассы размещены аварийные вакуум/атмосферные шлюзы и на каком расстоянии? Какой должен быть интервал движения по условиям безопасности, исходя из ограничений по длине тормозного пути? Как это ограничение скажется на производительности транспортной системы?

При движении капсулы внутри трубы с вакуумом возникает проблема отвода тепла от трения движущейся капсулы в остаточной атмосфере, а также тепла, выделяемого системой магнитного подвеса и линейного электропривода [3].

Другая проблема, которую предстоит решать, это динамические взаимодействия труба (или путевая структура) – капсула. Как предполагается, труба будет опираться на опоры, между которыми будет всегда существовать механический прогиб. На трубу действует атмосферное давление (неизбежна механическая деформация), внутреннее тепловыделение, изменения температуры внешней среды. При высокоскоростном прохождении капсулы неизбежно возникновение механических колебаний, воздействующих на путь и капсулу, а также распространение волновых процессов вдоль трассы. Это потребует специальных исследований и экспериментов для выбора материала и определения механических характеристик путевой структуры (трубы) и подвижного модуля (капсулы), рационального расстояния между опорами.

И это лишь незначительное количество проблем, которое предстоит решать при создании ВЛТ. Некоторый предварительный анализ и доклады, сделанные на объединённом Ученом совете ОАО «РЖД», подтверждают, что на современном уровне развития техники, материалов и технологий реализация вакуумного поезда крайне проблематична. Критический взгляд на проблему представлен на сайте http://www.warandpeace.ru/ru/analysis/view/118002/

Абстрагируясь от проблем создания и поддержания вакуума, отвода тепла при перемещении в безвоздушном или глубоко разреженном пространстве, остановимся на проблемах бесконтактного перемещения и обеспечения разгона и торможения подвижных модулей внутри форвакуумного пространства. Известно, Hyperloop Transportation Technologies, как разработчик ВЛТ, отказался от воздушной подушки (в разреженной атмосфере!) для подвеса подвижного модуля и сконцентрировался на системах магнитного подвеса и линейного тягового электропривода. Как мы полагаем, на сегодняшний момент им нет альтернативы применительно к ВЛТ.

Ниже будут представлены, на наш взгляд, основные системы МП и ЛТЭП, которые можно рассматривать в качестве базовых для ВЛТ.