Скоростная наземная транспортная система

Изобретение относится к области наземного скоростного транспорта. Имеется подвижный кузов с прямым ротором линейного электродвигателя. Статор установлен на сооруженных на трассе опорах и выполнен со сверхпроводниковой обмоткой, охлаждаемой жидким гелием. Суперэлектромагниты смонтированы на опорах и кузове с направленными друг к другу одноименными полюсами, создающими отталкивающий эффект в виде магнитной подушки. Опоры выполнены с корытообразными верхними частями, ориентированными в направлении движения, и имеют высоту, не менее чем в два раза превышающую габарит действующего транспортного средства. В сочетании с суперэлектромагнитами на корытообразной поверхности опор, на днище и нижней части боковых сторон кузова смонтированы суперпостоянные магниты. В нижней части каждой опоры установлен расходный ресивер сжатого воздуха. На верхней его части, на расходной трубе, установлен автоматически управляемый вентиль с возможностью подачи по разветвленной системе труб сжатого воздуха на всю корытообразную площадь опоры, а также создания дополнительной подъемной силы, очищения опоры от снега, наледи и пыли. Нижняя часть расходного ресивера соединена с помощью трубы с магистральным трубопроводом-ресивером, проложенным в земле или в туннельном канале по всей длине трассы. Изобретение позволяет повысить скорость и надежность движения с одновременным уменьшением затрат и материалоемкости и обеспечением экологичности. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области наземного высокоскоростного транспортного средства.

Известен скоростной железнодорожный транспорт на колее 1524 мм, принятой 200 лет назад, содержащий железнодорожный путь, расположенный на полосе отчуждения, огороженный с двух сторон, локомотив, вагоны на колесах, соединенные автоприцепами, с ведущими и ведомыми колесами. Проект разработан центральным конструкторским бюро морской техники "Рубин". Поезд - пассажирский экспресс "Сокол", способен развивать скорость до 350 км в час.

Недостатки указанного железнодорожного транспортного средства "Сокол" и соответствующего ему железнодорожного пути следующие:

- "скоростной" железнодорожный транспорт "Сокол" и ему подобный, например "Стрела", стоит на архаичных путях, принятой 200 лет назад колее 1524 мм, закрывает путь творческого мышления и воплощения более прогрессивных технических решений на многие годы;

- ориентация на железнодорожный "скоростной" транспорт - тупиковая, ошибочная, так как исследования в разных странах показали, что сцепление колес с рельсами может быть в пределах скорости 260 км в час, и если в других странах добиваются высоких результатов, то только за счет магнитно-левитационного эффекта, например поезда, курсирующие между Токио и Осакой, где годовая температура плюсовая, в просторах России 6 месяцев зима, лежат сугробы, там же выпал снег, а к обеду растаял;

- уход за путями трудоемок и тяжел, на этом занято большое количество людей, снежные заносы путей при больших скоростях поезда воспринимаются как взрывной удар, а при больших морозах лопаются рельсы и сходят поезда с рельс, что не раз было на путях от Москвы до Ленинграда;

- отчуждение полосы, огороженной с двух сторон забором, плюс полосы древонасаждения, отнимает много земли сельскохозяйственных угодий, ограничивает народнохозяйственную деятельность страны, вынуждает делать большое количество надземных и подземных переходов, что приводит к значительным материальным затратам на их строительство и ремонт;

- строительство железной дороги, особенно скоростной, трудоемко и очень дорого обходится стране, так как для скоростной дороги, выше 200 км в час, требуется шлифованная головка рельс, со стыкованными торцами термитной сваркой, а железобетонные шпалы укладываются на железобетонные плиты, выверенные по высоте до миллиметра, под плитой утрамбованное щебеночное или гравийное основание, которое после укладки плиты путем инъекции цементного молока омоноличивается, под ними корытообразная выемка с поперечными траншеями, в которые укладываются продырявленные гончарные или цементные трубы, траншеи с трубами засыпаются гранулометрически подобранным щебнем, гравием с крупнозернистым песком, для отвода из-под трассы грунтовых, паводковых вод и все это неотрывно по всей длине трассы, кроме того, вдоль трассы, чтобы профиль пути сделать плавным по ГОСТу, выполняются десятки, а может и сотни миллионов кубических метров выемки грунта, а на других местах по трассе наоборот, такого же порядка - насыпи, причем на выемках делается дополнительно корытообразная выемка с водоотводами, а эта дополнительная выемка должна быть не менее глубины промерзания грунта, которая даже вдоль трассы Москва -Санкт-Петербург не одинакова.

Кроме того, нужно знать и помнить и о том, что трасса уже прокладывается через Среднерусскую возвышенность, через всем известный Валдай, где истоки Волги, Днепра, Зап.Двины и других мелких рек.

Наиболее близким техническим решением заявленному является разработанный профессором К.Одзавой реактивный поезд, движущийся по эстакаде. В 1968 году поезд на испытаниях достиг скорости 1140 км в час, а в 1969 году, после постройки герметичного тоннеля и выкачанного в нем воздуха, достиг скорости 2300 км в час. Вакуум в тоннеле препятствовал образованию и распространению ударных волн.

Кузов /корпус/ поезда длиной 220 метров и диаметром 5 метров сделан из легких металлов, способен вместить контейнеры общим весом 100 тонн. Пассажирские салоны на 1000 мест отделены от машинного отсека огнестойкими противопожарными стенками. Что характерно, с собой дозволено провозить в 2,5 раза больше багажа, чем в самолетах. Есть отсек для автомобилей. В кормовой части находится устройство для воздушного торможения.

Несмотря на относительно хорошие показатели поезда К. Одзавы, это транспортное средство имеет ряд существенных недостатков:

- в российских климатических условиях, а к ним в настоящее время прибавляются и материальные условия, скоростной наземный транспорт неприемлем, потому что трасса /эстакада/ будет засыпаться снегом, капиталовложения на пролетные строения, т.е. на эстакаду, составят 2/3 всех затрат, т.к. эстакада подвержена очень большим изгибающим моментам, независимо металлическая или железобетонная;

- достигнутая скорость 1140 км в час, нужно полагать, на эстакаде немного меньше, чем скорость звука на уровне земли, вернее, уровня моря, выпавший на эстакаду снег, или случайно оставленный, при наезде с большой скоростью будет восприниматься как взрывной удар;

- Япония со всех сторон омывается морями, с востока мощное теплое течение Куро-Сиво, температурные перепады незначительны, поэтому эстакада там может быть построена неразрезной, да еще опорные части омонолитить с опорой, в результате чего при одной и той же трассе у них и у нас конструкция эстакады будет в два раза тяжелее, потому что все нужно делать в разрезных конструкциях, из-за большого температурного перепада в 80-85 градусов С;

- турбореактивные двигатели на уровне земли будут создавать шум, что ухудшит экологическую обстановку вдоль трассы.

Техническое peшение скоростного наземного транспортного средства, предложенного профессором К.Одзавой, неприемлемо для России. Поэтому нужно принципиально новое решение, которое отвечало бы для условий России своей новизной и новыми технологиями, могущими составить гордость инженерной мысли России и россиян.

Целью изобретения является увеличение скорости, надежности, уменьшение материальных затрат и материалоемкости, конкурентоспособности, улучшение условий окружающей среды, повышение комфортности.

Поставленная цель достигается тем, что через определенные расстояния по трассе устанавливают опоры высотой не менее 10-12 м на сваях, омоноличенных сверху ростверками. Сверху в направлении оси трассы опора выполнена корытообразной, охватывающей транспортное средство не менее чем на 1/3 высоты. С внутренней стороны корытообразной поверхности опоры установлены в определенной направленности суперпостоянные магниты и суперэлектромагниты для поддержания транспортного средства во взвешенном положении, без соприкосновения с опорой, ее корытообразной частью. Кроме того, на опоре установлен /смонтирован/ статор линейного электродвигателя с суперобмоткой со сверхпроводящими проводами, охлажденными жидким гелием при температуре -250°С. Суперпостоянные магниты из сплава редкоземельных металлов SmCo₅, а сверхпроводники выполнены из сплава ванадия с галием, относящимся не к редкоземельным металлам. Как постоянные магниты, так и электромагниты сориентированы на одну сторону, нижние на горизонтальной части желоба вверх, а с боковых сторон по кривой, обращенными перпендикулярно к касательной кривой, т.е. к условной середине транспортного средства.

Кроме того, к корытообразной части опоры подведен сжатый воздух, который способствует созданию дополнительной подъемной силы в виде воздушной подушки между корытообразным верхом опоры и нижней частью транспортного средства и обеспечивает чистоту корытообразной части опоры от снега, льда, запыления в любое время года и в любую погоду путем систематического, автоматического включения.

Само транспортное средство представляет шарнирно сочлененный фюзеляж с высочайшим аэродинамическим качеством К=25 /отношение подъемной силы электромагнитов и воздушной подушки к силе любого сопротивления/ преимущественно из трех секций, соединенных между coбoй по оси симметрии осями, обеспечивающими ограниченный поворот в стороны на поворотах трассы. Передняя секция - носовая, средняя и хвостовая. Причем носовая и хвостовая секции несколько длиннее, чем расстояние между опорами, чтобы иметь возможность опоры транспортного средства на четыре опоры, что способствует уменьшению веса транспортного средства. Впереди носовой секции штурманская кабина, а снаружи на одном уровне выполнены в один ряд по высоте стабилизаторы, создающие дополнительную подъемную силу, предотвращающую прогиб секции при консольном их положении. Датчиком поворота стабилизаторов является лазер, установленный внизу в передней части секции. Хвостовая секция сверху на хвосте имеет традиционные киль и стреловидный стабилизатор, выполняющие в основном функции аэродинамических тормозов, а также стабилизатора от прогиба при консольном положении хвостовой секции, в нижней части всех трех секций, на их горизонтальных частях и с боковых сторон, до уровня верха корытообразной части опоры, прикреплены в определенном чередовании суперпостоянные магниты и суперэлектромагниты, ответно направленными полюсами на отталкивание.

Все это, повторюсь, и это главное, транспортное средство - фюзеляж будет висеть над тремя или четырьмя опорами, к ним не прикасаясь.

Секции относительно друг друга имеют ограниченный поворот по минимальному радиусу кривизны трассы, поэтому жесткие части каждой секции на уровне междуэтажных перекрытий, с двух сторон от вертикальных осей, соединены /связаны/ демпфирующими гидроцилиндрами. Каждые два стрингера одного уровня и равноудаленные от оси симметрии соединены со стрингерами другой, смежной секции демпфирующими гидроцилиндрами и обеспечивают дополнительную жесткость /прочность/ шарнирно сочлененному стыку.

Стыки смежных секций изолированы от внешней атмосферной среды по кольцу, на уровне стрингеров кольцевым сильфоном, обеспечивающим герметичность стыка и максимальный ограниченный поворот на минимальном радиусе кривизны трассы. А снаружи сильфон /стык/ закрыт по кольцу обтекаемым, не выступающим за пределы обшивки листом, прикрепленным только к передней секции стыка. Например, при повороте налево левая сторона сильфона сжимается, а правая сторона разжимается. Соответственно, сдвигается и кольцевой защитный лист. Сильфоны на повороте поворачиваются лишь наполовину угла поворота секций, а на оси симметрии наверху и внизу не сжимаются и не разжимаются.

Движущей силой транспортного средства является линейный электродвигатель. Ротор - самая легкая часть электродвигателя представляет собой прямой стержень, выполненный из стали. Какого поперечного сечения, экономически и технически оправданного, предстоит еще исследовать, изучить: прямоугольного, квадратного, круглого, шестигранного или трубчатого.

Для достижения дополнительной подъемной силы и систематической очистки корытообразной поверхности опоры вдоль трассы проложена в земле или в специальном туннельном канале труба сжатого воздуха, например, диаметром 500 мм, объемом 120000 кубических метров. Напротив каждой опоры выполнен отвод с вводом в расходный ресивер в нижней части опоры. Каждый ресивер, соединенный напрямую с магистральным трубопроводом сжатого воздуха, снабжен предохранительным клапаном. Если даже на трассе откажут 10 клапанов, то в магистральном трубчатом ресивере в исправном состоянии 3990, при условии что между опорами 150 метров.

Потребление электрической энергии может быть двоякой. За счет энергетической системы страны и автономной, независимой, за счет ветровой, солнечной энергии. Линейный электродвигатель будет работать импульсно считанные секунды, и если вместимость транспортного средства будет 5000 человек, даже на трассе Москва - С.-Петербург, то статор на опоре включится всего раз или два за день.

Из чего состоит транспортное средство? Оно состоит из неподвижной и подвижной частей, неотъемлемых друг от друга, так как статор линейного электродвигателя находится на неподвижной опоре, а ротор - на подвижной. Подвижная часть, как известно, состоит из минимум трех секций-отсеков, кроме того, секции разделены на ярусы-этажи. Их может быть больше или меньше трех. При трехъярусном: полуярусный нижний - технический, второй - грузопассажирский, а третий - верхний пассажирский полностью.

По оси симметрии транспортного средства во всех ярусах выполнены коридоры шириной 1,6-2 метра, а их стенки представляют главную коробчатую балку. Эта главная балка, жестко связанная с перекрытиями, днищем, потолочными и боковыми стрингерами, представляет прочную, но вместе с тем легкую конструкцию. Стенки коридора и жесткостные перегородки с дверьми делают каждый пассажирский салон весьма уютным.

Вход и выход пассажиров производится с двух уровней ярусов в двери, подобные самолетным, возможно с двух сторон с двухъярусного перрона. Заезд машин, погрузо-разгрузочных средств с грузом - с поворотного пандуса, подобно самолетным "Антей", "Руслан".

На конечных пунктах, например Москва, С.-Петербург, промежуточных остановках Тверь, Бологое транспортное средство будет "висеть" на суперпостоянных магнитах или на расклиненных подставках.

Суперпостоянные магниты из сплава редкоземельных металлов, разработанные Уральским отделением академии наук, доктором технических наук Шур, имеют очень большую коэрцитивную силу, например, толщиной 1 см удерживает 1 квадратный метр 96 тонн, при увеличении толщины эта сила будет увеличиваться.

Предполагается, что вес пустого транспортного средства будет равен 1000-1200 тонн, полезная нагрузка пассажиров 500-550 тонн, вec 100 легковых автомобилей 120 тонн. Общий вес 1600-1800 тонн.

Учитывая, что транспортное средство длиной 450 метров на двух ярусах может разместить более 7500 человек, то удельный расход веса пустого на одного человека не будет превышать 200 килограмм.

На фиг.1 показано скоростное наземное транспортное средство на 4-х опорах, вид сбоку;

на фиг.2 - транспортное средство на 3-х опорах, сдвинутое по трассе на половину l;

на фиг.3 - воздушный трубчатый ресивер на всю длину трассы с вводом в расходные ресиверы в опорах;

на фиг.4 - поперечный разрез по А-А;

на фиг.5 - поперечный разрез по Б-Б, по месту стыка секций со схематическим показом демпфирующих гидроцилиндров;

на фиг.6 – разрез по В-В с показом посадочных мест, межсекционного стыка с демпфирующими гидроцилиндрами и сильфоном, а также обтекаемый защитный лист, /разрез Б-Б показан в вертикальной проекции фрагмента шарнирного сочленения секций/.

На фиг.7 показан узел I межсекционного стыка, герметизированного сильфоном 9, усиленного демпфирующими гидроцилиндрами 8, и закрытый снаружи стык кольцевым обтекаемым, подвижным листом 10. Наибольшая сдвижка кольцевого листа на повороте трассы с малым радиусом кривизны сбоку фюзеляжа, тогда при повороте на две стороны сдвижка листа 10 будет равна 2Δ. На оси симметрии, на крыше и на дне сдвижки нет Δ=0.

Скоростное наземное транспортное средство содержит неотъемлемую подвижную и неподвижную часть. Подвижная часть - фюзеляж 1, неподвижная - опоры 2. Подвижная часть транспортного средства - фюзеляж состоит из носовой секции 3, средней 4 и хвостовой 5. Секции соединены между собой с ограниченным поворотом с помощью вертикальных осей 6, расположенных на оси симметрии фюзеляжа, демпфирующих гидроцилиндров 7 для плавного поворота и возвращения секций в исходное положение, демпфирующих гидроцилиндров 8, связывающих стрингера для усиления межсекционного стыка, сильфона 9, обеспечивающего герметичность, и защитного, обтекаемого кольцевого листа 10.

На носовой секции 3 снаружи, выше уровня корытообразной части опоры 2, на ее передней части, установлены регулируемые автоматически с помощью лазерных датчиков 11 стабилизаторы 12, а на хвостовой секции 5, сверху традиционно авиационные киль 13, стабилизатор 14, исполняющий функции в основном аэродинамических тормозов, ниже на фюзеляже установлен стабилизатор хвостовой 15, управляемый автоматически лазерным датчиком 16.

Внизу, вдоль горизонтальной плоскости фюзеляжа, на его оси симметрии или равноудаленно от нее, установлены 1, 2 или 3 линейных ротора - стальные стержни 17. Количественно сколько надо линейных роторов, покажет расчет, исследования и находки.

Под воздействием суперпостоянных магнитов и суперэлектромагнитов между корытообразной частью опоры и днищем фюзеляжа образуется мощное отталкивающее магнитное поле-подушка, к ней во время прохождения транспортного средства - фюзеляжа прибавляется еще и воздушная подушка, и получается магнитно-воздушная подушка 18.

Вдоль трассы проложен трубчатый воздуховод-ресивер 19 с ответвлениями к каждой опоре в расходный ресивер 20.

Технико-экономические преимущества предложенного технического решения заключается в следующем:

- относительно простое техническое решение в воплощении, необходимы только фюзеляж из шарнирно сочлененных трех секций, который намного проще, чем самолетный фюзеляж, и опоры с корытообразным верхом, преимущественно из сборного, омоноличенного железобетона, смонтированные по трассе через определенные расстояния;

- высокая надежность, безопасность, так как подвижная часть транспортного средства /фюзеляжа/ всегда расположена в корытообразном ложе, откуда при всем желании выпасть невозможно;

- конкурентоспособность с гражданской авиацией несомненна;

- экономия времени пассажира с доставкой его непосредственно в город или на окраину города, где действует всегда городском транспорт;

- не мешает и не перерезает инженерные коммуникации, не препятствует движению любого вида наземного транспорта на всех направлениях;

- не требует отчуждения земельных угодий, за исключением небольших участков-пятачков под опоры, не перерезает сельскохозяйственные угодья и не мешает машинной обработке земли;

- транспорт экологически чистый, не загрязняет окружающую среду;

- в недалеком будущем энергообеспечение будет автономным за счет ветровой, солнечной энергии, например энергию ветра уже сегодня можно использовать для обеспечения всей трассы сжатым воздухом;

- относительно небольшие затраты энергии за счет высочайшего аэродинамического качества, так как у пассажирских современных самолетов основное лобовое сопротивление на 2/3, на 3/4 оказывают крылья, обтекатели сложенных шасси, в предлагаемом техническом решении кроме компенсаторных маленьких стабилизаторов на фюзеляже нет, как самолет, не касаясь земли, так и предложенное транспортное средство не касается земли, но находится во взвешенном положении за счет магнитно-воздушной подушки, где движителем является линейный электродвигатель;

- повышается культура перевозок;

- открываются дальнейшие перспективы для развития и совершенствования скоростных транспортных средств в пределах скорости звука.

1. Скоростная наземная транспортная система, содержащая подвижный кузов с прямым ротором линейного электродвигателя, статор, установленный на сооруженных на трассе опорах и выполненный со сверхпроводниковой обмоткой, охлаждаемой жидким гелием, суперэлектромагниты, смонтированные на опорах и кузове с направленными друг к другу одноименными полюсами, создающими отталкивающий эффект в виде магнитной подушки, отличающаяся тем, что опоры выполнены с корытообразными верхними частями, ориентированными в направлении движения, и имеют высоту не менее чем в два раза превышающую габарит действующего транспортного средства, в сочетании с суперэлектромагнитами на корытообразной поверхности опор, на днище и нижней части боковых сторон кузова смонтированы суперпостоянные магниты, в нижней части каждой опоры установлен расходный ресивер сжатого воздуха, на верхней его части на расходной трубе установлен автоматически управляемый вентиль с возможностью подачи по разветвленной системе труб сжатого воздуха на всю корытообразную площадь опоры, а также создания дополнительной подъемной силы, очищения опоры от снега, наледи и пыли, при этом нижняя часть расходного ресивера соединена с помощью трубы с магистральным трубопроводом-ресивером, проложенным в земле или в туннельном канале по всей длине трассы.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что подвижный кузов имеет минимум три секции - носовую, среднюю и хвостовую, каждая из которых снабжена стрингерами и выполнена длиной, не меньшей расстояния между опорами, с обеспечением чередования расположения транспортного средства при движении с четырех опор на три и с трех на четыре.

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что секции кузова соединены между собой с возможностью ограниченного поворота на вертикальных осях, установленных на оси симметрии кузова, на уровне днища, перекрытий и крыши.

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что межсекционные стыки герметично соединены между собой по стрингерам кольцевым сильфоном, а вровень с обшивкой к передней секции прикреплен к стрингерам обтекаемый кольцевой лист.

5. Система по п.4, отличающаяся тем, что для гашения возможных колебаний носовой и хвостовой секций относительно средней секции из-за пружинистости сильфона, а также для плавного возвращения кузова в исходное прямое положение, на уровнях перекрытий установлены демпфирующие гидроцилиндры, а для уменьшения напряжения в шарнирных соединениях стрингеры одного уровня двух смежных секций соединены гидроцилиндрами, каждый из которых соединен с гидроцилиндром того же уровня, расположенного за осью симметрии кузова, и соединены демпфирующими трубками для создания дополнительной жесткости от консольного поворота и обеспечения свободного демпфирующего поворота секций на поворотах.

6. Система по п.5, отличающаяся тем, что на концах носовой секции с боковых сторон и на конце хвостовой секции с боковых сторон установлены стабилизаторы с возможностью противодействия прогибам носовой и хвостовой секций, а внизу на концах этих секций для управления стабилизаторами установлены лазерные датчики.