Содержание
Введение___________________________________________________________3
1. Электромобиль___________________________________________________4
2. Легкие электротранспортныесредства_____________________________12
3. Автомобиль, движущийся по рельсам_______________________________17
4. Монокар________________________________________________________20
5. Беспилотныесамолеты___________________________________________27
6. Гелиотранспорт_________________________________________________32
7. Монорельсовые дороги____________________________________________36
8. Моторвагонныепоезда___________________________________________38
9. Комбинированные системы общественного рельсовоготранспорта_____43
10. Скоростной пассажирскийтрубопровод___________________________47
11. Индивидуальные летательныеаппараты__________________________49
Заключение________________________________________________________52
Литература_______________________________________________________53
Введение
Во все времена и у всех народов транспорт игралважную роль. На современном этапе значение его неизмеримо выросло. Сегоднясуществование любого государства немыслимо без мощного транспорта.
В ХХ в. и в особенности во второй его половинепроизошли гигантские преобразования во всех частях света и областяхчеловеческой деятельности. Рост населения, увеличение потребления материальныхресурсов, урбанизация, научно-техническая революция, а такжеестественно-географические, экономические, политические, социальные и другиефундаментальные факторы привели к тому, что транспорт мира получил невиданноеразвитие как в масштабном (количественном), так и в качественном отношениях.Наряду с ростом протяженности сети путей сообщения традиционные виды транспортаподверглись коренной реконструкции: значительно увеличился парк подвижногосостава, во много раз поднялась его провозная способность, повысилась скоростьдвижения. В то же время на первый план вышли транспортные проблемы. Этипроблемы по преимуществу относятся к городам и обусловлены чрезмерным развитиеавтомобилестроения. Гипертрофированный автомобильный парк крупных городовЕвропы, Азии и Америки вызывает постоянные пробки на улицах и лишает себяпреимуществ быстрого и маневренного транспорта. Он же серьезно ухудшаетэкологическую обстановку.
Транспорт как особо динамичная система всегда былодним из первых потребителей достижений и открытий самых различных наук,включая фундаментальные. Более того, во многих случаях он выступал прямымзаказчиком перед большой наукой и стимулировал ее собственное развитие. Трудноназвать область исследований, не имевшую отношения к транспорту. Особенноезначение для его прогресса имели фундаментальные исследования в области такихнаук, как математика, физика, механика, термодинамика, гидродинамика, оптика,химия, геология, астрономия, гидрология, биология и другие. В неменьшей степенитранспорт нуждался и нуждается в результатах прикладных исследований,проводимых в области металлургии, машиностроения, электромеханики, строительноймеханики, телемеханики, автоматики, а в последнее время электроники икосмонавтики. В свою очередь некоторые открытия и достижения, полученные врамках собственно транспортных наук, обогащают другие науки и широкоиспользуются во многих нетранспортных сферах народного хозяйства.
Дальнейший прогресс транспорта требует использованияпоследних, постоянно обновляемых результатов науки и передовой техники итехнологии. Необходимость освоения возрастающих грузовых и пассажирскихпотоков, усложнение условий для сооружения транспортных линий в необжитых,трудных по топографии районах и крупных городах. Стремления повысить скоростьсообщений и частоту отправления транспортных единиц, необходимость улучшениякомфорта и снижения себестоимости перевозок – все это требует совершенствованияне только существующих транспортных средств, но и поиска новых, которые моглибы более полно удовлетворить поставленным требованиям, чем традиционные видытранспорта. К настоящему моменту разработано и реализовано в виде постоянныхили опытно-эксплуатационных установок несколько новых видов транспортныхсредств и значительно больше существует в виде проектов, патентов или простоидей.
Следует иметь в виду, что большинство так называемыхновых видов транспорта в принципе предложены много лет назад, но они неполучили применения и ныне повторно предлагаются или возрождаются насовременной технической основе. 1.Электромобиль
Электромобиль — транспортное средство, ведущиеколеса которого приводятся от электромотора, питаемого аккумуляторнымибатареями. Впервые появился он в Англии и во Франции в начале 80-х годовдевятнадцатого века, то есть раньше автомобилей с двигателями внутреннегосгорания. Сконструированный И.В.Романовым в 1899 году кэб тоже былэлектрическим. Тяговый электродвигатель в таких машинах получал питание отбатарей свинцовых аккумуляторов с энергоемкостью всего 20 ватт-часов накилограмм. В общем, чтобы питать двигатель мощностью в 20 киловатт в течениечаса, требовался свинцовый аккумулятор массой в 1 тонну. Поэтому с изобретениемдвигателя внутреннего сгорания производство автомобилей стало стремительнонабирать обороты, а об электромобилях забыли до возникновения серьезныхэкологических проблем. Во-первых, развитие парникового эффекта с последующимнеобратимым изменением климата и, во-вторых, снижение иммунитета многих людейвследствие нарушения основ генетической наследственности.
Данные проблемы были спровоцированы токсическимивеществами, которые в достаточно больших количествах содержатся в отработавшихгазах двигателя внутреннего сгорания. Решение проблем состоит в снижении уровнятоксичности отработавших газов, особенно окиси и двуокиси углерода, притом чтообъем производства автомобилей нарастает.
Ученые,проведя ряд исследований, наметили несколько направлений решения перечисленныхзадач, одной из которых является производство электромобилей. Это, по сути,первая технология, официально получившая статус нулевого выброса, и она ужепредставлена на рынке.
Чемпривлекателен электромобиль, наверно, представляет каждый. В первую очередь, онпочти не дает выброса вредных веществ. Ядовитых газов, попадающих в атмосферупри зарядке и разрядке аккумуляторных батарей, несравненно меньше, чем приработе двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Чтобы отапливать электромобилизимой, на них устанавливают автономные обогреватели, потребляющие бензин илидизельное топливо. Но они, понятно, не загрязняют атмосферу так сильно, какДВС.
Второепреимущество — простота устройства. Электродвигатель обладает оченьпривлекательной для транспортных средств характеристикой: на малых скоростяхвращения у него большой крутящий момент, что очень важно, когда нужно тронутьсяс места или преодолеть трудный участок дороги. ДВС же развивает максимальныйкрутящий момент при средних оборотах, поэтому, если требуется большое усилие намалых, его приходится увеличивать с помощью коробки передач. Троллейбусы,например, в таком агрегате не нуждаются. Не требуется он и электромобилю,поэтому управлять им проще, чем автомобилем с механической коробкой передач.
Третьепреимущество вытекает из второго. Электромобиль не требует столь тщательногоухода, как обычное авто: меньше регулировок, не потребляет много масла, прощесистема охлаждения, а топливная (если не считать отопитель) вообще отсутствует.
И все жеэлектромобиль устроен не так просто, как может показаться: ему необходимысложные преобразователи напряжения и много тяжелых и громоздких аккумуляторов,которые трудно разместить. Главный же недостаток, который сдерживает внедрениеэлектромобилей, — малая энергоемкость батарей. Бак с бензином малолитражкивесит около 50 кг, обеспечивая запас хода более полутысячи километров. Батареивесят обычно больше 100 кг (а то и несколько сотен), а пробег не превышает 100км, причем при движении с небольшой скоростью.
Вопреки бытующему мнению о высокой экономичностиаккумуляторных электромобилей, анализ показывает, что химическая энергиятоплива, сжигаемого на электростанциях, используется для движения транспортногосредства всего на 15% и менее. Это происходит из-за потерь энергии в линияхэлектропередачи, трансформаторах, преобразователях, зарядных устройствах дляаккумуляторов и самих аккумуляторах, электромашинах, как в тяговом, так и вгенераторном режимах, а также в тормозах при невозможности рекуперации энергии.Для сравнения, дизельный двигатель на оптимальном режиме преобразует вмеханическую энергию около 40% химической энергии топлива. При большомраспространении аккумуляторных электромобилей, а особенно с учетом сказанного,им просто не будет хватать электроэнергии, вырабатываемой электростанциямимира. Не следует забывать, что суммарная установочная мощность двигателей всехавтомобилей намного превышает мощность всех электростанций мира.
Проблемыснимаются при питании электромобилей от так называемых первичных источниковэлектроэнергии, вырабатывающих энергию непосредственно из топлива. В первуюочередь, такими источниками являются топливные элементы (ТЭ), потребляющиекислород и водород. Кислород можно забирать из воздуха, а водород, в принципе,можно запасать в сжатом или сжиженном виде, а также в так называемых гидридах.Но реальнее его получать из обычного автомобильного топлива прямо наэлектромобиле с помощью конвертора. Эффективность топливных элементов несколькоснижается, но зато не меняется вся инфраструктура топливозаправочногохозяйства. КПД топливных элементов при этом все равно очень высок – около 50%.
Однакоэлектромобиль с питанием от топливных элементов не лишен общего недостатка –высокой массы тяговых электродвигателей транспортных средств, рассчитанных какна максимальные мощность и крутящий момент, так и на максимальную частотувращения. При этом добавляются и специфические недостатки, характерные длятопливных элементов. Это, во-первых, невозможность рекуперации энергии приторможении, так как топливные элементы не являются аккумуляторами, то есть онине могут заряжаться электроэнергией, а во-вторых, низкая удельная мощностьтопливных элементов.
При огромнойудельной энергии топливных элементов (порядка 400...600 Вт·ч/кг), удельнаямощность при экономичном разряде не превышает 60 Вт/кг. Это делает массутопливных элементов для реальных мощностей, необходимых автомобилям, оченьбольшой. Например, для электромобиля с максимальной потребной мощностью 100 кВти электробуса с максимальной потребной мощностью 200 кВт, этосоответствует массам топливных элементов 1670 и 3330 кг, соответственно.Если прибавить массы тяговых электродвигателей, примерно равные 150 и400 кг, соответственно, то получаются массы силовых агрегатов, совершеннонеприемлемые для легкового электромобиля, и требующие пятитонного прицепа дляэлектробуса.
Делаютсяпопытки снижения массы топливных элементов с использованием в качествепромежуточных источников энергии конденсаторных накопителей энергии, обладающихвысокой удельной мощностью. Однако, и этот путь недостаточно эффективен, таккак лучшие современные конденсаторные накопители, доступные для автомобильнойтехники, имеют удельные энергетические показатели около 0,55 Вт·ч/кг и0,8 Вт·ч/литр. В таком случае для накопления всего 2 кВт·ч энергии(это значение рекомендовано специалистами как для электромобилей, так и дляэлектробусов), потребуется около 3000 кг или 2,5 м3конденсаторов, что нереально. Меньшие значения запасаемой энергии существенноснижают динамические качества машины. Кроме того, при коротком замыкании мощныеконденсаторы могут загореться, что очень нежелательно для транспорта. Гораздоэффективнее использование в качестве промежуточного накопителя энергиисупермаховика, соединенного с обратимой электромашиной.
Супермаховик –маховик, изготовленный навивкой из волокон или лент на упругий центр. Удельнаяэнергия супермаховика на порядок больше значений данного параметра для лучшихмонолитных маховиков, к тому же он обладает свойством безопасного разрыва, недающего осколков.
Такие схемыосуществлены в новейших опытных образцах гибридных электромобилей фирмMechanical Technology Inc.(США), EDO Energy (США), и известной Ливерморскойнациональной лаборатории (LLNL, США). Удельная энергия супермаховиков изкевлара и графита, достигающая сотен Вт·ч/кг, снижает его необходимую массу донескольких килограммов (при удельной энергии 200 Вт·ч/кг, для накопления2 кВт·ч потребуется супермаховик массой всего 10 кг). Однакоэлектромашина накопителя, необходимая здесь помимо тягового двигателя, ирассчитанная на максимальную мощность и поэтому весьма тяжелая, снижаетэффективность этой схемы. К тому же она, как и тяговый двигатель должна бытьобратимой (и мотором, и генератором), что дополнительно усложняет привод.
Оригинальнуюсхему гибридного силового агрегата с маховичным накопителем иэлектромеханическим приводом предложила, изготовила и испытала фирма«BMW» (Германия). Несомненным преимуществом данного техническогорешения является наличие только одной электромашины, что снижает массу иприближает его к автомобильным схемам (рис. 1.1). Тип маховика фирма«BMW» в отчете не уточняет, поэтому используемый накопитель условноназван просто «маховичным».
/>
Рисунок 1.1. Схема гибридного силового агрегата с маховичнымнакопителем и электромеханическим приводом фирмы «BMW» (Германия):
1 – источник тока; 2 – система управления; 3 – обратимаяэлектромашина; 4 – дифференциальный механизм; 5 – мультипликатор; 6– маховичный накопитель; 7 – главная передача
Источник тока 1через преобразователи и систему управления 2 связан с обратимойэлектромашиной 3, рассчитанной на максимальную мощность электромобиля.Электромашина 3 через сложный дифференциальный механизм 4 смультипликатором 5 связана с маховиком 6 накопителя и главнойпередачей 7. В результате масса источника тока 1, например,топливного элемента, может быть выбрана исходя из удельной энергии, а неудельной мощности, что снижает ее для электромобиля и электробуса с пробегом,соответственно, 400 и 600 км до 100...150 и 700...1000 кг. Это вполнеприемлемо для данных транспортных средств.
Однаконепременным недостатком всех схем с электроприводом остается наличие тяжелого исложного обратимого электродвигателя. Это отражается на экономичности привода иего массе, включая систему преобразователей тока. Мощная электромашинанеэкономична при работе на малых мощностях, характерных для разгона (зарядки)маховичного накопителя. Кроме того, в схеме, помимо главной передачи,присутствует сложный по конструкции и управлению дифференциальный механизм смультипликатором и тремя системами фрикционного управления (муфтами илитормозами), что усложняет и удорожает привод.
Новаяконцепция электромобиля, предложенная проф. Н.В. Гулиа, состоит вмаксимальном приближении и унификации устройств электро- и автомобиля. Этопозволяет предельно упростить и уменьшить массу силового агрегата транспортногосредства, увеличить его КПД и эффективность рекуперации энергии, а такжесделать возможным использование существующих шасси автомобилей и автобусов дляустановки силовых агрегатов электромобилей и электробусов. Последнееобстоятельство должно существенно удешевить машины, в максимальной степениунифицировать их производство с возможностью оперативно менять соотношениеколичества машин различных типов и программу их выпуска. Кроме того, по желаниюзаказчика, транспортное средство может быть оснащено как источникоммеханической энергии (обычным или гибридным тепловым двигателем), так иэлектрической (топливные элементы с супермаховиком), с установкой заменяемыхагрегатов в том же двигательном отсеке при полном сохранении всей трансмиссии.
Такаятрансмиссия должна быть рассчитана на перспективу, и включать уже неступенчатую, а бесступенчатую коробку передач. Такие коробки передач ужедостаточно широко выпускаются на основе ременных вариаторов с различными типамиремней («тянущих» и «толкающих»), и используются на автомобилях фирм Nissan,Honda, Fiat, Subaru и др.
Московскийгосударственный индустриальный университет (МГИУ) в содружестве с АМО ЗиЛ ведетработы по разработке бесступенчатой коробки передач на основе новогопланетарного дискового вариатора. Бесступенчатая коробка передач на основедискового вариатора новой концепции может использоваться как на легковых, так ина грузовых автомобилях (в том числе и седельных тягачах) и автобусах.
Новыйвариатор, рассчитанный на высокие значения крутящего момента достаточнонизкооборотных двигателей автобусов, дает возможность применить новую концепциюэлектромобиля на мощных электробусах. Следует заметить, что для данной схемы неисключается использование бесступенчатой коробки передач любого типа, имеющейдостаточную экономичность, малые габариты и массу, соизмеримые с существующимикоробками передач.
Схема электромобиля новой концепции представлена нарис. 1.2.
/>
Рисунок 1.2. Схема электромобиля новой концепции
Как и в другихгибридных схемах электромобилей, источник электроэнергии выбирается исходя изкритерия удельной энергии, что при исключительно высоком значении этогопараметра обеспечивает малые массы, а также объемы топливных элементов. Вданной схеме в качестве промежуточного источника энергии использовансупермаховик с теми же энергетическими и массовыми параметрами, что и в другихгибридных схемах с маховичным накопителем.
Принципиальнымотличием данной концепции электромобиля от других гибридных схем является отбормощности от источника электроэнергии необратимой электромашиной –специализированным разгонным электродвигателем малой мощности, соответствующейэффективной удельной мощности источника электроэнергии. Для упомянутых вышелегкового электромобиля и электробуса это соответствует 15 и 20 кВт.Благодаря высокой частоте вращения разгонного электродвигателя – до35000 об/мин для легкового электромобиля и 25000 об/мин дляэлектробуса, что соответствует частоте вращения разгоняемых супермаховиков длянакопителей этих машин, масса их весьма мала, соответственно 15 и 30 кг(это обычные показатели для отечественных конструкций авиационного назначения).
Источникэнергии и разгонный электродвигатель могут быть объединены в одинэнергетический блок, сходный по массе и габаритам с демонтируемым с шассидвигателем и его системами. Топливный бак и система питания в принципе могутбыть сохранены с добавлением конвертора для получения водорода из топлива.
Таким образом,в энергетическом блоке химическая энергия топлива преобразуется в механическуюв виде вращения вала, совершенно так же, как и у теплового двигателя. Функциюсцепления выполняет выключатель, подключающий электромотор к источнику энергии.
Таким образом,по желанию заказчика в двигательный отсек может быть установлен любой преобразовательхимической энергии топлива в механическую – тепловой двигатель или новыйэнергетический блок. Далее все, как и в обычном автомобиле, вал энергетическогоблока соединяется с коробкой передач, в данном случае бесступенчатой. Такаякоробка передач уже в недалеком будущем заменит менее эффективные ступенчатыедаже на обычных автомобилях. В результате мы получаем электромобиль новойконцепции в максимальной степени унифицированный с обычным автомобилем.
Каковы жепреимущества электромобиля новой концепции? По сравнению с автомобилем этонесравненно более высокая эффективность использования топлива и экологическаябезопасность. По сравнению со средним КПД преобразования химической энергии вмеханическую – порядка 10...15% у тепловых двигателей на автомобилях (неследует путать с КПД тепловых двигателей на оптимальном режиме – 30% убензиновых двигателей и 40% у дизельных), этот КПД у топливных элементов сконвертором – 50%, а у кислородно-водородных топливных элементов – 70%. Вредныевыхлопы у топливных элементов практически отсутствуют. Примерно такие жепреимущества у электромобилей новой концепции по сравнению с аккумуляторнымиэлектромобилями, с той разницей, что вредные выбросы последних имеют место нена самой машине, а на электростанциях.
По сравнению снаиболее передовыми конструкциями гибридных систем электромобилей с топливнымиэлементами и маховичными накопителями, например, схемой предложенной иосуществленной фирмой «BMW», преимуществом новой концепции являетсяменьшие габаритно-массовые показатели и высший КПД электромашины. Этообусловлено тем, что в новой концепции электромашина не универсальная,обратимая, а узко специализированная, разгонная, загруженная практическипостоянной мощностью, почти на порядок меньше максимальной и при высоких частотахвращения. Второе преимущество заключается в отсутствии сложногодифференциального механизма с тремя фрикционными муфтами или тормозами,переключающими режимы. Третье преимущество состоит в том, что процессрегулирования частот вращения и моментов от супермаховика до ведущих колесосуществляется не электроприводом, а механическим вариатором, имеющим высшийКПД. В особенности это касается процесса рекуперации энергии при торможении, врезультате которого кинетическая энергия машины переходит в супермаховик. Ни почастотной полноте передачи этой энергии, ни по КПД этого процесса,электротрансмиссия не идет ни в какое сравнение с механическим вариатором. Ипоследнее преимущество, о котором уже говорилось – почти традиционнаяавтомобильная схема и соизмеримые габаритно-массовые показатели новогоэнергетического блока с существующими двигателями, позволяют легко заменятьодин вид источника энергии на другой, получая при этом как автомобиль (собычной или гибридной схемой двигателя), так и гибридный экономичный идинамичный электромобиль новой концепции.
Нарис. 1.3 представлена схема городского электробуса новой концепции. Этасхема предоставляет устройству большую гибкость, чем в изображенной нарис. 1.2 структурной схеме.
/>
Рисунок 1.3. Схема городского электробуса новой концепции:
1– источник тока; 2 – электродвигатель; 3 – механизм реверса; 4 – коробкаотбора мощности; 5 – планетарный дисковый вариатор; 6, 7 – карданные передачи; 8 – главная передача; 9 – коническая зубчатая передача; 10 – супермаховичныйнакопитель
Здесь блоксупермаховичного накопителя 10, снабженный своим редуктором 9,расположен независимо от остальных агрегатов и мягко подвешен на раме дляуменьшения и без того небольших гироскопических усилий при горизонтальномрасположении супермаховика. С помощью коробки отбора мощности 4 икарданных передач 7 этот блок может связываться с вариатором 5как независимо, так и совместно с электродвигателем 2. Этот электродвигательможет быть соединен с вариатором 5 и независимо от супермаховика, ииграть роль полноценного тягового двигателя, в основном, на стационарныхрежимах движения. Несмотря на то, что электродвигатель 2 в этом случаенесколько увеличивается по мощности и массе, энергоемкость супермаховичногонакопителя может быть существенно снижена, реально до 0,5 кВт·ч. Этопозволяет изготовлять супермаховик из такого стабильного и сравнительнодешевого материала, как стальная углеродистая проволока. Выход из строя(разрыв) супермаховика настолько безопасен, что тяжелого защитного кожуха,существенно превышающего по массе сам маховик, и необходимого при маховике изуглепластиков, не требуется. Вариатор позволяет тяговому электродвигателюработать в эффективном диапазоне крутящих моментов и частот вращения, передаваятолько часть мощности, необходимой для движения электробуса, что благоприятнодля его работы.
Но как бы тамни было — электромобили пользуются спросом. Более того, есть места, где онисовершенно вне конкуренции. Скажем, поля для популярной в мире игры в гольф.Инвентарь и обслуживающий персонал перемещают на электромобилях упрощеннойконструкции, порой без крыши, дверей, с облегченным, часто укороченным,кузовом, без систем безопасности — всего того, что заметно увеличивает массуавтомобилей. Упрощенные машины хороши и для перевозок в закрытых помещениях: наскладах, в цехах, где вредные выбросы нежелательны. Широко используют такиеэлектромобили-тележки для перевозки туристов на курортах, в национальныхпарках, но здесь им труднее конкурировать с автомобилями.
Полноразмерныемашины, предназначенные для движения по улицам городов, приживаются с трудом,хотя не исключено, что в скором будущем ситуация может измениться. А причинуэтому нужно искать… в климате американского штата Калифорния.
Выхлопные газыавтомобилей под воздействием солнечных лучей образуют особо ядовитые вещества,так называемый смог. Для перенасыщенного машинами солнечного штата это — проблема номер один. Поэтому калифорнийские нормы токсичности выхлопатрадиционно строже, чем в других штатах США, не говоря уже о Европе. Теперьздесь принят закон о постепенной замене автомобилей электромобилями: в 2003году их должно быть — 10% от общего числа машин, а в 2010-м — 15%.
Многие ведущиеавтомобильные фирмы работают над электромобилями, тем не менее на выставкахчаще увидишь машины малоизвестного происхождения. В выборе двигателя мненияконструкторов расходятся: используют и моторы постоянного тока, и переменного,например, асинхронный со специальными преобразователями и сложной системойрегулирования. Напряжение питания также различно. Явное предпочтение отдаютникель-кадмиевым батареям и свинцовым, в которых используется не жидкийэлектролит, а гель. Иногда применяют системы жидкостного охлаждения двигателейи поддержания теплового режима аккумуляторов.
Самыйпопулярный в мире электромобиль изготовляют… в Польше. Уже выпущено более 200тысяч штук. Электромобили «Мелекс» — упрощенного типа, на 2, 4 и 6мест, рассчитаны на индустрию спорта и развлечений (назовем хотя бы тот жегольф), для складских работ, как цеховой транспорт. При собственной массе около880 кг полезная нагрузка — 320, а с прицепом — более 900. Запас хода — 70 км.Максимальная скорость — до 23 км/ч — выдает назначение машины.
Другая фирмаиз Восточной Германии «Транспорт-Системтехник» создала 10 прототиповтакси. Пятиместная машина с пластмассовым кузовом весит всего 600 кг, развивает80 км/ч, имеет запас хода 140 км. Батареи — никель-металлогидридные.Конструкторам удалось сделать относительно просторную внутри машину при длиневсего 2,5 м. САКСИ (то есть такси из Саксонии) обещают выпускать серийно черездва года (рис.1.4).
/>
Рисунок 1.4. САКСИ – таксииз Саксонии.
В Японииавтомобильная компания «Honda» финансирует проект создания паркасдаваемых в прокат малогабаритных электрических и «гибридных» машин,включающий новую технологию их эксплуатации. Осуществление этого проекта,получившего название «Intelligent Community Vehicle System» («Региональнаяинтеллектуальная транспортная система») — ICVS, по замыслу разработчиков,позволит существенно снизить вредное воздействие транспорта на окружающуюсреду, уменьшить вероятность заторов и улучшить условия парковки в зонах свысокой интенсивностью движения.
City Palпредставляет собой малогабаритный переднеприводной электромобиль размерами 3210х 1645 х 1645 мм с синхронным двигателем на постоянных магнитах. Егомаксимальная скорость 110 километров в час, запас хода на полностью заряженныхаккумуляторах 130 километров. Несмотря на небольшие размеры,в электромобиле достаточно просторный для водителя и пассажира салон и багажникбольшой вместимости. City Pal оснащен кондиционером и современной навигационнойсистемой. Кроме того, в нем есть оборудование для автоматического(беспилотного) управления и зарядки. Фото City Pal представлено на рис.1.5.
/>
Рисунок 1.5. Двухместный электромобиль City Pal.
Сверхминиатюрныйодноместный мини-электромобиль Step Deck предназначен для езды вгустонаселенном городе. По всему периметру кузова машины снаружи установленыподножки-бамперы. Благодаря такой конструкции Step Deck можно парковатьбуквально вплотную к другим машинам в самых стесненных условиях. Габаритныеразмеры мини-электромобиля 2400 х 1185 х 1690 мм. Настоянке, предназначенной для одного обычного легкового автомобиля, можноразместить четыре такие машины. Комбинированная силовая установка с приводом назаднюю ось состоит из четырехтактного ДВС объемом 49 см3 с водянымохлаждением и синхронного электромотора с постоянными магнитами, что позволяетразвивать скорость до 60 километров в час (рис.1.6).
/>
Рисунок 1.6.Городскойодноместный мини-электромобиль Step Deck.
Электромобилифирмы «Honda», задействованные в системе ICVS, взять напрокат не такпросто. Для этого сначала следует приобрести специальную магнитную карточку IC.С ее помощью на терминалах ICVS можно выбрать наиболее подходящий дляконкретной поездки один из четырех видов экипажей, оформить его аренду, вернутьэкипаж на стоянку и оплатить прокат наличными или с банковского счета. Помимоэтого карточка IC используется для запуска двигателя вместо обычныхавтомобильных ключей. Оформлением проката электромобиля занимается сам клиентпрактически без участия служащих терминала. Удобно и то, что не обязательновозвращать экипаж на ту же стоянку, на которой его арендовали, можно оставитьили поменять электромобиль на любом другом терминале ICVS.
Контрольныйцентр ICVS получает всю оперативную информацию о месте нахождения того илииного экипажа по специальной радиосвязи. В случае необходимости оператор,используя внутреннюю радиосвязь и широкоугольные лазерные радары, может вавтоматическом режиме направить в нужное место до четырех«беспилотных» экипажей. Для этого электромобили оснащены магнитными иультразвуковыми сенсорами, взаимодействующими с индукционными кабелями, проложеннымипод покрытием терминала. Экипажи могут заезжать на стоянку, выезжать с нее ипарковаться по команде из контрольного центра также без участия водителя. Натерминалах ICVS предусмотрена автоматическая зарядка аккумуляторных батарейвсех электромобилей.2.Легкиеэлектротранспортные средства
Из всехразновидностей электромобилей наибольший интерес с практической точки зренияпредставляют легкие электротранспортные средства (ЛЭТС) с комбинированнымэлектрическим и чаще всего мускульным приводом. По мнению президентасевероамериканской компании «EV Global Motors» Ли Якокка, вскором времени электророллер, электроскутер, электромопед, одно- илидвухместный мини-электромобиль, а чаще всего — электровелосипед будет стоять вгараже каждого американца. Согласно прогнозу, в ближайшие 10 лет ежегодныйобъем продаж индивидуального электротранспорта составит в мире 6-10 миллиардовдолларов.
Всемирный велобум, охвативший практически всеразвитые и развивающиеся страны, в полной мере подтверждает предположение отом, что грядущее столетие будет веком велосипеда. По прогнозу американскихспециалистов, уже в первой четверти XXI века двухколесные педальные машиныначнут вытеснять автомобили и постепенно станут основным средствомпередвижения. Обоснованность подобного прогноза подтверждает общая картинапроисходящего. В США и Германии — безусловных мировых лидерах по количествулегковых автомобилей на каждого жителя — ежегодно продается велосипедов больше,чем автомобилей. Бесконечную вереницу велосипедистов можно наблюдать на дорогахДании, Голландии, Швеции и других стран Европы. В Японии практически каждыйвторой житель регулярно ездит на велосипеде, а Токио в часы пик буквально забитвелосипедистами. Каждый день 500 миллионов человек ездят на велосипеде на работув Китае. Во многих европейских мегаполисах вводится запрет на автомобильноедвижение в городских центрах и открываются бесплатные пункты прокатавелосипедов.
Невиданнаяпопулярность велосипеда не случайна, во многом она связана с негативнымипоследствиями автомобилизации. Дело в том, что автомобиль, завоевав практическивсю планету, стал главным потребителем невосполнимых природных ресурсов(нефти), загрязнителем земли, воды и воздуха и «производителем» шума.В автомобильных авариях ежегодно погибает людей больше, чем в иныхкровопролитных войнах. Главная же опасность автомобиля, как утверждают медики,в том, что он отучил нас самостоятельно двигаться. Люди начинают понимать этои, чтобы бороться с гиподинамией, пересаживаются на велосипед.
Велосипед былпервым изобретением, позволившим человеку перемещаться быстрее и дальше толькоза счет собственных мускулов. Но едва двухколесная машина появилась на свет,изобретатели стали думать над тем, как увеличить ее мощность и скорость.Начиная со второй половины прошлого века велосипед пытались оснаститьдополнительным источником энергии: паровой машиной, электромотором, бензиновыми даже реактивным двигателем. Однако из-за большого веса, громоздкости и целогоряда других недостатков ни один из них на велосипеде не прижился. Тогда же,около ста лет назад, одновременно с электромобилями были сконструированы ипервые электровелосипеды. Но очень скоро и те и другие, не выдержавконкуренции, уступили дорогу автомобилям, а сами надолго были забыты.
Второерождение электровелосипеда произошло буквально на наших глазах. В 1994 годуяпонская компания «Ямаха» начала выпуск нового велосипеда сдополнительным электроприводом, а сейчас конструкторы фирмы разрабатываютмодели электровелосипедов уже третьего поколения. В прошлом году в одной толькоЯпонии было продано 250 тысяч таких двухколесных «гибридов». Вслед за«Ямахой» производством электровелосипедов одна за другой занялиськомпании «Хонда», «Панасоник», «Саньо», «Мицубиси»и «Судзуки». Специалисты прогнозируют, что через год-два наэлектровелосипедах будут ездить больше миллиона японцев.
Сегодняэлектровелосипеды выпускают все крупные велостроительные компании Азии, Америкии Европы. Власти Китая считают, что электровелосипеды способны заменить десяткитысяч чадящих и тарахтящих мотороллеров и мотоциклов и тем самым существенноулучшить транспортную ситуацию. В Шанхае, например, уже открыто 15 центровзарядки велосипедных аккумуляторов и более 100 пунктов их замены. Кроме того,планируется построить сеть аварийных зарядных станций, где любой велосипедистсможет, опустив в автомат монету и вставив вилку зарядного устройства в розеткуэлектрозарядной колонки, быстро зарядить аккумулятор.
Современныйэлектровелосипед — вполне комфортное, экологически чистое транспортноесредство, требующее минимальных затрат на содержание и совсем мало места вгараже и на стоянке. Что касается скоростных качеств электровелосипеда, то нагоризонтальном участке дороги его без особого труда может обогнать обычныйспортивно-туристский велосипед. И дело тут не в низкой мощности мотора.Электровелосипед специально сконструирован так, что электропривод вырабатываетток только тогда, когда велосипедист жмет на педали. Как только он перестаетработать ногами или разгоняется до скорости 20-24 км/ч, мотор автоматическиотключается. Хочешь ехать быстрее — крути педали.
На такназываемых «тихих» электровелосипедах, развивающих скорость до 24км/ч, электропривод выполняет вспомогательную функцию — с ним велосипедистзатрачивает меньше усилий, что особенно важно в поездках на большие расстояния,при встречном ветре или подъеме в гору. Мощность электромотора не превышает 250Вт — это величина, соизмеримая с мощностью, которую может достаточно долгоразвивать сам велосипедист. На электровелосипеде трогаются с места на однихпедалях. Когда же скорость достигает 2-3 км/ч, специальный датчик на вилкеприводного колеса автоматически включает мотор. Но есть электровелосипеды сболее сложными датчиками, они включают электромотор сразу после трогания с места.
В Швейцарии инекоторых штатах США выпускают более мощные «быстрые»электровелосипеды, скорость которых не ограничивается 20-24 км/ч. На нихустанавливают электромоторы мощностью 400 Вт и более, работающие независимо отпедалей. Мощность двигателя и соответственно скорость регулируются ручкой«газа». На «быстром» электровелосипеде электрический приводиграет основную роль, а мускульный — вспомогательную. Техническиехарактеристики у такой машины примерно такие же, как у легкого мопеда. Ездитьна «быстром» электровелосипеде можно только в защитном шлеме, справами на управление мопедом и номерным знаком (его выдают вместе со страховымполисом). Привод электромотора передает усилие на переднее или заднее колесовелосипеда при помощи шестеренчатого редуктора, цепной передачи илифрикционного ролика, который прижимается к покрышке ведущего колеса (рис. 2.1).
/>
Рисунок 2.1. «Быстрый»электровелосипед американской компании «EV Global Motors».
Вот уженесколько лет японские, тайваньские и немецкие фирмы выпускаютэлектровелосипеды с мотор-колесами мощностью 200-250 Вт, которые встраиваются вступицу. Идея мотор-колеса не нова, но до последнего времени эта конструкция ненаходила широкого применения. Использование мотор-колеса на электровелосипедахдало возможность отказаться от механической трансмиссии, а значит, значительноповысить эффективность электропривода. Специалисты считают, что управляемоебортовым микропроцессором мотор-колесо — наиболее удачная и перспективнаяконструкция привода электровелосипеда.
Наэлектровелосипедах обычно применяют никель-кадмиевые аккумуляторные батареиемкостью 7-10 ампер-часов, весом 5-7 килограммов и более дешевые, но менеедолговечные и энергоемкие, герметичные свинцово-цинковые аккумуляторы сжелеобразным электролитом. Время зарядки аккумуляторной батареи — 4-5 часов,запас хода при полной зарядке — 20-30 километров и более. Хотя уже появилисьэлектровелосипеды третьего поколения, например «Старкросс» фирмы«Ямаха», с запасом хода свыше 40 километров. Есть и новые, пока ещедостаточно дорогие никель-металлгидридные и никель-водородные аккумуляторы,увеличивающие пробег электровелосипеда без подзарядки до 50 километров.
В США, Японии,Германии и других, наиболее развитых, странах уже сейчас электровелосипедвполне может заменить второй семейный автомобиль, который обычно используют дляпоездок на расстояние в среднем до 15 километров, например на работу или запокупками. Особенно он пригодится не слишком спортивным и пожилым людям, всемтем, кто осознает необходимость умеренных, но регулярных физических нагрузок. Вгараже, на стоянке, на проезжей части электровелосипед занимает места во многораз меньше, чем малогабаритный автомобиль. И самое главное, он не загрязняетокружающую среду.
В последнеевремя «электротранспортным островом» стали называть Тайвань. Пять летназад здесь насчитывалось всего 67 электромопедов и электромотоциклов, а впрошлом году их продали уже около пяти тысяч. Правительственное агентство поохране окружающей среды (ЕРА) установило квоту на продажу этихэлектротранспортных средств в размере не менее 2% от объема продаж мопедов,мотороллеров и мотоциклов. По прогнозам, в нынешнем году объем продажэлектромопедов и электромотоциклов возрастет в три раза и составит 16 тысячштук. Государство компенсирует часть затрат на приобретение электротранспортныхсредств таким образом, чтобы для покупателя их стоимость была сопоставимой сценой мопедов и мотороллеров с объемом двигателя 50 смз.
Электровелобумможно наблюдать и в Италии. В декабре 1998 года в историческом центреитальянской столицы, где ежегодно бывают миллионы туристов, начали создаватьпарк сдаваемых в прокат электророллеров и сеть электрозарядных станций. Этотпроект финансируют муниципалитет Рима, Министерство защиты окружающей среды,ассоциации WWF и «Italia Nostra». Строительством зарядных станций иорганизацией проката электророллеров Lepton занимается итальянская компания«Atala Rizzato». На первом этапе планируется открыть 85 станций для«медленной» шести-, семичасовой зарядки аккумуляторов сиспользованием 16-амперных зарядных устройств и 30 станций для«быстрой» одно-, полуторачасовой зарядки. Первые рассчитаны наодновременную зарядку аккумуляторных батарей четырех экипажей, а вторые — только двух. Все станции строятся в местах парковки, на них можно будетзаряжать аккумуляторы как муниципальных, так и частных электророллеров,электровелосипедов и электромобилей. Ориентировочная стоимость проката электророллера- 1,3-1,8 доллара в час.
В западныхстранах «тихие» электровелосипеды, у которых мотор лишь помогаетдвижению, наиболее популярны среди людей старше 40 лет. Больше всего на нихездят в Японии и европейских странах. Молодежь привлекают скоростные модели смощным электроприводом и современным дизайном. На «быстрых»электровелосипедах можно изменять мощность мотора, а постоянно крутить педалинеобязательно. Они доминируют в США и Китае. Фото «тихого»электровелосипеда представлено на рис. 2.2.
/>
Рисунок 2.2. «Тихий» электровелосипед тайбейской фирмы«Elebike Co., Ltd» с мотор-колесом постоянного тока мощностью 250 Вт,напряжением 36 В и со свинцово-цинковой аккумулятор ной батареей емкостью 7ампер-часов (в пластиковом корпусе на наклонной раме).
Цены наэлектровелосипеды в Европе, Японии и США колеблются от 1000 до 2000 долларов.Самые дешевые — в Китае и на Тайване, там их можно приобрести за 200-350долларов. Еще дешевле купить обычный велосипед и самому или в мастерскойпоставить на него комплект электропривода: мотор, аккумуляторную батарею,зарядное устройство, электронный блок, пульт и ручку управления. Одна измоделей элктровелосипедов, пользующихся спросом, представлена на рис. 2.3.
/>
Рисунок 2.3. Электровелосипед«Dracle» японской фирмы «Panasonic»
По прогнозуспециалистов, к 2003 году количество электровелосипедов в мире превысит два миллиона.
По материалам,предоставленным компанией «Honda», она будет производить четыребазовых экипажа: двухместный электромобиль City Pal, одноместный экипаж скомбинированной двигательной установкой Step Deck, одноместный электророллерMon Pal и электровелосипед Raccon.
Одноместныйэлектророллер Mon Pal (рис. 2.4) очень удобен для повседневных поездок нанебольшие расстояния. Его скорость не более 6 километров в час. Электророллервполне подходит для езды в пешеходных зонах, на садово-парковых дорожках, вбольших торговых и выставочных помещениях, что наверняка понравится людямпожилого возраста. Габаритные размеры Mon Pal — 1450 х 690 х 1080 мм (1625 мм стентом). Привод коллекторного электродвигателя постоянного тока осуществляетсяна заднюю ось.
/>
Рисунок 2.4. Электророллердля пожилых людей Mon Pal.
ЭлектровелосипедRaccon 26LX-3В (рис. 2.5) хорош тем, что требует от велосипедиста значительноменьше усилий при езде на большие расстояния, на затяжных подъемах и противветра, чем все другие модели. Его вес 31 кг, габаритные размеры 1885 х 580 х770-920 мм (в зависимости от высоты седла). Электровелосипед оборудованпередним и задним багажниками на 4 и 10 кг. Raccon снабжен малогабаритнымколлекторным двигателем постоянного тока напряжением 24 В, мощностью 220 Вт икомпактной никель-кадмиевой аккумуляторной батареей емкостью 5 А.чразмером с не очень толстую книгу формата А4. Полностью заряженнойаккумуляторной батареи, которую обычно помещают на раме позади переднегобагажника, хватает на то, чтобы проехать 27 километров и при этом освещатьдорогу фарой с лампой мощностью 3,8 Вт. Магнитные датчики скорости иэлектронный блок управления равномерно увеличивают мощность электропривода привозрастании скорости движения от 0 до 15 километров в час и обеспечиваютпостоянную мощность в интервале скоростей 15-23 километра в час. На большейскорости электродвигатель автоматически отключается. Хочешь ехать быстрее — крути педали!
/>
Рисунок 2.5. ЭлектровелосипедRaccon фирмы «Honda».
3.Автомобили,движущиеся по рельсам
Среди многочисленных проектов, которые призванырешить проблему перегруженности транспортных сетей мегаполисов, всё чащевстречаются предложения направить городской транспорт, в том числе иавтомобили, по рельсам.
Один из самыхсмелых проектов представила датская компания RUF International. Предлагаемаядатчанами транспортная система представляет собой сеть монорельсовых дорог, покоторым движется общественный и личный электротранспорт.
Небольшиеучастки пути транспорт преодолевает по обычным дорогам, после чего въезжает нарельсы и объединяется в своеобразные поезда.
Конструкцияавтомобиля, движущегося по рельсам представлена на рис. 3.1
/>
Рисунок 3.1. Конструкция автомобиля, движущегося по рельсам
Вставшим нарельсы транспортом не нужно управлять — водитель задаёт программу и можетспать, читать, выходить в Интернет или смотреть телевизор — информацияпередаётся некоему «главному диспетчеру» и автоматическая система всёсделает сама, руководствуясь показаниями установленных повсюду, в том числе ипод землёй, датчиков.
В случаенеобходимости, водитель сможет снова взять управление на себя. Подразумевается,что скорость езды по рельсам будет 120 км/час.
Согласнопроекту RUF International, сеть дорог будет состоять из 25-километровыхрельсовых участков со специальными «переходами» через каждые пятькилометров, чтобы одни водители могли присоединиться к «поезду», адругие свернуть или съехать с рельсов (рис.3.2-3.3). Максимальная скоростьмежду «переходами» (150 км/час) при приближении к развязкамавтоматически снижается до 30 км/час.
/>
Рисунок 3.2. Переход на кольцевую линию
/>
Рисунок 3.3. Переход с рельсов в дорожное полотно
Участки путибез рельсов также автоматизированы: установленные под землёй датчики образуютсвоеобразный фарватер, так что водитель может совсем не управлять своим авто.
Энергия дляэлектромобилей подаётся непосредственно по монорельсу — это и обеспечиваетэлектропитание во время движения в «поезде», и заряжает аккумуляторыдля непродолжительной езды по обычным дорогам.
По прибытии кместу назначения водитель выходит из машины и отправляется по своимделам — автоматика сама отправит автомобиль на ближайшую стоянку, откудахозяин может вызвать его для продолжения пути.
Есть и другойвариант — безо всяких стоянок, когда каждый может использовать первыйпопавшийся автомобиль. В качестве защиты от вандализма разработчики предлагаютследующую схему: при входе в машину водитель «предъявляет» некуюкарту, удостоверяющую личность, которую машина идентифицирует.
Машина«запоминает» того, кто последним ездил на ней, а новый водительдолжен будет при входе в авто оценить его состояние. Только в случае«приёмки» машины новый водитель идентифицируется и на некоторое времястановится её владельцем.
Машины длятранспортной системы RAF могут быть любыми — «легковушка»,грузовик, автобус — но для езды по рельсам у всех у них должен бытьV-образный канал, проходящий по днищу кузова машины (рис. 3.4).
/>
Рисунок 3.4. Конструкция рельсов
«Прорезь»проходит посередине и внутри делит салон на две части. Разработчики предлагаютиспользовать «бугор» в качестве подлокотника или «места дляребёнка».
Монорельсоваясистема предназначена для крупных городов, но авторы проекта не забыли и ожителях пригородной зоны: предусмотрен гибридный транспорт с электрическим итопливным двигателями. Например, общественный пригородный транспорт, названныйMaxi-RUF, — это автобус, который может перевозить десять пассажиров, несчитая водителя.
Компанияработает над своей концепцией с 1988 года. У RUF International 16 спонсоров, вчисле которых нет ни одного автопроизводителя, но есть датский филиал Siemens идатские же министерства энергетики и окружающей среды.
Наданалогичным, но куда более реалистичным проектом работают англичане.Монорельсовый проект под названием ULTra (Urban Light Transport) компанииAdvanced Transport Systems впервые будет реализован в 2004 году. А в январе2002 года запустили экспериментальную ветвь неподалёку от Бристоля в городеКардифф (рис.3.5). Если результаты тестов будут признаны удовлетворительными,сети ULTra построят сначала в Кардиффе, а потом и в других городахВеликобритании.
/>
Рисунок 3.5. Фото экспериментальной ветви в Кардиффе
ULTra —это одна из форм персонального скоростного транспорта (Personal RapidTransit — PRT). По сути, это монорельсовая дорога, по которой движутсянебольшие полностью автоматизированные вагонетки — наземное метро, толькобез машинистов и, собственно, поездов.
Похожие накапсулы небольшие вагонетки, рассчитанные на несколько человек, будут двигатьсяпо монорельсу со скоростью 25 км/час.
Проект ULTra,который ещё называют «такси без водителя» (driverless taxi), AdvancedTransport Systems разрабатывала совместно со специалистами из Бристольскогоуниверситета.
Перваяпостроенная в Кардиффе испытательная «ветка», по которой будетдвигаться 30 «капсул», будет протяжённостью 1,5 км. В развитой сетиколичество вагонеток увеличится до 120. Движение каждой «капсулы»будет контролироваться центральной системой посредством всевозможных датчиков.
Посадка-высадкапассажиров будет осуществляться на специальных станциях. Нужно отметить, что«капсулы» не останавливаются на главной трассе, а подъезжают кстанциям по отдельным путям.
При входепассажир должен будет вставить в «приёмник» смарт-карту, на которой ибудет обозначен маршрут его поездки. Возможно, посредством этой карты будетпроизводиться и оплата за проезд (тариф такой же, как и за проезд в автобусе).
Разработчикиутверждают, что, во-первых, их электротранспорт не загрязняет окружающую среду,во-вторых — он лёгкий (вес вагонетки 800 кг), в-третьих, им удалось«минимизировать визуальное вторжение» в архитектурный облик городов иокружающую среду, и, наконец, ULTra — безопасный транспорт.
Действительно,при скорости 25 км/час (а вблизи остановок 5 км/час) мало что может случиться.Тем не менее, каждая вагонетка оборудована специальной «системойобнаружения», которая автоматически остановит «капсулу», есливпереди препятствие.
Поломка (вероятность любой из них, по мнениюсоздателей, крайне мала) одной из вагонеток не блокирует всю транспортнуюсистему, а встроенная «система контроля» передаст сигнал в«Центр».
Система предназначенаисключительно для городов и, по признанию разработчиков, не заменит автобусы иавтомобили, а станет лишь дополнением к существующим видам общественноготранспорта.
4.Монокар
В современном мире существуют два основных типатранспортных средств.
АВТОМОБИЛИ имеют болеевысокий комфорт, безопасность, грузоподъемность и т.д., но нельзя не отметить итот факт, что существующая концепция четырехколесного транспортного средства(автомобиля) не менялась со времен появления телеги и уже не удовлетворяетсовременным требованиям по маневренности, экономичности, уровню выбросов вокружающую среду и т.п.
МОТОЦИКЛЫ отличаютсяпредельной простотой и надежностью конструкции. Это рама с седлом, двигатель иколеса, переднее из которых — поворотное. Они обладают высокой маневренностью ипроходимостью, но практически не защищают водителя от погодных условий, необеспечивают его безопасность, поэтому почти вытеснены автомобилями.
Но существуетконцепция, которая объединяет преимущества мотоциклов и автомобилей. Это машинас кузовом автомобиля и двухколесной конструкцией ходовой части. Такая машина(монокар) может обладать комфортом, грузоподъемностью и безопасностьюавтомобиля и маневренностью, экономичностью и проходимостью мотоцикла.
Устойчивостьмотоцикла зависит от равновесия действующих на него сил. Мотоцикл может бытьустойчивым только при совпадении точки опоры и равнодействующих сил. Припрямолинейном движении такая сила одна. Это сила тяжести, приложенная к центрумасс и направленная вертикально вниз. Отклонений от точки опоры она не имеет,следовательно, нет и опрокидывающей силы.
При движениипо окружности на машину действует еще и центробежная сила, направленная наружуи создающая опрокидывающий момент. Для удержания машины в равновесииравнодействующая этих сил должна проходить через точку опоры. В мотоциклахбаланс достигается либо отклонением водителя в сторону, противоположнуюопрокидывающему моменту, либо поворотом руля в сторону наклона машины. То естьлибо центр тяжести отклоняется до совпадения с точкой опоры, либо точка опорыотклоняется к центру тяжести. При этом равновесие должно поддерживаться свысокой точностью, в противном случае неизбежно опрокидывание мотоцикла всторону наибольшей действующей силы. Следовательно, устойчивость мотоцикла придвижении по окружности зависит от:
1. Скорости движения мотоцикла
2. Радиуса поворота
3. Угла наклона мотоцикла
4. Смещения вылета переднего колеса
Предельныйугол наклона машины зависит от конструкции и формы кузова машины. Существуетзависимость скорости движения и безопасного радиуса поворота.
V2 = g * R* ctg a,
где V — скорость движения мотоцикла, м/сек,
g — ускорениесвободного падения, 9,8 м/сек2,
R — радиусповорота мотоцикла, м,
ctg a — котангенс угла наклона.
При выполненииэтих условий переднее колесо нужно поворачивать к центру вращения.
Если требуетсяпройти поворот с большей скоростью, то мотоцикл должен наклоняться на большийугол при вхождении в поворот и переднее колесо мотоцикла должно быть повернутов сторону, противоположную повороту. Это делается для большего смещения точкиопоры мотоцикла к центру тяжести. Если для сохранения равновесия этогонедостаточно, то водитель отклоняет тело от центра вращения до совпаденияравнодействующих сил и точки опоры. Для одноколейного транспортного средства подобныеманевры могут быть невозможны из-за более широкого кузова.
Ошибочносчитают, что при этом на мотоцикл оказывает влияние гироскопический моментколес. Влияние его незначительно, так как при массе покрышки и обода 3кг,скорости вращения 833 об/мин и скорости поворота руля 0,2 об/мингироскопический момент колеса равен: 0,35кг. В то же время отклонение центратяжести или точки опоры мотоцикла на 10 см при высоте центра тяжести 100 см имассе мотоцикла и водителя 140 кг создает отклоняющую силу в 14 кг.
Таким образом,при повороте дополнительное отклонение центра тяжести от точки опоры вкилограммах должно быть равно восстанавливающей силе гироскопического моментамаховика в килограммах.
Наверное,каждый видел, как на мотогонках мотоциклист, не вписавшись в поворот, скользитпо земле в сторону заноса, а следом кувыркается его мотоцикл. Это можетпроизойти с каждой двухколесной машиной. Отличительной особенностью любойдвухколесной машины является то, что на виражах она может наклоняться к центруповорота. Это позволяет проходить повороты без заносов с большим ускорением. Нотолько до тех пор, пока центробежная сила не превысит силу трения. И тогдавылет на обочину неизбежен.
Длядвухколесных машин существует определенная зависимость предельного угла наклонаот радиуса поворота. Угол наклона монокара зависит от особенностей конструкции,например, ограничен размерами кузова (35 градусов). Если вывернуть руль слишкомкруто, то монокар ляжет на бок и будет скользить на нем по дороге в сторонузаноса. Кувыркатся подобно мотоциклу монокар не сможет из-за маховика. У негослишком большой гироскопический момент сил. Скорее всего, он будетповорачиватся вокруг точки контакта, да и то вряд ли. Водитель и пассажир,разумеется, останутся внутри. Ощущения у них, наверное, будут не из приятных,но каких-либо повреждений или травм им удастся избежать. Их даже внутри кузоваболтать не будет, поскольку вектор центробежной силы только вдавит их в кресло.
На выступающейчасти кузова слева и справа можно установить небольшую площадку — опору. Тогдав случае крутого разворота монокар ляжет не на кузов, а на опору. Это позволитв прямом и переносном смысле слове сделать КРУТОЙ разворот.
Для сохраненияравновесия одноколейных транспортных средств можно использовать маховик,который также используется и для рекуперации энергии при разгонах иторможениях. Задача маховика заключается в компенсации возникающих возможныхотклонений. Восстанавливающая сила маховика зависит от скорости его вращения.При снижении скорости вращения маховика с горизонтальной осью вращения онначинает отклоняться от вертикали на угол, определяемый равнодействующей силытяжести и восстанавливающего гироскопического момента.
На остановкегироскопический момент маховика будет максимальным, удерживая машину в вертикальномположении, а при увеличении скорости он будет постепенно снижаться, позволяянаклонять машину для совершения поворотов, так как энергия маховика должнарасходоваться на движение машины.
В некоторыхконструкциях ось вращения маховика была горизонтальна и маховик вращался в туже сторону, что и колеса. Наклон такого маховика влево вызывает дополнительныйповорот машины влево. Это может облегчить вхождение в поворот, но может служитьи дестабилизирующим фактором.
Из этогоследует вывод:если направление вращения маховика с горизонтальной осью вращения совпадает снаправлением вращения колес, то такая машина более маневренна, но менееустойчива. И, соответственно, наоборот.
Если ось вращения маховика вертикальна, то ееследует отклонять вперед-назад. Но при вертикальной оси гироскопический эффектможет вносить дополнительный занос в поворот (подобно винту одноосноговертолета), и понадобиться ставить второй маховик с противоположнымнаправлением вращения. Кроме того, маховик с вертикальной осью обладает дестабилизирующимфактором. При движении в гору или под гору на машину будет дополнительно влиятьгироскопический момент, отклоняющий машину вправо или влево. Для компенсациитакого эффекта потребуется компенсирующее отклонение руля или установкадополнительного маховика с противоположным направлением вращения.
На гирокареП.П. Шиловского маховик крепился на раме, позволяющей отклонять его ось,восстанавливая тем самым равновесие машины. Рама отклонялась по сигналудатчиков крена. Можно вместо рамы дополнительно поворачивать или наклонятьпереднее колесо до совпадения точки опоры с центром тяжести. Поворачиватьколесо можно также по сигналу датчика крена.
Но если удастся найти точную зависимость междувлияющими на машину силами, то можно будет обойтись и без датчиков крена и т.д.
Зависимости:
· отклонение от точки опоры зависит от угла поворота переднегоколеса
· угол поворота переднего колеса зависит от радиуса поворота машины
· радиус поворота зависит от скорости движения машины
· скорость вращения маховика зависит от скорости движения машины
· восстанавливающая сила маховика зависит от скорости его вращения
· от направления вращения маховика с горизонтальной осью зависитустойчивость и маневренность машины
· от предельной скорости движения зависит мощность двигателя
Применениемаховика на автомобиле имеет следующие преимущества:
· снижение расхода топлива вдвое за счет рекуперации (возврата)энергии
· уменьшение требуемой мощности двигателя до 40 %
· возможность работы двигателя в точке оптимального режима
· устранение различных систем пуска двигателя и режима холостогохода
· более эффективное (безюзовое) торможение
Удельныйрасход топлива минимален при работе двигателя примерно на 80 % мощности и разав 3-4 выше при 10 % процентах. Однако именно эти 10 % процентов и требуются пригородском движении большую часть времени. В городском режиме движения такжебольшая часть энергии расходуется при часто чередующихся разгонах иторможениях. Для снижения таких расходов наиболее реально применение гибридныхдвигателей, представляющих собой маховик в сочетании с двигателем внутреннегосгорания или электромотором.
Двигатель,работая на режиме максимальной экономичности, «закачивает» в негоэнергию, поддерживая частоту вращения в определенном диапазоне. Энергия,необходимая для движения автомобиля, отбирается через бесступенчатую передачу.В случае торможения кинетическая энергия автомобиля переходит обратно вмаховик.
Монокарпозволяет уменьшить потери энергии за счет таких решений:
Масса машины. Для снижения массы можнозначительно упростить и облегчить конструкцию, удалив некоторые узлы иагрегаты. На монокаре могут не потребоваться двигатель большой мощности (имассы), КПП, радиатор, стартер, генератор, подвеска двух колес, трансмиссия имногое другое. монокар можно сделать приблизительно раза в два легче обычноймашины.
Аэродинамическое сопротивление. Созданиекузова более обтекаемой формы. Современный автомобиль имеет коэффициентаэродинамического сопротивления Cx=0,4. Если попробовать сделатьтрехместный кузов в виде капли и разместить двух человек в широкой части иодного сзади в узкой, то можно получить коэфффициент Cx=0,2 или дажеменьше. Но подобную форму можно применить только на двухколесной машине,поскольку четыре колеса все равно потребуют прямоугольной формы со всемивытекающими последствиями.
У большинства современных автомобилей он составляет0,4. У монокара, благодаря более обтекаемой конструкции двухколесного кузова,он может быть равен 0,2 или даже меньше.
Зависимостьмощности от скорости представлена на рис. 4.1.
/>
Рисунок 4.1. Зависимость мощности от скорости
F = Cх * Sm * P * V2
где F — силасопротивления среды, H
Cx — коэффициент аэродинамического сопротивления,
Sm — мидель, м2
P — плотностьсреды,
V — скорость,м/с
Что составляет0.2 * 1.22 * 1.2 * 767 = 224 Н при 100 км/час
Для пробега в100 км потребуется 224 * 100.000 = 22.400.000 Дж, что составляет мощность в 6.2кВт. (8,4 л.с) при 100 км/час или 3,2 кВт при скорости 72 км/час или 833 Вт при36 км/час
КПД двигателя. Желательно отказаться отдвигателя внутреннего сгорания с КПД 18-20% и применять электродвигатель (КПД90%). Существенно снизить требуемую мощность двигателя может применениемаховика.
Рекуперация энергии. Применение маховикадля рекуперации (накопления) энергии торможения с последующей отдачей приразгоне. Если в обычных машинах эта энергия расходуется только на нагревтормозных колодок, то с применением маховика удается значительно (почти в 2раза) снизить расход топлива по сравнению с движением в городском режиме.
Сопротивление дороги. Двухколесномумонокару потребуется значительно меньше энергии на преодоление сопротивлениядороги.
4000H * 0,02 =80 H
Для пробега в100 км потребуется 80 * 100.000 = 8.000.000 Дж, что составляет мощность 2.2кВт/час. (3 л.с.)
Конструкциямашины представлена на рис.4.2.
/>
Рисунок 4.2. Конструкция монокара
В центре машины между сиденьями водителя и пассажираразмещен маховик. Над маховиком — ручка управления типа «джойстик».Непосредственно перед маховиком — узел крепления передней подвески. Сиденьезаднего пассажира размещено точно по центру между передними сиденьями. Зазадним сиденьем небольшой багажник. Под багажником -подвеска заднего колеса.
Кузовпредставляет собой конструкцию из металлического каркаса и навесных элементовоблицовки. Продольно в центре машины находится силовая рама с маховиком иподвесками колес. Кузов двухдверный, с вертикальным открыванием дверейотносительно середины лобового стекла. Машина имеет 2 небольших багажника побокам колесной ниши переднего колеса. Над колесной нишей заднего колесабагажников нет в целях улучшения аэродинамики кузова.
Решениеммногих проблем монокара будет применение так называемых мотор-колес. Причемтехнологически оправдано применение трех однотипных мотор-колес. Двухнепосредственно в колесах и одного в качестве маховика. Они будут отличатьсятолько максимальной скоростью вращения и массой ротора. Для маховика массаротора должна быть не менее 20 кг.
Таким образом,вся кинематика машины будет состоять только из двух колес, маховика иэлектронного блока управления. Блок управления нужен для передачи энергии смаховика на колеса и обратно.
Японскимифирмами сконструированы легкие бесколлекторные электродвигатели постоянноготока на редкоземельных магнитах с максимальным КПД до 98% и высокоэффективныемикропроцессорные системы управления. Эти низкооборотные двигатели встроенынепосредственно в ступицы ведущих колес. Это дало возможность отказаться отмеханической трансмиссии и благодаря этому довести общий КПД привода до 96-97%.Серийно производятся мотор-колеса мощностью 200-250 Вт для легкихэлектротранспортных средств — например, для электровелосипедов, которые ужепоявляются на дорогах мира.
Преимущества применения мотор-колес натранспортных средствах:
· компоновка автомобиля улучшается благодаря достаточно свободномувыбору места установки мотор-колеса относительно других агрегатов автомобиля;
· общая масса агрегатов электропривода (не только мотор-колес)снижается по сравнению с массой агрегатов гидромеханического привода;
· желаемое распределение массы автомобиля по осям получаетсявследствие возможности варьировать базой автомобиля;
· число деталей и узлов механической передачи, подверженныхинтенсивному износу в эксплуатации, сокращается, что повышает надежностьсистемы в целом;
· возможность реализации одним мотор-колесом большой мощности, чтопозволяет повысить грузоподъемность автомобиля без увеличения числа ведущихколес;
· возможность бесступенчатого или в крайнем случае двухступенчатогорегулирования силы тяги;
· торможение на затяжных уклонах большой величины высокоэффективнои надежно благодаря использования электрического тормоза
Управлениемашиной осуществляется рукояткой типа «джойстик», установленной междукреслами водителя и пассажира. На рукоятке также находятся кнопки включенияфары, поворотов, сигнала и др. Управление осуществляется изменениемпередаточного числа вариатора. При наклоне рукоятки «вперед-назад» и«влево- вправо» происходит соответственно торможение-разгон иповороты машины. При максимальном отклонении рукоятки «вперед» можетпроисходить срабатывание дополнительного тормозного захвата заднего колеса.
Панельуправления имеет небольшие габариты, цифровую индикацию на светодиодах и можетбыть размещена в любом удобном месте, например на зеркале заднего вида в центремашины. Вместо индикации можно применить синтезатор речи.
Индицироватьможно:
1. Скорость движения машины;
2. Повороты (можно заменитьогнями на зеркалах заднего вида);
3. Положение дверей (люков) ибагажников (открыты или закрыты).
В монокареручку управления и панель приборов лучше убрать в сторону. Так как передводителем и пассажиром больше не существует травмирующего препятствия, товозможно применение векторной системы безопасности. В такой системе креслообладает возможностью в случае лобового столкновения откатываться вперед, всвободную зону с одновременным наклоном назад. После удара кресло наамортизаторах возвращается в исходное положение. Такая система более надежна,чем ремни и подушки безопасности. При особенно сильных ударах возможно дажеприменить катапультирование кресла через лобовое стекло до полного погашенияинерции удара.
Боковые ударыдля машины с работающим маховиком безопасны, поскольку не смогут привести копрокидыванию. Машина, подобно маятнику, только качнется вокруг вертикальнойоси. А при движении по обочине или косогору машина все равно будет сохранятьвертикальное положение кузова. Если при очень крутом боковом наклоне обычнаямашина опрокинется, монокар будет только скользить вниз по склону, сохраняявертикальное положение.
Приравномерном движении кресло находится в вертикальном положении. При резкомторможении кресло откатывается по направляющим вперед, одновременноповорачиваясь в горизонтальное положение. При этом угол наклона кресла зависитот силы торможения и при снижении этой силы кресло возвращается в исходноеположение.
В машине можнопредусмотреть несколько способов торможения:
Кинетическое. Основной способ. Это когдакинетическая энергия машины превращается в кинетическую энергию маховика.
Электродинамическое. Электроэнергию смотор-колес можно гасить на балластном сопротивлении. Например, направить наэлектроотопитель.
Дифференциальное. Если переднеемотор-колесо включить в противофазе с задним, то оно станет вращаться впротивоположном направлении вплоть до полной остановки машины и переднегоколеса.
Шаговое. Мотор-колесо является шаговымэлектродвигателем. Можно задать частоту вращения магнитного поля ротора скольугодно низкой влоть до нуля. Это фактически будет являться остановкой ротора.
Фрикционное. Если между ротором и статоромпомесить фрикционную прокладку, и подвесить ротор в магнитном поле или навоздушной подушке (газовый подшипник), то при выключении подшипника ротор всеймассой машины ляжет на статор. Это аналог обычных дискового или барабанноготормоза.
Механическое. Если изменить высотуподвески, то машина может лечь на днище и тормозить выступающими частямикузова. Таким способом можно затормозить даже на льду.
Фаранаходиться под колпаком переднего колеса. Она может опускаться в нишу изпереднего багажника. Фара может также поворачиваться в горизонтальной плоскостина 360°, обеспечивая освещение приповоротах и движении задним ходом.
Фара сделана в виде цилиндра, в центре оптической оси которого находитьсяисточник света. Часть цилиндра сделана прозрачной, остальная часть покрытаотражающим слоем. В задней части может быть установлен красный светофильтр,который при повороте фары при движении назад будет светить вперед, выполняяфункции стоп-сигнала.
В машинеиспользуется зависимая тросовая система подвески и компенсирующий амортизатор.Передняя и задняя подвески соединены тросом таким образом, что нагрузка напереднее колесо, отклоняющая колесо вверх компенсируется отклонением заднегоколеса вниз и наоборот. В качестве амортизирующей силы используется половинавеса машины. Изменением длины троса можно регулировать высоту машины вплоть доопускания на днище на стоянке или в режиме экстренного торможения.
Техническиехарактеристики монокара:
Длина — 4000мм.
Ширина — 1500мм.
Высота — 1500мм.
База — 3000мм.
Клиренс — 350мм.
Количествомест — 3 чел.
Количестводверей кузова — 2.
Грузоподъемность- 200-250 кг.
Привод-вероятно, полный.
Подвеска — зависимая.
Низкий расходтоплива (не более 1л. на 100км.).
Пониженныйуровень выхлопов СО2 и CN.
Малый вес (неболее 400 кг).
Простота инадежность конструкции.
Простота вуправлении и обслуживании.
Высокаяманевренность (радиус разворота около 4 м).
Низкийкоэффициент аэродинамического сопротивления.
Низкаястоимость
5.Беспилотныесамолеты
«Беспилотники»различаются по массе (от аппаратов весом в полкилограмма, сравнимых савиамоделью, до 10-15-тонных гигантов), высоте и продолжительности полета.Беспилотные летательные аппараты массой до 5 кг (класс «микро») могутвзлетать с любой самой маленькой площадки и даже с руки, поднимаются на высоту1-2 километра и находятся в воздухе не более часа. Как самолеты-разведчики ихиспользуют, например, для обнаружения в лесу или в горах военной техники итеррористов. «Беспилотники» класса «микро» массой всего300-500 граммов, образно говоря, могут заглянуть в окно, поэтому их удобно использоватьв городских условиях.
За«микро» идут беспилотные летательные аппараты класса «мини»массой до 150 кг. Они работают на высоте до 3-5 км, продолжительность полетасоставляет 3-5 часов. Следующий класс — «миди». Это более тяжелыемногоцелевые аппараты массой от 200 до 1000 кг. Высота полета достигает 5-6 км,продолжительность — 10-20 часов.
И, наконец,«макси» — аппараты массой от 1000 кг до 8-10 т. Их потолок — 20 км,продолжительность полета — более 24 часов. Вероятно, вскоре появятся машиныкласса «супермакси». Можно предположить, что их вес превысит 15 тонн.Такие «тяжеловозы» будут нести на борту огромное количествоаппаратуры различного назначения и смогут выполнять самый широкий круг задач.
Если вспомнитьисторию беспилотных летательных аппаратов, то впервые они появились в середине1930-х годов. Это были дистанционно управляемые воздушные мишени, используемыена учебных стрельбах. После Второй мировой войны, точнее, уже в 1950-х годах,авиаконструкторы создали беспилотные самолеты-разведчики. Еще 20 лет понадобилосьна то, чтобы разработать машины ударного назначения. В 1970-х — 1980-х годахэтой тематикой занимались конструкторские бюро П. О. Сухого,А. Н. Туполева, В. М. Мясищева, А. С. Яковлева,Н. И. Камова. Из туполевского КБ вышли беспилотные разведчики«Ястреб», «Стриж» и находящийся на вооружении и сегодня — «Рейс», а также ударный «Коршун, созданный совместно с НИИ»Кулон". Достаточно успешно занималось беспилотными самолетами КБЯковлева, где разрабатывались аппараты «мини»-класса. Наиболееудачным из них стал комплекс «Пчела», который до сих пор стоит навооружении.
В 1970-х годахв СССР были развернуты научно-исследовательские работы по созданию беспилотныхсамолетов с большой высотой и продолжительностью полета. Ими занималось ОКБВ. М. Мясищева, где разрабатывали машину «макси»-класса«Орел». Тогда дело дошло только до макета, но почти через 10 летработы возобновили. Предполагалось, что модернизированный аппарат сможет летатьна высоте до 20 км и находиться в воздухе 24 часа. Но тут наступил реформенныйкризис, и в начале 1990-х годов программу «Орел» из-за отсутствияфинансирования закрыли. Примерно в то же время и по тем же причинам былисвернуты работы над беспилотным летательным аппаратом «Ромб». Этотуникальный по своей конструкции самолет, созданный совместно с «НИИДАР» при участии разработчика радиолокационной системы«Резонанс» Главного конструктора Э. И. Шустова, представлял собойразрезной биплан из четырех крыльев, составленных в виде ромба, в которыемонтировались крупногабаритные антенны, обслуживающие радиолокационную станцию.Масса его была порядка 12 тонн, а полезная нагрузка достигала 1,5 тонны.
После первойволны разработок «беспилотников» в 1970-х — 1980-х годах наступилодлительное затишье. Армию оснащали дорогостоящими пилотируемыми самолетами. Подних выделяли большие средства. Этим и определялся выбор тематики разработок.Правда, все эти годы «беспилотниками» активно занималось Казанскоеопытно-конструкторское бюро «Сокол». ОКБ «Сокол» стало, посуществу, специализированным предприятием по производству беспилотныхавиационных систем. Основное направление — беспилотные воздушные мишени, накоторых отрабатываются боевые действия различных военных комплексов и наземныхслужб, в том числе и комплексов ПВО.
Сегоднябеспилотные летательные аппараты «мини»- и «миди»-классапредставлены достаточно широко. Их производство под силу многим странам,поскольку с этой задачей могут справиться небольшие лаборатории или институты.Что же касается аппаратов класса «макси», то для их создания нужныресурсы целого авиастроительного комплекса.
В чем жепреимущества беспилотных летательных аппаратов? Во-первых, они в среднем напорядок дешевле пилотируемых самолетов, которые нужно оснащать системамижизнеобеспечения, защиты, кондиционирования… Нужно, наконец, готовить пилотов,а это стоит больших денег. В итоге получается, что отсутствие экипажа на бортусущественно снижает затраты на выполнение того или иного задания.
Во-вторых,легкие (по сравнению с пилотируемыми самолетами) беспилотные летательныеаппараты потребляют меньше топлива. Представляется, что для них открываетсяболее реальная перспектива и при возможном переходе на криогенное топливо.
В-третьих, вотличие от пилотируемых самолетов, машинам без пилота не нужны аэродромы сбетонным покрытием. Достаточно построить грунтовую взлетно-посадочную полосудлиной всего 600 метров. («Беспилотники» взлетают с помощьюкатапульты, а приземляются «по-самолетному», как истребители наавианосцах.) Это очень серьезный аргумент, поскольку 70% аэродромов в Украиненуждаются в реконструкции, а темпы ремонта сегодня — один аэродром в год.
Основнойкритерий выбора типа летательных аппаратов — стоимость. Благодарястремительному развитию вычислительной техники существенно подешевела«начинка» — бортовые компьютеры «беспилотников». На первыхаппаратах использовались тяжелые и громоздкие аналоговые вычислительные машины.С внедрением современной цифровой техники их «мозг» стал не толькодешевле, но и умнее, компактнее и легче. Это означает, что аппаратуры на борт можновзять больше, а ведь именно от нее зависят функциональные возможностибеспилотных самолетов.
Если жеговорить о военном аспекте, то беспилотные летательные аппараты находятприменение там, где в разведывательной операции или воздушном бою можно обойтисьбез пилота. На IХ международной конференции по «беспилотникам»,прошедшей в 2001 году во Франции, прозвучала мысль о том, что в 2010-2015 годахбоевые операции сведутся к войне автоматизи рованных систем, то есть кпротивоборству роботов.
Специалисты «ОКБСухого» проанализировали развитие существующих в мире научно-техническихпрограмм по созданию «беспилотников» и обнаружили стойкую тенденцию кувеличению их размеров и массы, а также высоты и продолжительности полета.Аппараты с большим весом могут дольше находиться в воздухе, выше подниматься идальше «видеть». «Макси» берут на борт более 500 кгполезной нагрузки, которая позволяет решать задачи большого объема и с лучшимкачеством.
Анализпоказал, что беспилотные самолеты класса «макси» и «супермакси»сегодня востребованы как никогда. Судя по всему, они могут изменить расклад силна мировом рынке летательных аппаратов. Пока эта ниша освоена толькоамериканскими конструкторами, которые начали работать над«беспилотниками» «макси»-класса на 10 лет раньше нас иуспели создать несколько очень хороших самолетов. Наиболее популярный из них«Глобал Хоук» (рис.5.1): он поднимается на высоту до 20 км, весит11,5 тонны, имеет продолжительность крейсерского полета более 24 часов.Конструкторы этой машины отказались от поршневых моторов и оснастили ее двумятурбореактивными двигателями. Именно после показа «Глобал Хоука» наавиасалоне в Ле-Бурже в 2001 году на Западе началась борьба за захват новогосектора рынка.
/>
Рисунок5.1. .Американскийбеспилотный самолет «макси»-класса «Глобал Хоук»
Еще во времясоздания первых беспилотных самолетов «макси»-класса «Орел»и «Ромб» была разработана концепция, согласно которой начали строитьбеспилотные аппараты, обеспечивающие наилучшие условия для размещения в нихполезной нагрузки. На «Ромбе», например, смогли совместить большиеантенные блоки размером 15-20 м с элементами самолета. Получилась«летающая антенна». Сегодня создается, по сути, летающуя платформадля аппаратуры наблюдения. Соединив полезную нагрузку с бортовыми системами,можно получить полноценный интегрированный комплекс, максимально оснащенныйрадиоэлектронным оборудованием (рис.5.2). Это будет качественно новый вид авиационнойтехники — стратосферная платформа для решения задач, которые либо не по силамнизко-, средневысотным пилотируемым и беспилотным машинам, либо требуютнеоправданно больших затрат при выполнении их спутниковыми группировками.
/>
Рисунок5.2. Многоцелевойбеспилотный летательный аппарат «Протеус» производства США
Весь мир ужеосознал, какую пользу и экономию могут принести беспилотные летательныеаппараты не только в военной, но и в гражданской сфере. Их возможности вомногом зависят от такого параметра, как высота полета. Сегодня пределсоставляет 20 км, а в перспективе и до 30 км. На такой высоте беспилотныйсамолет может конкурировать со спутником. Отслеживая все, что происходит натерритории площадью около миллиона квадратных километров, он сам становитсясвоего рода «аэродинамическим спутником». Беспилотные самолеты могутвзять на себя функции спутниковой группировки и выполнять их в режиме реальноговремени в рамках целого региона.
Чтобы изкосмоса вести фото- и киносъемку или наблюдать за каким-нибудь объектом, нужны24 спутника, но и тогда информация от них будет поступать один раз в час. Делов том, что спутник находится над объектом наблюдения всего 15-20 минут, а затемуходит из зоны его видимости и возвращается на то же место, совершив оборотвокруг Земли. Объект же за это время уходит из заданной точки, поскольку Землявращается, и снова оказывается в ней только через 24 часа. В отличие отспутника, беспилотный самолет сопровождает точку наблюдения постоянно.Проработав на высоте около 20 км более 24 часов, он возвращается на базу, а емуна смену в небо уходит другой. Еще одна машина находится в резерве. Этоогромная экономия, поскольку беспилотные самолеты на порядок дешевле спутников.
Беспилотныесамолеты могут конкурировать со спутниками и в сфере созданиятелекоммуникационных сетей и навигационных систем.
На «беспилотники» можно возложитьнепрерывное круглосуточное наблюдение за поверхностью Земли в широком диапазонечастот. Используя их, можно создать информационное поле страны, охватывающееконтроль и управление движением воздушного и водного транспорта, поскольку этимашины в состоянии взять на себя функции наземных, воздушных и спутниковыхлокаторов (совместная информация от них дает полную картину того, что делаетсяв небе, на воде и на земле).
Беспилотныелетательные аппараты помогут решить целый спектр научных и прикладных задач,связанных с геологией, экологией, метеорологией, зоологией, сельским хозяйством,с изучением климата, поиском полезных ископаемых… Они будут следить замиграцией птиц, млекопитающих, косяков рыбы, изменением метеоусловий и ледовойобстановки на реках, за движением судов, перемещением транспорта и людей, вестиаэро-, фото- и киносъемку, радиолокационную и радиационную разведку,многоспектральный мониторинг поверхности, проникая вглубь до 100 метров.
Потребностьмирового рынка в беспилотных авиационных системах с большой высотой ипродолжительностью полета представлена в виде диаграммы на рис. 5.3.
/>
Рисунок 5.3. Потребности мирового рынка в беспилотныхавиационных системах с большой высотой и продолжительностью полета.
Сферыприменения гражданского беспилотного самолета
ОБНАРУЖЕНИЕМАЛОРАЗМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ:
· воздушных
· надводных
· наземных
УПРАВЛЕНИЕВОЗДУШНЫМ ДВИЖЕНИЕМ:
· в труднодоступных районах
· при стихийных бедствиях и авариях
· на временных воздушных трассах в авиации народного хозяйства
КОНТРОЛЬМОРСКОГО СУДОХОДСТВА:
· поиск и обнаружение судов
· предупреждение аварийных ситуаций в портах
· контроль морских границ
· контроль правил рыболовства
РАЗВИТИЕРЕГИОНАЛЬНЫХ И МЕЖРЕГИОНАЛЬНЫХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СЕТЕЙ:
· системы связи, в том числе мобильные
· телерадиовещание
· ретрансляция
· навигационные системы
АЭРОФОТОСЪЕМКАИ КОНТРОЛЬ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ:
· аэрофотосъемка (картография)
· инспекция соблюдения договорных обязательств
· (режим «открытого неба»)
· контроль гидро-, метеообстановки
· контроль активно излучающих объектов контроль ЛЭП
КОНТРОЛЬ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙОБСТАНОВКИ:
· радиационный контроль
· газохимический контроль
· контроль состояния газо- и нефтепроводов
· опрос сейсмических датчиков
ОБЕСПЕЧЕНИЕСЕЛЬХОЗРАБОТ И ГЕОЛОГОРАЗВЕДКИ:
· определение характеристик почвы
· разведка полезных ископаемых
· подповерхностное (до 100 м) зондирование Земли
ОКЕАНОЛОГИЯ:
· разведка ледовой обстановки
· слежение за волнением моря
· поиск косяков рыбы
6.Гелиотранспорт
Электромобили,солнцемобили, солнечные велосипеды, электромоторные суда с солнечными батареями- все эти экологически чистые транспортные средства появились всего лет 15-20назад. За прошедшие годы электромобили перестали быть редкостью. Они находятвсе большее применение, особенно в крупных городах, перенасыщенныхавтотранспортом. Что касается солнцемобилей, то сегодня их можно встретить надороге очень редко. Это очень дорогое удовольствие. Между тем становится всеболее популярным и доступным по цене водный гелиотранспорт — маломерные суда,приводимые в движение солнечной энергией. Более всего они подходят для водноготуризма и рыбалки.
Солнцемобили в большинстве своем машины уникальные.В их конструкции используются оригинальные технические решения и новейшие материалы.Отсюда и очень высокая цена. Например, двухместный солнцемобиль«Мечта» (рис.6.1) обошелся японской автомобильной компании«Хонда» в 2 миллиона долларов. Но деньги были потрачены не напрасно.Трассу трансавстралийского ралли 1996 года протяженностью 3000 км он прошел сосредней скоростью почти 90 км/ч, а на прямом скоростном участке достиг 135км/ч. Рекорд «Мечты» до сих пор никем не побит.
/>
Рисунок 6.1.Солнцемобиль-рекордсмен «Мечта»
Солнцемобиль — это электромобиль, снабженныйфотоэлектрическими преобразователями (солнечными батареями) достаточно большоймощности, в которых энергия света преобразуется в электрический ток, питающийтяговый двигатель и заряжающий аккумуляторы.
Конструирование солнцемобилей и испытание их в гонкахпостепенно оформились в новый технический вид спорта — «брейнспорт».По сути дела — это состязания интеллектов создателей солнцемобилей. На нихотрабатываются параметры транспортных средств будущего. Чтобы солнцемобиль смаксимальной мощностью солнечных батарей и электромотора всего 1,5-2 кВт могсоперничать с автомобилем, необходимо использовать самые легкие и прочныеконструкционные материалы, высокоэффективные системы электропривода, последниедостижения аэродинамики, гелио- и электротехники, электроники и других наук.
Специалисты полагают, что солнечный транспорт станетвсерьез конкурировать с автомобильным, когда эффективность доступных по ценесолнечных элементов (фотоэлектрических преобразователей) составит 40-50%. Покаже их КПД всего 10-12%. Чтобы солнцемобили с мощностью солнечных батарей 1,5-2кВт «догнали» автомобили с двигателями в 100 раз мощнее, необходимоиспользовать легкие и прочные конструкционные материалы, эффективные системыэлектропривода, достижения аэродинамики, гелио- и электротехники, электроники идругих наук. Конструкции транспортных средств будущего и отрабатываются наралли солнцемобилей.
У солнцемобилей достигнут минимальный для наземныхэкипажей коэффициент аэродинамического сопротивления (0,1). Опыт концерна«General Motors» при разработке рекордного солнцемобиля«Sunracer» («Солнечный гонщик») (рис.6.2) использован впроектировании электромобиля «Impact» («Удар»), серийноепроизводство которого началось в 1996 г. Его скорость достигает 130 км/ч, до100 км/ч он разгоняется за 9 с и на обычных свинцово-кислотных аккумуляторахпроходит 100 км.
/>
Рисунок 6.2. СолнцемобильSunraycer
Специально для солнцемобилей сконструированы легкиебесколлекторные двигатели постоянного тока с магнитами из редкоземельныхметаллов и КПД до 98%, а также эффективные микропроцессорные системыуправления. В 1993 г. на трех солнцемобилях — лидерах трансавстралийских гоноквпервые низкооборотные двигатели встроили непосредственно в ступицы ведущихколес. Идея мотор-колеса, сама по себе не новая, в солнцемобилях позволилаотказаться от трансмиссии и довести КПД привода до 96-97%. В 1996 г. втрансавстралийском ралли участвовало уже 12 таких конструкций, а компания«Honda», вдохновленная успехом своей «Мечты», приступила ксерийному выпуску электровелосипедов с мотор-колесом. Известные производителишин — «Michelin», «Bridgestone», «Dunlop» — разрабатывают новые материалы и протекторы для покрышек солнцемобилей. Ужесозданы шины, которые при хорошем сцеплении с дорогой обладают самым низкимкоэффициентом сопротивления качению — всего 0,007. Фирма «Michelin»производит подобные энергосберегающие шины и для серийных автомобилей.
Солнечные батареи небольшой мощности на обычныхавтомобилях кондиционируют воздух в салонах и подзаряжают пусковые аккумуляторына стоянках, питают радио- и телеаппаратуру.
Однако существует гелиотранспорт, который, весьма вероятно,станет популярным и доступным в самое ближайшее время. Речь идет о маломерных судах,лодках, катерах, катамаранах, яхтах и других водных транспортных средствах,приводимых в движение солнечной энергией. Именно на воде задолго до появленияэлектромобиля было испытано первое транспортное средство с электрическимприводом. В 1833 году лодка с двумя электромоторами и 27 гальваническимибатареями поднялась по Неве на несколько километров. Принадлежала онаработавшему в Петербурге немецкому инженеру Морицу Якоби. Но из-за низкойэнергоемкости батарей эксперименты пришлось прекратить.
В начале ХХ века появились маломерные суда с двигателямивнутреннего сгорания. Энергоемкость углеводородного топлива была значительновыше той, что могли дать гальванические батареи. Лодки и катера с мощнымибензиновыми моторами очень быстро получили самое широкое распространение. Аэлектромоторные суда и их сухопутные «братья» — электромобили — из-заограниченного ресурса аккумуляторных батарей и сложности их зарядки донедавнего времени оставались исключительной редкостью.
Сегодня суда с бензиновыми моторами есть практически накаждом водоеме. Они отравляют воду и воздух, своим ревом, выхлопными газами,вызывающей эрозию берегов сильной волной нарушают условия жизни обитателей рек,озер и морей. Дело дошло до того, что приходится ограничивать, а кое-где запрещатьдвижение моторных лодок. Так что у электромоторных судов с солнечными батареямипоявился шанс стать им реальной альтернативой. Экологически чистые«солнечные» суда лучше других подходят для активного отдыха, спорта,рыбалки и туризма.
Превратить в «солнечный» транспорт водное судногораздо проще, чем машину: на палубе катера или лодки намного больше места дляразмещения солнечных батарей, чем в кузове автомобиля. Есть и другие плюсы. Наоткрытых водоемах фотоэлектрические преобразователи не затеняются ни деревьями,ни домами, ни машинами и поэтому отдают больше энергии. Водному транспорту неприходится преодолевать затяжные подъемы и спуски, стремительно разгоняться итормозить на светофорах, а значит, им нужно меньше энергии.
На всех транспортных средствах с солнечным приводом естьаккумуляторы. Их емкость и вес зависят от назначения судна. На катерах илилодках для воскресных прогулок они могут быть небольшими. Если«солнечной» лодкой пользоваться только по выходным, аккумуляторыможно заряжать в рабочие дни, причем солнечные батареи для зарядкиаккумуляторов стоит размещать не на самой лодке, а на стационарной береговойгелиостанции.
В коротком плавании можно обойтись и без аккумуляторов. Нотогда на случай непогоды нужно иметь на борту резервный движитель: весла,педали или парус. Роль паруса могут играть солнечные панели. Из них получаетсяи навес, который защитит от солнца и дождя.
В отличие от ДВС современные лодочные электромоторыпрактически не требуют ухода. Не нужно держать на судне емкости для топлива исмазочных масел и менять масло в двигателе.
Первое электромоторное судно, приводимое в движениесолнечной энергией, построил в 1975 году англичанин Алан Фримен. Егоэлектрокатамаран развивал скорость до 5 км/ч. В наши дни, всего через четвертьвека, скорость электролодок с солнечными панелями возросла более чем вдвое, иих можно купить в магазинах спорттоваров, например, в Германии, Швейцарии идругих странах.
Электромоторные суда на солнечных батареях не раз проходилииспытания в длительных морских путешествиях. В 1985 году японский яхтсменКеничи Хори на «солнечном» катере «Сикрикерк» в одиночкупересек Тихий океан. За 75 суток он преодолел 8700 морских миль. Скорость 3-5узлов, с которой «Сикрикерк» шел от Гавайских островов до островаБонин вблизи западного побережья США, была близка к средней скорости 9-метровойкрейсерской парусной яхты.
У «солнечного» судна есть немало преимуществперед парусным: плавание на нем гораздо меньше зависит от капризов погоды,удобно и то, что можно пользоваться электрическими средствами связи и бытовымиприборами. Например, на катере Кеничи Хори работали холодильник, СВЧ-печь,телевизор и видеокамера, спутниковая навигационная система, радиолокатор,метеорологические приборы и бортовой компьютер. Путешественник взял с собой водиночное плавание даже малогабаритную стиральную машину. Энергию для работыэтих приборов вырабатывали солнечные панели площадью 9 м2 и общеймощностью 1100 Вт. Из них 500 Вт использовалось днем для работы гребного винтаэлектродвигателя мощностью 0,33 кВт, 400 Вт — для зарядки аккумуляторнойбатареи, питающей двигатель ночью, 200 Вт — для бытовых нужд и работырадиостанции. Облегченные солнечные модули жестко крепились на крыше рубки ипалубе «Сикрикерка». Тяжелые аккумуляторы располагались в трюмнойчасти корпуса и служили балластом.
Экологически чистые транспортные средства, как наземные,так и водные, были представлены в международном экотуре«Финляндия-2000». Большой интерес специалистов и зрителей вызывалафинская «солнечная» яхта «Сольвейг» с палубой, облицованнойярко-синими фотоэлектрическими модулями. Установленный на ней электромотормощностью 1,5 кВт позволяет в солнечную погоду развивать скорость до 5 узлов.Шесть аккумуляторов емкостью по 125 А·ч, помещенные внутрь киля, повышаютустойчивость судна. В просторной каюте достаточно места для длительногопутешествия команды из четырех-пяти человек. Навигационные приборы, СВЧ-печь,холодильник, как и электромотор, получают энергию от солнечных батарей.Складывающаяся, чтобы свободно проходить под низкими мостами, мачтаприспособлена для паруса.
В экотуре «Финляндия-2000» участвовала еще одна«солнечная» яхта изобретате ля Йорма Панкала, названная«Атон» (по имени древнеегипетского бога Солнца). Легкое судно,изготовленное из стеклопластика, по форме напоминает маленький авианосец. Наего просторной палубе достаточно места для размещения солнечных панелейсуммарной мощностью 1200 Вт. На «Атоне» нет мачты, но Й. Панкаланамеревается оборудовать судно ветроэлектрогенератором на телескопическойстойке и парусом в виде воздушного змея. На мелководье, где нельзя пользоватьсягребным винтом, пропеллер реверсивного электрогенератора будет работать каквоздушный движитель.
В днище яхты есть стеклянный иллюминатор. Его можно открытьи облиться морской водой. Осадка судна всего 25 см, поэтому невысокого бортикавокруг иллюминатора вполне достаточно, чтобы избежать затопления судна.
Экотур «Финляндия-2000» убедил всех, что«солнечные» лодки, катера и яхты пригодны для плавания даже в такойсеверной стране, как Финляндия, — летом там солнечных дней не намного меньшечем на юге. Они могут быть совершенно автономными даже в длительном плавании иподходят как для малых рек и озер, так и для открытых морей.
Фотоэлектрические преобразователи энергии, химическиеисточники тока и системы электропривода, используемые на «солнечных»судах, становятся все более эффективными. Они занимают совсем немного места,поэтому даже на небольших «семейных» яхтах можно разместитьразнообразное дополнительное оборудование — от биотуалета до малогабаритнойсауны. Это особенно привлекает привыкших к благам цивилизации путешественников.«Солнечные» суда почти бесшумны. На них разговаривают, не повышаяголоса, слушают пение птиц, плеск волн и шум ветра, дышат свежим воздухом.Воспользоваться таким транспортом захочет каждый, кто любит совершать водныепутешествия.
7. Монорельсовыедороги
Монорельсовые дороги были предложены почти 180 лет назад.Первая русская монорельсовая дорога с конной тягой была сооружена у селаМячково в 1820 г. В основном для перевозки леса. Действующую электрическуюмодель подобной дороги построил в Петербурге инженер И.В.Романов в 1897 г.
Современная монорельсовая дорога – это железобетонная илиметаллическая балка (рельс), поднятая на эстакаду, и подвижной состав (вагоны)на тележках с пневматическими шинами. Различают навесные дороги, где вагоныимеют нижнюю точку опоры и как бы сидят верхом на несущей балке, и подвесныесистемы, где вагоны подвешиваются к тележкам, опирающимся на балку. Каждый изназванных типов дорог имеет свои преимущества и недостатки. Навесная дорогатребует более сложной системы ходовых частей для обеспечения устойчивостивагонов. Кроме того, в неблагоприятных метеоусловиях монорельс (балка)покрывается льдом или снегом и практически выводит систему из строя или требуеттрудоемкой работы по ее очистке. Наряду с этим данный тип дороги позволяетиметь значительно (на 2-3 м) меньшую высоту опор эстакады и, следовательно,меньшую строительную стоимость (рис.7.1). Для подвесных дорог необходимы,наоборот, более высокие опоры, чтобы обеспечить надлежащий подъем пола (дна)кузова вагона над поверхностью земли (4,0-5,0 м), но ходовые части вагоновсущественно упрощаются.
/>
Рисунок 7.1. Внешний вид монорельсовой навесной дороги
Действующие ныне монорельсовые дороги имеют в основномэлектрическую тягу, получая энергию от контактного провода. Они малошумны и незагрязняют воздушного бассейна. Поезд монорельсовой дороги, как и поездметрополитена, может состоять из одного или нескольких вагонов. Максимальнаяскорость движения на действующих дорогах составляет 70-125 км/ч, провознаяспособность – до 40 тыс. пасс/ч. Стоимость сооружения монорельсовых дорогпримерно в 2 раза ниже стоимости подземного метрополитена. При наличиисвободных пространств для установки эстакады они признаются эффективными вкачестве средств городского и пригородного транспорта, а также в сильнопересеченной и горной местности.
В восьмидесятых годах учеными Физико — энергетическогоинститута АН Латвийской ССР был создан весьма оригинальный проект монорельса намагнитной подушке для перевозок со скоростью 500 километров в час.
Вагон предполагалось создать на базе уже проверенного вэксплуатации фюзеляжа транспортного самолета Ил-18 (рис.7.2). Длина такоговагона, по проекту вмещавшего 100 пассажиров, составляла 36 метров, ширина 3,5метра, высота 3, 85 метра, а масса — 40 тонн. Под полом вагона размещалиськриостаты со сверхпроводящими магнитами, которые соединялись с кузовом черезрессорное подвешивание (т.к. при скорости 500 километров в час возмущения отпути невозможно гасить только за счет зазора в магнитной подвеске, принятогоравным 22 миллиметра). Преобразователи частоты управлялись бортовымкомпьютером.
/>
Рисунок 7.2 Монорельс на магнитной подушке
Во время стоянки и перемещения в депо и на экипировочныеучастки вагон должен был двигаться на колесах по рельсам с колеей 3 метра, придвижении на перегоне колеса убирались. На эти колеса экипаж также должен был«приземляться» при аварии системы магнитной подвески.
Была построена экспериментальная модель с вагоном массой3,2 килограмма. В 90-е годы сведений о продолжении работ по данному проекту непоступало.
Несмотря накажущуюся внешнюю простоту, монорельсовый путь и сложен в устройстве, итрудоемок в постройке. Несущая балка (собственно монорельс) на навесных дорогахизготавливается из монолитного или сборного железобетона, а на всех подвесных — из высокопрочной стали. Этот элемент конструкции должен выдерживать оченьбольшие нагрузки во время разгона и торможения поездов, а также при прохождениипоездами криволинейных участков пути. Таковые, в частности, для компенсациицентробежных сил, изогнуты в двух плоскостях, что приводит к удорожанию всейпостройки. Например, для строительства пути монорельсовой дороги в Диснейлендепришлось заказывать сложную сборную опалубку, состоящую из пятидесятиэлементов. Кроме того, монорельсовые дороги сложны в обслуживании пути иподвижного состава, а также требуют подъема пассажиров на эстакаду и спуска снее.
Указанныенедостатки привели к тому, что мире на данный момент построено несколькодесятков отдельных линий монорельсовых дорог протяженностью от сотен метров донескольких километров главным образом в качестве аттракционов в парках, навыставках и т.п.
Вместе с теммонорельсовые дороги могут иметь свою экономически целесообразную сферуприменения как полноценный вид городского и междугороднего транспорта.
8.Моторвагонныепоезда
Начальный этапразвития железных дорог характеризовался использованием пассажирских поездовисключительно на локомотивной тяге. С широким распространением электрическойтяги появилась альтернатива этому решению в виде поезда, в котором тяговаямощность распределена по всей его длине. До сих пор в этом отношении неопределилась единая тенденция, хотя в пригородных пассажирских перевозкахпрактически везде используется принцип распределенной тяги.
На линияхоблегченных городских железных дорог и трамвая гибкая и хорошозарекомендовавшая себя концепция «моторный вагон + прицепной вагон» в конце1950-х годов из-за больших расходов на персонал была заменена болеесовременной, предусматривающей использование моторвагонных поездов изсочлененных вагонов с общим салоном.
Наметрополитене и городских железных дорогах (S-Bahn), имеющих выход намагистральные линии, относительно высокая скорость движения и короткиерасстояния между остановками требуют применения поездов с большим числоммоторных осей. Еще в 1970 г. при разработке электропоезда серии 420 длягородской железной дороги Мюнхена исходили из максимальной мощности системытягового электроснабжения. Девятивагонный поезд с приводом на все оси имеетмощность продолжительного режима 7,6 МВт, развивает максимальную скорость 120км/ч и ускорение при разгоне 1 м/с2.
Дляпригородных и региональных пассажирских перевозок используют поезда налокомотивной тяге. Депо, осуществляющие техническое обслуживание пассажирскихвагонов и локомотивов, были исторически разделены в системе железных дорог.Поезда на локомотивной тяге позволяли гибко реагировать на измененияпассажиропотока путем увеличения или уменьшения числа вагонов. К сожалению,станции многих больших городов являются тупиковыми на ответвлениях отмагистральных линий. С введением уплотненных графиков движения время стоянкипоездов S-Bahn и региональных необходимо было сокращать из-за недостаточнойпропускной способности станций. Все указанные факторы говорили о том, чтовместо смены локомотивов речь могла идти только об использовании челночныхпоездов с локомотивом в одном конце и вагоном с кабиной управления в другом. Вкачестве альтернативного варианта могут рассматриваться моторвагонные поезда.
В составпассажирских поездов дальнего сообщения долгое время включались беспересадочныевагоны, которые на маршрутах большой протяженности, в том числе имеждународных, входили в состав разных поездов. В период развития системымеждугородных поездов InterCity (IC) беспересадочные вагоны в международныхсообщениях заменили поезда EuroCity (EC). Здесь для электроподвижного составасерьезным препятствием стали места стыкования разных систем тягового тока, адля поездов с тяговым приводом любого типа — различие систем СЦБ.
После того какна границах между европейскими странами были отменены остановки для паспортногои таможенного контроля, смена локомотивов стала тормозом для повышениямаршрутной скорости поездов. Современная силовая электроника позволяет сдопустимыми расходами строить многосистемные электровозы и электропоезда.Примером могут служить поезда Thalys Национального общества железных дорогФранции (SNCF) с концевыми моторными вагонами (рис.8.1) и ICE3 железных дорогГермании (DBAG) с распределенной тягой (рис.8.2).
/>
Рисунок 8.1. Высокоскоростнойпоезд Thalys с концевыми моторными вагонами
/>
Рисунок 8.2. Поезд ICE3 сраспределенной тягой
Из-за большогочисла тупиковых станций в Германии DBAG широко используют в междугородныхсообщениях челночные поезда. Логичным шагом был бы переход от них кмоторвагонным поездам с организацией технического обслуживания по системе,принятой для высокоскоростных поездов ICE.
Высокоскоростныеновые линии с мощными и комфортабельными поездами оправдывают себя только в томслучае, если капитальные и эксплуатационные затраты находятся в разумномсоотношении с доходами. Анализ затрат жизненного цикла (LCC) показывает, чторасходы на техническое обслуживание и ремонт подвижного состава (включаяфинансовые потери от простоя во время ремонта) являются важной статьей LCC.
Традиционнаяконцепция раздельного технического обслуживания тягового подвижного состава ипассажирских вагонов с разными интервалами проведения профилактических иремонтных работ оказывается несостоятельной при расчетах соотношения между LCCи экономической эффективностью. В связи с этим в Гамбурге, Мюнхене и Берлинедля технического обслуживания поездов ICE были построены специализированныедепо, в которых внедрена автоматическая система диагностики. Благодаря этомупоезда ICE имеют годовой пробег 550 тыс. км, в то время как для традиционныхпоездов на локомотивной тяге он составляет 300 тыс. км.
В этихдепо обслуживают поезда с концевыми моторными вагонами (ICE1, ICE2) и поезда сраспределенной тягой (ICE3, ICE-T). Длина ремонтного цеха составляет 400 м, чтосоответствует максимальной длине поезда и стандартной в Европе длине платформы.
Коммерческимаргументом в пользу применения моторвагонных поездов с распределенной тягойявляется увеличенная полезная длина. Если бы поезд ICE3 длиной 200 м имощностью 8 МВт не был с распределенной тягой, ему потребовалось бы двамоторных вагона по концам. При этом полезная длина уменьшилась бы на 30 м (15%), что означает потерю полезной длины пассажирской платформы и уменьшениечисла продаваемых пассажирских мест. Даже при одном моторном вагоне в головнойчасти и ограничении максимальной мощности поезда 6 МВт была бы значительнаяпотеря пассажирских мест по сравнению с моторвагонным той же длины.
Поезд длиной200 м, ведомый локомотивом и составленный из двухэтажных вагонов, по самымприближенным расчетам на 10 % дороже в изготовлении, чем поезд такой же длиныиз обычных вагонов. При этом число мест для сидения больше на 20 %, чем вобычном поезде.
На Тайване,например, потребовалось при коротких пассажирских платформах максимальноувеличить число мест в поезде. В европейском варианте (Alstom/Siemens) этупроблему предлагалось решить путем использования двухэтажных поездов сконцевыми моторными вагонами, в японском — за счет моторвагонных поездов свагонами увеличенной ширины (пять мест в ряду). Вариант двухэтажных поездов сраспределенной тягой и еще бóльшим числом мест был признан нереальнымиз-за дефицита свободного пространства под кузовами вагонов для размещенияоборудования.
К недостаткамдвухэтажных поездов в высокоскоростном движении следует отнести:
· увеличенную нагрузку на ось;
· большой объем вытесняемого воздуха при движении в тоннелях;
· увеличенную боковую поверхность, воспринимающую ветровуюнагрузку.
В высокоскоростном движении наметилась тенденция киспользованию моторвагонных поездов. При разработке ICE3 руководствовались темиже соображениями, что и в начале 1970-х годов, когда создавался моторвагонныйэлектропоезд серии 403: высокая скорость и соответствующая ей аэродинамика,повышенная мощность при хорошем сцеплении за счет большого числа моторных осей,комфортность.
Япония ссамого начала разработки системы Синкансен ориентировалась на поезда сраспределенной тягой, в то время как во Франции предпочтение отдали поездам TGVс концевыми моторными вагонами. Однако там тоже ведутся работы надвысокоскоростным моторвагонным поездом AGV.
Вдизель-поездах большим недостатком является вибрация, передаваемая кузову отдизеля. К этому добавляется шум вентиляторов, которые охлаждают тяговыепреобразователи, размещенные, как и дизель, под кузовом.
Дляэксплуатационных служб поездá на локомотивной тяге более удобны с точкизрения изменения составности в зависимости от колебаний пассажиропотока. В нихпассажиры в поисках свободного места могут беспрепятственно проходить черезвесь состав, что невозможно в моторвагонных поездах, составленных из двух иболее секций.
Длямоторвагонных поездов и челночных, имеющих концевой вагон с кабиной управления,большое значение имеют поперечные ветровые нагрузки, величина которых приповышенной скорости и малой массе поезда становится опасной. В наибольшейстепени ветровым нагрузкам подвержены японские поезда Синкансен, имеющие осевуюнагрузку 12 т. Стесненные габариты тоннелей на их линиях потребовали поискааэродинамически оптимального решения лобовой части поездов. Узкий и удлиненныйобтекатель облегчает прохождение тоннелей. Однако при движении на открытыхучастках под действием бокового ветра на нем возникает «эффект крыла», врезультате которого аэродинамическая подъемная сила разгружает переднюютележку.
В Японии присоздании поездов Синкансен стремятся к максимальному облегчению конструкций. Впервые годы на линиях Синкансен имели место серьезные проблемы с состояниемверхнего строения пути. Это в основном объяснялось низким качеством щебеночногобалласта при большой интенсивности движения высокоскоростных поездов.
Сейчас налиниях Синкансен используется путь на жестком основании. Для уменьшения осевыхнагрузок поезд серии 700, состоящий из 11 вагонов, выполнен с 36 моторнымиосями, причем тяговая мощность составляет лишь 275 кВт на одну ось. Эта мера,направленная на сохранение верхнего строения пути, усложняет конструкциюподвижного состава. Хотя производство больших партий моторно-редукторных блоковболее выгодно, в то же время увеличивается объем монтажа, а в эксплуатацииувеличиваются затраты на техническое обслуживание и увеличивается вероятностьповреждений. Другой крайностью с точки зрения концепции привода для такогопоезда мощностью 9,9 МВт было бы использование двух четырехосных концевыхмоторных вагонов, как в поезде ICE1. При этом длина поезда увеличилась бы с 280до 310 м при одном и том же числе мест.
Приведенныеаргументы еще не позволяют сделать окончательный вывод о том, какой концепциитягового привода следует отдать предпочтение. В связи с этим дается сравнениедвух реальных поездов, выполняющих одинаковую работу в близких эксплуатационныхусловиях, имеющих одинаковый годовой пробег и сравнимые концепции техническогообслуживания. Для этого использованы данные DBAG и результаты исследованийконсалтинговой компании DE-Consult.
Целью сравнения является выбор поезда с болеевысокой экономической эффективностью, для чего сравнивали расходы LCC поездаICE2 с концевыми моторными вагонами и ICE3 с распределенной тягой. Наиболееважные для сравнения технические данные приведены в табл. 8.1.
Таблица 8.1. Технические данные сравниваемых поездовПараметр Сравниваемые поезда ICE2 ICE3 Мощность, МВт 2 х 4,8 16 Масса тары, т 814 900 Длина поезда, м 385 398 Полезная длина, м 306 (80 %) 341 (86 %) Число мест для сидения без учета ресторана 927 (28 % в первом классе) 1124 (27 % в первом классе) Шаг расположения сидений, м: первого класса 1,15 второго класса 0,94 Затраты на поезд, % 100 118 Удельные затраты на место для сидения, % 100 98
Стоимость поезда с распределенной тягой выше, чем сконцевыми моторными вагонами. Однако из-за большего числа мест в этом поездепочти сохраняется равновесие с точки зрения затрат на одно место, так какразница в 2 % лежит в пределах полосы разброса результатов.
Для сравнениянеобходимо рассмотреть также и другие факторы. Затраты на приобретениеподвижного состава (капитальные) составляют всего лишь около 20 % LCC. Еслипренебречь расходами на утилизацию, которые потребуются через 25 или более лет,то получается, что 80 % LCC приходятся на эксплуатацию и техническоеобслуживание. Результаты сравнения приведены в табл. 8.2.
Т а б л и ц а 8.2. Сравнениезатрат жизненного циклаПараметр Сравниваемые поезда ICE2 ICE3 Срок службы, лет 25 Годовой пробег, тыс. км 550 Капитальные затраты, % LCC 20,2 21,5 Затраты на эксплуатацию без учета расхода энергии, % (%LCC) 100 (47,5) 104 (44,9) Затраты на энергию, % (%LCC) 100 (11,3) 125 (13,5) Затраты на техническое обслуживание, % (%LCC) 100 (21) 105 (20) Общие LCC, % 100 110 Удельные LCC на место для сидения, % 100 91
По предварительным расчетам, потреблениеэлектроэнергии более мощным поездом с распределенной тягой, а также расходы наего текущее содержание выше из-за большего числа тяговых двигателей иувеличенной пассажировместимости. Хотя общие LCC поезда с распределенной тягойна 10 % выше, они покрываются за счет более высоких доходов, обусловленныхбóльшим числом мест. В качестве окончательного результата сравненияможет служить 9 %-ный выигрыш в пользу поезда с распределенной тягой поудельным LCC на одно пассажирское место.
Несмотря на полученные расчетным путем иприведенные в таблицах результаты для поездов семейства ICE, каждый конкретныйслучай выбора должен рассматриваться отдельно с учетом всех местных условий ипараметров, таких, как скорость движения, расстояние между остановками,топография линий, величина пассажиропотока, возможности изготовления, ремонта итекущего технического обслуживания в стране использования. Для поездов налокомотивной тяге более удобна давно сложившаяся система техническогообслуживания в локомотивных и вагонных депо.
Компактный монтаж электрооборудования в локомотивепроще, чем при его распределении по всей длине под кузовами вагонов вмоторвагонном поезде. Для технического обслуживания полносоставныхмоторвагонных поездов в депо нужны цеха большой длины. Опыт показывает, чтоэффективность технического обслуживания значительно выше при проведении его накомплектном поезде, чем повагонно.
Вагоны поездов ICE3 и ICE-T изготавливают вГермании разные компании, объединенные в консорциум. Формирование поездовпроисходит лишь на путях испытательного центра компании Siemens вВегберг-Вильденрате.
Для поездов, используемых в дальнем сообщении,требование повышенной силы тяги при трогании (как у поездов S-Bahn) не являетсяобязательным. Однако здесь должна быть обеспечена избыточная сила тяги привыходе на максимальную скорость или движении на подъемах до 40 ‰. Достижениенеобходимой силы тяги связано с проблемой использования сцепления, которое, всвою очередь, зависит от осевой нагрузки в поездах на локомотивной тяге и отчисла моторных осей в моторвагонных поездах. Эти проблемы успешно решаютсяблагодаря использованию средств современной силовой электроники и надежнойзащите от юза и боксования. При этом достаточной является мощность 1,4 МВт наось локомотива (концевого моторного вагона) или 0,5 МВт на ось моторвагонногопоезда.
Поезда ICE1 и ICE2 с концевыми моторными вагонами,с распределенной тягой ICE3 и ICE-T из вагонов с наклоняемыми кузовамипоявились в последние 10 лет. В настоящее время они представляют собойсемейство поездов высокого класса, используемых в дальних сообщениях. Каждый изних имеет свою нишу на рынке транспортных услуг: ICE1 большойпассажировместимости используется на протяженных маршрутах, ICE2 на болеекоротких, ICE3 там, где требуется наибольшая максимальная скорость и имеютсяуклоны до 40 ‰, а ICE-T наиболее удобен на относительно старых линиях с большимчислом кривых.
В грузовых перевозках насегодняшний день альтернативы локомотивной тяге нет.
9.Комбинированные системы общественного рельсовоготранспорта
Историческисложилось так, что на наземный рельсовый транспорт в настоящее время приходитсяотносительно малая доля внутригородских пассажирских перевозок. В Европе иАмерике он не выдержал конкуренции со стороны частных автомобилей. Так, внастоящее время трамвайные сообщения функционируют примерно в 300 городах мира,тогда как между первой и второй мировыми войнами число таких городов было в 2раза бóльшим.
Первые линиигородского рельсового транспорта появились в Нью-Йорке в 1852 г., затем вПариже в 1853 г. Они проходили по улицам на уровне земли, не обособлялись от прочегоуличного движения. Однако последние линии трамвая в Париже были закрыты в 1937г., в Лондоне в 1961 г., чему способствовало наличие разветвленной сетиметрополитена и автобусных маршрутов.
В настоящеевремя самым «трамвайным» городом мира является Санкт-Петербург.Ежегодно 2000 поездов трамвая перевозят по линиям общей протяженностью более700 км около 1 млрд. пассажиров. На втором месте находится Москва с 1000поездами трамвая, протяженностью линий 450 км и объемом перевозок около 400млн. пассажиров в год. Трамвайные сообщения распространены в основном в городахВосточной и Центральной Европы. Наибольшим числом городов с трамвайнымсообщением располагает Германия: здесь трамваи есть в 52 городах, причем в 20из них численность населения не превышает 200 тыс. чел.
Городскиеадминистрации постепенно возвращаются к признанию общественного, особеннорельсового транспорта как действенного средства решения все осложняющихсятранспортных проблем, важнейшей из которых является перегрузка улицавтомобилями, ведущая к образованию заторов, следовательно, к увеличениювремени поездки, и загрязнению воздуха выхлопными газами. На первом этапе встолицах и крупнейших городах разных стран мира в расширяющихся масштабахстроились линии подземного метрополитена. Затем и в менее крупных городах сталисоздавать сети метрополитена облегченного типа, линии которого частичнопроходили на уровне земли. И, наконец, в последнее время обратили внимание натрамвай, стоимость инфраструктуры и подвижного состава которого существеннониже, чем метрополитена. Признаны такие достоинства трамвая, как высокаяпровозная способность и скорость движения поездов (при выделении обособленныхполос), а также экологическая чистота (при принятии мер по уменьшению шумовоговоздействия на окружающую среду). Таким образом, возникли условия длявозвращения трамвая в города.
В течениепоследних лет трамвай появился впервые или возродился примерно в 30 городахболее 10 стран мира. До конца 2000 г. будет открыто еще более 10 трамвайныхсетей, и до 100 проектов рассматриваются на пяти континентах, особенно в Азии,где потребности в общественном транспорте наибольшие. Однако в реальномосуществлении проектов лидируют США, где создаются 12 сетей, Франция (10) иВеликобритания (4).
Систематрамвай — поезд
Транспортныеадминистрации многих городов Европы и Америки в последнее время стали проявлятьинтерес к концепции использования в общественном транспорте для перевозок междуцентром города и пригородами или между центрами близлежащих городов подвижногосостава, способного обращаться по линиям как трамвайным, так и магистральныхжелезных дорог. Концепция таких комбинированных транспортных систем получиланазвание «трамвай- поезд» (tram- train). Еще 10 лет назад о ней малокто задумывался, несмотря на то, что по большей части колея трамвайных ижелезнодорожных сетей одинаковая и технические проблемы в принципе преодолимы.
Обе системырельсового транспорта имеют сходный по конструкции путь и основаны на общемпринципе использования сцепления в системе колесо- рельс. Однако онитрадиционно были полностью отделены друг от друга и эксплуатировалисьпо-разному, так что вопрос об их хотя бы частичном объединении никогда невозникал.
В то же времяв ряде случаев возникал вопрос другого плана- о возможности пропуска поездовтрамвая по неиспользуемым или мало используемым путям пригородныхжелезнодорожных линий, что позволяло бы жителям ближайших пригородов безпересадки попадать в центр города. Подобным же образом пригородные поезда моглибы заходить в центр города по путям трамвайных линий. Такое сочетание двухвидов общественного рельсового транспорта с совместным использованиеминфраструктуры было бы весьма полезным для повышения эффективности работыобщественного транспорта и создания дополнительных удобств для пассажиров приусловии, естественно, решения сопутствующих проблем.
Потенциальныйрынок для транспортных систем трамвай- поезд, судя по прогнозам и первымрезультатам реализации указанной концепции, имеет благоприятные перспективыразвития. В Германии примером расширения трамвайной сети за счетжелезнодорожных путей служат Карлсруэ и Саарбрюккен, в Великобритании-Манчестер. Уже есть опыт международного сотрудничества в данной области: поэтой концепции функционирует транспортная связь между Саарбрюккеном, Германия, иСаргемином, Франция.
Прорыв вуказанном направлении произошел во второй половине 1980-х годов, когдамуниципалитет города Карлсруэ, Германия, обратился к руководству железных дорогГермании (DBAG) с просьбой рассмотреть вопрос о пропуске поездов трамвая попримерно 20 км пригородной линии. Администрация городского транспорта Карлсруэ(AVG) эксплуатировала в то время 49 км внутригородских трамвайных линий.Первыми шагами стали приобретение у DBAG участка неиспользуемой грузовой линиидлиной в несколько километров и реконструкция его для пассажирского движения.Через 4 года, в ноябре 1998 г., после исследований и испытаний AVG и DBAGподписали соглашение, утвержденное соответствующими властями, об условияхсовместной эксплуатации участка Карлсруэ- Бреттен. Движение поездов трамвая поэтому участку было открыто в сентябре 1992 г. Эта транспортная система получиланазвание CityLink.
Общая длинасистемы CityLink несколько превышает 30 км. Она включает 6,4-км линию трамвая впределах города Карлсруэ, новую, специально построенную соединительную линиюдлиной 2,8 км и эксплуатируемый участок DBAG длиной 21 км до Бреттена; попоследнему участку движение обычных пассажирских и грузовых поездовпродолжается, как и ранее. В системе используется подвижной состав на две системытягового электроснабжения: трамвайную 750 В постоянного тока и железнодорожную15кВ, 162/3Гц переменного тока
Общаячисленность населения зоны, охватываемой CityLink, составляет более 500 тыс.чел., в том числе 270 тыс. жителей Карлсруэ. За истекшее с момента открытиявремя объем перевозок новой транспортной системы увеличился почти в 2 раза.
В 1996 г.подобным же образом было организовано движение поездов трамвая по путям DBAG вдругую сторону от Карлсруэ- до Баден-Бадена.
Через 5 летпосле Карлсруэ система комбинированного рельсового транспорта была открыта вСаарбрюккене, городе с населением 250 тыс. чел. В сентябре 1997 г. введена вэксплуатацию транспортная система Saarbahn длиной 19 км в южном от Саарбрюккенанаправлении, из которых 1 км проходит по территории Франции (от границы доСаргемина). Успешная эксплуатация первой в мире международной связи по системетрамвай- поезд побудила соответствующие органы к разработке других подобныхсвязей между городами Германии, Франции и Бельгии (Мюлуз- Фрайбург, Страсбур-Кель, Лилль- Турне и т. п.).
Реализацияпроекта в Саарбрюккене заняла меньше времени, чем в Карлсруэ (5 лет вместо 8),несмотря на дополнительные проблемы, связанные с пересечением границы ипостройкой нового участка длиной 5 км. Ее успех способствовал развертываниюработ к северу от Саарбрюккена, где система Saarbahn будет состоять из 11-кмучастка линии DBAG и нового участка длиной 14 км. Есть план связать немецкийгород Гершвайлер, также в земле Саар, с французским Форбахом. Таким образом, вСааре будет создана сеть транспортных систем трамвай- поезд, обслуживающаярегион с населением более 1 млн. чел.
За первый год эксплуатации системы Saarbahn (рис.9.1) в 250-местных поездах постройки компании Bombardier перевезено 8 млн.пассажиров, т. е. на 20 % больше, чем перевозили годом ранее по указанномумаршруту поезда трамвая, DBAG и автобусы, вместе взятые.
/>
Рисунок 9.1. Поезд транспортной системы Saarbahn в Саарбрюккене
Среднесуточный объем перевозок на 10 % превысилпрогнозировавшийся. Доля системы в общем пассажиропотоке достигла 50 %, в товремя как ранее доля пригородных поездов DBAG не превышала 10 %.
Около 20городов Германии, имеющих трамвайные сообщения, проявили интерес ксотрудничеству с DBAG, другими железнодорожными операторами, компаниями-изготовителями подвижного состава в создании аналогичных транспортных систем.Полагают, что система трамвай- поезд оптимальна для транспортного обслуживаниярегионов с населением порядка 500 тыс. чел.
По мере тогокак системы комбинированного рельсового транспорта приобретали признание вкачестве полноправных участников процесса пассажирских перевозок наряду страдиционными системами, прояснялись возникающие вопросы и находились ответы наних, но одновременно повышались требования со стороны причастных транспортныхадминистраций. Компании-операторы стараются решать проблемы совместимостиполностью независимых, различных с технической точки зрения и по-разномууправляемых транспортных систем на одной инфраструктуре. По общему мнению,согласования технических параметров подвижного состава, постоянных сооружений иустройств, унификации эксплуатационных процедур недостаточно. Требуется болееразносторонний подход, соответствующий условиям каждого отдельного случая.
Для такихтранспортных систем, как трамвай- поезд, основной проблемой остаетсяобеспечение безопасности при столкновениях. Подвижной состав системы долженпредставлять пользователям сочетание качеств, присущих как трамваю(доступность, комфорт, вписывание в городскую среду), так и поезду (высокая,как правило, бóльшая, чем у обычного трамвая, скорость, достаточнаяпассажировместимость, сопротивляемость ударным нагрузкам).
Последнийаспект характеризуется тем, что в течение длительного времени требования кударной прочности подвижного состава трамвая и железных дорог, обеспечивающейбезопасность пассажиров при столкновениях, существенно отличались. Так, длявагонов поездов магистральных железных дорог величина лобовой ударной нагрузки,воспринимаемой без разрушения основной конструкции и, следовательно, без ущербадля здоровья пассажиров, во многих странах определена равной 150 т. В СШАдействуют более строгие стандарты, в Азии и Африке — менее строгие. Для вагоновтрамвая с учетом меньшей скорости движения и вероятности столкновений в общемслучае считается достаточной сопротивляемость ударной нагрузке 50 т, причем этавеличина тоже варьируется в некоторых пределах в зависимости от местныхусловий.
Разница между150 и 50 т и послужила, в частности, одной из причин отсутствия у SNCF плановпо совместному использованию железнодорожной инфраструктуры. Напротив, железныедороги Германии и Швейцарии проявили бóльшую гибкость и несколько летназад снизили требования к ударной прочности подвижного состава облегченноготипа до 60 т, объясняя это спецификой эксплуатации и техническим прогрессом вобластях проектирования и материаловедения, позволившим, например, вводить вконструкцию подвижного состава деформируемые элементы, поглощающие энергиюсоударения. Разработаны и другие меры активной и пассивной безопасности,обеспечивающие достаточную прочность даже при уменьшении массы.
В подвижномсоставе новейших систем трамвай- поезд, вводимом в эксплуатацию после 1997 г.,удалось совместить эксплуатационную гибкость двухсистемного подвижного составатранспортной системы CityLink в Карлсруэ, позволяющую ему обращаться по линиям,электрифицированным на разных родах тока, и высокий уровень комфортасовременных поездов трамвая, например наличие пола пониженного уровня,облегчающего и ускоряющего посадку и высадку пассажиров.
Компании-изготовителитакже вводят в подвижной состав таких систем элементы внутреннего оснащения,прежде характерные только для вагонов пассажирских поездов, например установкикондиционирования воздуха, кресла с изменяемым углом наклона спинок,перегородки, выделяющие в общем салоне отдельные купе, и т. п.
Подвижнойсостав систем трамвай- поезд в Германии оснащается выдвижными ступенями увходных дверей для компенсации разницы уровней пола тамбуров и посадочныхплатформ. В тяговом приводе применяются преобразовательные установки идвигатели, позволяющие развивать скорость до 100 км/ч. В то же время этообусловливает определенное увеличение стоимости подвижного состава (до 4,8 млн.нем. марок за 200-местный поезд), отражающееся на эксплуатационных расходах.Так, в Саарбрюккене повышение уровня комфорта и выполнение требований,обеспечивающих совместимость трамвая и железных дорог, обходится в 8,5 марки/поездо-км,или 5 млн. марок в год, что вынуждает увеличивать цену каждого билета на 0,5марки. Однако, по общему мнению, эти затраты считаются оправданными.
Все сказанноеобъясняет, почему термин «трамвай- поезд» становится все болеепривычным для администраций городского общественного транспорта и железныхдорог многих стран. Использование этой концепции открывает путь к возвращениюрельсового транспорта в города и дает возможность решить многие проблемывнутригородских и пригородных пассажирских перевозок.10.Скоростной пассажирский трубопровод
Этотскоростной пассажиро-трубопровод называется FTS (Fast Tube System). Придумалиего англичане. FTS представляет собой сеть труб с проложенными в них обычнымижелезнодорожными рельсами, а также N-ное количество станций для приёмапассажиропотока, который по этим трубам и планируется направить.
Само собой, как и в описании любого, транспортногопроекта ХХI века, в первую очередь, любопытствующим представляются глобальныедостоинства проекта. Они обычно одинаковые, но в этот раз некоторые назовём:во-первых, экология, пробки на дорогах и подобное, во-вторых, это альтернативавсему общественному транспорту и, наконец, в-третьих, FTS — дёшево исовсем не сердито. Быстро, удобно, никаких проблем.
Изобретателипишут, что самым затратным в FTS будет возведение станций. Всё остальноеерунда: прокладка труб — тот же водопровод, капсулы — дешевлеавтомобилей. Действовать система будет целиком и полностью автоматически, такчто и на персонал особо тратиться не надо. Стартовые инвестиции и вперёд кфантастическим прибылям и экологически чистому миру.
Проектировщикипридумали, что в трубах, которых должно быть две (туда и обратно), будетвакуум — он-то и обеспечит скорость, бесшумность и отсутствие воздушногосопротивления. Внутри же, по замыслу британских разработчиков, капсула —это система жизнеобеспечения и беззаботного времяпрепровождения с диваном,телевизором и, что немаловажно, системой подачи воздуха. Никаких средствуправления в капсуле нет — незачем (рис.10.1).
/>
Рисунок 10.1. Конструкция пассажирского трубопровода
Все капсулыFast Tube System движутся с одинаковой скоростью и в унисон. Как быть спитанием — разработчики до конца не определились: решено, что это будетэлектричество, а вот как подвести энергию пока не ясно. Конструкторы пишут, чтода, это «конечно, одна из главных проблем проекта», ну да мычто-нибудь придумаем.
Впрочем, не будем останавливаться на«мелочах» — для FTS итак уже много чего придумано интересного:дизайн станций, например, комфорт и сервис для пассажиров.
Каждая станцияхранит в вакуумном отстойнике некоторое количество капсул.
И вообще,капсулы (пустые и полные) циркулируют по FTS удивительно чётко — автоматически.Для трубопровода авторы проекта придумали «Автоматическую системууправления». Это царь и Бог FTS, его надо принять как должное и двигатьсядальше.
Отважившиесястать пассажирами подходят к компьютеру, выбирают маршрут, оплачивают поездку иждут. Вокзал есть вокзал. Вскоре голос из репродуктора под потолком объявляет,к какому выходу должны подойти отъезжающие — так же, как в переговорномпункте называют номер телефонной кабины.
«Карета»подана, пассажир заходит в неё, как в лифт, после чего вакуумная«упаковка» автоматически закрывается, капсула принимаетгоризонтальное положение, выезжает из станционного «аппендицита» во«вторую трубу», где происходит первое ускорение, а затем — вГлавную трубу. 420 км/час.
Хотя авторыпроекта и пишут, что в прямой трубе скорость выше, им известно о том, что трубадолжна изгибаться — разработали 12 вариантов изгиба.
Да, есть ещёнесколько «мелочей» и «главных проблем»: как ни крути, нокапсулам иногда придётся двигаться с разной скоростью — ускоряться,замедляться перед станциями — это, как пишут конструкторы —«существенные технические препятствия».
Теперь окомфорте и сервисе для пассажиров. Начнём с того, что при входе в капсулу«они будут испытывать не больший психологический дискомфорт, чем при входев лифт». Не будет дискомфорта и внутри: здесь идеальный искусственныйклимат, а на всякий случай — кислородные маски.
Ещёрассматривается вариант с подушкой безопасности — такой же, как вавтомобилях: «воздушная подушка должна быть достаточно большой, чтобыфактически заполнить капсулу, таким образом, зафиксировав пассажира наповерхности уютной кровати в безопасном, но сильно ограниченном положении.Однако поставка воздуха после развёртывания подушки могла бы быть связана снекоторыми специфическими трудностями».
Ремнибезопасности — дело сугубо добровольное: «в случае механическойполомки (колёса, рельсы, тормоза) система безопасна, но если такая поломкаслучится, то последствия будут очень серьёзными, как несчастный случай ввоздухе».
Перегрузки приускорении и замедлении предлагается минимизировать за счёт эргономикипассажирского места. В случае проблем пассажир сможет сообщить о них посредствомвидеосвязи, оплата производится кредитной карточкой. С помощью всё той жевидеосвязи можно заказать себе такси к станции следования.11.Индивидуальные летательные аппараты
Одна из первыхмоделей миниатюрного разборного вертолёта была создана компанией HillerHelicopters в 1954 году. Она называлась Rotorcycle, и была создана специально для американских военных лётчиков (рис.11.1).На ней пилоты должны были возвращаться к «своим» через линию фронта,если их самолёты были сбиты над вражеской территорией. Сброшенный с парашютомRotorcycle пилоты собирали бы вручную без каких-либо подручных инструментов втечение нескольких минут.
/>
Рисунок 11.1. Rotorcycle
10 января 1957года опытный образец Rotorcycle поднялся в небо. По результатам испытаний былзаключён контракт с английским авиационным заводом Сандерса Роя (Saunders Roe)на создание ещё десяти вертолётов. В итоге, к концу 1961 года было построенодвенадцать Rotorcycles: семь военных (XROE-1 и YROE-1) и пять гражданских(G-46).
Военные«вертушки» были отправлены в США для дальнейших испытаний, тривертолёта в ноябре 1962 года приобрёл исследовательский центр NASA (NASA AmesMoffett Field), а ещё два остались где-то в Европе. Rotorcycle так и не был принятна вооружение — американские военные по какой-то причине отказались от него ещёдо окончания испытаний.
В конце1999-го года у американцев появились неожиданные последователи — японскаякомпания «Engineering System». Она представила свою модель GEN H-4.70-килограммовый пилот может летать на ней без дозаправки целый час соскоростью до 88 км/час. Максимальный вес, который способен поднять вертолет — 86 кг. При взгляде на фотографии схожесть моделей становится очевидной(рис.11.2).
/>
Рисунок 11.2. Миниатюрный вертолет компании «Engineering System»
Вертолётприводится в движение четырьмя суперлёгкими двигателями (40 лошадиных сил), ноесли один из двигателей выйдет из строя, GEN H-4 может лететь и на трёх, аэкстренную посадку совершить и на двух.
Каждыйдвигатель работает автономно, и разработчики считают маловероятной поломку всехдвигателей сразу. Но и на такой непредвиденный случай в комплект GEN H-4 входитпарашют.
Топливо длявертолёта — это смесь автомобильного бензина с маслом для двухтактныхдвигателей в соотношении 30:1. В баке помещается от 2 до 5 галлоновтоплива.
Представители Engineering System уверяют, что срокобучения для пилотов минимальный (от двух часов) и нужен больше для их жебезопасности: управление достаточно бесхитростное. Панель управлениярасположена прямо перед пилотом между двумя ручками, как на мотоцикле. Основныекнопки расположены справа и слева: на них удобно нажимать большимипальцами.Разработчики планирует поместить на панели определитель высоты, а подсиденьем баллоны с кислородом, так как одноместный геликоптер сможетподниматься в области разреженного воздуха. Ориентировочная стоимость вертолёта~ 30000 $.
Второеустройство для индивидуальных полётов называется ракетный ранец. Его называютпо разному- Small Rocket Lift Device, Bell Rocket Belt, Personal Jetpack,Rocket Backpack, Jet Pack, Jet Flying Belt, Jet Belt, Jet Vest и так далее — нодостоверной информации об этом «средстве передвижения» крайне мало
Хотя первыйкороткий эксперимент с размещением на спине пороховых ракет, запечатлела ещёнемецкая кинохроника 30-х годов (зрители видят быструю и достаточножёсткую «посадку» на землю испытателя) — идею о техническомвоплощении ракетного ранца приписывают Уэнделлу Муру (Wendell Moore), инженеруиз компании Bell Aerospace. В 1953 году Мур взялся за разработку ранца,получившего тогда неромантичное название «Маленькое ракетное подъёмноеустройство» (Small Rocket Lift Device — SRLD). Первую версию SRLD в 1958году Уэнделл Мур испытал сам.
Несмотря насомнительный успех первых коротких «полётов» на небольшое расстояние,разработка устройства в Bell Aerospace продолжалась — были добавлены рычагиуправления, усовершенствована конструкция и так далее, но сделать ранецпо-настоящему безопасным всё же не удавалось. В конечном счёте, были достигнуты20-секундная продолжительность полёта с максимальной высотой 4,5 метра.
В 1959 годубыл заключён контракт с аэрокосмической компанией Aerojet-General, котораядолжна была всесторонне изучить и испытать SRLD. Экспериментировать сустройством начала и компания Reaction motors (RMI).Позже американские военныевели переговоры с Bell Aerospace относительно изготовления SRLD и, в итоге,контракт с Army's Transportation, Research and Engineering Command (TRECOM) былподписан, а Мур стал техническим директором проекта SRLD.
Послеподписания контракта был создан 280-фунтовый ракетный двигатель, а в качествесамого безопасного топлива выбрана перекись водорода (Peroxide). Муру вкачестве лётчика-испытателя SRLD в то время пришлось не раз испытывать своёизобретение на заводе Bell в Буффало, но после того, как одно из такихиспытаний закончилось серьёзной травмой колена, изобретателю пришлось навсегдаоставить мысль о полёте на своём устройстве.
Дело былопередано другому инженеру, Гарольду Грэму (Harold Graham), который продолжилиспытания и 20 апреля 1961 года совершил при помощи SRLD первый свободныйполёт. Грэм за 13 секунд пролетел со скоростью 16 км/час расстояние в 34 метра.
Первыепоказательные выступления состоялись 8 июня 1961 года, конечно же, передвоенными в Fort Eustice в Вирджинии, но более удачной была демонстрациявозможностей SRLD на лужайке у Пентагона.
Затемреактивный ранец не раз демонстрировали на выставках, ярмарках и подобныхмероприятиях, включая полёт перед президентом Кеннеди в Форте Bragg.
В конце 60-хBell Rocket Belt («Ракетный пояс») и лётчик-испытатель Билл Суитор(Bill Suitor) объездили почти весь мир и стали очень популярными — Суитор дажесыграл роль в кинофильме.
В 1965 году наэкраны выходит фильм «Thunderball»: Джеймс Бонд надевает ракетныйранец и говорит, что без этого устройства мужчина не может считать себяджентльменом.
Однако,несмотря на очевидную популярность, ракетный ранец что называется «неприжился». Главным образом из-за краткой продолжительности полёта и егосомнительной безопасности. Вскоре от ранца отказались и военные.
В 1969, когдаУэнделл Мур умер, Bell Aerospace пересмотрела свои планы относительно«Ракетного пояса» и в январе 1970 года уступила лицензию на продажу ипроизводство устройства, к тому времени звавшемуся Bell Jet Belt, компанииWilliams International, которая взялась за развитие «ранца» с цельюувеличить продолжительность полёта.
С тех порреактивный ранец стал экзотикой. Лишь изредка его используют для его развлеченияпублики в перерывах на футбольных матчах, в рекламных шоу или для трюков вкино. Ракетный ранец видели на открытии Олимпийских Игр в 1984 году.
В настоящеевремя ракетные ранцы, сделанные Уэнделлом Муром, хранятся в музее Нью-йоркскогоУниверситета и в музее университетского городка Буффало.
О реактивномранце вспомнили лишь в 1995 году: группа инженеров из Техаса разработалаусовершенствованную и слегка увеличенную версию, названную RB2000 Rocket Belt. Перепроектированный «пояс» позволял летатьна 50% дольше, чем его «предок» — 30 секунд вместо 20.
Ракетноетопливо состоит из трёх компонентов: перекиси водорода (hydrogen-peroxidepropellant), газообразного азота под высоким давлением (high-pressure nitrogengas) и нитрата серебра (samarium-nitrate-coated silver), который действует каккатализатор.
Дваметаллических резервуара вмещают 23 литра перекиси водорода. Когда пилототкрывает клапан, выпущенный под давлением газ азота выталкивает пероксид вкамеру с катализатором, где происходит химическая реакция, в результате которойперекись водорода превращается пар с температурой 743 градуса Цельсия. Парвыходит наружу через две согнутых трубы за спиной пилота. Центр масс человеканаходится чуть ниже сопел, поэтому при полете сохранятся вертикальное положениетела. Впереди, как подлокотники у кресла, 2 ручки управления. Они жесткосцеплены с ранцем за спиной, а вот у самого ранца есть небольшая свободапередвижений, его можно слегка наклонять в разные стороны. Под правой рукойрегулятор мощности, управляющий реактивной струей.
Из-за высокой температуры отважившийся наполёт смельчак должен быть облачён в стойкий к высокой температуре костюм. Самполёт длится всё те же 30 секунд, а максимальная скорость 161 км/час.
В настоящеевремя ни одна компания не занимается ракетными ранцами, если не считать RocketMan Inc, которая в виде реактивных ранцев выпускает сумки-холодильники длянапитков.Заключение
Ускорениенаучно-технического прогресса на транспорте в современных условиях – задачамного плановая, сложная и капиталоемкая, но она должна быть решена, так как несуществует другого пути для выхода транспорта транспорта на уровень, отвечающийвсем перспективным требованиям общества.
Современнаяжизнь характеризуется бурным развитием науки и техники вовсех сферахчеловеческой деятельности. Этот процесс предопределяет более быструю сменухарактера техники и технологии во всех отраслях народного хозяйства, включая исам транспорт.
В наше времянаучно-технический прогресс развивается лавинообразно: в прошлом отвозникновения идеи до ее реализации проходили столетия и десятилетия, теперь –нередко считанные годы.
В результатепроисходит быстрое моральное старение техники, возникает необходимость все вновых и новых открытиях. Новые виды транспорта призваны облегчить жизньчеловека, сделав ее еще более комфортной, но при этом от них требует соблюдениевсех экологических норм, которые с каждым днем становятся все жестче.
Новые видытранспорта, краткая характеристика которых была дана в этой работе, являютсялишь малой часть всех тех усовершенствований, которые сделаны человеком запоследние несколько лет. Одни из них являются ныне действующими системами,другие ожидают введения в эксплуатацию после идущих в настоящее времяиспытаний, третьи – слишком футуристичны и дорогостоящи на сегодняшний день (нои они могут воплотиться в жизнь в ближайшем будущем). Но все они уже сегодняпомогают обществу решить те насущные проблемы, которые возникли в результатедеятельности людей, и этот процесс уже нельзя остановить.
Литература:
1. Аксенов И.Я.Единая транспортная система: Учеб. для вузов – М: Высш. шк., 199.
2. Гулиа Н.В.,Юрков С. Новая концепция электромобиля: Наука и техника – 2000 — №2.
3. Пополов А.Индивидуальный электротраспорт XXIвека: Наука и техника – 2001 — №8.
4. Постников Д.Электромобиль: «за» и «против»: За рулем – 1997 — №2.
5. Пополов А.Электровелосипед сегодня и завтра: Наука и техника – 1999 — №8.
6. Новый городскойтранспорт – автомобиль на рельсах: MEMBRANA– 2002 – №1.
7. Монокар –двухколесный автомобиль: ООО «Скиф», 2002.
8. Каримов А.Х.Беспилотные самолеты: максимум возможностей: Наука и Жизнь – 2002 — №6.
9. Пополов А.«Солнечным» судам счастливого плавания: Наука и Жизнь – 2001 — №6.
10. Измеров О.Самолет садится на рельсы: Неизвестный отечественный монорельс.
11. Моторвагонныепоезда – альтернатива локомотивной тяге: Железные дороги мира – 2002 — №1.
12. Батисс Ф.Комбинированные системы общественного рельсового транспорта: Железные дорогимира – 2000 — №8.
13. Fast TubeSystem — скоростной пассажирский трубопровод: MEMBRANA– 2002 – №5.
14. Лесков И.В.Индивидуальные летательные аппараты: Границы бесконечности – 2002 — №1.