Как работают поезда на магнитной подвеске

Развитие общественного транспорта коренным образом изменило человеческую цивилизацию. В 1860-х годах трансконтинентальная железная дорога превратила многомесячное путешествие по Америке в недельное путешествие. Всего несколько десятилетий спустя легковые автомобили позволили передвигаться по сельской местности намного быстрее, чем на лошадях. И, конечно же, в эпоху Первой мировой войны первые коммерческие рейсы снова начали преобразовывать наши путешествия, делая поездки от побережья до побережья делом нескольких часов. Но железнодорожные перевозки в США сегодня не намного быстрее, чем сто лет назад. Для инженеров, ищущих следующий большой прорыв, возможно, «волшебные» плавучие поезда - это просто билет.

В 21 веке есть несколько стран, использующих мощные электромагниты для разработки высокоскоростных поездов, называемых поездами на магнитной подвеске . Эти поезда плывут по рельсовым путям, используя основные принципы использования магнитов для замены старых стальных колес и рельсовых путей. Здесь нет рельсового трения, о котором стоит говорить, а это означает, что эти поезда могут развивать скорость до сотен миль в час.

Однако высокая скорость - это лишь одно из главных преимуществ поездов на магнитной подвеске. Поскольку поезда редко (если вообще когда-либо) касаются рельсов, шума и вибрации гораздо меньше, чем у обычных поездов, сотрясающих землю. Меньшая вибрация и трение приводят к меньшему количеству механических поломок, а это означает, что поезда на магнитной подвеске с меньшей вероятностью столкнутся с задержками, связанными с погодными условиями.

Первые патенты на технологии магнитной левитации (маглев) были поданы американским инженером французского происхождения Эмилем Бачелет еще в начале 1910-х годов. Еще до этого, в 1904 году, американский профессор и изобретатель Роберт Годдард написал статью, в которой излагалась идея левитации на маглеве [источник: Witschge ]. Вскоре инженеры начали проектировать системы поездов на основе этого футуристического видения. Они считали, что вскоре пассажиры будут садиться в вагоны с магнитным приводом и перемещаться с места на место на высокой скорости без многих забот, связанных с обслуживанием и безопасностью традиционных железных дорог.

Большая разница между поездом на магнитной подвеске и обычным поездом заключается в том, что поезда на магнитной подвеске не имеют двигателя - по крайней мере, такого двигателя, который используется для буксировки обычных вагонов поезда по стальным путям. Двигатель для поездов на магнитной подвеске довольно незаметен. Вместо использования ископаемого топлива магнитное поле, создаваемое наэлектризованными катушками в стенках направляющих и рельсовым путем, объединяется для движения поезда.

Если вы когда-нибудь играли с магнитами, вы знаете, что противоположные полюса притягиваются, а подобные полюса отталкиваются. Это основной принцип электромагнитной тяги . Электромагниты похожи на другие магниты в том, что они притягивают металлические предметы, но магнитное притяжение носит временный характер. Вы можете легко создать небольшой электромагнит самостоятельно, подключив концы медного провода к положительным и отрицательным концам АА, С или D-клеточной батареей . Это создает небольшое магнитное поле. Если вы отсоедините любой конец провода от аккумулятора, магнитное поле исчезнет.

Магнитное поле, созданное в этом эксперименте с проводом и батареей, является простой идеей рельсовой системы поезда на магнитной подвеске. Эта система состоит из трех компонентов:

Далее посмотрим на трек.

1. Трасса Маглева
2. Электродинамическая подвеска (EDS)
3. Используемая технология Maglev

Намагниченная катушка, идущая вдоль пути, называемая направляющей , отталкивает большие магниты на ходовой части поезда, позволяя поезду парить на расстоянии от 0,39 до 3,93 дюйма (от 1 до 10 сантиметров) над направляющей [источник: Босло ]. Когда поезд левитирует, энергия подается на катушки в стенках направляющих, чтобы создать уникальную систему магнитных полей, которые тянут и толкают поезд по направляющей. Электрический ток, подаваемый на катушки в стенках направляющих, постоянно меняется, чтобы изменить полярность намагниченных катушек. Это изменение полярности заставляет магнитное поле перед поездом тянуть транспортное средство вперед, в то время как магнитное поле позади поезда увеличивает тягу вперед.

Поезда Maglev плавают на воздушной подушке, исключая трение. Отсутствие трения и аэродинамический дизайн поездов позволяют этим поездам развивать беспрецедентную скорость наземного транспорта - более 310 миль / ч (500 км / ч), что в два раза быстрее, чем самый быстрый пригородный поезд Amtrak [источник: Boslaugh ]. Для сравнения: коммерческий самолет Боинг-777, используемый для полетов на большие расстояния, может развивать максимальную скорость около 562 миль / ч (905 км / ч). Разработчики говорят, что поезда на магнитной подвеске в конечном итоге свяжут города на расстоянии до 1 609 километров друг от друга. На скорости 310 миль в час вы можете добраться из Парижа в Рим чуть более чем за два часа.

Некоторые поезда на магнитной подвеске способны развивать даже большую скорость. В октябре 2016 года сверхскоростной поезд на магнитной подвеске Японской железной дороги за короткий пробег разогнался до скорости 374 миль в час (601 км / ч). Такие скорости вселяют в инженеров надежду, что технология окажется полезной для маршрутов протяженностью в сотни миль.

Германия и Япония разработали технологию поездов на магнитной подвеске и испытали прототипы своих поездов. Немецкие и японские поезда, хотя и основаны на схожих концепциях, имеют явные различия. В Германии инженеры разработали систему электромагнитной подвески ( EMS ) под названием Transrapid. В этой системе нижняя часть поезда оборачивается вокруг стальногопутеводитель. Электромагниты, прикрепленные к ходовой части поезда, направлены вверх к направляющей, которая поднимает поезд примерно на 1/3 дюйма (1 сантиметр) над направляющей и удерживает поезд в левитации, даже когда он не движется. Другие направляющие магниты, встроенные в корпус поезда, обеспечивают его устойчивость во время движения. Германия продемонстрировала, что поезд на магнитной подвеске Transrapid может развивать скорость до 300 миль в час с людьми на борту. Однако после аварии в 2006 году (см. Врезку) и огромного перерасхода средств на предложенном маршруте от центрального вокзала Мюнхена до аэропорта планы по строительству поезда на магнитной подвеске в Германии были отменены в 2008 году [источник: DW ]. С тех пор Азия превратилась в центр магнитной подвески.

Аварии на маглеве

11 августа 2006 г. загорелся купе поезда на магнитной подвеске на линии трансрапид-шанхайского аэропорта. Пострадавших не было, и следователи полагают, что причиной пожара стала проблема с электричеством. 22 сентября 2006 года испытательный поезд Transrapid в Эмсланде, Германия, во время пробного запуска врезался в ремонтный вагон, случайно оставленный на рельсах. В то время поезд двигался со скоростью не менее 120 миль в час (193 км / ч). 23 пассажира погибли и 11 получили ранения. Суд постановил, что причиной инцидента стала человеческая ошибка, которой можно было бы избежать, если бы сотрудники следовали установленным правилам и процедурам. С 2006 года о новых авариях на магнитной подвеске не сообщалось. Однако испытательные поезда в Германии в конечном итоге были прекращены, а поезд на маглеве в Шанхае все еще курсирует.

Японские инженеры разработали конкурирующую версию поездов на магнитной подвеске , в которых используется система электродинамической подвески ( EDS ), которая основана на отталкивающей силе магнитов. Ключевое различие между японской и немецкой технологией поездов на магнитной подвеске состоит в том, что в японских поездах используются сверхохлажденные сверхпроводящие электромагниты. Этот вид электромагнита может проводить электричество даже после отключения источника питания. В системе EMS, в которой используются стандартные электромагниты, катушки проводят электричество только при наличии источника питания. Охлаждение змеевиков до низких температур позволяет японской системе экономить электроэнергию. Однако криогенная система, используемая для охлаждения змеевиков, может быть дорогой и значительно увеличивать затраты на строительство и техническое обслуживание.

Еще одно различие между системами состоит в том, что японские поезда левитируют почти на 4 дюйма (10 сантиметров) над направляющей. Одним из потенциальных недостатков использования системы EDS является то, что поезда на магнитной подвеске должны катиться по резиновым шинам, пока они не достигнут скорости отрыва около 93 миль в час (150 км в час). Японские инженеры говорят, что колеса являются преимуществом, если сбой питания вызвал отключение системы. Кроме того, пассажиры с кардиостимуляторами должны быть защищены от магнитных полей, создаваемых сверхпроводящими электромагнитами.

Inductrack более новый тип EDS , который использует постоянные магниты при комнатной температуре с получением магнитных полей , а не приведенные в действии электромагнитов или охлажденные сверхпроводящие магниты. Inductrack использует источник энергии для ускорения поезда только до тех пор, пока он не начнет левитировать. В случае отключения электроэнергии поезд может постепенно замедлиться и остановиться на вспомогательных колесах.

На самом деле дорожка представляет собой набор электрически закороченных цепей, содержащих изолированный провод. В одной конструкции эти цепи выровнены как ступеньки лестницы. Когда поезд движется, магнитное поле отталкивает магниты, заставляя поезд левитировать.

В настоящее время существует три дизайна Inductrack: Inductrack I, Inductrack II и Inductrack III. Inductrack I предназначен для высоких скоростей, а Inductrack II - для низких скоростей. Inductrack III специально разработан для очень тяжелых грузов, перемещаемых с малой скоростью. Поезда Inductrack могли подниматься выше с большей стабильностью. Пока он движется со скоростью несколько миль в час, поезд Inductrack будет левитировать почти на дюйм (2,54 сантиметра) над рельсом. Больший зазор над рельсами означает, что поезду не потребуются сложные системы датчиков для поддержания устойчивости.

Раньше постоянные магниты не использовались, потому что ученые думали, что они не создадут достаточной левитирующей силы. Конструкция Inductrack позволяет обойти эту проблему, располагая магниты в виде массива Хальбаха . Магниты сконфигурированы так, что напряженность магнитного поля концентрируется над массивом, а не под ним. Они сделаны из более нового материала, состоящего из сплава неодима, железа и бора, который создает более сильное магнитное поле. Конструкция Inductrack II включает две решетки Хальбаха для создания более сильного магнитного поля на более низких скоростях.

Следует отметить, что пассивная магнитная концепция левитации является основной особенностью предлагаемого hyperloop транспортных систем, которая является по существу Inductrack стиль поезд , который Взрывы через герметичную трубку , которая окружает весь трек. Вполне возможно, что гипер-петли могут стать предпочтительным подходом, отчасти потому, что они избегают проблемы сопротивления воздуха, чего не могут обычные маглевы, и, следовательно, должны быть в состоянии развивать сверхзвуковые скорости. Некоторые говорят, что гипер-петля может стоить даже меньше, чем традиционная высокоскоростная железнодорожная линия.

Но в то время как поезда на магнитной подвеске уже являются проверенной технологией с многолетней историей эксплуатации, никто еще нигде в мире не построил коммерческий гиперцепь [источник: Дэвис ].

Хотя транспортировка на магнитной подвеске была впервые предложена более века назад, первый коммерческий поезд на магнитной подвеске стал реальностью только в 1984 году, когда начал работать низкоскоростной шаттл на магнитной подвеске между железнодорожным вокзалом Бирмингема в Великобритании и терминалом международного аэропорта Бирмингема Аэропорт. С тех пор различные проекты на магнитной подвеске начались, застопорились или были полностью заброшены. Однако в настоящее время существует шесть коммерческих линий магнитной подвески, и все они расположены в Южной Корее, Японии и Китае.

Тот факт, что системы магнитной подвески быстрые, плавные и эффективные, не меняет одного неприятного факта - эти системы невероятно дороги в строительстве. В городах США от Лос-Анджелеса до Питтсбурга и Сан-Диего в разработке были планы создания линии на магнитной подвеске, но затраты на строительство транспортной системы на магнитной подвеске ( примерно от 50 до 200 миллионов долларов за милю ) были непомерно высокими и в конечном итоге свели на нет большинство предложенных проектов. Некоторые критики считают, что проекты на магнитной подвеске стоят, возможно, в пять раз дороже, чем традиционные железнодорожные линии. Но сторонники этих поездов отмечают, что стоимость эксплуатации этих поездов в некоторых случаях до 70 процентов меньше, чем при использовании старых железнодорожных технологий [источники: Холл , Хидеказу и Нобуо ].

Не помогает то, что некоторые громкие проекты провалились. Администрация Университета Олд-Доминион в Вирджинии надеялась, что в осеннем семестре 2002 года у студентов появится супер-шаттл, курсирующий по университетскому городку взад и вперед, но поезд совершил несколько пробных запусков и так и не разогнался до скорости 64 км / ч скорости обещали. В 2010 году вокзалы были окончательно разобраны, но части эстакады все еще стоят, что свидетельствует об отказе в размере 16 миллионов долларов [источник: Кидд ].

Но другие проекты сохраняются. Одна амбициозная группа хочет построить 40-мильный (64-километровый) участок от Вашингтона до Балтимора, и у этой идеи есть множество сторонников, но ожидается, что проект будет стоить до 15 миллиардов долларов. Непомерная цена этой концепции может показаться смехотворной практически в любом другом месте в мире, но душераздирающий тупик этого региона и ограниченное пространство означают, что городским планировщикам и инженерам нужно инновационное решение, а сверхбыстрая магнитолевая система может быть лучшим вариантом. Ключевой момент продажи - расширение этого проекта могло бы соединить Вашингтон с Нью-Йорком и сократить время в пути до 60 минут, быстрые поездки, которые могут изменить торговлю и путешествия на Северо-Востоке [источники: Лазо , Северо-Восточный Маглев ].

В Азии, однако, бум на магнитных подвесках уже начался. Япония лихорадочно работает над маршрутом Токио-Осака, который может открыться к 2037 году. Когда он будет завершен, поезд сократит почти трехчасовую поездку до 67 минут [источник: Reuters ].

Китай серьезно рассматривает десятки потенциальных маршрутов на магнитной подвеске, все они проходят в густонаселенных районах, где требуется большой транспортный поток. Это не будут скоростные поезда. Вместо этого они будут перемещать множество людей на более короткие расстояния с меньшей скоростью. Тем не менее, Китай производит все свои собственные технологии магнитных левов и собирается представить коммерческую линию магнитных левов третьего поколения с максимальной скоростью около 125 миль в час (201 км / ч) и, в отличие от предыдущих версий, полностью автономную, полагаясь вместо этого на компьютерные датчики для ускорение и торможение (в стране уже есть несколько поездов на магнитной подвеске, но им нужен водитель) [источник: Вонг ].

Невозможно точно знать, как маглевы войдут в будущее человеческого транспорта. Достижения в области беспилотных автомобилей и авиаперелетов могут усложнить развертывание линий магнитной подвески. Если индустрии гипертерлей удастся набрать обороты, это может разрушить все виды транспортных систем. И некоторые инженеры подозревают, что даже летающие автомобили, хотя и невероятно дорогие, могут превзойти железнодорожные системы в будущем, потому что им не нужны масштабные инфраструктурные проекты, чтобы начать работу.

Возможно, всего через десять или два года страны всего мира вынесут вердикт по поездам на магнитной подвеске. Может быть, они станут опорой высокоскоростных путешествий или просто любимыми проектами, которые обслуживают лишь отдельные группы населения в густонаселенных городских районах. Или, возможно, они просто исчезнут в истории, почти волшебная форма технологии левитации, которая так и не стала популярной.

Статьи по Теме

Больше отличных ссылок