Скорость без ограничений

Инженерный центр, который займётся разработкой магнитолевитационной грузовой системы для перевозки контейнеров, будет создан до конца года на базе Петербургского университета путей сообщения при поддержке правительства Санкт-Петербурга.

Центр объединит усилия учёных ПГУПСа и предприятий, которым предстоит выпускать отдельные узлы магнитолевитационной системы. Первый образец планируется изготовить к 2018 году и представить на 24-й Международной конференции Maglev-2018, которая пройдёт на площадке университета.


Испытания пройдены

Классическая технология «колесо – рельс», применяемая сегодня в высокоскоростном пассажирском движении, имеет свои пределы: максимальная скорость подвижного состава составляет около 300 км/ч при тяге на переменном токе и 200 км/ч – на постоянном. В грузовом движении скорости и вовсе ограничены 120 км/ч, в результате средняя скорость движения грузов по железным дорогам России составляет 230 км/сут. В ходе исследований учёные пришли к выводу, что для массовых перевозок необходимы транспортные технологии, обладающие особыми качествами. Причём приоритет отдаётся магнитной левитации.

При данной технологии, в отличие от классической, взаимодействие между подвижным составом и несущей конструкцией пути осуществляется с использованием физических свойств магнитного поля. Таким образом, для поезда на магнитной подушке – маглева – нет ограничения скорости, которое диктует коэффициент сцепления колеса с рельсом.

В рамках проведения исследований в данной области учёные ПГУПСа при поддержке ОАО «РЖД» уже создали опытный образец грузовой магнитолевитационной транспортной платформы (ГМЛТП), который российские учёные разрабатывали два года. Конструкция выполнена с разделением системы левитации и системы движения (линейный тяговый двигатель) для наглядности при демонстрации магнитолевитационной технологии и исследования процессов деградации магнитных сборок в условиях открытой внешней среды. Опытный образец был представлен на Александровском заводе в Пушкине в мае прошлого года. Платформа выдержала грузовой контейнер весом 28 тонн. Левитационный зазор при этом составил 25 мм, а максимальная скорость передвижения платформы – 250 км/ч. По расчётам учёных, нагрузку на платформу можно увеличить до 80 тонн.

Двухлетние испытания подтвердили правильность выбора постоянных магнитов для конструирования комбинированных систем подвеса. За этот период накоплен опыт расчёта и формирования однородных магнитных полей, расчёта конструкций (сборок) из постоянных элементарных магнитов для обеспечения потребностей всех известных и возможных в будущем требований по грузоподъёмности. Итогом работы стал зафиксированный протоколом вывод о завершении работ по компьютерному и натурному моделированию и возможности перехода к строительству реального участка магнитолевитационной магистрали.

Именно эти технологии позволят создать, в частности, эффективную систему разгрузки и погрузки контейнеров в портах. В перспективе рассматривается опытный участок протяжённостью 72 км – от порта Бронка до станции Владимирская.

Сейчас в производстве находится крупный испытательный стенд – трёхметровый круг с электрическим двигателем с возможностью замеров расхода энергии и мощности. Завершается изготовление специальной тележки. На первом этапе её испытают на 200–300-метровом участке. Потом его удлинят до 2–3 км, а получив необходимые данные, продлят на 70 км до порта Усть-Луга или Бронка, где уже отработают вопросы скорости, безопасности, энегоэффективности и экономичности, взаимодействия с окружающей средой.

В ПГУПСе разработано технико-экономическое обоснование магнитолевитационной магистрали от портов Финского залива (Санкт-Петербург) до грузовых терминалов Москвы. Линия рассматривается как головной участок межконтинентальной системы «Восток – Запад» и «Север – Юг» по территории России. Стоимость жизненного цикла в пересчёте на один год эксплуатации почти втрое ниже, чем для обычной железной дороги.


Магнитные коридоры

В политических, инженерных, предпринимательских кругах России утвердилось мнение о необходимости создания межстрановых и межконтинентальных транспортных коридоров в направлениях «Восток – Запад» и «Север – Юг» по территории страны, которое основывается на результатах происходящих процессов глобализации мировой экономики, сопровождающихся ускорением темпов перемещения капиталов, материалов и людских ресурсов. Стремительными темпами развиваются центры промышленного производства в Азии и странах Азиатско-Тихоокеанского региона (АТР). В этой связи резко повышается роль транспортных связей, которые должны обеспечивать бесперебойную и своевременную доставку сырья и готовой продукции в различные уголки мира.

Россия является естественным связующим звеном между востоком и западом, севером и югом Евразии. Страны АТР ежегодно транспортируют около 50 млн тонн грузов (потребительских товаров) в страны Европейского союза. Если часть этого грузопотока будет обслуживать транспортная система России, то для нашей страны это может стать потенциальным экспортным продуктом. Аналогичная ситуация складывается с грузопотоками между странами Северной Европы, Ближнего Востока и Северной Африки.

К сожалению, существующая в РФ транспортная система не в состоянии освоить и малую долю этого экспортного продукта. Перевозки по Транссибирской магистрали составляют всего около 1% грузооборота между Азией и Европой. С одной стороны, главное преимущество железнодорожных перевозок из Китая в Европу по сравнению с морским транспортом заключается в скорости. С другой – коммерческая скорость движения поездов по нашим магистралям составляет около 13 км/ч, что намного меньше, чем в США, Европе и Китае.

Исследования определили рациональные для различных видов транспорта скоростные ниши для массовых грузовых и пассажирских перевозок. Классическая система «колесо – рельс» с электрическим приводом (современная высокоскоростная железная дорога) имеет верхний предел экономически приемлемой скорости 300–350 км/ч. При более высокой скорости начинаются проблемы с устойчивостью взаимодействия систем, обеспечивающих движение, с передачей мощности на двигающийся подвижной состав, а также рост энергетических затрат на преодоление аэродинамического сопротивления.

Известно, что при скорости свыше 300 км/ч аэродинамическое сопротивление превышает сопротивление трения и качения для движущейся по железной дороге подвижной единицы. Магнитолевитационный транспорт не имеет контакта движущейся единицы с опорной поверхностью, поэтому этот вид сопротивления исключён, на него не надо тратить энергию. Энергозатраты на единицу работы меньше; ограничения, связанные с передачей электроэнергии, отсутствуют.

Следовательно, в условиях естественной среды экономически целесообразно иметь более высокую скорость. Опыт эксплуатации поездов маглев MLU-001 в Японии показал, что вполне допустима скорость 550–600 км/ч.

Для освоения скоростной ниши до 900 км/ч требуется нейтрализовать основное для этой скорости сопротивление движению – аэродинамическое.

Согласно проведённым расчётам, затраты, необходимые для строительства магнитолевитационной магистрали, не выше, чем требуется для прокладки трассы классического транспорта. При этом эксплуатационные расходы будут ниже при более продолжительном жизненном цикле.


Догнать и перегнать

Решение провести следующий, 24‑й Всемирный конгресс Maglev 2018 на площадке ПГУПСа в России было принято на минувшем форуме, который прошёл в сентябре в Берлине. В научных, инженерных и коммерческих аспектах магнитолевитационного движения российские учёные и инженеры выступают на равных с мировым сообществом. Однако западные партнёры имеют явное преимущество в виде серьёзной государственной поддержки – и идеологической, и финансовой.

Такая поддержка оправданна, ведь разработки и внедрение магнитолевитационного транспорта стимулируют появление высокотехнологичных производств в области криогенной инженерии, постоянных магнитов на основе редкоземельных материалов, преобразования и передачи электроэнергии, автоматизированных систем управления на основе микроэлектроники, строительных технологий без существенного вмешательства в окружающую среду.