Юный техник, 2009 № 03 - Журнал «Юный техник»

В те годы КБ А. Яковлева провело эксперимент: отслуживший свое в небе двигатель от реактивного самолета установили на железнодорожный вагон. Вагон вел себя идеально. Быстро набирал колоссальную скорость, легко управлялся. Казалось, вот оно, решение!

Увы, с самого начала инженерам было ясно, что это всего лишь эксперимент: шум реактивного двигателя не погасишь. А ведь вдоль трассы железной дороги живут люди… Не оставлять же по сторонам пути полосы отчуждения километровой ширины!..

Тогда вспомнили, что, кроме ТРД, есть еще и газотурбинные двигатели, способные приводить во вращение любой потребитель механической энергии — например, электрогенератор. Расчеты показали, что эксплуатировать поезд с собственной электростанцией значительно дешевле, чем электрифицировать новый путь. Правда, одной турбины для поезда маловато. Пришлось поставить несколько. Однако даже в этом случае стоимость километрового пробега оказалась на 10 % ниже, чем у дизель-поезда.

Во Франции вот уже несколько лет используют турбопоезда с гидравлической передачей. Инженеры считают, что она вполне подходит для скоростей около 250 км/ч. Но при более высоких все же неэффективна. Поэтому для французского сверхскоростного поезда была выбрана электрическая передача.

Кроме того, мотор-вагонные поезда, построенные по принципу всем известной электрички, оказались очень удобны и для современных турбопоездов: все его колесные пары — движущие. Передача движения на все ведущие оси более равномерно распределяет тяговые усилия, делает управление проще, а поезд маневреннее.

Правда, при скоростях выше 300 км/ч заметной помехой движению становятся уже… сами колеса! А потому в конце 2007 года в японском городе Яманаси новый мировой рекорд скорости — 581 км/ч установил поезд «Маглев», у которого вообще нет колес.

«Маглев» при движении обходится вообще без колес.

Интерьер поезда «Сапсан».

Поезд состоял из трех вагонов, в которых находились 12 пассажиров. Принцип действия транспортной системы «Маглев» (магнитная левитация) построен на том, что поезд не катится по рельсам, а летит над ними, уравновешивая свой вес магнитной силой, которая возбуждается в сверхпроводящем кабеле электротоком.

Несмотря на многие технические сложности, поезда «Маглев» считаются перспективными транспортными системами во многих странах. В 2002 году путешествие по экспериментальной трассе «Маглев» в Китае, которую построили немецкие специалисты, совершили тогдашний премьер КНР Чжу Жунцзы и канцлер Германии Герхард Шредер. Китайский «Маглев» развивает скорость до 400 км/ч и, как ожидается, свяжет центр Шанхая с международным аэропортом. В США также планируют строительство поезда на магнитной подушке. Именно «Маглевы» в Японии должны заменить поезда-пули, которые являются сейчас самыми быстрыми в мире, достигая скорости 443 км/ч при средней скорости 300 км/ч.

КАК ОСТАНОВИТЬ «ПУЛЮ»?

Если любой экипаж, движущийся со скоростью 60 км/ч, остановить мгновенно, пассажиры подвергнутся воздействию таких же перегрузок, как при падении с пятого этажа. А что будет при скорости в 300 км/ч?! Так опасно ли ездить на скоростных поездах?

Ясно, что конструкторы должны думать не только о том, как разогнать поезд до высокой скорости, но и о том, как вовремя остановить его. Причем с таким расчетом, чтобы и пассажиры не испытали неприятных ощущений, и поезд не проскочил станцию.

А какие тормоза достаточно эффективны при высоких скоростях? Обычные чугунные колодки, которые прижимаются к колесам, мгновенно расплавятся. Для сверхскоростных турбопоездов используются принципиально иные виды тормозов.

Один из них — магнитно-рельсовый. Когда подается ток, тормоз прижимается к рельсу. Тормоз другого вида — вращающийся диск, закрепленный на валу ротора тягового двигателя, и электрическая обмотка. При торможении двигатель начинает работать в режиме генератора и вырабатываемый ток подается также в обмотку тормоза. В диске возникают вихревые токи, заставляющие двигатель остановиться.

Не менее остроумен и жидкостный тормоз. Ось колесной пары делается большого диаметра, а в ней — система трубок и лопастей. Если насосом подавать в эту систему жидкость, то, проходя по трубкам и ударяясь в лопасти, она будет мешать вращению оси, замедлять ее движение.

На турбопоездах никогда не устанавливают только одну из систем — их всегда несколько. Только четко распределенные обязанности различных видов тормозов могут остановить поезд, идущий со скоростью 300 км/ч.

ПАТЕНТЫ ОТОВСЮДУ

Энергия «ниоткуда», или почти вечные источники и двигатели

Мы уже рассказывали (см., например, «ЮТ» № 8 и 10 за 2008 г.) о том, какими хитроумными или, напротив, неожиданно простыми способами современные изобретатели научились получать энергию почти что ниоткуда. Как оказалось, мы перечислили далеко не все способы. Вот какие интересные факты собрал по нашей просьбе патентовед Алексей ДРОЗДОВ.

Разработчики во главе с известным нидерландским физиком и астронавтом Ваббо Окелсом, профессором Политехнического университета Делфта, предложили использовать для генерации электроэнергии кайты, поднятые на большую высоту.

Кайтами, как известно, называются особые воздушные змеи типа «летающее крыло». Обычно спортсмены используют их как некое тяговое устройство, чтобы скользить по воде или по снегу на досках для серфинга.

Нидерландские же ученые нашли кайту еще одну работу. Недавно они продемонстрировали оригинальную энергетическую установку, запустив кайт площадью 10 кв. м, который вырабатывал в полете 10 кВт энергии, что вполне достаточно для обеспечения электричеством жителей десятка коттеджей.

В следующий раз они обещают запустить в небо уже 50-киловаттную конструкцию, названную Laddermill («Лестница-мельница»). Ну а конечной своей целью ученые видят создание целой системы из множества кайтов, способной вырабатывать до 100 МВт.

В полете такой «энергокайт» использует силу ветра, чтобы автоматически подниматься и опускаться, приводя в движение струны, натянутые между ним и расположенным на земле генератором. Произведенная таким образом энергия, по подсчетам авторов, вдвое ниже, чем у стандартных ветряных турбин.

Еще одно преимущество кайтов — возможность забираться на большую высоту. Башни современных ветряков имеют высоту не более 80 м; их энергоустановки работают при средней скорости ветра около 5 м/с. Между тем, на высоте порядка 800 м она уже превышает 8 м/с. А поскольку эффективность использования силы ветра пропорциональна кубу его скорости, по отдаче кайты, парящие на этой высоте, могут значительно превосходить наземные ветряки. Вдобавок на больших высотах ветер дует практически постоянно и с одной и той же скоростью.

В декабре 2007 года ученые из Океанографического института Вудс Холл под руководством Дейва Фратантони спустили на воду у Виргинских островов прототип термального глайдера, который курсирует между островами Сент-Томас и Санта-Крус по сей день, пройдя уже тысячи миль. В отличие от обычных, перемещающихся с помощью гребного винта плавсредств, этот корабль движется благодаря изменению своей плавучести — он то погружается в глубины, то поднимается на поверхность. Подъем обеспечивают его крылья, а горизонтальные перемещения — вертикальный хвостовой «плавник» и руль. Управление судном осуществляется с берега с использованием системы GPS.

Термальный глайдер потому так называется, что черпает энергию для своего движения из разницы температур и плотностей океанической воды на разной глубине.

Собственная плавучесть глайдера близка к нулю. Поэтому, когда он находится близ поверхности, теплая вода разогревает особый воск в трубках. Этот воск расширяется, превращая таким образом тепловую энергию и механическую, которая выталкивает воду, находящуюся в особом резервуаре внутри корабля, через сопло наружу. Получив таким образом реактивный импульс, глайдер погружается в глубину, где температура воды ниже, а ее плотность больше. Воск застывает, и глайдер, имеющий чуть меньший удельный вес, чем окружающая среда, поднимается к поверхности. И все начинается сначала.

«Нынешняя экспедиция — это тест-драйв, позволяющий выяснить недостатки и преимущества подобной конструкции, — говорят ученые. — Кроме того, она имеет и исследовательскую цель, поскольку судно-робот попутно собирает данные о вращении потоков воды в воронках, которыми изобилует море у Виргинских островов»…