По целому ряду причин высокоскоростной железнодорожный транспорт представляется на обозримую перспективу в границах сухопутных континентов самым востребованным и конкурентоспособным (в том числе и в социально-экономическом и экологическом смысле) после экологически чистого морского и речного (не традиционного, а использующего чистые источники энергии — солнце, ветер, безопасную термоядерную энергию) [1-4]. При этом в границах сухопутных континентов он может и будет успешно вытеснять воздушный транспорт как в сфере пассажирских так и в сфере грузовых перевозок до тех пор, пока воздушный транспорт не перейдёт на абсолютно новые технологии движения, обеспечивающие необходимую экономичность, экологичность и безопасность воздушного транспорта (гравитационный принцип, дирижабли нового поколения и др.).
Резко нарастающая актуальность высокоскоростного железнодорожного транспорта объясняется следующими основными факторами — катастрофически возрастающим загрязнением земной атмосферы выбросами тепловых двигателей; дефицитом органического топлива и нерациональностью его такого варварского применения (ещё Д. И. Менделеев писал: «Сжигать нефть, всё равно, что топить печку ассигнациями»); нарастающий уровень смертности людей в авариях практически на всех видах традиционного транспорта; ввиду перемещения центра мировой экономики, в том числе и торговли из Америки в ЮгоВосточную Азию, практически заново необходимо быстро создавать соответствующие международные транспортные коридоры, отвечающие новым требованиям по производительности, экономичности, экологичности, безопасности и комфортности. Для решения этих проблем по последнему слову науки и техники необходимы огромные национальные и международные инвестиции, поэтому целесообразно очень осторожно, на основе глубокого научного обоснования, относиться к приватизации транспортных отраслей, чтобы не повторить горький послевоенный опыт США в области электрификации железных дорог и пассажирских железнодорожных перевозок [4, 5].
В настоящее время к высокоскоростному железнодорожному транспорту, как правило, относят такой, который движется со скоростью более 200 км/ч [1, 2]. Максимальная достигнутая на сегодняшний день скорость скоростных пассажирских поездов — около 580 км/ч. Однако уже имеются симптомы в ближайшем будущем достичь скоростей порядка 900 км/ч (на базе магнитолевитирующих технологий на сверхпроводящих магнитах и др.). В настоящее время общая протяжённость высокоскоростных магистралей (ВСМ) в мире составляет около 7000 км, в том числе 3750 км в Европе. Кроме того, высокоскоростные поезда обслуживают также полигон обычных железнодорожных линий, реконструированных под скоростное движение протяжённостью около 20 тыс. км.
На сегодняшний день можно выделить несколько основных техникотехнологических вариантов скоростного «железнодорожного» транспорта, готовых к внедрению в массовом масштабе уже сейчас, или после определённой экспериментальной «доводки» и «привязки» к конкретным условиям [1-5]:
- «Французская модель» - базирующаяся на существенном техническом преобразовании традиционной технологии - «колесо — рельс»;
- «Японская модель» - магнитолевитирующая, базирующаяся на принципах обычных магнитов;
- «Продвинутая»Японскаямодель»- магнитолевитирующая,базирующаяся на принципах сверхпроводящих магнитов;
Тот факт, что поезда будущего будут скользить на магнитах, не означает необходимость избавляться от уже построенных железных дорог. Например, французский высокоскоростной поезд TGV более 20 лет оставался стандартом скорости для железных дорог и для многих местных жителей он заменил авиаперелеты между городами. Чтобы привлечь еще больше пассажиров на поезда, французская железнодорожная компания Alstom создает новые версии TGV, которые ездят еще быстрее. Испытательная модель достигла скорости в 573 км/ч. Но рекордный заезд TGV был поставлен при испытании в особых условиях. При обычной работе TGV показывает вполне впечатляющую скорость в 320 км/ч. Долгие годы она считалась верхним пределом пассажирских железных дорог. Трение рельс и огромная масса самих поездов казалось бы налагают на скорость довольно жесткие ограничения, но сейчас создатели TGV раздвигают эти границы со своим последним прототипом AGV. Ожидается, что его скорость будет как минимум на 10 процентов выше, чем у предшественника - 343 км/ч. Чтобы достичь этой скорости AGV пришлось сбросить кое-какой вес. Вместо тяжелого локомотива конструкторы расположили мощные моторы под каждым пассажирским вагоном. Они уменьшили вес состава, благодаря использованию углеродных композитов вместо стали. Особый дизайн AGV требует на 20 процентов меньше колес, чем у обычных поездов, что делает его легче и улучшает аэродинамику. И этот особый дизайн означает, что вагоны состава сливаются в единый цилиндр. Это делает AGV намного более надежным на случай аварии. Не было ни одной смерти или инцидента на этих высокоскоростных поездах. Благодаря рациональной архитектуре поезда он заключает пассажиров в прочнейший кокон.
Но есть еще проблема изгибов. В последние годы японские инженеры разрабатывали технологию преодоления поворотов с помощью наклонов. Новый класс поездов учится наклоняться на изгибах, подобно конькобежцам. Новый поезд, читающий технологию наклона с уносистемы датчиков, решил проблему изгибов. Система наклона вагонов рассчитывает скорость поезда и при приближении поворота наклоняеткорпус на соответствующий угол. Японский М700 - футуристический скоростной поезд, который не боится изгибов, пролетая их на скорости. Первый вагон оборудован датчиком, который распознает изгибы и посылает сигнал по всей длине состава из 16 вагонов. Затем каждый вагон корректирует положение, наклоняясь к оси поворота, с помощью, установленной на них системы пневматических рессор. Поэтому поезд проходит повороты на той же скорости, что и прямые участки, а пассажиры даже не замечают изгибов. Скоростные поезда не только очень быстрые, они также замечательны комфортом, который обеспечивает и экономию энергии. М700 не только экономит энергию, но еще и генерирует ее. Регенеративная система торможения улавливает энергию каждый раз, когда поезд тормозит. Эта энергия отправляется обратно на подстанцию и используется другими поездами, что превращает М700 в электростанцию на колесах.
Экспериментальный состав ФастТэг 360 разработан специально, чтобы двигаться независимо от снега на путях. А поскольку средняя его скорость ожидается в районе 400 км/ч, для торможения ФастТэг 360 будет использовать закрылки наподобие самолёта. Из-за них поезд получил прозвище «Кошачьи уши».
Таким образом, в число основных элементов первого, переходного варианта модернизации традиционной технологии «колесо-рельс» в скоростную входят – специальный рельсовый путь с очень большим радиусом поворота, цельность рельса с хорошей основой для избежания чрезмерных колебаний и повреждений (причём рельсы должны быть без стыков и без одноуровневых переездов для автомобилей), полная электрификация железной дороги. Последнее объясняется, в частности тем, что наиболее рационально для такой технологии использовать электровозы как с точки зрения обеспечения лучших значений технических, технологических, экологических, комфортных показателей, так и с точки зрения подготовки условий для перехода на более высокий технологический уровень скоростного движения — магнитолевитирующий.
В Японии и Франции, где существуют самые обширные сети высокоскоростного транспорта, большая часть электричества добывается атомной энергетикой. Однако, даже используя электричество, произведённое от угля или нефти, поезда потребляют меньше топлива на пассажира на километр, чем типичный автомобиль.
Несмотря на то, что уже имеется опыт ряда стран успешной модернизации обычной железной дороги в скоростную, тем не менее, до недавнего времени одна из самых фантастических технологий сегодня уже производит революцию в железнодорожном транспорте - это супермагнит [1, 2]. Эксперименты над технологией магнитной подушки ведутся многие годы. Но новые открытия и удачные эксперименты в Японии, Германии, Китае и др. странах означают, что эра скользящих высокоскоростных поездов уже наступает. Эта система будущего - скорость более 480 км/ч,никаких выбросов, никаких смазок. Она экологичная, быстрая, удобная. Это новая стартовая точка для развития новой технологии. Большинство конструкций на магнитной подушке используют электромагнитную подвеску. Дно поезда окружает рельс и магниты, вмонтированные в поезд тянутся к рельсу, поднимая весь поезд. Одно из замечательных свойств магнитной подушки в том, что поезд скользит по воздуху - никакого контакта. Это значит можно развивать высокие скорости с огромной эффективностью. Поезда на магнитной подушке требуют вдвое меньше энергии на пассажира, чем коммерческий самолет. Несколько поездов на магнитной подушке уже работают, и они бьют все рекорды. В Японии поезд MLX-01 на испытательной трассе показал скорость 581 км/ч. В Шанхае 30 км пути до аэропорта Будон машина преодолевает за час, а поезд на воздушной подушке - за 7 минут и 20 секунд. При этом поезд разгоняется до 350 км/ч за 2 минуты.
Безопасность поездов на магнитной подушке доказана. Сойти с рельс для них невозможно - ведь поезд, по сути, охватывает рельсы. Из-за безопасности и скорости American Magline Group выдвинуло смелый план соединить такой линией 2 самые популярные точки Америки: Дом Диснея Ванахайн в Калифорнии и Лас Вегаса в Неваде. Сегодня 2 этих места соединяет шоссе, но разделяет огромный поток машин. 40 млн. человек в год проезжают по шоссе I15 между южной Калифорнией и южной Невадой. Сильно загруженный коридор, поток через который стремительно растет. В общем потоке поездка на 420 км обойдется в пять часов за рулем и большое количество бензина. А поезд AMG на магнитной подушке будет преодолевать это расстояние за 90 минут со средней скоростью 290 км/ч, максимальная же будет достигать 500 км/ч. Пропускная способность этой системы эквивалентна скоростному шоссе на восемь полос, она может быстро переместить множество людей - это эквивалент 50 Боингов 747 в час. Столь быстрое и дешевое перемещение для такого количества людей между городами может стать прорывом в транспорте.
А другие первопроходцы на магнитной подушке считают, что у этой технологии огромный потенциал для перемещения нас в пределах городов. Джим Фиск из компании Lunch Point Technology в городе Калетта Калифорния разрабатывает систему на магнитной подушке, которую он назвал Магнэт. Это несколько более отдалённая транспортная перспектива. В основе Магнэт лежит стабилизированная постоянная магнитная система, что позволяет составам двигаться над путями, не охватывая их. Поскольку они не привязаны к рельсам, поезда легко могут менять маршрут и переключаться на ходу. Маневры контролируют компьютеризированные системы, которые по мере необходимости повышают и понижают силы магнитов, чтобы поезд не мог пойти под откос. Фиск рассчитывает, что его Магнэт будет работать на манере современных лифтов, которые сообщают вам, какая кабина на какой этаж идет. Его система изменит наше представление о медленном локальном транспорте. Старая модель такова:вы идете на станцию, ждете прибытия поезда, садитесь на поезд, затем ждете в поезде, пока он остановится на каждой станции, между вашей и той, куда вы хотите попасть. При новой модели вы идете на станцию, где вас ждет поезд, вы сообщаете, куда вам надо и поезд вас туда везет. И вам не нужно ехать вместе с сотнями других пассажиров. Ключ в том, чтобы вагоны были меньше и их было больше, чтобы управление было динамическим. Благодаря коммутации можно посылать вагоны туда где они нужны, вместо того куда им назначено расписанием. Перспективы технологии магнитной подушки могут полностью изменить транспортный ландшафт. Эта технология единственная из известных способная обеспечить гибкость и экономичность, необходимые для транспортных систем будущего.
Чтобы поднять железные дороги на совершенно новый уровень в будущем поезда будут плыть, скользит и летать. Им не нужны будут рельсы, как минимум, в привычном нам виде. Ясаки Коама назвал свое изобретение аэропоезд. Аэропоезд своего рода символ будущего чистого общества, это полупоезд полусамолет. Коама разработал поезд с крыльями, который едет на воздушной подушке благодаря аэродинамическому принципу под названием экранный эффект. Благодаря взаимодействию между крылом и землей самолет, летящий очень близко к земле испытывает гораздо большую подъемную силу и меньшее сопротивление, чем на высоте. Коама обнаружил, что может использовать этот эффект, создав полузакрытый бетонный путь и отправив по нему летающий поезд, при невероятной экономии энергии. Экранный эффект создает достаточную подъемную силу, чтобы поддерживать аэропоезд в воздухе, но не достаточную, чтобы он вылетел за пределы пути. Для движения вперед поезду нужен лишь небольшой толчок, который создают электрические пропеллеры на солнечных батареях. Аэропоезд будет использовать всего лишь четверть электричества необходимого для поездов на магнитной подушке. Аэропоезд может разогнаться до 430 км/ч и каждый состав может перевозить до 350 пассажиров, что делает этот летающий поезд, возможно, самым энергосберегающим и экономичным способом передвижения.
Но Коама не единственный железнодорожный новатор делающий ставку на воздух - Шэлдон Вайнбаум из Нью-Йоркского Сити Колледжа считает, что может заставить поезда скользить на одном пухе. Он провел эксперименты с лыжниками и обнаружил, что когда лыжа скользит по снегу, оказавшийся под нею воздух приподнимает лыжника при помощи движения вперед. Именно это на самом деле и происходит. Но Вайнбаум хотел поднять эффект на новый уровень - создать сверхскоростной и практически идеально скользящий новый способ передвижения. Вайнбаум разработал принципиальную схему системы способной поднять 70 тонный поезд с двумя сотнями пассажиров, но у него были 2 проблемы: построить путь, который будет удерживать воздух и найти материал способный обеспечить воздушные карманы, подобно снегу. Его эксперимент показал,что в принципе поезд движущийся по пути, наполненному синтетическим пухом может догнать самолет при крохотных затратах энергии. Но хотя будущее пуховых путей может быть многообещающим, выделение земли и прокладывание путей любого рода остается самым дорогим и сложным этапом железнодорожной системы.
А что если поездам не нужна земля, что если им не нужны вообще никакие пути? Трубчатая дорога Роберта Пулиама – это поезд, который вместо путей идет через серию колец на возвышении. Пулиам предлагает взять старую идею и буквально вывернуть ее наизнанку. Он поставил стальные колеса внутрь колец, поставил рельс на сам вагон, так что он, по сути, возит рельс с собой. Каждое кольцо будет оборудовано двигателем, приводящим в движение комплект стальных роликов, а эти ролики будут входить в бороздки на самом поезде и толкать поезд от одного кольца к следующему. В любой момент времени поезд удерживают три кольца и корпус его будет укреплен, чтобы он не мог соскользнуть или сломаться. На стадии разгона нужно больше мощности, но при постоянной скорости требуется не так уж много энергии, чтобы поддерживать движение поезда. Тут, по сути, работает инерция. Конструкция Пулиама резко сокращает главную статью строительных расходов. А еще трубчатые дороги можно ставить одну над другой. Так они не только экономят место, но и еще их можно строить, не нарушая текущую инфраструктуру, это значит больше никаких столкновений с машинами на дорогах или даже с другими трубчатыми трассами. Пулиам видит свою систему трубчатых дорог и в пределах города, как магистраль между основными мегаполисами. На максимальной скорости он может разогнаться до 240 км/ч. Пулиам считает, что его система подходит для двух рынков: высокоскоростных перевозок, где поезд шел бы со скоростью 240 км/ч, а так же для железнодорожной системы пригородного типа. Технология для кольцевых поездов будущего существует уже сегодня. Ключевой момент - изменение ориентации между рельсом и колесом. Все компоненты имеются в наличии. Согласно Пулиаму дело не только в изменении ориентации путей, но и в изменении нашего представления о поездах. Мы не будем просто прыгать через кольца, мы будем лететь сквозь них со скоростью света [1 - 2].
Таким образом, уже реализуемые и ожидаемые инновационные перспективы развития скоростного железнодорожного транспорта могут решить целый комплекс социально-экономических и экологических проблем — значительно повысить безопасность транспортировки пассажиров и грузов, повысить комфортность пассажироперевозок, снизить их себестоимость и время в пути, перейти на экологически чистые источники энергии, значительно сократить отчуждение земельных площадей под транспортные системы, решить мировую проблему обеспеченности мирового народного хозяйства эффективными транспортными коридорами.
Литература
- Высокоскоростной железнодорожный транспорт - http://www.infuture.ru/news.php?news_id=392/.
- Discovery: Новый Мир - "Поезда будущего" - Документальные фильмы // http://yandex.kz/clck/.
- Бутко В. Н. Перспективы развития транспортной системы как материальной базы процесса глобализации мировой экономики //Вестник науки КСТУ им. академика З. Алдамжар. - Костанай: КСТУ, 2011. №2. - С. 36-43.
- Бутко В. Н. Мировые технико-экономические тенденции развития железнодорожного транспорта //Вестник науки КСТУ им. академика З. Алдамжар. - Костанай: КСТУ, 2012. №1. - С. 32-37.
- Перспективы электрификации железных дорог США //Trainclub.ru, - Чт, Ноябрь 25, 2010 - 11:37 / Автор: dronsovest - http://www.zdmira.com/.