Нyperloop: бесподобная афера. Часть I

Igor Gerasimovich написал(а) к All в May 17 00:42:32 по местному времени:

Здpавствуй, All!

http://echo.msk.ru/blog/fenixptero/1788892-echo/#

>───═══ Куть он "Windows Clipboard" ═══───


Нyperloop: бесподобная афера. Часть I



автор

Сергей Безмолов

транспорт, матмоделирование


Внезапное

Развитие событий в стиле уголовных <разборок> среди основателей Нyperloop One - одной из двух компаний, занимающихся нашумевшим проектом Нyperloop Илона Маска, - кажется неожиданным только для людей, всецело поглощённых идеями этого господина.

Кратко. Один из сооснователей этой компании - Броган Бамброган - в числе ещё нескольких других участников проекта подал иск в суд на руководство компании (Шервин Пишевар) ввиду угроз убийством со стороны высших руководителей. Конфликт произошёл после встречи Ш. Пишевара с руководством России на ПЭФ: Бамброган обвинил руководство Нyperloop One (НL One) в том, что оно <... нарушило свои обязательства по доверию и действует ради личного обогащения против интересов компании. [Пишевар] обвиняется в том, что он назначал на высокооплачиваемые должности в компании или же заключал выгодные контракты с членами своей семьи и знакомыми.>

Закономерное

Таким образом, Нyperloop обосновался и в России, соседствуя с телепортацией и русским языком программирования. (По поводу последнего можно только поинтересоваться: следует ли теперь запретить во всей научной литературе латинские обозначения переменных, терминов и неизвестных на отечественные?).

Такое, казалось бы, неожиданное соседство неслучайно, хотя Илон Маск пользуется, как кажется, блестящей репутацией, несмотря на чистый убыток своего проекта Tesla в 2015 году в размере 900 миллионов долларов. В русскоязычном пространстве практически нет адекватных критических статей на тему Нyperloop'а, сам И. Маск вызывает пароксизмальный восторг. Однако англоязычный мир отваживается на критику. Более того, можно даже встретить резкие высказывания в том духе, что Маск не творец прогресса, а борец с ним. При этом интересно, что сам Маск в НL не инвестирует (во всяком случае, пока), и риск провала проекта ляжет на плечи воплотителей этой идеи.

В пределе критика звучит так: И. Маск затеял эту эпопею, чтобы остановить строительство ВСЖД в Калифорнии (первый проект высокоскоростного ж.-д. сообщения в США), чтобы избавиться от конкурента своей убыточной Tesl'е. Для этого и внимание общества, и финансовые ресурсы (инвестиции) он пытается отвлечь на заведомо нереализуемый проект. Во всяком случае, такие мысли неизбежны при отсутствии прямого финансового риска со стороны И. Маска в проекте Нyperloop.
Сам проект НL очень туманен и плохо проработан. Вероятно, по степени отношения ожидания/реальность это что-то вроде <лужковского> монорельса (у которого, согласно лаб. испытаниям, горят цельнорезиновые колёса при длительной скорости выше 42 км/ч). В общих чертах НL - это эстакадный трубообразный транспортный коридор в форвакууме (с давлением от 1/100 до 1/1000 атмосферы) для неких коротких транспортных средств (ТС) вместимостью два десятка человек. При этом ТС движется на скорости до 1220 км/ч, чуть меньше скорости звука, и поддерживается воздушной или магнитной подушкой. Двигателем является или компрессор или линейный эл. двигатель, а источником энергии - аккумуляторные батареи и солнечные панели, установленные вдоль трассы. Под трассой припаркованы электромобили Tesla, ночью питающие <гипербусы>, а рабочим днём заряжающиеся от солнечных панелей.

Более того, российский фонд прямых инвестиций (прямых - из бюджета) уже финансирует ветку на Дальнем Востоке в Китай. Говорят: <10 млн т грузов в год планируется перевозить через Приамурскую магистраль>.

Т.е. с помощью системы, обещающей заоблачные скорости (1200 км/ч) наши любимые руководители собираются возить 20-тонные контейнеры, уголь, нефть и руду в Китай. Послушайте, Салтыков-Щедрин в гробу зеленеет от зависти: такой сюжет нарочно не выдумаешь!

А если подумать?

Теперь взглянем на проект с технической стороны.

1. Утверждается, что их труба на эстакаде в несколько раз дешевле ж.д. на насыпи, притом, что сейчас мосты и эстакады в ~10-100 раз дороже пути на земле. Тайну своего открытия в мостостроении они не раскрывают и работает оно почему-то только для вакуумного поезда. А между тем изобретение только одной технологии дешёвого и доброкачественного мостостроения обогатило бы изобретателей на поколения вперёд безо всякого НL и прочих усложнений проекта. Этого с нетерпением ждут все от транспортников до строителей зданий. Однако на этот счёт ничего не сообщается.




2. Непонятно, как быть с температурными деформациями при годовых перепадах температур dT=100 °C в условиях необходимости поддержания форвакуума, радиуса кривых, жёсткости, непрерывности и гладкости путевой структуры одновременно. А ведь это - соль любой транспортной системы. На указанный диапазон температурного перепада или вокруг него рассчитывается вся ж.д. инфраструктура в Европейской части России. При этом технология бесстыкового пути разрабатывалась десятилетиями и потребовала для условий Дальнего Востока и Сибири специальных сортов рельсовой стали (т.н. стали "низкотемпературной надёжности"), легированной цирконием, титаном, ванадием и другими металлами. Однако для мостов и эстакад, особенно непрямолинейных, проблема наличия температурных деформаций по-прежнему остро актуальна.

Предложения Маска сделать путевую структуру длиной десятки-сотни километров свободно скользящей на опорах, нереализуемы. Изменение длины эстакады при годовых перепадах т-ры 100 °C составит 118 метров на 100 км пути. Какова должна быть конструкция герметичного узла сопряжения с таким ходом? Очевидно, что это гораздо дороже обычной пары рельсов, <затянутых> шпалами; очевидно, что такая конструкция исключает боковые ответвления, т.к. они должны быть фиксированы. Более того, как известно из теории упругости (Ландау, т. 7,  21), критическая сила сжатия, выдерживаемая упругим стержнем (балкой), и равномерно распределённая по его длине, обратно пропорциональна кубу длины стержня. Это значит, что минимальная ширина путевой структуры Маска с учётом возможных нарушений в подшипниках опор (попадание пыли, коррозия) и среднем коэффициенте трения 0.01 составит более 400 метров, а нарушение устойчивости пути при климатических аномалиях типа 2010 года может привести к выбросу этой махины массой 10-20 миллионов тонн вбок на несколько сотен метров с масштабными разрушениями.
3. Как подводить энергию к составу? Медный контактный провод или провод на основе высокопроводящих медных сплавов (для ВСЖД используют даже провод, легированный серебром) не подходит: у него низкая предельная скорость свободной волны, около 600 км/ч. Контактный рельс для скорости 1200 км/ч - это новая и интересная задача, но об этом ничего не сказано. Решение только этой задачи потребует многих лет научных и инженерных изысканий.

Индукционный токосъём с низким КПД? Это возможно, но тогда об энергетической эффективности этого вида транспорта следует забыть навсегда: даже энергоёмкий (из-за отсутствия сверхпроводящих магнитов) Transapid запитывается от аккумуляторных батарей.


4. Как масштабировать проект, как строить разветвления? А ведь это условие - ключевое, чтобы иметь право называться <транспортной системой>. Их в принципе можно сделать (как сделали это в московском монорельсе), но масштаб стрелочных переводов, даже рассчитанных на низкие скорости, для таких эстакадных и туннельных систем чудовищен, требует перемещения сотен и даже тысяч тонн конструкций с большой точностью. При этом, в отличие от ж.-д. стрелок, они не могут обеспечить непрерывность поверхности катания, необходимой при больших скоростях движения (это условие - непрерывность - требуется не только для обычных колёс и рельсов, но и для всех других систем подвеса). Время перевода таких <стрелок> составляет десятки минут, их конструкции дороги в обслуживании и очень сложны. Современные железнодорожные стрелочные переводы полностью автоматизированы, легки, переводятся в пределах секунды и обеспечивают скорость следования поездов на боковой путь до 220 км/ч, а по прямому пути - до 560 км/ч, что подтверждено на скоростных испытаниях во Франции.

5. Необходимы шлюзы. А это - сильное удорожание конструкции и сильное замедление движения. Практика показывает, что шлюзы существенно замедляют движение и без того очень медленного водного транспорта; ожидание откачки воздуха из секции тоннеля длиной несколько сотен метров (на станции, в районе перевода и т.п.) для проследования ТС даже при максимальных мощностях существующих насосов займёт десятки минут. Это значит, что средняя скорость даже на дистанциях в тысячи километров снизится в несколько раз, и проект станет бессмысленным. Другие варианты (например, дросселирование) требуют не меньше времени.

6. Как обеспечить минимальные радиусы кривизны (вертикальные и горизонтальные) величиной ~100 км и их устойчивость при следовании на скорости свыше 1000 км/ч? Современный прогресс в высокоскоростном железнодорожном транспорте в том числе непосредственно связан с современными достижениями в области спутникового геопозиционирования, когда стало возможным точно строить кривые большого радиуса (~10 км). Но точное соблюдение больших на порядок радиусов кривых пока невозможно и являлось бы значительным, если не сказать - революционным, - шагом вперёд. Однако об этом ничего не говорится.

7. Как обеспечить устойчивость движения, не допустить развития автоколебаний ТС в трубе на такой скорости? С ростом скорости ТС сохранение устойчивого движения становится всё более затруднительным и требует наличия специальных способов обеспечения отрицательной обратной связи с сильным демпфированием. Никаких намёков на это в проектах пока нет (как нет и ясного понимания конструкции ТС).
8. Идея парения на воздушной подушке, предложенная Маском, абсурдна: аэродинамическое качество такой капсулы будет гораздо хуже, чем у современного авиалайнера (~1/20) ввиду очень сильного, принципиального, отличия формы этой капсулы от оптимальной формы крыла самолёта, а это значит, что лобовое сопротивление округлой капсулы будет сравнимо с весом самого ТС. С такими условиями сможет справиться только двигатель истребителя , и то в течение лишь нескольких секунд.

Ничуть не лучше магнитная подушка, разрабатываемая в другой ветви проекта с охлаждением магнитов жидким гелием, как в Maglev'е или как в мертворождённом и сверхэнергоёмком Transapid'е. Но эти технологии даже без вакуума в несколько раз дороже обычной высокоскоростной ж.д. Такие системы требуют не солнечных <панелек>, а мощных электростанций.

9. Система ещё более монопольна, чем обычная ж.д. ввиду большего количества ограничивающих параметров и сложности подсоединения ответвлений и новых остановочных пунктов, что делает конкурентный доступ невозможным. Таким образом, эта штука лишь серьёзно усугубляет экономические проблемы, свойственные ж.д., и не решает ни одной новой.
10. Неясно, как решается проблема безопасности и эвакуации людей и ТС с середины перегона. Насколько чувствительна система к умышленному нарушению герметичности, насколько повреждения локальны? Или же при этом теряется работоспособность всей линии? Поясню: разрушения рельса на обычной ж.д. исключительно локальны; разрушение рельса в Твери не отразится на поезде в Бологом, и если оно не возникло непосредственно под поездом, может быть вовремя замечено и обезврежено.

Здесь же крупное разрушение и утрата герметичности приведёт к ударному заполнению воздухом значительных перегонов на скорости звука (1230 км/ч). При этом шлюзы должны заранее, до прихода плотной волны воздуха, определять факт повреждения и даже за время их срабатывания - несколько секунд - выключенной из обращения окажется линия длиной во много километров. Учитывая экстренный тормозной путь со скорости 1200 км/ч при предельно допустимом экстренном торможении -5м/с2 (-0,5 g), общая длина опасного участка достигает 20 километров.
Если на этом участке, пусть и далеко за пределами места разрушения, окажется <гипербус>, он и все его пассажиры обречены на гибель. Даже если конструкция <гипербуса> и выдержит столкновение с воздушной средой, плотность которой внезапно возрастёт до атмосферной (в тысячу раз), тормозные ускорения в этом случае достигнут нескольких g и приведут к смерти пассажиров.
Для того, чтобы скачок плотности в 100-1000 раз на скорости 1200 км/ч не привёл к катастрофическим последствиям, необходимо, чтобы эксплуатационное аэродинамическое сопротивление в тоннеле не превышало 1/200 - 1?2000 от веса <гипербуса>. Это в принципе достижимо, однако для этого требуется, чтобы диаметр тоннеля был в несколько раз больше поперечника <гипербуса> (т.е. был 6-10 метров, как для обычных поездов), а масса <гипербуса> - значительна, несколько десятков тонн. Поскольку длина блок-участка должна быть как минимум вдвое больше упомянутых 20 км (чтобы следующие следом экипажи могли вовремя затормозить, и при этом на дистанции 20 км не было более одного <гипербуса>), то минимальный интервал проследования ТС при отсутствии стрелок и ответвлений составляет 2 минуты. Напомню, что на обычной ж.д. при наличии стрелок и ответвлений этот интервал 4 минуты, а у поездов Московского метро - 1.5 минуты.

11. По предположению И. Маска, пассажиры НL должны испытывать регулярное ускорение при разгонах, торможениях и на поворотах 5 м/с2 (0,5 g). Это запредельные величины. Боковое длительное непогашенное (посредством наклона) ускорение пассажирских поездов не должно превышать 0,7 м/с2 (0,07 g), в особых случаях с обоснованием - не более 1 м/с2 (0,1 g), вертикальное при движении по переломам вертикального профиля пути - 0,2 м/с2 (0,02g), фронтальное ускорение при эксплуатационных разгонах и торможениях в пределах 1-2 м/с2 (0,1-0,2g), т.е. от 2,5 до 25 раз меньше. Примерно такие же требования и в пассажирской авиации. Эти требования вызваны отнюдь не <слабой> конструкцией ж.-д. техники, а здоровьем пассажиров. Нормативы для грузовых поездов гораздо свободнее; там, где пассажирский поезд не может следовать быстрее 25 км/ч (на станционной стрелке), товарный может следовать 40 км/ч. Боковое непогашенное ускорение для пассажирского вагона по условию запаса устойчивости достигает 5 м/с2, для электровозов и одноэтажных электропоездов с подвагонным оборудованием ещё больше, т.е. на порядок превосходит допустимые. Длительные (более нескольких секунд) вертикальные ускорения более 1 м/с2 очень опасны для пожилых и не очень здоровых пассажиров с нарушением кровообращения головного мозга, патологиями давления, болезнями сердца, крайне неприятны людям с нарушением вестибулярного аппарата. При движении также имеет значение смена знака ускорения и дополнительные ускорения, вызванные неизбежной вибрацией. Таким образом на НL предлагаемая амплитуда только средних ускорений составляет 1g, то есть это <американские горки>, но на скорости в 10 раз быстрее.
В следующей части - о причинах популярности идеи НL.
>───═══ Куть офф "Windows Clipboard" ═══───

С уважением - Igor
--- None