О способе снижения профильных сопротивлений воздуха движению транспортного средства внутри транспортопровода

Полный текст

Введение

На сегодняшний день известны различные концептуальные варианты высокоскоростных транспортных систем тоннельного и трубного типа, которые проектируются для перевозки грузов и пассажиров со скоростью более одной тысячи километров в час. Наибольшей популярностью в среде разработчиков пользуются вакуумные транспортные системы с герметичными транспортопроводами, из которых воздух, создающий сопротивление движению транспортного средства в изолированном пространстве, откачивается при помощи компрессорных установок (Evacuated tube transport). Для безопасной перевозки грузов и пассажиров по вакуумным транспортным системам необходимо использовать специализированный подвижный состав с прочным герметичным корпусом, способным сохранять атмосферное давление внутри салона при значительно ниже атмосферного давлении снаружи корпуса (то есть в транспортопроводе). К основным конкурентным преимуществам вакуумных транспортных систем, по сравнению с другими видами транспорта, относятся: высокая скорость движения транспортного средства при низких эксплуатационных расходах (так как в безвоздушном пространстве подвижной став не тратит энергию на преодоление силы сопротивления встречного воздушного потока); независимость работы от метеорологических условий (ветра, тумана, осадков); исключение столкновений движущихся транспортных средств.

Преимущественной сферой применения вакуумных транспортных систем являются перевозки грузов и пассажиров на магистральных сообщениях между крупными мегаполисами. На таких маршрутах вакуумные транспортные системы способны конкурировать даже с воздушным транспортом, так как самолет тратит время и энергию для подъема на высоту с низкой плотностью воздушной среды, в которой осуществляет скоростное перемещение. В свою очередь транспортное средство при движении в вакуумном транспортопроводе переходит в аналогичный режим работы (с низкой плотностью встречного воздушного потока) без дополнительных потерь времени и энергии. Наибольший эффект от эксплуатации вакуумных транспортных систем может быть получен при их интеграции с городскими транзитными системами, в частности, метрополитеном, пригородными поездами [1-4]. Однако вакуумные транспортные системы имеют ряд недостатков: требуются значительные капитальные расходы на их сооружение; необходимо обеспечивать безопасность перевозок в условиях низкого давления; расходы на обслуживание трубопровода могут превысить эффект от увеличения скорости сообщений [5].

Методы

Основным конструктивным элементом высокоскоростных транспортных систем тоннельного и трубного типа является изолированный от внешней окружающей среды транспортопровод, который состоит из корпуса, как правило, округлой формы, и транспортопроводящего пути, используемого для движения транспортного средства. Первые прототипы высокоскоростных трубных систем, основанные на вакуумном способе снижения силы сопротивления воздуха движению транспортного средства в герметичном транспортопроводе, появились более ста лет назад. Например, российский ученый Борис Петрович Вейнберг и американский инженер Роберт Годдард (Robert H. Goddard) независимо друг от друга предложили организовать движение транспортного средства на высокой скорости внутри трубы, из которой должен быть откачен воздух [6-7].

В течение двадцатого века концептуальные подходы к проектированию вакуумных транспортных систем активно развивалась. Предлагались различные модификации конструкций транспортопровода, адаптировались инновационные силовые установки для привода транспортного средства. Например, американский изобретатель Дэрил Остер (Daryl Oster) запатентовал совмещенную конструкцию из нескольких вакуумных трубопроводов, по которым должно осуществляться движение транспортных средств по встречным направлениям [8-9].

Современные модели трубных транспортных систем, которые предусматривают использование вакуумного способа снижения силы воздушного сопротивления движению транспортного средства, разделяются на два основных конструктивных типа в зависимости от степени снижения давления воздушной среды во внутренней полости транспортопровода. Во-первых, системы с глубоким вакуумом (hard vacuum), внутри которых давление снижается менее 1 Па. Во-вторых, системы с форвакуумом (vorvakuum), в которых давление снижается ниже 100 Па. По мнению многих экспертов, наиболее перспективными являются форвакуумные транспортные системы, так как затраты на их создание и эксплуатацию значительно меньше по сравнению с необходимыми капитальными вложениями в глубоковакуумные транспортные системы, а различия между данными транспортными системами по технико-эксплуатационным показателям работы несущественны. При этом наибольшим потенциалом обладают форвакуумные транспортные системы, использующие для движения транспортного средства магнитолевитационную технологию. Такие конструкции по экологическим и экономическим показателям способны превзойти все существующие альтернативные системы транспортировки [10].

Однако скоростные возможности и экономическая эффективность форвакуумных систем ограничиваются фундаментальными факторами, которые известны в теории газовой динамики как “предел Кантровица” (Kantrowitz limit) [11-13]. Данные факторы проявляются при движении транспортного средства со сверхзвуковой скоростью в изолированной среде и характеризуются тем, что воздух перестает просачиваться из передней части внутренней полости транспортопровода (расположена перед головной частью движущегося подвижного состава) в заднюю часть, расположенную за хвостовой частью движущегося подвижного состава, через межстеночное пространство, которое формируется корпусом транспортопровода и транспортного средства. Оставшийся (не просочившийся) воздух создает избыточное давление перед транспортным средством и усиливает сопротивление его движению по транспортопроводу.

Для обеспечения свободного перетока воздуха через межстеночное пространство в форвакуумных системах применяются особые формы конструкций подвижного состава и увеличивается диаметр транспортопровода до такого размера, при котором весь объем остаточного воздуха, независимо от скорости движения транспортного средства, будет беспрепятственно проходить из передней части в заднюю часть транспортопровода и заполнять разряженное пространство за транспортным средством. Однако данные способы также не лишены недостатков. В частности, создание и эксплуатация вакуумных транспортных систем с большим диаметром транспортопровода приводит к росту затрат и негативно отражается на окупаемости инвестиций в подобные проекты.

Поэтому для форвакуумных транспортных систем также является актуальной задача снижения силы сопротивления встречного воздушного потока движению транспортного средства посредством принудительного перераспределения воздуха из передней части в заднюю часть транспортопровода. В контексте настоящего исследования совокупность действий, которые или в результате которых обеспечивается перераспределение воздуха из передней части в заднюю часть транспортопровода будем называть процессом воздухообмена.

В форвакуумных транспортных системах “Hyperloop” и “TransPod” процесс воздухообмена предлагается осуществлять в границах внутренней полости транспортопровода при помощи устройств, входящих в конструкцию транспортного средства. Данный способ будем называть “внутреннем воздухообменом”. Основным конструктивным элементом, применяемым для “внутреннего воздухообмена” в вакуумных транспортных системах, является компрессорная установка, которая располагается в головной части подвижного состава. В “Hyperloop” компрессорная установка перераспределяет встречный поток воздуха под днище транспортного средства для создания воздушной подушки, облегчающей движение подвижного состава [13]. В “TransPod” компрессорная установка перекачивает воздух по каналам в корпусе подвижного состава и выбрасывает его (воздух) через выпускное сопло в заднюю часть транспортопровода. При этом на выходе из сопла создается реактивная тяга, которая используется для дополнительного ускорения транспортного средства [14].

Однако организация “внутреннего воздухообмена” по вариантам “Hyperloop” and “TransPod” снижает провозные возможности и эффективность работы подобных транспортных систем, так как размещение на подвижном составе дополнительного оборудования (компрессорных установок, воздуховодов и пр.) приводит к сокращению вместимости и грузоподъемности подвижного состава. Более того, конструкции “Hyperloop” and “TransPod” имеют еще ряд недостатков, которые характерны для всех моделей вакуумных транспортных систем форвакуумного и глубоковакуумного типа. В частности, снижение силы сопротивления воздуха движению транспортного средства за счет создания вакуума в транспортопроводе сопряжено с риском повреждения пассажиров или грузов в случае разгерметизации корпуса транспортного средства. Кроме того, на создание вакуумных транспортных систем потребуется значительный объем инвестиций, так как конструкции транспортопроводов и подвижного состава, предназначенных для работы в условиях с большими перепадами давлений, должны обладать повышенной прочностью, а эксплуатация данных систем будет сопровождаться дополнительными эксплуатационными расходами на устранение возможных протечек воздуха через стенки трубного корпуса. На время поиска протечек и ремонта корпуса движение поездов потребуется останавливать. Поэтому представляется более перспективным использование высокоскоростных “безвакуумные” трубных транспортных систем с нормальным атмосферным давлением, в которых для снижения профильного сопротивления движению транспортного средства предлагается организовать процесс “внешнего воздухообмена” между передней и задней частями внутренней полости транспортопроводящей конструкции.

Результаты

Основная цель внедрения предлагаемого “безвакуумного” способа снижения силы сопротивления воздуха движению транспортного средства состоит в повышении эффективности и безопасности процесса транспортировки грузов и пассажиров по герметичным транспортопроводам за счёт организации “внешнего воздухообмена” между передними и задними частями транспортопроводов.

Движение транспортного средства в изолированном пространстве с естественным атмосферным давлением воздушной среды сопровождается потерями энергии на непроизводительную работу по преодолению профильных сопротивлений со стороны фронтальной и тыльной поверхностей подвижного состава, обусловленных нежелательным изменением давления в транспортопроводе – в передней части транспортопровода происходит нагнетание давления и уплотнение воздуха, в задней части отмечается уменьшение давления и плотности воздушной среды. Характерные изменения параметров воздуха в связи с движением транспортного средства называются поршневым эффектом [15]. При поршневые эффектах отмечается значительное увеличение затрат энергии на преодоление растущей силы встречного сопротивления воздуха, величина которой пропорциональна квадрату скорости движения транспортного средства [16]. Для исключения указанных энергетических потерь предлагается организовать синхронное и сбалансированное по объемам откачивание воздуха из передней части транспортопровода и нагнетание воздуха в заднюю часть транспортопровода. Общий принцип осуществления процесса внешнего воздухообмена и конструктивные элементы устройства, применяемые для осуществления данного процесса, показаны на Рис.

Перераспределение воздушного потока между передней (1) и задней (2) частями транспортопровода осуществляется путем организации внешнего воздухообмена через обособленный по отношению к транспортопроводу воздухонакопитель (3), представляющий собой типичный резервуар для хранения газов, как правило, цилиндрической формы, сварной конструкции с повышенными требованиями к материалам, применяемым для их изготовления.

 

Рис. Общая структура и принцип действия устройства внешнего воздухообмена с обособленными воздуховодами: 1 – передняя часть транспортопровода (область повышенного давления воздуха); 2 – задняя часть транспортопровода (область пониженного давления воздуха); 3 – воздухонакопитель; 4 – сквозное отверстие в корпусе транспортопровода для откачки воздуха; 5 – сквозное отверстие в корпусе транспортопровода для нагнетания воздуха; 6 – обособленный отводящий воздуховод; 7 – обособленный нагнетающий воздуховод; 8 - отводящие компрессорные установки включены; 9 – нагнетающие компрессорные установки выключены; 10 - задвижка отводящего воздуховода в открытом положении; 11 – задвижка нагнетающего воздуховода в открытом положении; 12 – нагнетающие компрессорные установки включены; 13 – задвижка нагнетающего воздуховода в закрытом положении; 14 – задвижка отводящего воздуховода в закрытом положении; 15 – отводящие компрессорные установки выключены; 16 – направление движение воздуха из транспортопровода в воздухонакопитель; 17 – направление движение воздуха из воздухонакопителя в транспортопровод; 18 – сквозное отверстие в корпусе воздухонакопителя для откачивания воздуха; 19 – сквозное отверстие в корпусе воздухонакопителя для нагнетания воздуха; 20 – корпус транспортопровода; 21 – транспортное средство.

 

Для организации внешнего воздухообмена в корпусе транспортопровода делается, по меньшей мере, одно сквозное отверстие (4) для откачки воздуха, и, по меньшей мере, одно сквозное отверстие (5) для нагнетания воздуха. Отверстия изготавливаются, как правило, округлой формы в поперечном сечении и равномерно распределяются по корпусу транспортопровода. Рекомендуется отверстия разных типов (для откачки и нагнетания воздуха) располагать попарно в непосредственной близости друг от друга, насколько допускают габариты конструкции транспортопровода.

Устройство внешнего воздухообмена состоит из обособленных отводящих (6) и нагнетающих (7) воздуховодов, по которым соответственно осуществляется откачка воздуха из транспортопровода и подача воздуха в транспортопровод; воздухонакопителя (3), принимающего откачиваемый воздух из передней части транспортопровода, и откуда отбирается воздух для нагнетания в заднюю часть транспортопровода; компрессорных установок (8) и (9), выполняющих работу по перекачке воздуха; задвижек, которые используются для предотвращения перетока воздуха между транспортопроводом и воздухонакопителем при отключенных компрессорных установках. На Рис. 1 задвижки (10) и (11) показаны в открытом положении, когда отводящий (8) и нагнетающий (12) компрессоры включены, а задвижки (13) и (14) показаны в закрытом положении, когда компрессоры нагнетающий (9) и отводящий (15) компрессоры отключены. При данном рабочем состоянии элементов воздухообменного устройства воздух из передней части транспортопровода (1) перемещается в воздухонакопитель (16) и из воздухонакопителя перемещается (17) в заднюю часть транспортопровода (2). Возможна организация процесса воздухообмена без использования устройства воздухонакопителя напрямую через атмосферу. Такая конструкция может применяться для снижения затрат на сооружение высокоскоростной транспортной системы наземного исполнения.

Совокупность отводящих воздуховодов с задвижками и компрессорными установками образуют отводящую систему. Аналогично совокупность нагнетающих воздуховодов с задвижками и компрессорными установками образуют нагнетающую систему. Конструктивно и функционально соединенные в единое устройство отводящие воздуховоды, задвижки и компрессорные установки, равно как и соединенные нагнетающие воздуховоды, задвижки и компрессорные установки, образуют обособленные узлы соответствующих воздухоотводящей или воздухонагнетающей систем (далее – компоненты воздухообменной системы).

Отводящие (8) и нагнетающие (9) воздуховоды герметично прикрепляются (свинчиванием, сваркой или другими надежными способами) к транспортопроводу и воздухонакопителю по периметру соответствующих сквозных отверстий (4) и (5). Аналогичным образом воздуховоды прикрепляются к воздухонакопителю (3) по периметру сквозных отверстий (18) и (19) в его корпусе. Герметичное соединение транспортопровода и воздухонакопителя позволяет создавать высокоскоростные транспортные системы подземного и подводного исполнения.

При необходимости интенсивность воздухообмена может быть повышена за счет добавления дополнительных откачивающих и нагнетающих воздуховодов. При этом возможно уплотнение воздуховодов (6) и (7) путем их присоединения к транспортопроводу или воздухонакопителю через совмещенные сквозные отверстия (4) и (5), либо (18) и (19) соответственно. Такое конструктивное решение также позволяет уменьшить габаритные размеры воздухонакопителя.

Организация внешнего воздухообмена предусматривает регулирование работы задвижек и компрессорных установок в автоматическом режиме на основе данных о фактическом местонахождении транспортного средства во внутренней полости транспортопровода и скорости его движения. Для сбора соответствующей информации могут применяться электронные датчики, встроенные в транспортопроводящий путь, корпус транспортопровода и подвижной состав [14, 17-20]. Скорость движения транспортного средства по каждому отрезку скоростного участка нормируется в зависимости от фактической производительности компонентов воздухообменной системы. При этом вопросы регулирования работы компонентов воздухообменной системы являются самостоятельной темой исследования и не рассматриваются в рамках настоящей статьи.

Выводы

Разработанный способ предназначен для снижения силы сопротивления воздуха при движении транспортного средства внутри герметичного транспортопровода без создания вакуума. При этом представленные в статье результаты исследования и предложенные разработки не имеют цели поставить под сомнение перспективность разработки и эффективность использования вакуумных транспортных систем. Авторы стремятся привлечь внимание специалистов к необходимости дальнейшего развития систем и конструкций, которые способны обеспечить снижение профильных сопротивлений воздуха движению транспортных средств с высокой скоростью по транспортопроводам тоннельного и трубного типа. По мнению авторов, подобные транспортные системы имеют перспективы для широкого применения. В последнее время обсуждаются различные проекты сооружения подобных конструкций подземного и подводного исполнения. Например, Национальное консультативное бюро из Объединенных Арабских Эмиратов объявило о планах строительства подводного туннеля между Фуджейрой (ОАЭ) и Мумбаи (Индия), который будет находиться на углублении от поверхности Индийского океана. По герметичному тоннелю планируется организовать скоростное движение железнодорожных поездов, а также провести трубопроводы с нефтью, газом и водой. Дополнительно обсуждается вопрос прокладки в тоннеле изолированного форвакуумного железнодорожного транспортопровода. При этом параметры подводного тоннеля позволяют разместить в нём предлагаемую авторами статьи систему внешнего воздухообмена, которая позволит упростить конструкцию тоннеля и повысить скорость движения поездов. Разработанный авторами способ также может быть использован при организации железнодорожного сообщения по тоннелю между Хельсинки и Таллинном, который планируется построить в ближайшие годы по дну Балтийского моря.

Благодарности

Авторы выражают благодарность организаторам и участникам 7-oй Международной научно-практической конференции «Магнитолевитационные транспортные системы и технологии» (МТСТ’19), в рамках которой прошло обсуждение представленной выше разработки и были высказаны весьма ценные замечания и предложения, что позволило авторам улучшить структуру статьи и сделанные в ней выводы.

Об авторах

Олег Николаевич Ларин

Российский университет транспорта (МИИТ)

Автор, ответственный за переписку.
Email: larin_on@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9020-2228
SPIN-код: 2283-4063
Scopus Author ID: 57204397984

доктор технических наук, профессор

Россия, 127994, Москва, ул. Образцова, д 9, стр. 9

Александр Викторович Боков

Российский экономический университет имени Г.В. Плеханова

Email: av_bokov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9159-3566
SPIN-код: 6972-2337

кандидат технических наук, доцент

Россия, Москва

Список литературы

Дополнительные файлы