Аэродинамика скоростных поездов: почему ветер не мешает TGV
Обсудить 1
Сидя у окна, я достаю GPS-приемник и включаю его, чтобы узнать скорость движения. В это время в наше купе заглядывает Франсуа Лакот, старший вице-президент и технический директор компании Alstom, которая занимается разработкой и производством высокоскоростных поездов. Коллеги называют его «отцом TGV», поскольку он работает над проектом высокоскоростных поездов с 1983 года (сам Франсуа склонен считать себя «матерью TGV», поскольку отец, по его мнению, принимает слишком непродолжительное участие в создании ребенка). Заинтересовавшись моими манипуляциями, он с интересом кивает на приемник и спрашивает: «Ну, какая скорость?» На экране горит цифра 272 км/ч, и я указываю на нее Франсуа. Он с показным смущением говорит: «О! Мне очень жаль, я прошу прощения! Это не самая скоростная линия TGV, но я все же пойду попрошу машиниста увеличить скорость. Мы же не можем опозориться перед журналистами!» Журналисты в ответ смеются, все прекрасно понимают, что это шутка: поезд управляется компьютером, и машинист, разумеется, просто не может предпринять ничего без согласования с централизованной системой управления движением.
На родине Жюля Верна
Через два часа с минутами поезд прибывает в Нант, на родину Жюля Верна. Но группа европейских журналистов прибыла сюда вовсе не для того, чтобы почтить память писателя. На окраине Нанта расположено огромное сооружение климатического аэродинамического исследовательского комплекса CSTB (Centre Scientifique et Technique du Batiment, Научно-технический центр строительства). Здесь проводят исследования воздействия ветра, солнечного света, мороза и жары, дождя, пыльных и снежных бурь на макеты различных зданий и сооружений. И не только макеты, но и полноразмерные образцы. Например, автомобили — здесь тестируют поведение своих изделий в неблагоприятных погодных условиях Peugeot, Citroёn, Renault, Audi, VW, Porsche, Mercedes, Saab. Производители автомобильных комплектующих — Michelin, Valeo, Bosch, Webasto, Sent Gobain — тоже частые гости испытательных площадок комплекса им. Жюля Верна. Как и производители одежды, архитектурные компании и военные подрядчики. Но цель нашей текущей экскурсии — посмотреть, как компания Alstom тестирует аэродинамику следующего поколения высокоскоростных поездов — AGV (Automotrice З Grénde Vitesse).
Наравне с самолетами Аэродинамике высокоскоростных поездов конструкторы уделяют огромное внимание. Традиционно эта область ассоциируется с самолетами, однако поезда уже начинают догонять их по скоростям. В некоторых аспектах аэродинамика поездов даже более сложна — они движутся вблизи земной поверхности в условиях переменного ветра. К тому же высокоскоростные поезда — один из немногих видов транспорта, который должен быть оптимизирован по аэродинамике в обоих направлениях, поскольку на конечных станциях поезда не разворачивают.
Снаружи комплекс производит сильное впечатление — это здание размерами 60×90 м с «гофрированной» крышей. Нашу группу ведут внутрь, и я ожидаю увидеть в испытательной камере головной вагон нового поезда AGV (благо размеры площадки позволяют). Однако меня ждет разочарование — через прозрачное окно испытательной камеры видно, что на площадке стоит всего лишь макет поезда. В масштабе 1:15, высотой 28 см.
Игрушечная железная дорога
Реми Грегуар, главный специалист по аэродинамике компании Alstom, демонстрирует модели поездов с гордостью отца, купившего своему отпрыску игрушечную железную дорогу: «Вот это головные вагоны с разными вариантами носовых обтекателей. А на крыше можно установить различные токосъемники, дефлекторы. А вот вагоны в различных вариантах исполнения». Хотя вагоны для испытаний не раскрашены (в этом нет необходимости) и изготовлены из черного пластика, все детали, имеющие значение для аэродинамики, выполнены весьма тщательно. Единственное отступление заключается в том, что на этих моделях нет колес, они заменены тонкими короткими шпеньками-стойками, поскольку для исследований, которые здесь проводятся, наличие колес не имеет значения. «Ручная работа?» — интересуется один из журналистов. «Нет конечно! Поезда изготовлены из полиамида методом послойного селективного лазерного спекания по компьютерной модели, — говорит Реми. — Но цена действительно коллекционная: каждый набор вагонов стоит ?25000». Потом Реми ведет нас на склад, где демонстрирует разные варианты насыпей в том же масштабе — они имитируют стандартную насыпь высотой 6 м. Масштаб 1:15 выбран по совокупности причин: такие размеры дают возможность воспроизвести различные детали, важные для аэродинамики, и быстро изготавливать модели по относительно умеренной цене. Эти размеры позволяют также укладываться в нужные диапазоны скоростей ветра и нагрузок трубы CSTB, а полученные данные легко пересчитываются для поезда реального размера.
Все в дыму В климатическом аэродинамическом исследовательском комплексе им. Жюля Верна CSTB в Нанте не только исследуют взаимодействие поездов AGV с потоками воздуха с помощью измерений сил и моментов сил при обдуве масштабных макетов, но и проводят экспериментальные проверки характера обтекания.
Спереди и сбоку
И вот, наконец, сердце самой аэродинамической трубы — испытательная площадка. Здесь установлен поворотный стол, который можно повернуть на заданный угол. На стол устанавливается масштабная модель насыпи, на нее — модель поезда, состоящая из головного и пары обычных вагонов. Ось поезда образует с осью воздушного потока острый угол, и я спрашиваю Реми об этом. «Дело в том, что мы тестируем лобовое аэродинамическое сопротивление поездов на моделях не здесь, а в трубе Института аэротехники в Сен-Сире (Institut AéroTechnique, IAT Saint-Cyr). А в CSTB мы изучаем взаимодействие поездов именно с боковым ветром».
Воздействие бокового ветра — аспект не менее важный, чем лобовое сопротивление. Если последнее влияет на расход энергии, то есть на экономические показатели, то боковой ветер способен просто опрокинуть поезд. «Возьмите средиземноморскую высокоскоростную линию (Méditerranée), которая ведет в Марсель и Монпелье, — говорит Франсуа Лакот. — Каждый день 140 поездов TGV Duplex проносятся со скоростью 300 км/ч по виадуку высотой 55 м над долиной Роны южнее Авиньона. А ведь на мост и проходящие по нему поезда регулярно обрушиваются порывы бокового ветра, достигающие 150 км/ч! Обеспечить безопасность поездов в этом случае — целая техническая проблема, и без компьютерного моделирования и экспериментальных исследований в области аэродинамики ее не решить».
Опрокинуть поезд
Боковой ветер создает момент, который стремится опрокинуть поезд, «разгружая» одну из его сторон и нагружая другую. Согласно европейским нормативам, перераспределение нагрузки между сторонами не должно превышать 90%, то есть на колеса наветренной стороны должно по‑прежнему приходиться как минимум 5% веса поезда. В трубе CSTB как раз занимаются изучением зависимости боковых аэродинамических сил от направления и относительной скорости ветра по отношению к оси поезда, при этом учитывается и весьма высокая скорость движения самого поезда.
«Мы измеряем опрокидывающие силы при нескольких скоростях воздушного потока — до 45 м/с, — объясняет один из инженеров CSTB.- Потом подсчитываем зависимость аэродинамических коэффициентов от направления ветра к курсу поезда и пересчитываем их в характеристические ветровые кривые, по которым можно судить о допустимых максимальных порывах ветра при различных скоростях для реального поезда. Выполняем и компьютерное моделирование, отлично дополняющее, но не заменяющее реальные эксперименты, которые в обязательном порядке требуются для омологации. Для измерения опрокидывающего момента можно ограничиться головным и еще одним-двумя вагонами — полученные данные легко масштабируются для любой длины поезда. В отличие, скажем, от лобового сопротивления — оно по длине не масштабируется, количество вагонов обязательно должно соответствовать оригиналу, только тогда данные будут корректны. Для лобового сопротивления также важно наличие колес и движущегося полотна».
На 10 минут вперед
Однако, какой бы оптимизированной ни была форма поезда, все равно найдется ветер, который может его опрокинуть (значения его скорости как раз и указаны на характеристических ветровых кривых). Для поезда TGV Duplex, который вот уже почти десять лет является своеобразным эталоном в области аэродинамики, предельные скорости порывов ветра составляют от 32 м/с (для скорости поезда 300 км/ч) до 40 м/с (для скорости поезда 120 км/ч). Годы исследований в области аэродинамики не пропали даром — для поезда AGV специалистам Alstom удалось повысить эти показатели до 33 и 42 м/с соответственно.
Кто здесь Дональд Дак? Знаменитые японские скоростные поезда «Шинкансен», известные как «поезд-пуля», с выходом нового поколения — 700-й серии — несколько потеряли свой шарм в глазах поклонников. «Какая это пуля? Это же Дональд Дак!» — возмущались железнодорожные фанаты. Действительно, носовая часть поездов 700-й серии очень напоминает утиный клюв. Но популярность мультфильмов студии Walt Disney в Японии не имеет к этому никакого отношения — это не пустая прихоть дизайнеров, а следствие тщательной работы специалистов по аэродинамическим шумам.
Наиболее опасен ветер, дующий под острым углом (который зависит от скорости ветра и поезда) навстречу поезду — в этом случае скорости поезда и ветра векторно складываются и опрокидывающий момент возрастает. Предотвратить опрокидывание при этом можно, снизив скорость поезда. Однако в самом поезде нет никаких приборов, измеряющих скорость ветра или опрокидывающий момент (нагрузку на колеса). «В этом просто нет смысла, — поясняет Реми Грегуар.- Машинист все равно не сможет ничего сделать, поскольку переход к опрокидыванию происходит за одну-две секунды. Человек просто не успеет отреагировать, да и компьютер тоже, какой бы он ни был быстродействующий, — ведь снижение скорости тоже требует достаточного резерва времени. Поэтому знать о вероятном опрокидывании обязательно нужно заранее, как бы заглядывая в будущее».
Как же устроена система защиты от ветра? Вдоль наиболее ветреных участков пути через каждые 10 км устанавливаются анемометры (датчики скорости ветра), которые передают данные в центр управления движением. По результатам измерений и соответствующим метеорологическим моделям компьютер вычисляет прогноз силы и направления ветра на 10 минут вперед (за это время поезд при скорости 120 км/ч проходит два участка между датчиками). Если прогнозы предсказывают опасную скорость ветра в следующие 10 минут, то компьютер передает системе управления поезда команду снизить скорость до необходимого значения при подходе к соответствующему датчику. На самых опасных участках установлены специальные щитки-дефлекторы, защищающие проходящий поезд от ветра. «Такая защита отлично зарекомендовала себя на самой ветреной высокоскоростной линии — TGV Méditerranée, — говорит Реми. — Она эксплуатируется с июня 2001 года, и за все это время на маршруте не произошло ни одного инцидента. Мы уверены, что так будет и дальше».
