Hyperloop – петля времени
Случается, что блестящая идея, способная навсегда изменить мир, становится реальностью спустя годы, многие десятилетия и даже века. И реализовать ее в этом случае доводится вовсе не ее авторам, а людям, обладающим набором определенных качеств. Именно таким человеком стал Илон Маск – создатель PayPal, электрокаров Tesla и грандиозных по своим масштабам проектов SpaceX. Талант, упорство и видение перспективы Маска позволили приблизить реализацию концепции транспорта будущего, основы которой были заложены нашим соотечественником Борисом Вейнбергом более века назад.
О перспективах одного из проектов века, реализуемого в наши дни в нескольких направлениях и о первом промо-ролике «Гиперпетли» от HyperloopTechnologies мы расскажем ниже.
Истоки
Благодаря феерической энергии Маска, у идеи транспортного средства, перемещаемого в трубе с низко разряженным воздухом (Vorvakuum) быстрее скорости звука, похоже, есть все шансы стать реальностью уже в ближайшем будущем.
Но помимо энергии, в основу идеи, предложенной в Hyperloop (Гиперпетля) легла концепция, разработанная и успешно реализованная еще за век до него французом Эмилем Бошле и профессором Томского политехнического института Борисом Вейнбергом. Оба независимо и почти одновременно сумели создать прототип сверхскоростного поезда. Но первым человеком на планете, проведшим в 1914 году успешные опыты по перемещению тела в замкнутой вакуумированной медной трубе под действием магнитного поля стал наш соотечественник – Б. Вейнберг.
Скорость движения в вакууме одиночных капсул в проекте Вейнберга должна была составить до 800–1000 км/час, что позволило бы, пересечь Россию от Владивостока до западной границы за 10-11 часов, и совершить путешествие из Петербурга в Москву за 45-50 минут. Запускать вагончики в трубу планировалось при помощи гигантских соленоидов, длиной около 3 км, что позволило бы уменьшить перегрузки при разгоне. Перед “стартом” одиночные капсулы с пассажирами в проекте Вейнберга накапливались в плотно закрытой камере, откуда группой направлялись к пусковому устройству и поочередно выстреливались в тоннель с частотой одна капсула в 5 секунд. При такой плотности пассажиропотока можно было бы отправлять в путь до 17 000 вагонов в сутки.
Сам автор назвал свой поезд Жюль-верновским и Уэлссовским, во многом в связи со сложностью и стоимостью реализации в 150 000–200 000 рублей 1914 года!
В связи с Гражданской войной и потребностью фронта в высококачественной меди тестовая платформа с медной трубой диметром 32 см и длиной 6,5 м была разобрана. Сегодня из всех материалов, прямо и косвенно связанных с разработанным и блестяще реализованным на уровне прототипа проектом ученого сохранилась лишь брошюра “Движение без трения”, изданная в 1914 году ограниченным тиражом по записям публичной лекции Вейнберга в Петербурге.
Скончался Борис Петрович Вейнберг в блокадном Ленинграде 18 апреля 1942 года от голода.
В течение всего 20 века идеи Вейнберга, Бошле, Кемпера, Одзавы активно обсуждались и лишь спустя 100 лет, на основании имеющихся разработок был предложен реальный проект подобного транспорта, использующий всю мощь возможностей современных технологий и материалов. Автором “доработанного” проекта Вейнберга под названием Hyperloop (Гиперпетля) суждено было стать харизматичному Илону Маску. О роли российского ученого, как это часто случается на этом поприще, участники проекта если и упоминают, то вскользь, и с явной неохотой.
Вакуумный поезд сегодня
Альфа-версия проекта футуристического надземного трубопровода Hyperloop (Гиперпетля), именуемого не иначе как пятый вид транспорта, была представлена в 57-страничном документе 12 августа 2013 года.
Маск не скрывает, что Hyperloop был задуман во многом как альтернатива проекту правительственной высокоскоростной железной дороги California High-Speed Rail между Лос-Анджелесом и Сан-Франциско стоимостью в $68,4 млрд., окончание строительства которой планируется на 2029 год. По мнению автора проекта Hyperloop, поезда строящейся калифорнийской магистрали, перемещающиеся со скоростью в 200 миль (322 км) в час непременно займут почетную верхнюю ступеньку в мировом рейтинге, как самые медленные и самые дорогие в пересчете на милю. Свое отношение к CHSR Маск выразил уже на первой странице доклада Alpha Hyperloop: «Когда „высокоскоростная“ калифорнийская железная дорога прошла процедуру утверждения, я был разочарован, как, насколько мне известно, и многие другие...».
И как не согласиться с автором Hyperloop, если планка в 200 км/час была впервые преодолена 11 мая 1936 году германским паровозом DRG 05 фирмы Borsig, в 256 км/час — синкэнсаном еще полвека назад и в 600 км/час — маглевом от Central Japan Railway Co — в апреле 2015 года.
Какую же альтернативу предложил Маск? Он заявил, что его проект позволит покрыть расстояние от Лос-Анджелеса до Сан-Франциско в 561 км как минимум в 3-4 раза быстрее, т. е., всего за 30 минут. Перемещение сигаровидных капсул, в каждой из которых планируется разместить по 28 человек, будет происходить за счет магнитных полей и двигателя при предельном остаточном давлении 1 … 10−3 мм рт. ст., создаваемом форвакуумными насосами. Именно такое состояние атмосферы достигается на высотах порядка 50-80 км над поверхностью планеты. Планируемая расчетная скорость до от 480 до 1220 км/ч, в зависимости от прямолинейности участка трассы.
По подсчетам Маска и специалистов из SpaceX, стоимость реализации проекта Hyperloop обойдется в 10 (!) раз дешевле, чем стоимость California High-Speed Rail. Т. е. Гиперпетля, соединяющая крупнейшие города Калифорнии по оптимистичным подсчетам обойдется инвесторам в 6 млрд долларов. При этом, по убеждению Маска, транспорт:
- Будет получать всю или большую часть достаточной для работы всех систем энергии от солнечных батарей.
- Обеспечит пассажиропоток в режиме non-stop без необходимости организации расписания, поскольку капсулы, по замыслу Маска, будут отправляться каждые 30 секунд, обеспечивая пассажиропоток до 7.4 млн. человек в обе стороны ежегодно.
- Превысит по степени безопасности любые существующие аналоги.
- Застрахован от подавляющего большинства аварийных ситуаций в которые попадают традиционные транспортные средства.
Идея “трубы с пустотой” была сохранена, но несколько трансформирована. А вот практическую реализацию условий жесткого вакуума, который проблематично поддерживать даже в комнате, не говоря уже о трубе протяженностью в 1100 км с дюжиной станций и шлюзов Маск посчитал фантастической. Альтернативным решением может стать «технический» вакуум или «форвакуум» — некоторое остаточное давление, равное давлению в верхних слоях атмосферы на высоте порядка 80 км (100 паскалей). Такой уровень давления вполне достижим при использовании самых обычных насосов средней мощности и стоимости.
График, иллюстрирующий концепцию «Гиперпетли»: ниже 100 Па расходы на снижение давления растут экспоненциально, что делает наиболее выгодным вариант поддержание в трубе для капсул-поездов давления именно этого уровня.
Изменения коснулись способа и движения капсул Hyperloop, которые Маск предложил запускать при помощи внешнего линейного электродвигателя, “выстреливающего” капсулу в тоннель. В качестве статора на старте и через каждые 110 км используется алюминиевый рельс длиной 15 м в нижней части трубы. Собственным ротором оборудована каждая капсула. Для создания необходимой движущей силы при движении капсулы со скоростью 1130 км/час в условиях форвакуума оказывается вполне достаточно 100 КВт, что сопоставимо с мощностью автомобиля. При полной загрузке капсулы в расчете на одного пассажира объем затрачиваемой энергии составит мизерные несколько киловатт — совсем как на маломощном мопеде.
Вместе с тем вероятный контакт со стенками тоннеля, наблюдаемый в эксперименте Вейнберга, в случае Hyperloop исключен за счет воздушной подушки, формируемой набегающими на большой скорости встречными массами воздуха. Для поддержания капсулы в нужном положении встречные воздушные потоки с давлением 9,4 кПа концентрируется в торообразную форму при помощи вентиляторов и направляющей.
На средних и больших скоростях воздух будет сам нагнетаться под капсулу, так как подкапсульные направляющие начнут при этом приоткрываться спереди, обеспечивая почти что «полёт» на набегающем потоке.
Таким образом принцип магнитной левитации в вакууме, предлагаемый Вейнбергом, сверхпроводниковые магниты в жидком гелии и прочие ультрадорогостоящие решения в проекте Маска заменены значительно более дешевой технологией перемещения в форвакууме.
Увеличение высоты капсулы с 0.90 м (предложенной Вейнбергом) до 1,1 м и ширины до 1.35 дает возможность разместить в капсулах 2 ряда комфортных кресел по 14 человек в каждом, позволяющие всем 28 пассажирам расположиться полулежа. Вместе с тем, по уточняющим расчетам специалистов NASA, проекция внутреннего сечения трубы, обеспечивающая отсутствие аэродинамических последствий должна иметь площадь, в несколько раз превышающую расчетную площадь проекции капсулы.
Высота — 1,1 м, ширина — 1,35 м. Посадка — как в очень спортивном седане, что при ускорениях до 0,5g можно считать скорее заботой о пассажире, нежели неудобством, связанным с желанием конструктора снизить сопротивление.
Как и в проекте Вейнберга, капсулы Hyperloop полностью герметичны. Необходимый для дыхания объем воздуха будет поставляться в ”салон” специальными насосными установками.
Иллюстрации Elon Musk, SpaceX
Конструкция капсулы в разрезе
Две параллельные трубы из стали, через каждые 30 м — опоры из железобетона. Такой вариант позволит исключить необходимость строительства переездов и полного выкупа земли под ж/д и полосу отчуждения.
Необходимая для поддержки работы системы энергия продуцируется солнечными батареями с панелями по 4.25 м (для пассажирской версии) и 6.6 м (для паромной), установленными по всей длине трассы. Это значит, что в солнечный день пассажирская версия Гиперпетли получит 285 МВт и паромная — 443 МВт, что покрывает потребности ее с избытком. В пасмурный день добрать необходимую энергию будет можно за счет накопителей, установленных вдоль трассы или подключившись к общей электросети.
Зато в мегаджоулях на пассажира поездка по маршруту ЛА — Сан-Франциско на Гиперпетле станет лучшим выбором: отсутствует трение о рельсы и дорогу, да и сопротивление воздуха более чем умеренное.
Полезной и поддающейся преобразованию в электрическую в такой схеме оказывается и кинетическая энергия капсулы, освобождаемая статором при ее торможении. Подсчитано, что избыток энергии, вырабатываемый батареями позволит получать до 25 млн. долларов ежегодно, что удешевит билет в один конец от Лос-Анджелеса до Сан-Франциско до $20. Таким образом, цена билета от ЛА — СФ равна стоимости бензина, расходуемого на втрое более короткую автопоездку и 1/3 стоимости самого дешевого билета на впятеро менее быстрый «Сапсан», ходящий по маршруту аналогичной длины но по ж/д.
Дополнительный источник значительной экономии в сравнении с проектом, предлагающим альтернативные решения с глубоким вакуумом — возможность изготовления стенок тоннеля из обычных стальных труб со стенкой 20-25 мм.
«Паромная» Гиперпетля
При определенных условиях, по убеждению Маска, возможна доработка проекта до уровня «паромной» концепции, предполагающей перевозку не только людей, но их грузов и автомобилей, загруженных в капсулы при помощи подвижных платформ. Он согласен, что реализация такого концепта Hyperloop будет связана с вынужденным увеличением площади проекции капсулы до 4 м. кв., а диаметра трубы — до 3,3 м., что приведет существенному удорожанию проекта. Но даже с учетом всех расходов на его реализации итоговая стоимость все равно окажется меньше той, в которую оценивается проект существующей высокоскоростной железки.
Узкие места концепта
Присутствуют и в проекте спорные участки, требующие самого пристального внимания, а возможно – и доработки. Так компрессор должен иметь возможность накапливать на борту достаточное количество сжатого воздуха на случай аварии или разгерметизации, что позволит предотвратить слишком быстрое падение давления в салоне. Недооценка этого обстоятельства в случае мгновенного падения давления с кислородом способно привести к летальному исходу пассажиров. В свою очередь, 20-ти кратно сжатый воздух непременно нагреет баллоны, для охлаждения которых потребуются значительные объемы воды. Для того, чтобы не увеличивать объемы бортового охладителя, воду придется менять на каждой станции используя быстросменные резервуары.
Одни и те же тоннели используются для непрерывного перемещения множества капсул в единицу времени со сверхзвуковой скоростью. В случае аварии одной из капсул расстояние в 37 км между терпящей аварию и ближайшей к ней капсулой окажется на пределе. На этот бортовые системы предусматривают возможность автоматического торможения. Поскольку и компрессор и бортовые системы запитываются от солнечных батарей, потребуется менять расчетные модульные аккумуляторы на заряженные на каждой станции.
Идеи, предложенные Маском, не так однозначны, как кажутся на первый взгляд, что подтверждает не прекращающаяся дискуссия между сторонниками проекта и скептиками:
Результаты компьютерного моделирования, проведенные специалистами NASA показали, что для достижения поставленных целей система должна быть частично доработана. При этом возможно существенное удорожание проекта.
Подготовив плацдарм для реализации проекта, сам Маск переключился на проблемы колонизации Марса и тотальной электромобилизации, выложив всю проектную документацию по Hyperloop в сеть.
Hyperloop Transportation Technologies
Идея была подхвачена достаточно быстро. Для реализации «Гиперпетли» была создана компания HTT Hyperloop Transportation Technologies, объединившая более 200 специалистов из Гарварда, Boeing, Cisko Systems…. Так отдельные фазы и участки проекта были разбиты на подзадачи, отрабатываемые представителями различных областей знания, активно обменивающихся между собой полезной информацией. В феврале 2015 года между HTT и девелопером экогорода Долина Квэя было достигнуто соглашение о строительстве первой “ветки” трассы Hyperloop, протяженностью в 8 км, стоимостью $100 млн. Старт первого этапа строительства намечен на начало 2016 года.
HyperloopTechnologies
Второй конкурирующей командой, изъявившей желание продолжить самостоятельную работу в направлении развития проекта, стала Hyperloop Technologies (HT). Ее руководитель Шервин Пишевар — один из ведущих спонсоров Демократической партии США, контактирующий по вопросам реализации проекта лично с Обамой.
Планы Пишевара достаточно амбициозны, о чем говорит не только поддержка на уровне администрации президента, но и выбор участка для строительства трассы от Лас Вегаса – до Западного побережья США. Судя по оптимистичному промо ролику компании, дела в Hyperloop Technologies идут достаточно неплохо. Интересно, что ролик был записан практически сразу после прихода на должность нового СЕО HT Роба Ллойда — бывшего президента Cisco по продажам и развитию.
Первый, весьма жизнеутверждающий промо ролик о Hyperloop от компании HyperloopTechnologies
Будут ли реализованы планы HT по созданию тестового трека протяженностью в 3,2 км на территории кампуса в Лос-Анджелесе, намеченные на конец 2016-2017 года в последних пресс-релизах компания не сообщает, но если все же будут, то это будет серьезным, и, возможно, решающим испытанием для всего стартапа. В команде Роба Ллойда не менее чем 50 специалистов по инженерному искусству, моделированию, машиностроению, праву, человеческим ресурсам. Бывший инженер SpaceX, сооснователь Hyperloop Technologies Броган Бемброган, занимающий должность Ллойда до его прихода, перешел на должность технического директора.
Маск снова в игре
А что же Маск? Он, еще раз доказал, что способен удивлять. В январе 2015 года Элон Маск посчитал, что его полный отказ от проекта Hyperloop выглядит преждевременным, о чем сообщил присутствующим на Техасском транспортном форуме. Там же им была объявлена приоритетная кандидатура подрядчика на строительство пробной трассы Hyperloop длиной в 5 миль – компания “Texacy”. В июле этого года детище Маска, компания SpaceX объявила о конкурсе на создание пассажирской капсулы, которая должна будет пройти испытания на полигоне в Хоторне на отрезке в 1 милю.
Что ж, время поджимает, а конкуренты — не дремлют. Свои права на ведущие места на мировом скоростном Олимпе вполне могут предъявить Китай, планирующий осуществление проекта рельсового поезда (до 1000 км/час) в тоннеле с форвакуумом к 2020 году, финская компания Astronomic, презентовавшая в 2013 году свое видение поезда будущего Sonicloop, развивающего скорость в подводном тоннеле до 1600 км/час, а, возможно, и уникальная российская сверхзвуковая транспортная система Янсуфина, способная разогнаться при тяге в 200 тонн до 2 448 км/сек через 5 минут 40 секунд после старта.
Хочется верить, что по крайней мере один из этих и им подобных амбициозных проектов будет реализован уже в ближайшее время, новый скоростной барьер будет восприниматься подавляющим большинством пассажиров комфортно и естественно, а показания пульсометров после 30 минутной поездки на таком средстве передвижения останутся в допустимых пределах. Так это или нет — покажет время.
Впрочем, любые вопросы можно задать Илону уже сейчас) — feedback: hyperloop@spacex.com или hyperloop@teslamotors.com.
Уважаемые читатели, мы всегда с удовольствием встречаем и ждем вас на страницах блога iСover . Мы готовы и дальше радовать вас своими публикациями и постараемся сделать все возможное для того, чтобы проведенное с нами время доставило удовольствие и вам.
