Подземный космос: вакуумные поезда

Поезд на магнитной подушке не только можно, но и выгодно делать сверхскоростным, поскольку затраты энергии на поддержание магнитной левитации тем ниже, чем меньше время в пути. С другой стороны, при увеличении скорости аэродинамическое сопротивление возрастает в определенной прогрессии. Исключить его целиком можно, проложив трассу маглева внутри трубы, из которой откачан воздух. Интересно, что примерно таким образом представлял себе идеальный транспорт российский ученый Борис Вайнберг еще в далеком 1914 году. Но вернемся в наше время.

Идея вакуумного поезда витает в воздухе уже почти целый век. В 1960-х годах на волне технооптимизма родилась смелая концепция трансатлантического грузопровода, по безвоздушным трубам которого, заякоренным в толще вод на глубине полукилометра, из Европы в Америку неслись бы составы на магнитной подушке. Тем не менее патент на Evacuated Tube Transport Technologies (вакуумно-трубопроводные транспортные технологии) был получен лишь в 1999 году американским инженером Дэрилом Остером. А два года спустя всерьез взяться за воплощение его идеи в металле решились китайцы во главе с профессором Чжаном Яопином.

В представлении Остера предназначенная для двухстороннего движения трасса ET3 (или ETT) должна представлять собой пару надземных труб диаметром 150 см. Транспортная капсула, скользящая в вакууме на подвеске из магнитного поля, будет иметь диаметр 130 и длину 490 см. Собственный вес «вагона», вмещающего 370 кг груза или шесть пассажиров, не превысит 190 кг. Его двигателем — вторичным элементом коаксиального линейного электромотора, статором которого является снабженная обмотками труба ET3 — станет сам корпус, изготовленный из ферромагнитного сплава. Минимальный зазор между вторичным и первичным элементами позволит установить асинхронный линейный двигатель вместо синхронного, применяемого в существующем скоростном электрическом транспорте.

Помимо пассажирских сидений и системы регенерации воздуха внутри капсулы понадобится расположить лишь электродинамическую подвеску (EDS) на сверхпроводящих магнитах, обеспечивающую магнитную левитацию. Причем ее обмотки предназначаются только для отклика на внешние поля: активная часть электромагнитной подвески также интегрируется в трассу-трубу. Сама капсула будет нуждаться лишь в миниатюрных аккумуляторах, предназначенных для питания телевизоров и виртуальных окон, на которые с расположенных снаружи трубопровода камер могут транслироваться виды пересекаемой местности.

Поскольку капсула движется практически без сопротивления, а большая часть энергии, затраченной на разгон, может быть возвращена при торможении, ожидается, что экономичностью ET3 превзойдет рельсовый поезд в десятки раз. Способствует этому и высокая эффективность линейного двигателя, непосредственно преобразующего электрическую энергию в механическую и не имеющего подверженных трению деталей. Скорость же вакуумного поезда может достигать 6500−8000 км/ч (сложно сказать, как это повлияет на психику пассажиров, — видимо, такие скорости реальны только для товарных составов). Фактически ограничения на нее накладывает лишь невозможность сделать трассу идеально прямой, поскольку на поворотах электромагнитам придется компенсировать не только вес капсулы, но и центробежную силу.

Китайцы внесли в проект ряд серьезных корректив: трасса, скорее всего, будет пролегать под землей, а не на опорах, да и полное вакуумирование труб не планируется (хотя давление в них будет снижено). Это, конечно, минус, но предварительные расчеты показали, что затраты энергии на создание вакуума в системе превосходят расходы на разгон капсулы и поддержание ее левитации. Плюс к тому некоторое количество воздуха в трубопроводе поможет решить проблему отвода тепла, выделяющегося в обмотках и корпусе капсулы.

Предполагается, что благодаря снижению требований к герметичности труб строительство трассы обойдется не дороже обычного метрополитена, то есть около $3 млн на километр.

Именуемый Swissmetro проект, во многом подобный ET3, разрабатывался в Швейцарии с 1974 года. Развивающий скорость до 500 км/ч подземный вакуумный поезд на магнитной подушке должен был курсировать между главными городами страны: Женевой, Лозанной, Базелем, Берном и Цюрихом. Швейцарский вариант отличался от китайского несколько большим диаметром труб (180 см) и восьмиместной капсулой. О прочих особенностях судить трудно, так как толком проработаны они не были. В 2009 году 35-летняя история проекта завершилась его закрытием (впрочем, компания не ликвидирована, ее акционеры все еще надеются на возрождение).

В 2002 году к идее вакуумного поезда обратились английские инженеры. FTS (Fast Tube System), призванная, по замыслу изобретателей, заменить не только железнодорожный, но и автомобильный транспорт, должна была представлять собой покрывающую всю страну паутину труб сравнительно небольшого диаметра — транспортные капсулы рассчитаны лишь на одного или двух пассажиров, располагающихся в положении лежа. В отличие от левитирующих вагонов ET3 миниатюрному снаряду FTS предстоит катиться со скоростью 420 км/ч — на колесах по рельсам, без всякой магнитной подвески. Статором линейного электродвигателя, питание к которому подводилось бы по контактному рельсу, предлагается оснастить сами тележки (расчетная масса которых в результате выше, чем у многоместных капсул ET3). Трубе же отводится роль вторичного, пассивного элемента, благодаря чему конструкция трубопровода предельно упрощается.

Перечисленные особенности, конечно же, в значительной мере лишают вакуумный поезд такого типа серьезных преимуществ. Даже не принимая во внимание трение о рельсы, за счет относительно небольшого веса и низкой вместимости тележки затраты энергии на транспортировку одного пассажира обещают быть в несколько раз выше, чем в случае ET3 или Swissmetro. Зато, по мнению авторов, строительство сети FTS обойдется дешево — не дороже прокладки водопроводных труб большого диаметра.

Итак, в основе концепции вакуумного поезда лежит уже давно ставший реальностью поезд на магнитной подушке. Между тем бурного развития левитирующего транспорта, с которым 30 лет назад связывались большие надежды, пока что не заметно. Несколько построенных в 1980-е годы линий уже закрыты, на сегодняшний день эксплуатируются лишь 30-километровая трасса в Эмсланде (Германия), такой же длины дорога в Шанхае и 9-километровый участок в Нагое (Япония).

Теоретически маглев может развивать скорость, вполне сопоставимую со скоростью самолета, при впятеро меньших затратах энергии. Но скорость становится весомым достоинством только на больших дистанциях: на 30-километровой трассе способность разгоняться до 500 км/ч практически бесполезна.

Опять же: теоретически маглев втрое экономичнее автомобиля (хотя и уступает обычному поезду), но только при перевозке ограниченного числа пассажиров, так чтобы их масса была невелика по отношению к массе поезда. Если же состав нагрузить, преимущество исчезнет. Для перевозки товаров транспорт на магнитной подушке непригоден.

Обычные скоростные электропоезда, почти столь же быстрые и значительно более экономичные, при этом не требующие прокладки специальных, оригинальной конструкции путей, на данный момент выигрывают в конкурентной борьбе с маглевами. Изменит ли ситуацию освобожденная от воздуха труба? Главный недостаток поезда на магнитной подушке — дороговизна строительства дорог, а также их неприспособленность для тяжелых грузоперевозок и движения других видов транспорта — только усугубится. К тому же непонятно, например, каким образом конструкторы ET3 намереваются пропустить через 150-сантиметровое «игольное ушко» все возрастающие межконтинентальные пассажиропотоки. Малая вместимость капсул и необходимость их шлюзования перед подачей в вакуумированный канал снижают пропускную способность транспортной системы, делая ее непригодной даже для обслуживания крупного аэропорта.

Недостаточно проработаны и вопросы обеспечения безопасности вакуумного поезда. Конструкторы FTS предлагают оборудовать капсулы ремнями и подушками безопасности (на случай схода тележки с рельсов), а также кислородной маской (на случай разгерметизации). К сожалению, после срабатывания подушки воспользоваться маской невозможно. Но — авторы это признают, — если катастрофа произойдет на скорости 400 км/ч, отсутствие воздуха в тоннеле пассажира беспокоить уже не будет.

Стоит заметить, что конструкция самых современных авиалайнеров включает довольно сомнительные средства спасения пассажиров в случае катастрофы. Тем не менее большинство людей спокойно относятся к полетам. Низкая вероятность отказов в магнитно-вакуумных транспортных системах сделает сверхскоростные поезда достаточно безопасными.

Реализация смелого замысла Дэрила Остера требует огромных затрат. Предстоит решить бесчисленные технические проблемы. Но уже сейчас видно, что сложности преодолимы. Пассажирские поезда, в два-три раза более скоростные, чем сверхзвуковые авиалайнеры, колоссальные межконтинентальные «грузопроводы», подвешенные в толще океанских вод, даже индивидуальные «линии доставки», по которым товары отправляются покупателям на дом, — все это вполне может появиться. Если не к концу нынешнего столетия, то в начале следующего века капсулы, скользящие в пустоте на магнитной подушке, заменят и вытеснят прочие виды транспорта, исключая личные автомобили и круизные лайнеры. По крайней мере мы можем в это поверить.