Начало статьи
И вот тут то и появляется поразительный эффект от движения поезда в трубе. Принципиальное отличие поездов в трубе в том, что никакая воздушная волна в принципе не способна вырваться из железобетонной трубы! Ну, это примерно как электрические вагоны метро - они есть фактически в трубе, но на поверхности люди ни капельки не замечают их существования. И, разумеется, что поезда не сбрасывают друг друга с рельсов. Причем совершенно неважно - с какой скоростью будут летать поезда внутри трубы - да хоть с 500 или тысячу километров в час, или даже в два раза больше скорости звука - все равно не будет ни малейшего воздействия на людей снаружи от трубы! То есть если трубу закопать в землю, то на ней спокойно смогут пастись коровки и козочки, играть дети и проезжать автомобили и велосипедисты, и никто из них не будет знать что там под ними с огромной скоростью туда и сюда ездят поезда.
Казалось бы - единственно возможный выход для сверхскоростных поездов со скоростью больше 500 км/ч - это движение внутри трубы. Но тут внезапно на этом пути возникла засада. Дело в том, что при движении внутри трубы любого твердого объекта возникает огромное дополнительное сопротивление. Уже сотни лет, как известно, что корабли и баржи при движении в каналах вынуждены двигаться с очень маленькой скоростью. Это из-за того, что чем уже сечение канала, то поток воды обтекающий судно должен протискиваться между стенками канала и формой корпуса судна, и от этого возникает большое дополнительное сопротивление. Так например сжатый газ в магистральных газопроводах движется со скоростью меньше 25 метров в секунду - это меньше даже чем 100 км/ч, тогда как сверхскоростные поезда способны развивать скорость 581 км/ч. Конечно при перекачке газа имеет огромное отрицательное значение, что газ испытывает не ламинарное течение, а турбулентное - то есть постоянное перемешивание слоев друг с другом, а поезда и самолеты представляют собой твердые тела, которые не перемешиваются внутри себя. Но все равно поезд внутри трубы будет увлекать в своем движении десятки тонн воздуха, и как бы толкать впереди себя огромную воздушную пробку, которая создаст чудовищное дополнительное сопротивление. Поэтому затраты энергии на движение поездов внутри трубы заполненной воздухом будут примерно в два раза больше, чем у надземных поездов.
Но самое главное: это грубейшее нарушение законов аэродинамики - то есть отсутствие благоприятного обтекания воздухом железнодорожных составов! Инженеры, проектирующие железнодорожные вагоны - просто враги аэродинамики! Надо всех конструкторов вагонов расстреливать поголовно! Дело в том, что любой предмет в виде плоскости поставленной поперек потока воздуха испытывает сопротивление в 30 раз больше, чем такой же по площади предмет, имеющий обтекаемую форму с отношением длины к ширине 3,5. И все стальные ребра и гофрированные поверхности железнодорожных вагонов создают огромное воздушное сопротивление, которое на больших скоростях во много раз больше, чем сопротивление колес по рельсам. То есть если бы железнодорожные вагоны делать аэродинамически обтекаемыми, то тогда запросто можно было бы снизить расход электроэнергии на их движение примерно в 20-30 раз!
Но есть еще один - гораздо более эффективный и недорогой способ уменьшения аэродинамического сопротивления - просто уменьшение плотности воздуха или среды, в которой движется объект! Дело в том, что формула аэродинамического сопротивления выглядит как плотность среды умноженная на коэффициент сопротивления объекта, его площадь и скорость движения во второй степени. И если другие способы использовать довольно затруднительно - улучшать аэродинамику, уменьшать площадь лобовой проекции и скорость - которую наоборот желательно увеличивать, то вот плотность среды при определенных условиях можно запросто уменьшить! И этим широко пользуются в авиации и в судостроении. В авиации всем хорошо известно, что с увеличением высоты полета самолета сильно уменьшается плотность воздуха, например при подъеме на высоту 10 км плотность воздуха уменьшается в 3 раза! А это значит, что если соблюсти равными все прочие условия (в первую очередь скорость) то только благодаря уменьшению плотности в три раза увеличится дальность полета и уменьшится расход топлива, или если не соблюдать равенство условий, то увеличится скорость полета. Правда увеличение скорости не желательно, потому, что при приближении к скорости звука начнется волновой кризис на крыле и возможно возникновение флаттера. Однако, на высотах порядка 20 км где плотность воздуха 0,07 от наземной могут летать сверхзвуковые истребители, которые развивают скорость в 2 раза больше скорости звука. А в судостроении используются суда и катера на подводных крыльях, которые невысоко приподнимают корпус судна из воды в воздух, плотность которой в 800 раз больше плотности воздуха, поэтому суда на подводных крыльях движутся гораздо быстрее обычных водоизмещающих плавсредств.
Вот поэтому наиболее перспективный путь развития железных дорог - это движение поездов в среде пониженной плотности - при этом произойдет и экономия электричества и увеличение скорости, и улучшение безопасности от отсутствия ударной воздушной волны. Однако всем понятно, что невозможно заставить летать железнодорожные поезда на высоте десяти и более километров. Но зато природа открыла другую блестящую возможность - движение поездов в трубе с вакуумом! В принципе возможны три варианта уменьшения плотности газа в трубе:
1 Вариант (самый плохой) - заполнить трубу вместо воздуха легким газом: водородом либо гелием. При этом в идеале можно получить плотность в 15 раз меньше плотности воздуха. И это значит, что сила аэродинамического сопротивления движению поезда в трубе - уменьшится в 15 раз. Но гелий очень дорог, да и он через несколько десятков лет кончится на земле. А водород хотя дешев, но может слабо взрываться. Конечно, сила взрыва его не велика, потому, что он может детонировать только при условии смешения с кислородом, а в воздухе всего 23% кислорода - то есть примерно 300 грамм, а идеальный состав - это 16 весовых частей кислорода на 2 части водорода. Поэтому максимум, что может быть в одном кубометре воздуха - это всего 66 грамм водорода. Но в реальности не бывает полного перемешивания, водород очень легкий и он соберется вверху, и перемешивания с кислородом не будет.
Второй вариант - уменьшение давления воздуха в трубе - то есть вакуум той или иной степени.
3 вариант самый лучший - комбинированный: одновременно заполнение трубы водородом и откачивание его для создания почти полного вакуума и практически нулевой плотности среды внутри трубы. Так например Если откачать из трубы 90% процентов водорода, и оставить всего 10% (то есть создать 10% процентный вакуум), то тогда аэродинамическое сопротивление по сравнению с воздухом при нормальном давлении уменьшится 15/10= 150 раз!
Но ведь давление газа внутри трубы можно уменьшить и гораздо больше! Для современной техники нет никаких проблем создать и 99% процентный вакуум, и даже 99,9% вакуум! Но даже если остановится всего лишь на 99% вакууме, то и тогда сила аэродинамического трения поезда внутри трубы составит 1500 раз меньше, чем у обычных поездов!!!
И это не только мысли автора - другие проектанты, в том числе и в России тоже проектируют движение пассажирских капсул в вакууме. Но все они принимают ошибочные решения - поддержка транспортных капсул за счет магнитной левитации, а проект автора заключается в том, чтобы использовать самые обычные вагоны - для пассажиров эти вагоны должны быть специально герметизированы, а грузовые вагоны - самые обычные без всякой герметизации. Вот что об этом пишут: Россия разрабатывает технологии для создания сверхзвукового поезда.
Цитата: "Директор ИТПМ СО РАН Александр Шиплюк в беседе с корреспондентами издания «Наука в Сибири» рассказал о разработке сверхскоростного вакуумного поезда, способного развивать скорость до 2000 км/ч. Сотрудники Института теоретической и прикладной механики им. Христиановича СО РАН проводят работы над технологиями, необходимыми для реализации крайне перспективного проекта сверхскоростного поезда. В подобных разработках очень большое значение уделяется аэродинамическим показателям, поскольку просчеты инженеров и ученых в технологиях движения пассажирского транспорта на столь высоких скоростях приведет к критическим проблемам. На данный момент сообщается, что новый вакуумный поезд РФ сможет двигаться на скорости от 1000 до 2000 км.
Специалисты ИТМП СО РАН отмечают, что подобные поезда производят движение в виде капсулы на магнитной подушке внутри труб, где поддерживается давление меньше атмосферного. Стоит отметить, что о работе над аналогичным проектом в 2013 году объявлял американский глава компании SpaceX Илон Маск. Его «капсула» Hyperloop на испытаниях смогла развить скорость лишь 457 км/ч. Проект до сих пор находится на стадии разработки.
Российские специалисты уверены, что разработка технологий и грамотный производственный процесс позволит реализовать крайне перспективный проект. Шиплюк сообщил, что на данный момент удалось определить оптимальные характеристики для аэродинамического сопротивления и давления в трубе. Выяснилось, что 0,01 атмосферы достаточно, чтобы существенно снизить давление и не вкладываться в энергетику создания вакуума, заключил специалист."
