Уже более двухсот лет прошло с того момента, когда человечество изобрело первые паровозы. Однако до сих пор железнодорожный наземный транспорт, перевозящий пассажиров и тяжеловесные грузы при помощи силы электричества и дизельного топлива, весьма распространен.
Стоит сказать о том, что все эти годы инженеры-изобретатели активно работали над созданием альтернативных способов перемещения. Результатом их труда стали поезда на магнитных подушках.
История появления
Сама идея создать поезда на магнитных подушках активно разрабатывалась еще в начале двадцатого века. Однако воплотить данный проект в то время по ряду причин так и не удалось. К изготовлению подобного поезда приступили лишь в 1969 г. Именно тогда на территории ФРГ начали укладывать магнитную трассу, по которой должно было пройти новое транспортное средство, которое впоследствии назвали так: поезд-маглев. Запущено оно было в 1971 г. По магнитной трассе прошел первый поезд-маглев, который назывался «Трансрапид-02».
Интересен тот факт, что немецкие инженеры изготавливали альтернативное транспортное средство на основании тех записей, которые оставил ученый Герман Кемпер, еще в 1934 г. получивший патент, подтверждавший изобретение магнитоплана.
«Трансрапид-02» сложно назвать очень быстрым. Он мог перемещаться с максимальной скоростью в 90 километров в час. Низкой была и его вместимость – всего четыре человека.
В 1979 г. создали более усовершенствованную модель маглева. Этот поезд, носящий название «Трансрапид-05», мог перевозить уже шестьдесят восемь пассажиров. Перемещался он по линии, расположенной в городе Гамбурге, протяженность которой составляла 908 метров. Максимальная скорость, которую развивал этот поезд, была равна семидесяти пяти километрам в час.
В том же 1979 г. в Японии была выпущена другая модель маглева. Ее назвали «МЛ-500». Японский поезд на магнитной подушке развивал скорость до пятисот семнадцати километров в час.
Конкурентоспособность
Скорость, которую могут развить поезда на магнитных подушках, можно сравнить со скоростью самолетов. В связи с этим данный вид транспорта может стать серьезным конкурентом тем воздушным авиалиниям, которые работают на расстоянии до тысячи километров. Повсеместному применению маглевов препятствует тот факт, что перемещаться по традиционным железнодорожным покрытиям они не могут. Поезда на магнитных подушках нуждаются в построении специальных магистралей. А это требует крупных вложений капитала. Считается также, что создаваемое для маглевов магнитное поле способно негативно влиять на организм человека, что отрицательно скажется на здоровье машиниста и жителей регионов, находящихся неподалеку от такой трассы.
Принцип работы
Поезда на магнитных подушках представляют собой особую разновидность транспорта. Во время движения маглев словно парит над железнодорожным полотном, не касаясь его. Это происходит по той причине, что транспортное средство управляется силой искусственно созданного магнитного поля. Во время движения маглева отсутствует трение. Тормозящей силой при этом является аэродинамическое сопротивление.
Как же это работает? О том, какими базовыми свойствами обладают магниты, каждому из нас известно из уроков физики шестого класса. Если два магнита поднести друг к другу северными полюсами, то они будут отталкиваться. Создается так называемая магнитная подушка. При соединении различных полюсов магниты притянутся друг к другу. Этот довольно простой принцип и лежит в основе движения поезда-маглева, который буквально скользит по воздуху на незначительном расстоянии от рельсов.
В настоящее время уже разработано две технологии, при помощи которых приводится в действие магнитная подушка или подвес. Третья является экспериментальной и существует только на бумаге.
Электромагнитный подвес
Эта технология носит название EMS. В ее основе лежит сила электромагнитного поля, изменяющаяся во времени. Она и вызывает левитацию (подъем в воздухе) маглева. Для движения поезда в данном случае необходимы Т-образные рельсы, которые выполняются из проводника (как правило, из металла). Этим работа системы похожа на обычную железную дорогу. Однако в поезде вместо колесных пар установлены опорные и направляющие магниты. Их располагают параллельно ферромагнитным статорам, находящимся по краю Т-образного полотна.
Основным недостатком технологии EMS является необходимость контроля над расстоянием между статором и магнитами. И это при том, что оно зависит от множества факторов, в том числе и от непостоянной природы электромагнитного взаимодействия. Для того чтобы избежать внезапной остановки поезда, на нем устанавливаются специальные батареи. Они способны подзаряжать линейные генераторы, встроенные в опорные магниты, и тем самым достаточно долго поддерживать процесс левитации.
Торможение поездов, созданных на базе технологии EMS, осуществляет синхронный линейный двигатель низкого ускорения. Он представлен опорными магнитами, а также дорожным полотном, над которым парит маглев. Скорость и тягу состава можно регулировать изменением частоты и силы создаваемого переменного тока. Для замедления хода достаточно изменить направление магнитных волн.
Электродинамический подвес
Существует технология, при которой движение маглева происходит при взаимодействии двух полей. Одно из них создается в полотне магистрали, а второе – на борту состава. Эта технология получила название EDS. На ее базе построен японский поезд на магнитной подушке JR–Maglev.
Такая система имеет некоторые отличия от EMS, где применяются обычные магниты, к которым от катушек подводится электрический ток только при подаче питания.
Технология EDS подразумевает постоянное поступление электричества. Это происходит даже в том случае, если источник питания отключен. В катушках такой системы установлено криогенное охлаждение, позволяющее экономить значительные объемы электроэнергии.
Преимущества и недостатки технологии EDS
Положительной стороной системы, работающей на электродинамическом подвесе, является ее стабильность. Даже незначительное сокращение или увеличение расстояния между магнитами и полотном регулируется силами отталкивания и притяжения. Это позволяет системе находиться в неизменном состоянии. При данной технологии отсутствует необходимость в установке электроники для контроля. Не нужны и приборы для регулировки расстояния между полотном и магнитами.
Технология EDS имеет некоторые недостатки. Так, сила, достаточная для левитации состава, может возникнуть только на большой скорости. Именно поэтому маглевы оснащают колесами. Они обеспечивают их движение при скорости до ста километров в час. Еще одним недостатком данной технологии является сила трения, возникающая в задней и передней части отталкивающих магнитов при низком значении скорости.
Из-за сильного магнитного поля в секции, предназначенной для пассажиров, необходима установка специальной защиты. В противном случае человеку с электронным стимулятором сердца путешествовать запрещено. Защита нужна и для магнитных носителей информации (кредитных карточек и HDD).
Разрабатываемая технология
Третьей системой, которая в настоящее время существует лишь на бумаге, является использование в варианте EDS постоянных магнитов, которые для активации не нуждаются в подаче энергии. Еще совсем недавно считалось, что это невозможно. Исследователи полагали, что у постоянных магнитов нет такой силы, которая способна вызвать левитацию поезда. Однако этой проблемы удалось избежать. Для ее решения магниты поместили в «массив Хальбаха». Подобное расположение приводит к созданию магнитного поля не под массивом, а над ним. Это способствует поддержанию левитации состава даже на скорости около пяти километров в час.
Достоинства маглевов
Наиболее привлекательной стороной поездов на магнитной подушке является перспектива достижения ими высоких скоростей, которые позволят маглевам в будущем конкурировать даже с реактивными самолетами. Данный вид транспорта довольно экономичен по уровню потребляемой электроэнергии. Невелики расходы и на его эксплуатацию. Это становится возможным в связи с отсутствием трения. Радует и низкий шум маглевов, что положительно скажется на экологической обстановке.
Недостатки
Отрицательной стороной маглевов является слишком большая сумма, необходимая для их создания. Высоки расходы и на обслуживание колеи. Кроме того, для рассмотренного вида транспорта требуется сложная система путей и сверхточные приборы, контролирующие расстояние между полотном и магнитами.
Реализация проекта в Берлине
В столице Германии в 1980 годах состоялось открытие первой системы типа маглев под названием M-Bahn. Длина полотна составляла 1,6 км. Поезд на магнитной подушке курсировал между тремя станциями метро по выходным дням. Проезд для пассажиров был бесплатным. После падения Берлинской стены население города увеличилось практически вдвое. Потребовалось создание транспортных сетей, обладающих возможностью обеспечения высокого пассажиропотока. Именно поэтому в 1991 г. магнитное полотно было демонтировано, а на его месте началось строительство метро.
Бирмингем
В этом германском городе низкоскоростной маглев соединял с 1984 по 1995 гг. аэропорт и железнодорожную станцию. Длина магнитного пути составляла всего 600 м.
Дорога проработала десять лет и была закрыта в связи с многочисленными жалобами пассажиров на существующие неудобства. Впоследствии монорельсовый транспорт заменил маглев на этом участке.
Шанхай
Первая магнитная дорога в Берлине была построена немецкой компанией Transrapid. Неудача проекта не отпугнула разработчиков. Они продолжили свои исследования и получили заказ от китайского правительства, которое решило возвести в стране трассу-маглев. Шанхай и аэропорт «Пудун» связал этот высокоскоростной (до 450 км/ч) путь.
Дорогу длиной в 30 км открыли в 2002 г. В планах на будущее – ее продление до 175 км.
Япония
В этой стране в 2005 г. прошла выставка Expo-2005. К ее открытию была введена в эксплуатацию магнитная трасса длиной 9 км. На линии располагается девять станций. Маглев обслуживает территорию, которая прилегает к месту проведения выставки.
Маглевы считаются транспортом будущего. Уже в 2025 г. планируется открыть новую сверхскоростную трассу в такой стране, как Япония. Поезд на магнитной подушке будет перевозить пассажиров из Токио в один из районов центральной части острова. Его скорость составит 500 км/ч. Для реализации проекта понадобится около сорока пяти миллиардов долларов.
Россия
Создание высокоскоростного поезда планируется и РЖД. К 2030 г. маглев в России соединит Москву и Владивосток. Путь в 9300 км пассажиры преодолеют за 20 часов. Скорость поезда на магнитной подушке будет доходить до пятисот километров в час.
