Транспорт на воздушной подушке

Идею создания аппарата на воздушной подушке впервые высказал в 1716 году шведский ученый Э. Сведенберг. В 1853 году русский инженер Иванов предложил создать воздушную прослойку под днищем судна, чтобы уменьшить сопротивление воды. Для движения своего "трехкильного духоплана" он предлагал использовать реактивное воздействие воздуха, выходящего из-под днища в кормовой части судна. Однако эти идеи по разным причинам не могли еще стать транспортными средствами.

В 1927 году К. Э. Циолковский опубликовал работу "Сопротивление воздуха и скорый поезд", в которой дал научно-техническое обоснование и принципы расчетов вагона на воздушной подушке, двигающегося по специально спрофилированному рельсу. Необходимая для движения сила создавалась вырывающимся из-под поезда в направлении, противоположном его движению, воздухом. Фактически он предлагал поезд-снаряд, который, прежде чем взлететь, разгоняется по монорельсу, опираясь на воздушную подушку.

Однако сам поезд в том виде, как его описал К. Э. Циолковский, транспортным средством быть не может. Безопорный полет в воздухе поезда-снаряда требует больших скоростей, а, следовательно, больших энергетических затрат на преодоление сопротивления движению. Вследствие высоких энергетических затрат, необходимых для движения, критерий экономичности поезда Циолковского оказывается неудовлетворительным. Поезд не отвечает требованиям и по критерию безопасности, так как остается неясным решение проблемы посадки такого поезда после баллистического полета. Однако сама идея заменить колесо воздушной подушкой была революционной.

В 1959 году английский инженер К. Коккерелл провел испытания своего корабля на воздушной подушке, получившего название "Ховеркрафт". В этой конструкции были продолжены разработки, начатые за три десятилетия до этого В. И. Левковым. В. И. Левков построил такой корабль и в начале 30-х годов успешно провел его испытания. Несмотря на это, новый вид транспортного средства не был признан и оценен по достоинству.

В 1955 году в Хлебникове, под Москвой, были проведены испытания первого автомобиля на воздушной подушке, созданного двадцатилетним студентом Московского нефтяного института Г. Туркиным. Уже при первых испытаниях четырехкилограммовая модель автомобиля поднимала 12-16 кг груза. Туркин вместе с С. Демушкиным и П. Морозовым построил машину в натуральную величину. Во время испытаний автомобиль завис над землей, однако заглох один мотор. Испытания были прекращены, так как Туркин умер из-за остановки больного сердца.

Рисунок 9.7 - Аппарат (судно) на воздушной подуш­ке: 1 - двигатели, 2 - элементы, образующие воздушную подушку

Суда на воздушной подушке (рисунок 9.7) начали получать распространение лишь с 60-х годов и пока на отдельных небольших линиях (реках) и при перевозках через морские проливы. Идея использования воздушной подушки извест­на давно. В СНГ создано несколько моделей су­дов на воздушной подушке. Среди них "Радуга" - небольшой катер для движения со скоростью 100 км/ч, более крупное – "Горьковчанин" на 48 пассажирских мест и другие. Сотни таких судов построены во многих странах мира. Самые круп­ные работают в качестве автопассажирских па­ромов через пролив Ла-Манш. Одно из таких су­дов водоизмещением 180 т и грузоподъем-

ностью 80 т имеет длину 39,2 м

и ширину 22,8 м. Четыре тур-

бовинтовых двигателя общей мощностью 13600 л. с. позволяют развивать скорость до 80 узлов (140-150 км/ч).

В 1977 году во Франции было создано для работы на проливе Паде-Кале судно длиной 50 м и шириной 23 м с 3 винтовыми двигателями на корме и может двигаться со скоростью 65 узлов. При включении вентиляторов суда этого типа поднимаются над водой на 1,5–2 м.

Преимущества судов на воздушной подушке – в их большой скорости и вездеходности, т. е. в возможности движения по мелководью, выхода на пологий берег и движения над относительно ровной поверхностью земли. Такие суда-амфибии не нуждаются в портах и причальных сооружениях. Однако они могут двигаться лишь при небольшом волнении (до 4 баллов), становятся неуправляемыми на малых скоростях, а при движении над водой создают облака водяной пыли, которая ускоряет коррозию частей и агрегатов судна.

Их недостатком является большой расход энергии на создание воздушной подушки и сильный шум. Исследования по совершенствованию судов на воздушной подушке продолжаются.

Сухопутные аппа­раты на воздушной подушкев основном существуют в виде проектов и опытных образцов. Первыми были опытные образцы автомобилей. Они имели плоское днище, под которое вентиля­торы нагнетали воздух. Одно или несколько колес остаются в контакте с землей для обеспечения горизон­тальной тяги. К настоя­щему времени эксперименты с ними отложены.

В рельсовых системах возникла идея использования для опоры вагона (на путь) воздушной подушки (рисунок 9.8), которая улучшает динамику и комфорт при движении. Разработано несколько проектов таких аэропоездов в разных странах. Большим их недостатком является шум от создания воз­душной подушки. Поэтому склонились к применению для транспортных целей линейных электродвигателей. В Англии разработан образец аэропо­езда (вагона) массой 25 т для движения со скоростью 480 км/ч под действи­ем линейного электродвигателя. До недавнего времени проблема линейно­го электродвигателя оставалась не до конца разрешенной. Последние рабо­ты в Японии позволили повысить экономичность и надежность линейного электродвигателя, используемого для передвижения транспортной единицы.

Рисунок 9.8 – Системы подвешивания экипажей: а – на воздушной подушке (смазке);

б – на электромагнитном притяжении; в – на электродинамическом отталкивании

Однако ни корабли, ни автомобили на воздушной подушке не были в состоянии развить скорость порядка нескольких сот километров в час. Им не хватало мощности. Движение кораблей и автомобилей на воздушной подушке с высокой скоростью сопряжено с такими большими затратами мощности, что эти транспортные средства становятся неэкономичными. Главное достоинство этих аппаратов – высокая проходимость.

В 1966 г. из Франции поступило сообщение о строительстве экспериментального участка первой монорельсовой дороги длиной 6,7 км с поездами на воздушной подушке. Модель поезда, названного "Аэротрэн-01", вмещающая четырех человек, развила скорость 170 км/ч. В 1968 г. при испытаниях следующей модификации поезда на воздушной подушке «Аэротрэн-02» была получена максимальная скорость 378 км/ч, которая превысила мировой рекорд скорости рельсового транспорта того времени. Следует отметить, что французские поезда в основных элементах повторяли поезд на воздушной подушке, разработанный Зелькиным: поезд состоял из одного вагона, в качестве рельсового пути использовался монорельс, вынесенный на эстакаду, воздушная подушка создавалась вентиляторами от автономной силовой установки, в качестве тяговых были применены два турбовинтовых двигателя, расчетная скорость достигала 430 км/ч, пассажировместимость составляла 180 человек.

Помимо междугородных поездов, той же фирмой были разработаны поезда на воздушной подушке серии "Аэротрэн" для пригородных и городских сообщений. Форма монорельса имела вид перевернутой буквы "Т". Для создания воздушной подушки использовались две группы сопел: первая группа формировала воздушную подушку над горизонтальной поверхностью профиля монорельса – на нее опирался поезд; вторая группа создавала воздушную подушку около боковых поверхностей – она обеспечивала устойчивое движение поезда в поперечном направлении. В варианте поезда для городского сообщения с целью снижения шума тяговое усилие создавалось линейным электродвигателем переменного тока или двумя роликами, прижимаемыми к вертикальному ребру монорельса.

Вслед за Францией к испытанию модели поезда на воздушной подушке приступила Англия. В 1966 г. здесь начали проводить испытания макета поезда на воздушной подушке, названного "Ховеркар".

В СССР монорельсовый поезд на воздушной подушке был официально признан как новый вид транспорта на Всесоюзной конференции по аппаратам на воздушной подушке, которая проходила в Тюмени в 1972 г.

В работе Г. Г. Зелькина "Поезд на воздушной смазке с аэродинамической разгрузкой рельсового полотна. Основы проектирования и расчета" рассмотрен вариант крылатого монорельсового поезда на воздушной подушке (рисунок 9.9) со следующими параметрами: количество пассажиров – 180 человек, начальная масса – 40 т, толщина воздушной подушки – 8 мм. Поезд имеет два турбовинтовых тяговых двигателя, снабжен крыльями, обеспечивающими 80 %-ную разгрузку рельсового полотна, что позволяет значительно снизить потребную мощность вентиляторов, создающих воздушную подушку.

Рисунок 9.9 – Крылатый монорельсовый поезд на воздушной подушке

Поезд состоит из следующих элементов: пассажирского салона 1, скользящего шасси 11, крыльев 6, тяговых реактивных двигателей 7, силовой вентиляторной группы и вентиляторов 9 (воздух к вентиляторам поступает через карман 10), желобов для создания дополнительной подъемной силы за счет использования струи реактивных двигателей 8. Монорельс поезда 5 размещается на эстакаде 13, которую поддерживают оперы 12. Монорельс имеет гладкие опорные поверхности 2, на которые через воздушную подушку и шасси опирается поезд, и эксплуатационную канавку 4.

Для улучшения центровки багажное отделение предусматривается в нижней части поезда, а пассажирский салон имеет два этажа.

Вдоль монорельса прокладываются линии электропередачи, радиотрансляционной, телефонной связи, а также другие линии коммуникаций 3.

По компоновке поезд состоит из двух отсеков: корпусного с крыльями и пассажирским салоном и двигательного с тяговыми двигателями и вентиляторной установкой. Такая компоновка делает поезд более технологичным, так как предусматривает изготовление отсеков на специализированных предприятиях и увеличивает фронт работ.

Расчет указанного варианта поезда показал, что применение крыльев позволяет снизить мощность силовой установки поезда при скорости 600 км/ч на 0,975 МВт (1325 л. с.), что в 17 раз превышает затраты мощности, связанные с наличием крыльев.

Для снижения шума предусматривалась возможность использовать в качестве тягового линейный асинхронный двигатель. Отметим, что именно шум вместе с выбросом выхлопных газов от работающих двигателей внутреннего сгорания "отбрасывал" поезд на воздушной подушке на уровень существующих транспортных средств.

Следовательно, наиболее слабым критерием прогрессивности поездов на воздушной подушке являетсякритерий экологического воздействия. Шум работающих двигателей и вентиляторов поезда, продукты неполного сгорания топлива, потоки тепла от работающих энергоустановок наносят вред окружающей среде. Положение улучшается, если использовать линейный асинхронный двигатель, однако остаются вентиляторы, питающие воздушную подушку, которые создают наибольший шум.