Рассмотрены три варианта канатных транспортных систем на магнитной левитации и способы их работы 2 - реферат

Канатная транспортная система на магнитной левитации

Реферат

Рассмотрены три варианта канатных транспортных систем на магнитной левитации и способы их работы - 2 D авиация, космический лифт и электромагнитный лифт. Они охвачены единым изобретательским замыслом и единой общей характеристикой – движением транспортного модуля на магнитном подвесе (левитации) вдоль сверхпрочного легкого каната с высокой электропроводимостью. Сам канат выполнен на основе нанотехнологии с использованием углеродных и других нанотрубок, он имеет прочность как минимум в 100 лучше прочности стали и весит в несколько раз меньше. Его электропроводность в минимум в 100 раз лучше проводимости алюминия или меди при комнатной температуре, и в пределе канат является высокотемпературным сверхпроводником (до 93,5 градусов Цельсия). Магнитная левитация и движение вдоль каната осуществляется с помощью линейного электродвигателя, имеющего обмотку из материала, аналогичного материалу каната. В результате левитация и тяга создаются за счет взаимодействия магнитных полей двигателя и канатов. При этом электроэнергия, необходимая для движения, подается непосредственно по самим канатам от источника электроэнергии. Фиг.1.

Область техники

Изобретение относится к высокоскоростным транспортным средствам на основе сочетания канатных и левитационных систем с электротягой и магнитным подвесом с использованием последних достижений в нанотехнологии и предназначено для перевозки грузов и пассажиров.

Уровень техники

При создании транспортных систем для высокоскоростной перевозки грузов и пассажиров используются воздушные и наземные транспортные средства. Наземные транспортные средства создаются на основе колеса, воздушной подушки или на магнитном подвесе (магнитной левитации). Путевые структуры транспортных систем могут располагаться непосредственно на земле или на несущих опорах (эстакадах) или мостах. Используемые наземные путевые структуры являются неэластичными конструкциями, образуя жесткий путь. Существуют и воздушные транспортные системы, использующие летательные аппараты тяжелее и легче воздуха, которые не требуют создания жестких путевых структур с опорой на землю.

Транспортные системы являются основными потребителями энергоресурсов. Причем потребление топлива возрастает с увеличением скорости.

Сравним существующие транспортные системы, выбирая в качестве наиболее объективного критерия удельный расход условного топлива (Табл. 1).

Таблица 1. Удельный расход условного топлива на перевозки разными видами транспорта [1].

кг/1000 т-км

* рассчитано по энергопотреблению с условием 1 кВт ч =0.34 кг условного топлива при кпд преобразования тепловой энергии в электрическую 36%. 1 кг усл. топлива эквивалентен 29,308 кДж/кг. Для самолетов и автомобилей для 1 кг топлива выбирается среднее значение 44 кДж/кг.

** [2], ***[3]

Из таблицы 1 следует, что за последние 30 лет транспортные системы принципиально исчерпали ресурс своего развития. Это связано с тем, что решить задачу создания высокоэффективных транспортных систем, базируясь на технологиях ушедших веков, принципиально невозможно.

Для транспортных систем важно, каким образом транспортный модуль взаимодействует со средой движения (воздух, рельс, шоссе). Поэтому при сравнении транспортных систем также необходимо учитывать коэффициент полезного действия движения при взаимодействии со средой (Табл.2).

Табл. 2. Коэффициенты полезного действия движения [4].

Из анализа табл. 1,2 следует, что из-за низкого кпд движения 0,25-0,35 уменьшить энергопотребление авиации можно будет только с применением новых принципов движения. Пока в настоящее время решить проблему уменьшения энергопотребления пытаются традиционным путем, уменьшая массу самолета и улучшая аэродинамическое качество, например, путем перехода на самолет-крыло или на режим экраноплана с уменьшением крейсерской скорости.

Рассмотрим высокоскоростные наземные транспортные системы.

На сегодняшний день существуют следующие технологии высокоскоростного наземного транспорта:

• традиционные колесно-рельсовые системы со скоростью 300 км/ч - французская TGV, японская «Шинкансен», немецкая ICE.

• Система на магнитной левитации Maglev со скоростью 400-550 км/ч - немецкая опытная система «Трансрапид»; японская опытная система SCM и MLU 002; китайская система «Maglev» длиной 30 км, соединяющая Шанхай и аэропорт Пудун.

Наземные высокоскоростные системы (скорость до 300 км/ч) требуют использования рельсовых путей с малой стрелой прогиба (10^-3 – 10^-4 ), с большими радиусами поворота и с малым уклоном. Известно, что движение колесных тележек по рельсу происходит не по прямой линии, а с поперечными биениями. Это приводит к ускоренному износу как рельса, так и колеса, что ведет к постоянным эксплуатационным издержкам, составляющим до 80% всех эксплуатационных затрат.

Кроме того, при увеличении скорости движения железнодорожного транспорта с 80 км/ч до 300 км/ч коэффициент сопротивления качению колесо/рельс возрастает в 3-4 раза, поэтому увеличение скорости свыше 300 км/ч экономически не выгодно [5]. Кроме того, при скорости свыше 200 км/ч большая часть энергия расходуется на преодоление аэродинамического сопротивления. Высокая стоимость прокладки железнодорожного полотна со специальными требованиями к насыпи ограничивает строительство таких дорог в болотистых местах, сильно пересеченных местах и на вечной мерзлоте. Для решения перечисленных проблем используются эстакады в виде классических вантовых и подвесных мостов.

Для уменьшения веса рельсового пути, а, следовательно, и удельной себестоимости, был предложен метод распределения транспортной нагрузки – струнная транспортная система [6]. Это достигается путем использования вместо цельного поезда с жестко связанными вагонами отдельных экипажей с электронной дистанционной связкой, Для уменьшения аэродинамических потерь при скоростях до 300 км/ч экипажи имеют низкое лобовое сопротивление – C _x порядка 0.075. Основу системы составляют выпускаемые промышленностью стальные канаты, натянутые внутри специального рельса. Один путь многопутной трассы представляет собой два рельса-струны, образующие колею 2 м и установленные на опорах высотой 1 - 10 м и более. Струны в рельсе натянуты до суммарного усилия 100-300 тонн (в зависимости от длины пролёта и массы подвижного состава) и жёстко закреплены в анкерных опорах, установленных на расстоянии 1-5 км друг от друга (по длине каната). В промежутке путевая структура опирается на легкие поддерживающие опоры, оптимальное расстояние между которыми составляет 20-50 м.

По существу, предложенная структура является классическим подвесным мостом облегченной конструкции, с малой стрелой прогиба каната. Мост располагается над сушей и реками, и нивелирует рельеф местности [7].

Основным недостатком струнной транспортной системы является малая грузоподъемность транспортного модуля (1-2 т), что не позволит вписать эту систему в современные логистические схемы. Также очень существенным недостатком этой системы является тот факт, что в жестко натянутых струнах, под действием ветра и движения транспортного модуля, возникают сильные неустранимые вибрации, которые могут привести к разрушению самой дороги, особенно в местах крепления струны [8]. Поэтому такие струнные транспортные системы не использовались в мостостроении. На практике используются не натянутые струны, а провисающие тросы, что видно на примере технологии натяжения проводов, используемой в линиях электропередач [9].

Попытки усовершенствовать железные дороги привели к созданию монорельсовых эстакадных дорог. Они бывают двух типов: колесно-рельсовые и на воздушной подушке. Многократные попытки увеличить скоростные характеристики таких дорог не дали положительных результатов. Эстакадные колесно-рельсовые системы обладают всеми недостатками классических колесно-рельсовых систем, а использование воздушной подушки увеличивает энергопотребление и стоимость монорельса (за счет необходимости создания желоба), а также имеет труднопреодолимые шумовые характеристики.

Перечисленные выше наземные транспортные системы обладают общим недостатком – проскальзыванием колеса относительно рельса при увеличении крутизны подъема свыше 1/40. Поэтому в гористой и сильно пересеченной местности для перевозки людей и грузов с низкими скоростями используются канатные подвесные дороги. Они состоят из жесткого колеса и «мягкого» рельса. Эти дороги позволяют преодолевать значительные перепады высот, что невозможно для других видов колесно-рельсовых транспортных систем. Их недостатком является провисание несущего и тянущего канатов. В результате этого на них невозможно развить скорости выше 10 км/ч, так как путь является волнообразным. Например, наиболее протяженная грузовая канатная дорога построена в Швеции, имеет длину 98 км, максимальные пролеты 600-800 м, средние пролеты 100-150 м, максимальный угол подъема 30⁰ , производительность 50тон/ч, среднюю скорость движения 1,5 - 3,15 м/с [9].

Предельным случаем канатной дороги являются лифты. Транспортный модуль – кабина лифта – движется вдоль жестко укрепленных направляющих с помощью тянущего каната. Предельным случаем лифтовой системы можем считать систему, в которой канат натянут между Землей и космическим объектом.

В NASA (США) считают, что освоение Луны и Марса с помощью устаревших технологий 60-ых годов перевозки грузов на основе ракет на химическом топливе не приведет к дальнейшему технологическому скачку, поэтому не является перспективным.

Например, для осуществления космического полета традиционными способами с помощью ракет, на высоте 150 км с первой космической скоростью необходимо затратить энергию 31,3 МДж/кг. Дополнительно преодоление гравитации потребует еще 8-10%, аэродинамическое сопротивление 1%-5%, направление ракеты 1%-5%. Следовательно, в среднем затраты на вывод ракеты в космос составят 35 МДж на 1 килограмм общего веса. Так, для системы Буран-Энергия стартовая масса с Земли составляет 2430 тон. Корабль Буран весит 105 т, а полезная нагрузка составляет всего 30 т т.е., 1,23% от общего веса корабля.

В настоящее время исследователи из NASA [10,11] предлагают упростить вывод крупных объектов на орбиту, используя систему, названную ими «Космическим лифтом» и предложенную еще Ю.В. Арцутановым в 1960 г. [12].

В их проекте "Космический лифт - это сверхпрочная легкая лента из углеродных нанотрубок весом порядка 7,5 кг/км. Ее прочность в 100 раз лучше прочности аналогичной стальной ленты, при этом в 4,5 раза она легче. Один конец ленты присоединен к поверхности Земли, а другой находится на геосинхронной орбите в космосе (на высоте 100 000 км). Гравитационное притяжение нижнего конца ленты компенсируется силой, вызванной центростремительным ускорением верхнего конца. Таким образом, лента постоянно находится в натянутом состоянии.

Изменяя длину пути, можно достигать разных орбит. Космический модуль, содержащий полезный груз, будет передвигаться вдоль ленты. Для начального старта модуля, имеющего вес 10-20 тон, потребуется его разгон до 100-200 км/ч. Вертикальное движение его предполагается осуществлять с помощью блока колес. Движение до конечной станции займет время порядка 7 дней. Как только он будет приближаться к концевой станции, его горизонтальная (орбитальная) скорость будет увеличиваться из-за центростремительного ускорения всей системы. На конечной станции, если это необходимо, модуль отсоединяется от лифта и выходит в открытый космос. Орбитальная скорость модуля при этом будет составлять 11 км/с. Этой скорости будет достаточно для того, чтобы начать путешествие к Марсу и другим планетам. Таким образом, затраты на пуск модуля будут только в начале ее пути на орбиту. Спуск будет производиться в обратном порядке - в конце спуска модуль будет ускорять гравитационное поле Земли. Можно использовать космический лифт в качестве "пусковой платформы" для космических кораблей, запускаемых к другим планетам, спутникам и астероидам (Марсу, Венере, Луне). Это поможет сократить расходы примерно в 100 раз, связанные с традиционным запуском ракет на химическом топливе. Также можно построить лифт грузоподъемностью до 100 тонн, что позволит строить на орбите большие колонии и орбитальные станции.

Мощность для разгона модуля, в зависимости от массы груза, будет варьироваться в границах от 100 киловатт до 2,4 мегаватт. Планируется передавать энергию с помощью инфракрасного лазера. Однако, коэффициент полезного действия фотопреобразователей оптического излучения в электричество не превышает 35%. Поэтому возникает проблема охлаждения фотопреобразователей в космическом пространстве.

За счет трения колес о ленту будет происходить износ ленты. Ее придется менять каждые два-три года. Таким образом, здесь также не решается проблема колесо-рельсы (трос).

Специалисты NASA в настоящее время приступили к исследованию, связанному с возможностью осуществлять запуск космических ракет с помощью электромагнитных ускорителей на начальном этапе полета. Они предполагают, что это не только поможет решить проблемы экологического характера, но и существенно снизит стоимость каждого запуска примерно в 10 раз.

Для грузовых перевозки в настоящее время рассматривается возможность использования электромагнитных катапульт для запуска космических модулей непосредственно с Земли. Такие электромагнитные пушки предложил еще в 1901 г К. Брикланд, которые развивал Э.Циолковский. В настоящее время это направление также продолжает развиваться, например, прелагается создать электромагнитные ускорители длиной до 1 км с использованием электромагнитных секций. Секции предполагается создавать как из обычных магнитов, так и из сверхпроводящих магнитов [13]. Космический летательный аппарат с помощью такой катапульты может развить скорость 6,5 км/с, при этом он испытывает ускорение до 2000g . Такие перегрузки могут выдержать только бесструктурные объекты и жидкости. Кроме того, при таких скоростях корабль должен иметь тепловую защиту для движения в атмосфере. Предполагается, что при стоимости запуска 30 долларов США на один кг груза при круглосуточной работе такая пушка может обеспечить топливом и продуктами питания космическую станцию. Отметим, что запуск одного килограмма груза с помощью ракет на химическом топливе на низколежащую орбиту стоит порядка 2500 долларов, а на геостационарную – 60 000 тыс. долларов США.

К сожалению, для достаточно дешевого запуска с помощью электромагнитных катапульт существует две основные и пока не решенные проблемы: высокие перегрузки и потеря энергии при трении о воздух при больших начальных скоростях.

Эти проекты в настоящее время из-за высокой себестоимости самой катапульты пока не получили практического применения и находятся в стадии экспериментов.

Следующей технологией высокоскоростного транспорта, в которой сделаны попытки решить проблему колесо - рельс и увеличить скорость до 500-600 км/ч, стали системы на магнитном подвесе.

Например, Маглев (Maglev от англ. magnetic levitation ru.wikipedia.org/wiki/) — это поезд на магнитной левитации (подвесе), движимый и управляемый магнитными силами. Такой состав, в отличие от традиционных поездов, в процессе движения не касается поверхности рельса. Так как между поездом и поверхностью движения существует зазор, механическое трение исключается и основной тормозящей силой является сила аэродинамического сопротивления и потери в линейном электродвигателе (см. табл. 2).

Скорость, достижимая Маглев, сравнима со скоростью самолёта и позволяет составить конкуренцию воздушным сообщениям на малых расстояниях (до 2000 км). На данный момент существует 3 основных технологии магнитного подвеса поездов:

На сверхпроводящих магнитах (электродинамическая подвеска, EDS)

На электромагнитах (электромагнитная подвеска, EMS)

На постоянных магнитах; это новая и потенциально самая экономичная система.

Состав левитирует за счёт отталкивания одинаковых полюсов магнитов и, наоборот, притягивания разных полюсов. Движение осуществляется линейным двигателем, расположенным либо на поезде, либо на пути, либо и там, и там. Серьёзной проблемой проектирования является большой вес достаточно мощных магнитов, поскольку требуется сильное магнитное поле для поддержания в воздухе массивного состава. Так, затраты электроэнергии при использовании обычных электромагнитов составляют 1 -1,5 Вт на килограмм поднимаемой массы.

Статичные поля, создаваемые одними только электромагнитами и постоянными магнитами, нестабильны, в отличие от полей диамагнетиков и сверхпроводящих магнитов. Существуют системы стабилизации: датчики постоянно замеряют расстояние от поезда до пути и соответственно ему меняется напряжение на электромагнитах. Наиболее активные разработки Маглев ведут Германия и Япония.

Использование сверхпроводящих магнитов на самом составе требуют криогенных температур от 4К до 70К. Высокая теплопроводность металла очень сильно усложняет систему подвески и крепления сверхпроводящих катушек магнитов. Поэтому требуется постоянная система регенерации криожидкости. Большие объемы криожидкости опасны для пассажиров в аварийной ситуации. Использование линейных электродвигателей требует создания вдоль пути высоко материалоемких магнитных структур. Это резко увеличивает себестоимость проекта.

Вследствие высокой себестоимости несущего пути транспортные системы на магнитной подвеске до сих пор не нашли широкого применения. Например, стоимость единственной действующей в настоящее время дороги Маглев в Шанхае длиной 30 км составила 1,3 млрд. долларов США.

Проблемой всех дорог со скоростью движения порядка 500 км/ч является высокое аэродинамическое сопротивление, приводящее к огромным затратам энергии на его преодоление. Чем длиннее состав и чем больше количество вагонов, тем выше сопротивление. Лобовое сопротивление C_x для 5-7 вагонов может достигать 0.31-0.5 [14].

Кроме этого, из-за несимметричной аэродинамической формы состава возникает дополнительная подъемная сила, приводящая к неустойчивости поезда, особенно при сильных порывах ветра. Эта проблема вызвана тем, что путь является «жестким» по отношению к поезду. Попытка устранить эти проблемы путем увеличения зазора от 1-2 см до 10-15 см между двигателем и рельсом приводит к дополнительным затратам энергии.

В северных районах с большим количеством снежных осадков и возможностью обледенения возникают дополнительные сложности эксплуатации таких дорог. Поэтому на сегодняшний день даже не рассматривается возможность их использования на Севере.

Рассмотрим воздушные транспортные системы. Известно, что летательные аппараты тяжелее воздуха (самолеты, вертолеты, экранопланы) должны иметь большую удельную мощность на единицу веса и большой запас топлива для передвижения на большие расстояния. Например, вертолет имеет удельную мощность 300 Вт/кг при крейсерской скорости порядка 250-300 км/ч. Винтовые и турбовинтовые самолеты имеют удельную мощность порядка 100 Вт/кг при крейсерской скорости 500-650 км/ч. Турбореактивные самолеты имеют удельную мощность порядка 150 Вт/кг при крейсерской скорости 700-900 км/ч [2,15]. Экранопланы имеют лучшие аэродинамическое качество и экономические показатели, чем самолеты за счет полета на небольшой (до 10 м) высоте над ровными поверхностями или водой [16]. Вертолеты из-за низких – в 2-3 раза ниже, чем у самолетов – экономических параметров имеют узкий круг применения и не используются для массовых перевозок (см. табл.1).

В настоящее время наиболее широко получили развитие турбореактивные самолеты для перевозки большого количества грузов и пассажиров. Например, Ил-96, Боинг 747, Боинг 777, новейший аэробус А 380 и т.п. У всех этих самолетов есть предельные экономические характеристики, которые были достигнуты еще в 1970-ые годы. Это удельное потребление топлива - грамм/(пассажир, километр). Оно равно порядка 20 г/(пас км). Для перевозки грузов используется аналогичная характеристика – грамм/(тонна километр). Из расчета, что 1 человек весит 100 кг, эти характеристики соотносятся как 200 г/(тонна км). Кроме того, в соответствии с требованиями безопасности полетов, каждый самолет берет с собой дополнительное топливо на 0.5 -1 час полета.

Из-за высоких шумовых характеристик полеты самолетов осуществляются на высоте 5 -10 км. При этом затраты энергии для подъема самолета на высоту полета определяются выражением

(1)

где g – ускорение свободного падения, m – масса самолета, h – высота полета. Например, для самолета массой 10 тон при высоте полета 10 км, затраченная энергия составит 980 МДж. Это соответствует неэффективным затратам топлива при коэффициенте полезного действия двигателя 0,3-0,4, кпд движения 0,25-0,35 (см. табл. 2) и удельной энергоемкости топлива 44 МДж/кг порядка 180 литров.

Для горизонтального перемещения самолета необходимо создать подъемную силу, которая будет связана с аэродинамическим качеством самолета соотношением:

, (2)

где C _y – коэффициент вертикального сопротивления, S_y – площадь крыла, v_x – горизонтальная скорость самолета, r - плотность воздуха.

Необходимая мощность двигателя для горизонтального перемещения самолета будет определяться выражением:

, (3)

где C _x – коэффициент горизонтального сопротивления, S_x – площадь поперечного сечения самолета.

Минимально необходимая мощность двигателя, затрачиваемая на пологий подъем высотой h и длиной L равна:

. (4)

Таким образом, мощность двигателя будет затрачиваться на подъем самолета и на преодоление воздушного сопротивления. Качество самолета будет определяться выражением:

. (5)

Как правило, для современных самолетов в крейсерском режиме k составляет 10-18, а для экранопланов k достигает 20-25.

Для безопасности полета в режиме взлета/посадки используется скорость порядка 250 км/ч. В результате требуется изменить геометрию крыла, соответственно k падает в несколько раз. Это приводит к увеличению энергопотребления.

Последнее время наблюдается тенденция увеличения экономической эффективности самолетов за счет строительства самолетов с более высоким аэродинамическим качеством в разных режимах полета. Это достигается отказом от фюзеляжной конструкции и создания самолета-крыла типа B2 (военный самолет-невидимка). Для гражданской авиации фирма Боинг планирует построить самолет-крыло на 800 пассажиров. По их расчетам это на 30% уменьшит мощность двигателя и, соответственно, на 20% уменьшит себестоимость полетов. В России также ЗАО "Авиационный концерн "ЭКИП" разрабатывает самолет-крыло разной грузоподъемности от 2 человек до 1200 человек [17].

Основными техническими решениями, заложенными в Проект "ЭКИП", являются следующие.

Аэродинамический несущий корпус аппарата в форме толстого крыла малого удлинения объединяет функции крыла и фюзеляжа с нагрузкой на крыло (корпус) 125 кг/м² .

Профиль корпуса аппарата обеспечивает ламинарное обтекание большей части верхней поверхности аппарата и позволяет установить на верхней кормовой части вихревую систему управления течением в пограничном слое, для безотрывного обтекания корпуса, и получить аэродинамическое качество 15-18. Профиль корпуса (большая площадь в плане) позволяет установить на нижней поверхности аппарата взлетно-посадочное устройство на воздушной подушке или использовать режим движения экраноплана при скорости до 400 км/ч.

Вихревая система управления движением на кормовой поверхности аппарата обеспечивает его безотрывное обтекание на всех режимах полета, включая взлет и посадку с большими углами атаки (до 40 градусов).

Большие объемы аппарата и жесткая конструкция позволяют установить грузовые контейнеры большого объема

Вспомогательные двигатели мощностью 6-8% от общей мощности обеспечивают экономный режим для работы вихревой системы безотрывного обтекания аппарата на крейсерских режимах полета и форсированный режим для воздушной подушки на взлетно-посадочных режимах. Вспомогательные управляющие двигатели обеспечивают устойчивость и управляемость аппарата на взлетно-посадочных режимах полета. Изготовление корпуса аппарата и оперения из композиционных материалов обеспечивает малый вес конструкции, технологичность изготовления, долговечность и коррозийную стойкость.

К сожалению, все перечисленные виды авиатранспорта создают экологическую напряженность. Хотя под руководством ИКАО в течение последних 20 лет ведущие авиаперевозчики мира достигли 70-процентного снижения выбросов окиси углерода, повышения кпд топлива почти на 50 % и, с появлением нового поколения реактивных самолетов, − снижения шума на 85 %. Однако дальнейшего прогресса за последние годы не наблюдается [18].

Эксплуатационные расходы на самолеты составляют значительную часть себестоимости полета. Это, в первую очередь, высококвалифицированный экипаж, инженерные и диспетчерские службы, аэродромное обслуживание. Кроме того, пассажиры и грузоперевозчики несут финансовые и временные затраты на путь до аэропорта, который обычно располагается в десятках километров от города.

Авиатранспорт является достаточно безопасным технически видом транспорта. Большинство аварий - 70%, происходит благодаря человеческому фактору, причем основная часть аварий и катастроф приходится на взлет и посадку, особенно при плохих погодных условиях. Кроме того, высокий процент технических катастроф связан с дефектами шасси. Поэтому, для увеличения безопасности полетов необходимо рассмотреть возможность устранения человеческого фактора и устранения шасси.

Объем пассажирских перевозок в мире ежегодно возрастает на 3-6%, и он удвоится примерно через 15 лет. С другой стороны, уже сейчас воздушное пространство вокруг аэропортов настолько загружено, что почти все большие межконтинентальные узлы управления движением в мире почти лишились свободного воздушного пространства. Проблема управления воздушным движением во многих из этих мест уже достигла критического уровня. Согласно официальным отчетам, ежедневно в Европе случалось порядка 7000 задержек авиарейсов. Кроме того, любому международному аэропорту требуются, по крайней мере, 10,4 кв. км земли без учета подавления шумов в окружающей местности. Это также ограничивает возможности развития авиатранспорта.

В ближайшие годы из-за перегруженности маршрутов и аэропортов может сильно возрасти опасность полетов на внутренних рейсах в крупных странах. Это может привести к прекращению развития авиаперевозок на близкие и средние расстояния.

Фирмой Airtrain.Inc была сделана попытка решить проблему перевозки на близкие расстояния. Они на новом техническом уровне попробовали реанимировать старую идею Валоднера 1933 года использования самолета на монорельсе - аэропоезд [19]. Airtrain — это высокоскоростная система, состоящая из рельса в форме перевёрнутой буквы "Т" и аэродинамических транспортных средств. Эти средства, по сути, являются самолётами необычной и, естественно, уникальной конструкции. Как и полагается, у них есть крылья — два спереди, два сзади — и электродвигатели с пропеллерами — две штуки.

Эти самолёты на небольшой скорости — те же вагончики монорельса, а когда аэропоезд достигает скорости 320 км/ч, они в буквальном смысле летят, не касаясь рельса. Если не считать подпружиненного контакта, благодаря которому самолёты Airtrain "питаются" электроэнергией. В то же время, многочисленные датчики и сенсоры, управляемые бортовым компьютером, не позволяют самолётам с этого рельса соскочить [20].

Саму дорогу планируется построить из двух параллельных друг другу рельсов для движения в обоих направлениях и опор, которые должны стоять через каждые 30 метров, т.е создать «жесткий» путь. .

В зависимости от модели, Airtrain был бы способен везти от 72 до 92 человек с максимальной скоростью 320 км/час. Тормозить аэропоезд должен путём изменения угла пропеллеров, а на небольшой скорости так же, как и монорельс. В результате вес поезда будет прикладываться к рельсу и опорам, что приводит к высокой стоимости пути из-за необходимости большого количества опор.

Стоимость дороги может составить $7,3 миллионов за полтора километра, каждый самолёт от 11 до 16 миллионов долларов, а вся система протяжённостью около 450 километров — всего-навсего $2,06 миллиарда!

Эта система практически не была реализована из-за той же проблемы неустойчивости самолета при движении вдоль Т-образного рельса при порывах ветра, так как опять используется «жесткий» путь.

Проведение системного анализа современных транспортных средств и последних достижений в области нанотехнологий позволило синтезировать новые транспортные системы для XXI века. Для этого использовались последние достижения в самолетостроении, новые идеи в космических транспортных средствах и последние достижения в области нанотехнологий по созданию сверхпрочных легких материалов на основе углеродных нанотрубок, имеющих высокую электропроводность, вплоть до сверхпроводимости при температурах вплоть до 93,5 ⁰ С [21].

Техническая задача изобретения

Задачей изобретения является создание высокоскоростных транспортных систем с использованием магнитной левитации при движении транспортного модуля вдоль электропроводящих канатов. Предлагаемые системы позволяют принципиально по-новому решить:

• Создание двумерной авиационной транспортной системы «2D авиация» для перевозки тяжелых грузов со скоростью 200-400 км/ч и пассажиров со скоростью 400-700 км/ч при себестоимости в 3 раза ниже стоимости авиаперевозок и соизмеримой со скоростными железными дорогами (200-300 км/ч), с низкой себестоимостью трассы, не более 40-50 тыс. долларов США на километр, с высокой надежностью и безопасностью, соизмеримой со скоростными железными дорогами. Основным прототипом этой системы выбирается система AirTrain.
• Создание «космического лифта» для скоростной доставки грузов и пассажиров на космические орбиты без использования в транспортном модуле колесного движетеля по канату и наземного лазерного источника энергии. Основным прототипом этой системы выбирается система Space Elevator.
• Создание наземных скоростных лифтов – «электромагнитного лифта». Принцип действия электромагнитного лифта можно использовать при создании классических лифтов для высотных зданий, при создании портов в 2D авиации, при реконструкции железных дорог с обычных на дороги на магнитном подвесе, для электромагнитных катапульт и т.п. Основным прототипом этой системы выбирается система Maglev.

Раскрытие изобретения

Решить задачу создания принципиально новой транспортной системы возможно путем использования последних достижений в области получения сверхпрочных легких материалов, имеющих высокую электропроводность, вплоть до сверхпроводимости при температурах вплоть до 93,5 градусов Цельсия.

Одним из таких достижений явилось открытие углеродных нанотрубок, которые имеют прочность в 100 раз выше прочности стальной проволоки (s_B =3,5–4,0 ГПа, r=7,8 г/смс³ ) при удельном весе r=1,7 г/см³ . Тогда произведение прочность на вес в 460 раз лучше у углеродных нанотрубок, чем у самой прочной стальной проволоки. При этом сопротивление нанотрубок зависит от их внутреннего диаметра и может изменяться от диэлектриков до металлических проводников вплоть до сверхпроводников. Высокотемпературная (комнатная) сверхпроводимость возникает при внутреннем диаметре нанотрубки 14,5 нм [21], при этом критическая плотность тока составляет 3,4 10⁴ А/см² , критическая напряженность магнитного поля равна 12,5 Тл. При этом исчезновение этих критических параметров наступает при температуре 93,5⁰ С, т.е., почти при температуре кипения воды. Отметим, что при такой же температуре рабочая плотность тока в алюминиевых проводах равна 10² А/см² . При этом удельный вес алюминиевого провода в 2 раза выше, чем удельный вес углеродных нанотрубок, а прочность алюминиевой проволоки - всего s_B = 0,1ГПа.

К настоящему времени еще не создали технологию производства достаточно длинных кабелей и канатов из калиброванных нанотрубок с приемлемой себестоимостью. Решением этих проблем занимаются сотни фирм во всем мире.

При запуске промышленного производства кабеля из калиброванных нанотрубок можно будет реально осуществить создание магнитно-левитирующей канатной транспортной системы по крайней мере, трех видов.

Канатная авиатранспортная система. 2 D авиация. Под 2D авиацией будем понимать транспортную систему, в которой транспортный модуль с аэродинамическими параметрами самолета двигается вдоль двухмерной сети канатных дорог, натянутых на опоры вдоль поверхности земли, причем электрическая энергия от внешнего источника подается по электропроводящим канатам непосредственно к линейному электродвигателю транспортного модуля, который создает магнитный подвес. Одновременно при электромагнитном взаимодействии электродвигателя с канатом создается и сила тяги. Только в этом случае кпд движения транспортного модуля - самолета возрастает в 2-3 раза (см. табл.2).

Известно, что гражданская авиация осуществляет перевозки между пунктами назначения по заданным маршрутам и высоте полета - коридорам и эшелонам. Т.е., осуществляет трехмерное движение – 3D. На подъем (3-12 км) и спуск самолета затрачивается дополнительное время и топливо, и это является
теми дополнительными издержками, которые можно ликвидировать при переходе на полет на малых высотах (5-50 м).

Вторым недостатком авиации является использование огромного количества топлива, которое перевозится непосредственно на борту самолета, что влечет дополнительные энергетические затраты и, кроме того, является крайне опасным грузом при аварийных ситуациях. Кроме того, низкий коэффициент полезного действия авиационных турбин порядка 0.4 и низкий кпд движения 0.2-0.4 приводит в лучшем случае к бесполезному сжиганию 80% топлива, которое необходимо возить с собой (табл.2). Мощные авиационные турбины имеют большой вес - их удельная мощность составляет 1-3 кВт/кг. При переходе на магнитную левитацию с внешним электропитанием от каната тяговое усилие осуществляется посредством каната, закрепленного на опорах. Здесь осуществляется принципиальный переход движения с отталкиванием от воздуха на движение с отталкиванием от каната. Такое движение имеет кпд 0.85-0.95 (см. табл.2). В этом случае в 2 раза увеличивается экономия энергии по сравнению с воздушно винтовыми самолетами (например, с самолетом AirTrain) или почти в 3 раза по сравнению с самолетами типа А-380 с двухконтурными турбореактивными двигателями.

Таким образом, в случае 2D авиации, при переходе с тепловых двигателей самолетов на двигатели на основе магнитной левитации, т.е. на высокотемпературные сверхпроводящие линейные электродвигатели, появляется принципиальная возможность увеличить электрический кпд двигателя почти до 1, тяговый кпд двигателя до 0,95. Кроме того, вес двигателей на магнитной левитации можно уменьшить до 10 кВт/кг. Здесь происходит оптимизация сразу по нескольким параметрам – по энергетическим и весовым характеристикам.

Дальнейшая оптимизация получается в результате полного отказа от топлива и от тяжелых шасси, что сильно облегчает вес транспортного модуля. Кроме того, будет естественным образом улучшаться аэродинамика за счет отсутствие воздухозаборников турбин и гондол шасси, что приведет к уменьшению лобового сопротивления и, соответственно, шума. Отсутствие турбин повысит безопасность полета, так как полностью исключается вероятность попадания птиц в двигатели.

Существуют проблемы аэродинамики самолетов в разных режимах полета. Известно, что по требованиям безопасности полетов скорость самолетов при посадке и взлете не должна превышать 250 км/ч. Для этого обычно применяется сложная механика управления обтекания крыла или изменение самой геометрии крыла, что приводит к изменению аэродинамического качества самолета. Т.е., на малых скоростях (взлет/посадка) крыло должно быть длинным, но на больших крейсерских скоростях длинное крыло увеличивает лобовое сопротивление. Устранить эту принципиально не решаемую дилемму авиации можно, если летательный аппарат при использовании магнитной левитации разгоняется и тормозиться по жесткому пути за счет электромагнитного поля. Оно создается линейным электродвигателем при взаимодействии с канатом. При этом сам канат жестко закрепляется на эстакаде (подобно рельсам). Такой жесткий канатный путь является аналогом взлетной/посадочной полосы самолета. При остановке транспортного модуля его вес распределяется по эстакаде. Обратим внимание, что подъемная аэродинамическая сила необходима только при движении модуля в крейсерском режиме над свободно висящим канатом между опорами. Только в этом случае исчезает проблема изменения аэродинамических параметров в разных режимах полета: взлете/посадке и крейсерском режиме. Это упрощает конструкцию самолета (транспортного модуля), а, следовательно, увеличивает его надежность.

Если полет самолета происходит низко над достаточно ровной поверхностью типа поверхность воды, льда или степи, с локальными неровностями высотой 1м - 3 м, то появляется дополнительная подъемная сила за счет экранного эффекта. Это позволяет уменьшить мощность двигателя почти в 2 раза. По такому принципу разработано и создано целое семейство самолетов - экранопланов. Они летают на низкой высоте (до 10 м), но при возникновении достаточно больших препятствий на суше или большой волны они могут переходить на небольшое время в режим полета обычного самолета, являющийся менее экономичным. [16]. Для 2D авиации можно дополнительно сэкономить энергию, переведя полет транспортного модуля в режим экраноплана.

Транспортный модуль. Одним из вариантов транспортного модуля можно использовать новый вид самолета-крыла типа "ЭКИП", со всеми его аэродинамическими параметрами планера [17].

Режим экраноплана является весьма перспективным для грузовых перевозок с небольшими скоростями (300-400 км/ч). В этом режиме может летать и "ЭКИП". В то же время экраноплан во время полета претерпевает частые перепады высот, что вредно сказывается на человеческом организме (низкая комфортность полета), что ограничивает пассажирские перевозки в этом режиме. Кроме того, управление экранопланом является очень сложным из-за влияния экранного эффекта на продольную устойчивость. Если в обычном полете самолет хорошо управляем, то на посадке, при приближении крыла к земле, центр приложения подъемной силы начинает смещаться к задней кромке крыла, нос перевешивает и получается кульбит. Руля высоты или реакции пилота в таких случаях для выравнивания самолета не хватает.

Если же летательный аппарат зафиксирован на канатах, как в 2D авиации, то аппарат является устойчивым априори.

В пересеченной местности полет в режиме экраноплана невозможен. В густонаселенной и городской местности возникает другая проблема, связанная с землеотводом под трассу экраноплана, так как у него широкий размах крыла. Поэтому для таких условий транспортный модуль должен иметь узкие короткие крылья и каплеобразный фюзеляж. Чтобы создать достаточную подъемную силу для перевозки компактного тяжелого груза порядка 50 т (аналогично железнодорожному вагону), необходима большая площадь крыла. Это можно решить путем компоновки крыльев транспортного модуля по схеме биплана, триплана и т.п. Однако, в режиме экраноплана такие самолеты не эффективны.

Транспортный модуль в виде самолета крыла или би- или триплана будет двигаться по двум канатам. В этом случае автоматически решается проблема продольной устойчивости в полете. Кроме этого, это повышает безопасность движения в штормовых условиях.

Движение транспортного модуля осуществляется с помощью линейных электродвигателей. Электропитание подводится непосредственно от канатов. Канаты проходят внутри одного или нескольких линейных электродвигателей в максимуме электромагнитного поля, которое создает двигатель. Причем поле формируется таким образом, чтобы сформировать некоторую потенциальную магнитную яму для устойчивости самого каната. Двигатели одновременно могут выполнять и функцию виброгасителей, подавляя вибрации каната. Работа двигателя может осуществляться в двух режимах. В первом режиме токосъем осуществляется таким образом, чтобы постоянное магнитное поле канатов непосредственно взаимодействовало с магнитным полем двигателя. Во втором режиме токосъем осуществляется таким образом, чтобы по канатам, проходящим внутри двигателя, не шел ток. Тогда магнитное поле двигателя выталкивается из канатов за счет эффекта Мейснера. Электродвигатели могут работать и в комбинированных режимах.

Путевая структура. Все известные наземные путевые структуры предназначены для компенсации веса транспортного модуля путем опоры на путь. Для увеличения скорости движения модуля этот путь должен быть достаточно ровным, что требует выравнивания рельефа местности. Кроме того, должен использоваться жесткий материал с малым модулем изгиба для уменьшения деформации пути при движении модуля. Выравнивание рельефа осуществляется с помощью дорожных насыпей, туннелей, виадуков и мостов. Эти сооружения требуют больших материальных затрат, что увеличивает себестоимость трасс. Например, стоимость железнодорожных путей составляет порядка 1-10 млн. долларов США на 1 км пути. Себестоимость высокоскоростных железнодорожных путей составляет уже 10-20 млн. долларов США на 1 км. Еще выше себестоимость системы Маглев.

Высокоскоростные автомобильные дороги, например, в Европе, также обходятся в 5-10 млн. долларов США на 1 км. Кроме того, стоимость всех видов дорог сильно возрастает из-за климатических воздействий и износа при их эксплуатации.

Принципиально изменить путевую структуру можно только заставив транспортный модуль не ехать, а лететь по канату вдоль поверхности земли. В этом случае модуль опирается на воздух. Таким образом, мы заменяем сплошной жесткий путь с малым модулем изгиба на «мягкий» путь, т.е., на канат, испытывающий нагрузку только на растяжение. Т.е., прогиб пути заменяется на натяжение каната. В результате можно получить значительный выигрыш по материалоемкости пути. Кроме того, этот выигрыш еще увеличится при переходе на новые конструктивные материалы. Таким материалом может стать канат на основе волокон из углеродных нанотрубок, имеющих прочность в 100 раз выше прочности стальной проволоки при удельном весе в 4,6 раза меньше. Произведение прочности на вес в 460 раз лучше для углеродных нанотрубок, чем для самой прочной стальной проволоки. Например, при весе каната из нановолокон 10 кг на километр, он выдерживает усилие не менее 10-20 тонн.

Рассмотрим один из вариантов реализации путевой структуры.

Натянем два нановолоконных каната с параметрами: линейная плотность 0,01 кг/м, объемная плотность 1730 кг/м³ , прочность s_B = 350 ГПа, расстояние между опорами 10 км, сечение 5,8 мм² . Тогда расчет по классической схеме дает максимальный прогиб каната в центре между опорами 2 м.

На летящий транспортный модуль будет приходиться дополнительный вес 2 канатов всего в 200 кг. Основное усилие будет приложено к анкерной опоре на сжатие и на натяжение каната при движении модуля. Анкерную опору можно сделать достаточно легкой, так как она будет работать в основном на сжатие и изгиб. На растяжение работают только тросы крепления анкерной опоры к поверхности. Их можно выполнить из тех же нановолоконных канатов.

В аварийном режиме (отсутствует аэродинамическая подъемная сила), транспортный модуль весом от 10 т до 75 т может остановиться в середине пролета. При высоте опор 20 м и расстоянием между ними 10 км модуль может опуститься на землю за счет естественного удлинения канатов. Избежать опускания модуля на землю можно путем натяжения канатов с помощью линейных электродвигателей, запущенных в режиме реверса. Для этого необходимо, чтобы на каждом канате располагалось не менее двух независимых секций линейного электродвигателя транспортного модуля. В критических ситуация этот режим может быть использован для плавного опускания модуля на землю с целью снятия грузов или пассажиров или в целом всего аварийного модуля. При отсутствии электроэнергии в системе на борту модуля должны быть резервные аккумуляторы для проведения аварийных процедур.

Расстояние между анкерными опорами будет определяться как рельефом местности, так и скоростью движения модулей и расстоянием между ними, т.е., пропускной способностью. В принципе, можно организовать сцепление (электронное или механическое) между модулями, что сразу увеличит пропускную способность. Этот режим движения в виде поезда можно использовать для преодоления больших водных преград и т.п., когда опоры находятся на большом расстоянии (10-50 км). Однако, этот режим в целом уменьшает безопасность движения. Поэтому желательно использовать режим движения, когда на одном пролете находится не более одного модуля.

Использование принципа магнитной левитации позволит исключить трение, а, следовательно, процесс износа транспортного полотна. Это фактически приведет к возможности его бессрочной эксплуатации. В результате резко снизятся эксплуатационные расходы как на замену «рельсов», так и на замену «колес» в транспортном модуле.

В итоге прочностные требования к нановолоконному канату будут связаны не столько с усилием натяжения каната, сколько с усилием, возникающем при экстренном торможении транспортного модуля. Такая ситуация может возникнуть при отключении электропитания канатов, землетрясениях и т.д. Например, максимальная сила, возникающая при экстренном торможении модуля массой 10 т, движущегося с крейсерской скоростью 650 км/ч, на тормозном отрезке пути l =1 км, находится из формулы

(6)

и равна 161,7 Н (16,5 тонна сил). Это в несколько раз ниже предельной прочности двух канатов. При этом перегрузки для пассажиров не превысят вполне допустимую норму 1,65 g (g - ускорение свободного падения).

Анкерная опора. Конструкция анкерной опоры содержит элементы крепления каната (шлюз), которые могут быть стационарными или крепиться с помощью электромагнитов. В первом случае транспортный модуль имеет элементы конструкции линейного электродвигателя, способные изменять геометрию магнитного зазора при прохождении шлюза. Во втором случае, если канат крепиться к анкерной опоре с помощью электромагнитов, то при прохождении модуля через шлюз канат освобождается от крепления. Модуль над шлюзом продолжает движение по инерции. После прохождения шлюза происходит постепенное натяжение каната на следующем пролете. Управление шлюзом может осуществляться дистанционно из транспортного модуля или диспетчерской службой. Шлюзы должны быть электроизолированы друг от друга. Электро изоляция должна выдерживать рабочие напряжения 1-25 кВ в зависимости от эксплуатационных требований. В связи с тем, что под действием ветровой нагрузки и движения транспортного модуля происходят колебания канатов, то шлюзы должны крепиться к виброгасителям. Виброгасители могут выполняться стандартными способами [8].

Анкерные опоры можно изготавливать из железобетона или стали по стандартным технологиям. Высота их будет определяться рельефом местности с целью нивелирования самой трассы.

Канаты. Канаты между анкерными опорами должны находиться в свободном подвесе, т.е., их натяжение должно осуществляться только под собственным весом. Канаты могут быть круглыми или ленточными. Канаты должны быть токопроводящими, к которым подводится необходимая электроэнергия.

Сами канаты периодически должны соединяться стяжками для компенсации электромагнитных сил между ними. Стяжки должны быть выполнены из диэлектрика и также выполнять роль гасителя вибрации канатов. Например, они могут быть в виде диэлектрического жгута из углеродных нановолокон. Тогда они будут легкими и прочными, а поглощение энергии колебаний может осуществляться путем трения между скрученными волокнами. Аналогичные гасители вибрации применяются на высоковольтных линиях передач.

Чтобы уменьшить энергозатраты, канат должен иметь проводимость как минимум в 100 раз выше, чем у алюминия или меди при нормальной температуре, а в пределе должен быть сверхпроводящим при температуре окружающей среды.

В работе [21] было установлено, что эффект образования высокотемпературной сверхпроводимости связан с особенностями структуры материала и его температуры, формой электрона (в виде кольца) и скоростью его движения в материале. При создании резонансных условий образования кольцевых электронов, их пар и цепочек, достигаются следующие критические параметры: Плотность тока на 1см² сечения сверхпроводника:

j_e = 4pem_e ³ a⁸ c⁴ /h³ =3.4×10⁴ A/см² (7)

Магнитное поле:

B_e = (m_e /e)(m_e (a² c)² /ћ)=12.5Тл (8)

Критическая температура:

T_c =m_e (a² c)² /(2kapn) = 93.5⁰ С/n (9)

где ћ=h/2p - постоянная Планка, a=1/137.036 - постоянная тонкой структуры, m_e - масса свободного электрона и с - скорость света, e- заряд электрона, n =1,2,3,…

Как видно из приведенных выражений, они состоят только из мировых констант и определяют предельно достижимые параметры любых высокотемпературных электронных квантоворазмерных приборов, созданных из любых твердотельных материалов, в том числе и сверхпроводящих кабелей.

Основные требования для высокотемпературных материалов, применяемых в энергетике отличаются от требований, применяемых в наноэлектронике. Это, прежде всего, высокая рабочая температура, высокие критические ток и магнитное поле, технологичность, стоимость и доступность. Этим критериям удовлетворяют материалы на основе аморфных и поликристаллических полупроводников, состоящих из углерода, кремния, оксидов металлов и халькогенидов, высокомолекулярных соединений, белков. В принципе для сверхпроводниковых материалов не имеет большого значения сам материал в области движения т.к. электрон не взаимодействует с самой решеткой, а только с определенными видами дефектов. Как устранить эти дефекты отдельный вопрос. Можно просто использовать материалы, свободные от таких дефектов.

Важно чтобы количество свободных электронов, на которых могут рассеиваться кольцевые электроны, не превышало некоторого критического значения. Т.е. материал должен быть полупроводником при нормальных температурах, в том числе и высокомолекулярные материалы (ВМС). Полупроводником может быть как естественные полупроводники так и диэлектрики, ВМС и др. Одним из таких высокомолекулярных материалов могут быть углеродные нанотрубки, легированные определенным образом.

Расстояние между концами нанотрубок или донорными центрами электронов при легировании нанотрубок, или даже отдельными атомами металла в области движения кольцевых электронов должно быть не более 14,5 нм [21]. Наиболее оптимальным будет такое расстояние когда донорные центры будут располагаться в районе 14,5/2 . Т.е. кольцевой электрон одновременно может охватить два близлежащих донорных центра. В этом случае технологический разброс нанотрубок относительно оси симметрии полупроводника не вызовет разрыва области движения электрона.

Сверхпроводящие каналы должны быть защищены оболочкой, и такие провода можно объединять в жгуты. Линии тока из кольцевых электронов в таких жгутах будут расталкиваться между собой за счет электромагнитного взаимодействия между ними – силы Лоренца. Для компенсации этой силы необходимо использовать известный механизм пиннинга, т.е. механизм удержания вихрей Абрикосова на дефектах. В нашем случае роль дефекта выполняет поверхность оболочки.

Естественно толщина области окружающей сверхпроводящий канал не должна быть большой, т.к. она ограничивает среднюю плотность тока. Если все указанные требования будут выполнены то для такого сверхпроводника можно получить предельную плотность тока, j_e £3.4×10⁴ А/см² (формула (7)), и критическое магнитное поле B_e £12.5Тл (формула (8)). При этом рабочая температура не должна превышать 93.5⁰ С (формула (9), n=1).

С помощью таких проводов можно передавать энергию порядка
3.4×10⁸ –3.4×10⁹ Вт/см² . Создавать электромагниты не хуже чем на известных низкотемпературных сверхпроводниках (поле 6–9Тл), например, для транспорта на магнитной подвеске.

Безопасность и экологичность 2 D авиации. Полеты вдоль жестко фиксированных трасс по канатам позволяют перейти на полное компьютерное дистанционное управление, исключить экипаж, т.е. устранить человеческий фактор. Становится ненужной сложнейшая система диспетчерского управления полетами. Управление становится аналогичным управлению железнодорожным транспортом. Кроме того, такой вид транспорта не зависит от погодных условий (туман и осадки). Обледенение канатов можно устранять либо за счет механической очистки перед модулем либо за счет принудительной вибрации канатов. Проблема останется только в штормовых случаях. Отметим, что в системе Маглев при резких порывах ветра может происходить удар модуля о жесткий рельс, что может привести к катастрофе. Аналогичная ситуация может возникнуть и при движении аэропоезда на монорельсе, как в AirTrain. В предлагаемом изобретении используется «мягкий» рельс – канат с виброгасителями, и жесткого удара не происходит из-за амортизации всей системы. При этом при сильном боковом ветре канаты фиксируют боковые смещения модуля, так как они закреплены за две опоры.

Автоматический взлет и посадка в режиме левитации исключают возможность аварий из-за поломок шасси, как часто происходит в самолетах. В аварийных ситуациях такой аппарат не падает на землю, а экстренно тормозится и зависает на канатах. Это важнейший фактор безопасности полетов, который принципиально невозможно решить при полетах на самолетах. Дополнительным фактором безопасности является движение на малой высоте, что исключает влияние космического радиационного излучения. Также отсутствуют резкие перепады давления, что уменьшает риск гипертонических осложнений у пассажиров.

Так как электроэнергия подводится по канатам, то на борту отсутствует взрывоопасное топливо. Следовательно, отсутствуют вредные выбросы, а также улучшаются шумовые характеристики. Т.е., использование электроэнергии резко улучшает экологичность такого вида транспорта, что позволит использовать его непосредственно в центрах городов. Это сокращает время поездки, так как отпадает необходимость ехать за город в аэропорт.

Космический лифт. Не менее важной составной частью специфических транспортных систем является дальнейшее освоение космоса с помощью использования космического лифта. Другой альтернативы освоению Солнечной системы нет. Никакое усовершенствование существующей ракетной техники не позволит достичь рентабельности космического лифта. При этом безопасность лифта несоизмеримо превосходит безопасность космического полета. Однако, как указывалось выше, основными проблемами создания космического лифта являются проблемы подачи энергии для движения модуля и трения колеса о канат.

В предлагаемой канатной транспортной системе на магнитной левитации проблема энергопитания и проблема колеса решаются автоматически путем использования токопроводящих нановолоконных канатов и магнитной левитации. Канатов должно быть как минимум два. По ним подается электроэнергия или с Земли, или с космической станции.

Для натяжения канатов в вертикальном направлении между Землей и компенсационным грузом на геостационарной орбите используются только две опоры. Одна опора может располагаться, например, на плавучей платформе на экваторе, вторая – на спутнике. Промежуточные опоры здесь не нужны. Канат работает на растяжение. Между канатами, аналогично как для 2D авиации, должны быть сделаны растяжки для уменьшения вибрации канатов и компенсации электромагнитного расталкивания канатов.

В качестве транспортного модуля можно использовать герметичный модуль любой формы, так как он движется в атмосфере Земли со скоростью автомобиля. Однако, в аварийной ситуации, например, при разрыве троса, скорость модуля относительно Земли может достигать космических скоростей. В этом случае, для уменьшения риска, целесообразно придать модулю форму воздушно космического самолета. Например, модуль может быть выполнен по аэродинамической схеме, типичной для космических кораблей многоразового использования. Тогда, при аварии он сможет приземлиться на обычном аэродроме. Сам модуль должен обладать небольшими реактивными двигателями и небольшим запасом топлива для аварийной посадки. Это в несколько раз уменьшает его общий вес по сравнению со стандартными шатлами.

Полезная грузоподъемность модуля может достигать 10-20 т, что соизмеримо с полезной грузоподъемностью космических кораблей типа «Шатл», «Буран».

Электромагнитный лифт. В настоящее время кроме космического лифта рассматриваются и другие альтернативные пути запуска космических летательных аппаратов. Например, запуск непосредственно с Земли с помощью электромагнитных катапульт (электромагнитной пушки). Сейчас предполагается создать электромагнитные ускорители длиной до 1 км с использованием электромагнитных секций. Секции предполагается создавать как из обычных магнитов, так и из сверхпроводящих магнитов. По оценке разработчиков такого ускорителя (Университет Sandia, США), его стоимость может составить 1-2 млрд. долларов США.

Предлагаемая канатная транспортная система на магнитной левитации позволит резко снизить себестоимость создания электромагнитных катапульт за счет движения транспортного модуля вдоль высокопрочных сверхпроводящих канатов на магнитной левитации. Здесь не требуется создания распределенных вдоль трассы электромагнитов, так как они заменяются непосредственно сверхпроводящими канатами, которые питают линейный электродвигатель на самом модуле. Эти канаты закрепляются на опорах вдоль трассы. Магнитная левитация создается за счет взаимодействия магнитных полей двигателя и канатов. В этом случае она позволяет получить заданные ускорения с максимальной конечной скоростью, не превышающей скорость движения кольцевых электронов в сверхпроводнике = 15,975 км/с [21].

Другим применением электромагнитных лифтов является создание скоростных лифтов для бытового использования. В настоящее время при строительстве высотных зданий остается проблема создания скоростных лифтов. Сейчас используют систему движения лифта по закрепленным к стенке шахты рельсам с помощью тянущего каната. Вибрация каната, вызванная колебаниями самого здания при высокой ветровой нагрузке, может привести к аварии. Попытка создания лифтов с использованием магнитной левитации на базе обычных электромагнитов приводит к очень высокой себестоимости.

Использование канатной транспортной системы на магнитной левитации позволит решить эту проблему за счет исключения тянущего каната. Движение лифта будет осуществляться по сверхпроводящим канатам, которые периодически жестко закрепляются на опорах вдоль шахты лифта. Они будут играть роль направляющих рельсов или дополнять их. Движение и торможение кабины лифта будет происходить с помощью встроенного в него линейного электродвигателя, энергия к которому поступает с электропроводящих канатов от внешнего источника энергии.

Использование высокотемпературного сверхпроводящего каната позволит легко реконструировать существующие электрофицированные железные дороги путем дополнительной прокладки такого каната по рельсу. Это можно осуществить простым и дешевым способом путем фрезеровки небольшой канавки 1-10 мм в головке рельса, в которую закладывается канат. В подвижном составе колесные тележки заменятся на линейные электродвигатели на высокотемпературных сверхпроводниках. Реконструкции электросети не требуется. В результате мы получим очень дешевый аналог системы Маглев.

Еще одним важным применением электромагнитных лифтов является их использование для разгона и торможения транспортных модулей в 2D авиации. На основе таких электромагнитных лифтов легко решается вопрос создания посадочно/взлетных полос для 2D авиации. Это позволяет значительно упростить требования к аэродинамическим параметрам самолетов в 2D авиации.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Согласно одному из вариантов изобретения – «2D авиация», канатная транспортная система включает по крайней мере один транспортный модуль с приводным устройством в виде электродвигателя с токосъемными элементами и по крайней мере два закрепленных на опорах, электропроводящих каната. Канаты подключены к источнику электроэнергии. С их помощью осуществляется движение транспортного модуля. Транспортный модуль выполнен в виде летательного аппарата тяжелее воздуха с аэродинамическим качеством не менее 5. Электропроводящие канаты выполнены из сверхпрочного легкого проводника и/или сверхпрочного легкого высокотемпературного сверхпроводника. Электродвигатель выбран линейным для обеспечения создания в канатах электродвижущей силы, создающей одновременно силу тяги и магнитный подвес (левитацию) во время движения летательного аппарата вдоль канатов. При этом каждый электропроводящий канат проходит через область максимума электромагнитного поля внутри линейного электродвигателя.

Особенностью системы является то, что канаты натянуты на опоры с усилием, когда предел прочности равен 0,1-0,5, а сечение канатов выбрано таким, что они не разрушаются в условиях создания предельной силы в режиме разгона/экстренного торможения летательного аппарата. Опоры располагаются периодически на всем протяжении пути транспортной системы в соответствии с рельефом местности, радиусом поворота пути и пропускной способностью транспортной системы. При этом опоры выполнены с возможностью выдерживать нагрузку, равную сумме статического веса летательного аппарата и нагрузки, развиваемой в режиме экстренного торможения летательного аппарата.

В пунктах назначения пути (портах) канаты закреплены на жестком основании, выполненном из материала, способного выдерживать статическую и динамическую нагрузки, вызванные летательным аппаратом. Длина жесткого основания определяется длиной пути, необходимой для служебного торможения/разгона летательного аппарата.

Обмотки линейных электродвигателей выполнены из проводника и/или высокотемпературного сверхпроводника, причем питание к двигателям поступает непосредственно от электропроводящих канатов, через токосъемные элементы.

Одним из вариантов изобретения является то, что канаты выполнены на основе волокон из углеродных нанотрубок с внутренним диаметром в диапазоне 12 нм -16 нм. В другом варианте изобретения канаты выполнены на основе волокон из легированных нанотрубок из оксидов или широкозонных полупроводников с внутренним диаметром в диапазоне 12 нм – 16 нм.

Для безопасности в летательный аппарат встроен аварийный источник питания (аккумулятор электрической энергии). Также летательный аппарат снабжен дополнительными блоками колес для нерабочего и/или аварийного режима и тормозным парашютом для экстренного торможения.

До или после линейных электродвигателей летательного аппарата расположены электромагнитные устройства гашения вибрации канатов, которые связаны посредством электромагнитного поля с канатами и соединены с электронными датчиками вибрации канатов. Кроме того, канаты периодически по всей длине соединены между собой перемычками-виброгасителями.

Для того, чтобы летальный аппарат плавно проходил через опоры, предусматривается закрепление канатов на опорах с помощью шлюзовых устройств. В свою очередь шлюзовые устройства закреплены на виброгасителях.

Одним из вариантов конструкции шлюзовых устройств является их жесткое крепление к канату. В другом варианте шлюзовые устройства соединяются с канатом с помощью электромагнитного поля, формируемого дополнительным электромагнитом и управляемого дистанционно.

Одним из вариантов конструкции летательного аппарата может быть самолет крыло, в котором для безотрывного обтекания корпуса воздушным потоком используется по крайней мере одна дополнительная электротурбинная вихревая система управления течением в пограничном слое, по аналогии с используемой в аппаратах «ЭКИП».

Управлять летательным аппаратом можно типичной системой дистанционного и/или ручного управления полетом. Для увеличения безопасности полета летательный аппарат может быть снабжен устройством электромагнитного торможения и устройством экстренного торможения, включая парашют.

Способ работы канатной транспортной системы «2Dавиация» заключается в том, что с электропроводящих канатов через токосъемные элементы поступает электроэнергия на линейные электродвигатели. Линейные электродвигатели одновременно создают силу тяги и магнитный подвес (левитацию) транспортного модуля, выполненного в виде летательного аппарата. При этом летательный аппарат движется по канатам со скоростью, необходимой для компенсации веса аппарата за счет создания аэродинамической подъемной силы.

Движение летательного аппарата может осуществляться в режиме самолета или в режиме экраноплана при соответствующей высоте опор и рельефе местности.

Натяжение и вибрацию канатов до и после линейных электродвигателей контролируют электронными датчиками дистанционного контроля вибрации каната и регулируют посредством системы управления электромагнитными устройствами гашения вибрации канатов.

Разгон и торможение летательного аппарата осуществляют с ускорением, соответствующим международным стандартам для пассажирских и грузовых перевозок, а аварийное торможение осуществляют с использованием реверса силы линейных электродвигателей и/или изменением аэродинамики и/или в экстренных случаях путем открытия тормозного парашюта.

При отключении электропитания в аварийной ситуации летательный аппарат за счет аккумуляторов включает двигатели таким образом, чтобы осуществить натяжение канатов как по направлению полета, так и против, т.е., происходит натяжение канатов между двумя опорами. Тогда летательный аппарат просто зависнет на натянутых канатах. При включении электропитания аппарат может снова набрать скорость и выйти на эксплуатационный режим полета. В отдельных случаях аппарат может опуститься на землю, ослабляя натяжение канатов.

Другим вариантом изобретения является «космический лифт» - канатная транспортная система, включающая по крайней мере один транспортный модуль с приводным устройством в виде электродвигателя с токосъемными элементами и натянутого вертикально сверхпрочного легкого каната между поверхностью планеты и ее искусственным спутником, находящимся на синхронной орбите. По канату осуществляет движение транспортный модуль за счет бортового источника электропитания. Транспортный модуль выполнен в виде космического летательного аппарата. Между поверхностью планеты и ее искусственным спутником натянуты по крайней мере два электропроводящих каната, которые выполнены из сверхпрочного легкого проводника и/или сверхпрочного легкого высокотемпературного сверхпроводника. Канаты подключены к внешнему источнику электрической энергии. Электродвигатель выбран линейным для обеспечения создания в канатах электродвижущей силы, создающей одновременно силу тяги и магнитный подвес (левитацию) во время движения космического летательного аппарата вдоль канатов. При этом каждый электропроводящий канат проходит через область максимума электромагнитного поля внутри линейного электродвигателя.

Сами канаты натянуты на опоры с усилием, когда предел прочности равен 0,1-0,5, а сечение канатов выбрано таким, что они не разрушаются в условиях создания предельной силы в режиме разгона/торможения космического летательного аппарата.

Обмотки линейных электродвигателей выполнены из проводника и/или высокотемпературного сверхпроводника. Питание к двигателям поступает непосредственно от электропроводящих канатов, через токосъемные элементы.

Канаты выполнены на основе волокон из углеродных нанотрубок с внутренним диаметром в диапазоне 12нм -16 нм или на основе волокон из легированных нанотрубок из оксидов или широкозонных полупроводников с внутренним диаметром в диапазоне 12 нм – 16 нм.

До или после линейных электродвигателей космического летательного аппарата расположены электромагнитные устройства гашения вибрации канатов, которые связаны посредством электромагнитного поля с канатами и соединены с электронными датчиками вибрации канатов.

Канаты периодически по всей длине соединены между собой перемычками-виброгасителями.

Для безопасности в летательный аппарат встроен аварийный источник питания (аккумулятор электрической энергии).

Для безопасности полета летательный аппарат снабжен системой дистанционного и/или ручного управления полетом, а также устройством электромагнитного торможения. Функцию торможения могут выполнять сами линейные электродвигатели.

Способ работы канатной транспортной системы «космический лифт» заключается в том, что с электропроводящих канатов через токосъемные элементы поступает электроэнергия на линейные электродвигатели. Линейные электродвигатели одновременно создают силу тяги и магнитный подвес (левитацию) транспортного модуля, выполненного в виде космического летательного аппарата. При этом космический летательный аппарат движется с заданной скоростью по канатам за счет создания линейными электродвигателями силы тяги, которая компенсирует вес аппарата и аэродинамическое сопротивление воздуха в околоземном пространстве.

Натяжение и вибрацию канатов до и после линейных электродвигателей контролируют электронными датчиками дистанционного контроля вибрации каната и регулируют посредством системы управления электромагнитными устройствами гашения вибрации канатов

Разгон и торможение космического летательного аппарата осуществляют с ускорением, соответствующим международным стандартам для пассажирских и грузовых перевозок, а аварийное торможение осуществляют с использованием реверса силы линейных электродвигателей.

Еще одним вариантом изобретения является канатная транспортная система, «электромагнитный лифт», включающая по крайней мере один транспортный модуль с приводным устройством в виде электродвигателя с токосъемными элементами и по крайней мере два закрепленных на жестком основании вертикально или под углом между пунктами движения, электропроводящих канатов. Они подключены к источнику электроэнергии. С помощью канатов осуществляется движение транспортного модуля,. Электропроводящие канаты выполнены из проводника и/или высокотемпературного сверхпроводника. Электродвигатель выбран линейным для обеспечения создания в канатах электродвижущей силы, создающей одновременно силу тяги и магнитный подвес (левитацию) во время движения транспортного модуля вдоль канатов. При этом каждый электропроводящий канат проходит через область максимума электромагнитного поля внутри линейного электродвигателя.

Канаты по всей длине механически прикреплены к жесткой поверхности, вдоль которой осуществляется движение подвижного модуля. Поэтому требования к прочности и легкости канатов не существенны. Например, канаты могут быть непосредственно закреплены на рельсах действующих железных дорого или на бетонном основании для 2D авиации в портах.

Обмотки линейных электродвигателей выполнены из проводника и/или высокотемпературного сверхпроводника, причем питание к двигателям поступает непосредственно от электропроводящих канатов, через токосъемные элементы.

Канаты выполнены на основе волокон из углеродных нанотрубок с внутренним диаметром в диапазоне 12 нм -16 нм или на основе волокон из легированных нанотрубок из оксидов или широкозонных полупроводников с внутренним диаметром в диапазоне 12 нм – 16 нм.

Способ работы канатной транспортной системы «электромагнитный лифт» заключается в том, что с электропроводящих канатов через токосъемные элементы поступает электроэнергия на линейные электродвигатели. Линейные электродвигатели одновременно создают силу тяги и магнитный подвес (левитацию) транспортного модуля, который движется по жестко закрепленным канатам с постоянной скоростью или постоянным/переменным ускорением.

Управление модулем можно осуществлять дистанционно.

Для безопасности движения разгон и торможение транспортного модуля должно осуществляться с ускорением, соответствующим международным стандартам для пассажирских и грузовых перевозок, а аварийное торможение осуществляют с использованием реверса силы линейных электродвигателей.

Это не касается разгонного ускорителя, где ускорение во много раз превосходит стандарты. Отметим, что разгон транспортного модуля можно будет осуществлять до скорости, которая не превысит максимальную скорость движения кольцевых электронов в высокотемпературном сверхпроводнике 15,9 км/с. При превышении этой скорости квантовразмерные эффекты проводимости исчезнут. В результате резко возрастет электрическое сопротивление материалов.

Для всех трех вариантов изобретения 2D авиация, космичекий лифт и электромагнитный лифт характерно, что в режиме эксплуатации электромагнитные параметры как линейного электродвигателя так и канатов не должны превышать критические значения: плотность тока не превышает величину , где А/см² – критический ток в высокотемпературном сверхпроводнике с критической температурой 93,5 градусов Цельсия; магнитное поле в линейном электродвигателе не превышает величину , где Тл – критическое поле в высокотемпературном сверхпроводнике с критической температурой 93,5 градусов Цельсия. При этом максимальная эксплуатационная температура работы линейного электродвигателя и канатов связана с критической плотностью тока и не должна превышать 60-80 градусов Цельсия.

Единство изобретения

Все перечисленные варианты транспортных систем и способов их работы связаны единым изобретательским замыслом и единой общей характеристикой – магнитное левитирующее движение транспортного модуля вдоль прочного каната с элекропроводимостью, минимум в 100 раз лучше проводимости алюминия или меди, и в пределе являющегося высокотемпературным сверхпроводником. Магнитная левитация и движение вдоль каната осуществляется с помощью линейного электродвигателя, имеющего обмотку из материала, аналогичного материалу каната. В результате левитация и тяга создается за счет взаимодействия магнитных полей двигателя и канатов. При этом электроэнергия, необходимая для движения, подается непосредственно по самим канатам от источника электроэнергии.

Каждый независимый пункт изобретения характеризуется способом крепления каната к опорам и способами создания тяги и компенсации веса транспортного модуля:

Первый вариант изобретения «2D авиация» характеризуется тем, что транспортный модуль (самолет) опирается на воздух за счет своих высоких аэродинамических свойств и движется по натянутым на опоры канатам над поверхностью земли. Линейный электродвигатель модуля питается непосредственно от сверхпроводящих канатов и создает тягу, которая прикладывается через канаты к стоящей впереди опоре.

Второй вариант изобретения «космический лифт» характеризуется тем, что транспортный модуль (космический летательный аппарат) опирается на канаты, натянутые вертикально между двумя опорами, одна из которых на Земле, а вторая – в космосе на геосинхронном спутнике и движется по этим канатам. Линейный электродвигатель модуля питается непосредственно от сверхпроводящих канатов и создает вертикальную тягу для движения модуля, которая прикладывается через канаты к опоре - спутнику.

Третий вариант изобретения «электромагнитный лифт» характеризуется тем, что транспортный модуль опирается на канаты, закрепленные на жестком основании вертикально или под углом между пунктами движения. Линейный электродвигатель модуля питается непосредственно от сверхпроводящих канатов и создает тягу, которая прикладывается через канаты к основанию.

Перечень фигур, указанных на чертежах

Фиг. 1. Принцип действия 2D авиации.

Фиг. 2. Схема трассы 2D авиации

Фиг. 3. Пассажирский транспортный модуль в виде самолета крыла

Фиг. 4. Грузо-пассажирский транспортный модуль в виде самолета крыла

Фиг. 5. Грузовой транспортный модуль для перевозки контейнеров в виде самолета триплана.

Фиг. 6. Схема линейного электродвигателя транспортного модуля в момент прохождения шлюза.

Фиг. 7. Конструкция анкерной опоры.

Фиг. 8. Сверхпроводящая легированная нанотрубка для изготовления канатов.

Фиг. 9. Критический режим полета транспортного модуля при боковом ветре.

Фиг.10. Аварийный спуск транспортного модуля

Фиг.11.Схема космического лифта.

Фиг.12. Схема электромагнитной катапульты.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показан принцип действия 2D авиации. Здесь на опоры 1 натянут с небольшим провесом сверхпрочный легкий электропроводящий канат 2. По нему движется транспортный модуль 3 массой m, представляющий собой летательный аппарат тяжелее воздуха с высоким аэродинамическим качеством. Линейный электродвигатель модуля создает силу тяги F₁ , которая, в сою очередь создает аэродинамическую подъемную силу F₂ . Участок каната 4 натягивается под действием силы F₁ , а участок каната 5 свободно провисает под собственным весом.

На фиг.2 показана схема трассы 2D авиации: 2a - вид сбоку, 2b – вид сверху. Расстояние между опорами 6 может составлять 1 – 10 км, что определяется режимом движения модулей по трассе и рельефом местности. Вдоль опор 6 натягиваются канаты 7, не менее двух канатов на одном пути. По канатам двигается транспортный модуль 8. Трасса проложена между конечными погрузочно/разгрузочными терминалами 9 (аэропортами) по прямой линии, но при необходимости трасса может иметь кривизну как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. При небольших радиусах поворотов в горизонтальной плоскости – выполняются виражи. Полосы взлета/посадки 10 примыкают непосредственно к терминалам 9. При необходимости создается промежуточный погрузочно/разгрузочный терминал 11. Изменение направления движения транспортного модуля совершается с помощью управляемых дистанционно стрелок.

На фиг. 3 показан пассажирский транспортный модуль в виде самолета крыла. Здесь в планере типа «ЭКИП» 12 с линейными электродвигателями 13 расположены пассажирские кресла14.

На фиг. 4 показан грузо-пассажирский транспортный модуль в виде самолета крыла. Здесь в планере типа «Экип» 15 с линейными электродвигателями 16 расположен грузовой отсек 17. В этом варианте модуля могут перевозиться также и пассажиры непосредственно в своих автомобилях или в специальном салоне.

На фиг. 5 показан в разрезе грузовой транспортный модуль для перевозки контейнеров в виде самолета триплана. Здесь контейнер 18 располагается в каплевидном фюзеляже 19. Три узких крыла 20 создают необходимую подъемную силу. Снизу триплана расположены линейные электродвигатели 21.

На фиг. 6 показана схема линейного электродвигателя транспортного модуля в момент прохождения шлюза. Здесь канат 22, закрепленный на шлюзе 23 проходит в области максимума электромагнитного поля, создаваемого электродвигателем 24.

На фиг. 7 показана конструкция анкерной опоры. Опора 25 устанавливается на фундаменте 26. Высота опор зависит от рельефа местности, минимального требуемого просвета под путевой структурой и схемы прокладки продольного профиля трассы. Конструкция анкерной опоры содержит электроизолированные шлюзы 27 для крепления канатов 28, которые могут быть стационарными или крепиться с помощью электромагнитов. Шлюзы 27 крепятся к виброгасителям 29. Опора 25 имеет растяжки из сверхпрочного каната 30. По канатам 28 движется транспортный модуль 31. Сами канаты 28 периодически соединены диэлектрическими перемычками-виброгасителями 32.

На фиг. 8 показана сверхпроводящая легированная нанотрубка для изготовления канатов. Здесь внутри калиброванной нанотрубки 33 с калиброванным диаметром 14,5 нм формируется цепочка кольцевых электронов 34. Здесь стрелками показано направление вращения кольцевых электронов, которое определяет их спин. Нанотрубка 33 легируется специальными добавками для создания необходимой плотности электронов для создания высокопроводящего или сверхпроводящего состояния при температурах до 93,5 градусов Цельсия. Такие нанотрубки являются основой волокна для создания сверхпрочного, легкого каната.

На фиг. 9 показан критический режим полета транспортного модуля при боковом ветре. Здесь транспортный модуль 35 под действием бокового ветра 36 натягивает канаты 37 впереди модуля и канаты 38 позади модуля между двумя опорами 39. С помощью линейных электродвигателей модуля 35 натяжение канатов 37 и 38 регулируется оптимальным способом.

На фиг.10 показан аварийный спуск транспортного модуля. Здесь транспортный модуль 40 остановился между двумя опорами 41 и завис на канатах 42 и 43. Секции линейного электродвигателя 44 и 45 регулируют натяжение канатов 42 и 43 таким образом, чтобы вес модуля распределился на опоры 41. Здесь условно показана петля каната 46, которая образуется в результате растяжения каната. Регулируя величину натяжения канатов 42 и 43, можно осуществлять аварийный плавный спуск модуля на землю при отсутствии электроэнергии на трассе. При появлении электроэнергии транспортный модуль может осуществить разгон до крейсерской скорости и продолжить движение по трассе.

На фиг.11 показана схема космического лифта. Здесь космический летательный аппарат 47 движется по канатам 48, натянутым между Землей 49 и космической станцией 50, находящейся на геостационарной орбите.

На фиг.12 показана схема электромагнитной катапульты. Здесь космический транспортный модуль 51 движется по канатам 52, жестко закрепленным на эстакаде 53 с помощью линейных электродвигателей 54.

Промышленная применимость

Долгое время не удавалось технически реализовать заманчивую идею создания космического лифта. Основная проблема, тормозящая его создание, заключается в том, что стальные тросы слишком тяжелые и недостаточно прочные. Такой трос оборвется под действием своего собственного веса уже на высоте 10 км. В высоком здании - основная часть веса, который приходится поднимать тросу лифта - это его собственный вес. Кроме того, низкая электропроводность материала троса не позволяет передать по нему электроэнергию большой мощности. Углеродные нанотрубки в сотню раз прочнее стали, они представляют собой монокристаллические структуры. После открытия этих структур в 1991 году исследователем Сумио Иджима (Iijima Sumio) (фирма NEC) [22] углеродные нанотрубки стали ведущим элементом в концепции создания космического лифта. А после открытия в 1998 г. возможности высокотемпературной сверхпроводимости (93,5⁰ С) в нанотрубках с внутренними размерами 12 нм - 16 нм, легированных особым образом [21], стало возможно осуществить магнитную левитацию на таком канате.

Этот эффект был уже экспериментально найден в 2004 г. исследователем из Калифорнийского университета Guo-meng (Peter) Zhao [23].

В настоящее время уже налажено массовое производство нанотрубок. Серийное производство калиброванных нанотрубок стоит от 100 до 500 долларов США за один грамм (Carbon Nanotechnologies, Inc.). Существует много современных методов - испарение угольных электродов или получение горячих углеродных газов, чтобы создать молекулярные трубки [24].

Все новые открытия в технологии производства обещают быстрый прогресс в этой области. Например, недавно исследовательская группа ученых из нескольких университетов США создала сверхпрочную гибкую ленту, состоящую из пучков многослойных углеродных нанотрубок [25]. Была синтезирована матрица из волокон многослойных нанотрубок, расположенных в одном направлении, методом химического осаждения пара, используя ферроцен и ксилен в качестве "сырья". Получилась однородная волокнистая масса, состоящая непосредственно из нанотрубок, с пористостью около 87%. Новый материал можно использовать в качестве каната в космическом лифте, в одежде нового поколения и т.п.

Для предлагаемого изобретения необходимо продолжить исследования по получению длинных волокон из калиброванных нанотрубок с внутренним диаметром 14,5 нм. В настоящее время в этой области работают сотни фирм. Налицо все научные, технические и технологические предпосылки для создания промышленного производства крупнотоннажного объема нановолокон для создания сверхпрочных канатов и материалов при стоимости 1-2 доллара США за грамм. При такой стоимости, для всех вариантов предлагаемого изобретения, на 1 км пути потребуется порядка 10 кг каната, т.е., 10-20 тысяч долларов США. Это значительно ниже, как минимум, на 1-2 порядка, себестоимости 1 км пути всех традиционных наземных транспортных систем.

В промышленности выпускается большой класс линейных электродвигателей и линейных шаговых электродвигателей. Хорошо разработаны технологии их производства и систем управления на основе сильноточных полупроводниковых приборов. Удельная мощность этих двигателей составляет порядка 1 кВт/кг. Известно, что значительное уменьшение удельного веса можно добиться, если использовать низкотемпературные сверхпроводники, имеющие большие магнитные поля 3-5 Тл. Уменьшение веса осуществляется за счет отказа от стальных магнитопроводов и уменьшения веса конструктивных элементов. Одновременно исключаются омические потери в проводниках. Для мощных сверхпроводящих двигателей можно достичь удельной мощности до 10кВт/кг при КПД, близком к единице. Это в несколько раз выше удельной мощности, характерной для авиационных турбореактивных двигателей.

Переход на высокотемпературные сверхпроводники позволит в принципе отказаться от криогенных систем охлаждения, что резко упростит конструкцию двигателя и его конструктивных элементов. В линейных двигателях можно использовать намоточные провода, аналогичные канатам из калиброванных нанотрубок, имеющих электрическую изоляцию.

В качестве транспортных модулей для 2D авиации в качестве базовой модели можно взять планер «ЭКИП». Разработка этого летательного аппарата достаточно продвинута и имеет все необходимые аэродинамические качества. В этом планере исключаются воздушная подушка, турбореактивные двигатели, топливная система. Вспомогательные турбореактивные насосы, формирующие ламинарные воздушные потоки, можно заменить на электротурбины на основе материала с высокой электропроводностью. Для пассажирского варианта достаточно использовать модули с полетным весом до 10 т (50-60 пассажиров), а для грузоперевозок можно использовать модули с полетным весом до 75 т. Ограничения связаны с международными стандартами транспортных перевозок (масса двух 20 футовых контейнеров – 44 т, одного 40 футового контейнера – 30,5 т).

При себестоимости 1 км нановолоконного каната 20-30 тыс. долларов США и себестоимости 1 анкерной опоры и ее установки порядка 45 тыс. долларов, себестоимость пути в одном направлении с расстояниями между опорами 10 км составит порядка 25-35 тыс. долларов США на 1 км пути. Это, как минимум, в 100 раз дешевле любой высокоскоростной наземной транспортной системы. Т.е., переход на строительство пути на основе дорогих материалов, но имеющих уникальные качества – в 460 раз прочнее и легче стали, позволяет практически во столько же раз уменьшить себестоимость пути.

Рассчитаем альтернативные железным дорогам перевозки грузов на основе 2D авиации при максимально возможной скорости и грузоподъемности железных дорог.

Полный взлетный вес P ₀ -75 т,

Грузоподъемность – 50 т,

Крейсерская скорость полета – 300 км/ч,

Размах крыльев – 15 м,

Нагрузка на крыло – 150 кг/м² ,

Аэродинамическое качество – 10-15

Транспортный модуль можно изготавливать из легких композитных материалов на основе углеродных нанотрубок, что резко уменьшает вес модуля.

Минимально необходимая скорость движения для подъема груза определяется из формулы (2), преобразованной к виду:

, (10)

где r _в – плотность воздуха у земли, g – ускорение свободного падения, S – площадь крыла, c _y – аэродинамический коэффициент, определяющий подъемную силу, который изменяется в зависимости от геометрии крыла для разных режимов полета от 0,4 до 2,5.

Для крейсерской скорости и тонкого крыла площадью 500 м² c _y =0,4. Тогда минимальная скорость составит 272 км/ч. Чтобы уменьшить площадь землеотвода, сохранив при этом грузоподъемность и площадь крыла, необходимо использовать планер в виде триплана (см. Фиг.5).

Необходимая мощность двигателя, следовательно, энергия, затрачиваема на полет P _x , будет определяться лобовым сопротивлением по формуле (3). При каплевидном виде корпуса c_x = 0,04, площадь сечения S _x = 11,25 м² . Для тонкого крыла c_x = 0,075 и S _x = 6,25 м² . Тогда при скорости 300 км/ч мощность двигателя P _x составит 343 кВт. На преодоление 1000 км модуль затратит 3,33 ч, т.е., потребуется 1142 кВт ч, или 388 кг условного топлива. Т.е, на 1 т перевозки полезного груза на 1000 км потребуется 7,6 кг условного топлива.

В результате мы видим, что 2D авиация является более экономичным транспортом, чем современные железные дороги. При этом скорость перевозок практически возрастает с 80 км/ч до 300 км/ч.

Поясним, каким образом в 2D авиации при постановке железнодорожного вагона на «крыло» скорость перевозки возрастает в 3,8 раза, а энергозатраты остаются эквивалентными энергозатратам железнодорожного транспорта (80 км/ч) (см. Табл.1). Это связано с тем, что энергозатраты на преодоление трения качения в системе колесо/рельс оказались соизмеримыми с энергозатратами на преодоление аэродинамического сопротивления транспортного модуля 2D авиации [26]. Это достигнуто за счет его аэродинамической оптимизации, применения линейных электродвигателей с высоким 95% кпд тяги и новых композиционных материалов. При этом полезная нагрузка модуля достигает 70% взлетного веса, что в 2,5 раза выше, чем у самолетов.

Основной проблемой транспортных систем в Европе является землеотвод и экологические требования к ним.

Поэтому, другим вариантом реализации является создание транспортных трасс 2D авиации вдоль автомагистралей или создание энерго-транспортных трасс взамен высоковольтных линий электропередач.

2D авиация автоматически решает обе эти проблемы. Располагать транспортную структуру можно непосредственно над скоростными автомагистралями, например, можно использовать небольшие пассажирские летельные аппараты типа «ЭКИП» (см. Фиг.3). Тогда можно будет переключить транспортный поток с движения по земле на движение по воздуху. Автомобили вместе с пассажирами можно будет перевозить в специальных контейнерах, размещенных в транспортных модулях. Это аналогично перевозкам автомобилей с пассажирами в специальных контейнерах по железной дороге со скоростью до 180 км/ч, что рассматривается в проектах транспортных систем AutoShuttle, Autran и AVT-TRAIN [27]. В 2D авиации скорость перевозки значительно выше и достигает 300 км/ч.

Согласно нашим расчётам - это, во-первых, дешевле, чем ехать на той же машине по дороге, во-вторых, это быстрее — 300 км/час, в-третьих — экологически чисто, а в четвёртых — безопасно и нет пробок. В один транспортный модуль может вмещаться 4-6 легковых автомобилей плюс салон для пассажиров со всеми удобствами (см. Фиг.4). Себестоимость перевозки одного автомобиля будет не выше стоимости бензина, необходимо для проезда автомобиля на тоже расстояние.

В развитых странах с высокой плотностью населения, как правило, электроэнергия подводится к городам по высоковольтным линиям передач. Сама процедура выделения земельных участков под линии электропередач давно закончена. Избежать длительного процесса выделения земельных участков возможно за счет объединения функций передачи электроэнергии и трассы 2D авиации. В этом случае мы имеем возможность осуществить достаточно удобный доступ к центрам городов для 2D авиации.

Опоры для 2D авиации легко использовать для прокладки линий электропередач без потерь на основе сверхпроводящего кабеля более 1 ГДж на одну линию. В этом случае можно сэкономить до 10% передаваемой электроэнергии.

Другим вариантом объединения энерго транспортных систем является ввод в города трасс 2D авиации над железнодорожными линиями. Здесь также можно непосредственно передавать большие объемы электроэнергии.

Отсюда следует, что существуют все предпосылки для промышленной реализации транспортной системы 2D авиация.

Для технической реализации космического лифта (см Фиг. 11) существует более сложная технологическая проблема, связанная с необходимостью использования существующей ракетно-космической техники для натягивания каната. В настоящее время эта проблема разрабатывается несколькими фирмами типа LiftPort и HighLift и исследовательскими институтами под руководством NASA [11]. В качестве транспортного модуля в космическом лифте можно использовать космические планеры типа Шатл или Буран. Это увеличивает надежность лифта, так как при обрыве каната модуль может приземлиться автономно. Полетный вес их уменьшается за счет отсутствия топлива и уменьшения мощности реактивного двигателя. Двигатель необходим только для аварийной посадки модуля.

Электромагнитный лифт может находиться в шахте или на эстакаде (см. Фиг. 12). Движение будет осуществляться по сверхпроводящим канатам с использованием магнитной левитации. Линейные сверхпроводящие электродвигатели устанавливаются в движущемся модуле лифта. Канаты будут периодически закрепляться на стенках шахты/башни. Упрощенные варианты электромагнитного лифта можно использовать для создания скоростных лифтов в небоскребах, для перемещения грузов.

Принцип магнитной левитации можно использовать для модернизации существующих железнодорожных транспортных систем. Наиболее просто можно реконструировать уже существующие электрофицированные железные дороги путем дополнительной прокладки по рельсу высокотемпературного сверхпроводящего каната. Это можно осуществить простым и дешевым способом путем фрезеровки небольшой канавки 1-10 мм в головке рельса, в которую закладывается канат. Процесс фрезерования можно легко сделать непосредственно на уже установленных рельсах. В подвижном составе колесные тележки заменятся на линейные электродвигатели на высокотемпературных сверхпроводниках. Реконструкции электросети не требуется. В результате мы получим очень дешевый аналог системы Маглев, полностью исключив проблему трения колеса о рельс. Кроме того, по модернизированной железной дороге можно будет осуществлять и обычное традиционное передвижение на колесах. Железная дорога приобретет новые качества – увеличится скорость в 1,5 -2 раза, уменьшится износ трассы и колес, возрастет угол наклона транспортного пути, что упростит строительство дорог в горах, и особо важно – упростит переход с одной ширины колеи на другую и исключит шум и вибрацию, что весьма актуально для пассажирских перевозок и метро.

Таким образом, использование нанотехнологий для создания сверхпрочных сверхпроводящих проводников (канатов) позволяет создать принципиально новые транспортные системы на магнитной левитации, которые полностью решают скоростную транспортировку пассажиров и грузов на земле, в воздухе и космосе при увеличении безопасности, экологичности и уменьшении себестоимости.

Литература

1. Транспорт: Наука, Техника, Управление. Сборник обзорной информации. ВИНИТИ, 1995, №9.
2. Машиностроение. Энциклопедия. Самолеты и вертолеты. Т.IV-21/К.Ф. Фролова. Изд. М. Машиностроение. 2002.
3. http://www.khsu.ru/fly/trans_problem.shtml#2
4. Петренко О.С. Подвесные рельсовые дороги. М. Машиностроение. 1981.
5. Грушевич А.Е. Автомобили: Теория: Учебник для вузов. Мн.: Высшая школа, 1986. Стр.93.
6. Патент RU 2080268С1
7. Какурин В.К. Проектирование висячих и вантовых мостов. М. Транспорт. 1971.
8. Глазунов А.А. Работа и расчет проводов и тросов. Т.1. Основы механической части воздушной линии электропередачи. Л.М. Госэнергоиздат. 1956.
9. Машины непрерывного транспорта/Павинский В.И. М. Машиностроение. 1969.
10. Edwards, B. C., Design and Deployment of a Space Elevator, Acta Astronautica , 2000, 47 no. 10, page 735-744. Смотрите также сайт автора http://www.bradleyedwards.info/BCE_resume.pdf
11. http://www.isr.us/Downloads/niac_pdf/contents.html,
12. Юрий Арцутанов, “В космос на электровозе”, Комсомольская правда. 31.07.1960 г.
13. Дж.Барбер. Электромагнитная рельсовая пушка», Ф.Хилтон. «Космический электромагнитный транспорт – теория и история. http://sakramento3.narod.ru/zerkalo/uskor.htm.
14. Транспорт с магнитным подвесом/ Ю.А. Бохвалов, В.И. Богаров и др. М. Машиностроение. 1991. 320 с.
15. Авиация: Энциклопедия / Гл. ред. Г.П. Свищев. М.: БРЭ, 1994. 736 с.
16. Белавин Н.И. Экранопланы. Ленинград. Судостроение. 1977.
17. Патенты RU 2015941, 2011542, 2033945, http://www.ekip-aviation-concern.com/rus-b/10.shtml
18. Экономические перспективы. Том 5. Электронный журнал Государственного департамента США № 3. октябрь 2000 г. http://www.infousa.ru/economy/ijee1000.htm.
19. Авт свид. CCCР № 35209.
20. US Patent 5,535, 963.
21. US Patent 6,570,224 B1
22. Patent JP6227806, US 6,203,864, CN1598971, Patent Application US 2005106093.
23. Guo-meng (Peter) Zhao. The resistive transition and Meissner effect in carbon nanotubes: Evidence for quasi-one-dimensional superconductivity above room temperature. http://www.superconductors.org/roomnano.pdf
24. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. 2005. Изд-во: Физматлит. 416 с.
25. http://www.sciencerf.ru/client/fcntp.aspx?ob_no=1806&cat_ob_no=562 , Science.
26. Д. П. МАРКОВ, Коэффициенты трения и сцепления при взаимодействии колес с рельсами. Вестник ВНИИЖТ, 2005, № 4.
27. http://www.membrana.ru/articles/technic/2002/04/18/114500.html

Формула изобретения

1. Канатная транспортная система, включающая по крайней мере один транспортный модуль с приводным устройством в виде электродвигателя с токосъемными элементами и по крайней мере два закрепленных на опорах, электропроводящих каната, которые в свою очередь подключены к источнику электроэнергии, и с помощью которых осуществляется движение транспортного модуля, отличающаяся тем, что транспортный модуль выполнен в виде летательного аппарата тяжелее воздуха с аэродинамическим качеством не менее 5, электропроводящие канаты выполнены из сверхпрочного легкого проводника и/или сверхпрочного легкого высокотемпературного сверхпроводника, электродвигатель выбран линейным для обеспечения создания в канатах электродвижущей силы, создающей одновременно силу тяги и магнитный подвес (левитацию) во время движения летательного аппарата вдоль канатов, причем каждый электропроводящий канат проходит через область максимума электромагнитного поля внутри линейного электродвигателя.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что канаты натянуты на опоры с усилием, когда предел прочности равен 0,1-0,5, а сечение канатов выбрано таким, что они не разрушаются в условиях создания предельной силы в режиме разгона/экстренного торможения летательного аппарата.

3. Система по п. 2, отличающаяся тем, что опоры расположены периодически на всем протяжении пути транспортной системы в соответствии с рельефом местности, радиусом поворота пути и пропускной способностью транспортной системы, при этом опоры выполнены с возможностью выдерживать нагрузку, равную сумме статического веса летательного аппарата и нагрузки, развиваемой в режиме экстренного торможения летательного аппарата.

4. Система по п.п. 2, 3 отличающаяся тем, что в пунктах назначения пути (портах) канаты закреплены на жестком основании, выполненном из материала, способного выдерживать статическую и динамическую нагрузки, вызванные летательным аппаратом, а длина жесткого основания определяется длиной пути, необходимой для служебного торможения/разгона летательного аппарата.

5. Система по п.1 отличающаяся тем, что обмотки линейных электродвигателей выполнены из проводника и/или высокотемпературного сверхпроводника, причем питание к двигателям поступает непосредственно от электропроводящих канатов, через токосъемные элементы.

6. Система по п.2, отличающаяся тем, что канаты выполнены на основе волокон из углеродных нанотрубок с внутренним диаметром в диапазоне 12 нм -16 нм.

7. Система по п.2, отличающаяся тем, что канаты выполнены на основе волокон из легированных нанотрубок из оксидов или широкозонных полупроводников с внутренним диаметром в диапазоне 12 нм – 16 нм

8. Система по п.1, отличающаяся тем, что до или после линейных электродвигателей летательного аппарата расположены электромагнитные устройства гашения вибрации канатов, которые связаны посредством электромагнитного поля с канатами и соединены с электронными датчиками вибрации канатов.

9. Система по п.п.1,2, отличающаяся тем, что канаты периодически по всей длине соединены между собой перемычками-виброгасителями.

10. Система по п.п.1,3, отличающаяся тем, что канаты закреплены на опорах с помощью шлюзовых устройств.

11. Система по п.10, отличающаяся тем, что шлюзовые устройства закреплены на виброгасителях, которые, в свою очередь, закреплены на опорах.

12. Система по п.10, отличающаяся тем, что шлюзовые устройства жестко связаны с канатом.

13. Система по п.10 отличающаяся тем, что шлюзовые устройства связаны с канатом с помощью электромагнитного поля, формируемого дополнительным электромагнитом и управляемого дистанционно.

14. Способ работы канатной транспортной системы по п. 1-13, заключающийся в том, что с электропроводящих канатов через токосъемные элементы поступает электроэнергия на линейные электродвигатели, отличающийся тем, что линейные электродвигатели одновременно создают силу тяги и магнитный подвес (левитацию) транспортного модуля, выполненного в виде летательного аппарата, причем летательный аппарат движется по канатам со скоростью, необходимой для компенсации веса аппарата за счет создания аэродинамической подъемной силы.

15. Способ работы системы по п. 14, отличающийся тем, что движение летательного аппарата осуществляют в режиме самолета или в режиме экраноплана при соответствующей высоте опор и рельефе местности.

16. Способ работы системы по п. 14, отличающийся тем, что натяжение и вибрацию канатов до и после линейных электродвигателей контролируют электронными датчиками дистанционного контроля вибрации каната и регулируют посредством системы управления электромагнитными устройствами гашения вибрации канатов.

17. Способ работы системы по п. 14, отличающийся тем, что разгон и торможение летательного аппарата осуществляют с ускорением, соответствующим международным стандартам для пассажирских и грузовых перевозок, а аварийное торможение осуществляют с использованием реверса силы линейных электродвигателей и/или изменением аэродинамики и/или в экстренных случаях путем открытия тормозного парашюта.

18. Канатная транспортная система, включающая по крайней мере один транспортный модуль с приводным устройством в виде электродвигателя с токосъемными элементами и натянутого вертикально сверхпрочного легкого каната между поверхностью планеты и ее искусственным спутником, находящимся на синхронной орбите, по которому осуществляет движение транспортный модуль за счет бортового источника электропитания, отличающаяся тем, что транспортный модуль выполнен в виде космического летательного аппарата, между поверхностью планеты и ее искусственным спутником натянуты по крайней мере два электропроводящих каната, которые выполнены из сверхпрочного легкого проводника и/или сверхпрочного легкого высокотемпературного сверхпроводника, и которые подключены к внешнему источнику электрической энергии, электродвигатель выбран линейным для обеспечения создания в канатах электродвижущей силы, создающей одновременно силу тяги и магнитный подвес (левитацию) во время движения космического летательного аппарата вдоль канатов, причем каждый электропроводящий канат проходит через область максимума электромагнитного поля внутри линейного электродвигателя.

19. Система по п.18, отличающаяся тем, что канаты натянуты на опоры с усилием, когда предел прочности равен 0,1-0,5, а сечение канатов выбрано таким, что они не разрушаются в условиях создания предельной силы в режиме разгона/торможения космического летательного аппарата.

20. Система по п.18 отличающаяся тем, что обмотки линейных электродвигателей выполнены из проводника и/или высокотемпературного сверхпроводника, причем питание к двигателям поступает непосредственно от электропроводящих канатов, через токосъемные элементы.

21. Система по п.18, отличающаяся тем, что канаты выполнены на основе волокон из углеродных нанотрубок с внутренним диаметром в диапазоне 12нм -16 нм.

22. Система по п.18, отличающаяся тем, что канаты выполнены на основе волокон из легированных нанотрубок из оксидов или широкозонных полупроводников с внутренним диаметром в диапазоне 12 нм – 16 нм

23. Система по п.18, отличающаяся тем, что до или после линейных электродвигателей космического летательного аппарата расположены электромагнитные устройства гашения вибрации канатов, которые связаны посредством электромагнитного поля с канатами и соединены с электронными датчиками вибрации канатов.

24. Система по п.п.18,19, отличающаяся тем, что канаты периодически по всей длине соединены между собой перемычками-виброгасителями.

25. Способ работы канатной транспортной системы по п. 18-24, заключающийся в том, что с электропроводящих канатов через токосъемные элементы поступает электроэнергия на линейные электродвигатели, отличающийся тем, что линейные электродвигатели одновременно создают силу тяги и магнитный подвес (левитацию) транспортного модуля, выполненного в виде космического летательного аппарата, причем космический летательный аппарат движется с заданной скоростью по канатам за счет создания линейными электродвигателями силы тяги, которая компенсирует вес аппарата и аэродинамическое сопротивление воздуха в околоземном пространстве.

26. Способ работы системы по п. 25, отличающийся тем, что натяжение и вибрацию канатов до и после линейных электродвигателей контролируют электронными датчиками дистанционного контроля вибрации каната и регулируют посредством системы управления электромагнитными устройствами гашения вибрации канатов

27. Способ работы системы по п. 25, отличающийся тем, что разгон и торможение космического летательного аппарата осуществляют с ускорением, соответствующим международным стандартам для пассажирских и грузовых перевозок, а аварийное торможение осуществляют с использованием реверса силы линейных электродвигателей.

28. Канатная транспортная система, включающая по крайней мере один транспортный модуль с приводным устройством в виде электродвигателя с токосъемными элементами и по крайней мере два закрепленных на жестком основании вертикально или под углом между пунктами движения, электропроводящих канатов, которые в свою очередь подключены к источнику электроэнергии, и с помощью которых осуществляется движение транспортного модуля, отличающаяся тем, что электропроводящие канаты выполнены из проводника и/или высокотемпературного сверхпроводника, электродвигатель выбран линейным для обеспечения создания в канатах электродвижущей силы, создающей одновременно силу тяги и магнитный подвес (левитацию) во время движения транспортного модуля вдоль канатов, причем каждый электропроводящий канат проходит через область максимума электромагнитного поля внутри линейного электродвигателя.

29. Система по п.28, отличающаяся тем, что канаты по всей длине механически прикреплены к жесткой поверхности, вдоль которой осуществляется движение подвижного модуля.

30. Система по п.28 отличающаяся тем, что обмотки линейных электродвигателей выполнены из проводника и/или высокотемпературного сверхпроводника, причем питание к двигателям поступает непосредственно от электропроводящих канатов, через токосъемные элементы.

31. Система по п.28, отличающаяся тем, что канаты выполнены на основе волокон из углеродных нанотрубок с внутренним диаметром в диапазоне 12 нм -16 нм.

32. Система по п.28, отличающаяся тем, что канаты выполнены на основе волокон из легированных нанотрубок из оксидов или широкозонных полупроводников с внутренним диаметром в диапазоне 12 нм – 16 нм.

33. Способ работы канатной транспортной системы по п. 28-32, заключающийся в том, что с электропроводящих канатов через токосъемные элементы поступает электроэнергия на линейные электродвигатели, отличающийся тем, что линейные электродвигатели одновременно создают силу тяги и магнитный подвес (левитацию) транспортного модуля, который движется по жестко закрепленным канатам с постоянной скоростью или постоянным/переменным ускорением.

34. Способ работы системы по п. 33, отличающийся тем, что разгон и торможение транспортного модуля осуществляют с ускорением, соответствующим международным стандартам для пассажирских и грузовых перевозок, а аварийное торможение осуществляют с использованием реверса силы линейных электродвигателей.

35. Способ работы системы по п. 33 отличающийся тем, что разгон транспортного модуля осуществляют с ускорением до скорости, которая не превышает максимальную скорость 15,9 км/с.

36. Способ работы системы по п.п. 1, 18, 28, отличающийся тем, что в режиме эксплуатации электромагнитные параметры как линейного электродвигателя так и канатов не превышают критические значения: плотность тока не превышает величину , где А/см² – критический ток в высокотемпературном сверхпроводнике с критической температурой 93,5 градусов Цельсия; магнитное поле в линейном электродвигателе не превышает величину , где Тл – критическое поле в высокотемпературном сверхпроводнике с критической температурой 93,5 градусов Цельсия.

37. Способ работы системы по п.36 отличающийся тем, что максимальная эксплуатационная температура работы линейного электродвигателя и канатов связана с критической плотностью тока и не превышает 60-80 градусов Цельсия.

Рисунки

Фиг. 1. Принцип действия 2D авиации.

Фиг. 2. Схема трассы 2D авиации

Фиг. 3. Пассажирский транспортный модуль в виде самолета крыла

Фиг. 4. Грузо-пассажирский транспортный модуль в виде самолета крыла

Фиг. 5. Грузовой транспортный модуль для перевозки контейнеров в виде самолета триплана.

Фиг. 6. Схема линейного электродвигателя транспортного модуля в момент прохождения шлюза.

Фиг. 7. Конструкция анкерной опоры.

Фиг. 8. Сверхпроводящая легированная нанотрубка для изготовления канатов.

Фиг. 9. Критический режим полета транспортного модуля при боковом ветре.

Фиг.10. Аварийный спуск транспортного модуля

Фиг.11.Схема космического лифта.

Фиг.12. Схема электромагнитной катапульты.