Возможные пути развития железнодорожного транспорта

 

Железная дорога — давно укрепившийся в современной жизни вид транспорта, без которого невозможно представить современные перевозки грузов и пассажиров. Рассматривая железнодорожный транспорт с инженерной точки зрения, выделяют следующие достоинства:

          высокая грузоподъёмность;

          независимость от климатических условий, что обеспечивает регулярность перевозок;

          сравнительно невысокая себестоимость перевозок;

          возможность перевозки на большие расстояния;

          высокая провозная способность железной дороги.

Но не стоит забывать и о недостатках, присущих этому виду транспорта:

          большие затраты на погрузочно-разгрузочные работы;

          жёсткая привязанность к конкретному маршруту, по которому проложены железнодорожные магистрали;

          низкая манёвренность;

          большие затраты на строительство [1].

Железная дорога, в том виде, в котором мы привыкли видеть её сейчас, начала появляться в конце XVIII начале XIX веков. Именно в то время для неё стали характерны рельсы из металла, а не из древесины как ранее, и паровая тяга. Железнодорожный (ж/д) транспорт быстро завоевал расположение пассажиров, так как зачастую это был единственный быстрый способ комфортабельного перемещения на большие расстояния. Шли годы, появлялись другие виды транспорта, такие как автомобильный и воздушный, который могли бы вытеснить ж/д транспорт. Но железная дорога не канула в лету, так как постоянно улучшалась, продолжая производить перевозки грузов и пассажиров, оставаясь удобной, быстрой и надёжной.

По состоянию на 2012 год в Российской Федерации ж/д транспорт, с учётом трамвайного и метрополитена, занимал первое место по пассажирообороту [2].

Однако, нет предела совершенству — глубинный смысл этой фразы заключается в том, что любой предмет окружающего мира может быть усовершенствован, и железная дорога, конечно же, не может быть исключением, впрочем, как и любой другой вид транспорта.

Железнодорожный транспорт — это вид транспорта, включающий в себя комплекс различных систем и средств, предназначенный для перевозки грузов и пассажиров посредством подвижного состава, движущегося по специальным закреплённым (традиционно стальным) направляющим (рельсам).

Исходя из вышеуказанного определения, можно сделать вывод о том, что фантастические варианты с летающими или плавающими в любых направлениях поездами не могут относиться к ж/д транспорту, поскольку не имеют рельсов.

Стоит также отметить, что железнодорожный транспорт не может быть одинаков во всем мире в целом и в отдельно взятой стране в будущем. Это связано с:

          различными функциями, которые выполняет ж/д транспорт;

          разными стандартами, приятыми в странах;

          различным уровнем научно-технического прогресса в разных странах;

          различными направлениями развития промышленности и других сфер жизни общества в разных странах.

Это означает, что технологии, описанные ниже, могут быть, как применены вместе и дополнять друг друга, так и быть совершенно несовместны.

Человечество уже давно осознало, что необходимо беречь энергию и ресурсы. Ведь перерасход некоторого материала очень часто, мало того что означает уменьшение этого ресурса в целом, так ещё и приводит к увеличению издержек и экономических потерь производителя, поэтому необходимо грамотно и рационально использовать то, что даёт природа и то, что человек производит самостоятельно. Это отступление присутствует здесь неслучайно, ведь и на железной дороге можно значительно сэкономить количество материалов, а соответственно и капитальных вложений, расходующихся на строительство пути. Осуществить это можно, на первый взгляд радикально, но, по сути, очень просто: убрать один из двух рельсов.

Как писала Роза Бертэн: «Всё новое — это хорошо забытое старое». В 20-х годах XIX века уже появлялась идея о том, что гораздо выгодней и эффективней передвигаться по одному рельсу, нежели по двум. Известно, что немецкий инженер Август Шерль продемонстрировал публике модель однорельсового поезда в Берлине. А уже через пару лет Луи Бреннан в Джилингхеме (Великобритания) показал полноразмерный однорельсовый вагон на 50 пассажиров. Возникает естественный вопрос: «Каким образом поезд удерживает равновесие?». Для ответа на этот вопрос необходимо вспомнить детскую игрушку — юлу. Эта игрушка, как её ещё называют — волчок, не что иное, как гироскоп — прибор с диском и свободной осью, используемый для автоматического регулирования устойчивости. Юла, будучи раскрученной, может довольно долго сохранять своё равновесие, касаясь горизонтальной поверхности лишь кончиком своей оси. По такому же принципу были устроены и экспериментальные поезда той эпохи. Гироскоп (маховик), размещённый в специальном отделении внутри одноколейного вагона, за счет своего вращения позволял ему не только катиться по рельсу, но и не терять своего равновесия. Вагон однорельсовой железной дороги представлен на рисунке 1 [3].

Рис. 1. Однорельсовая железная дорога Луи Бреннана [3]

 

Известно также, что в 1911 году наш соотечественник Пётр Петрович Шиловский представил модель своей однорельсовой дороги на выставке в Петербурге. К сожалению, полномасштабная рабочая версия этой дороги так и не была построена [3].

У этой технологии, естественно, есть недостатки, связанные в первую очередь с тем, что для поддержания вагона в равновесном положении необходимо непрерывное вращения маховика. Однако падение вагона набок при остановке маховика может быть предотвращено с помощью специальных боковых упоров, присутствующих в каждом вагоне.

Тем не менее, применение гироскопических поездов однорельсовой железной дороги отлично подойдёт как для электрифицированных участков, так и для тепловозной тяги. Использование этих вагонов в будущем может быть прекрасно применено в сфере городского транспорта, для перемещения грузов в пределах больших промышленных предприятий и за их пределами, для междугороднего сообщения и, конечно же, для военных ведомств, заинтересованных в быстром строительстве подъездных путей. А с учётом использования современных материалов и технологий, возведение однорельсовой железной дороги потребует значительно меньшие временные и финансовые затраты на строительство пути, по сравнению с существующей системой транспорта, использующей два рельса. К тому же однорельсовый ж/д транспорт будет, что немаловажно, более безопасным, по сравнению с любым однорельсовым прототипом того времени.

В продолжение темы сохранения ресурсов и энергии, необходимо привести цитату Петра Леонидовича Капицы: «Вы думаете, энергия распространяется по проводам? Напротив, в них она только теряется!». Не является секретом то, что для передачи электрической энергии к электроподвижному составу (ЭПС) на электрифицированных участках железной дороги используется контактная сеть, которая сама по себе является сложной системой, строительство которой связано с большими затратами меди и алюминия. К тому же, в целях безопасности, контактная подвеска должна быть расположена над дорогой на специальных опорах. Стоит отметить, что на высокоскоростных магистральных железных дорогах одним из ограничений скорости движения является именно проблема токосъёма, то есть надёжного контакта пантографа и контактной подвески с целью устойчивой передачи тока от контактного провода в локомотив при любых метеоусловиях и скоростях. Таким образом, исходя из вышенаписанного, можно заключить следующее: для сохранения ресурсов и решения проблемы токосъёма необходим другой способ передачи энергии к ЭПС.

Учёные и инженеры уже давно говорят о бесконтактной (без механического контакта пантографа и контактной подвески) передаче электроэнергии. Умозрительно эта проблема уже решена. Здесь стоит привести отрывок из книги «Гианэя» советского писателя-фантаста Георгия Сергеевича Мартынова: «…Только теперь токи ультравысокой частоты идут не по кабелям. Найден способ передавать их прямо по воздуху, наподобие радиоволны, и притом без потерь. На определённой высоте над землёй, разлита, если можно так выразиться, сплошная пелена энергии... Энергия, практически безграничной мощности, берётся «с воздуха»…» [4].

Не исключено, что именно такой способ передачи энергии может быть использован в поезде будущего: «пучок» энергии сверхвысокой частоты (СВЧ) находится над железной дорогой в том месте, где будет проходить пантограф локомотива. Эта энергия трансформируется в приемнике СВЧ и приводит ЭПС в движение. Существующие технологии способны создавать направленное СВЧ излучение огромной мощности. Однако стоит помнить, что чем большее расстояние проходит луч, тем больше он рассеивается. Значит, необходимо расставлять источники СВЧ излучения через относительно короткие промежутки длины, чтобы луч не рассеивался и находился в необходимой области пространства над железной дорогой. Это решит проблемы ресурсосбережения и потерь энергии в проводниках, а также снимет ограничение максимальной скорости на высокоскоростных линиях железной дороги.

Существуют и другие вызывающие интерес способы сохранения энергии на ж/д транспорте.

Известно, что потребление электроэнергии в разное время суток является величиной весьма непостоянной. Существуют, так называемые, пиковые часы, когда энергосистема нагружена, и, может быть, даже не справляется с потребностями приёмников электрической энергии. Есть же и обратная ситуация — часы, в которые потребителей настолько мало, что энергосистема «простаивает». Аналогичные процессы характерны и для железной дороги: участки дороги могут быть нагружены неравномерно, а ЭПС, для которых свойственно явление рекуперации (возвращение энергии в сеть, например при торможении), могут неравномерно эту электроэнергию использовать. Для решения подобных проблем необходимо применять аккумуляцию электроэнергии.

Стоит отметить, что у гироскопа (маховика), помимо свойства сохранения равновесия, существует другая замечательная способность — запасание энергии. Аккумулятор-маховик относится к классу динамических аккумуляторов и, будучи размещённым в каждом вагоне и локомотиве ЭПС и механически или иным способом соединённым с колёсными парами, позволяет добиться сокращения расхода энергии на перемещение поезда и улучшения характеристик рекуперативного торможения. То есть ЭПС сможет не только рационально использовать подводимую к нему энергию, но и возвращать её обратно в сеть в пиковые моменты, тем самым помогая энергосистеме.

Именно рациональное сочетание различных способов энерго- и ресурсосбережения в поездах будущего позволит улучшить технические, экономические, экологические и другие показатели.

Необходимо также затронуть технологии, позволяющие улучшить один из важнейших показателей ж/д транспорта — скорость поезда.

В целом можно сказать, что спешка стала нормальным явлением для жителей больших городов. У людей появились желание и необходимость как можно быстрее добраться из пункта А в пункт В, а учёные и инженеры пытаются эти желания исполнить. Важно отметить, что рассмотрение увеличения скорости движения касается только пассажирских поездов.

Во многих странах уже более десяти лет курсируют поезда высокоскоростного сообщения. Одним из представителей таких поездов является монорельсовый маглев (англ. maglev — magnetic levitation — магнитная левитация) или так называемый поезд на магнитном подвесе. Первое, что необходимо здесь упомянуть, это то, что данный поезд является наиболее известным представителем однорельсовой колеи, которая представляет собой площадку, напоминающую широкий рельс. Второе, о чём нужно написать, это то, что ЭПС рельса не касается, а «парит» над ним. Маглев можно назвать «летающим» поездом, но с большой оговоркой: ЭПС не может «лететь» туда, куда вздумается, например, машинисту, то есть поезд очень жёстко привязан к рельсу и не может перемещаться там, где этого рельса нет. Удержание и движение поезда производится благодаря сильному бегущему магнитному полю, созданному линейными асинхронными двигателями, расположенными внутри рельса или в корпусе поезда. Взаимодействие поля и нижней площадки (дна) поезда обеспечивает перемещения поезда, причём в будущем скорость составит 500 км/ч и более.

Следующим этапом развития поездов типа маглев будет так называемый вактрэйн (англ. vactrain — vacuumtrain — вакуумный поезд). Исходя из названия этой разновидности маглева, можно сделать вывод, что учёные решили исключить одно из основных препятствий движению на больших скоростях — сопротивление воздуха. Этот поезд будет перемещаться по специальной трубе, в которой будет размещён магнитный монорельс, и в которой будет находиться очень разреженный воздух или же вакуум. По известным на данный момент расчётам, вактрэйн будет развивать скорость близкую или превышающую скорость звука. Как известно, билет на маглев, расположенный в Японии, стоит гораздо дороже, чем на обычный поезд, поэтому, скорей всего, поездка на вактрэйне будет стоить весьма дорого.

Строительство любой железной дороги — это, как правило, сложная с экологической точки зрения задача. В первую очередь из-за нарушения ландшафта и рельефа местности. Помимо этого, железная дорога является источником шумового загрязнения, электромагнитного загрязнения (в случае электрифицированной ж. д.), загрязнения продуктами сгорания топлива (в случае тепловозной тяги). Многие из этих проблем можно решить погружением железной дороги под землю. Например, метро уже много лет замечательно справляется с задачей перевозки людей в пределах одного отдельно взятого города. К тому же под землёй отпадает необходимость в использовании контактной сети, так как питание будет осуществляться через третий или боковой рельс. Такие подземные ветки могут быть использованы как для перемещения пассажиров, так и грузов, как для междугороднего сообщения, так и для международного и межконтинентального. Здесь необходимо вспомнить практику французов и англичан под проливом Ла-Манш. К тому же в подобных подземных ветках можно запускать высокоскоростные поезда, учитывая, что токосъём будет более качественным, поскольку он будет производиться посредством третьего рельса, а не контактной подвески.

Чтобы познакомиться со следующим представителем высокоскоростного поезда, необходимо снова обратиться к ранее приведённому произведению «Гианэя»: «…Линия шарекса была отсюда — как на ладони. Влажно (так они были отполированы) блестели полукруглые опоры — рельсы. Их геометрическая правильность создавала зрительную иллюзию, что и внизу, где была пустота, они продолжаются, замыкаясь невидимой поверхностью, создавая сплошную опору в форме трубы, разрезанной вдоль, — желоба. Потому и назывался этот путь «желобовой дорогой». Но название имело и другую, историческую, причину. Самая первая линия шарэкса была действительно построена в виде сплошной полутрубы. Только впоследствии пришли к убеждению, что нижняя часть не нужна, что она даже уменьшает скорость, создавая излишнее трение. Сокращение площади «рельсов» вполне можно было скомпенсировать увеличением количества шариков на опорной поверхности самого шарэкса…» [4]. Поезд будущего «Шарэкс» — не что иное, как монорельсовый шаропоезд, созданный инженером Н. Г. Ярмольчуком в 1932 году. Немного позже, в 1933 году, была построена масштабная модель поезда, которая передвигалась по деревянному закольцованному лотку, протяженностью 3 км. Испытания показали способность модели разгоняться до 70 км/ч. Это давало надежду на то, что полномасштабная конструкция сможет развивать скорость более чем 200 км/ч [5]. К сожалению, в те годы строительство подобной широкомасштабной железной дороги было признано дорогим и нерентабельным. Фрагмент статьи, посвящённой шаропоезду, представлен на рисунке 2 [5].

Рис. 2. Фрагмент статьи о русской монорельсовой дороге [5]

 

В настоящее же время идея создания шаропоезда будущего, курсирующего по монорельсовой железной дороге, может быть принята на вооружение, особенно с учётом новых технологических и научных достижений человечества. Шаропоезд также сможет передвигаться под землей, дабы сохранить ресурсы на возведение контактной сети. Однако стоит принимать во внимание проблемы, свойственные любым монорельсовым/одноколейным дорогам, такие как, обледенения рельса (или желоба) и сложность стрелочных переводов. Но разве не было препятствий на пути создания вещей и технологий, прочно вошедших в нашу жизнь?

Так часто бывает, что писатели-фантасты выдвигают, на первый взгляд, совершенно фантастические идеи, но спустя некоторое время, оказывается, что эти идеи, мало того, что имеют место быть, так ещё и вполне осуществимы. Например, в книгах Жюля Верна высказано 108 фантастических идей, среди которых космические аппараты, подводная лодка и другие. В наши дни реализовано 64 выдвинутых им в своих романах идеи, а 34 — считаются принципиально реализуемыми, то есть 91 % его проектов предвосхищали многие изобретения, и только 9 % являются ошибочными [6].

Немаловажно упомянуть о поистине грандиозных, поражающих своей масштабностью и оригинальностью, идеях и задумках, которые высказывал ещё в 70-х годах XIX века Константин Эдуардович Циолковский, поддержанных, дополненных и развитых такими учёными, как Ф. Дайсон, Г. И. Покровский, Г. Г. Поляков. Эти космические, в прямом значении слова, идеи связаны с различного рода освоением нашей Солнечной системы.

В настоящее время для транспортировки чего-либо в космос, будь то спутник, груз или человек, используется ракетный способ. И, как известно, это способ достаточно дорогой и небыстрый. Константин Эдуардович Циолковский рассказывал о двух других способах выхода за границы земной атмосферы и далее. Эти способы позднее были названы космическим лифтом и космическим мостом.

Необходимо привести небольшое отступление, посвящённое идее

К. Э. Циолковского и его последователей о том, что электростанции, вырабатывающие подавляющее большинство электроэнергии для общего пользования должны находиться не на Земле, а в космосе. Тем не менее, будь то солнечная космическая электростанция (КЭС) или ионосферная электростанция (ИЭС), электрическую энергию необходимо доставлять на землю. И именно космический лифт и мост должны выполнять эту задачу.

Итак, космический лифт (КЛ) — инженерная конструкция, идея которой основана на использовании троса, одни концом закреплённого на поверхности планеты, а другим — орбитальной станции, находящейся на геостационарной орбите (ГСО). Удержание троса в вертикальном положении осуществляется за счёт центробежной силы. По тросу поднимается несущий полезный груз подъёмник, который будет ускоряться за счёт вращения Земли. К материалу, из которого сделан трос, предъявляются весьма высокие требования: огромная прочность при растяжении (на разрыв) и низкий удельный вес (плотность). По существующим теоретическим расчётам, материалом, удовлетворяющим вышеуказанным требованиям, являются углеродные нанотрубки. [7, 8]

Получается так, что трос в космическом лифте может сыграть роль рельса, а маглев, например, роль подъёмника. К тому же есть другой вариант исполнения КЛ, в котором трос заменён полой башней, касающейся своей верхушкой ГСО. Внутрь этой башни также может быть помещён маглев или даже вактрэйн. Ну и, конечно же, на любом космическом лифте может быть размещён кабель, по которому энергия от КЭС и ИЭС будет передаваться на землю, а также использоваться для питания курсирующего поезда.

После появления задумки о КЛ наиболее подробно сформировалась следующая оригинальная и грандиозная идея космического моста (КМ).

КМ представляет собой сооружение, состоящее из трубчатого корпуса с расположенной внутри замкнутой лентой-маховиком. Корпус может проходить как по всей длине окружности земного шара, так и лишь вдоль её сегмента, причём он (корпус) может изменять свою длину, то есть растягиваться. Допустим, что корпус опоясывает Землю по экватору и прикреплён к поверхности планеты в двух диаметрально расположенных местах. Тогда лента-маховик, расположенная внутри конструкции и приводимая в движения магнитным путём, при своём движении будет создавать центробежную силу величины, способной противостоять гравитационному притяжению корпуса к планете. В этом случае при увеличении центробежной силы, незакреплённые части корпуса будут растягиваться всё больше и больше, отдаляясь от поверхности Земли в космос. КМ должен быть рассчитан так, чтобы при необходимом растяжении незакреплённые части корпуса оказались в той части космоса, к которой нужно было добраться учёным и инженерам, например к КЭС, ИЭС или к Международной Космической Станции (МКС) [7, 8, 9].

В рассмотренном случае КМ имеет форму эллипса, а внутри могут быть размещены маглев или вактрэйн.

Рис. 3. Возможное исполнение космического моста

 

Подытоживая, стоит написать, что, несмотря на недостатки различных видов ж/д транспорта, он всё равно останется очень удобным, надёжным и комфортабельным. А поистине масштабный расцвет железной дороги может обеспечить крупный научный прорыв, связанный с разработкой и внедрением вышеописанных технологий.

 

Литература:

 

1.      Железные дороги. Общий курс: Учебник для вузов/М. М. Филиппов, М. М. Уздин, Ю. И. Ефименко и. др.; Под ред. М. М. Уздина.– 4-е изд., перераб. и доп.– М.: Транспорт, 1991. — 295 с.
2.      Официальный сайт ОАО «РЖД». Режим доступа: www.rzd.ru
3.      Алексей Стрелков. Эпоха акробатов [Текст]/Алексей Стрелков// Популярная механика. — 2009, № 6 (80). — С.56–58.
4.      Мартынов Г.Гианэя. — Л.: Детская литература, 1965. — 280 с.
5.      New Russian Monorail Runs In Trough On Big Spheres [Текст]// Popular Science. — 1934 (Feb), № 2. — С.41.

6.        Соломин, В. А. Основы инженерно-изобретательской деятельности: учебное пособие / В. А. Соломин; ФГБОУ ВПО РГУПС. — Ростов н/Д, 2013. — С. 15.

7. Анатолий Юницкий. В космос... на колесе [Текст]/ А. Юницкий// Техника Молодёжи. — 1982, № 6. — С.34–37.
8. Юрий Бирюков. Мы построим лестницу до звезд [Текст]/ Ю. Бирюков// Техника Молодёжи. — 1984, № 5. — С.30–34.
9. А. О. Майборода. За энергией ионосферы [Текст]/ А. О. Майборода // Техника Молодёжи. — 1984, № 5. — С.34–35.