Шанхайский Маглев (Shanghai Maglev Train) – является первой в мире коммерческой железнодорожной линией на магнитном подвесе, а также самым дорогим железнодорожным проектом в Поднебесной.

Проект начал коммерческую эксплуатацию с 1 января 2004 года. Его стоимость – около 1,6 млрд. долларов США (10 млрд юаней).

Столь высокие расходы были связаны, прежде всего, с тем, что большая часть трассы проходит по заболоченной местности, из-за чего строителям пришлось сооружать бетонную подушку для каждой опоры эстакады (а их тут много, через каждые 25 метров). Кстати в некоторых местах толщина этой самой подушки доходит до 70 м.

К слову сказать, шанхайская линия Maglev не самая протяжённая из скоростных магистралей, её протяжённость всего 30 километров от международного аэропорта Пудун до станции метро Лунъян-Лу в городе Шанхай.

Зато это расстояние «Шанхайский маглев» преодолевает всего за 7:20 или 8:10 минут (в зависимости от времени дня). Поезд развивает максимальную скорость в 431 км/час, а его средняя скорость около 250 км/ч.

Правда со своей максимальной скоростью он мчится всего 1,5 минуты, ведь негде там особо разгоняться так, расстояние же не очень большое.

Линия работает с 6:45 до 9:30 вечера, с интервалами движения от 15 до 20 минут.

Стоимость проезда – около 7,3 USD в одну сторону. Для пассажиров с авиабилетами – 5,81 USD. VIP билеты стоят примерно в два раза дороже, чем стандартные.

• Поезда на магнитной подушке способны развивать большую скорость, чем обычные поезда.
• Поезда на магнитной подушке производят меньше шума, чем обычные поезда.
• Поезда на магнитной подушке сокращают время в пути для пассажиров.
• Поезда на магнитной подушке используют источники электрической энергии, в меньшей степени загрязняющие атмосферу.

Недостатки поездов на магнитной подушке

• Поезда на магнитной подушке стоят дороже, чем обычные поезда.
• Поезда на магнитной подушке требуют особого обучения персонала.
• Поезда на сверхпроводниковой магнитной подушке используют для создания левитации мощные электромагниты, установленные на рельсе. При этом возникает задача экранировать пассажиров от воздействия сильных магнитных полей.
• Неожиданное падение напряжения приведет к тому, что вагоны поезда на сверхпроводниковой магнитной подушке опустятся на рельс. На большой скорости это может быть опасным (при эксплуатации поездов типа Inductrack такие - проблемы не возникают, так как колеса поезда позволят вагонам двигаться по инерции до полной остановки).
• Сильный боковой порыв ветра может нарушить работу поезда на магнитной подушке, сместив вагоны и заставив их прийти в соприкосновение с рельсом. Снег или лед на рельсе также могут вызвать проблемы.

Вопрос

Как изолировать пассажиров от воздействия сильных магнитных полей в поезде на сверхпроводниковых магнитных подушках?

Ответ

Вагоны или, по крайней мере, купе могут быть сделаны из ферромагнитного материала (стали, например), блокирующего линии магнитной индукции. К сожалению, сталь гораздо тяжелее алюминия, обычно использующегося при производстве поездов. Алюминий не является ферромагнетиком и не обеспечивает защиты от магнитных полей, если к нему не подвести токи высокого напряжения, потенциально опасные для пассажиров.

Вопрос

Преодолеет ли поезд на магнитной подушке крутой холм или гору? Не скатится ли он вниз по склону и не останется ли в долине, если отсутствует трение, необходимое для торможения?

Ответ

Линейные индукционные двигатели,- применяемые в поездах на магнитной подушке, способны поднимать такие поезда по более крутым склонам, чем обычные поезда. Более того, линейные индукционные двигатели переключаются на торможение в реверсном режиме, предохраняя поезд от скатывания вниз за счет работы, направленной против силы тяготения.

2. Поезда MAGLEV: основные характеристики и перспективы эксплуатации

3. Летающие экспрессы. Отечественные и зарубежные разработки

3.1 Разработки новых видов транспорта

3.2 Высокоскоростной транспорт на магнитном подвесе

Заключение

Список литературы

Введение

Недавно знаменитый английский писатель-фантаст Артур Кларк сделал очередное предсказание. «...Мы, возможно, стоим на пороге создания космического аппарата нового типа, который сможет покидать Землю с минимальными затратами за счет преодоления гравитационного барьера, - считает он. - Тогда нынешние ракеты станут тем же, чем были воздушные шары до первой мировой войны». На чем же основано такое суждение? Ответ нужно искать в современных идеях создания транспорта на магнитной подушке.

Еще полвека назад магнитная подушка была чем-то из области фантастики. Однако сейчас ученые многих стран работают по созданию транспорта на магнитной подушке. Поезда будущего будут «парить» над землей, они как бы «подвешиваются» к рельсам, или отталкиваются от них, в зависимости от того, какая будет применена система, то есть электромагнитный или электродинамический подвес. В первом случае путь представляет собой стальные рельсы с «подвешенным» к ним экипажем. Во втором случае состав пойдет по металлическому полотну, в котором возникают электрические токи. В качестве тягового механизма в таких поездах будут использованы линейные двигатели.

Следует отметить, что поезд на магнитной подвеске начали эксплуатировать восьмидесятых годах прошлого века в Бирмингеме. Правда, после одиннадцати лет работы этот поезд был снят с линии из-за технических проблем. В настоящее время транспортная система на магнитной подушке действует в Китае, соединяя центр Шанхая с международным аэропортом Пудон. А в Японии экспериментальный поезд на магнитной подушке MLX01 в 2003 году установил абсолютный для данного вида транспорта рекорд скорости, разогнавшись до 581км/ч.

Цель данной контрольной работы – описать основные характеристики транспорта на магнитной подушке и дальнейшие перспективы использования транспорта будущего.

Реализация достижения цели достигается посредством решения следующих задач:

· дать описание теоретических предпосылок к созданию транспорта на магнитной подушке;

· дать описание технических характеристик и перспектив эксплуатации поездов на магнитной подушке;

· дать описание новейших отечественных и зарубежных разработок транспортных средств, функционирующих на основе эффекта левитации.

1. Левитация против гравитации: импульс к созданию транспорта на магнитной подушке

Буквальное значение слова «левитация» - подъем. По крайней мере, так определяется Британской энциклопедией возможность поднятия какого-либо тела (в том числе и человеческого) без контакта с чем бы то ни было. В технический обиход оно вошло сравнительно недавно, в связи с попытками создания транспорта на магнитной подушке.

Ее суть можно понять из наглядного опыта, часто демонстрируемого в школе. Берут два ферритовых колечка, представляющих собой сильные постоянные магниты, и нанизывают их на стеклянную палочку, поставленную вертикально. При этом верхний из магнитов как бы повисает в воздухе. Однако стоит убрать палочку, и магнитное кольцо перевернется и упадет. Вот почему инженерам приходится прилагать немалые усилия, чтобы стабилизировать магнитную подушку. Вот почему магнитный левитационный транспорт, над которым работают вот уже четверть века, так и не вышел за пределы полигонов.

Тем удивительнее фокус, который продемонстрировал изобретатель-исследователь Александр Кушелев. На столе он разместил керамический магнит от громкоговорителя диаметром 80 мм. Тщательно отъюстировал деревянными клинышками горизонтальность его положения. Прикрыл магнит сверху пластинкой оргстекла, на которой раскрутил самолично сделанный им волчок. И произошло необъяснимое: магнит оторвался от поверхности оргстекла и завис в воздухе.

Секунд через 40 он замедлил свое вращение, потерял устойчивость и кувыркнулся вниз. Объяснить это можно так: волчок тоже магнитный, а вращение за счет гироскопического эффекта стабилизирует его положение точно так же, как упоминавшаяся стеклянная палочка. На вопрос, нельзя ли на основе данного эффекта построить какое-либо левитирующее транспортное средство, Кушелев ответил, что как раз над этим он и размышляет.

Кроме того, магнитную левитацию можно в принципе осуществить и с помощью сверхпроводимости. Если взять сверхпроводник, пропустить через него электроток и поместить над магнитом, то он зависнет в воздухе и будет парить до тех пор, пока не отключат питание. Здесь стабилизация осуществляется как бы сама собой - любое перемещение сверхпроводника вызывает в нем вихревые токи, магнитные поля которых, точно-зеркальные по отношению к полю магнита, загоняют его на прежнее место. Естественно, это справедливо и к любому перемещению магнита (при неподвижном сверхпроводнике). Подобный способ магнитной подвески уже нашел применение в технике при создании сверхточных гироскопов для систем наведения ракет и самолетов. Более того: как выяснилось совсем недавно, использование сверхпроводимости дает уникальный побочный эффект.

Возможно ли укротить гравитацию? В 1996 г. в том убедился физик Джон Шнурер из Эниочского колледжа в Йеллоу-Спринг, штат Огайо. Когда над висящим в воздухе сверхпроводящим диском диаметром в 2,5 см он поместил маленький кусочек пластика, прикрепленный к точным весам, те показали уменьшение веса примерно на 5%. Сначала Шнурер не поверил собственным глазам. Он 12 раз провел эксперимент, прежде чем пришел к окончательному выводу: феномен повторяется регулярно. Тут он вспомнил, что еще в начале 90-х годов подобное же явление заметил наш соотечественник, специалист в области материаловедения Евгений Подклетнов, работавший в то время в Технологическом университете г. Тампере (Финляндия). Но тогда наблюдавшиеся результаты сочли ошибкой эксперимента.

Теперь же аналогичные опыты пытаются воспроизвести в Центре космических полетов имени Дж. Маршала, NASA и еще нескольких государственных лабораториях США. По словам руководителя Отделения перспективных концепций NASA Уита Брэнтли, люди так увлечены исследованиями, что порой тратят собственные деньги на покупку недостающего оборудования. К делу подключились и теоретики. Скажем, итальянец Джиованни Моданези из Национального агентства ядерной физики и физики высоких энергий полагает, что в данном случае мы имеем дело с возникновением «гравитационного экрана». А ведущий специалист Алабамского университета Нинг Ли считает, что при определенных условиях поля атомов сверхпроводника способны так экзотически взаимодействовать друг с другом, что возникает левитация.

Однако существует и другой способ создания левитации. «Одним из направлений дальнейшего поиска станет пересмотр природы тяготения - на базе электромагнитных и электростатических явлений, - полагает кандидат технических наук из подмосковного г. Лыткарино Владимир Пономарев.- Обратить внимание на электростатику заставляет хотя бы уже тот факт, что математические формулировки закона Ньютона и закона Кулона внешне весьма схожи, только в первом выражении в числителе стоят массы взаимодействующих тел, а во втором - их электрические заряды».

Причем при внимательном рассмотрении выясняется, что аналогии идут глубже внешнего сходства. Согласно общепринятым представлениям, явление гравитации основывается на взаимодействии неких квантов тяготения - гравитонов; однако до сих пор никто экспериментально не обнаружил ни их самих, ни излучаемых ими гравитационных волн. А что если гравитоны в какой-то мере тождественны элементарным электростатическим зарядам (назовем их кулонами)?

Такое предположение подталкивает вот к следующим рассуждениям. Поскольку любое тело во Вселенной имеет температуру выше абсолютного нуля, внутри него атомы испытывают тепловые колебания. А эти колебания, в соответствии с принципами электромагнитной теории Максвелла-Лоренца, неизбежно приводят к флуктуации микроскопических поляризованных зарядов. Суммируясь, те и образуют общий заряд. Таким образом, гравитационное притяжение, в принципе, может быть заменено электростатическим. Скажем, система Земля-Солнце находится в равновесии потому, что центробежная сила, бегущей по своей орбите Земли, равна силе взаимного притяжения разноименных электростатических зарядов ее и Солнца. А вот в системе Земля-Луна такое равновесие нарушено. И из-за этого Луна постепенно удаляется от нашей планеты; правда, понемногу - всего на 1,3 см в год.

Использование эффекта левитации на базе электромагнитных и электростатических явлений открывает широкие перспективы на практике. Электростатические поля надо использовать для создания летательного аппарата нового типа, полагает Пономарев. Его движение в околоземном пространстве будет обусловлено взаимодействием электростатических полей планеты и создаваемого в рабочем органе машины.

Пока в аппарате отсутствуют свободные электрические заряды необходимой величины и знака, он покоится на поверхности планеты. Но как только внутри него накапливаются ионы, получаемые ионизированием газа того же знака, что и электростатическое поле планеты, аппарат взлетит. Причем, согласно расчетам В.И.Пономарева, получается, что такая схема, как минимум, на порядок увеличит эффективность летательных аппаратов по сравнению с нынешними самолетами и ракетами. Конструкция такого летательного аппарата вполне может быть применена не только при исследовании малых планет или астероидов Солнечной системы, но и в открытом межзвездном пространстве.

Очередную попытку укрощения левитации предприняли в конце 1997 г. японские исследователи, которые работают по контракту с международной корпорацией «Мацусита». Они решили использовать для создания машины, преодолевающей силу тяжести, обыкновенный гироскоп. Их опыты подкупающе просты. Небольшой гироскоп раскручивают до 18 000 об/мин и помещают в герметичный контейнер, из которого выкачан воздух, и тот сбрасывают вниз. При падении контейнер преодолевает фиксированную дистанцию около 2 м, причем время замеряется точнейшим образом с помощью двух лазерных лучей. Когда пересекается один (старт), запускается электронный секундомер, когда же другой (финиш) - он останавливается.

Невзирая на то, что с момента создания первых паровозов прошло уже более двухсот лет, человечество до сих пор не готово полностью отказаться от использования дизельного топлива, силы пара и электричества в качестве движущей мощи, способной перемещать тяжеловесные грузы и пассажиров.

Однако, как вы сами понимаете, все это время инженеры-изобретатели не пребывали в полном бездействии, и результатом работы их мысли стал выход в свет альтернативных способов транспортировки по железнодорожному полотну.

История возникновения поездов на электромагнитной подушке

Сама идея изготовления поезда, передвигающегося на магнитной подушке не так уж нова. Впервые о создании подобного подвижного состава изобретатели стали задумываться еще в самом начале XX столетия, однако по ряду причин воплощение данного проекта осуществить не удавалось на протяжении довольно длительного времени.

Только к 1969 году на территории тогдашнего ФРГ приступили к изготовлению подобного поезда, впоследствии нареченного маглевом, и укладыванию магнитной трассы. Запуск первого маглева под названием «Трансрапид-02» был произведен уже спустя два года.

Интересным является тот факт, что при изготовлении маглева немецкие инженеры основывались на записях, произведенных ученым Германом Кемпером, получившим патент на создание магнитоплана еще в 1934 году. Первый маглев «Транрапид-02» высокоскоростным не назовешь, так как скорость он развивал всего лишь до 90 км/ч. Вместимость его также была очень низкой: всего четыре человека.

Последующая модель маглева, созданная в 1979 году, «Трансрапид-05» вмещала уже до 68 пассажиров и двигалась по пассажирской линии города Гамбурга, имеющей протяженность в 908 м, со скоростью 75 км/ч.

Трансрапид-05

Параллельно на другом конце континента, в Японии, в том же 1979 году был запущен маглев модели «МЛ-500», способный развить скорость аж до 517 км/ч.

Что такое маглев и каков принцип его работы?

Маглев (или попросту поезд на магнитной подушке) - это разновидность транспорта, управляемого и приводимого в движение посредством силы магнитного поля. При этом маглев не касается железнодорожного полотна, а «левитирует» над ним, удерживаемый искусственно созданным магнитным полем. При этом исключается трение, тормозящей силой выступает только аэродинамическое сопротивление.

На ближнемагистральных направлениях в будущем маглев может составить серьезную конкуренцию воздушному транспорту ввиду своей возможности развивать очень высокую скорость передвижения. На сегодняшний день повсеместному внедрению маглевов в большой мере препятствует то, что они не могут быть применены на традиционном магистральном железнодорожном покрытии. Маглев может передвигаться лишь на специально построенной магнитной магистрали, что требует очень крупных капиталовложений.

Также считается, что магнитный транспорт способен негативно воздействовать на организм машинистов и жителей приближенных к магнитным трассам регионов.

Преимущества маглевов

К достоинствам маглевов относится обширная перспектива достижения высоких скоростей, способных конкурировать даже с реактивной авиацией. Кроме того, маглев является довольно экономичным, в плане потребления электроэнергии, транспортом. К тому же практически отсутствует трение деталей, что позволяет существенно снизить уровень эксплуатационных расходов.

Zoom -презентация: http://zoom.pspu.ru/presentations/145

1. Назначение

Поезд на магнитной подушке или маглев (от англ. magnetic levitation, т.е. «maglev» - магнитоплан) – это поезд на магнитном подвесе, движимый и управляемый магнитными силами, предназначенный для перевозки людей (рис. 1). Относиться к технике пассажирского транспорта. В отличие от традиционных поездов, в процессе движения он не касается поверхности рельса .

2. Основные части (устройство) и их назначение

Существуют разные технологические решения в разработке данной конструкции (см. п.6). Рассмотрим принцип действия магнитной подушки поезда «Трансрапид» на электромагнитах (электромагнитная подвеска, EMS ) (рис. 2).

Электронно-управляемые электромагниты (1) прикреплены к металлической «юбке» каждого вагона. Они взаимодействуют с магнитами на нижней стороне специального рельса (2), в результате чего поезд зависает над рельсом. Другие магниты обеспечивают боковое выравнивание. Вдоль пути уложена обмотка (3), которая создает магнитное поле, приводящее поезд в движение (линейный двигатель).

3. Принцип действия

В основе принципа действия поезда на магнитном подвесе лежат следующие физические явления и законы:

явление и закон электромагнитной индукции М. Фарадея

правило Ленца

закон Био-Савара-Лапласа

В 1831 году английский физик Майкл Фарадей открыл закон электромагнитной индукции , согласно которому изменение магнитного потока внутри проводящего контура возбуждает в этом контуре электрический ток даже при отсутствии в контуре источника питания . Оставленный Фарадеем открытым вопрос о направлении индукционного тока вскоре решил российский физик Эмилий Христианович Ленц.

Рассмотрим замкнутый круговой токопроводящий контур без подключенной батареи или иного источника питания, в который северным полюсом начинают вводить магнит. Это приведет к увеличению магнитного потока, проходящего через контур, и, согласно закону Фарадея, в контуре возникнет индуцированный ток. Этот ток, в свою очередь, согласно закону Био-Савара будет генерировать магнитное поле, свойства которого ничем не отличаются от свойств поля обычного магнита с северным и южным полюсами. Ленцу как раз и удалось выяснить, что индуцированный ток будет направлен таким образом, что северный полюс генерируемого током магнитного поля будет ориентирован в сторону северного полюса вдвигаемого магнита. Поскольку между двумя северными полюсами магнитов действуют силы взаимного отталкивания, наведенный в контуре индукционный ток потечет именно в таком направлении, что будет противодействовать введению магнита в контур. И это лишь частный случай, а в обобщенной формулировке правило Ленца гласит, что индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать вызвавшей его первопричине.

Правило Ленца сегодня как раз и используется в поезде на магнитной подушке. Под днищем вагона такого поезда смонтированы мощные магниты, расположенные в считанных сантиметрах от стального полотна (рис. 3). При движении поезда магнитный поток, проходящий через контур полотна, постоянно меняется, и в нем возникают сильные индукционные токи, создающие мощное магнитное поле, отталкивающее магнитную подвеску поезда (аналогично тому, как возникают силы отталкивания между контуром и магнитом в вышеописанном опыте). Сила эта настолько велика, что, набрав некоторую скорость, поезд буквально отрывается от полотна на несколько сантиметров и, фактически, летит по воздуху .

Состав левитирует за счёт отталкивания одинаковых полюсов магнитов и, наоборот, притягивания разных полюсов. Создатели поезда «Трансрапид» (рис.1) приме­нили неожиданную схему магнитной подвески. Они использовали не от­талкивание одноимённых полюсов, а притягивание разноимённых. Подвесить груз над магнитом несложно (эта система устойчива), а под магни­том - практически невозможно. Но если взять управляемый электромаг­нит, ситуация меняется. Система кон­троля сохраняет величину зазора между магнитами постоянной в несколько миллиметров (рис. 3). При увели­чении зазора система повышает си­лу тока в несущих магнитах и таким образом «подтягивает» вагон; при уменьшении - понижает силу тока, и зазор увеличивается. Схема облада­ет двумя серьёзными преимущества­ми. Путевые магнитные элементы защищены от погодных воздейст­вий, а их поле существенно слабее за счёт малого зазора между путём и составом; оно требу­ет токов гораздо меньшей силы. Сле­довательно, поезд такой конструкции оказывается гораздо более эконо­мичным .

Движение поезда вперед осуществляется линейным двигателем . Такой двигатель имеет ротор и статор, растянутые в полосы (в обычном электромоторе они свёр­нуты в кольца). Обмотки статора включаются поочерёдно, создавая бе­гущее магнитное поле. Статор, укреп­лённый на локомотиве, втягивается в это поле и движет весь состав (рис. 4, 5). . Ключевым элементом технологии является смена полюсов на электромагнитах путем попеременной подачи и снятия тока с частотой 4000 раз в секунду. Зазор между статором и ротором для получения надежной работы не должен превышать пяти миллиметров. Это труднодостижимо из-за свойственной всем типам монорельсовых дорог, кроме дорог с боковой подвеской, раскачки вагонов во время движения, особенно при прохождении поворотов. Поэтому необходима идеальная путевая инфраструктура.

Устойчивость системы обеспечивается автоматическим регулированием тока в обмотках намагничивания: датчики постоянно замеряют расстояние от поезда до пути и соответственно ему меняется напряжение на электромагнитах (рис. 3) . Сверхбыстродействующие системы управления контролировать зазор между дорогой и поездом.

а
Рис. 4. Принцип движения поезда на магнитном подвесе (технология EMS)

Единственной тормозящей силой является сила аэродинамического сопротивления.

Итак, схема движения поезда на магнитной подвеске: под вагоном установлены несущие электромагниты, а на рельсе - катушки линейного электродвигателя. При их взаимодействии возникает сила, которая приподнимает вагон над дорогой и тянет его вперёд. Направление тока в обмотках непрерывно меняется, переключая магнитные поля по мере движения поезда .

Несущие магниты питаются от бортовых аккумуляторов (рис.4), которые подзаряжаются на каждой станции. Ток на линейный электродвигатель, разгоняющий поезд до самолётных скоростей, подаётся только на том участке, по которому идёт поезд (рис. 6 а). Достаточно сильное магнитное поле состава будет наводить ток в путевых обмотках, а те, в свою очередь, - создавать магнит­ное поле.

Рис. 6. а Принцип движения поезда на магнитной подушке

Туда, где поезд увеличивает скорость или идет в гору, энергия подается с большей мощностью. Если нужно затормозить или ехать в обратном направлении, магнитное поле меняет вектор .

Ознакомьтесь с видеофрагментами «Закон электромагнитной индукции », «Электромагнитная индукция » «Опыты Фарадея ».

Рис. 6. б Кадры из видеофрагментов «Закон электромагнитной индукции», «Электромагнитная индукция» «Опыты Фарадея».