Гиперлоп: амбициозные цели и технические проблемы
Hyperloop, предлагаемая транспортная система, провела небольшую проверку в 2016 году. Хотя многие считают, что это доказательство ее жизнеспособности, система далека от готовности. Является ли Hyperloop реальностью или это идея, которая не будет происходить с текущей технологией?
Может ли вакуумная трубка длиной 600 км отправлять людей из Лос-Анджелеса в Сан-Франциско в течение 30 минут? Технологический wunderkind Elon Musk абсолютно уверен, что это возможно.
Hyperloop представляет собой предлагаемую систему транспортировки контейнеров, которая будет работать внутри почти вакуумной трубки и перемещаться с высокой скоростью (быстрее, чем крейсерская плоскость). Цель состоит в том, чтобы позволить пассажирам путешествовать на большие расстояния за короткий промежуток времени. Сначала Муск впервые опубликовал технический документ на тему «Hyperloop Alpha» (PDF) в 2013 году.
В стороне, это не оригинальная идея Элона Маска - концепция использования трубной системы с стручками для транспортировки людей на большие расстояния существует с 1960-х годов. См. Vactrain, Swissmetro.
Элон Муск оценил, что система, которая первоначально свяжет Лос-Анджелес и Сан-Франциско, обойдется в 6 миллиардов долларов и предоставит пассажирам билеты за 20 долларов США за поездку. Частью его обращения является то, что Hyperloop может реально позволить безопаснее путешествовать, чем автомобили, поскольку не будет возможности для столкновений и гораздо меньшей уязвимости для ненастной погоды.
Секция гиперлопа. Изображение предоставлено Кевином Крейчи (CC-BY 2.0)
Чтобы помочь в развитии транспортной системы, Муск пошел с открытым исходным кодом. Был проведен конкурс Hyperloop Pod, в котором участвовали студенты и компании, конкурирующие с дизайнерами. На первом этапе конкурса были использованы концептуальные концепции и идеи со второй фазой, включающей фактический масштаб работы Hyperloop, который тестировал различные конструкции контейнеров. SpaceX теперь планирует провести второе соревнование в 2017 году, чтобы помочь в дальнейшем развивать концепцию Hyperloop и сделать ее реальностью.
Тем не менее, есть много проблем, стоящих перед обещанием Hyperloop, включая проблемы с физикой основного дизайна и вопросами эффективности.
Базовые концепты
Hyperloop был разработан вокруг идеи о том, что стручок мог бы перевозить пассажиров с необычайной скоростью, если бы он находился в среде, где ему не нужно было бы бороться с большим трением. Первоначальная концепция заключалась в уменьшении трения путем отправки стручков вдоль воздушной подушки, создаваемой воздушными компрессорами и линейными асинхронными двигателями.
Оригинальная концепция подставки Hyperloop. Изображение использовалось с помощью SpaceX
Чтобы эта система была эффективной, ей необходимо было работать в почти вакуумной среде, чтобы избежать предела Кантровица. Следовательно, Муск предусмотрел трек, встроенный в длинную вакуумную трубку.
Мощность для системы может быть обеспечена солнечными батареями, прикрепленными к верхней части транспортной системы, которые могут генерировать дополнительную мощность для подачи в сетку (поскольку количество используемых панелей превысит количество, необходимое для питания системы).
Работы на Hyperloop для инженеров-электриков изобилуют. (Ознакомьтесь с этим списком вакансий для инженера-электрика в Hyperloop One). Помимо этапа проектирования, техническое обслуживание является серьезной проблемой, когда вы говорите о 600 километрах труб. Солнечная система, сама по себе, потребует большого количества проводки и обслуживания.
Трубка
Трубка, проходящая через стручки, также является предметом спора. Первоначальный план Hyperloop предназначен для связи длиной в 600 км между Лос-Анджелесом и Сан-Франциско. Однако трубка, которая будет перевозить пассажиров со скоростью более 1000 км / ч, не может позволить себе иметь выпуклости, вмятины и острые изгибы. Это одна из причин того, что линии высокоскоростных поездов невероятно прямы, и когда нужны изгибы, они невероятно постепенны.
Между линией LA и SF находится знаменитая вина Сан-Андреаса, которая, как известно, вызывает серьезные землетрясения. Для структуры, которая должна быть невероятно гладкой без перегибов, поместить ее через линию разломов - не лучшая идея. Но это касается размещения структуры трубы в любой точке планеты. Осадки, оползни, сдвиги грунта и отверстия в горшках создают проблемы для такой структуры.
Вторая проблема с трубкой - это расширение и сжатие стали (или любого материала в этом отношении). В одном простом эксперименте, который очень хорошо демонстрирует экспансию, металлический шар, который просто вписывается в кольцо, больше не будет соответствовать, если мяч нагревается с помощью дутьевого фонарика. Сталь (согласно гиперфизике) будет увеличиваться на 13 частей на миллион при нагревании на 1ºC. Таким образом, для перспективы, 1-метровая длина стали будет увеличиваться на 13 мкм при повышении температуры на 1ºC.
Это может показаться не очень большим, но при рассмотрении пробега в 600 км в типично мягкой среде (например, в Великобритании), где температура колеблется около 68ºF, общее изменение длины составляет 156 метров. Это не включает более жаркий климат, где изменения температуры в течение дня более резкие. Хуже того, эти температуры берутся в тени, в отличие от температуры объекта, находящегося под прямым солнечным светом.
Прототип туннеля на испытательном полигоне Hyperloop One в Калифорнии. Изображение используется любезно Hyperloop One
Расширение легко решается в большинстве конструкций с использованием гибких соединений, таких как мосты и железнодорожные линии. Hyperloop также был бы легким решением, если бы не требование вакуума. Уплотнения существуют для таких установок (таких как перемещение вакуумных суставов), но сколько потребуется Hyperloop? Это зависит от длины трубы, которая производится, но если трубы слишком длинны и / или свариваются вместе, то искажение в структуре будет быстро возникать при воздействии термических напряжений. Трубка, которая содержит почти вакуумную атмосферу, уже находится под напряжением, поэтому любые вмятины или деформация в цилиндрической структуре могут привести к разрушению конструкции.
Но проблема расширения на этом не заканчивается. Верхняя сторона трубки будет иметь более высокую температуру, чем нижняя, что приведет не только к изгибу, но также вызовет проблемы с расширением всей длины трубки. Если верхняя сторона на 10 градусов выше, чем нижняя, то разница между верхней и нижней сторонами будет составлять примерно 78 метров.
Соображения безопасности
Безопасность является первостепенной в современном обществе, и Hyperloop (для того, чтобы стать «пятым видом транспорта») должен обеспечить высокий уровень безопасности, чтобы иметь шанс с американским народом. Даже если все технические проблемы с самой трубкой будут решены, проблемы безопасности, связанные с лицами Hyperloop, беспрецедентны.
Первая проблема возникает из-за вакуума внутри трубки. Если человек подвергается воздействию атмосферы, которая не дышит, то респиратор обычно достаточен, чтобы держать кого-то в живых. Тем не менее, пылесосы имеют неприятную привычку убивать живые организмы очень быстро (если только вы не tardigrade, и в этом случае вы в порядке). Таким образом, в случае чрезвычайной ситуации пассажиры не могут покинуть контейнер до тех пор, пока сама труба не будет повторно герметизирована.
Если на Hyperloop произошел сбой, и участок трубы попадает в атмосферу, тогда воздух извне будет торопиться в трубку до выравнивания давления. Однако воздух не будет медленно перемещаться в систему, а вместо этого создает мощный воздушный фронт, давление которого равно одной атмосфере, движущейся близко к скорости звука (учитывая, что средняя скорость молекул в воздушном движении составляет 500 м / с). Такой фронт может разрушить любые стручки по всей длине трубки с каждым контейнером, потенциально создающим больший урон трубе в виде обломков (аналогично каскадному отказу спутников).
Цилиндры используются для хранения вакуума и газов / жидкостей высокого давления, поскольку цилиндр является одной из самых сильных структур, известных (рядом с сферой). Углы и вмятины в форме не позволяют равномерно распределять внутренние напряжения и давления. Вот почему подводные лодки, ускорители частиц и даже космические аппараты используют цилиндрические конструкции.
Если бы Гиперлоп был помят (или, скажем, выстрелом с пулей), то в цилиндрической структуре внезапно появятся новые слабые места. Событие, при котором сама труба не нарушается, может привести к разрушению трубы при атмосферном давлении. Событие, в результате которого может произойти нарушение, может вызвать разрыв и (как указано выше), волну давления.
Муск еще не рискнул сказать, как можно было бы обеспечить достаточную защиту 600 км трубы от естественных или вызванных человеком вмятин.
Где это сейчас?
В настоящее время Hyperloop по-прежнему активно развивается.
В одном из проведенных тестов показана система maglev, достигающая 116 миль в час за две секунды. Однако, хотя это может показаться прогрессией, реальность такова, что тест был фактически прославленным американским горки (который может достигать скорости до 150 миль в час).
Многие быстро укажут на почти километровый вакуумный туннель, который тестировал различные конструкции. Максимальная скорость для всех тестовых струй была около 60 миль в час, а стручки вскоре останавливались, как только электрический автомобиль использовал, чтобы вытолкнуть их.
Основываясь на таких тестах и многих неотъемлемых проблемах с базовой концепцией системы, перспективы Hyperloop не совсем радужные. По крайней мере, предстоит еще много исследований. Такая система может быть более подходящей для места на поверхности Луны или тела, атмосферное давление которого приближается к 0, что устраняет потребность в движущихся уплотнениях, вакуумных камерах, регулировании температуры и мобильных станциях.
В то же время, следите за освещением Hyperloop и посмотрите, можете ли вы отличить технологический прогресс и что такое хороший маркетинг.