Szybkie Koleje - Nowe Rozwiązania.pdf - Świat Nauki - marek33x

Szybkie koleje

Ð nowe rozwizania

Induszynowce to nie tylko bezpieczniejsze i taÄsze pocigi,

mknce na poduszkach magnetycznych po szlakach kolejowych,

ale takýe sposb na wystrzeliwanie rakiet

Richard F. Post

64 å WIAT N AUKI KwiecieÄ 2000

Pari BanuÓ w Ksi«dze tysica i jednej nocy

krlewicz Husajn lata¸ na dywanie uno-

szonym przez niewidzialne si¸y. Nowoczesn wer-

sj owego magicznego dywanu jest magnetycznie le-

witujcy pocig, czyli maglev (magnetic levitation).

Osiga on wi«ksz pr«dkoæ i jest bardziej wydajny

niý zwyk¸e pocigi, poniewaý porusza si« w powie-

trzu, a nie po szynach. Pod koniec lat szeædziesi-

tych Gordon T. Danby i James R. Powell z Brookha-

ven National Laboratory zaproponowali, aby uýy

cewek nadprzewodzcych do wytworzenia pola ma-

gnetycznego unoszcego pocigi. W latach siedem-

dziesitych i osiemdziesitych prbne maglevy skon-

struowano w Niemczech i Japonii. Jednak mimo ýe

technologia ta zapewnia bardzo ¸agodn jazd« z pr«d-

koæci do 500 km/h, nie zbudowano ýadnego syste-

mu komercyjnego [patrz: Gary Stix, ãMaglev: na

æmietnik historii?Ó; åwiat Nauki , grudzieÄ 1997].

Dlaczego? Proponowane dotychczas prototypy

maglevw s po prostu o wiele droýsze i bardziej

skomplikowane od zwyk¸ych kolei. Na przyk¸ad w ja-

poÄskim w wagonach musi by zainstalowany kosz-

towny system kriogeniczny do ch¸odzenia cewek

nadprzewodzcych, aby utrzymywa je w tempera-

turze poniýej 5 K. W niemieckim zaæ uýywa si« zwy-

k¸ych elektromagnesw zamiast cewek nadprzewo-

dzcych, ale jest on niestabilny, gdyý bazuje na przy-

ciganiu, a nie odpychaniu magnetycznym. Kaýdy

z wagonw musi by wyposaýony w czujniki i ob-

wody sprz«ýenia zwrotnego, aby utrzymywa od-

powiedni odleg¸oæ mi«dzy elektromagnesami wa-

gonu a torem. Co wi«cej, ýaden z wymienionych

systemw nie jest bezpieczny w razie awarii. Uszko-

dzenie systemu zasilania lub kontroli magnesw mo-

ýe doprowadzi do nag¸ej utraty zdolnoæci lewita-

cji pocigu w czasie jazdy. Staranne projektowanie

pozwala zminimalizowa ryzyko awarii, ale nie bez

dodatkowych kosztw i dalszego skomplikowania

konstrukcji.

Prosz« wsiada!

W Lawrence Livermore National Laboratory ba-

damy inne, prostsze i taÄsze rozwizanie. Pomys¸

zrodzi¸ si« podczas wczeæniejszych prac nad akumu-

latorami elektromechanicznymi do samochodw i ci«-

ýarwek. Magazynuj one energi« kinetyczn ko¸a

zamachowego, ktre potrzebuje niemal beztarcio-

wych ¸oýysk magnetycznych, aby zminimalizowa

INDUSZYNOWY MAGLEV b«dzie p«dzi z pr«dkoæci do

500 km/h. Uk¸ady magnesw trwa¸ych umieszczone pod wa-

gonami unios pocig par« centymetrw nad torami. Sys-

tem taki powinien by taÄszy i bezpieczniejszy od magle-

vw z elektromagnesami lub cewkami nadprzewodzcymi.

å WIAT N AUKI KwiecieÄ 2000 65

W ãOpowieæci o ksi«ciu Achmadzie i wrýce

MAGNESY TRWAüE umiesz-

czone pod wagonem induszy-

nowca ustawione s w uk¸adzie

Halbacha (z prawej) , tak ýe linie

pola magnetycznego sumuj si«

pod magnesami, a znosz nad

nimi. Podczas jazdy magnesy in-

dukuj prdy w cewkach toro-

wych, ktre wytwarzaj pole

elektromagnetyczne odpychaj-

ce uk¸ad i tym samym unoszce

wagon. Uk¸ady Halbacha za-

pewni takýe stabilnoæ po-

przeczn, jeæli rozmieæci si« je

obok cewek torowych (poniýej) .

RUCH WAGONU

UKüAD HALBACHA

LINIE POLA MAGNETYCZNEGO ZNOSZ SI¢

ORIENTACJA

MAGNESU

LINIE POLA

MAGNETYCZNEGO

SUMUJ SI¢

TOROWE CEWKI UNOSZCE

WAGON

cig potrzebuje jedynie jakiejæ si¸y wpra-

wiajcej go w ruch.

W przesz¸oæci inýynierowie uwaýali,

ýe w maglevach nie moýna uýy ma-

gnesw trwa¸ych, poniewaý wytwarza-

j zbyt ma¸ si¸« unoszc w stosunku

do swej wagi. W induszynowcu po¸-

czenie magnesw w uk¸adzie Halbacha

z g«stym u¸oýeniem cewek torowych

pozwoli¸o uzyska wartoæ si¸y unosz-

cej na jednostk« powierzchni blisk teo-

retycznemu maksimum dla magnesw

trwa¸ych. Obliczenia wykazuj, ýe sto-

sujc odpowiednie stopy Ð na przyk¸ad

neodymowo-ýelazowo-borowe Ð moýna

uzyska z 1 m 2 powierzchni si¸« uno-

szenia 392 kN przy ci«ýarze 1 m 2 uk¸a-

du magnesw, wynoszcym zaledwie

7.84 kN, czyli 50-krotnie mniejszym od

ci«ýaru unoszonego.

W induszynowcu naturalnej wielko-

æci tor sk¸ada¸by si« z dwch rz«dw g«-

sto u¸oýonych prostoktnych cewek od-

powiadajcych dwm szynom normal-

nego toru. G¸wne, unoszce pocig

uk¸ady Halbacha, przytwierdzone by¸y-

by pod wagonem, tak aby przebiega¸y

tuý ponad rz«dami cewek [ dolna ilu-

stracja na tej stronie ]. Umieszczone przy

wewn«trznych bokach rz«dw cewek

mniejsze uk¸ady Halbacha zapewnia¸y-

by stabilnoæ poprzeczn pocigu. Takie

u¸oýenie ma swj odpowiednik w zwy-

k¸ym pocigu Ð ko¸o z ko¸nierzem, to-

czce si« po stalowej szynie. W induszy-

nowcu rol« ko¸nierzy pe¸ni ma¸e boczne

uk¸ady Halbacha, podczas gdy funkcj«

ko¸a Ð g¸wne uk¸ady unoszce.

UKüADY

HALBACHA

CEWKI

UNOSZCE

PODüOûE TORU

straty energii. W ¸oýyskach opraco-

wanych w Livermore uýyto cylindrycz-

nych uk¸adw magnesw, aby stabili-

zowa unoszenie osi ko¸a zamacho-

wego. Wkrtce zdaliæmy sobie spraw«,

ýe jeæli rozwiniemy te stabilizatory,

b«dziemy mieli sposb na nowy typ

magleva.

Nowy system, nazwany induszynow-

cem (Inductrack), jest pasywny, gdyý

nie ma w nim magnesw nadprzewo-

dzcych ani elektromagnesw. Zamiast

nich stosuje si« magnesy trwa¸e w tem-

peraturze pokojowej, podobne do zwy-

k¸ych sztabkowych, lecz znacznie sil-

niejsze. Pod spodem kaýdego wagonu

znajduje si« p¸aski, prostoktny uk¸ad

magnesw sztabkowych Ð uk¸ad Hal-

bacha (od wynalazcy Klausa Halbacha,

emerytowanego fizyka z Lawrence Ber-

keley National Laboratory). Magnesy te

rozmieszczone s tak, aby orientacja ma-

gnetyczna kaýdego z nich by¸a pod k-

tem prostym do orientacji ssiednich

magnesw [ grna ilustracja na tej stronie ].

Dzi«ki takiemu u¸oýeniu magnesw li-

nie si¸ pola magnetycznego ¸cz si«,

wytwarzajc bardzo silne pole pod uk¸a-

dem. Nad uk¸adem linie pola znosz si«

wzajemnie.

Drugi zasadniczy element to tor

z wbudowanymi cewkami z izolowa-

nego drutu. Kaýda wielozwojowa cew-

ka tworzy obwd zamkni«ty i ma

kszta¸t podobny do prostoktnej ramy

okiennej. Dzi«ki indukcji prdw w tych

cewkach induszynowiec wytwarza si¸y

unoszce (std jego nazwa). Poruszanie

magnesu w pobliýu p«tli drutu powo-

duje przep¸yw prdu w tym drucie Ð

zjawisko to odkry¸ w 1831 roku angiel-

ski fizyk Michael Faraday. Gdy wa-

gony induszynowca poruszaj si« do

przodu, magnesy z uk¸adw Halbacha

indukuj prdy w cewkach toru; prdy

te z kolei wytwarzaj pole elektroma-

gnetyczne odpychajce magnesy. Jeýe-

li pr«dkoæ pocigu jest wi«ksza od war-

toæci progowej (kilka kilometrw na

godzin« Ð nieco szybciej niý ýwawym

marszem), magnesy Halbacha utrzymu-

j go par« centymetrw nad powierzch-

ni toru.

Pole magnetyczne zachowuje si« po-

dobnie jak æciskana spr«ýyna: si¸a uno-

szca wzrasta wyk¸adniczo wraz ze

zmniejszaniem si« odleg¸oæci mi«dzy to-

rem a wagonem. Ta w¸aæciwoæ daje in-

duszynowcowi naturaln stabilnoæ Ð

moýe on ¸atwo dopasowa si« do zmien-

nych obciýeÄ, a takýe si¸ wyst«puj-

cych w czasie pokonywania zakr«tu.

A zatem zb«dne s uk¸ady automatyki

kontrolujce unoszenie wagonw. Po-

Sprawa podstawowa Ð wydajnoæ

Wydajnoæ systemu unoszcego to

jedna z waýniejszych kwestii we

wszystkich typach maglevw. W prze-

ciwieÄstwie do rozwizaÄ niemieckich

i japoÄskich induszynowiec nie pobie-

ra mocy, aby wytworzy pole magne-

tyczne, poniewaý wykorzystuje on ma-

gnesy trwa¸e. Ten czynnik nie ma wi«c

znaczenia. Jednak, aby unis¸ si« po-

66 å WIAT N AUKI KwiecieÄ 2000

cig, prd musi by zaindukowany

w cewkach toru. W wyniku oporu elek-

trycznego ich uzwojeÄ dochodzi do

utraty i zamiany na ciep¸o cz«æci mocy.

Ta strata mocy podczas przemieszcza-

nia si« pocigu nad torem zaowocuje

oporami ruchu, ktre s magnetyczny-

mi odpowiednikami oporw tarcia,

zwizanymi z ko¸ami i ¸oýyskami

w normalnych pocigach. W induszy-

nowcu magnetyczne opory ruchu s

odwrotnie proporcjonalne do pr«dko-

æci pocigu i przy typowych pr«dko-

æciach maglevw (250Ð500 km/h) sta-

j si« bardzo ma¸e. Opory te zachowuj

si« wi«c odwrotnie niý opory tarcia k¸

i opory areodynamiczne, ktre zwi«k-

szaj si« wraz z pr«dkoæci.

W samolotach sposobem na ocen«

osigw p¸atu jest obliczenie jego do-

skona¸oæci, czyli stosunku si¸y noænej

do oporu areodynamicznego. Przy ty-

powych pr«dkoæciach przelotowych,

doskona¸oæ skrzyd¸a odrzutowca wy-

nosi oko¸o 25:1 i prawie nie zaleýy od

pr«dkoæci. W induszynowcach odpo-

wiada jej stosunek unoszenia magne-

tycznego (si¸y unoszcej) do oporu ma-

gnetycznego. Po wnikliwej analizie

teoretycznej uda¸o nam si« znale wzr

opisujcy doskona¸oæ induszynowca.

Bardzo pomg¸ mi mj wsp¸pracow-

nik z Livermore Laboratory, Dmitrij D.

Riutow, dawniej zatrudniony w Instytu-

cie Fizyki Jdrowej im. G. I. Budkera w

Nowosybirsku. Riutow cieszy si« æwia-

tow renom za wk¸ad, jaki wnis¸ w

teori« elektromagnetycznego zacieænia-

nia plazmy w reaktorze termojdrowym

Ð w¸aænie podobnych metod uýy¸ do

swoich analiz induszynowca.

Odkryliæmy ýe doskona¸oæ induszy-

nowca jest wprost proporcjonalna do

szybkoæci poruszania si« uk¸adw Hal-

bacha. Gdy pocig stoi, nie ma ýadnej

si¸y unoszcej i doskona¸oæ jest rwna

zeru. Kiedy tylko rusza, si¸a unoszca

wzrasta szybko, osigajc po¸ow« swo-

jej wartoæci maksymalnej przy pr«dko-

æci 2Ð5 km/h. Nazywamy j pr«dkoæci

progow Ð opr magnetyczny jest ww-

czas rwny unoszeniu. Przy dwukrot-

nie wi«kszej pr«dkoæci si¸a unoszenia

osiga 80% wartoæci maksymalnej, a do-

skona¸oæ wzrasta prawie do 5:1. Tak

wi«c do lewitacji moýe dojæ juý wte-

dy, gdy induszynowiec porusza si« bar-

dzo wolno. Jeæli wagony wyposaýymy

w pomocnicze ko¸a, pocig b«dzie je-

cha po szynach aý do uzyskania pr«d-

koæci progowej, przy ktrej zacznie si«

unosi. Nadto wydajnoæ systemu

wzrasta w miar« nabierania szybkoæci Ð

doskona¸oæ moýe wynieæ nawet 200:1

przy pr«dkoæci 500 km/h. W przypad-

ku nag¸ej awarii nap«du, pocig uno-

szc si«, zwalnia¸by stopniowo aý do

ma¸ej pr«dkoæci, przy ktrej opar¸by si«

na ko¸ach pomocniczych.

Innym sposobem oceny wydajnoæci

naszego magleva jest zmierzenie strat

mocy spowodowanych oporem magne-

tycznym i porwnanie ich z innymi stra-

tami mocy. Gdyby wagon o masie

50 t porusza¸ si« z pr«dkoæci 500 km/h,

to oko¸o 300Ð600 kW mocy zosta¸oby

rozproszone na ciep¸o w cewkach toro-

wych. Przy tej pr«dkoæci opory aerody-

MODEL INDUSZYNOWCA skonstruowany w Law-

rence Livermore National Laboratory w celu spraw-

dzenia dzia¸ania systemu. Pocztkowa cz«æ 20-me-

trowego toru mieæci cewki nap«dowe zasilane elek-

trycznie, ktre rozp«dzaj 22-kilogramowy wzek (po-

niýej) . Po wprawieniu go w ruch uk¸ady Halbacha po-

zwalaj wzkowi porusza si« nad tysicem cewek

unoszcych w pozosta¸ej cz«æci toru (wstawka) .

WYRZUTNIA INDUSZYNOWA

mog¸aby zapewni przyspieszenie

pocztkowe statkom kosmicznym

przysz¸oæci. Statek zamontowano

by na lewitujcej ãko¸ysce starto-

wejÓ, ktra szybowa¸aby nad na-

chylonym kilometrowym torem.

Nie hamowana tarciem k¸ ko¸yska

rozp«dza¸aby statek do 950 km/h.

Wwczas nastpi¸oby odpalenie sil-

nikw rakietowych statku i wpro-

wadzenie go na orbit«.

namiczne powodowa¸yby strat« prawie

10 MW mocy. Tak wi«c moc potrzebna

do utrzymania pocigu nad torami jest

prawie dwudziestokrotnie mniejsza od

wymaganej do przezwyci«ýenia oporu

powietrza.

aluminiowych odizolowanych od siebie

przek¸adkami foliowymi. Kiedy uk¸ady

Halbacha poruszaj si« ponad takimi sto-

sami, pola magnetyczne indukuj prdy

w blasze aluminiowej. Szereg rwnole-

g¸ych szczelin wyci«tych w kaýdym z ar-

kuszy utworzy¸by na nim optymaln

drog« dla elektronw, minimalizujc jed-

noczeænie prdy wirowe, powodujce

straty mocy. Taki tor zapewni¸by wi«k-

sz si¸« unoszc niý rzd prostoktnych

cewek i prawdopodobnie okaza¸by si«

takýe taÄszy w produkcji.

Wydajnoæ toru moýna teý podnieæ

metod zwan obciýaniem impedan-

cyjnym Ð wok¸ dolnej cz«æci kaýdej

prostoktnej cewki umieszcza si« p¸yt-

ki ferrytowe (ceramik« magnetyczn za-

wierajc tlenek ýelaza). Zmniejsza to

prd indukowany w cewkach przez

uk¸ady Halbacha, a wi«c rwnieý straty

mocy spowodowane oporem elektrycz-

nym. Poniewaý opr magnetyczny sta¸-

by si« mniejszy, magnetyczna si¸a no-

æna pokonywa¸aby go ¸atwiej i pocig

rozpoczyna¸by unoszenie przy mniej-

szej pr«dkoæci, gdyý jej wartoæ progo-

wa by¸aby niýsza. Jednak obciýanie im-

pedancyjne wywo¸uje rwnieý inne

skutki: jego zastosowanie zmniejszy¸o-

Nap«d induszynowca

Dotychczas opisa¸em tylko jeden typ

toru Ð rzd prostoktnych cewek. Ale

moýe on mie takýe inne formy, jeæli za-

leýy nam na szczeglnych w¸aæciwo-

æciach. Na przyk¸ad tor moýna zbudo-

wa ze stosw cienkich arkuszy

68 å WIAT N AUKI KwiecieÄ 2000

Szybkie Koleje - Nowe Rozwiązania.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: