Вакуумдық түтікшедегі пойыз

Кіріспе

Вакуум түтігі ішіндегі пойыз

Вакуумдық пойыз (немесе вакуум түтігі пойызы) – өте жоғары жылдамдықты теміржол көлігі үшін ұсынылған жоба. Бұл жартылай босатылған құбырлар немесе туннельдерді пайдаланатын магниттік левитация желісі. Төмендетілген ауа кедергісі вакуумдық пойыздың салыстырмалы түрде аз қуатпен өте жоғары (гипердыбыстық) жылдамдықпен қозғалуына мүмкіндік береді – шамамен, теңіз деңгейіндегі Жер атмосферасындағы дыбыс жылдамдығынан 5-6 есе жоғары.

18 ғасыр

1799 жылы лондондық Джордж Медхерст адамдарды немесе жүктерді қысыммен немесе вакуумдалған түтіктер арқылы тасымалдай алатын атмосфералық темір жол тұжырымын ойлап тапты және патент алды. Алғашқы атмосфералық темір жолдар мен пневматикалық құбырлы көлік жүйелері (мысалы, Далки атмосфералық темір жолы) қозғалысқа келтіру үшін бу күшіне тәуелді болды.

19 ғасыр

1888 жылы Жюль Верннің ұлы Мишель Верн "Болашақтың экспресі" атты әңгімесінде Атлант мұхитының астында (атланттық туннель) жолаушылар капсуласын жылдамдықпен қозғай алатын су асты пневматикалық құбырлы көлік жүйесін суреттеді.

20 ғасыр

Вактрейнды Роберт Г. Годдард 1904 жылы АҚШ-тағы Ворчестер политехникалық институтының бірінші курсында ойлап тапты. Годдард бұл идеяны 1906 жылы "Жоғары жылдамдықтағы ставка" атты қысқа әңгімеде жетілдірді, ол 1909 жылы "Жылдам транзиттің шегі" деп аталатын Scientific American редакциондық мақаласында жинақталып жарияланды. 1950 жылы, оның қайтыс болғаннан кейін бес жыл өткенде, оның әйелі Эстерге вактрейнге АҚШ патенті берілді. 1909 жылы орыс профессоры Борис Вайнберг Томск политехникалық университетінде өзі ұсынған вактрейннің әлемдегі алғашқы моделін жасады. Кейіннен ол 1914 жылы "Қозғалыс сүрінбестен" (ауасыз электр жолы) атты кітапта вактрейн тұжырымдамасын жариялады. 1955 жылы поляк ғылыми-фантастика жазушысы Станислав Лем "Магеллан тұмандығы" романында "organowiec" деп аталатын континентаралық вактрейн туралы жазды, ол мөлдір түтікшеде жылдамдықпен қозғалды. 1962 жылдың сәуірінде вактрейн Мак Рейнольдстың "Жемшік" әңгімесінде пайда болады. 1970 жылдары RAND корпорациясының жетекші вактрейн жақтаушысы Роберт М. Салтер инженерлік мақалалар сериясын жариялады. Роберт Салтермен сұхбат Лос-Анджелес Таймс газетінде жарық көрді (11 маусым, 1972). Ол АҚШ үкіметінің сол кездегі технологияларды қолдана отырып, түтікшелік шаттл жүйесін салыстырмалы түрде қалай оңай құра алатынын егжей-тегжейлі талқылады. Маглев технологиясы сол кезде жетілмегендіктен, ол болат дөңгелектерді ұсынды. Түтікшеге баратын камераның есігі ашылып, артқа жеткілікті ауа жіберіледі, бұл пойызды түтікшеге жылдамдатуға мүмкіндік береді. Гравитация қозғалыс жылдамдығын төмендетіп, пойыздың жылдамдығын арттырады. Круиздік деңгейге көтерілген кезде, пойыз алдындағы сирек ауаны қысып, жылдамдығын бәсеңдетеді, ол сыртқа шығарылады. Станциялардағы сорғылар пойыздың шеттерінен ауаның шығуына байланысты шығындарды өтейді, ал пойыздың өзі қозғалтқышты қажет етпейді. Бұл өзгертілген (сығылмалы) гравитациялық пойыз бен атмосфералық темір жол қозғалтқышының үйлесімі аз энергияны тұтынады, бірақ жүйені субсоникалық жылдамдықпен шектейді, сондықтан континенттік арақашықтықтан гөрі ондаған немесе жүздеген шақырымдық бастапқы бағыттар ұсынылды. Пойыздарға жалғаулар қажет емес еді, әр вагон тікелей дәнекерленіп, бұрандамен немесе басқаша бір-бірімен тығыз байланыста болады, бұл жол болаттың иілгілігінен гөрі иілуді талап етпейді. Жолдың соңында пойыз кері қайтарылатын түтікшенің соңғы камерасына қарай жылжытылады. Темір жолдың ішкі түтігі мен сыртқы туннелі болады. Круиздік тереңдікте, аралықта вакуумдық түтікті жүзіп жүруге жеткілікті су болады, бұл саяхатты жұмсақ етеді. Солтүстік-шығыс мегаполисі арқылы тоғыз стансадан тұратын маршрут дайындалды, олардың әрқайсысы Вашингтон, Мэриленд, Делавэр, Пенсильвания, Нью-Йорк, Род-Айленд, Массачусетс және Коннектикут штаттарында орналасқан. Сан-Франциско мен Нью-Йорк аймақтарына жолаушылар теміржолы жүйелері картаға түсірілді, жолаушылар нұсқасы ұзын, ауыр пойыздарға ие болды, олар әуемен аз, ал қалааралық нұсқаға қарағанда ауырлық күшімен қозғалады. Нью-Йорк жүйесінде үш желі болуы керек еді, олар Вавилон, Патерсон, Хантингтон, Элизабет, Уайт-Плейнс және Сент-Джордж қаласында аяқталады. Салтер мұндай жүйе авиация мен жер бетіндегі көліктер арқылы атмосфераға келтірілген зиянды азайтуға көмектесетінін айтты. Ол жер астындағы өте жылдам көліктерді (түтікшелік шаттлдарды) өз елінің "логикалық келесі қадамы" деп атады. Жобалар келесі кезеңге ешқашан көтерілген жоқ. Бұл есептер жарияланған кезде ұлттық бедел мәселесі болды, өйткені Жапония бірнеше жылдан бері өзінің көрнекті шинкансенін жұмыс істеп келді және магнитті пойыздар туралы зерттеулер қызу технология болды. Американың "Американ Планетран" жобасы АҚШ-та трансконтиненттік метро желісін құруға және Лос-Анджелестен Нью-Йоркке бір сағатта жетуге мүмкіндік береді. Туннель бірнеше жүз метр тереңдікте қатты тау жыныстарымен көмілген. Құрылыс кезінде лазерлер пайдаланып, туралауды қамтамасыз етеді және вольфрам зондтарын магмалық тау жыныстары арқылы балқыту үшін қолданады. Туннель соғуды азайту үшін ішінара вакуумды сақтайды. Саяхат орташа жылдамдықпен жүзеге асырылады және жолаушыларды ауырлық күшіне қарағанда 1,4 есеге дейін жылдамдатуға ұшыратады, бұл үшін гимбаллы бөліктерді пайдалану қажет. Құрылыс шығындарының орасан зор болуы (шамамен 1 триллион АҚШ доллары) Салтердің ұсынысының ешқашан жасалмауының басты себебі болды. 1970-ші жылдардың соңы мен 1980-ші жылдардың басында швейцарлық "Swissmetro" жобасы неміс "Transrapid" маглев пойыз технологиясын пайдалануға және "Concorde" SST ұшағының сертификатталған биіктігіндегі 68000 фут (20726 м) қысымда жұмыс істейтін үлкен туннельдерде жұмыс істеуге бағытталды. 1980-ші жылдары, "Channel Tunnel" жобасының негіздеушісі және төрағасы Фрэнк П. Дэвидсон мен жапондық инженер Ёсихиро Кётани мұхиттық проблемаларды шешу үшін түтікшені теңіз түбінде бекітілген кабельдермен жүзбекке шығаруды ұсынды. Транзиттік түтікше теңіз бетінен кемінде 1000 фут (305 м) төменде болуы керек еді, бұл судың турбуленттігін болдырмау үшін қажет. 1991 жылдың 18 қарашасында Жерард К. О'Нилл вактрейн жүйесіне патенттік өтінім берді. Ол құрғысы келген компанияны VSE International деп атады, "жылдамдық, тыныштық және тиімділік" деген мағынаны білдіретін аббревиатура. Алайда, өзінің концепциясын "Магниттік ұшу" деп атады. Көлік құралдары екі рельстен емес, түтікше ішіндегі бір рельсте электромагниттік күш арқылы көтеріледі (рельсте тұрақты магниттер, ал көлік құралында өзгермелі магниттер), және электромагниттік күштер арқылы туннельдерде жылдамдатылады. Ол пойыздардың ауа эвакуацияланған туннельдерде сағаттық 8000 шақырымға дейін жылдамдыққа жете алатынын есептеді – бұл реактивтік ұшақтан шамамен бес есе жылдам. Мұндай жылдамдыққа қол жеткізу үшін көлік құралы сапардың бірінші жартысында жылдамданып, екінші жартысында бәсеңдейді. Жылдамдану күші ауырлық күшінің жартысына дейін болуы жоспарланған. О'Нилл осы туннельдермен байланысқан стансалар желісін салуды жоспарлады, бірақ оның алғашқы патенты берілгенге дейін екі жыл өтпей қайтыс болды. ET3 компаниясы 2009 жылы "эвакуацияланған түтікшелік көлік технологиясы" бойынша патент алғанын мәлімдеді және 2013 жылы бұл идеясын көпшілік алдында таныстырды. 2013 жылдың тамызында Tesla және SpaceX компанияларының бас директоры Илон Маск "Hyperloop Alpha" мақаласын жариялады, онда Лос-Анджелес аймағынан Сан-Франциско шығанағына дейінгі маршрутты ұсынып, зерттеді, ол шамамен 5 қарамағы бойынша жүреді. Hyperloop концепциясы Маск және SpaceX компаниясымен ашық түрде "ашық кодталған", ал басқалар осы идеяларды қабылдап, одан әрі дамытуға шақырылды. Осы мақсатта бірнеше компания құрылды және бірнеше пәнаралық студенттік командалар технологияны жетілдіру үшін жұмыс істеп жатыр. SpaceX Калифорния штатының Хоторн қаласындағы штаб-пәтеріндегі подын дизайндық бәйгесі үшін шамамен 2 шақырымдық (1 миль) кіші масштабты трасса салды.

The vactrain proper was invented by Robert H. Goddard as a freshman at Worcester Polytechnic Institute in the United States in 1904. Goddard subsequently refined the idea in a 1906 short story called "The High Speed Bet" which was summarized and published in a Scientific American editorial in 1909 called "The Limit of Rapid Transit". Esther, his wife, was granted a US patent for the vactrain in 1950, five years after his death. In 1909, Russian professor Boris Weinberg built the world's first model of his proposed version of the vactrain at Tomsk Polytechnic University. He later published a vactrain concept in 1914 in the book Motion without friction (airless electric way). In 1955, Polish science fiction writer Stanisław Lem in a novel The Magellan Nebula wrote about intercontinental vactrain called "organowiec", which moved in a transparent tube at a speed higher than Later in April 1962, the vactrain appears in the story "Mercenary" by Mack Reynolds, where he mentions Vacuum Tube Transport in passing. During the 1970s, a leading vactrain advocate, Robert M. Salter of RAND Corporation, published a series of elaborate engineering articles. An interview with Robert Salter appeared in the Los Angeles Times (June 11, 1972). He discussed, in detail, the relative ease with which the U. S. government could build a tube shuttle system using technologies available at that time. Maglev being poorly developed at the time, he proposed steel wheels. The chamber's door to the tube would be opened, and enough air admitted behind to accelerate the train into the tube. Gravity would further accelerate the departing train down to cruise level. Rising from cruise level, the arriving train would decelerate by compressing the rarefied air ahead of it, which would be vented. Pumps at the stations would make up for losses due to friction or air escaping around the edges of the train, the train itself requiring no motor. This combination of modified (shallow) gravity train and atmospheric railway propulsion would consume little energy but limit the system to subsonic speeds, hence initial routes of tens or hundreds of miles or kilometers rather than transcontinental distances were proposed. Trains were to require no couplers, each car being directly welded, bolted, or otherwise firmly connected to the next, the route calling for no more bending than the flexibility of steel could easily handle. At the end of the line, the train would be moved sideways into the end chamber of the return tube. The railway would have both an inner evacuated tube and an outer tunnel. At cruise depth, the space between would have enough water to float the vacuum tube, softening the ride. A route through the Northeast Megalopolis was laid out, with nine stations, one each in Washington DC, Maryland, Delaware, Pennsylvania, New York, Rhode Island, Massachusetts, and two in Connecticut. Commuter rail systems were mapped for the San Francisco and New York areas, the commuter version having longer, heavier trains, to be propelled less by air and more by gravity than the intercity version. The New York system was to have three lines, terminating in Babylon, Paterson, Huntington, Elizabeth, White Plains, and St. George. Salter pointed out how such a system would help reduce the environmental damage being done to the atmosphere by aviation and surface transportation. He called underground Very High Speed Transportation (tube shuttles) his nation's "logical next step". The plans were never taken to the next stage. At the time these reports were published, national prestige was an issue as Japan had been operating its showcase shinkansen for several years and maglev train research was hot technology. The American Planetran would establish a transcontinental subway service in the United States and provide a commute from Los Angeles to New York City in one hour. The tunnel would be buried to a depth of several hundred feet in solid rock formations. Construction would make use of lasers to ensure alignment and use tungsten probes to melt through igneous rock formations. The tunnel would maintain a partial vacuum to minimize drag. A trip would average and subject passengers to accelerations up to 1.4 times that of gravity, requiring the use of gimballed compartments. Enormous construction costs (estimated as high as US$1 trillion) were the primary reason why Salter's proposal was never built. Starting in the late 1970s and early 1980s, the Swissmetro was proposed to leverage the invention of the experimental German Transrapid maglev train, and operate in large tunnels reduced to the pressure altitude of 68000 feet (20726 m) at which the Concorde SST was certified to fly. In the 1980s, Frank P. Davidson, a founder and chairman of the Channel Tunnel project, and Japanese engineer Yoshihiro Kyotani tackled the transoceanic problems with a proposal to float a tube above the ocean floor, anchored with cables (a submerged floating tunnel). The transit tube would remain at least 1000 feet (305 m) below the ocean surface to avoid water turbulence. On November 18, 1991, Gerard K. O'Neill filed a patent application for a vactrain system. He called the company he wanted to form VSE International, for velocity, silence, and efficiency. However, the concept itself he called Magnetic Flight. The vehicles, instead of running on a pair of tracks, would be elevated using electromagnetic force by a single track within a tube (permanent magnets in the track, with variable magnets on the vehicle), and propelled by electromagnetic forces through tunnels. He estimated the trains could reach speeds of up to – about five times faster than a jet airliner – if the air was evacuated from the tunnels. To obtain such speeds, the vehicle would accelerate for the first half of the trip, and then decelerate for the second half of the trip. The acceleration was planned to be a maximum of about one half of the force of gravity. O'Neill planned to build a network of stations connected by these tunnels, but he died two years before his first patent on it was granted. ET3 claim to have achieved some work that resulted in a patent on "evacuated tube transport technology" which was granted in 2009. They presented their idea in 2013 on public stage. In August 2013 Elon Musk, CEO of Tesla and SpaceX, published the Hyperloop Alpha paper, proposing and examining a route running from the Los Angeles region to the San Francisco Bay Area, roughly following the Interstate 5 corridor. The Hyperloop concept has been explicitly "open sourced" by Musk and SpaceX, and others have been encouraged to take the ideas and further develop them. To that end, a few companies have been formed, and several interdisciplinary student led teams are working to advance the technology. SpaceX built an approximately 1 mile (2 km) subscale track for its pod design competition at its headquarters in Hawthorne, California.