Вакуумный поезд: История и перспективы

Введение

Вактрейн (или поезд в вакуумной трубе) — это предлагаемый проект высокоскоростного железнодорожного транспорта. Это линия на магнитной подушке (маглева), использующая частично эвакуированные трубы или туннели. Уменьшенное сопротивление воздуха может позволить вактрейнам развивать очень высокие (гиперзвуковые) скорости при относительно небольшом энергопотреблении — до 5–6 скоростей звука в атмосфере Земли на уровне моря.

18 век

В 1799 году Джордж Медхерст из Лондона разработал и запатентовал атмосферную железную дорогу, способную перевозить людей или грузы по трубам, в которых создавалось избыточное или пониженное давление. Ранние атмосферные железные дороги и системы пневматической почты (например, Атмосферная железная дорога Далки) использовали энергию пара для привода в движение.

19 век

В 1888 году Мишель Верн, сын Жюля Верна, описал подводную пневматическую транспортную систему, способную разгонять пассажирскую капсулу до высоких скоростей под Атлантическим океаном (в трансатлантическом туннеле) в рассказе "Экспресс будущего".

20 век

Вактрен был изобретен Робертом Годдардом в качестве первокурсника в Политехническом институте Ворчестера в Соединенных Штатах в 1904 году. Годдард впоследствии усовершенствовал эту идею в рассказе 1906 года под названием «Ставка на высокую скорость», который был обобщен и опубликован в редакционной статье Scientific American в 1909 году под названием «Предел быстрого транзита». Его жена Эстер получила патент на вактрен в США в 1950 году, через пять лет после его смерти. В 1909 году русский профессор Борис Вайнберг построил первую в мире модель своей предложенной версии вактрена в Томском политехническом университете. Позже он опубликовал концепцию вактрена в 1914 году в книге «Движение без трения» (безвоздушный электрический путь). В 1955 году польский писатель-фантаст Станислав Лем в романе «Туманность Магеллана» писал о межконтинентальном вактрейне под названием «органовец», который двигался в прозрачной трубе со скоростью выше скорости звука. В апреле 1962 года вактрейн появляется в рассказе «Наемник» Мака Рейнольдса, где он вскользь упоминает вакуумный транспорт. В 1970-х годах ведущий сторонник вактренов Роберт М. Салтер из корпорации RAND опубликовал серию подробных инженерных статей. Интервью с Робертом Салтером появилось в Los Angeles Times (11 июня 1972 года). Он подробно обсудил относительную легкость, с которой правительство США могло бы построить систему трубчатых шаттлов, используя технологии, доступные в то время. Поскольку маглев был недостаточно развит в то время, он предложил использовать стальные колеса. Дверь камеры в трубу открывалась бы, и за ней подавался бы воздух, достаточный для ускорения поезда в трубу. Гравитация дополнительно ускоряла бы отходящий поезд до крейсерской скорости. Поднимаясь с крейсерской скорости, прибывающий поезд замедлялся бы, сжимая разреженный воздух перед собой, который затем выпускался бы. Насосы на станциях компенсировали бы потери из-за трения или утечки воздуха по краям поезда, а сам поезд не требовал бы двигателя. Эта комбинация модифицированного (неглубокого) гравитационного поезда и атмосферного железнодорожного движения потребляла бы мало энергии, но ограничивала бы систему до дозвуковых скоростей, поэтому были предложены первоначальные маршруты длиной в десятки или сотни миль или километров, а не трансконтинентальные расстояния. Поездам не требовались бы сцепки, каждый вагон был бы напрямую сварен, прикреплен болтами или иным образом прочно соединен со следующим, а маршрут не требовал бы изгибов, превышающих гибкость стали. В конце линии поезд перемещался бы в сторону в концевую камеру обратной трубы. Железная дорога имела бы как внутреннюю эвакуированную трубу, так и внешний туннель. На крейсерской глубине пространство между ними было бы заполнено водой, достаточной для плавучести вакуумной трубы, что смягчило бы ход. Был проложен маршрут через Северо-Восточный мегаполис с девятью станциями: по одной в Вашингтоне, Мэриленде, Делавэре, Пенсильвании, Нью-Йорке, Род-Айленде, Массачусетсе и двумя в Коннектикуте. Подъездные железнодорожные системы были намечены для районов Сан-Франциско и Нью-Йорка, пригородная версия имела более длинные и тяжелые поезда, которые приводились бы в движение скорее гравитацией, чем воздухом, по сравнению с междугородней версией. Нью-Йоркская система должна была иметь три линии, заканчивающиеся в Бабилоне, Патерсоне, Хантингтоне, Элизабет, Уайт-Плейнс и Сент-Джордже. Салтер указал, что такая система помогла бы уменьшить экологический ущерб, наносимый атмосфере авиацией и наземным транспортом. Он назвал подземные транспортные системы с очень высокой скоростью (трубные шаттлы) «логичным следующим шагом» для своей страны. Планы так и не были реализованы. В то время, когда эти отчеты были опубликованы, национальный престиж был важен, поскольку Япония уже несколько лет эксплуатировала свой флагманский синкансэн, а исследования поездов на магнитной подушке были передовой технологией. Американский «Планетран» должен был создать трансконтинентальную систему метро в Соединенных Штатах и обеспечить поездку из Лос-Анджелеса в Нью-Йорк за один час. Туннель был бы проложен на глубине нескольких сотен футов в твердых скальных образованиях. В строительстве использовались бы лазеры для обеспечения выравнивания и вольфрамовые зонды для плавления магматических горных пород. Туннель поддерживал бы частичный вакуум для минимизации сопротивления. Поездка в среднем занимала бы и подвергала пассажиров ускорениям до 1,4 силы тяжести, что требовало бы использования подвесных отсеков. Огромные строительные затраты (оцениваемые в 1 триллион долларов США) были основной причиной, по которой предложение Салтера так и не было реализовано. Начиная с конца 1970-х и начала 1980-х годов, Swissmetro предлагалось использовать изобретение экспериментального немецкого поезда Transrapid на магнитной подушке и работать в больших туннелях, давление в которых было бы снижено до высоты 68 000 футов (20 726 м), на которой был сертифицирован сверхзвуковой самолет Concorde. В 1980-х годах Фрэнк П. Дэвидсон, основатель и председатель проекта «Евротоннель», и японский инженер Ёсихиро Кётани взялись за трансокеанские проблемы, предложив плавучую трубу над морским дном, закрепленную тросами (подводный плавучий туннель). Транзитная труба оставалась бы как минимум в 305 метрах (1000 футов) ниже поверхности океана, чтобы избежать турбулентности воды. 18 ноября 1991 года Джерард К. О'Нил подал заявку на патент на систему вактрена. Он назвал компанию, которую хотел создать, VSE International (velocity, silence, and efficiency – скорость, тишина и эффективность). Однако саму концепцию он назвал Magnetic Flight (магнитный полет). Транспортные средства, вместо того чтобы двигаться по паре рельсов, поднимались бы с помощью электромагнитной силы по одному рельсу внутри трубы (постоянные магниты в рельсе и переменные магниты на транспортном средстве) и приводились бы в движение электромагнитными силами в туннелях. Он оценил, что поезда могут достигать скорости до – примерно в пять раз быстрее, чем реактивный самолет, если из туннелей будет откачан воздух. Чтобы достичь такой скорости, транспортное средство разгонялось бы в течение первой половины пути, а затем замедлялось во второй половине пути. Планировалось, что ускорение составит не более половины силы тяжести. О'Нил планировал построить сеть станций, соединенных этими туннелями, но умер через два года после подачи заявки на свой первый патент. ET3 утверждает, что провела некоторую работу, которая привела к патенту на «технологию транспорта в эвакуированных трубах», полученному в 2009 году. Они представили свою идею публике в 2013 году. В августе 2013 года Илон Маск, генеральный директор Tesla и SpaceX, опубликовал документ Hyperloop Alpha, предлагающий и исследующий маршрут от района Лос-Анджелеса до залива Сан-Франциско, примерно следуя по коридору межштатной автомагистрали 5. Концепция Hyperloop была явно «открыта» Маском и SpaceX, и другим было предложено брать эти идеи и развивать их дальше. В связи с этим было создано несколько компаний, и несколько междисциплинарных студенческих команд работают над продвижением технологии. SpaceX построила субмасштабную трассу длиной около 2 километров для своего конкурса по проектированию капсул на своей штаб-квартире в Хоторне, Калифорния.

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.