Наука - Магия магнитоплана

Рожденный ползать уже летает
«...Профессор Флитвик объявил на уроке колдовства, что они начинают учиться поднимать предметы в воздух, то, о чем они все мечтали с тех пор, как он продемонстрировал левитацию на жабе Невилла... Выяснилось, что это очень трудно». — Дж. К. Роулинг. «Гарри Поттер и философский камень».

Эта статья продолжает разговор об «истории забытых побед» отечественного рельсового транспорта, начатый в статье «Построены и забыты». На этот раз речь пойдет о магнитопланах (в зарубежной литературе – аппаратах магнитной левитации или MAGLEV). Обычно в зарубежных источниках, описывающих зарождение магнитолетов, встречаются только два имени: Роберта Годдарда и Эмиля Башеле. Далее летописцы сразу перескакивают в тридцатые годы.

Идейным вдохновителем нового вида транспорта считается американский ученый Роберт Годдард, который еще в 1904 году, будучи студентом-первокурсником, подал идею поезда, опирающегося на магнитные поля. Моментом же, когда об идее летающих поездов стало известно миру, называют статью в Mount Vernon Daily Argus от 15 марта 1912 года. Заголовки вещали: «Письмо из Нью-Йорка до Бостона дойдет за час… Эмиль Башеле, местный изобретатель… демонстрирует новый прибор… Поддерживаемый магнитным полем, он способен развить необычайно высокую скорость». Башеле подал заявку на свой «Летающий поезд» в 1910 году, а в 1912-м получил патент.

Но был еще один первооткрыватель… На другой стороне планеты – в далекой Сибири – известный отечественный геофизик, профессор Томского технологического института Борис Вейнберг, работал над той же самой идеей, воплотив ее в жизнь в 1911 году совершенно иным путем.

«Поезд Башеле» имел электродинамическую подвеску. Судя по фотографиям в июньском номере Scientific American 1914 года, он поддерживался алюминиевыми пластинами, парящими над катушками электромагнитов. Тянули модель вагона катушки соленоидов. Вейнберг же применил электромагнитный подвес – вагон в виде закрытой капсулы подвешивался под электромагнитами, которые как бы передавали его с рук на руки. Так были заложены два фундамента, на которых основывается большинство современных систем MAGLEV’а.

В 1911 году Вейнберг строит установку с вагончиком в 10 килограммов, движущимся по 20-метровому кольцевому пути из медной трубы диаметром 32 сантиметра. Два года экспериментов увенчались успехом, что кажется просто потрясающим при отсутствии полупроводниковых систем регулирования. Правда, из-за малых размеров установки удалось достичь скорости лишь 6 км/ч. Но с подобными проблемами сталкивался и Башеле – в одном из его опытов в лаборатории на Фултон-Авеню разогнавшийся вагон вылетел в окно.

Вскоре Вейнберг создает проект трассы, на которой собирается достичь скорости современного реактивного лайнера: 800–1000 км/ч. Для этого магнитолет Вейнберга должен был перемещаться по трубе, из которой откачан воздух – чтобы уменьшить сопротивление движению. Вагон – сигарообразный стальной цилиндр диаметром 0,9 м и длиной 2,5 м, в котором полулежа, как в спортивном авто, размещался пассажир и система жизнеобеспечения. Его разгоняли и тормозили линейные двигатели длиной около трех верст (одна верста равна 1066,8 м – «ПМ») у каждой станции. Благодаря полной автоматизации в двухпутном варианте дорога должна была пропускать 15 тысяч пассажиров в сутки в одном направлении.

Огромные затраты на сооружение, по расчетам, должны были окупиться за счет технологий, не требующих привлечения человеческого труда: железные дороги тех лет, в отличие от современных, напоминали строительство пирамид – они требовали колоссального количества рабочей силы, и повышение зарплаты могло сделать их невыгодными. Но вскоре началась мировая война, и реализация масштабного замысла была отложена на неопределенный срок.

После Первой мировой войны Борис Вейнберг занялся более прозаическими вещами – исследованиями земного магнетизма, движения арктических льдов, а также созданием гелиоустановок. Увлекся другими работами и Эмиль Башеле. Задачи, на которые были нацелены их проекты, были решены другими, менее экзотическими способами. Проблемы быстрой доставки почты решили авиакомпании, а потребность в быстрых пассажирских перевозках была удовлетворена поездами на паровой и дизельной тяге, развивавшими в США уже в то время скорости до 200 км/ч. В СССР же выявились другие, менее дорогостоящие способы сокращения ручного труда на «железке»: реконструкция тяги, внедрение автотормозов и автосцепки, централизованная сигнализация.

Эмиль Башеле продолжал различные исследования на Академической улице в Покипси вплоть до своей кончины в возрасте 83 лет. За четыре года до этого ушел из жизни Борис Вейнберг – он умер от истощения сил в блокадном Ленинграде.

Вслед за Башеле и Вейнбергом дело создания магнитопланов в 1922 году подхватил немецкий ученый Герман Кемпер, который получил в 1934 году патент на свой вариант технического решения. Магнитоплан Кемпера в этом патенте внешне напоминал дорогу Вейнберга – это был металлический закрытый снаряд, перемещавшийся в трубе. С 1939 по 1943 годы в рейхе работали над практическим созданием такого суперпоезда. Однако из-за войны идея не была доведена до конца. Первая модель для практической демонстрации была представлена Кемпером лишь в 1953 году, но мировой сенсацией тогда не стала.

Практические работы над магнитолетами в 60-е годы прошлого века возродились благодаря прогрессу электроники, позволившей создать надежную систему управления магнитами, а также ошибочным прогнозам. По результатам испытаний первых скоростных электровозов был сделан вывод, что при скоростях порядка 350 км/ч колеса практически полностью потеряют сцепление с рельсами, а при скорости 400–500 км/ч железнодорожные экипажи не смогут устойчиво двигаться в колее. В итоге магнитопланы вновь нашли поддержку государственных и частных инвесторов.

Первая в мире испытательная трасса и макетный экипаж «Трансрапид-01» начали строиться в 1969 году в ФРГ по заказу министерства транспорта. В 1971 усовершенствованный «Трансрапид-02» совершил первую поездку с пассажирами. Вагон был построен знаменитой фирмой Messerschmitt-Bёlkow-Blohm и сдан в эксплуатацию не менее известной Krauss-Maffei. Эта пятитонная угловатая кабина всего на четыре места развивала на 660-метровом пути под Мюнхеном скорость до 90 км/ч.

После этого в ФРГ начался настоящий бум широкомасштабных исследований. В 1979 году первая 900-метровая пассажирская линия Trans-rapid-05 с 30,8-тонным вагоном на 68 человек, развивавшим скорость до 75 км/ч, три недели работала на международной выставке в Гамбурге. И хотя это событие произвело фурор, речь шла пока лишь об эффектном парковом аттракционе.

В Японии начали работы над магнитопланами несколько позднее – в 1972 году, но сосредоточились на использовании сверхпроводимости и реализации сверхвысоких скоростей. К 1979 году они разогнали свой МЛ-500 до 517 км/ч, установив рекорд скорости. Германия приняла вызов, и с 1980 года началось строительство нового полигона под высокоскоростной Transrapid-06 – 54-метровый, 102-тонный, 200-местный поезд, рассчитанный на скорость 400 км/ч. Поезд с пассажирами впервые смог достичь этой скорости в 1988 году.

В СССР первую коммерческую линию маглева решили строить в 1977 году, в столице Казахстана Алма-Ате. Она должна была связать центр города с новыми микрорайонами. Выбор был не случаен – монорельс и метро, как известно, были заветной мечтой Динмухамеда Кунаева, первого секретаря компартии Казахстана. Мечта эта подпитывалась и тем, что столица соседнего Узбекистана – Ташкент – свое метро имела. Но средств на казахское метро не отпускали из-за недостаточной численности населения Алма-Аты. Внимание Кунаева привлек другой транспорт, близкий по пропускной способности к наземному метро, но не подпадающий под известные нормы.

Новый транспорт нарекли СПТС (скоростная пассажирская транспортная система). На эстакаде высотой 5–6 метров должно было пролечь двухколейное полотно шириной семь метров с бегущим магнитным полем. Опоры с двухметровым основанием решили ставить на разделительных полосах проезжей части улиц.

Под Москвой, в Раменском, на полигоне НИИПИтранспрогресс построили 600-метровую трассу. Завод «Газстроймаш» создал для нее экспериментальный 9-метровый вагон весом 8 тонн и вместимостью 35 пассажиров. Высота подвески равнялась 20 миллиметрам, что в условиях сурового казахстанского климата было немаловажным.

Аппарат из Подмосковья хотя и уступал «Трансрапиду-05» по эстетике, зато, если верить данным, опубликованным в 1979 году С.А. Адасинским, на каждого пассажира советского магнитоплана приходилось вдвое меньше веса конструкции, чем у западногерманского – а от этого напрямую зависела стоимость эстакады. Таким образом СССР, а не Китай мог стать страной, первой пустившей поезда на магнитной подвеске в постоянную эксплуатацию.

Тем временем в Алма-Ате произошло радостное и вместе с тем роковое для магнитоплана событие – в конце 1981 года появился на свет миллионный житель. Тут же началось строительство традиционного метро. Одновременно тянуть два дорогостоящих проекта было уже невозможно.

В конце 1980-х исследованиями в Раменском (теперь организация, проводившая их, называлась ТЭМП) удалось заинтересовать московские власти. Сначала хотели построить трассу из аэропорта Шереметьево-2 через Химки, по берегу Москвы-реки (Щукинская, ул. Живописная, Карамышевская набережная и далее – к Международному выставочному центру на Красной Пресне). К 1992 году были разработаны проекты двух линий – Шереметьево – Дом правительства на Красной Пресне и Чертаново – Бутово. Вагоны из 2–3 секций по 60 мест каждая должны были мчаться на эстакадах высотой 5–6 м. Среднетехническая скорость на первом маршруте должна была быть 100 километров в час, на втором – 40. Стоимость линии, по проекту, должна была быть в три раза ниже стоимости метрополитена.

Для отработки подвески на полигоне обкатывали уменьшенный образец весом 13 тонн, в нем были кресла для 25 пассажиров, а разгонялся он до 60 км/ч – быстрее не позволяла длина трассы. К началу кризиса 1990-х был утвержден проект удлинения трассы до 7 км, чтобы достичь более высокой скорости.

Новый подмосковный магнитоплан имел высокую эффективность подвески за счет компенсации концевого и краевого эффекта: это достигалось особым расположением в пространстве тяговых модулей линейного двигателя. Правительство дало старт работам по строительству линии, более того, в МИИТ даже было открыто обучение студентов по новой специальности. Но с распадом СССР возникли проблемы с выполнением обязательств по поставкам предприятиями, оказавшимися в разных республиках, а последовавший промышленный кризис затруднил финансирование. В итоге к 1993 году программа была фактически заморожена. Через несколько лет о ней снова вспомнили, поскольку формально решение строить никто не отменял, но дефолт конца 1990-х помешал довести дело до конца.

Проекты магнитопланов в СССР не ограничивались коммунальным транспортом. В 1970-х годах велись работы над скоростным поездом на магнитной подвеске для линии Москва – Юг. Согласно техусловиям, разработанным ВНИИЖТ, поезд из 10 вагонов должен был двигаться со скоростью до 400 км/ч. Каждый вагон вместе с 75 пассажирами должен был весить 40 тонн. Таким образом, поезд по основным параметрам не уступал бы созданному в 1980-х германскому Transrapid-06, а по вместимости даже превосходил бы его.

В 1970-х работы по этой программе шли по всему Союзу. Была большая лаборатория во ВНИИИЖТ, задействовались лаборатории в Ленинграде, Киеве, Днепропетровске, Ереване, ряд организаций в Омске, Белоруссии, Латвии… На самом крупном электровозостроительном заводе страны – Новочеркасском, а точнее – в институте ВЭЛНИИ при заводе, был построен опытный путь, на котором испытывался экипаж, похожий на Transrapid-01.

Изюминкой конструкции была оригинальная система подвески, в которой в отличие от «Трансрапида» и японского HSST направляющие, поддерживающие магниты и линейный двигатель, были объединены в единый тягово-подъемный модуль, спрятанный под нижней поверхностью балки и защищенный тем самым от снега и льда.

Исследовательские полигоны построили также в Ереване и в Омске (для испытаний контактной подвески). Однако к 1980-м годам выяснилось, что как рельсовые экипажи, так и магнитопланы в равной степени способны развивать скорости, необходимые для пассажирского движения. По расчетам, из-за сопротивления воздуха на открытом пути предельную скорость нет смысла делать выше 500 км/ч.

В вакуумной трубе скорость обеих систем может быть доведена до нескольких скоростей звука. Еще 35 лет назад японский профессор Кенойя Одзава построил модель поезда на колесах, достигшую скорости 2300 км/ч, и катал на ней животных. Получалось, что магнитопланы имело смысл внедрять лишь там, где рельсовые поезда по каким-то причинам невыгодны – например, при очень интенсивном движении, где надо снизить износ экипажа и рельс и потребность в выправке пути. Не случайно первая коммерческая линия «Трансрапида» построена в Китае, отличающемся большой плотностью населения.

Первая их них – электродинамическая подвеска со сверхпроводящими магнитами, которую исследовали на опытном кольце в Эрлангене с 1972 по 1977 год. В такой подвеске подъемная сила растет со скоростью движения, так что при скорости 500–600 км/ч зазор в подвеске может достигнуть 200 миллиметров; при малых же скоростях (менее 100 км/ч) аппарат «приземляется» на колеса, как самолет. Это очень выгодно для высокоскоростного движения, так как обеспечивает безопасность при наличии неровностей пути.

Сейчас наиболее известны работы с электродинамической подвеской, проводимые в Японии на опытном полигоне в Яманаши, где была достигнута скорость около 600 км/ч, а также проект Maglev 2000 (США). Но мало кто знает, что данным направлением также занимались и в СССР. Опытные установки были построены в МИИТ и ЛИИЖТ. После начала промышленного кризиса работы продолжались и при перекрытом финансировании.

Еще один путь, считавшийся почти безнадежным, – использовать для подвески поездов постоянные магниты. В принципе такая система очень хороша для городского и пригородного транспорта: пути и ходовая часть экипажа не изнашиваются, переменные магнитные поля значительно ниже, сама система предельно проста – вагон висит в воздухе без всякой автоматики и подачи электроэнергии и упадет, если только разломать путь. Однако для реализации сколь-нибудь существенной грузоподъемности требовалось столько дорогих магнитов, что проект становился бессмысленным.

Тем не менее в 1980-х годах в СССР было сделано «принципиально невозможное» – построены и успешно испытаны дороги на постоянных магнитах. Правда, не для пассажиров, а для нужд индустрии.

Отечественный ученый Александр Искандеров нашел простое и остроумное решение – установить магниты так, чтобы они работали не «в лоб», а «на сдвиг» – так усилие подвески меньше менялось при увеличении зазора, и при отклонениях экипажа в любую сторону он возвращался обратно. В 1987 году в Орехово-Зуево был построен опытный 250-метровый путь, по которому в течение трех лет гоняли шеститонный состав со щебнем со скоростью 11 км/ч. Смысл применения столь необычного устройства в карьерах был в том, что магнитные силовые линии в отличие от колес и подшипников никогда не изнашиваются, да и энергии на привод требовалось в пять раз меньше. И немудрено – сопротивление движению такого экипажа в 20 раз меньше, чем рельсового поезда.

Грузоподъемность системы была доведена до 500 кг на погонный метр пути. А значит, стало возможным возить и пассажиров. Действительно, были созданы два проекта – для ВДНХ и для зоопарка в Ташкенте, но, к сожалению, оба они были остановлены с началом промышленного кризиса в распавшемся СССР. В дальнейшем Искандеров продолжил свои работы в НПЦ «Магнит».

Сегодня можно сказать, что в отношении магнитопланов преждевременно ликовать, но и рано ставить точку. То, что было создано в этом направлении в ХХ веке, можно смело считать лишь предысторией магнитной левитации. Открытие высокотемпературной сверхпроводимости, развитие массового производства магнитотвердых ферритов, удешевление цифровых технологий для систем управления и силовой полупроводниковой электроники – все это может в будущем значительно изменить наши представления о магнитопланах и их месте среди других видов транспорта. Самые интересные находки, самые удивительные изобретения, самые необычайные плоды инженерной мысли еще впереди.

Автор выражает искреннюю признательность Виталию Лисову, Константину Рогачеву и Александру Искандерову за любезно предоставленные снимки отечественных аппаратов на магнитной подвеске.