Научные проблемы транспорта

Железнодорожный транспорт. Одна из основных научных про­блем — повышение скорости движения - обострилась в связи с ухудшением экологической обстановки в мире, что по­требовало расширения использования транспорта на электричес­кой энергии. Поскольку провозная способность железных дорог во много раз превышает этот показатель на других видах транс­порта, то электрифицированный железнодорожный транспорт в настоящее время наиболее предпочтителен.

Экономически эффективной является скорость до 340 км/ч (ско­рость свыше 300 км/ч получают при применении магнитного под­вешивания). Такая скорость дает определенные преимущества же­лезным дорогам в конкурентной борьбе с другими видами транспорта, причем длина трассы для повы­шения скорости до намеченного уровня должна быть не меньше 600 — 800 км. Увеличение скорости железнодорожного транспорта привело к необходимости решения ряда проблем.

Потребовалось увеличение мощности (тяги). При скорости 200 км/ч 30 % массы приходится на электрооборудование, поэто­му необходим дополнительный двигатель. Сегодня эксплуатируются электровозы мощностью 11 тыс. л.с, тепловозы — мощнос­тью 8 тыс. л. с. При такой мощности локомотива поезд может пере­возить одновременно до 7,5 тыс. т груза, что недостаточно для эффективных перевозок, особенно массовых дешевых грузов.

Потребовалась замена двигателей. Сегодня необходимо приме­нение газ.0вых, турбореактивных и других типов двигателей, но остаются нерешенными проблемы шума.

Появилась проблема герметизации вагонов. При скорости свы­ше 250 км/ч у человека возникают болевые ощущения в ушах, поэтому необходимо применение трехслойных стекол.

Необходимо создание бесстыкового пути (так называемого «бархатного пути»), при котором число рельсовых стыков (самых уязвимых и напряженных мест пути) будет минимально.

Осевые нагрузки на путь увеличиваются с повышением ско­рости и массы поездов, что требует создания более прочных путей. Прочность пути определяется, прежде всего, прочностью рель­сов, поэтому создаются усиленные рельсы (25 — 30 т на ось).

Увеличение массы поезда. Требуется не только повышение мощ­ности локомотива, но и изменение технологии сбора поезда, в том числе требуются дополнительные локомотивы (так называе­мая кратная тяга) в середине и конце поезда.

Увеличение массы поездов повлекло за собой ряд проблем, главной из которых можно считать торможение. При скорости бо­лее 200 км/ч при торможении на каждую ось выделяется 36 МДж теплоты (1 Дж равен примерно 0,239 кал), что потребовало созда­ния новых материалов, выдерживающих температуру свыше 1000 °С, и разработки новых принципов торможения.

Для удержания вагонов поезда большой массы, особенно на уклонах, потребовалось изменить принципы автосцепки вагонов.

Увеличение длины поезда привело к необходимости удлинения приемо-отправочных и сортировочных станций, включая пассажирские платформы, что, в свою очередь, осложнило проблемы экологии в части занятости территории

Увеличение скорости привело к проблемам управления движением, обусловленным тем, что при скорости более 160 км/ч гла1 человека не воспринимает информацию об окружающей среде; следовательно, машинист не может обеспечить безопасность движения. Это, в свою очередь, потребовало развития систем авто­матической блокировки движения при занятом перегоне.

Более пассивная роль машиниста вылилась в возможность его замены на «автостоп-дублер машиниста», т.е. создание систем автоматического управления транспортным средством без участия машиниста.

Автомобильный транспорт. Одной из основных проблем также является повышение скорости движения. Эта проблема комплексная, требующая повышения коэффициента полезного действия (КПД) двигателя путем замены традиционного двигателя внутреннего сгорания с КПД в пределах 20%, на более мощные: газотурбинный, дизельный.

Продолжаются работы по созданию автомобилей повышенной грузоподъемности и пассажировместимости, что требует решить целый ряд вопросов, связанных прежде всего с качеством автомобильных дорог.

Для обеспечения качества дорог необходима замена традиционных материалов на новые, более прочные и дешевые.

Очень важная и сложная проблема автомобильного транспорта - взаимодействие с окружающей средой. Автомобильный транспорт является сегодня одним из наиболее экологически опасных видов транспорта. Основное направление научных исследований — это поиск новых видов топлива: водородного (считается топливом бу­дущего, первый патент — в 1854 г.), энергии Солнца, спиртов, добавок к бензину, синтетических ви­дов (многие на угольной основе) и др., а также работы по внедрению электроэнергии в автомобильный транспорт.

Для снижения стоимости автомобильных перевозок необходимо решить проблему увеличения моторесурса, т.е. повышения долго­вечности службы двигателя и других частей автомобиля, которая связана с конструкцией автомобиля, его назначением, применяе­мыми материалами, точностью сборки, качеством дорог и др.

Усложнившиеся условия движения привели к созданию «летающего» автомобиля. Он имеет восемь двигателей, управляется компьютером.

Остро стоит проблема безопасности на автомобильном транспорте.

Водные виды транспорта. Возникают следующие проблемы, тре­бующие вмешательства науки. Это, прежде всего, увели­чение грузоподъемности (дедвейта).

Дело заключается в том, что при тройном увеличении грузо­подъемности себестоимость перевозок снижается в два раза, а учитывая номенклатуру и дальность перевозимых грузов на вод­ных видах транспорта (массовые относительно дешевые грузы), этот вопрос очень актуален.

Большая грузоподъемность потребовала, решения вопросов комплексной механизации и автоматизации погрузочно-разгрузочных работ с целью уменьшения времени простоя транспортных средств под перегрузочными операциями.

Увеличение мощности силовых установок привело к необходимости разработки новых типов двигателей (например, паротурбинные, стирлинги, атомные и др.). Применение воздушной подушки и подводных крыльев позволяет уменьшить мощность двигателя при той же грузоподъемности судов.

Увеличение мощности ведет обычно к увеличению расхода энер­гии, что с точки зрения экологии является нежелательным. Возникает проблема экономии энергии.

Повышенная грузоподъемность привела к возникновению про­блемы реконструкции портов для углубления дна (капиталоемкие мероприятие), так как у судов грузоподъемностью 300 тыс. т осадка достигает 17 м, и то благодаря их повышенной ширине (что умень­шает скорость и маневренность).

Увеличение грузоподъемности привело и к целому ряду про­блем, связанных с осадкой судов. Как отмечалось выше, для про­хода судов необходима гарантированная глубина, или фарватер. Требуется также изменение принципов организации перегрузки на причале.

На водных видах транспорта остаются нерешенными вопросы повышения скорости движения и маневренности. Проблема слож­на, так как сопротивление движению растет пропорционально скорости, возведенной в третью степень, из-за двойной среды «воздух—вода», а плотность воды в 800 раз выше плотности воз­духа. Веками считали низкую скорость на водных видах транспор­та непреодолимым барьером. Сейчас существует два основных на­правления решения проблемы увеличения скорости, создание су­дов подводного (судно опускается целиком под воду) и надвод­ного (судно поднимается над водой) плавания.

Повышение скорости приводит к проблемам маневренности и торможения судов. Для повышения маневренности применяют во­дометы, успокоители качки и пр. Проблемы торможения решают­ся различными способами, в частности с помощью раскрываю­щихся парашютов (прием, применяемый практически на всех видах транспорта), раскрывающихся закрылков и др.

Воздушный транспорт. Главная проблема воздушного транспор­та - максимальное увеличение скорость - осложняется тем, что получение гиперзвуковых скоростей.

в принципе, достижимо, но переносить такие скорости человек способен только после определенной тренировки (в настоящее время практикуется в военной авиации при строгом медицинском отборе и постоянном контроле). Поскольку перевозка требуется людям разного возраста и состояния здоровья, то повышенные скорости могут быть лишь такими, которые не причинят неприятных ощущений пассажирам, так как комфорт является одним из основных показателей качества обслуживания.

Первый отечественный сверхзвуковой самолет Ту-144 со скоростью 2500 км/ч был продемонстрирован в декабре 1968 г., а зарубежный Конкорд совместного производства Франции и Англии в феврале 1969 г. Американские эксперименты на фирмах «Локхид» и «Боинг» успеха не принесли.

Для сверхзвуковых самолетов используются идеи изменения пилотажных систем - применение дельтавидного крыла (отечественный опыт) и изменяющейся геометрии крыла, разработанной вся Франции еще в 1912 г.

Проблема повышения скорости потребовала замены конструкционных материалов для строительства и эксплуатации самолетов, так как у алюминиевых сплавов предел нагрева 120 - 130"С, а при скорости 3 000 км/ч и более температура повышается до 260 °С, что требует применения очень дорогих титановых сплавов.

Большие работы ведутся на воздушном транспорте по замене взрывоопасного топлива на другие виды.

В авиации с 1980 г. ведутся работы по внедрению электродвигателя с подзарядкой батарей от Солнца (опыт Канады, Англии).

При высоких скоростях усложняется также пилотажная систе­ма, поскольку глаз человека не может адаптироваться к измене­нию внешней среды. Появляется проблема автоматического веде­ния самолета по маршруту, т.е. создание бортовых компьютеров, регулирующих работу двигателя и движение самолета в автомати­ческом режиме, для чего устанавливаются параллельные каналы управления.

Совершенствуются средства автоматики, обеспечивающие взлет-посадку в любую погоду в любых условиях видимости, - создаются так называемые всепогодные самолеты.

Повышенные скорости создают очень большую, достаточно сложно устранимую проблему шума.

Сложная проблема — увеличение пассажировместимости и гру­зоподъемности. Американский самолет «Галактика» пассажировместимостъю 900 человек не нашел широкого приме­нения из-за сложности эксплуатации и требования повышенной прочности посадочных полос.

Наша страна опережает другие страну по созданию грузоподъемных вертолетов. Так, вертолет «Ми» поднимает до 40 т на высо­ту 2000 м, причем при меньшей высоте грузоподъемность может быть больше, но при этом усложняется эксплуатация и труднее обеспечивается безопасность полета. Построен вертолет Ка-32 для доставки грузов на места зимовки с борта кораблей, работающих на Северном морском пути. Создан вертолет Ми-26Т, предназна­ченный для транспортировки тяжеловесных грузов на расстояние 400 — 700 км со скоростью 255 — 295 км/ч.

Разработаны самолеты небольшой вместимости, например тур­бовинтовой всепогодный самолет М-101 «Гжель» бизнес-класса на восемь пассажиров, которым предполагается заменить Як-40 и Ан-24. Этот самолет имеет противообледенительную систему и со­временную систему управления, обеспечивающую безопасность

полетов.

Увеличение пассажиропотока на воздушном транспорте, по­вышение комфортности, снижение стоимости проезда, вызван­ные конкуренцией между видами транспорта, привело к созданию самолетов с отделяющимися салонами (самолет из стандартных модулей по типу поезда) на случай пожара (система запатентова­на в США) или для высадки-посадки пассажиров по маршруту следования. Отделяемые салоны могут спускаться на землю в рай­он аэропорта на парашютах.

Проблема топливной экономичности самолетов усугубляется с ростом их массы и скорости. Самолеты новых серий при хорошей комфортабельности имеют меньший расход топлива по сравнению с самолетами других серий. Сегодня миро­вой стандарт расхода топлива — примерно 400 г на 1 пасс.-км (за­висит от режимов работы двигателя, его типа, КПД и условий полета, в том числе скорости).

Требования повышения безопасности полетов, скоростей, ком­фортности и др. создают проблемы аэропорта. Занятость территории как экологическая проблема требует сокращения количества зем­ли, отводящейся под строительство аэропорта (площадь совре­менных аэропортов может достигать 70 км², например аэропорт им. Далласа в Вашингтоне), но реактивные самолеты нуждаются в нескольких 4—5-километровых дорожках для взлета-посадки «на ветер». Боковой ветер может снести реактивный самолет с дорож­ки из-за малой опоры на землю. Нужно заметить, что большой процент аварий происходит при взлете-посадке самолетов.

Проблемы аэропортов решаются следующими способами: создаются самолеты укороченного и вертикального взлета (удачный опыт в военной авиации с 1969 г.); подземные аэропорты по типу подземных вокзалов на железнодорожном транспорте; применяется посадка самолетов на автомагистраль (например, Ташкент-Самарканд); разрабатываются самолеты-амфибии для взлета с водки через 80 м пробега (удачный опыт Японии) и др. Самолеты короткого взлета - это промежуточные до вертикального взлета - системы, требующие посадочные полосы длиной 300 - 600 м. Подобная техника демонстрировалась еще на военных парадах 1965 г.,не только в нашей стране, но и в Германии, Франции, США и др. В настоящее время эту конструкцию отличают высокий уровень шума и значительная стоимость.

Необходимо создание самолетов, не требующих повышенной прочности взлетно-посадочных полос в связи с большим весом самолетов, атмосферным воздействием и воздействием газовых струй, особенно от реактивных самолетов (температура - до 600 °С). Воздействие этих негативных факторов уменьшает сроки службы | дорожного покрытия и резко увеличивает стоимость эксплуатации аэропорта. Идет поиск новых строительно-дорожных материалов. Так, различные добавки в бетонную смесь, в частности резины от отработанных автомобильных шин, повышают износостойкость дорожного покрытия. Некоторые конструкции самолетов серии Ан рассчитаны на взлет-посадку на грунтовую полосу длиной не более 600м, в частности Ан-78 германо-российско-украинского консорциума.

На местных линиях применяется самолет Ан-28, способный взлетать с необорудованных грунтовых аэродромов при длине взлет­но-посадочной полосы 550 м. Возможна эксплуатация самолета Як-42 при короткой взлетно-посадочной полосе грунтовых аэро­дромов.

Проблемы безопасности взлета-посадки решаются путем созда­ния автоматизированных систем управления воздушным транс­портом (например, система «Старт» в Санкт-Петербурге). Такие системы значительно повышают безопасность работы воздушного транспорта, увеличивают пропускную способность и сокращают до 20% время пребывания самолета над пространством аэродрома в ожидании сигнала, разрешающего посадку.

Необходимо создание системы обслуживания самолетов на тер­ритории аэропорта — предрейсовые осмотры, заправка водой, топливом, воздухом, продуктами питания для экипажа и пасса­жиров и др. Сегодня на заправку одного самолета необходимо 2 — 3 двадцатипятитонных автомобиля, что небезопасно при дви­жении по территории аэродрома. Одним из вариантов решения этой проблемы является замена топливозаправщиков на трубо­проводный подземный транспорт с выведением средств заправки в определенные места стоянок. Такая система нормирует и контролирует расход топлива, уменьшает время заправки и сте­пень опасности.

Велика проблема нормального функционирования взлетно-поса­дочных полос в зимний период из-за гололеда, заносов, снегопа­дов, что требует применения специальной техники на террито­рии аэродромов.

Особо остро стоят вопросы обеспечения безопасности движе­ния, которая определяется способностью технических средств, эки­пажа, службы подготовки и обеспечения полета осуществлять пе­ревозки без угрозы для жизни и здоровья людей. Существует пред­убеждение, что воздушный транспорт является особо опасным. Однако статистика доказывает, что на единицу продукции воз­душный транспорт в несколько раз менее опасен, чем автомо­бильный. По мнению английской компании «Ллойд» (крупнейшая в мире страховая компания по транспорту), летать на самолете в 25 раз безопаснее, чем ездить на автомобиле.

Предвзятое мнение об опасности авиации вызвано тем, что в самолете одновременно находится большое количество людей, осо­бенно с увеличением пассажировместимости современных само­летов, а зафиксированы лишь единичные случаи спасения людей при авиакатастрофах. Вероятность катастрофы для пассажира в среднем не превышает единицы на 500 тыс. полетов. Эту цифру подтверждает и статистика компании «Боинг».

Основными причинами аварий на воздушном транспорте счи­тается аритмия сна и биоритмов у экипажа (до 50 % аварий), так как воздушный транспорт работает круглосуточно; неисправность техники (примерно 12% от суммы аварий); случайные (стохасти­ческие) причины: молнии, град, сильный дождь, низкая облач­ность, туман, сильный ветер (над Москвой, например, скорость ветра может достигать 200 — 250 км/ч) и другие атмосферные яв­ления, турбулентность воздушных потоков и пр.

Одной из причин авиакатастроф являются птицы. Они влияют на безопасность полетов самолетов, особенно в, районе аэропор­тов во время взлета-посадки. Создан специальный раздел орнито­логии, рассматривающий возможность перемещения мест гнез­довий птиц из окрестностей аэропортов без их физического унич­тожения.

Устранению аварий способствует применение математических методов в организации управления движением самолетов. Все воз-

Продолжаются работы по проектированию и строительств" аппаратов легче воздуха {дирижаблей, воздушных шаров и др.), перевозки пассажиров и грузов, в том числе тяжеловесных и круп негабаритных.

Трубопроводный транспорт. Основная проблема трубопроводного транспорта — повышение пропускной способности трубопроводов. Решается она путем увеличения диаметра труб, повышения рабочего давления в насосных станциях и строительств вторых нитей трубопровода. Так, при диаметре трубы 720 мм го­довая провозная способность составляет 15 млн т, при 1020 мм (наиболее распространенный в нашей стране диаметр) — 45 млн та при 1420 мм —- 75 млн т. Диаметр 1020 мм считается наиболее совершенным, в связи с чем США переходят с традиционно при­нятого в их стране диаметра 400 мм на 1020 мм.

Повысить пропускную способность в 2 раза можно при диа­метре труб 1600 мм и давлении 7,5 МПа; при диаметре 2000 мм можно достичь увеличения пропускной способности в 3 — 4 раза, но при этом вырастут затраты на изготовление и перевозку труб. Эксперимент по прокладке труб диаметром 2500 мм экономиче­ски себя не оправдал.

Газ в сжиженном состоянии повышает производительность в 3—4 раза, но из-за повышения его химической активности для строительства трубы требуются более дорогие легированные ста­ли. Кроме того, природный газ, добавляемый из скважин, имеет температуру около 40 °С и требует охлаждения до температуры грунта (многие газопроводы находятся в районах вечной мерзло­ты). На 1 км газопровода диаметром 1420 мм требуется примерно 700 т труб.

Все это обострило проблему создания прочных, дешевых и тонкостенных труб.

Мощность насосных станций в настоящее время — 5,0 МПа, осуществляется их переход на 7,5 МПа, но оптимальным считает­ся — 10,0 МПа и выше, что потребует изменения прочности трубы для повышения экологической безопасности ее работы. Увели­чение давления требует создания многослойных труб, что значи­тельно дороже.

Наиболее остро стоит проблема защиты труб от внутренней и внешней коррозии и блуждающих токов. Страна ежегодно теряет до 15 млн т стали из-за коррозии. Изоляция внутренних поверхностей труб повышает их пропускную способность на 5 — 8%, но увели­чивает стоимость. В больших городах металлические трубы подвер­жены влиянию блуждающих токов. Применяемое битумно-бумаж­ное покрытие труб эту проблему решает не полностью. Более ус­пешно справляются с коррозией полимерные пленки с защитны­ми обертками, эпоксидные и лакокрасочные пленки, пенополиуретан и другие материалы, а также электрохимическая защита. Для труб большого диаметра успешно применяется защита в виде минеральной ваты и оцинкованного стального листа. За рубежом широко применяют полиэтиленовые покрытия на предварительно нанесенный клеевой состав из бутилкаучука или покрытия на основе эпоксидных смол, обладающих высокой адгезионной прочностью и стойкостью к повышению температур, а также многослойные покрытия из полиэтиленовых и поливинилхлоридных лент, накле­иваемых на липкую грунтовку из бутилкаучука (в Японии используется самоклеющийся слой из бутил каучукового компаунда). |

Самое лучшее решение проблемы коррозии — эмалирования труб - дорогостоящий, но надежный способ, применяемый городах при подземной прокладке труб.

Существует проблема защиты груза от турбулентности, умень­шающей скорость движения. Решение этой проблемы подсказала сама природа. В растительном мире существуют водоросли, которые разбивают потоки речной воды и устраняют тем самым возможность ее застоя, отрицательно сказывающегося на жизнедеятельности всех живых организмов, обитающих в реке. В трубопро­воде прокладывают искусственные водоросли, устраняя тем самым турбулентность.

Большая проблема — это укладка труб в местах залегания неф­ти и газа, особенно в районах вечной мерзлоты, пустынно-степ­ных районах Заволжья, Сибири и Дальнего Востока. Металлические трубы нагреваются от трения при перекачке грузов, и мерз­лый грунт может протаивать, приводя к обрыву трубопровода. Кроме того, подземные укладки трубопроводов меняют тепловой режим почвы. При пониженных температурах воздуха обычные мар­ки стали становятся хрупкими. В лавиноопасных районах необхо­димо применять многослойные трубы, выдерживающие большие ударные нагрузки. Такие трубы позволяют, к тому же, повышать давление до 15,0 МПа.

Проблема замены металла при производстве труб актуальна по разным причинам: стоимость металлических труб довольно высока, коррозия металла приводит к небезопасности эксплуа­тации труб и т.д. Лучшим выходом считается производство труб из пластмассы. Опыт применения пластмассовых труб во многих странах мира показал их высокую рентабельность: 1 т пластмассо­вых труб заменяет 7,5 т стальных и 12 т чугунных труб. Отдельные пластиковые трубы при диаметре 70 мм выдерживают давление до 25 МПа, что позволяет в 1,5 раза увеличивать пропускную спо­собность. Однако прочность и термостойкость пластиков еще не­достаточны.

Для повышения безопасности необходимо изменить способы спайки и сварки швов. Так, в настоящее время стали применять лазерную технику для этих видов работ.

Для улучшения экологической обстановки и уменьшения по­терь груза при авариях необходим быстрый поиск неисправностей, для чего разработан метод дистанционного обнаружения повреж­дений лазерным анализатором, установленным на подвижном со­ставе воздушного транспорта.

Необходимо решить проблему расширения номенклатуры гру­зов, перевозимых данным видом транспорта. Сегодня находит распространение перекачка угля, обычно в виде суспензий, т.е. водно-угольной смеси. Однако не все сорта угля можно транс­портировать таким способом. Массовые сыпучие грузы, напри­мер зерно, известь и др. часто перекачиваются в потоке воздуха, т. е. по пневмопроводам, в основном, на промышленном произ­водстве.

Кроме того, разрабатывается идея транспортировки твердых грузов (нефтяных масел быстро застывающих сортов и т. п.) в кап­сулах или контейнерах в потоке вместе с жидкими грузами.

Во всем мире распространена транспортировка бытовых отхо­дов по трубопроводу непосредственно из жилых помещений до мест переработки. Такая система применяется, например, в Мос­кве в районе Северное Чертаново. Трубопроводы применяются в библиотеках для доставки книг из хранилищ (например, в биб­лиотеке им. В. И.Ленина Москвы, библиотеке им. М.Е.Салтыкова-Щедрина Санкт-Петербурга).