Какие это поезда – летающие?

Летающие поезда считаются транспортом XXI в., работы над ними ведутся во всех развитых в техническом отношении странах. А все начиналось в 1910 г., когда бельгиец Э. Башле – простой рабочий-монтер, не получивший никакого специального образования, построил первую в мире модель летающего поезда и испытал ее. Э. Башле упорно работал над осуществлением своей идеи почти 20 лет. Конечно, для перевозки пассажиров его модель была мала, но все-таки произвела ошеломляющее впечатление на современников. Еще бы – 50-килограммовый сигарообразный вагон летающего поезда разгонялся до неслыханной тогда скорости – свыше 500 км/ч!

Магнитная дорога Башле представляла собой цепочку металлических столбиков с укрепленными на их вершинах катушками. Пока тока в этих катушках не было, вагон лежал на них неподвижно. Но после включения тока вагончик приподнимался над катушками и повисал в воздухе. Теперь его мог сдвинуть с места даже ребенок. Но толкать этот вагончик было не нужно – он разгонялся сам, тем же магнитным полем, на котором подвешен.

Летающий вагон Э. Башле вызвал сенсацию во всем мире, его называли чудом XX в. Во Франции решили применять вагончики Э. Башле вместо популярной тогда пневматической городской почты, в Англии собирались строить натурный образец дороги Э. Башле с крупными вагонами. Но потом работы прекратились, и о сенсационных когда-то проектах забыли.

Практически одновременно с Башле – в 1911 г. – профессор Томского технологического института Б. Вейнберг разрабатывает гораздо более экономичную подвеску летающего поезда. В отличие от Э. Башле Вейнберг предлагал не отталкивать дорогу и вагоны друг от друга, что чревато громадными затратами энергии, а притягивать их друг к другу обычными электромагнитами. Разумеется, дорога должна быть расположена сверху от вагона, чтобы своим притяжением компенсировать силу тяжести поезда.

Однако любой магнит, в том числе и электрический, если уж, притягивая, стронул тело с места, то обязательно притянет его к себе до соприкосновения. К счастью, электромагнит можно вовремя выключить, и тело остановится на любом, заранее заданном расстоянии от него.

Но летящий поезд Вейнберга был устроен хитрее. Железный вагон первоначально располагался не точно под электромагнитом, а несколько позади него. При этом электромагниты подвешивались на «потолке» дороги на всей ее длине с некоторым интервалом между ними.

Пуская ток в первый электромагнит, мы вызывали и подъем железного вагончика, и продвижение его вперед, по направлению к магниту. Но за мгновение до того, как вагончик должен был прикоснуться к электромагниту и прилипнуть к нему, ток выключался, и вагончик, продолжая лететь вперед из-за набранной им скорости, начинал снижать высоту. Тут включался следующий электромагнит, и вагончик, попадая в его магнитное поле, опять поднимался вверх, увеличивая скорость движения вперед. Так по волнообразной траектории вагончик «перебегал» от магнита к магниту, не касаясь их (рис. 346).

Рис. 346. Подвеска летающего вагона Б. Вейнберга: 1 – электромагниты; 2 – вагон

Профессор Вейнберг оказался дальновиднее Башле и в другом. Зная о большом сопротивлении воздуха при движении любого тела, в том числе и вагона, с высокими скоростями, изобретатель поместил свой вагон в немагнитную – медную трубу, из которой откачал воздух. И если Башле для снижения сопротивления воздуха, придал своему вагончику сигарообразную обтекаемую форму то для Б. Вейнберга обтекаемость вагончика была ни к чему. Так как внутри трубы воздуха практически не было, отсутствовало и сопротивление, – вагончик имел форму обычного цилиндра. К верхней части трубы крепились электромагниты, которые разгоняли вагончик Б. Вейнберга до скорости 800 км/ч! С такой скоростью летели только снаряды крупнокалиберных короткоствольных пушек – мортир и минометов. Конечно, еще экономичнее было бы использовать вместо электромагнитов сильные постоянные магниты, но вот беда – их нельзя выключать! Поезд неизбежно притянулся бы к потолку и прилип к нему.

Тут в самый раз вспомнить, что наука, техника множество раз вновь и вновь обращалась к старым, казалось бы, уже отжившим решениям. Не зря говорится, что новое – это хорошо забытое старое. Все это в полной мере применимо и к подвесу летающих поездов. Если не хотите, чтобы магнит прилипал к магниту, измените полярность одного из них – и они будут отталкиваться (рис. 347)!

Рис. 347. Отталкивание одноименных полюсов магнитов и есть принцип магнитной подвески

Вот и пришли специалисты по подвесу летающих поездов снова к идее Башле, но вместо электромагнитов переменного тока применили обычные постоянные магниты. Дорогу, над которой должен быть подвешен поезд, вымостили магнитами так, чтобы они были обращены вверх одноименными полюсами. Днище вагона тоже было покрыто магнитами, обращенными вниз также одноименными полюсами, но так, чтобы вагон отталкивался от дороги (рис. 348).

Рис. 348. Вагон, подвешенный на постоянных магнитах:

1 – скользун; 2 – вагон; 3 – магнит вагона; 4 – магнит дороги

Здесь следует соблюдать по меньшей мере два условия: магниты должны быть достаточно сильны, чтобы поднимать вагон над дорогой, а кроме того, вагон не должен сваливаться набок – ведь подвеска на постоянных магнитах, как мы знаем по запрету Ирншоу, нестабильна.

Считается, что при скоростях свыше 500 км/ч обычные колеса применять уже опасно. Специальные колеса из сверхпрочных и легких материалов допускают кратковременное двойное увеличение скорости, например на рекордных гоночных ракетных автомобилях. Но это очень ненадежные колеса, и именно из-за их поломок чаще всего случаются аварии.

Между тем для испытания ракет на земле сплошь и рядом применяют салазки-скользуны, скользящие по направляющим рельсам. Выдерживают они скорость в несколько раз большую, чем скорость звука, правда, при больших потерях энергии – как-никак приходится нести на себе всю тяжесть испытуемых устройств. Скользуны же, предохраняющие вагон на магнитной дороге от падения набок, практически не несут никаких нагрузок, поэтому расход энергии и износ в них ничтожны.

Вернемся к вопросу, – хватит ли сил постоянных магнитов для поддерживания вагона над дорогой. Во времена Гильберта вряд ли получилось бы построить такую дорогу. Но с тех пор возможности постоянных магнитов существенно выросли.

В начале XX в. для постоянных магнитов стали применять хромистые, вольфрамовые и кобальтовые стали, а в 30-х гг. – специальные магнитные сплавы, позволяющие получить очень сильные магниты. Причем совершенно не обязательно, чтобы компоненты этих сплавов были ферромагнетиками. Кажется парадоксальным, но, например, сплав Гейслера, состоящий из двух парамагнетиков (марганца и алюминия) и одного диамагнетика (меди), – сильный ферромагнетик. Или удивительный сплав – сильманал. Он также не содержит ни одного ферромагнетика: марганец, серебро и алюминий. Сильманал дает очень сильные постоянные магниты, причем в отличие от большинства из них он не хрупок. Магниты из сильманала можно обработать на станках, прокатывать из него ленту, изготовлять проволоку.

Но наиболее практичный магнитный сплав – это альнико, состоящий из алюминия, никеля и кобальта, из него и сейчас делают много постоянных магнитов. В 50-е гг. XX в. были получены дешевые и легкие магниты на основе ферритов бария – материала дешевого и очень распространенного в России.

Существуют, правда, магниты – чемпионы по своим свойствам, но они очень дороги. Например, сплав платины с кобальтом позволит получить магнит, способный поднять железный груз, в 2 000 раз больше собственного веса.

Однако более перспективны недавно появившиеся постоянные магниты из редкоземельных материалов самария, неодима и празеодима в их сплаве с кобальтом и железом. Магниты из редкоземельных элементов, например самарий-кобальтовые, обладая силой, не меньшей, чем платино-кобальтовые магниты, гораздо дешевле их. Современные цены на эти магниты всего в несколько раз больше, чем на заурядные, но во сколько раз они сильнее последних!

Но не будем пока ориентироваться на эти перспективные магниты. Даже дешевые ферриты, которыми вымощена одна из действующих магнитных дорог, при зазоре между магнитами в 10 мм позволяют получить подъемную силу в 12,3 кН на каждый квадратный метр замощенной площади пути. Масса же самих магнитов, например, для 100-местного вагона, рассчитанного на скорость 450 км/ч, составила 18 % от общей массы вагона. Достоинство такой магнитной дороги – простота и отсутствие затрат энергии на подвешивание поезда.

Если же говорить о перспективах, скорость, большую, чем 500 км/ч, мешает развить только сопротивление воздуха. Выход из этого положения один – тот, которым воспользовался профессор Вейнберг. Поместив летающий поезд в трубу или тоннель, из которого выкачан воздух, можно получить не только сверхзвуковую, но и космическую скорость. А вакуума в трубе бояться не следует: сегодняшние герметичные самолеты летают в атмосфере, мало отличающейся по разрежению от той, что в трубе для поезда на магнитной подушке. Перспективный проект дороги «Планетран», которая должна соединить восточное и западное побережья США, предусматривает поезд на магнитной подвеске в вакуумной трубе-тоннеле. Скорость поезда 22 500 км/ч, что почти равно первой космической скорости!

Удобно так быстро передвигаться, особенно в такой большой стране, как Россия. Заметим, что ни на каком летательном аппарате, кроме космической ракеты, такую скорость развить нельзя. А в вакуумной трубе – пожалуйста. И никаких затрат топлива с окислителем не понадобится – поезд в трубе будет разгоняться бегущим магнитным полем, как в электромоторах, о чем будет еще рассказано. А огромную кинетическую энергию, которую накопит этот поезд, можно будет отобрать от него таким же образом, только на режиме торможения. Совсем как в лифтах: при подъеме груза потенциальная энергия накапливается, а при спуске она через посредство электромотора отдается обратно в сеть.

Позвольте, а ведь такой поезд мог бы служить отличным накопителем энергии глобального масштаба! Ведь каждый килограмм массы, движущейся со скоростью 8 км/с накапливает энергию в 32 МДж, или почти 10 кВт·ч. Это неслыханно большая удельная энергоемкость накопителя. А при массе поезда, например 106 кг, что является средним показателем, он накопит почти 10 млн кВт·ч энергии. Накопленная энергия такого порядка могла бы существенно улучшить энергосистему не только крупной страны, но и целого мира. В одной части земли – день, в другой – ночь. Накопленная энергия могла бы подаваться в ту часть мира, где она нужнее всего. Если ориентироваться на солнечную энергию, то избыток ее в той части мира, где светло, тоже надо бы накопить в расчете на пасмурную погоду или ночь. В развитых странах мира стоимость электроэнергии ночью гораздо меньше, чем днем, а накопитель мог бы эту стоимость сбалансировать.

Одна беда – пришел поезд на конечный пункт, и хочешь не хочешь – выделяй всю накопленную энергию для остановки! Но этого можно не делать, если замкнуть такую скоростную дорогу в кольцо. Расчеты показывают, что для этого совсем не обязательно тянуть дорогу через весь земной шар, хотя это было бы лучше всего. Автор подсчитал, что вполне хватило бы, по крайней мере для нужд всей страны, кольцевой дороги размером с Московскую кольцевую автодорогу (длиной 100 км). При этом и сам поезд должен быть замкнут в кольцо, а размеры «вагонов» по сечению могут быть всего 1?1 м. Естественно, труба, где будут «летать» такие энергонакопляющие поезда, как и в системе «Планетран», – вакуумная, а подвеска – магнитная. Автор оформил проект такого «сверхнакопителя» как российское изобретение, может быть, когда-нибудь в будущем пригодится. Опять же русские будут и здесь первыми.

А если не говорить о глобальных проектах, то магнитная подвеска может уже сегодня помочь в качестве опор-подшипников крупных маховиков (опять же накопителей!), турбин и аналогичных тяжелых вращающихся деталей. Чем же плохи здесь обычные подшипники? Да тем, что, во-первых, они требуют смазки и ухода, что в вакууме, например, затруднительно. Во-вторых, долговечность их оставляет желать лучшего. А в-третьих, – потери энергии на вращение, которые, кстати, идут на разрушение этих же подшипников.

Магнитная подвеска, основанная на обыкновенных постоянных магнитах, с центровкой на миниатюрных, почти не нагруженных подшипниках (чтобы не потерять устойчивость по Ирншоу!), способна обеспечить следующие «рекордные» показатели:

– долговечность – десятки лет почти без обслуживания;

– малые потери энергии на вращение;

– высокие частоты вращения, недоступные обычным подшипникам.

Схема такой магнитной подвески представлена на рис. 349. Для того чтобы минимизировать потери и массу магнитов, они сгруппированы вокруг центра в столбик или батарею. Применен также ряд хитростей, составляющих изобретение, а именно использованы в качестве активных элементов корпусные детали подвески, которые ранее были просто балластом. Кроме того, достигнута оптимальная – пологая – зависимость подъемной силы от вертикальных перемещений. То есть, если подъемная сила подвески равна 15 кН, то она не изменится при изменении зазора между магнитами – от погрешности сборки или теплового расширения.

Такая подвеска, имеющая рекордно малые показатели по отношению массы магнита к массе подвешиваемого груза (менее 0,5 %), разработана автором для одной из германских энергетических фирм и изготовлена на специализированном московском предприятии. Грузоподъемность 15 кН (масса маховика – 1,5 т); магниты на основе состава «железо – неодим – бор» достаточно недорогие.

В настоящее время созданы настолько сильные постоянные магниты и настолько «умные» системы подвеса, что в ближайшее время следует ожидать в технике широкого применения магнитных подшипников вместо обычных.

Рис. 349. Магнитная подвеска маховика в виде «батареи» магнитов:

1 – маховик; 2 – неподвижный магнит; 3 – подвижный магнит

Налейте мне пол-литра… магнита!

Уже давно люди пытались получить магнитные жидкости путем взбалтывания тонких порошков из ферромагнитного материала в воде, масле и других жидкостях. Но ничего путного не получалось, взвесь порошка в жидкости – суспензия – распадалась, и порошок оседал: слишком крупными и тяжелыми оказывались частички материала.

Но вот в 60-х гг. XX в. порошок феррита был настолько хорошо размолот в шаровой мельнице, что, будучи засыпан в смесь керосина и олеиновой кислоты, перестал осаждаться. Человечество получило жидкий магнит.

В чем же тут дело? Оказывается, частички порошка были уже настолько малы, что тепловое (броуновское) движение молекул не давало им осесть, и получился коллоидный раствор, который известен нам как яичный белок, канцелярский клей и множество подобных веществ. В переводе с латинского такой раствор носит название клеевого, клееобразного. Большинство клеев – столярный, силикатный и др. – тоже коллоидные растворы.

Оказалось, что магнитная жидкость обладает новыми, очень интересными свойствами. Прежде всего, магнитная жидкость – это не ферромагнетик, а сильнейший парамагнетик – суперпарамагнетик. Если налить магнитную жидкость в стакан и снизу поднести магнит, то она образует на первый взгляд совершенно неправдоподобную для жидкостей пучность – бугор, почти твердый на ощупь (рис. 350). Если поднести магнит сбоку, то жидкость полезет на стенку и может подняться за магнитом как угодно высоко. Если ее разлить по поверхности воды, то опущенным в воду магнитом можно быстро собрать ее на полюсе магнита. Плохо, если это постоянный магнит, не так-то просто будет «оторвать» цепкую жидкость от магнита. Если магнитную жидкость лить струйкой из одного стакана в другой, то ее очень легко похитить, поднеся к струйке сбоку магнит.

Кто впервые видит эту вязкую, тяжелую, темно-бурую жидкость, тот не верит, что жидкости могут так вести себя в присутствии магнитов. Кажется, что это хитро поставленный фокус.

Сейчас для магнитных жидкостей придумали множество полезных применений: для уплотнения валов и поршней, для «вечной» смазки, для сбора нефти, разлитой на воде, для обогащения полезных ископаемых, для лечения и диагностики многих болезней и даже для прямого превращения тепловой энергии в механическую.

Поговорим о наиболее интересных и перспективных для техники применениях магнитной жидкости. Тут приходится вводить поверхностно-активные вещества и применять другие хитрости, чтобы жидкость получилась устойчивой и не портилась, т. е. не коагулировала (сворачивалась, как молоко), не высыхала, не расслаивалась и т. п.

Рис. 350. Магнит под стаканом с магнитной жидкостью

Наконец магнитная жидкость готова. Где же ее можно использовать?

Наиболее широко ее применяют для уплотнения – герметизации зазоров между движущимися частями машин. Чаще всего нужно уплотнять вращающиеся валы. Когда вал ферромагнитный (например, стальной), то на вал с зазором надевают кольцевой магнит с двумя шайбочками, зазоры которых с валом – один или оба – заливают магнитной жидкостью. Она тут же устремляется в щель, где напряженность магнитного поля максимальна, и застывает там густой студневидной массой (рис. 351).

Рис. 351. Магнитное уплотнение стального вала:

1 – наконечники; 2 – вал; 3 – магнитная жидкость; 4 – магнит

Вал может быть и немагнитным, например латунным, титановым и даже стеклянным. Тогда шайбы сближают друг с другом, и зазор между ними заливают магнитной жидкостью. Свернувшись в плотный кольцевой жгут, жидкость прижимается даже к немагнитному валу и герметизирует его (рис. 352).

Рис. 352. Магнитное уплотнение немагнитного вала:

1 – вал; 2 – магнитная жидкость; 3 – магнит; 4 – наконечники

Магнитную жидкость, особенно масляную, можно успешно использовать в качестве «вечной» смазки, заполняя ею подшипники как скольжения, так и качения, даже редукторы и коробки передач, удерживая ее в необходимом месте магнитами (рис. 353). К тому же такие механизмы не только самоуплотняются магнитной жидкостью, но и смазываются.

Рис. 353. «Вечная» смазка подшипника скольжения:

1 – магнит; 2 – втулка; 3 – вал; 4 – магнитная жидкость

Возникает вопрос: а может ли магнитная жидкость, в которой находится взвесь магнитных частиц, быть смазкой? Не будет ли она играть роль наждачного порошка?

Оказалось, что нет, и это до казано многочисленными опытами. Размеры частичек так малы, что они никак не влияют на чистоту поверхности трущихся деталей, их как будто не существует.

Магнитная жидкость может играть роль не только смазки, но и самого подшипника. Если при вращении вала привести ее в быстрое вращение с помощью специальных насечек на поверхности вала, то в ней всплывут даже тяжело нагруженные валы (рис. 354). Такие подшипники называются магнитогидродинамическими.

Рис. 354. Магнитогидродинамические подшипники:

а – радиальный подшипник; б – упорный подшипник; F – силы

Магнитная жидкость обладает еще одним удивительным, поистине уникальным свойством. В ней, как и в любой жидкости, плавают тела менее плотные и тонут тела более плотные, чем она сама. Но если приложить к ней магнитное поле, то утонувшие тела начинают всплывать. Причем чем сильнее поле, тем более тяжелые тела поднимаются на поверхность. Прикладывая различное по напряженности магнитное поле, можно заставлять всплывать тела с какой-то заданной плотностью. Это свойство магнитной жидкости применяют сейчас для обогащения руды. Ее топят в магнитной жидкости, а затем нарастающим магнитным полем заставляют всплывать сначала пустую породу, а затем уже и тяжелые куски руды.

Есть даже печатающие и чертежные устройства, работающие на магнитной жидкости. В краску вносится немного магнитной жидкости, и такая краска выбрызгивается тонкой струйкой на протягиваемую перед ней бумагу. Если струю ничем не отклонять, то будет начерчена линия. Но на пути струйки поставлены электромагниты, подобно отклоняющим электромагнитам кинескопа телевизора. Роль потока электронов здесь играет тонкая струйка краски с магнитной жидкостью – ее-то и отклоняют электромагниты, и на бумаге остаются буквы, графики, рисунки.

Применяют магнитную жидкость и для сбора различных нефтепродуктов на поверхности морей, океанов, озер. Часто случается так, что человек не в состоянии предотвратить загрязнение нефтепродуктами поверхности воды, например, при аварии танкера с нефтью, когда громадное пятно покрывает многие квадратные километры моря, загрязняя все вокруг. Очистка воды от таких загрязнений – дело очень трудное, долгое и не всегда выполнимое. Но и здесь помогает магнитная жидкость.

На разлившееся пятно с вертолета разбрызгивают небольшое количество магнитной жидкости, которая быстро растворяется в нефтяном пятне, затем в воду погружают сильные магниты, и пятно начинает стягиваться в точку, здесь же его откачивают насосы. Вода вновь становится чистой.

А какой простор магнитным жидкостям в медицине! Представим себе, что каким-нибудь лекарством надо лечить определенную часть тела, не затрагивая всего остального организма. Например, нужно, чтобы оно сосредоточилось в каком-либо органе человека, а кровь разносит его по всему телу. Замешав лекарство на магнитной жидкости, его вводят в кровь, а затем возле больного места устанавливают магнит. Естественно, магнитная жидкость, а вместе с нею и лекарство вскоре соберутся возле магнита и будут действовать только на заболевшую часть тела.