Научно-исследовательская работа. Магнитная левитация это фантастика или реальность? Магнитная левитация реферат

Реферат - Левитация и гравитация

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ПОНЯТИЕ «ЛЕВИТАЦИЯ»

2. АНТИГРАВИТАЦИЯ В ФИЗИКЕ

2.1 СЕКРЕТНАЯ АНТИГРАВИТАЦИЯ

3. ГРАВИТАЦИИ И ЛЕВИТАЦИИ

4. ИСТОРИЯ ЛЕВИТАЦИИ

5. ЛЕВИТАЦИЯ — ПАРЯЩИЕ ЙОГИ

5.1 «ПАРЯЩИЕ ЙОГИ»

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Левитация — способность человека или предмета сохранять или последовательно изменять своё положение в трёхмерном пространстве вопреки гравитации под действием воли инициатора левитации или других факторов, не являющихся в представлении общественного сознания «обычными».

Именно так объясняет понятие «левитации» энциклопедия. На первый взгляд, противоречащий всем законам физики процесс можно отнести к разделу фантастики, но, скажу честно, уж очень часто сегодня приходится сталкиваться с достижениями, которые лет 15-20 назад считались сказкой.

Ученым из китайского Северо-западного Политехнического Университета (Northwestern Polytechnical) сегодня удалось очередную сказку обратить в явь, а именно «левитировать» маленьких насекомых и рыбку.

Согласно информации, предоставленной прессе, поднять жучков и букашек в воздух помогла специальная звуковая установка. Ультразвук с длиной волны около 20 мм, по теории, способен поднять в воздух объект, имеющий длину около 1 см, т.е. в два раза меньший. К сожалению, процесс эксперимента усложнило то, что насекомые то и дело пытались улететь, но 30-минутный временной барьер порхания в воздухе, муравей и божья коровка преодолели.

Антигравитация — недоказанное явление гравитационного отталкивания или подавления притяжения, якобы существующее или имеющее возможность на существование наряду с обычным гравитационным притяжением.

Цель контрольной работы — рассмотреть вопрос о левитации и антигравитации.

Левитация — способность человека или предмета сохранять или последовательно изменять своё положение в трёхмерном пространстве вопреки гравитации под действием воли инициатора левитации или других факторов, не являющихся в представлении общественного сознания «обычными». Не существует никакого научного подтверждения способности человека к левитации. Более того, такая левитация противоречит основным законам физики.

Это способность человека приподниматься над землёй и какое-то время находиться, как бы «повисать», в воздухе. «Левитация» — это особенный дар, данный Богом святым Католической Церкви. Например, св. Иосиф Копертино был известен способностью к левитации. Таким даром обладал и о. Пио из Петрельчины. Неоднократно собратья были свидетелями, как о. Пио молился в состоянии левитации.

В свое время английские ученые Дж. Шарль и Дж. Сэрл, а также советские А. — В.И. Вейник и И.И. Добромыслов обнаружили интересный факт: вес быстро вращающегося металлического диска, в зависимости от направления и скорости вращения, уменьшался либо увеличивался. В экспериментах наших специалистов вариации веса составляли от 20 до 200 мг, а иногда и более. Результаты же англичан выглядели просто ошеломляющими. При раскрутке диска диаметром 3-5 м и весом несколько тонн на ободе возникал огромный электрический потенциал около 1012-1014 в! Невероятно, но однажды маховик Сэрла сорвался с опор, повис в воздухе, а затем исчез навсегда.

Британские ученые из Университета Сент-Эндрюса сумели раскрыть секрет левитации — способности предмета преодолевать силу гравитации и парить в воздухе на небольшом расстоянии от земли.

По словам профессора Ульфа Леонгардта и доктора Томаса Филбина, левитация может быть достигнута при помощи эффекта Казимира. Его суть заключается во взаимном притяжении проводящих незаряженных тел под действием квантовых флуктуаций в вакууме. Впервые эффект Казимира был обнаружен в 1948 году голландским физиком Хендриком Казимиром, а серия гораздо более точных экспериментов, в которых было установлено согласие между наблюдаемыми результатами и теорией с точностью более 99%, была проведена уже только в 1997 году.

Леонгардт и Филбин утверждают, что им удалось применить силу Казимира не для притягивания, а для отталкивания предметов в вакууме. Подобный эффект в нанотехнологиях и электронике может избавить наночастицы от трения и тем самым открыть возможности для развития новых технологий.

Леонгардт подчеркивает, что эффект левитации применим только к микрочастицам, и о полетах человека речи быть не может. Впрочем, ученый не исключает, что однажды левитировать смогут и люди, однако этот день, исходя из современного состояния науки, наступит весьма не скоро.

Понятие «Антигравитация» возникло как своеобразный антипод понятию гравитация или тяготение. В обычных условиях гравитация всегда связана с притяжением, причем на житейском уровне в первую очередь подразумевается притяжение всех тел к Земле, которое и должна преодолевать антигравитация.

Вообще говоря, на сегодняшний день антигравитация не столько научное понятие, сколько термин из научной фантастики. Видимо, поэтому под ним подразумевают самые разные вещи — от банального преодоления силы тяжести с помощью ее компенсации другими силами, например магнитным полем, вплоть до неких мистических сил, связываемых с понятием левитация.

Мы же будем понимать под антигравитацией вполне определенную вещь — гравитационное отталкивание, своеобразный гравитационный аналог отталкивания электрических зарядов. Сразу же следует отметить, что в современной физике возможностей для такой антигравитации нет в принципе. Связано это с тем, что современная физика отождествляет понятие гравитационного заряда и массы, массы всех тел в обычных условиях выглядят положительными, а значит, между ними возможно только притяжение.

Полевая физика впервые на серьезном научном уровне позволяет по иному посмотреть на эти вопросы. Во-первых, в полевой физике доказывается, что гравитационный заряд совпадает с инертной массой далеко не всегда и наблюдаемая в земных условиях эквивалентность двух типов масс не более чем частный случай. А значит, по аналогии с электричеством вполне могут существовать гравитационные заряды другого знака, пусть опять же в земных условиях они пока не обнаружены.

Полевая физика идет в этом вопросе еще дальше и позволяет понять, почему в принципе между одними типами зарядов возникает притяжение, а между другими — отталкивание. Это очень непростой вопрос и он подробно разбирается во втором томе книги «Полевая физика или как устроен Мир?». Оказывается, что гравитационное отталкивание может возникать даже в земных условиях с самыми обычными частицами или телами в очень сильных электромагнитных полях, энергия которых превышает энергию массы покоя взаимодействующих объектов. В этих условиях гравитационное притяжение сменяется гравитационным отталкиванием.

На языке современной физики это явление связывают с рождением неких странных частиц, называемых античастицами, причем они рождаются как раз за тем же самым порогом энергий. Античастицы примечательны тем, что очень похожи на свои обычные аналоги, только имеют противоположные свойства, например, отклоняются в электрических и магнитных полях в другую сторону. Из-за этого им приписывают противоположные электрические заряды, так позитрон в отличие от электрона получает положительный электрический заряд.

С позиции полевой физики все выглядит иначе. В рамках концепции динамической массы есть основания полагать, что в этих условиях имеет место не рождение античастицы с противоположным электрическим зарядом, а изменение знака полной массы обычной частицы. В результате такая частица отклоняется в электромагнитном поле в другую сторону не из-за иного знака своего электрического заряда, а из-за другого знака своей массы. А значит, и в гравитационном поле такая частица должна двигаться в иную сторону, нежели обычные частицы.

Разумеется, тема антигравитации — получения условий, в которых возникает гравитационное отталкивание — является крайне непростой. Она требует тщательной проработки, в том числе, с экспериментальной и инженерной точки зрения. Однако представляется важным, что в рамках полевой физики антигравитация (гравитационное отталкивание) из области мистики и фантастики впервые переходит в область объективного научного изучения. В полевой физике впервые возникает принципиальное понимание того, как и в каких условиях между телами возможно возникновение гравитационного отталкивания.

Американские военные занимались разработкой летательных аппаратов на основе антигравитации — такую мысль высказывает журналист Ник Кук (Nick Cook) в своей книге «Погоня за точкой Зеро» («The Hunt for Zero Point»). По его словам, в 1950-х годах серьезно исследовалась возможность создания электрогравитации, причем научной базой служили наработки нацистских ученых.

Куку удалось обнаружить сообщения о некоем исследовательском аппарате, спрятанном в удаленном уголке Польши, где он мог быть обеспечен требуемой для эксперимента энергией. Вполне вероятно, что попав после войны к американцам, разработка сразу же получила гриф «Секретно». Журналист отмечает, что вынужден рисковать своей репутацией, рассказывая о том, что обычные люди чаще всего ассоциируют с НЛО.

В 1947 году, когда начали появляться первые сообщения об НЛО, генерал военно-воздушных сил США объявил о том, что Соединенные Штаты могут вскоре построить дискообразный объект, имеющий большую скорость, маневренность и малый уровень шума.

В середине 50-х электрогравитация была темой нескольких заметок в прессе, одна из которых описывала работу основной части предприятий, выполнявших оборонные заказы. Потом, внезапно все стихло, точно так же, как это произошло в семидисятых с технологией «стелс», воплотившейся уже менее чем через два десятилетия в готовом самолете.

Самое интересное состоит в том, что вся информация по антигравитации, полученная университетами и хранившаяся в библиотеках, внезапно исчезла...

Воздействие лучей происходит не просто на элементарные частицы материи, а на частицы — гироскопы — чем обусловлены гравитация и левитация, в зависимости от направленности векторных магнитных моментов частиц материи относительно центра земли.

1. Если лучи будут охватывать частицу материи в экваториальной плоскости ее вращения, то будет происходить раскручивание (докручивание) частицы без появления гравитации.

2. Если лучи будут охватывать частицу по обеим сторонам полисов, где очень малое магнитное поле, то действия их будут незначительными.

3. Но если лучи будут охватывать частицу материи в плоскости оси вращения и вдоль оси вращения, то будет происходить снижение гироскопичности частиц, о чем излагалось выше. Если лучи по своей электромагнитной силе будут неравны, то на частицу будет передаваться разница этой силы, т.е. происходить ГРАВИТАЦИЯ — сближение и сжатие материи.

На поверхности Земли встречаются 2 вида луча. Один луч прошел всю массу Земли и ослаблен, встречный прошел только атмосферу и остался более сильным. Разница сил 2-х лучей и дает притяжение, т.е. вес тела.

Если бы не было гироскопичности частиц материи, лучи могли бы только раскручивать эти частицы, и гравитация была бы невозможной, а следовательно, невозможно было бы существование самой материи Вселенной. Только гироскопичность частиц материи воспринимает невероятный по силе момент опрокидывания от действия встречных лучей, не опрокидываясь, и воспринимает только разницу давления лучей, создавая гравитацию.

Три варианта воздействия лучей на частицы материи Земли.

Все частицы расположены в материи Земли так, что их оси вращения направлены усредненно во всех направлениях, их условно можно поделить на 3 части относительно поверхности Земли и их осей вращения:

1. Частицы меридиального направления;

2. Частицы широтного направления;

3. Частицы радиального направления.

В создании гравитации будут участвовать только частицы 3-й группы, а это 33% от всех частиц материи Земли. Значит, в гравитации участвует не вся материя, а 33%.

Если искусственно повернуть оси вращения всех частиц в радиальном направлении, то любое тело будет весить в 3 раза больше.

Подобные аномальные явления на Земле нередки.

Например, феномен Бермудского треугольника, где гибнут корабли, падают самолеты. Подводное течение Гольфстрим из-за особого рельефа дна океана раскручивает океан диаметром 300 км.

Этот гигантский водоворот вызывает в определенные моменты условия для поворота осей 1-й и 2-й группы материи в радиальном направлении относительно центра Земли.

В это время почти 100% всех частиц участвуют в создании Гравитации. Любое тело в этом месте будет весить в 2-3 раза больше. В результате корабли тонут, а самолеты падают. Недаром со спутников зафиксировано в этом месте понижение поверхности океана на 25 метров, а это значит, что гравитация увеличилась в 2,5 раза * 33 = 82,5%. Это столько процентов микрочастиц участвует в гравитации.

У этого явления имеется и обратная сторона. Если искусственным путем оси вращения частиц материи повернуть в горизонтальную плоскость относительно поверхности Земли, то произойдет снижение веса материи от 1 до 0. А это не что иное, как левитация.

В дополнение к этому физики считают искусственный поворот осей вращения микрочастиц делом несложным, достаточно поместить тело в сильное магнитное поле. Чем сильнее будет электромагнитное поле, тем больше частиц 3-й группы перейдет в 1 и 2 группы.

При снятии электромагнитного поля все придет в исходное положение.

На Востоке состояние левитации предположительно достигается с помощью специальной техники дыхания, с привлечением мировой жизненной силы.

В индийских Ведах, что в буквальном переводе с санскрита означает «знание», содержится даже практическое руководство по левитации, своеобразное ноу-хау, которое описывает, как привести себя в такое состояние, чтобы оторваться от земли. Но за прошедшие века значение многих древнеиндийских слов и понятий оказалось утраченным, поэтому перевести эту бесценную инструкцию на современный язык невозможно.

Что же касается древних левитантов, то, согласно дошедшим до нас свидетельствам, они поднимались в воздух на высоту около одного метра. Причем делали это вовсе не для того, чтобы поразить кого-то такими чудесами, а просто потому, что «парящее» положение более удобно для исполнения религиозных обрядов. Среди обладавших способностью к левитаций можно назвать Хавдара, персидского дервиша XII в.

Британская путешественница Александра Давид-Неель своими глазами наблюдала, как на высокогорном плато Чанг-Танга один из буддистских монахов, сидя неподвижно с подогнутыми под себя ногами, пролетал десятки метров, касался земли и вновь взмывал в воздух, словно отскакивающий после сильного броска мячик. Причем его взгляд был устремлен вдаль — на «путеводную звезду», видимую в свете дня только ему одному.

Тереза из Авилы. В числе первых официально зафиксированных левитантов следует назвать святую Терезу из Авилы, жившую в XVI столетии. Свидетелями левитаций этой монахини-кармелитки, нередко длившихся до 30 минут, были 230 католических священников. О своем необычном «даре», как считала сама святая, она рассказала в автобиографии, датированной 1565 годом.

«Вознесение приходит, как удар, неожиданный и резкий, — пишет она, — и, прежде чем ты можешь собраться с мыслями или прийти в себя, тебе кажется, будто облако уносит тебя в небеса или могучий орел на своих крыльях… Я вполне осознавала себя, чтобы видеть, что нахожусь в воздухе… Должна сказать, что, когда вознесение оканчивалось, я ощущала необыкновенную легкость во всем теле, словно я совсем невесомая».

Эти воспарения пугали ее, но не в ее воле было их предотвратить.

Иосиф Купертианский. Самым известным «летающим человеком» является Иосиф Деза (1603-1663), прозванный Купертинским по названию его родной деревни в Южной Италии. Он с детства отличался необычайной набожностью и всячески истязал себя, чтобы испытать состояние религиозного экстаза. Впервые Иосиф поднялся в воздух в церкви Св. Георгия в Неаполе в 1638 г. Отслужив обедню, он отошел в угол, чтобы помолиться. Неожиданно Иосиф оторвался от пола и взлетел на алтарь, аккуратно приземлившись среди цветов и горящих свечей. Вскрикнув, он слетел обратно на пол, опустившись на колени, а потом стал кружиться, восклицая: «О Пресвятая Дева!»

Однажды это произошло перед глазами самого главы Католической, церкви. Иосиф приехал в Рим, где ему устроили аудиенцию у Папы Урбана VIII. Впервые лицезрев его святейшество, он пришел в столь восторженное состояние, что поднялся в воздух и парил до тех пор, пока присутствовавший при этом глава ордена францисканцев не привел Иосифа в чувство. Более ста случаев левитации Иосифа наблюдали тогдашние ученые, оставившие на сей счет официальные свидетельства.

Говорят, увидев, что рабочие не могут поставить тяжелый крест, св. Иосиф поднялся в воздух и помог им.

Святые левитанты. Нелегко опровергнуть свидетельства о более чем 200 святых, которые возносились над землей. Часто это происходило в момент религиозного транса или экстаза. Один испанский паломник умудрился перелететь через широкую реку, а епископ Валенсии однажды и вовсе парил над землей целых 12 часов.

Из русских левитантов можно назвать Серафима Саровского, архиепископа Новгорода и Пскова Иоанна. А московские летописи повествуют о Василии Блаженном, который не раз на глазах у толпы переносился неведомой силой через Москву-реку.

Бегущий по воде Маурус. Среди учеников известного итальянского церковного деятеля Бенедикте Нурсийского был некто Маурус. Увидев, как-то, тонущего мальчика, Маурус (если верить рассказам) стремглав бросился к несчастному на помощь, выхватил его из воды и выбежал обратно на берег. «Только вернувшись на землю, он пришел в себя и посмотрел назад. Когда же он увидел, что пробежал по воде, то страшно испугался происшедшему...»

Летающий Дэниел. Наиболее известным летающим человеком XIX века был шотландец Дэниел Дуглас Хьюм (1833-1866). Редактор одной американской газеты так описывает его первый знаменитый полет: «Хьюм вдруг стал отрываться от пола, что явилось полной неожиданностью для всей компании. Я взял его за руку и видел его ноги — он парил в воздухе в футе от земли. Борьба самых разных чувств — попеременные всплески то страха, то восторга заставили Хьюма содрогнуться с ног до головы, причем было видно, что он потерял дар речи в этот момент. Через какое-то время опустился, потом снова взмыл над полом. В третий раз Хьюм поднялся к самому потолку и слегка коснулся его руками и ногами».

Позже Хьюм научился левитировать по собственному желанию. В одном случае, как сообщали свидетели, он вылетел из окна третьего этажа и вернулся в другое окно. В течение сорока лет он демонстрировал свое уникальное искусство перед тысячами зрителей, в числе которых были многие тогдашние знаменитости: писатели Теккерей и Марк Твен, император Наполеон III, известные политические деятели, медики и ученые.

Люди будут летать!

Одно из самых удивительных предсказаний ясновидящей Ванги в настоящее время кажется круче самой дерзкой фантастики: «В 2050 году люди научатся летать по воздуху без всяких механических приспособлений».

Загадка левитации. Несмотря на многочисленные случаи левитации, она воспринимается как чудо или в лучшем случае как загадочный феномен, граничащий с фантастикой и противоречащий научным законам. И эта оценка не изменится до тех пор, пока не будет найден ответ на главный вопрос: какова природа той силы, которая поднимает человека в воздух? Возникает ли она в самом организме за счет мобилизации каких-то внутренних резервов, его неизвестных, скрытых возможностей, либо ее источник находится вне человека и он лишь «подключается» к нему?

Суждения о физической природе левитации весьма противоречивы. Ряд исследователей полагает, что левитация возникает в результате появления биогравитационного поля, которое создается особой психической энергией, излучаемой мозгом человека.

Магнитная левитация. Еще более поразительные эксперименты проводились голландскими учеными. Они умудрились подвесить в воздухе живую лягушку. Земноводное помещалось над сверхпроводящей катушкой. Мощное поле воздействовало прямо на клетки тела, создавая в них магнитный момент, противоположный магнитному полю Земли.

Таким образом создавались силы, нейтрализующие тяготение.

В мифологии Востока отличительная черта богов — это способность летать. Но и простые смертные владели уникальным искусством. В Индии, например, им обладали брахманы, йоги, святые отшельники, маги и факиры...

В индийских Ведах, что в буквальном переводе с санскрита означает «знание», содержится даже практическое руководство по левитации, своеобразное ноу-хау, которое описывает, как привести себя в такое состояние, чтобы оторваться от земли. Но за прошедшие века значение многих древнеиндийских слов и понятий оказалось утраченным, поэтому перевести эту бесценную инструкцию на современный язык невозможно.

Что же касается древних левитантов, то, согласно дошедшим до нас свидетельствам, они поднимались в воздух на два локтя от земли — около 90 сантиметров. Причем делали это вовсе не для того, чтобы поразить кого-то такими чудесами, а просто потому, что «парящее» положение более удобно для исполнения религиозных обрядов.

Наряду с Индией левитация в древности практиковалась также в Тибете. Буддистские тексты повествуют о том, что, после того, как в 527 году нашей эры в тибетский монастырь Шаолинь пришел индийский основоположник дзэн-буддизма Бодхидхарма, он научил монахов управлять энергией тела — непременному условию для полетов. Пользовались левитацией и сам Будда, и его наставник маг Саммат, которые могли часами оставаться висящими в воздухе.

Характерно, что и в Индии, и в Тибете искусство левитации сохранилось до наших дней. Многие исследователи-востоковеды описывают также феномен «летающих лам». Например, британская путешественница Александра Давид-Неель своими глазами наблюдала, как на высокогорном плато Чанг-Танга один из буддистских монахов, сидя неподвижно с подогнутыми под себя ногами, пролетал десятки метров, касался земли и вновь взмывал в воздух, словно отскакивающий после сильного броска мячик. Причем его взгляд был устремлен вдаль — на «путеводную звезду», видимую в свете дня только ему одному.

Левитация была издавна известна не только на Востоке, но и в Европе. Причем у средневековых европейских левитантов есть одна характерная особенность. В отличие от восточных брахманов, йогов, лам никто из них специально не стремился овладеть искусством левитации и не готовился к полетам. Обычно они взмывали в воздух, будучи в состоянии восторженного религиозного экстаза и даже не думая об этом.

Если обратиться к достоверным фактам, то в числе первых официально зафиксированных левитантов следует назвать святую Терезу, монахиню-кармелитку, свидетелями полетов которой были 230 католических священников. О своем необычном «даре», как считала сама святая, она рассказала в автобиографии, датированной 1565 годом.

«Вознесение приходит, как удар, неожиданный и резкий, — пишет она, — и, прежде чем ты можешь собраться с мыслями или прийти в себя, тебе кажется, будто облако уносит тебя в небеса или могучий орел на своих крыльях… Я вполне осознавала себя, чтобы видеть, что нахожусь в воздухе… Должна сказать, что, когда вознесение оканчивалось, я ощущала необыкновенную легкость во всем теле, словно я совсем невесомая».

И вот что любопытно: сама святая Тереза не хотела летать! Долгое время монахиня-левитантка отчаянно молилась, чтобы Господь избавил ее от этого знака своей милости. В конце концов молитвы кармелитки были услышаны: полеты Терезы прекратились.

Самым известным «летающим человеком» является Иосиф Деза (1603-1663), прозванный Купертинским по названию его родной деревни в Южной Италии. Он с детства отличался необычайной набожностью и всячески истязал себя, чтобы испытать состояние религиозного экстаза. А после того как был принят в орден францисканцев, стал действительно впадать в экстаз. Однако дело осложнялось тем, что в таких случаях он взмывал в воздух. Однажды это произошло перед глазами самого главы Католической церкви. Иосиф приехал в Рим, где ему устроили аудиенцию у Папы Урбана VIII. Впервые лицезрев его святейшество, он пришел в столь восторженное состояние, что поднялся в воздух и парил до тех пор, пока присутствовавший при этом глава ордена францисканцев не привел Иосифа в чувство. Более ста случаев левитации Иосифа наблюдали тогдашние ученые, оставившие на сей счет официальные свидетельства. Поскольку эти полеты смущали верующих, в 1653 году ему приказали удалиться из Ассизи в отдаленный монастырь. Однако уже через три месяца его перевели в другую обитель, затем в третью, четвертую — где бы он ни оказывался, новость о приезде «чудотворца» распространялась по всей округе, и к обители стекались толпы людей. Наконец Иосифа перевели в монастырь в Озимо, где летом 1663 года он тяжело заболел, а 18 сентября того же года умер и через четыре года был канонизирован.

Всего же, как свидетельствуют церковные записи, количество людей, демонстрировавших на глазах верующих явление левитации, приближается к трем сотням. Из русских левитантов можно назвать Серафима Саровского, архиепископа Новгорода и Пскова Иоанна. А московские летописи повествуют о Василии Блаженном, который не раз на глазах у толпы переносился неведомой силой через Москву-реку.

Причем в число официально признанных церковью левитантов не входят ведьмы. Сколько их сожгла на костре святая инквизиция, не поддается учету. В эпоху Средневековья подозреваемых в связи с дьяволом и колдовстве подвергали испытаниям водой или весами. Обвиняемых связывали и бросали в водоем. Если они не тонули, вина считалась доказанной, и их ждал костер. То же самое происходило, если человек весил меньше определенной нормы.

Наиболее известным летающим человеком XIX века был Дэниел Дуглас Хьюм. Редактор одной американской газеты так описывает его первый знаменитый полет: «Хьюм вдруг стал отрываться от пола, что явилось полной неожиданностью для всей компании. Я взял его за руку и видел его ноги — он парил в воздухе в футе от земли. Борьба самых разных чувств — попеременные всплески то страха, то восторга заставили Хьюма содрогнуться с ног до головы, причем было видно, что он потерял дар речи в этот момент. Через какое-то время опустился, потом снова взмыл над полом. В третий раз Хьюм поднялся к самому потолку и слегка коснулся его руками и ногами».

Позже Хьюм научился левитировать по собственному желанию. В течение сорока лет он демонстрировал свое уникальное искусство перед тысячами зрителей, в числе которых были многие тогдашние знаменитости: писатели Теккерей и Марк Твен, император Наполеон III, известные политические деятели, медики и ученые. И ни разу не был уличен в мошенничестве.

Сам Хьюм так описывал свое состояние во время левитации: «Я не чувствовал никаких рук, поддерживающих меня, и, начиная с самого первого раза, не испытывал страха… Обычно я поднимался вертикально; часто мои руки вытягивались над головой и делались негнущимися, как палки, когда я ощущал неведомую силу, которая медленно возносила меня над полом».

Впрочем, Дэниел Дуглас Хьюм — далеко не единственный, кто ставил в тупик ученых. Так, в 1934 году англичанин Морис Вильсон, много лет тренировавшийся в искусстве левитации по методике йогов, решил огромными прыжками, взлетая над землей, покорить вершину Эверест. Его замерзшее тело обнаружили в горах на следующий год. До вершины Вильсон не «долетел» совсем немного. Но то, что он смог преодолеть труднейший маршрут без специального альпинистского снаряжения, говорит в пользу левитации.

В настоящее время самых больших результатов в области левитации добились те, кто использует методику йогов. За многовековую историю эпохи потери знания и эпохи невежества многое из этой методики оказалось утрачено. Но часть сокровенных знаний все же сохранилась. Одним из их хранителей был индийский гуру Дэви. Его учеником стал наш современник, молодой физик. В 1957 году, перебравшись в США под именем Махариши Махеш Йоги, он выступил проповедником нового философско-религиозного учения Науки Творческого Разума. Его краеугольный камень — трансцендентальное сознание, которое не ограничено какими-либо рамками и может получать информацию прямо из окружающего мира и от вселенского разума, а не только посредством органов чувств. Для этого нужно отключить сознание, и тогда человек начнет воспринимать огромный поток информации, поступающий в подсознание и остающийся невостребованным.

Достигается же такое состояние измененного сознания с помощью трансцендентальной медитации, программу которой разработал Махариши Махеш Йога. Ее цель — совершенствование человека путем раскрепощения сознания и тем самым раскрытие всех потенциальных возможностей его организма. К их числу, в частности, относится и левитация. Способность к ней заложена в каждом, нужно только научиться пользоваться ею, утверждает Махариши.

В 1971 году новый мессия основал в городе Фейерфилде (штат Айова) свой университет. Потом были открыты Европейский исследовательский центр в Швейцарии и учебные центры в ФРГ, Англии, Индии и ряде других стран. В них были приглашены видные специалисты разного профиля — физики, знатоки индийской философии, математики, врачи, инженеры, психологи, которых объединила одна цель — сделать человека счастливым. А одной из прикладных задач программы трансцендентальной медитации стало обучение левитации.

В июле 1986 года в Вашингтоне были проведены первые соревнования «летающих йогов», подготовленных по программе трансцендентальной медитации, о которых много писала пресса и были сняты фильмы. Хотя показанные участниками результаты несравнимы с дошедшими до нас описаниями случаев левитации в прошлом, их, безусловно, можно считать весьма впечатляющими: подъем на 60 см в высоту и перемещение на 1,8 м по горизонтали. Правда, назвать полетами то, что продемонстрировали «летающие йоги», нельзя. Скорее, это лишь короткие подскоки: неподвижно сидящий в позе лотоса человек вдруг плавно поднимается в воздух, на какое-то время зависает неподвижно, а потом так же плавно приземляется. Ну а на шестых соревнованиях «летающих йогов», проведенных в 1993 году в Гааге, первенствовал Субха Чандра, поднявшийся над землей максимум на 90 см, пролетевший по горизонтали 187 см и остававшийся в воздухе по 3-4 минуты.

Несмотря на многочисленные случаи левитации, она воспринимается как чудо или в лучшем случае как загадочный феномен, граничащий с фантастикой и противоречащий научным законам. И эта оценка не изменится до тех пор, пока не будет найден ответ на главный вопрос: какова природа той силы, которая поднимает человека в воздух? Возникает ли она в самом организме за счет мобилизации каких-то внутренних резервов, его неизвестных, скрытых возможностей, либо ее источник находится вне человека и он лишь «подключается» к нему?

Суждения о физической природе левитации весьма противоречивы. Ряд исследователей полагает, что левитация возникает в результате появления биогравитационного поля, которое создается особой психической энергией, излучаемой мозгом человека. Данную гипотезу, в частности, поддерживает доктор биологических наук Александр Дубров. При этом он подчеркивает, что такое биогравитационное поле рождается благодаря сознательным усилиям левитанта, и поэтому он способен управлять им, а следовательно, менять направление полета.

Впрочем, даже если это так, встает много вопросов, на которые пока нет ответа. Например, какие области мозга и в каком режиме оказываются задействованы при левитации? Является ли особая психическая энергия, вызывающая ее, электромагнитной по своей природе или же какой-нибудь иной? Наконец, какие именно физиологические факторы способствуют проявлению столь необычных возможностей нашего мозга?

Многие серьезные ученые до недавнего времени отзывались о левитации и антигравитации весьма резко в том духе, что все это «чушь собачья». Сейчас им приходится пересматривать свою позицию. Все началось с того, что в марте 1991 года авторитетный научный журнал «Нейчер» опубликовал сенсационный снимок: директор токийской Исследовательской лаборатории сверхпроводимости восседал на блюде из сверхпроводящего керамического материала, и — между ним и поверхностью пола был отчетливо виден небольшой зазор. Масса директора вместе с блюдом составляла 120 кг, что не мешало им парить над землей!

Это явление позднее получило название «эффекта Мейснера». Он состоит в том, что, если над магнитом поместить сверхпроводник, он зависнет в воздухе. А в пространстве над ним возникает зона, в которой, в свою очередь, уменьшается вес помещенных туда предметов, в том числе и живых объектов. Таким образом исследователям уже удалось «подвесить» в воздухе живых лабораторных мышей и лягушек.

Конечно, это еще не левитация в полном смысле слова. Но, если удастся доказать, что в подобных случаях парение живых объектов обусловлено «молекулярным магнетизмом» в результате определенных клеточных процессов, возможно, будет раскрыта и тайна «летающих людей».

В индийских Ведах, что в буквальном переводе с санскрита означает «знание», содержится практическое руководство по левитации, своеобразное ноу-хау, которое описывает, как привести себя в такое состояние, чтобы оторваться от земли. Но за прошедшие века значение многих древнеиндийских слов и понятий оказалось утраченным, поэтому перевести эту бесценную инструкцию на современный язык невозможно.

Что же касается древних левитантов, то, согласно дошедшим до нас свидетельствам, они поднимались в воздух на два локтя от земли — около 90 сантиметров. Причем делали это вовсе не для того, чтобы поразить кого-то такими чудесами, а просто потому, что «парящее» положение более удобно для исполнения религиозных обрядов.

Наряду с Индией левитация в древности практиковалась также в Тибете. Буддистские тексты повествуют о том, что, после того, как в 527 году нашей эры в тибетский монастырь Шаолинь пришел индийский основоположник дзэн-буддизма Бодхидхарма, он научил монахов управлять энергией тела — непременному условию для полетов.

Пользовались левитацией и сам Будда, и его наставник маг Саммат, которые могли часами оставаться висящими в воздухе.

Характерно, что и в Индии, и в Тибете искусство левитации сохранилось до наших дней. Многие исследователи-востоковеды описывают также феномен «летающих лам». Например, британская путешественница Александра Давид-Неель своими глазами наблюдала, как на высокогорном плато Чанг-Танга один из буддистских монахов, сидя неподвижно с подогнутыми под себя ногами, пролетал десятки метров, касался земли и вновь взмывал в воздух, словно отскакивающий после сильного броска мячик. Причем его взгляд был устремлен вдаль — на «путеводную звезду», видимую в свете дня только ему одному.

Левитация была издавна известна не только на Востоке, но и в Европе. Причем у средневековых европейских левитантов есть одна характерная особенность. В отличие от восточных брахманов, йогов, лам никто из них специально не стремился овладеть искусством левитации и не готовился к полетам. Обычно они взмывали в воздух, будучи в состоянии восторженного религиозного экстаза и даже не думая об этом.

Если обратиться к достоверным фактам, то в числе первых официально зафиксированных левитантов следует назвать святую Терезу, монахиню-кармелитку, свидетелями полетов которой были 230 католических священников.

О своем необычном «даре», как считала сама святая, она рассказала в автобиографии, датированной 1565 годом.

«Вознесение приходит, как удар, неожиданный и резкий, — пишет она, — и, прежде чем ты можешь собраться с мыслями или прийти в себя, тебе кажется, будто облако уносит тебя в небеса или могучий орел на своих крыльях… Я вполне осознавала себя, чтобы видеть, что нахожусь в воздухе… Должна сказать, что, когда вознесение оканчивалось, я ощущала необыкновенную легкость во всем теле, словно я совсем невесомая».

И вот что любопытно: сама святая Тереза не хотела летать! Долгое время монахиня-левитантка отчаянно молилась, чтобы Господь избавил ее от этого знака своей милости. В конце концов молитвы кармелитки были услышаны: полеты Терезы прекратились.

Самым известным «летающим человеком» является Иосиф Деза (1603-1663), прозванный Купертинским по названию его родной деревни в Южной Италии. Он с детства отличался необычайной набожностью и всячески истязал себя, чтобы испытать состояние религиозного экстаза. А после того как был принят в орден францисканцев, стал действительно впадать в экстаз. Однако дело осложнялось тем, что в таких случаях он взмывал в воздух.

В настоящее время самых больших результатов в области левитации добились те, кто использует методику йогов. За многовековую историю эпохи потери знания и эпохи невежества многое из этой методики оказалось утрачено. Но часть сокровенных знаний все же сохранилась. Одним из их хранителей был индийский гуру Дэви.

Его учеником стал наш современник, молодой физик. В 1957 году, перебравшись в США под именем Махариши Махеш Йоги, он выступил проповедником нового философско-религиозного учения Науки Творческого Разума. Его краеугольный камень — трансцендентальное сознание, которое не ограничено какими-либо рамками и может получать информацию прямо из окружающего мира и от вселенского разума, а не только посредством органов чувств. Для этого нужно отключить сознание, и тогда человек начнет воспринимать огромный поток информации, поступающий в подсознание и остающийся невостребованным.

Левитация — способность человека при определенном магическом развитии преодолевать гравитацию; человек или предмет (при другой трактовке этого слова) сохраняет или последовательно изменяет своё положение в трёхмерном пространстве вопреки гравитации под действием инициатора. Способность человека к левитации (или к сверхвысоким и дальним прыжкам) пока не признана в науке. Однако, есть неподтверждённые данные, что были соревнования летающих йогов. По докладу, победитель смог продержаться в воздухе четыре минуты. Известен также шотландский медиум Д.Д. Юм, живший в XIX веке, который, по свидетельству очевидцев, неоднократно демонстрировал свои способности к левитации, причём ни разу не был уличён в обмане. Люди будут летать как птицы

Возможно, левитация — следствие психической энергии, излучаемой мозгом человека. Ученые занимаются поиском способов антигравитации и объяснений левитации.

Некоторое время назад сообщалось о попытках обнаружить антигравитацию в масштабах галактик (мегамир). Дело в том, что астрономами давно установлен факт разбегания галактик друг от друга. По гипотезе Большого взрыва, основанной на теории Эйнштейна, такое разбегание обусловлено раздуванием пространства-времени, начавшегося с момента образования Вселенной. Это похоже на воздушный шарик с рисунком: шарик надувают и детали рисунка разбегаются.

Но есть и более физическая гипотеза, основанная на предположении о существовании в космосе энергии, вызывающей антигравитацию. Области с такой энергией должны быть расположены между галактиками и не наблюдаются непосредственно, но должны оказывать расталкивающее действие на галактики и вызывать искривление путей проходящих вблизи лучей света.

1. Ващекин Н.П. Концепции современного естествознания. М.: МГУК, 2000 г.

2. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. — Новосибирск, ЮКЭА, 2002

3. КарпенковС.Х. Концепции современного естествознания. — М., Юнити, 2003

4. Кузнецов В.И., Идлнс Г. М“ Гутина В.Н. Естествознание. — М. АГАР. 1996.

5. Конструкции времени в естествознании: на пути к пониманию феномена времени. Ч.1. — М.: МГУ, 2006.

6. Коржуев П.А. Эволюция, гравитация, невесомость. — М.: Знание, 2001.

7. Потеев М.И. Концепции современного естествознания, Санкт-Петербург, Питер, 2004 г.

8. Рыков А. В.: Антигравитация во Вселенной и ряд её приложений М., Юнити, 2003

9. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. — М.: ЮНИТИ, 2007.

10. Рыков А. В: Начала натуральной физики М., Юнити, 2003

www.ronl.ru

Реферат - Рассмотрены три варианта канатных транспортных систем на магнитной левитации и способы их работы 2

Канатная транспортная система на магнитной левитации

Реферат

Рассмотрены три варианта канатных транспортных систем на магнитной левитации и способы их работы — 2 D авиация, космический лифт и электромагнитный лифт. Они охвачены единым изобретательским замыслом и единой общей характеристикой – движением транспортного модуля на магнитном подвесе (левитации) вдоль сверхпрочного легкого каната с высокой электропроводимостью. Сам канат выполнен на основе нанотехнологии с использованием углеродных и других нанотрубок, он имеет прочность как минимум в 100 лучше прочности стали и весит в несколько раз меньше. Его электропроводность в минимум в 100 раз лучше проводимости алюминия или меди при комнатной температуре, и в пределе канат является высокотемпературным сверхпроводником (до 93,5 градусов Цельсия). Магнитная левитация и движение вдоль каната осуществляется с помощью линейного электродвигателя, имеющего обмотку из материала, аналогичного материалу каната. В результате левитация и тяга создаются за счет взаимодействия магнитных полей двигателя и канатов. При этом электроэнергия, необходимая для движения, подается непосредственно по самим канатам от источника электроэнергии. Фиг.1.

Область техники

Изобретение относится к высокоскоростным транспортным средствам на основе сочетания канатных и левитационных систем с электротягой и магнитным подвесом с использованием последних достижений в нанотехнологии и предназначено для перевозки грузов и пассажиров.

Уровень техники

При создании транспортных систем для высокоскоростной перевозки грузов и пассажиров используются воздушные и наземные транспортные средства. Наземные транспортные средства создаются на основе колеса, воздушной подушки или на магнитном подвесе (магнитной левитации). Путевые структуры транспортных систем могут располагаться непосредственно на земле или на несущих опорах (эстакадах) или мостах. Используемые наземные путевые структуры являются неэластичными конструкциями, образуя жесткий путь. Существуют и воздушные транспортные системы, использующие летательные аппараты тяжелее и легче воздуха, которые не требуют создания жестких путевых структур с опорой на землю.

Транспортные системы являются основными потребителями энергоресурсов. Причем потребление топлива возрастает с увеличением скорости.

Сравним существующие транспортные системы, выбирая в качестве наиболее объективного критерия удельный расход условного топлива (Табл. 1).

Таблица 1. Удельный расход условного топлива на перевозки разными видами транспорта [1].

кг/1000 т-км

* рассчитано по энергопотреблению с условием 1 кВт ч =0.34 кг условного топлива при кпд преобразования тепловой энергии в электрическую 36%. 1 кг усл. топлива эквивалентен 29,308 кДж/кг. Для самолетов и автомобилей для 1 кг топлива выбирается среднее значение 44 кДж/кг.

** [2], ***[3]

Из таблицы 1 следует, что за последние 30 лет транспортные системы принципиально исчерпали ресурс своего развития. Это связано с тем, что решить задачу создания высокоэффективных транспортных систем, базируясь на технологиях ушедших веков, принципиально невозможно.

Для транспортных систем важно, каким образом транспортный модуль взаимодействует со средой движения (воздух, рельс, шоссе). Поэтому при сравнении транспортных систем также необходимо учитывать коэффициент полезного действия движения при взаимодействии со средой (Табл.2).

Табл. 2. Коэффициенты полезного действия движения [4].

Из анализа табл. 1,2 следует, что из-за низкого кпд движения 0,25-0,35 уменьшить энергопотребление авиации можно будет только с применением новых принципов движения. Пока в настоящее время решить проблему уменьшения энергопотребления пытаются традиционным путем, уменьшая массу самолета и улучшая аэродинамическое качество, например, путем перехода на самолет-крыло или на режим экраноплана с уменьшением крейсерской скорости.

Рассмотрим высокоскоростные наземные транспортные системы.

На сегодняшний день существуют следующие технологии высокоскоростного наземного транспорта:

• традиционные колесно-рельсовые системы со скоростью 300 км/ч — французская TGV, японская «Шинкансен», немецкая ICE.

• Система на магнитной левитации Maglev со скоростью 400-550 км/ч — немецкая опытная система «Трансрапид»; японская опытная система SCM и MLU 002; китайская система «Maglev» длиной 30 км, соединяющая Шанхай и аэропорт Пудун.

Наземные высокоскоростные системы (скорость до 300 км/ч) требуют использования рельсовых путей с малой стрелой прогиба (10-3 – 10-4 ), с большими радиусами поворота и с малым уклоном. Известно, что движение колесных тележек по рельсу происходит не по прямой линии, а с поперечными биениями. Это приводит к ускоренному износу как рельса, так и колеса, что ведет к постоянным эксплуатационным издержкам, составляющим до 80% всех эксплуатационных затрат.

Кроме того, при увеличении скорости движения железнодорожного транспорта с 80 км/ч до 300 км/ч коэффициент сопротивления качению колесо/рельс возрастает в 3-4 раза, поэтому увеличение скорости свыше 300 км/ч экономически не выгодно [5]. Кроме того, при скорости свыше 200 км/ч большая часть энергия расходуется на преодоление аэродинамического сопротивления. Высокая стоимость прокладки железнодорожного полотна со специальными требованиями к насыпи ограничивает строительство таких дорог в болотистых местах, сильно пересеченных местах и на вечной мерзлоте. Для решения перечисленных проблем используются эстакады в виде классических вантовых и подвесных мостов.

Для уменьшения веса рельсового пути, а, следовательно, и удельной себестоимости, был предложен метод распределения транспортной нагрузки – струнная транспортная система [6]. Это достигается путем использования вместо цельного поезда с жестко связанными вагонами отдельных экипажей с электронной дистанционной связкой, Для уменьшения аэродинамических потерь при скоростях до 300 км/ч экипажи имеют низкое лобовое сопротивление – C x порядка 0.075. Основу системы составляют выпускаемые промышленностью стальные канаты, натянутые внутри специального рельса. Один путь многопутной трассы представляет собой два рельса-струны, образующие колею 2 м и установленные на опорах высотой 1 — 10 м и более. Струны в рельсе натянуты до суммарного усилия 100-300 тонн (в зависимости от длины пролёта и массы подвижного состава) и жёстко закреплены в анкерных опорах, установленных на расстоянии 1-5 км друг от друга (по длине каната). В промежутке путевая структура опирается на легкие поддерживающие опоры, оптимальное расстояние между которыми составляет 20-50 м.

По существу, предложенная структура является классическим подвесным мостом облегченной конструкции, с малой стрелой прогиба каната. Мост располагается над сушей и реками, и нивелирует рельеф местности [7].

Основным недостатком струнной транспортной системы является малая грузоподъемность транспортного модуля (1-2 т), что не позволит вписать эту систему в современные логистические схемы. Также очень существенным недостатком этой системы является тот факт, что в жестко натянутых струнах, под действием ветра и движения транспортного модуля, возникают сильные неустранимые вибрации, которые могут привести к разрушению самой дороги, особенно в местах крепления струны [8]. Поэтому такие струнные транспортные системы не использовались в мостостроении. На практике используются не натянутые струны, а провисающие тросы, что видно на примере технологии натяжения проводов, используемой в линиях электропередач [9].

Попытки усовершенствовать железные дороги привели к созданию монорельсовых эстакадных дорог. Они бывают двух типов: колесно-рельсовые и на воздушной подушке. Многократные попытки увеличить скоростные характеристики таких дорог не дали положительных результатов. Эстакадные колесно-рельсовые системы обладают всеми недостатками классических колесно-рельсовых систем, а использование воздушной подушки увеличивает энергопотребление и стоимость монорельса (за счет необходимости создания желоба), а также имеет труднопреодолимые шумовые характеристики.

Перечисленные выше наземные транспортные системы обладают общим недостатком – проскальзыванием колеса относительно рельса при увеличении крутизны подъема свыше 1/40. Поэтому в гористой и сильно пересеченной местности для перевозки людей и грузов с низкими скоростями используются канатные подвесные дороги. Они состоят из жесткого колеса и «мягкого» рельса. Эти дороги позволяют преодолевать значительные перепады высот, что невозможно для других видов колесно-рельсовых транспортных систем. Их недостатком является провисание несущего и тянущего канатов. В результате этого на них невозможно развить скорости выше 10 км/ч, так как путь является волнообразным. Например, наиболее протяженная грузовая канатная дорога построена в Швеции, имеет длину 98 км, максимальные пролеты 600-800 м, средние пролеты 100-150 м, максимальный угол подъема 300, производительность 50тон/ч, среднюю скорость движения 1,5 — 3,15 м/с [9].

Предельным случаем канатной дороги являются лифты. Транспортный модуль – кабина лифта – движется вдоль жестко укрепленных направляющих с помощью тянущего каната. Предельным случаем лифтовой системы можем считать систему, в которой канат натянут между Землей и космическим объектом.

В NASA (США) считают, что освоение Луны и Марса с помощью устаревших технологий 60-ых годов перевозки грузов на основе ракет на химическом топливе не приведет к дальнейшему технологическому скачку, поэтому не является перспективным.

Например, для осуществления космического полета традиционными способами с помощью ракет, на высоте 150 км с первой космической скоростью необходимо затратить энергию 31,3 МДж/кг. Дополнительно преодоление гравитации потребует еще 8-10%, аэродинамическое сопротивление 1%-5%, направление ракеты 1%-5%. Следовательно, в среднем затраты на вывод ракеты в космос составят 35 МДж на 1 килограмм общего веса. Так, для системы Буран-Энергия стартовая масса с Земли составляет 2430 тон. Корабль Буран весит 105 т, а полезная нагрузка составляет всего 30 т т.е., 1,23% от общего веса корабля.

В настоящее время исследователи из NASA [10,11] предлагают упростить вывод крупных объектов на орбиту, используя систему, названную ими «Космическим лифтом» и предложенную еще Ю.В. Арцутановым в 1960 г. [12].

В их проекте «Космический лифт — это сверхпрочная легкая лента из углеродных нанотрубок весом порядка 7,5 кг/км. Ее прочность в 100 раз лучше прочности аналогичной стальной ленты, при этом в 4,5 раза она легче. Один конец ленты присоединен к поверхности Земли, а другой находится на геосинхронной орбите в космосе (на высоте 100 000 км). Гравитационное притяжение нижнего конца ленты компенсируется силой, вызванной центростремительным ускорением верхнего конца. Таким образом, лента постоянно находится в натянутом состоянии.

Изменяя длину пути, можно достигать разных орбит. Космический модуль, содержащий полезный груз, будет передвигаться вдоль ленты. Для начального старта модуля, имеющего вес 10-20 тон, потребуется его разгон до 100-200 км/ч. Вертикальное движение его предполагается осуществлять с помощью блока колес. Движение до конечной станции займет время порядка 7 дней. Как только он будет приближаться к концевой станции, его горизонтальная (орбитальная) скорость будет увеличиваться из-за центростремительного ускорения всей системы. На конечной станции, если это необходимо, модуль отсоединяется от лифта и выходит в открытый космос. Орбитальная скорость модуля при этом будет составлять 11 км/с. Этой скорости будет достаточно для того, чтобы начать путешествие к Марсу и другим планетам. Таким образом, затраты на пуск модуля будут только в начале ее пути на орбиту. Спуск будет производиться в обратном порядке — в конце спуска модуль будет ускорять гравитационное поле Земли. Можно использовать космический лифт в качестве „пусковой платформы“ для космических кораблей, запускаемых к другим планетам, спутникам и астероидам (Марсу, Венере, Луне). Это поможет сократить расходы примерно в 100 раз, связанные с традиционным запуском ракет на химическом топливе. Также можно построить лифт грузоподъемностью до 100 тонн, что позволит строить на орбите большие колонии и орбитальные станции.

Мощность для разгона модуля, в зависимости от массы груза, будет варьироваться в границах от 100 киловатт до 2,4 мегаватт. Планируется передавать энергию с помощью инфракрасного лазера. Однако, коэффициент полезного действия фотопреобразователей оптического излучения в электричество не превышает 35%. Поэтому возникает проблема охлаждения фотопреобразователей в космическом пространстве.

За счет трения колес о ленту будет происходить износ ленты. Ее придется менять каждые два-три года. Таким образом, здесь также не решается проблема колесо-рельсы (трос).

Специалисты NASA в настоящее время приступили к исследованию, связанному с возможностью осуществлять запуск космических ракет с помощью электромагнитных ускорителей на начальном этапе полета. Они предполагают, что это не только поможет решить проблемы экологического характера, но и существенно снизит стоимость каждого запуска примерно в 10 раз.

Для грузовых перевозки в настоящее время рассматривается возможность использования электромагнитных катапульт для запуска космических модулей непосредственно с Земли. Такие электромагнитные пушки предложил еще в 1901 г К. Брикланд, которые развивал Э.Циолковский. В настоящее время это направление также продолжает развиваться, например, прелагается создать электромагнитные ускорители длиной до 1 км с использованием электромагнитных секций. Секции предполагается создавать как из обычных магнитов, так и из сверхпроводящих магнитов [13]. Космический летательный аппарат с помощью такой катапульты может развить скорость 6,5 км/с, при этом он испытывает ускорение до 2000g. Такие перегрузки могут выдержать только бесструктурные объекты и жидкости. Кроме того, при таких скоростях корабль должен иметь тепловую защиту для движения в атмосфере. Предполагается, что при стоимости запуска 30 долларов США на один кг груза при круглосуточной работе такая пушка может обеспечить топливом и продуктами питания космическую станцию. Отметим, что запуск одного килограмма груза с помощью ракет на химическом топливе на низколежащую орбиту стоит порядка 2500 долларов, а на геостационарную – 60 000 тыс. долларов США.

К сожалению, для достаточно дешевого запуска с помощью электромагнитных катапульт существует две основные и пока не решенные проблемы: высокие перегрузки и потеря энергии при трении о воздух при больших начальных скоростях.

Эти проекты в настоящее время из-за высокой себестоимости самой катапульты пока не получили практического применения и находятся в стадии экспериментов.

Следующей технологией высокоскоростного транспорта, в которой сделаны попытки решить проблему колесо — рельс и увеличить скорость до 500-600 км/ч, стали системы на магнитном подвесе.

Например, Маглев (Maglev от англ. magnetic levitation ru.wikipedia.org/wiki/) — это поезд на магнитной левитации (подвесе), движимый и управляемый магнитными силами. Такой состав, в отличие от традиционных поездов, в процессе движения не касается поверхности рельса. Так как между поездом и поверхностью движения существует зазор, механическое трение исключается и основной тормозящей силой является сила аэродинамического сопротивления и потери в линейном электродвигателе (см. табл. 2).

Скорость, достижимая Маглев, сравнима со скоростью самолёта и позволяет составить конкуренцию воздушным сообщениям на малых расстояниях (до 2000 км). На данный момент существует 3 основных технологии магнитного подвеса поездов:

На сверхпроводящих магнитах (электродинамическая подвеска, EDS)

На электромагнитах (электромагнитная подвеска, EMS)

На постоянных магнитах; это новая и потенциально самая экономичная система.

Состав левитирует за счёт отталкивания одинаковых полюсов магнитов и, наоборот, притягивания разных полюсов. Движение осуществляется линейным двигателем, расположенным либо на поезде, либо на пути, либо и там, и там. Серьёзной проблемой проектирования является большой вес достаточно мощных магнитов, поскольку требуется сильное магнитное поле для поддержания в воздухе массивного состава. Так, затраты электроэнергии при использовании обычных электромагнитов составляют 1 -1,5 Вт на килограмм поднимаемой массы.

Статичные поля, создаваемые одними только электромагнитами и постоянными магнитами, нестабильны, в отличие от полей диамагнетиков и сверхпроводящих магнитов. Существуют системы стабилизации: датчики постоянно замеряют расстояние от поезда до пути и соответственно ему меняется напряжение на электромагнитах. Наиболее активные разработки Маглев ведут Германия и Япония.

Использование сверхпроводящих магнитов на самом составе требуют криогенных температур от 4К до 70К. Высокая теплопроводность металла очень сильно усложняет систему подвески и крепления сверхпроводящих катушек магнитов. Поэтому требуется постоянная система регенерации криожидкости. Большие объемы криожидкости опасны для пассажиров в аварийной ситуации. Использование линейных электродвигателей требует создания вдоль пути высоко материалоемких магнитных структур. Это резко увеличивает себестоимость проекта.

Вследствие высокой себестоимости несущего пути транспортные системы на магнитной подвеске до сих пор не нашли широкого применения. Например, стоимость единственной действующей в настоящее время дороги Маглев в Шанхае длиной 30 км составила 1,3 млрд. долларов США.

Проблемой всех дорог со скоростью движения порядка 500 км/ч является высокое аэродинамическое сопротивление, приводящее к огромным затратам энергии на его преодоление. Чем длиннее состав и чем больше количество вагонов, тем выше сопротивление. Лобовое сопротивление Cx для 5-7 вагонов может достигать 0.31-0.5 [14].

Кроме этого, из-за несимметричной аэродинамической формы состава возникает дополнительная подъемная сила, приводящая к неустойчивости поезда, особенно при сильных порывах ветра. Эта проблема вызвана тем, что путь является «жестким» по отношению к поезду. Попытка устранить эти проблемы путем увеличения зазора от 1-2 см до 10-15 см между двигателем и рельсом приводит к дополнительным затратам энергии.

В северных районах с большим количеством снежных осадков и возможностью обледенения возникают дополнительные сложности эксплуатации таких дорог. Поэтому на сегодняшний день даже не рассматривается возможность их использования на Севере.

Рассмотрим воздушные транспортные системы. Известно, что летательные аппараты тяжелее воздуха (самолеты, вертолеты, экранопланы) должны иметь большую удельную мощность на единицу веса и большой запас топлива для передвижения на большие расстояния. Например, вертолет имеет удельную мощность 300 Вт/кг при крейсерской скорости порядка 250-300 км/ч. Винтовые и турбовинтовые самолеты имеют удельную мощность порядка 100 Вт/кг при крейсерской скорости 500-650 км/ч. Турбореактивные самолеты имеют удельную мощность порядка 150 Вт/кг при крейсерской скорости 700-900 км/ч [2,15]. Экранопланы имеют лучшие аэродинамическое качество и экономические показатели, чем самолеты за счет полета на небольшой (до 10 м) высоте над ровными поверхностями или водой [16]. Вертолеты из-за низких – в 2-3 раза ниже, чем у самолетов – экономических параметров имеют узкий круг применения и не используются для массовых перевозок (см. табл.1).

В настоящее время наиболее широко получили развитие турбореактивные самолеты для перевозки большого количества грузов и пассажиров. Например, Ил-96, Боинг 747, Боинг 777, новейший аэробус А 380 и т.п. У всех этих самолетов есть предельные экономические характеристики, которые были достигнуты еще в 1970-ые годы. Это удельное потребление топлива — грамм/(пассажир, километр). Оно равно порядка 20 г/(пас км). Для перевозки грузов используется аналогичная характеристика – грамм/(тонна километр). Из расчета, что 1 человек весит 100 кг, эти характеристики соотносятся как 200 г/(тонна км). Кроме того, в соответствии с требованиями безопасности полетов, каждый самолет берет с собой дополнительное топливо на 0.5 -1 час полета.

Из-за высоких шумовых характеристик полеты самолетов осуществляются на высоте 5 -10 км. При этом затраты энергии для подъема самолета на высоту полета определяются выражением

(1)

где g – ускорение свободного падения, m – масса самолета, h – высота полета. Например, для самолета массой 10 тон при высоте полета 10 км, затраченная энергия составит 980 МДж. Это соответствует неэффективным затратам топлива при коэффициенте полезного действия двигателя 0,3-0,4, кпд движения 0,25-0,35 (см. табл. 2) и удельной энергоемкости топлива 44 МДж/кг порядка 180 литров.

Для горизонтального перемещения самолета необходимо создать подъемную силу, которая будет связана с аэродинамическим качеством самолета соотношением:

, (2)

где C y – коэффициент вертикального сопротивления, Sy – площадь крыла, vx – горизонтальная скорость самолета, r — плотность воздуха.

Необходимая мощность двигателя для горизонтального перемещения самолета будет определяться выражением:

, (3)

где C x – коэффициент горизонтального сопротивления, Sx – площадь поперечного сечения самолета.

Минимально необходимая мощность двигателя, затрачиваемая на пологий подъем высотой h и длиной L равна:

. (4)

Таким образом, мощность двигателя будет затрачиваться на подъем самолета и на преодоление воздушного сопротивления. Качество самолета будет определяться выражением:

. (5)

Как правило, для современных самолетов в крейсерском режиме k составляет 10-18, а для экранопланов k достигает 20-25.

Для безопасности полета в режиме взлета/посадки используется скорость порядка 250 км/ч. В результате требуется изменить геометрию крыла, соответственно k падает в несколько раз. Это приводит к увеличению энергопотребления.

Последнее время наблюдается тенденция увеличения экономической эффективности самолетов за счет строительства самолетов с более высоким аэродинамическим качеством в разных режимах полета. Это достигается отказом от фюзеляжной конструкции и создания самолета-крыла типа B2 (военный самолет-невидимка). Для гражданской авиации фирма Боинг планирует построить самолет-крыло на 800 пассажиров. По их расчетам это на 30% уменьшит мощность двигателя и, соответственно, на 20% уменьшит себестоимость полетов. В России также ЗАО „Авиационный концерн “ЭКИП» разрабатывает самолет-крыло разной грузоподъемности от 2 человек до 1200 человек [17].

Основными техническими решениями, заложенными в Проект «ЭКИП», являются следующие.

Аэродинамический несущий корпус аппарата в форме толстого крыла малого удлинения объединяет функции крыла и фюзеляжа с нагрузкой на крыло (корпус) 125 кг/м2 .

Профиль корпуса аппарата обеспечивает ламинарное обтекание большей части верхней поверхности аппарата и позволяет установить на верхней кормовой части вихревую систему управления течением в пограничном слое, для безотрывного обтекания корпуса, и получить аэродинамическое качество 15-18. Профиль корпуса (большая площадь в плане) позволяет установить на нижней поверхности аппарата взлетно-посадочное устройство на воздушной подушке или использовать режим движения экраноплана при скорости до 400 км/ч.

Вихревая система управления движением на кормовой поверхности аппарата обеспечивает его безотрывное обтекание на всех режимах полета, включая взлет и посадку с большими углами атаки (до 40 градусов).

Большие объемы аппарата и жесткая конструкция позволяют установить грузовые контейнеры большого объема

Вспомогательные двигатели мощностью 6-8% от общей мощности обеспечивают экономный режим для работы вихревой системы безотрывного обтекания аппарата на крейсерских режимах полета и форсированный режим для воздушной подушки на взлетно-посадочных режимах. Вспомогательные управляющие двигатели обеспечивают устойчивость и управляемость аппарата на взлетно-посадочных режимах полета. Изготовление корпуса аппарата и оперения из композиционных материалов обеспечивает малый вес конструкции, технологичность изготовления, долговечность и коррозийную стойкость.

К сожалению, все перечисленные виды авиатранспорта создают экологическую напряженность. Хотя под руководством ИКАО в течение последних 20 лет ведущие авиаперевозчики мира достигли 70-процентного снижения выбросов окиси углерода, повышения кпд топлива почти на 50 % и, с появлением нового поколения реактивных самолетов, − снижения шума на 85 %. Однако дальнейшего прогресса за последние годы не наблюдается [18].

Эксплуатационные расходы на самолеты составляют значительную часть себестоимости полета. Это, в первую очередь, высококвалифицированный экипаж, инженерные и диспетчерские службы, аэродромное обслуживание. Кроме того, пассажиры и грузоперевозчики несут финансовые и временные затраты на путь до аэропорта, который обычно располагается в десятках километров от города.

Авиатранспорт является достаточно безопасным технически видом транспорта. Большинство аварий — 70%, происходит благодаря человеческому фактору, причем основная часть аварий и катастроф приходится на взлет и посадку, особенно при плохих погодных условиях. Кроме того, высокий процент технических катастроф связан с дефектами шасси. Поэтому, для увеличения безопасности полетов необходимо рассмотреть возможность устранения человеческого фактора и устранения шасси.

Объем пассажирских перевозок в мире ежегодно возрастает на 3-6%, и он удвоится примерно через 15 лет. С другой стороны, уже сейчас воздушное пространство вокруг аэропортов настолько загружено, что почти все большие межконтинентальные узлы управления движением в мире почти лишились свободного воздушного пространства. Проблема управления воздушным движением во многих из этих мест уже достигла критического уровня. Согласно официальным отчетам, ежедневно в Европе случалось порядка 7000 задержек авиарейсов. Кроме того, любому международному аэропорту требуются, по крайней мере, 10,4 кв. км земли без учета подавления шумов в окружающей местности. Это также ограничивает возможности развития авиатранспорта.

В ближайшие годы из-за перегруженности маршрутов и аэропортов может сильно возрасти опасность полетов на внутренних рейсах в крупных странах. Это может привести к прекращению развития авиаперевозок на близкие и средние расстояния.

Фирмой Airtrain.Inc была сделана попытка решить проблему перевозки на близкие расстояния. Они на новом техническом уровне попробовали реанимировать старую идею Валоднера 1933 года использования самолета на монорельсе — аэропоезд [19]. Airtrain — это высокоскоростная система, состоящая из рельса в форме перевёрнутой буквы «Т» и аэродинамических транспортных средств. Эти средства, по сути, являются самолётами необычной и, естественно, уникальной конструкции. Как и полагается, у них есть крылья — два спереди, два сзади — и электродвигатели с пропеллерами — две штуки.

Эти самолёты на небольшой скорости — те же вагончики монорельса, а когда аэропоезд достигает скорости 320 км/ч, они в буквальном смысле летят, не касаясь рельса. Если не считать подпружиненного контакта, благодаря которому самолёты Airtrain «питаются» электроэнергией. В то же время, многочисленные датчики и сенсоры, управляемые бортовым компьютером, не позволяют самолётам с этого рельса соскочить [20].

Саму дорогу планируется построить из двух параллельных друг другу рельсов для движения в обоих направлениях и опор, которые должны стоять через каждые 30 метров, т.е создать «жесткий» путь..

В зависимости от модели, Airtrain был бы способен везти от 72 до 92 человек с максимальной скоростью 320 км/час. Тормозить аэропоезд должен путём изменения угла пропеллеров, а на небольшой скорости так же, как и монорельс. В результате вес поезда будет прикладываться к рельсу и опорам, что приводит к высокой стоимости пути из-за необходимости большого количества опор.

Стоимость дороги может составить $7,3 миллионов за полтора километра, каждый самолёт от 11 до 16 миллионов долларов, а вся система протяжённостью около 450 километров — всего-навсего $2,06 миллиарда!

Эта система практически не была реализована из-за той же проблемы неустойчивости самолета при движении вдоль Т-образного рельса при порывах ветра, так как опять используется «жесткий» путь.

Проведение системного анализа современных транспортных средств и последних достижений в области нанотехнологий позволило синтезировать новые транспортные системы для XXI века. Для этого использовались последние достижения в самолетостроении, новые идеи в космических транспортных средствах и последние достижения в области нанотехнологий по созданию сверхпрочных легких материалов на основе углеродных нанотрубок, имеющих высокую электропроводность, вплоть до сверхпроводимости при температурах вплоть до 93,5 0С [21].

Техническая задача изобретения

Задачей изобретения является создание высокоскоростных транспортных систем с использованием магнитной левитации при движении транспортного модуля вдоль электропроводящих канатов. Предлагаемые системы позволяют принципиально по-новому решить:

• Создание двумерной авиационной транспортной системы «2D авиация» для перевозки тяжелых грузов со скоростью 200-400 км/ч и пассажиров со скоростью 400-700 км/ч при себестоимости в 3 раза ниже стоимости авиаперевозок и соизмеримой со скоростными железными дорогами (200-300 км/ч), с низкой себестоимостью трассы, не более 40-50 тыс. долларов США на километр, с высокой надежностью и безопасностью, соизмеримой со скоростными железными дорогами. Основным прототипом этой системы выбирается система AirTrain.
• Создание «космического лифта» для скоростной доставки грузов и пассажиров на космические орбиты без использования в транспортном модуле колесного движетеля по канату и наземного лазерного источника энергии. Основным прототипом этой системы выбирается система Space Elevator.
• Создание наземных скоростных лифтов – «электромагнитного лифта». Принцип действия электромагнитного лифта можно использовать при создании классических лифтов для высотных зданий, при создании портов в 2D авиации, при реконструкции железных дорог с обычных на дороги на магнитном подвесе, для электромагнитных катапульт и т.п. Основным прототипом этой системы выбирается система Maglev.

Раскрытие изобретения

Решить задачу создания принципиально новой транспортной системы возможно путем использования последних достижений в области получения сверхпрочных легких материалов, имеющих высокую электропроводность, вплоть до сверхпроводимости при температурах вплоть до 93,5 градусов Цельсия.

Одним из таких достижений явилось открытие углеродных нанотрубок, которые имеют прочность в 100 раз выше прочности стальной проволоки (sB =3,5–4,0 ГПа, r=7,8 г/смс3 ) при удельном весе r=1,7 г/см3. Тогда произведение прочность на вес в 460 раз лучше у углеродных нанотрубок, чем у самой прочной стальной проволоки. При этом сопротивление нанотрубок зависит от их внутреннего диаметра и может изменяться от диэлектриков до металлических проводников вплоть до сверхпроводников. Высокотемпературная (комнатная) сверхпроводимость возникает при внутреннем диаметре нанотрубки 14,5 нм [21], при этом критическая плотность тока составляет 3,4 104 А/см2, критическая напряженность магнитного поля равна 12,5 Тл. При этом исчезновение этих критических параметров наступает при температуре 93,50С, т.е., почти при температуре кипения воды. Отметим, что при такой же температуре рабочая плотность тока в алюминиевых проводах равна 102 А/см2. При этом удельный вес алюминиевого провода в 2 раза выше, чем удельный вес углеродных нанотрубок, а прочность алюминиевой проволоки — всего sB = 0,1ГПа.

К настоящему времени еще не создали технологию производства достаточно длинных кабелей и канатов из калиброванных нанотрубок с приемлемой себестоимостью. Решением этих проблем занимаются сотни фирм во всем мире.

При запуске промышленного производства кабеля из калиброванных нанотрубок можно будет реально осуществить создание магнитно-левитирующей канатной транспортной системы по крайней мере, трех видов.

Канатная авиатранспортная система. 2 D авиация. Под 2D авиацией будем понимать транспортную систему, в которой транспортный модуль с аэродинамическими параметрами самолета двигается вдоль двухмерной сети канатных дорог, натянутых на опоры вдоль поверхности земли, причем электрическая энергия от внешнего источника подается по электропроводящим канатам непосредственно к линейному электродвигателю транспортного модуля, который создает магнитный подвес. Одновременно при электромагнитном взаимодействии электродвигателя с канатом создается и сила тяги. Только в этом случае кпд движения транспортного модуля — самолета возрастает в 2-3 раза (см. табл.2).

Известно, что гражданская авиация осуществляет перевозки между пунктами назначения по заданным маршрутам и высоте полета — коридорам и эшелонам. Т.е., осуществляет трехмерное движение – 3D. На подъем (3-12 км) и спуск самолета затрачивается дополнительное время и топливо, и это является теми дополнительными издержками, которые можно ликвидировать при переходе на полет на малых высотах (5-50 м).

Вторым недостатком авиации является использование огромного количества топлива, которое перевозится непосредственно на борту самолета, что влечет дополнительные энергетические затраты и, кроме того, является крайне опасным грузом при аварийных ситуациях. Кроме того, низкий коэффициент полезного действия авиационных турбин порядка 0.4 и низкий кпд движения 0.2-0.4 приводит в лучшем случае к бесполезному сжиганию 80% топлива, которое необходимо возить с собой (табл.2). Мощные авиационные турбины имеют большой вес — их удельная мощность составляет 1-3 кВт/кг. При переходе на магнитную левитацию с внешним электропитанием от каната тяговое усилие осуществляется посредством каната, закрепленного на опорах. Здесь осуществляется принципиальный переход движения с отталкиванием от воздуха на движение с отталкиванием от каната. Такое движение имеет кпд 0.85-0.95 (см. табл.2). В этом случае в 2 раза увеличивается экономия энергии по сравнению с воздушно винтовыми самолетами (например, с самолетом AirTrain) или почти в 3 раза по сравнению с самолетами типа А-380 с двухконтурными турбореактивными двигателями.

Таким образом, в случае 2D авиации, при переходе с тепловых двигателей самолетов на двигатели на основе магнитной левитации, т.е. на высокотемпературные сверхпроводящие линейные электродвигатели, появляется принципиальная возможность увеличить электрический кпд двигателя почти до 1, тяговый кпд двигателя до 0,95. Кроме того, вес двигателей на магнитной левитации можно уменьшить до 10 кВт/кг. Здесь происходит оптимизация сразу по нескольким параметрам – по энергетическим и весовым характеристикам.

Дальнейшая оптимизация получается в результате полного отказа от топлива и от тяжелых шасси, что сильно облегчает вес транспортного модуля. Кроме того, будет естественным образом улучшаться аэродинамика за счет отсутствие воздухозаборников турбин и гондол шасси, что приведет к уменьшению лобового сопротивления и, соответственно, шума. Отсутствие турбин повысит безопасность полета, так как полностью исключается вероятность попадания птиц в двигатели.

Существуют проблемы аэродинамики самолетов в разных режимах полета. Известно, что по требованиям безопасности полетов скорость самолетов при посадке и взлете не должна превышать 250 км/ч. Для этого обычно применяется сложная механика управления обтекания крыла или изменение самой геометрии крыла, что приводит к изменению аэродинамического качества самолета. Т.е., на малых скоростях (взлет/посадка) крыло должно быть длинным, но на больших крейсерских скоростях длинное крыло увеличивает лобовое сопротивление. Устранить эту принципиально не решаемую дилемму авиации можно, если летательный аппарат при использовании магнитной левитации разгоняется и тормозиться по жесткому пути за счет электромагнитного поля. Оно создается линейным электродвигателем при взаимодействии с канатом. При этом сам канат жестко закрепляется на эстакаде (подобно рельсам). Такой жесткий канатный путь является аналогом взлетной/посадочной полосы самолета. При остановке транспортного модуля его вес распределяется по эстакаде. Обратим внимание, что подъемная аэродинамическая сила необходима только при движении модуля в крейсерском режиме над свободно висящим канатом между опорами. Только в этом случае исчезает проблема изменения аэродинамических параметров в разных режимах полета: взлете/посадке и крейсерском режиме. Это упрощает конструкцию самолета (транспортного модуля), а, следовательно, увеличивает его надежность.

Если полет самолета происходит низко над достаточно ровной поверхностью типа поверхность воды, льда или степи, с локальными неровностями высотой 1м — 3 м, то появляется дополнительная подъемная сила за счет экранного эффекта. Это позволяет уменьшить мощность двигателя почти в 2 раза. По такому принципу разработано и создано целое семейство самолетов — экранопланов. Они летают на низкой высоте (до 10 м), но при возникновении достаточно больших препятствий на суше или большой волны они могут переходить на небольшое время в режим полета обычного самолета, являющийся менее экономичным. [16]. Для 2D авиации можно дополнительно сэкономить энергию, переведя полет транспортного модуля в режим экраноплана.

Транспортный модуль. Одним из вариантов транспортного модуля можно использовать новый вид самолета-крыла типа «ЭКИП», со всеми его аэродинамическими параметрами планера [17].

Режим экраноплана является весьма перспективным для грузовых перевозок с небольшими скоростями (300-400 км/ч). В этом режиме может летать и «ЭКИП». В то же время экраноплан во время полета претерпевает частые перепады высот, что вредно сказывается на человеческом организме (низкая комфортность полета), что ограничивает пассажирские перевозки в этом режиме. Кроме того, управление экранопланом является очень сложным из-за влияния экранного эффекта на продольную устойчивость. Если в обычном полете самолет хорошо управляем, то на посадке, при приближении крыла к земле, центр приложения подъемной силы начинает смещаться к задней кромке крыла, нос перевешивает и получается кульбит. Руля высоты или реакции пилота в таких случаях для выравнивания самолета не хватает.

Если же летательный аппарат зафиксирован на канатах, как в 2D авиации, то аппарат является устойчивым априори.

В пересеченной местности полет в режиме экраноплана невозможен. В густонаселенной и городской местности возникает другая проблема, связанная с землеотводом под трассу экраноплана, так как у него широкий размах крыла. Поэтому для таких условий транспортный модуль должен иметь узкие короткие крылья и каплеобразный фюзеляж. Чтобы создать достаточную подъемную силу для перевозки компактного тяжелого груза порядка 50 т (аналогично железнодорожному вагону), необходима большая площадь крыла. Это можно решить путем компоновки крыльев транспортного модуля по схеме биплана, триплана и т.п. Однако, в режиме экраноплана такие самолеты не эффективны.

Транспортный модуль в виде самолета крыла или би- или триплана будет двигаться по двум канатам. В этом случае автоматически решается проблема продольной устойчивости в полете. Кроме этого, это повышает безопасность движения в штормовых условиях.

Движение транспортного модуля осуществляется с помощью линейных электродвигателей. Электропитание подводится непосредственно от канатов. Канаты проходят внутри одного или нескольких линейных электродвигателей в максимуме электромагнитного поля, которое создает двигатель. Причем поле формируется таким образом, чтобы сформировать некоторую потенциальную магнитную яму для устойчивости самого каната. Двигатели одновременно могут выполнять и функцию виброгасителей, подавляя вибрации каната. Работа двигателя может осуществляться в двух режимах. В первом режиме токосъем осуществляется таким образом, чтобы постоянное магнитное поле канатов непосредственно взаимодействовало с магнитным полем двигателя. Во втором режиме токосъем осуществляется таким образом, чтобы по канатам, проходящим внутри двигателя, не шел ток. Тогда магнитное поле двигателя выталкивается из канатов за счет эффекта Мейснера. Электродвигатели могут работать и в комбинированных режимах.

Путевая структура. Все известные наземные путевые структуры предназначены для компенсации веса транспортного модуля путем опоры на путь. Для увеличения скорости движения модуля этот путь должен быть достаточно ровным, что требует выравнивания рельефа местности. Кроме того, должен использоваться жесткий материал с малым модулем изгиба для уменьшения деформации пути при движении модуля. Выравнивание рельефа осуществляется с помощью дорожных насыпей, туннелей, виадуков и мостов. Эти сооружения требуют больших материальных затрат, что увеличивает себестоимость трасс. Например, стоимость железнодорожных путей составляет порядка 1-10 млн. долларов США на 1 км пути. Себестоимость высокоскоростных железнодорожных путей составляет уже 10-20 млн. долларов США на 1 км. Еще выше себестоимость системы Маглев.

Высокоскоростные автомобильные дороги, например, в Европе, также обходятся в 5-10 млн. долларов США на 1 км. Кроме того, стоимость всех видов дорог сильно возрастает из-за климатических воздействий и износа при их эксплуатации.

Принципиально изменить путевую структуру можно только заставив транспортный модуль не ехать, а лететь по канату вдоль поверхности земли. В этом случае модуль опирается на воздух. Таким образом, мы заменяем сплошной жесткий путь с малым модулем изгиба на «мягкий» путь, т.е., на канат, испытывающий нагрузку только на растяжение. Т.е., прогиб пути заменяется на натяжение каната. В результате можно получить значительный выигрыш по материалоемкости пути. Кроме того, этот выигрыш еще увеличится при переходе на новые конструктивные материалы. Таким материалом может стать канат на основе волокон из углеродных нанотрубок, имеющих прочность в 100 раз выше прочности стальной проволоки при удельном весе в 4,6 раза меньше. Произведение прочности на вес в 460 раз лучше для углеродных нанотрубок, чем для самой прочной стальной проволоки. Например, при весе каната из нановолокон 10 кг на километр, он выдерживает усилие не менее 10-20 тонн.

Рассмотрим один из вариантов реализации путевой структуры.

Натянем два нановолоконных каната с параметрами: линейная плотность 0,01 кг/м, объемная плотность 1730 кг/м3, прочность sB = 350 ГПа, расстояние между опорами 10 км, сечение 5,8 мм2. Тогда расчет по классической схеме дает максимальный прогиб каната в центре между опорами 2 м.

На летящий транспортный модуль будет приходиться дополнительный вес 2 канатов всего в 200 кг. Основное усилие будет приложено к анкерной опоре на сжатие и на натяжение каната при движении модуля. Анкерную опору можно сделать достаточно легкой, так как она будет работать в основном на сжатие и изгиб. На растяжение работают только тросы крепления анкерной опоры к поверхности. Их можно выполнить из тех же нановолоконных канатов.

В аварийном режиме (отсутствует аэродинамическая подъемная сила), транспортный модуль весом от 10 т до 75 т может остановиться в середине пролета. При высоте опор 20 м и расстоянием между ними 10 км модуль может опуститься на землю за счет естественного удлинения канатов. Избежать опускания модуля на землю можно путем натяжения канатов с помощью линейных электродвигателей, запущенных в режиме реверса. Для этого необходимо, чтобы на каждом канате располагалось не менее двух независимых секций линейного электродвигателя транспортного модуля. В критических ситуация этот режим может быть использован для плавного опускания модуля на землю с целью снятия грузов или пассажиров или в целом всего аварийного модуля. При отсутствии электроэнергии в системе на борту модуля должны быть резервные аккумуляторы для проведения аварийных процедур.

Расстояние между анкерными опорами будет определяться как рельефом местности, так и скоростью движения модулей и расстоянием между ними, т.е., пропускной способностью. В принципе, можно организовать сцепление (электронное или механическое) между модулями, что сразу увеличит пропускную способность. Этот режим движения в виде поезда можно использовать для преодоления больших водных преград и т.п., когда опоры находятся на большом расстоянии (10-50 км). Однако, этот режим в целом уменьшает безопасность движения. Поэтому желательно использовать режим движения, когда на одном пролете находится не более одного модуля.

Использование принципа магнитной левитации позволит исключить трение, а, следовательно, процесс износа транспортного полотна. Это фактически приведет к возможности его бессрочной эксплуатации. В результате резко снизятся эксплуатационные расходы как на замену «рельсов», так и на замену «колес» в транспортном модуле.

В итоге прочностные требования к нановолоконному канату будут связаны не столько с усилием натяжения каната, сколько с усилием, возникающем при экстренном торможении транспортного модуля. Такая ситуация может возникнуть при отключении электропитания канатов, землетрясениях и т.д. Например, максимальная сила, возникающая при экстренном торможении модуля массой 10 т, движущегося с крейсерской скоростью 650 км/ч, на тормозном отрезке пути l =1 км, находится из формулы

(6)

и равна 161,7 Н (16,5 тонна сил). Это в несколько раз ниже предельной прочности двух канатов. При этом перегрузки для пассажиров не превысят вполне допустимую норму 1,65 g (g — ускорение свободного падения).

Анкерная опора. Конструкция анкерной опоры содержит элементы крепления каната (шлюз), которые могут быть стационарными или крепиться с помощью электромагнитов. В первом случае транспортный модуль имеет элементы конструкции линейного электродвигателя, способные изменять геометрию магнитного зазора при прохождении шлюза. Во втором случае, если канат крепиться к анкерной опоре с помощью электромагнитов, то при прохождении модуля через шлюз канат освобождается от крепления. Модуль над шлюзом продолжает движение по инерции. После прохождения шлюза происходит постепенное натяжение каната на следующем пролете. Управление шлюзом может осуществляться дистанционно из транспортного модуля или диспетчерской службой. Шлюзы должны быть электроизолированы друг от друга. Электро изоляция должна выдерживать рабочие напряжения 1-25 кВ в зависимости от эксплуатационных требований. В связи с тем, что под действием ветровой нагрузки и движения транспортного модуля происходят колебания канатов, то шлюзы должны крепиться к виброгасителям. Виброгасители могут выполняться стандартными способами [8].

Анкерные опоры можно изготавливать из железобетона или стали по стандартным технологиям. Высота их будет определяться рельефом местности с целью нивелирования самой трассы.

Канаты. Канаты между анкерными опорами должны находиться в свободном подвесе, т.е., их натяжение должно осуществляться только под собственным весом. Канаты могут быть круглыми или ленточными. Канаты должны быть токопроводящими, к которым подводится необходимая электроэнергия.

Сами канаты периодически должны соединяться стяжками для компенсации электромагнитных сил между ними. Стяжки должны быть выполнены из диэлектрика и также выполнять роль гасителя вибрации канатов. Например, они могут быть в виде диэлектрического жгута из углеродных нановолокон. Тогда они будут легкими и прочными, а поглощение энергии колебаний может осуществляться путем трения между скрученными волокнами. Аналогичные гасители вибрации применяются на высоковольтных линиях передач.

Чтобы уменьшить энергозатраты, канат должен иметь проводимость как минимум в 100 раз выше, чем у алюминия или меди при нормальной температуре, а в пределе должен быть сверхпроводящим при температуре окружающей среды.

В работе [21] было установлено, что эффект образования высокотемпературной сверхпроводимости связан с особенностями структуры материала и его температуры, формой электрона (в виде кольца) и скоростью его движения в материале. При создании резонансных условий образования кольцевых электронов, их пар и цепочек, достигаются следующие критические параметры: Плотность тока на 1см2 сечения сверхпроводника:

je = 4peme3 a8 c4 /h4 =3.4×104 A/см2 (7)

Магнитное поле:

Be = (me /e)(me (a2 c)2 /ћ)=12.5Тл (8)

Критическая температура:

Tc =me (a2 c)2 /(2kapn) = 93.50С/n (9)

где ћ=h/2p — постоянная Планка, a=1/137.036 — постоянная тонкой структуры, me — масса свободного электрона и с — скорость света, e- заряд электрона, n =1,2,3,…

Как видно из приведенных выражений, они состоят только из мировых констант и определяют предельно достижимые параметры любых высокотемпературных электронных квантоворазмерных приборов, созданных из любых твердотельных материалов, в том числе и сверхпроводящих кабелей.

Основные требования для высокотемпературных материалов, применяемых в энергетике отличаются от требований, применяемых в наноэлектронике. Это, прежде всего, высокая рабочая температура, высокие критические ток и магнитное поле, технологичность, стоимость и доступность. Этим критериям удовлетворяют материалы на основе аморфных и поликристаллических полупроводников, состоящих из углерода, кремния, оксидов металлов и халькогенидов, высокомолекулярных соединений, белков. В принципе для сверхпроводниковых материалов не имеет большого значения сам материал в области движения т.к. электрон не взаимодействует с самой решеткой, а только с определенными видами дефектов. Как устранить эти дефекты отдельный вопрос. Можно просто использовать материалы, свободные от таких дефектов.

Важно чтобы количество свободных электронов, на которых могут рассеиваться кольцевые электроны, не превышало некоторого критического значения. Т.е. материал должен быть полупроводником при нормальных температурах, в том числе и высокомолекулярные материалы (ВМС). Полупроводником может быть как естественные полупроводники так и диэлектрики, ВМС и др. Одним из таких высокомолекулярных материалов могут быть углеродные нанотрубки, легированные определенным образом.

Расстояние между концами нанотрубок или донорными центрами электронов при легировании нанотрубок, или даже отдельными атомами металла в области движения кольцевых электронов должно быть не более 14,5 нм [21]. Наиболее оптимальным будет такое расстояние когда донорные центры будут располагаться в районе 14,5/2. Т.е. кольцевой электрон одновременно может охватить два близлежащих донорных центра. В этом случае технологический разброс нанотрубок относительно оси симметрии полупроводника не вызовет разрыва области движения электрона.

Сверхпроводящие каналы должны быть защищены оболочкой, и такие провода можно объединять в жгуты. Линии тока из кольцевых электронов в таких жгутах будут расталкиваться между собой за счет электромагнитного взаимодействия между ними – силы Лоренца. Для компенсации этой силы необходимо использовать известный механизм пиннинга, т.е. механизм удержания вихрей Абрикосова на дефектах. В нашем случае роль дефекта выполняет поверхность оболочки.

Естественно толщина области окружающей сверхпроводящий канал не должна быть большой, т.к. она ограничивает среднюю плотность тока. Если все указанные требования будут выполнены то для такого сверхпроводника можно получить предельную плотность тока, je £3.4×104 А/см2 (формула (7)), и критическое магнитное поле Be £12.5Тл (формула (8)). При этом рабочая температура не должна превышать 93.50С (формула (9), n=1).

С помощью таких проводов можно передавать энергию порядка 3.4×108 –3.4×109 Вт/см2. Создавать электромагниты не хуже чем на известных низкотемпературных сверхпроводниках (поле 6–9Тл), например, для транспорта на магнитной подвеске.

Безопасность и экологичность 2 D авиации. Полеты вдоль жестко фиксированных трасс по канатам позволяют перейти на полное компьютерное дистанционное управление, исключить экипаж, т.е. устранить человеческий фактор. Становится ненужной сложнейшая система диспетчерского управления полетами. Управление становится аналогичным управлению железнодорожным транспортом. Кроме того, такой вид транспорта не зависит от погодных условий (туман и осадки). Обледенение канатов можно устранять либо за счет механической очистки перед модулем либо за счет принудительной вибрации канатов. Проблема останется только в штормовых случаях. Отметим, что в системе Маглев при резких порывах ветра может происходить удар модуля о жесткий рельс, что может привести к катастрофе. Аналогичная ситуация может возникнуть и при движении аэропоезда на монорельсе, как в AirTrain. В предлагаемом изобретении используется «мягкий» рельс – канат с виброгасителями, и жесткого удара не происходит из-за амортизации всей системы. При этом при сильном боковом ветре канаты фиксируют боковые смещения модуля, так как они закреплены за две опоры.

Автоматический взлет и посадка в режиме левитации исключают возможность аварий из-за поломок шасси, как часто происходит в самолетах. В аварийных ситуациях такой аппарат не падает на землю, а экстренно тормозится и зависает на канатах. Это важнейший фактор безопасности полетов, который принципиально невозможно решить при полетах на самолетах. Дополнительным фактором безопасности является движение на малой высоте, что исключает влияние космического радиационного излучения. Также отсутствуют резкие перепады давления, что уменьшает риск гипертонических осложнений у пассажиров.

Так как электроэнергия подводится по канатам, то на борту отсутствует взрывоопасное топливо. Следовательно, отсутствуют вредные выбросы, а также улучшаются шумовые характеристики. Т.е., использование электроэнергии резко улучшает экологичность такого вида транспорта, что позволит использовать его непосредственно в центрах городов. Это сокращает время поездки, так как отпадает необходимость ехать за город в аэропорт.

Космический лифт. Не менее важной составной частью специфических транспортных систем является дальнейшее освоение космоса с помощью использования космического лифта. Другой альтернативы освоению Солнечной системы нет. Никакое усовершенствование существующей ракетной техники не позволит достичь рентабельности космического лифта. При этом безопасность лифта несоизмеримо превосходит безопасность космического полета. Однако, как указывалось выше, основными проблемами создания космического лифта являются проблемы подачи энергии для движения модуля и трения колеса о канат.

В предлагаемой канатной транспортной системе на магнитной левитации проблема энергопитания и проблема колеса решаются автоматически путем использования токопроводящих нановолоконных канатов и магнитной левитации. Канатов должно быть как минимум два. По ним подается электроэнергия или с Земли, или с космической станции.

Для натяжения канатов в вертикальном направлении между Землей и компенсационным грузом на геостационарной орбите используются только две опоры. Одна опора может располагаться, например, на плавучей платформе на экваторе, вторая – на спутнике. Промежуточные опоры здесь не нужны. Канат работает на растяжение. Между канатами, аналогично как для 2D авиации, должны быть сделаны растяжки для уменьшения вибрации канатов и компенсации электромагнитного расталкивания канатов.

В качестве транспортного модуля можно использовать герметичный модуль любой формы, так как он движется в атмосфере Земли со скоростью автомобиля. Однако, в аварийной ситуации, например, при разрыве троса, скорость модуля относительно Земли может достигать космических скоростей. В этом случае, для уменьшения риска, целесообразно придать модулю форму воздушно космического самолета. Например, модуль может быть выполнен по аэродинамической схеме, типичной для космических кораблей многоразового использования. Тогда, при аварии он сможет приземлиться на обычном аэродроме. Сам модуль должен обладать небольшими реактивными двигателями и небольшим запасом топлива для аварийной посадки. Это в несколько раз уменьшает его общий вес по сравнению со стандартными шатлами.

Полезная грузоподъемность модуля может достигать 10-20 т, что соизмеримо с полезной грузоподъемностью космических кораблей типа «Шатл», «Буран».

Электромагнитный лифт. В настоящее время кроме космического лифта рассматриваются и другие альтернативные пути запуска космических летательных аппаратов. Например, запуск непосредственно с Земли с помощью электромагнитных катапульт (электромагнитной пушки). Сейчас предполагается создать электромагнитные ускорители длиной до 1 км с использованием электромагнитных секций. Секции предполагается создавать как из обычных магнитов, так и из сверхпроводящих магнитов. По оценке разработчиков такого ускорителя (Университет Sandia, США), его стоимость может составить 1-2 млрд. долларов США.

Предлагаемая канатная транспортная система на магнитной левитации позволит резко снизить себестоимость создания электромагнитных катапульт за счет движения транспортного модуля вдоль высокопрочных сверхпроводящих канатов на магнитной левитации. Здесь не требуется создания распределенных вдоль трассы электромагнитов, так как они заменяются непосредственно сверхпроводящими канатами, которые питают линейный электродвигатель на самом модуле. Эти канаты закрепляются на опорах вдоль трассы. Магнитная левитация создается за счет взаимодействия магнитных полей двигателя и канатов. В этом случае она позволяет получить заданные ускорения с максимальной конечной скоростью, не превышающей скорость движения кольцевых электронов в сверхпроводнике = 15,975 км/с [21].

Другим применением электромагнитных лифтов является создание скоростных лифтов для бытового использования. В настоящее время при строительстве высотных зданий остается проблема создания скоростных лифтов. Сейчас используют систему движения лифта по закрепленным к стенке шахты рельсам с помощью тянущего каната. Вибрация каната, вызванная колебаниями самого здания при высокой ветровой нагрузке, может привести к аварии. Попытка создания лифтов с использованием магнитной левитации на базе обычных электромагнитов приводит к очень высокой себестоимости.

Использование канатной транспортной системы на магнитной левитации позволит решить эту проблему за счет исключения тянущего каната. Движение лифта будет осуществляться по сверхпроводящим канатам, которые периодически жестко закрепляются на опорах вдоль шахты лифта. Они будут играть роль направляющих рельсов или дополнять их. Движение и торможение кабины лифта будет происходить с помощью встроенного в него линейного электродвигателя, энергия к которому поступает с электропроводящих канатов от внешнего источника энергии.

Использование высокотемпературного сверхпроводящего каната позволит легко реконструировать существующие электрофицированные железные дороги путем дополнительной прокладки такого каната по рельсу. Это можно осуществить простым и дешевым способом путем фрезеровки небольшой канавки 1-10 мм в головке рельса, в которую закладывается канат. В подвижном составе колесные тележки заменятся на линейные электродвигатели на высокотемпературных сверхпроводниках. Реконструкции электросети не требуется. В результате мы получим очень дешевый аналог системы Маглев.

Еще одним важным применением электромагнитных лифтов является их использование для разгона и торможения транспортных модулей в 2D авиации. На основе таких электромагнитных лифтов легко решается вопрос создания посадочно/взлетных полос для 2D авиации. Это позволяет значительно упростить требования к аэродинамическим параметрам самолетов в 2D авиации.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Согласно одному из вариантов изобретения – «2D авиация», канатная транспортная система включает по крайней мере один транспортный модуль с приводным устройством в виде электродвигателя с токосъемными элементами и по крайней мере два закрепленных на опорах, электропроводящих каната. Канаты подключены к источнику электроэнергии. С их помощью осуществляется движение транспортного модуля. Транспортный модуль выполнен в виде летательного аппарата тяжелее воздуха с аэродинамическим качеством не менее 5. Электропроводящие канаты выполнены из сверхпрочного легкого проводника и/или сверхпрочного легкого высокотемпературного сверхпроводника. Электродвигатель выбран линейным для обеспечения создания в канатах электродвижущей силы, создающей одновременно силу тяги и магнитный подвес (левитацию) во время движения летательного аппарата вдоль канатов. При этом каждый электропроводящий канат проходит через область максимума электромагнитного поля внутри линейного электродвигателя.

Особенностью системы является то, что канаты натянуты на опоры с усилием, когда предел прочности равен 0,1-0,5, а сечение канатов выбрано таким, что они не разрушаются в условиях создания предельной силы в режиме разгона/экстренного торможения летательного аппарата. Опоры располагаются периодически на всем протяжении пути транспортной системы в соответствии с рельефом местности, радиусом поворота пути и пропускной способностью транспортной системы. При этом опоры выполнены с возможностью выдерживать нагрузку, равную сумме статического веса летательного аппарата и нагрузки, развиваемой в режиме экстренного торможения летательного аппарата.

В пунктах назначения пути (портах) канаты закреплены на жестком основании, выполненном из материала, способного выдерживать статическую и динамическую нагрузки, вызванные летательным аппаратом. Длина жесткого основания определяется длиной пути, необходимой для служебного торможения/разгона летательного аппарата.

Обмотки линейных электродвигателей выполнены из проводника и/или высокотемпературного сверхпроводника, причем питание к двигателям поступает непосредственно от электропроводящих канатов, через токосъемные элементы.

Одним из вариантов изобретения является то, что канаты выполнены на основе волокон из углеродных нанотрубок с внутренним диаметром в диапазоне 12 нм -16 нм. В другом варианте изобретения канаты выполнены на основе волокон из легированных нанотрубок из оксидов или широкозонных полупроводников с внутренним диаметром в диапазоне 12 нм – 16 нм.

Для безопасности в летательный аппарат встроен аварийный источник питания (аккумулятор электрической энергии). Также летательный аппарат снабжен дополнительными блоками колес для нерабочего и/или аварийного режима и тормозным парашютом для экстренного торможения.

До или после линейных электродвигателей летательного аппарата расположены электромагнитные устройства гашения вибрации канатов, которые связаны посредством электромагнитного поля с канатами и соединены с электронными датчиками вибрации канатов. Кроме того, канаты периодически по всей длине соединены между собой перемычками-виброгасителями.

Для того, чтобы летальный аппарат плавно проходил через опоры, предусматривается закрепление канатов на опорах с помощью шлюзовых устройств. В свою очередь шлюзовые устройства закреплены на виброгасителях.

Одним из вариантов конструкции шлюзовых устройств является их жесткое крепление к канату. В другом варианте шлюзовые устройства соединяются с канатом с помощью электромагнитного поля, формируемого дополнительным электромагнитом и управляемого дистанционно.

Одним из вариантов конструкции летательного аппарата может быть самолет крыло, в котором для безотрывного обтекания корпуса воздушным потоком используется по крайней мере одна дополнительная электротурбинная вихревая система управления течением в пограничном слое, по аналогии с используемой в аппаратах «ЭКИП».

Управлять летательным аппаратом можно типичной системой дистанционного и/или ручного управления полетом. Для увеличения безопасности полета летательный аппарат может быть снабжен устройством электромагнитного торможения и устройством экстренного торможения, включая парашют.

Способ работы канатной транспортной системы «2Dавиация» заключается в том, что с электропроводящих канатов через токосъемные элементы поступает электроэнергия на линейные электродвигатели. Линейные электродвигатели одновременно создают силу тяги и магнитный подвес (левитацию) транспортного модуля, выполненного в виде летательного аппарата. При этом летательный аппарат движется по канатам со скоростью, необходимой для компенсации веса аппарата за счет создания аэродинамической подъемной силы.

Движение летательного аппарата может осуществляться в режиме самолета или в режиме экраноплана при соответствующей высоте опор и рельефе местности.

Натяжение и вибрацию канатов до и после линейных электродвигателей контролируют электронными датчиками дистанционного контроля вибрации каната и регулируют посредством системы управления электромагнитными устройствами гашения вибрации канатов.

Разгон и торможение летательного аппарата осуществляют с ускорением, соответствующим международным стандартам для пассажирских и грузовых перевозок, а аварийное торможение осуществляют с использованием реверса силы линейных электродвигателей и/или изменением аэродинамики и/или в экстренных случаях путем открытия тормозного парашюта.

При отключении электропитания в аварийной ситуации летательный аппарат за счет аккумуляторов включает двигатели таким образом, чтобы осуществить натяжение канатов как по направлению полета, так и против, т.е., происходит натяжение канатов между двумя опорами. Тогда летательный аппарат просто зависнет на натянутых канатах. При включении электропитания аппарат может снова набрать скорость и выйти на эксплуатационный режим полета. В отдельных случаях аппарат может опуститься на землю, ослабляя натяжение канатов.

Другим вариантом изобретения является «космический лифт» — канатная транспортная система, включающая по крайней мере один транспортный модуль с приводным устройством в виде электродвигателя с токосъемными элементами и натянутого вертикально сверхпрочного легкого каната между поверхностью планеты и ее искусственным спутником, находящимся на синхронной орбите. По канату осуществляет движение транспортный модуль за счет бортового источника электропитания. Транспортный модуль выполнен в виде космического летательного аппарата. Между поверхностью планеты и ее искусственным спутником натянуты по крайней мере два электропроводящих каната, которые выполнены из сверхпрочного легкого проводника и/или сверхпрочного легкого высокотемпературного сверхпроводника. Канаты подключены к внешнему источнику электрической энергии. Электродвигатель выбран линейным для обеспечения создания в канатах электродвижущей силы, создающей одновременно силу тяги и магнитный подвес (левитацию) во время движения космического летательного аппарата вдоль канатов. При этом каждый электропроводящий канат проходит через область максимума электромагнитного поля внутри линейного электродвигателя.

Сами канаты натянуты на опоры с усилием, когда предел прочности равен 0,1-0,5, а сечение канатов выбрано таким, что они не разрушаются в условиях создания предельной силы в режиме разгона/торможения космического летательного аппарата.

Обмотки линейных электродвигателей выполнены из проводника и/или высокотемпературного сверхпроводника. Питание к двигателям поступает непосредственно от электропроводящих канатов, через токосъемные элементы.

Канаты выполнены на основе волокон из углеродных нанотрубок с внутренним диаметром в диапазоне 12нм -16 нм или на основе волокон из легированных нанотрубок из оксидов или широкозонных полупроводников с внутренним диаметром в диапазоне 12 нм – 16 нм.

До или после линейных электродвигателей космического летательного аппарата расположены электромагнитные устройства гашения вибрации канатов, которые связаны посредством электромагнитного поля с канатами и соединены с электронными датчиками вибрации канатов.

Канаты периодически по всей длине соединены между собой перемычками-виброгасителями.

Для безопасности в летательный аппарат встроен аварийный источник питания (аккумулятор электрической энергии).

Для безопасности полета летательный аппарат снабжен системой дистанционного и/или ручного управления полетом, а также устройством электромагнитного торможения. Функцию торможения могут выполнять сами линейные электродвигатели.

Способ работы канатной транспортной системы «космический лифт» заключается в том, что с электропроводящих канатов через токосъемные элементы поступает электроэнергия на линейные электродвигатели. Линейные электродвигатели одновременно создают силу тяги и магнитный подвес (левитацию) транспортного модуля, выполненного в виде космического летательного аппарата. При этом космический летательный аппарат движется с заданной скоростью по канатам за счет создания линейными электродвигателями силы тяги, которая компенсирует вес аппарата и аэродинамическое сопротивление воздуха в околоземном пространстве.

Натяжение и вибрацию канатов до и после линейных электродвигателей контролируют электронными датчиками дистанционного контроля вибрации каната и регулируют посредством системы управления электромагнитными устройствами гашения вибрации канатов

Разгон и торможение космического летательного аппарата осуществляют с ускорением, соответствующим международным стандартам для пассажирских и грузовых перевозок, а аварийное торможение осуществляют с использованием реверса силы линейных электродвигателей.

Еще одним вариантом изобретения является канатная транспортная система, «электромагнитный лифт», включающая по крайней мере один транспортный модуль с приводным устройством в виде электродвигателя с токосъемными элементами и по крайней мере два закрепленных на жестком основании вертикально или под углом между пунктами движения, электропроводящих канатов. Они подключены к источнику электроэнергии. С помощью канатов осуществляется движение транспортного модуля,. Электропроводящие канаты выполнены из проводника и/или высокотемпературного сверхпроводника. Электродвигатель выбран линейным для обеспечения создания в канатах электродвижущей силы, создающей одновременно силу тяги и магнитный подвес (левитацию) во время движения транспортного модуля вдоль канатов. При этом каждый электропроводящий канат проходит через область максимума электромагнитного поля внутри линейного электродвигателя.

Канаты по всей длине механически прикреплены к жесткой поверхности, вдоль которой осуществляется движение подвижного модуля. Поэтому требования к прочности и легкости канатов не существенны. Например, канаты могут быть непосредственно закреплены на рельсах действующих железных дорого или на бетонном основании для 2D авиации в портах.

Обмотки линейных электродвигателей выполнены из проводника и/или высокотемпературного сверхпроводника, причем питание к двигателям поступает непосредственно от электропроводящих канатов, через токосъемные элементы.

Канаты выполнены на основе волокон из углеродных нанотрубок с внутренним диаметром в диапазоне 12 нм -16 нм или на основе волокон из легированных нанотрубок из оксидов или широкозонных полупроводников с внутренним диаметром в диапазоне 12 нм – 16 нм.

Способ работы канатной транспортной системы «электромагнитный лифт» заключается в том, что с электропроводящих канатов через токосъемные элементы поступает электроэнергия на линейные электродвигатели. Линейные электродвигатели одновременно создают силу тяги и магнитный подвес (левитацию) транспортного модуля, который движется по жестко закрепленным канатам с постоянной скоростью или постоянным/переменным ускорением.

Управление модулем можно осуществлять дистанционно.

Для безопасности движения разгон и торможение транспортного модуля должно осуществляться с ускорением, соответствующим международным стандартам для пассажирских и грузовых перевозок, а аварийное торможение осуществляют с использованием реверса силы линейных электродвигателей.

Это не касается разгонного ускорителя, где ускорение во много раз превосходит стандарты. Отметим, что разгон транспортного модуля можно будет осуществлять до скорости, которая не превысит максимальную скорость движения кольцевых электронов в высокотемпературном сверхпроводнике 15,9 км/с. При превышении этой скорости квантовразмерные эффекты проводимости исчезнут. В результате резко возрастет электрическое сопротивление материалов.

Для всех трех вариантов изобретения 2D авиация, космичекий лифт и электромагнитный лифт характерно, что в режиме эксплуатации электромагнитные параметры как линейного электродвигателя так и канатов не должны превышать критические значения: плотность тока не превышает величину , где А/см2 – критический ток в высокотемпературном сверхпроводнике с критической температурой 93,5 градусов Цельсия; магнитное поле в линейном электродвигателе не превышает величину , где Тл – критическое поле в высокотемпературном сверхпроводнике с критической температурой 93,5 градусов Цельсия. При этом максимальная эксплуатационная температура работы линейного электродвигателя и канатов связана с критической плотностью тока и не должна превышать 60-80 градусов Цельсия.

Единство изобретения

Все перечисленные варианты транспортных систем и способов их работы связаны единым изобретательским замыслом и единой общей характеристикой – магнитное левитирующее движение транспортного модуля вдоль прочного каната с элекропроводимостью, минимум в 100 раз лучше проводимости алюминия или меди, и в пределе являющегося высокотемпературным сверхпроводником. Магнитная левитация и движение вдоль каната осуществляется с помощью линейного электродвигателя, имеющего обмотку из материала, аналогичного материалу каната. В результате левитация и тяга создается за счет взаимодействия магнитных полей двигателя и канатов. При этом электроэнергия, необходимая для движения, подается непосредственно по самим канатам от источника электроэнергии.

Каждый независимый пункт изобретения характеризуется способом крепления каната к опорам и способами создания тяги и компенсации веса транспортного модуля:

Первый вариант изобретения «2D авиация» характеризуется тем, что транспортный модуль (самолет) опирается на воздух за счет своих высоких аэродинамических свойств и движется по натянутым на опоры канатам над поверхностью земли. Линейный электродвигатель модуля питается непосредственно от сверхпроводящих канатов и создает тягу, которая прикладывается через канаты к стоящей впереди опоре.

Второй вариант изобретения «космический лифт» характеризуется тем, что транспортный модуль (космический летательный аппарат) опирается на канаты, натянутые вертикально между двумя опорами, одна из которых на Земле, а вторая – в космосе на геосинхронном спутнике и движется по этим канатам. Линейный электродвигатель модуля питается непосредственно от сверхпроводящих канатов и создает вертикальную тягу для движения модуля, которая прикладывается через канаты к опоре — спутнику.

Третий вариант изобретения «электромагнитный лифт» характеризуется тем, что транспортный модуль опирается на канаты, закрепленные на жестком основании вертикально или под углом между пунктами движения. Линейный электродвигатель модуля питается непосредственно от сверхпроводящих канатов и создает тягу, которая прикладывается через канаты к основанию.

Перечень фигур, указанных на чертежах

Фиг. 1. Принцип действия 2D авиации.

Фиг. 2. Схема трассы 2D авиации

Фиг. 3. Пассажирский транспортный модуль в виде самолета крыла

Фиг. 4. Грузо-пассажирский транспортный модуль в виде самолета крыла

Фиг. 5. Грузовой транспортный модуль для перевозки контейнеров в виде самолета триплана.

Фиг. 6. Схема линейного электродвигателя транспортного модуля в момент прохождения шлюза.

Фиг. 7. Конструкция анкерной опоры.

Фиг. 8. Сверхпроводящая легированная нанотрубка для изготовления канатов.

Фиг. 9. Критический режим полета транспортного модуля при боковом ветре.

Фиг.10. Аварийный спуск транспортного модуля

Фиг.11.Схема космического лифта.

Фиг.12. Схема электромагнитной катапульты.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показан принцип действия 2D авиации. Здесь на опоры 1 натянут с небольшим провесом сверхпрочный легкий электропроводящий канат 2. По нему движется транспортный модуль 3 массой m, представляющий собой летательный аппарат тяжелее воздуха с высоким аэродинамическим качеством. Линейный электродвигатель модуля создает силу тяги F1, которая, в сою очередь создает аэродинамическую подъемную силу F2. Участок каната 4 натягивается под действием силы F1, а участок каната 5 свободно провисает под собственным весом.

На фиг.2 показана схема трассы 2D авиации: 2a — вид сбоку, 2b – вид сверху. Расстояние между опорами 6 может составлять 1 – 10 км, что определяется режимом движения модулей по трассе и рельефом местности. Вдоль опор 6 натягиваются канаты 7, не менее двух канатов на одном пути. По канатам двигается транспортный модуль 8. Трасса проложена между конечными погрузочно/разгрузочными терминалами 9 (аэропортами) по прямой линии, но при необходимости трасса может иметь кривизну как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. При небольших радиусах поворотов в горизонтальной плоскости – выполняются виражи. Полосы взлета/посадки 10 примыкают непосредственно к терминалам 9. При необходимости создается промежуточный погрузочно/разгрузочный терминал 11. Изменение направления движения транспортного модуля совершается с помощью управляемых дистанционно стрелок.

На фиг. 3 показан пассажирский транспортный модуль в виде самолета крыла. Здесь в планере типа «ЭКИП» 12 с линейными электродвигателями 13 расположены пассажирские кресла14.

На фиг. 4 показан грузо-пассажирский транспортный модуль в виде самолета крыла. Здесь в планере типа «Экип» 15 с линейными электродвигателями 16 расположен грузовой отсек 17. В этом варианте модуля могут перевозиться также и пассажиры непосредственно в своих автомобилях или в специальном салоне.

На фиг. 5 показан в разрезе грузовой транспортный модуль для перевозки контейнеров в виде самолета триплана. Здесь контейнер 18 располагается в каплевидном фюзеляже 19. Три узких крыла 20 создают необходимую подъемную силу. Снизу триплана расположены линейные электродвигатели 21.

На фиг. 6 показана схема линейного электродвигателя транспортного модуля в момент прохождения шлюза. Здесь канат 22, закрепленный на шлюзе 23 проходит в области максимума электромагнитного поля, создаваемого электродвигателем 24.

На фиг. 7 показана конструкция анкерной опоры. Опора 25 устанавливается на фундаменте 26. Высота опор зависит от рельефа местности, минимального требуемого просвета под путевой структурой и схемы прокладки продольного профиля трассы. Конструкция анкерной опоры содержит электроизолированные шлюзы 27 для крепления канатов 28, которые могут быть стационарными или крепиться с помощью электромагнитов. Шлюзы 27 крепятся к виброгасителям 29. Опора 25 имеет растяжки из сверхпрочного каната 30. По канатам 28 движется транспортный модуль 31. Сами канаты 28 периодически соединены диэлектрическими перемычками-виброгасителями 32.

На фиг. 8 показана сверхпроводящая легированная нанотрубка для изготовления канатов. Здесь внутри калиброванной нанотрубки 33 с калиброванным диаметром 14,5 нм формируется цепочка кольцевых электронов 34. Здесь стрелками показано направление вращения кольцевых электронов, которое определяет их спин. Нанотрубка 33 легируется специальными добавками для создания необходимой плотности электронов для создания высокопроводящего или сверхпроводящего состояния при температурах до 93,5 градусов Цельсия. Такие нанотрубки являются основой волокна для создания сверхпрочного, легкого каната.

На фиг. 9 показан критический режим полета транспортного модуля при боковом ветре. Здесь транспортный модуль 35 под действием бокового ветра 36 натягивает канаты 37 впереди модуля и канаты 38 позади модуля между двумя опорами 39. С помощью линейных электродвигателей модуля 35 натяжение канатов 37 и 38 регулируется оптимальным способом.

На фиг.10 показан аварийный спуск транспортного модуля. Здесь транспортный модуль 40 остановился между двумя опорами 41 и завис на канатах 42 и 43. Секции линейного электродвигателя 44 и 45 регулируют натяжение канатов 42 и 43 таким образом, чтобы вес модуля распределился на опоры 41. Здесь условно показана петля каната 46, которая образуется в результате растяжения каната. Регулируя величину натяжения канатов 42 и 43, можно осуществлять аварийный плавный спуск модуля на землю при отсутствии электроэнергии на трассе. При появлении электроэнергии транспортный модуль может осуществить разгон до крейсерской скорости и продолжить движение по трассе.

На фиг.11 показана схема космического лифта. Здесь космический летательный аппарат 47 движется по канатам 48, натянутым между Землей 49 и космической станцией 50, находящейся на геостационарной орбите.

На фиг.12 показана схема электромагнитной катапульты. Здесь космический транспортный модуль 51 движется по канатам 52, жестко закрепленным на эстакаде 53 с помощью линейных электродвигателей 54.

Промышленная применимость

Долгое время не удавалось технически реализовать заманчивую идею создания космического лифта. Основная проблема, тормозящая его создание, заключается в том, что стальные тросы слишком тяжелые и недостаточно прочные. Такой трос оборвется под действием своего собственного веса уже на высоте 10 км. В высоком здании — основная часть веса, который приходится поднимать тросу лифта — это его собственный вес. Кроме того, низкая электропроводность материала троса не позволяет передать по нему электроэнергию большой мощности. Углеродные нанотрубки в сотню раз прочнее стали, они представляют собой монокристаллические структуры. После открытия этих структур в 1991 году исследователем Сумио Иджима (Iijima Sumio) (фирма NEC) [22] углеродные нанотрубки стали ведущим элементом в концепции создания космического лифта. А после открытия в 1998 г. возможности высокотемпературной сверхпроводимости (93,50С) в нанотрубках с внутренними размерами 12 нм — 16 нм, легированных особым образом [21], стало возможно осуществить магнитную левитацию на таком канате.

Этот эффект был уже экспериментально найден в 2004 г. исследователем из Калифорнийского университета Guo-meng (Peter) Zhao [23].

В настоящее время уже налажено массовое производство нанотрубок. Серийное производство калиброванных нанотрубок стоит от 100 до 500 долларов США за один грамм (Carbon Nanotechnologies, Inc.). Существует много современных методов — испарение угольных электродов или получение горячих углеродных газов, чтобы создать молекулярные трубки [24].

Все новые открытия в технологии производства обещают быстрый прогресс в этой области. Например, недавно исследовательская группа ученых из нескольких университетов США создала сверхпрочную гибкую ленту, состоящую из пучков многослойных углеродных нанотрубок [25]. Была синтезирована матрица из волокон многослойных нанотрубок, расположенных в одном направлении, методом химического осаждения пара, используя ферроцен и ксилен в качестве «сырья». Получилась однородная волокнистая масса, состоящая непосредственно из нанотрубок, с пористостью около 87%. Новый материал можно использовать в качестве каната в космическом лифте, в одежде нового поколения и т.п.

Для предлагаемого изобретения необходимо продолжить исследования по получению длинных волокон из калиброванных нанотрубок с внутренним диаметром 14,5 нм. В настоящее время в этой области работают сотни фирм. Налицо все научные, технические и технологические предпосылки для создания промышленного производства крупнотоннажного объема нановолокон для создания сверхпрочных канатов и материалов при стоимости 1-2 доллара США за грамм. При такой стоимости, для всех вариантов предлагаемого изобретения, на 1 км пути потребуется порядка 10 кг каната, т.е., 10-20 тысяч долларов США. Это значительно ниже, как минимум, на 1-2 порядка, себестоимости 1 км пути всех традиционных наземных транспортных систем.

В промышленности выпускается большой класс линейных электродвигателей и линейных шаговых электродвигателей. Хорошо разработаны технологии их производства и систем управления на основе сильноточных полупроводниковых приборов. Удельная мощность этих двигателей составляет порядка 1 кВт/кг. Известно, что значительное уменьшение удельного веса можно добиться, если использовать низкотемпературные сверхпроводники, имеющие большие магнитные поля 3-5 Тл. Уменьшение веса осуществляется за счет отказа от стальных магнитопроводов и уменьшения веса конструктивных элементов. Одновременно исключаются омические потери в проводниках. Для мощных сверхпроводящих двигателей можно достичь удельной мощности до 10кВт/кг при КПД, близком к единице. Это в несколько раз выше удельной мощности, характерной для авиационных турбореактивных двигателей.

Переход на высокотемпературные сверхпроводники позволит в принципе отказаться от криогенных систем охлаждения, что резко упростит конструкцию двигателя и его конструктивных элементов. В линейных двигателях можно использовать намоточные провода, аналогичные канатам из калиброванных нанотрубок, имеющих электрическую изоляцию.

В качестве транспортных модулей для 2D авиации в качестве базовой модели можно взять планер «ЭКИП». Разработка этого летательного аппарата достаточно продвинута и имеет все необходимые аэродинамические качества. В этом планере исключаются воздушная подушка, турбореактивные двигатели, топливная система. Вспомогательные турбореактивные насосы, формирующие ламинарные воздушные потоки, можно заменить на электротурбины на основе материала с высокой электропроводностью. Для пассажирского варианта достаточно использовать модули с полетным весом до 10 т (50-60 пассажиров), а для грузоперевозок можно использовать модули с полетным весом до 75 т. Ограничения связаны с международными стандартами транспортных перевозок (масса двух 20 футовых контейнеров – 44 т, одного 40 футового контейнера – 30,5 т).

При себестоимости 1 км нановолоконного каната 20-30 тыс. долларов США и себестоимости 1 анкерной опоры и ее установки порядка 45 тыс. долларов, себестоимость пути в одном направлении с расстояниями между опорами 10 км составит порядка 25-35 тыс. долларов США на 1 км пути. Это, как минимум, в 100 раз дешевле любой высокоскоростной наземной транспортной системы. Т.е., переход на строительство пути на основе дорогих материалов, но имеющих уникальные качества – в 460 раз прочнее и легче стали, позволяет практически во столько же раз уменьшить себестоимость пути.

Рассчитаем альтернативные железным дорогам перевозки грузов на основе 2D авиации при максимально возможной скорости и грузоподъемности железных дорог.

Полный взлетный вес P 0-75 т,

Грузоподъемность – 50 т,

Крейсерская скорость полета – 300 км/ч,

Размах крыльев – 15 м,

Нагрузка на крыло – 150 кг/м2 ,

Аэродинамическое качество – 10-15

Транспортный модуль можно изготавливать из легких композитных материалов на основе углеродных нанотрубок, что резко уменьшает вес модуля.

Минимально необходимая скорость движения для подъема груза определяется из формулы (2), преобразованной к виду:

, (10)

где r в – плотность воздуха у земли, g – ускорение свободного падения, S – площадь крыла, c y – аэродинамический коэффициент, определяющий подъемную силу, который изменяется в зависимости от геометрии крыла для разных режимов полета от 0,4 до 2,5.

Для крейсерской скорости и тонкого крыла площадью 500 м2c y =0,4. Тогда минимальная скорость составит 272 км/ч. Чтобы уменьшить площадь землеотвода, сохранив при этом грузоподъемность и площадь крыла, необходимо использовать планер в виде триплана (см. Фиг.5).

Необходимая мощность двигателя, следовательно, энергия, затрачиваема на полет P x, будет определяться лобовым сопротивлением по формуле (3). При каплевидном виде корпуса cx = 0,04, площадь сечения S x = 11,25 м2. Для тонкого крыла cx = 0,075 и S x = 6,25 м2 . Тогда при скорости 300 км/ч мощность двигателя P x составит 343 кВт. На преодоление 1000 км модуль затратит 3,33 ч, т.е., потребуется 1142 кВт ч, или 388 кг условного топлива. Т.е, на 1 т перевозки полезного груза на 1000 км потребуется 7,6 кг условного топлива.

В результате мы видим, что 2D авиация является более экономичным транспортом, чем современные железные дороги. При этом скорость перевозок практически возрастает с 80 км/ч до 300 км/ч.

Поясним, каким образом в 2D авиации при постановке железнодорожного вагона на «крыло» скорость перевозки возрастает в 3,8 раза, а энергозатраты остаются эквивалентными энергозатратам железнодорожного транспорта (80 км/ч) (см. Табл.1). Это связано с тем, что энергозатраты на преодоление трения качения в системе колесо/рельс оказались соизмеримыми с энергозатратами на преодоление аэродинамического сопротивления транспортного модуля 2D авиации [26]. Это достигнуто за счет его аэродинамической оптимизации, применения линейных электродвигателей с высоким 95% кпд тяги и новых композиционных материалов. При этом полезная нагрузка модуля достигает 70% взлетного веса, что в 2,5 раза выше, чем у самолетов.

Основной проблемой транспортных систем в Европе является землеотвод и экологические требования к ним.

Поэтому, другим вариантом реализации является создание транспортных трасс 2D авиации вдоль автомагистралей или создание энерго-транспортных трасс взамен высоковольтных линий электропередач.

2D авиация автоматически решает обе эти проблемы. Располагать транспортную структуру можно непосредственно над скоростными автомагистралями, например, можно использовать небольшие пассажирские летельные аппараты типа «ЭКИП» (см. Фиг.3). Тогда можно будет переключить транспортный поток с движения по земле на движение по воздуху. Автомобили вместе с пассажирами можно будет перевозить в специальных контейнерах, размещенных в транспортных модулях. Это аналогично перевозкам автомобилей с пассажирами в специальных контейнерах по железной дороге со скоростью до 180 км/ч, что рассматривается в проектах транспортных систем AutoShuttle, Autran и AVT-TRAIN [27]. В 2D авиации скорость перевозки значительно выше и достигает 300 км/ч.

Согласно нашим расчётам — это, во-первых, дешевле, чем ехать на той же машине по дороге, во-вторых, это быстрее — 300 км/час, в-третьих — экологически чисто, а в четвёртых — безопасно и нет пробок. В один транспортный модуль может вмещаться 4-6 легковых автомобилей плюс салон для пассажиров со всеми удобствами (см. Фиг.4). Себестоимость перевозки одного автомобиля будет не выше стоимости бензина, необходимо для проезда автомобиля на тоже расстояние.

В развитых странах с высокой плотностью населения, как правило, электроэнергия подводится к городам по высоковольтным линиям передач. Сама процедура выделения земельных участков под линии электропередач давно закончена. Избежать длительного процесса выделения земельных участков возможно за счет объединения функций передачи электроэнергии и трассы 2D авиации. В этом случае мы имеем возможность осуществить достаточно удобный доступ к центрам городов для 2D авиации.

Опоры для 2D авиации легко использовать для прокладки линий электропередач без потерь на основе сверхпроводящего кабеля более 1 ГДж на одну линию. В этом случае можно сэкономить до 10% передаваемой электроэнергии.

Другим вариантом объединения энерго транспортных систем является ввод в города трасс 2D авиации над железнодорожными линиями. Здесь также можно непосредственно передавать большие объемы электроэнергии.

Отсюда следует, что существуют все предпосылки для промышленной реализации транспортной системы 2D авиация.

Для технической реализации космического лифта (см Фиг. 11) существует более сложная технологическая проблема, связанная с необходимостью использования существующей ракетно-космической техники для натягивания каната. В настоящее время эта проблема разрабатывается несколькими фирмами типа LiftPort и HighLift и исследовательскими институтами под руководством NASA [11]. В качестве транспортного модуля в космическом лифте можно использовать космические планеры типа Шатл или Буран. Это увеличивает надежность лифта, так как при обрыве каната модуль может приземлиться автономно. Полетный вес их уменьшается за счет отсутствия топлива и уменьшения мощности реактивного двигателя. Двигатель необходим только для аварийной посадки модуля.

Электромагнитный лифт может находиться в шахте или на эстакаде (см. Фиг. 12). Движение будет осуществляться по сверхпроводящим канатам с использованием магнитной левитации. Линейные сверхпроводящие электродвигатели устанавливаются в движущемся модуле лифта. Канаты будут периодически закрепляться на стенках шахты/башни. Упрощенные варианты электромагнитного лифта можно использовать для создания скоростных лифтов в небоскребах, для перемещения грузов.

Принцип магнитной левитации можно использовать для модернизации существующих железнодорожных транспортных систем. Наиболее просто можно реконструировать уже существующие электрофицированные железные дороги путем дополнительной прокладки по рельсу высокотемпературного сверхпроводящего каната. Это можно осуществить простым и дешевым способом путем фрезеровки небольшой канавки 1-10 мм в головке рельса, в которую закладывается канат. Процесс фрезерования можно легко сделать непосредственно на уже установленных рельсах. В подвижном составе колесные тележки заменятся на линейные электродвигатели на высокотемпературных сверхпроводниках. Реконструкции электросети не требуется. В результате мы получим очень дешевый аналог системы Маглев, полностью исключив проблему трения колеса о рельс. Кроме того, по модернизированной железной дороге можно будет осуществлять и обычное традиционное передвижение на колесах. Железная дорога приобретет новые качества – увеличится скорость в 1,5 -2 раза, уменьшится износ трассы и колес, возрастет угол наклона транспортного пути, что упростит строительство дорог в горах, и особо важно – упростит переход с одной ширины колеи на другую и исключит шум и вибрацию, что весьма актуально для пассажирских перевозок и метро.

Таким образом, использование нанотехнологий для создания сверхпрочных сверхпроводящих проводников (канатов) позволяет создать принципиально новые транспортные системы на магнитной левитации, которые полностью решают скоростную транспортировку пассажиров и грузов на земле, в воздухе и космосе при увеличении безопасности, экологичности и уменьшении себестоимости.

Литература

1. Транспорт: Наука, Техника, Управление. Сборник обзорной информации. ВИНИТИ, 1995, №9.
2. Машиностроение. Энциклопедия. Самолеты и вертолеты. Т.IV-21/К.Ф. Фролова. Изд. М. Машиностроение. 2002.
3. www.khsu.ru/fly/trans_problem.shtml#2
4. Петренко О.С. Подвесные рельсовые дороги. М. Машиностроение. 1981.
5. Грушевич А.Е. Автомобили: Теория: Учебник для вузов. Мн.: Высшая школа, 1986. Стр.93.
6. Патент RU 2080268С1
7. Какурин В.К. Проектирование висячих и вантовых мостов. М. Транспорт. 1971.
8. Глазунов А.А. Работа и расчет проводов и тросов. Т.1. Основы механической части воздушной линии электропередачи. Л.М. Госэнергоиздат. 1956.
9. Машины непрерывного транспорта/Павинский В.И. М. Машиностроение. 1969.
10. Edwards, B. C., Design and Deployment of a Space Elevator, Acta Astronautica , 2000, 47 no. 10, page 735-744. Смотрите также сайт автора www.bradleyedwards.info/BCE_resume.pdf
11. www.isr.us/Downloads/niac_pdf/contents.html,
12. Юрий Арцутанов, “В космос на электровозе”, Комсомольская правда. 31.07.1960 г.
13. Дж.Барбер. Электромагнитная рельсовая пушка», Ф.Хилтон. «Космический электромагнитный транспорт – теория и история. sakramento3.narod.ru/zerkalo/uskor.htm.
14. Транспорт с магнитным подвесом/ Ю.А. Бохвалов, В.И. Богаров и др. М. Машиностроение. 1991. 320 с.
15. Авиация: Энциклопедия / Гл. ред. Г.П. Свищев. М.: БРЭ, 1994. 736 с.
16. Белавин Н.И. Экранопланы. Ленинград. Судостроение. 1977.
17. Патенты RU 2015941, 2011542, 2033945, www.ekip-aviation-concern.com/rus-b/10.shtml
18. Экономическиеперспективы. Том 5. Электронный журнал Государственного департамента США № 3. октябрь 2000 г. www.infousa.ru/economy/ijee1000.htm.
19. Авт свид. CCCР № 35209.
20. US Patent 5,535, 963.
21. US Patent 6,570,224 B1
22. Patent JP6227806, US 6,203,864, CN1598971, Patent Application US 2005106093.
23. Guo-meng (Peter) Zhao. The resistive transition and Meissner effect in carbon nanotubes: Evidence for quasi-one-dimensional superconductivity above room temperature. www.superconductors.org/roomnano.pdf
24. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. 2005. Изд-во: Физматлит. 416 с.
25. www.sciencerf.ru/client/fcntp.aspx?ob_no=1806&cat_ob_no=562, Science.
26. Д. П. МАРКОВ, Коэффициенты трения и сцепления при взаимодействии колес с рельсами. Вестник ВНИИЖТ, 2005, № 4.
27. www.membrana.ru/articles/technic/2002/04/18/114500.html

Формула изобретения

1. Канатная транспортная система, включающая по крайней мере один транспортный модуль с приводным устройством в виде электродвигателя с токосъемными элементами и по крайней мере два закрепленных на опорах, электропроводящих каната, которые в свою очередь подключены к источнику электроэнергии, и с помощью которых осуществляется движение транспортного модуля, отличающаяся тем, что транспортный модуль выполнен в виде летательного аппарата тяжелее воздуха с аэродинамическим качеством не менее 5, электропроводящие канаты выполнены из сверхпрочного легкого проводника и/или сверхпрочного легкого высокотемпературного сверхпроводника, электродвигатель выбран линейным для обеспечения создания в канатах электродвижущей силы, создающей одновременно силу тяги и магнитный подвес (левитацию) во время движения летательного аппарата вдоль канатов, причем каждый электропроводящий канат проходит через область максимума электромагнитного поля внутри линейного электродвигателя.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что канаты натянуты на опоры с усилием, когда предел прочности равен 0,1-0,5, а сечение канатов выбрано таким, что они не разрушаются в условиях создания предельной силы в режиме разгона/экстренного торможения летательного аппарата.

3. Система по п. 2, отличающаяся тем, что опоры расположены периодически на всем протяжении пути транспортной системы в соответствии с рельефом местности, радиусом поворота пути и пропускной способностью транспортной системы, при этом опоры выполнены с возможностью выдерживать нагрузку, равную сумме статического веса летательного аппарата и нагрузки, развиваемой в режиме экстренного торможения летательного аппарата.

4. Система по п.п. 2, 3 отличающаяся тем, что в пунктах назначения пути (портах) канаты закреплены на жестком основании, выполненном из материала, способного выдерживать статическую и динамическую нагрузки, вызванные летательным аппаратом, а длина жесткого основания определяется длиной пути, необходимой для служебного торможения/разгона летательного аппарата.

5. Система по п.1 отличающаяся тем, что обмотки линейных электродвигателей выполнены из проводника и/или высокотемпературного сверхпроводника, причем питание к двигателям поступает непосредственно от электропроводящих канатов, через токосъемные элементы.

6. Система по п.2, отличающаяся тем, что канаты выполнены на основе волокон из углеродных нанотрубок с внутренним диаметром в диапазоне 12 нм -16 нм.

7. Система по п.2, отличающаяся тем, что канаты выполнены на основе волокон из легированных нанотрубок из оксидов или широкозонных полупроводников с внутренним диаметром в диапазоне 12 нм – 16 нм

8. Система по п.1, отличающаяся тем, что до или после линейных электродвигателей летательного аппарата расположены электромагнитные устройства гашения вибрации канатов, которые связаны посредством электромагнитного поля с канатами и соединены с электронными датчиками вибрации канатов.

9. Система по п.п.1,2, отличающаяся тем, что канаты периодически по всей длине соединены между собой перемычками-виброгасителями.

10. Система по п.п.1,3, отличающаяся тем, что канаты закреплены на опорах с помощью шлюзовых устройств.

11. Система по п.10, отличающаяся тем, что шлюзовые устройства закреплены на виброгасителях, которые, в свою очередь, закреплены на опорах.

12. Система по п.10, отличающаяся тем, что шлюзовые устройства жестко связаны с канатом.

13. Система по п.10 отличающаяся тем, что шлюзовые устройства связаны с канатом с помощью электромагнитного поля, формируемого дополнительным электромагнитом и управляемого дистанционно.

14. Способ работы канатной транспортной системы по п. 1-13, заключающийся в том, что с электропроводящих канатов через токосъемные элементы поступает электроэнергия на линейные электродвигатели, отличающийся тем, что линейные электродвигатели одновременно создают силу тяги и магнитный подвес (левитацию) транспортного модуля, выполненного в виде летательного аппарата, причем летательный аппарат движется по канатам со скоростью, необходимой для компенсации веса аппарата за счет создания аэродинамической подъемной силы.

15. Способ работы системы по п. 14, отличающийся тем, что движение летательного аппарата осуществляют в режиме самолета или в режиме экраноплана при соответствующей высоте опор и рельефе местности.

16. Способ работы системы по п. 14, отличающийся тем, что натяжение и вибрацию канатов до и после линейных электродвигателей контролируют электронными датчиками дистанционного контроля вибрации каната и регулируют посредством системы управления электромагнитными устройствами гашения вибрации канатов.

17. Способ работы системы по п. 14, отличающийся тем, что разгон и торможение летательного аппарата осуществляют с ускорением, соответствующим международным стандартам для пассажирских и грузовых перевозок, а аварийное торможение осуществляют с использованием реверса силы линейных электродвигателей и/или изменением аэродинамики и/или в экстренных случаях путем открытия тормозного парашюта.

18. Канатная транспортная система, включающая по крайней мере один транспортный модуль с приводным устройством в виде электродвигателя с токосъемными элементами и натянутого вертикально сверхпрочного легкого каната между поверхностью планеты и ее искусственным спутником, находящимся на синхронной орбите, по которому осуществляет движение транспортный модуль за счет бортового источника электропитания, отличающаяся тем, что транспортный модуль выполнен в виде космического летательного аппарата, между поверхностью планеты и ее искусственным спутником натянуты по крайней мере два электропроводящих каната, которые выполнены из сверхпрочного легкого проводника и/или сверхпрочного легкого высокотемпературного сверхпроводника, и которые подключены к внешнему источнику электрической энергии, электродвигатель выбран линейным для обеспечения создания в канатах электродвижущей силы, создающей одновременно силу тяги и магнитный подвес (левитацию) во время движения космического летательного аппарата вдоль канатов, причем каждый электропроводящий канат проходит через область максимума электромагнитного поля внутри линейного электродвигателя.

19. Система по п.18, отличающаяся тем, что канаты натянуты на опоры с усилием, когда предел прочности равен 0,1-0,5, а сечение канатов выбрано таким, что они не разрушаются в условиях создания предельной силы в режиме разгона/торможения космического летательного аппарата.

20. Система по п.18 отличающаяся тем, что обмотки линейных электродвигателей выполнены из проводника и/или высокотемпературного сверхпроводника, причем питание к двигателям поступает непосредственно от электропроводящих канатов, через токосъемные элементы.

21. Система по п.18, отличающаяся тем, что канаты выполнены на основе волокон из углеродных нанотрубок с внутренним диаметром в диапазоне 12нм -16 нм.

22. Система по п.18, отличающаяся тем, что канаты выполнены на основе волокон из легированных нанотрубок из оксидов или широкозонных полупроводников с внутренним диаметром в диапазоне 12 нм – 16 нм

23. Система по п.18, отличающаяся тем, что до или после линейных электродвигателей космического летательного аппарата расположены электромагнитные устройства гашения вибрации канатов, которые связаны посредством электромагнитного поля с канатами и соединены с электронными датчиками вибрации канатов.

24. Система по п.п.18,19, отличающаяся тем, что канаты периодически по всей длине соединены между собой перемычками-виброгасителями.

25. Способ работы канатной транспортной системы по п. 18-24, заключающийся в том, что с электропроводящих канатов через токосъемные элементы поступает электроэнергия на линейные электродвигатели, отличающийся тем, что линейные электродвигатели одновременно создают силу тяги и магнитный подвес (левитацию) транспортного модуля, выполненного в виде космического летательного аппарата, причем космический летательный аппарат движется с заданной скоростью по канатам за счет создания линейными электродвигателями силы тяги, которая компенсирует вес аппарата и аэродинамическое сопротивление воздуха в околоземном пространстве.

26. Способ работы системы по п. 25, отличающийся тем, что натяжение и вибрацию канатов до и после линейных электродвигателей контролируют электронными датчиками дистанционного контроля вибрации каната и регулируют посредством системы управления электромагнитными устройствами гашения вибрации канатов

27. Способ работы системы по п. 25, отличающийся тем, что разгон и торможение космического летательного аппарата осуществляют с ускорением, соответствующим международным стандартам для пассажирских и грузовых перевозок, а аварийное торможение осуществляют с использованием реверса силы линейных электродвигателей.

28. Канатная транспортная система, включающая по крайней мере один транспортный модуль с приводным устройством в виде электродвигателя с токосъемными элементами и по крайней мере два закрепленных на жестком основании вертикально или под углом между пунктами движения, электропроводящих канатов, которые в свою очередь подключены к источнику электроэнергии, и с помощью которых осуществляется движение транспортного модуля, отличающаяся тем, что электропроводящие канаты выполнены из проводника и/или высокотемпературного сверхпроводника, электродвигатель выбран линейным для обеспечения создания в канатах электродвижущей силы, создающей одновременно силу тяги и магнитный подвес (левитацию) во время движения транспортного модуля вдоль канатов, причем каждый электропроводящий канат проходит через область максимума электромагнитного поля внутри линейного электродвигателя.

29. Система по п.28, отличающаяся тем, что канаты по всей длине механически прикреплены к жесткой поверхности, вдоль которой осуществляется движение подвижного модуля.

30. Система по п.28 отличающаяся тем, что обмотки линейных электродвигателей выполнены из проводника и/или высокотемпературного сверхпроводника, причем питание к двигателям поступает непосредственно от электропроводящих канатов, через токосъемные элементы.

31. Система по п.28, отличающаяся тем, что канаты выполнены на основе волокон из углеродных нанотрубок с внутренним диаметром в диапазоне 12 нм -16 нм.

32. Система по п.28, отличающаяся тем, что канаты выполнены на основе волокон из легированных нанотрубок из оксидов или широкозонных полупроводников с внутренним диаметром в диапазоне 12 нм – 16 нм.

33. Способ работы канатной транспортной системы по п. 28-32, заключающийся в том, что с электропроводящих канатов через токосъемные элементы поступает электроэнергия на линейные электродвигатели, отличающийся тем, что линейные электродвигатели одновременно создают силу тяги и магнитный подвес (левитацию) транспортного модуля, который движется по жестко закрепленным канатам с постоянной скоростью или постоянным/переменным ускорением.

34. Способ работы системы по п. 33, отличающийся тем, что разгон и торможение транспортного модуля осуществляют с ускорением, соответствующим международным стандартам для пассажирских и грузовых перевозок, а аварийное торможение осуществляют с использованием реверса силы линейных электродвигателей.

35. Способ работы системы по п. 33 отличающийся тем, что разгон транспортного модуля осуществляют с ускорением до скорости, которая не превышает максимальную скорость 15,9 км/с.

36. Способ работы системы по п.п. 1, 18, 28, отличающийся тем, что в режиме эксплуатации электромагнитные параметры как линейного электродвигателя так и канатов не превышают критические значения: плотность тока не превышает величину , где А/см2 – критический ток в высокотемпературном сверхпроводнике с критической температурой 93,5 градусов Цельсия; магнитное поле в линейном электродвигателе не превышает величину , где Тл – критическое поле в высокотемпературном сверхпроводнике с критической температурой 93,5 градусов Цельсия.

37. Способ работы системы по п.36 отличающийся тем, что максимальная эксплуатационная температура работы линейного электродвигателя и канатов связана с критической плотностью тока и не превышает 60-80 градусов Цельсия.

Рисунки

Фиг. 1. Принцип действия 2D авиации.

Фиг. 2. Схема трассы 2D авиации

Фиг. 3. Пассажирский транспортный модуль в виде самолета крыла

Фиг. 4. Грузо-пассажирский транспортный модуль в виде самолета крыла

Фиг. 5. Грузовой транспортный модуль для перевозки контейнеров в виде самолета триплана.

Фиг. 6. Схема линейного электродвигателя транспортного модуля в момент прохождения шлюза.

Фиг. 7. Конструкция анкерной опоры.

Фиг. 8. Сверхпроводящая легированная нанотрубка для изготовления канатов.

Фиг. 9. Критический режим полета транспортного модуля при боковом ветре.

Фиг.10. Аварийный спуск транспортного модуля

Фиг.11.Схема космического лифта.

Фиг.12. Схема электромагнитной катапульты.

www.ronl.ru

Научно-исследовательская работа. Магнитная левитация это фантастика или реальность?

Левитация и антигравитация

МКОУ Цветниковская СОШ ПРОЕКТ (предметная область физика, тема: «Электромагнитные явления») районный конкурс школьных проектов обучающихся «Новый взгляд на школьный предмет» Тема: Левитация и антигравитация

Конвейер на магнитной подушке

МИНИСТЕРСТВО ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ КАЗЕННОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «ОРЕНБУРГСКОЕ ПРЕЗИДЕНТСКОЕ КАДЕТСКОЕ УЧИЛИЩЕ» Конвейер на магнитной подушке Автор: Терехов

Прочитай тексты и выполни задания 8 14

МАГНИТЫ Прочитай тексты и выполни задания 8 14 История магнита В различных частях Земли встречаются залежи железной руды магнитного железняка, или магнетита. Это естественный магнит, которым лю ди научились

Рисунки с железными опилками

Научно-исследовательская работа Рисунки с железными опилками Работу выполнила: Нелюбина Анастасия, учащий(ая)ся 7 класса МБОУ «Лицей 1» г. Лысьвы Пермского края Руководитель: Трубеко Ф. И., учитель физики,

Глава 1: Что такое магнетизм?

Магниты ФИЗИКА ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И СХЕМЫ МАГНИТЫ Глава 1: Что такое магнетизм? Что вызывает магнетизм? Любой движущийся заряд создает вокруг себя магнитное поле. Это является главной причиной образования магнитного

Искусственные магниты

Научно-исследовательская работа Искусственные магниты Выполнил Пыльнев Игорь Дмитриевич, 1 учащийся 9"Е" класса Государственного бюджетного общеобразовательного учреждения города Москвы "Школа 1391" ШО

8. МАГНИТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ.

Н е смейтесъ надо мной делепьем шкал, Естествоиспытателя приборы! Я, как ключи к замку, вас подбирал, Н о у природы крепкие затворы. И.-В. Гете 8. МАГНИТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ FA = Bll sina,

Отложенные задания (40)

Отложенные задания (40) На рисунках изображены постоянные магниты с указанием линий магнитной индукции полей, создаваемых ими, и магнитные стрелки. На каком из рисунков правильно изображено положение магнитной

Электротехнический вечер «Магнитное поле»

Электротехнический вечер «Магнитное поле» Цели и задачи: Обучающая: повторить, обобщить и систематизировать знания, умения, навыки учащихся по теме, научить выделять и объяснять явления, связанные с электромагнетизмом,

ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Автор: Касимова М.И. ГБОУ ЦО 133 г. Санкт-Петербург УРОК ПО ФИЗИКЕ В 9 КЛАССЕ ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ РАБОТА В ГРУППАХ: ИСТОРИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАТОРЫ ТЕОРЕТИКИ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ ПРОВЕРКА РАНЕЕ ИЗУЧЕННОГО

128 ФИЗИКА. Пыльнев И.Д.

128 ФИЗИКА Искусственные магниты Пыльнев И.Д. г. Москва, ГБОУ города Москвы «Школа 1391» ШО 4, 9 «Е» класс Научный руководитель: Малютина А.Н., учитель физики, г. Москва, ГБОУ города Москвы «Школа 1391»

Лабораторные работы.

Лабораторные работы. Лабораторная работа 1. Сравнение количеств теплоты при смешивании воды разной температуры. Цель работы: определить количество теплоты, отданное горячей водой и полученное холодной

10-6. Магнитный поезд

. Магнитный поезд Приборы и материалы Алюминиевый желоб (рельс) закрепленный так, чтобы можно было регулировать угол наклона; пять одинаковых неодимовых магнитов массой m = 0,73 г (магниты намагничены

ЗАДАНИЕ НА РЕАЛИЗАЦИЮ ПРОЕКТА

ЗАДАНИЕ НА РЕАЛИЗАЦИЮ ПРОЕКТА www.cosmodis.ru 1. Общая информация Шифр проекта Наименование проекта ОПЗ 1.3 Моделирование магнитных полей планет. Научный руководитель (научные руководители) Консультант,

КОНСТРУКТОР «ДОМ ДЛЯ ИЗОБРЕТАТЕЛЕЙ»

Объединение «Мастерская изобретателя» КОНСТРУКТОР «ДОМ ДЛЯ ИЗОБРЕТАТЕЛЕЙ» Авторы проекта: Драган Арина, Кулягина Карина, Лаврова ульяна, Мошкова Мария, Рубленко Мария, Рубина Олеся, Тихонова Вера, Факторович

Электромагнитная индукция

И. В. Яковлев Материалы по физике MathUs.ru Электромагнитная индукция Темы кодификатора ЕГЭ: явление электромагнитной индукции, магнитный поток, закон электромагнитной индукции Фарадея, правило Ленца.

Почему колесо круглое, а не квадратное?

Научно-исследовательская работа Почему колесо круглое, а не квадратное? Выполнил: Тарусов Дмитрий Сергеевич учащийся 2 «г» класса МАОУ гимназии 35 Руководитель: Харченко Марина Николаевна Учитель начальных

Разработка урока по физике

Учитель: Абрамова Вера Николаевна МБОУ «Покровская СОШ 1 с УИОП» Разработка урока по физике В процессе обучения наблюдается повышение внимания к продуктивной деятельности школьников. В этих условиях появляются

Развивающие. Воспитательные

Урок физики в 8-м классе по теме «Электризация тел. Взаимодействие заряженных тел. Два рода зарядов. Проводники и непроводники». Учитель: Семенова В.Н. МБОУ СОШ 1 города Ставрополя Цели: Образовательные

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ Тема урока: Электризация тел. Два рода зарядов. Взаимодействие заряженных тел. Электроскоп. Проводники и непроводники электричества. Цель урока: Образовательная: формирование первоначальных

ФИЗИКА ЗВУКИ ПРОШЛОГО

ФИЗИКА ЗВУКИ ПРОШЛОГО Зябрев М.С. г. Орск, МОАУ «Гимназия 2», 1 «Б» класс 691 Научный руководитель: Поликовская Г.В., г. Орск, учитель начальных классов, МОАУ «Гимназия 2» Я люблю ходить в гараж там всегда

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ И манит за собой Загадочный магнит... Д. Долинин 5. МАГНИТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ Fa = BII sina, = qvb sina УСТНАЯ РАЗМИНКА 5.1. На какие частицы или тела действует электрическое

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа 32» ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА Автор работы: Хисматуллин Роман, Ученик 1 «Б» класса МБОУ «СОШ 32» Руководитель: Карапетян

9. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ТОКА

Тема 9. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ТОКА 9.1. Магнитные взаимодействия 9.. 3акон Био Савара Лапласа и его применение к расчету полей 9..1. Магнитное поле прямого тока 9... Магнитное поле кругового тока 9..3. Магнитное

Интерактивная папка «Лэпбук»

Интерактивная папка «Лэпбук» Что такое лэпбук? "Лэпбук" (lapbook) в дословном переводе с английского значит "наколенная книга" (lap - колени, book - книга). Лэпбук- это самодельная книжечка и папка. Лэпбук-

Оценка в баллах 3 4 5

Материалы для промежуточной аттестации по физике для учащихся 8 класса Спецификация Цель работы: определить уровень образовательных достижений учащихся по физике за курс 8 класса основной школы. Документы,

RU (11) (51) МПК A63H 11/02 ( )

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ (19) RU (11) (51) МПК A63H 11/02 (2006.01) 2 611 027 (13) C2 ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ (12) ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ (21)(22) Заявка:

docplayer.ru

1.Введение.

Министерство образования и науки

Российской Федерации

ФГБОУ ВПО НИУ МЭИ

Кафедра Электрических и Электронных Аппаратов

Программное обеспечение анализа физических цепей

Реферат на тему : Электромагниты

Выполнил: Шайхиев Р.Н

Группа: Эл-12-10

Принял: Дергачёв П.А.

Москва,2015

ВВЕДЕНИЕ

В данном реферате будут рассматриваться две статьи, в которых описывается применение электромагнитов в различных областях. А также два примера задач связанных с темой электромагниты. Для создания ниже описанных моделей использовалась программа COMSOL, являющаяся одной из лучших универсальных программ для моделирования .

Первая статья: Моделирование, имитация и управление двойным электромагнитом активной магнитной левитации.

Вторая статья: Создание электромагнита с широким градиентным спектром для внедрения магнитных веществ в мозг мыши.

СТАТЬЯ 1. Моделирование, имитация и управление двойным электромагнитом активной магнитной левитации.

Adam Piłat*1 1AGH University of Science and Technology * Department of Automatics and Biomedical Engineering, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

Краткий обзор: Эта статья посвящена моделированию двойного электромагнита активной магнитной левитации в пакете программы COMSOL Multiphysics. Были использованы уравнения частных и полных дифференциалов, чтобы понять как движутся левитируемые объекты. Для иллюстрации примера рабочего объекта используются два способа контроля.

Ключевые слова: активная магнитная левитация, активный магнитный азимут, управления, моделирование, имитация.

Конфигурация двойного электромагнита для системы активной магнитной левитации(САМЛ) такова: два электромагнита расположены друг напротив друга, так что они образуют ось активного магнитного азимута. Такая же конфигурация может быть использована для тестирования одиночного электромагнита АМЛ контроллера. Одиночный электромагнит для САМЛ уже был смоделирован и построен в программе COMSOL Multiphysics.

Это исследование вытекает из контрольного исследования и экспериментов в реальном времени, которые помогли осуществить моделирование двойного электромагнита для активной магнитной левитации (MLS2EM)-тестовое оборудование. Эта разработка посвящена цилиндрическому электромагниту, который необходим для решения задачи с АМЛ. Междисциплинное моделирование, имитация и контролируемый подход - ключевые компоненты этого исследования. Моделирования и имитация конфигурации АМЛ требуется тогда, когда новое оборудование уже разработано или же когда существующее оборудование моделируется для проверки и контроля синтеза результатов. В обоих случаях необходимо внедрить обратную связь контроля, чтобы левитируемый объект был в нужном положении. Поэтому модель должна быть несколько расширенной, с динамикой движения и необходимыми формулами. Особенности программы COMSOL Multiphysics позволяют объединить несколько физических и математических аспектов в единственной модели.

2.Двойной магнит системы магнитной левитации.

Примером двойного электромагнита для активной левитации будет служить лабораторный прототип MLS2EM. Это два электромагнита, расположенные обособленно друг от друга (рис.1). Они генерируют электромагнитную силу, необходимую для левитации. Система управления регулирует значение силы, чтобы стабилизировать левитируемый объект с желаемой жесткостью и свойствами депфирования.

Рисунок 1. Одноосевой двойной электромагнит для системы активной магнитной левитации САМЛ (MLS2EM) и модифицированный вариант с цилиндрическим электромагнитом.

Электромагнитная сила, генерируемая электромагнитами, зависит от конструкции позиционера, управляющего сигнала и расстояния до левитируемого объекта. Рассматривается ток в катушке, динамика левитиремого объекта, которая описываются формулой (1).

где: х1-положение объекта, х2- скорость, F1, F2- силы, генерируемые верхним и нижним электромагнитами, соответственно.Fg- сила тяжести, m- масса объекта. Уравнение (1) может быть использовано во многих задачах контроля в зависимости от взаимодействия гравитационного поля и контроля одного или двух электромагнитов. Как правило, это можно описать уравнением (2), если использовать электромагнитный коэффициент KЕМ.

Для достижения стабильной левитации и управления динамическими параметрами используется обратная связь контроля. Для контрольного результата рассчитывается ошибка состояния е = хd-x. Для стабильной операции хd, векторные элементы отвечают: хd1 - за желаемый уровень левитации и хd2- за нулевую скорость. Когда напряжение в катушке будет существовать в рамках уравнения (1), тогда это уравнение разобьется на два электрических уравнения, отвечающих за динамику работы позиционера.

studfiles.net

Реферат Маглев

Реферат на тему:

План:

Введение
• 1 Технология
  • 1.1 Достоинства
  • 1.2 Недостатки
• 2 Реализация
  • 2.1 Эмсланд, Германия
  • 2.2 M-Bahn в Берлине
  • 2.3 Бирмингем
  • 2.4 Шанхай
  • 2.5 Япония
  • 2.6 Южная Корея, строительство дороги в международном аэропорту Инчхон
• 3 Наиболее серьезные аварии
Примечания

Введение

Магнитоплан или Маглев[источник не указан 30 дней] (от англ. magnetic levitation — магнитная левитация) — это поезд на магнитном подвесе, движимый и управляемый силой электромагнитного поля. Такой состав, в отличие от традиционных поездов, в процессе движения не касается поверхности рельса. Так как между поездом и поверхностью движения существует зазор, трение исключается, и единственной тормозящей силой является аэродинамическое сопротивление. Относится к монорельсовому транспорту.

Скорость, достижимая маглевом, сравнима со скоростью самолёта и позволяет составить конкуренцию воздушному транспорту на ближне- и среднемагистральных направлениях (до 1000 км). Хотя сама идея такого транспорта не нова, экономические и технические ограничения не позволили ей развернуться в полной мере: для публичного использования технология воплощалась всего несколько раз. В настоящее время, маглев не может использовать существующую транспортную инфраструктуру, хотя есть проекты с расположением магнитных элементов между рельсами обычной железной дороги или под полотном автотрассы.

1. Технология

На данный момент существует 3 основных технологии магнитного подвеса поездов:

1. На сверхпроводящих магнитах (электродинамическая подвеска, EDS)
2. На электромагнитах (электромагнитная подвеска, EMS)
3. На постоянных магнитах; это новая и потенциально самая экономичная система.

Состав левитирует за счёт отталкивания одинаковых магнитных полюсов и, наоборот, притягивания противоположных полюсов. Движение осуществляется линейным двигателем, расположенным либо на поезде, либо на пути, либо и там, и там. Серьёзной проблемой проектирования является большой вес достаточно мощных магнитов, поскольку требуется сильное магнитное поле для поддержания в воздухе массивного состава.

Наиболее активные разработки маглева ведут Германия и Япония.

1.1. Достоинства

• Теоретически самая высокая скорость из тех, которые можно получить на общедоступном (не спортивном) наземном транспорте.
• Огромные перспективы по достижению скоростей, многократно превышающие скорости, используемые в реактивной авиации при уменьшении аэродинамического сопротивления путем помещения состава в туннель с глубоким вакуумом[1][2][3]
• Низкий шум.

1.2. Недостатки

• Высокая стоимость создания и обслуживания колеи (стоимость постройки одного километра маглев-колеи сопоставима с проходкой километра тоннеля метро закрытым способом).
• Создаваемое магнитной подвеской электромагнитное поле может оказаться вредным для поездных бригад и/или окрестных жителей. Даже тяговые трансформаторы, применяемые на электрифицированных переменным током железных дорогах, вредны для машинистов, но в данном случае напряжённость поля получается на порядок больше. Также, возможно, линии маглева будут недоступны для людей, использующих кардиостимуляторы[4].
• Рельсовые пути стандартной ширины, перестроенные под скоростное движение, остаются доступными для обычных пассажирских и пригородных поездов. Путь маглева ни для чего другого не пригоден; потребуются дополнительные пути для низкоскоростного сообщения.

2. Реализация

2.1. Эмсланд, Германия

Transrapid, немецкая компания по разработке маглева, построила в 1984 году в Эмсланде испытательный трек общей длиной 31,5 км. Дорога проложена между Дорпеном и Латеном, имеет одну колею с оборотными петлями на каждом конце. Поезда беспилотные, весь контроль движением осуществляется из диспетчерского пункта. Максимальная скорость движения, которую удавалось развить на прямом участке дороги во время испытаний — 420 км/ч.

В настоящее время дорога используется исключительно для проведения технических испытаний и в качестве аттракциона для туристов.

2.2. M-Bahn в Берлине

Первая публичная система маглев (M-Bahn) построена в Берлине в 1980-х годах.

Дорога длиной 1,6 км соединяла 3 станции метро от железнодорожного узла Gleisdreieck до выставочного комплекса на Potsdamer Strasse. После долгих испытаний дорога была открыта для движения пассажиров 28 августа 1989 г. Проезд был бесплатный, вагоны управлялись автоматически без водителя, дорога работала только по выходным дням. В районе, куда подходила дорога, предполагалось провести массовое строительство. Дорога была построена на эстакадном участке бывшей линии метро U2, где движение было прервано в связи с разделением Германии и разрушениями во время войны. 18 июля 1991 линия перешла в промышленную эксплуатацию и включена в систему метро Берлина.

После разрушения Берлинской стены население Берлина фактически удвоилось и потребовалось соединить транспортные сети Востока и Запада. Новая дорога прерывала важную линию метро, а городу требовалось обеспечить высокий пассажиропоток. Через 13 дней после ввода в промышленную эксплуатацию, 31 июля 1991, муниципалитет принял решение демонтировать магнитную дорогу и восстановить метро. C 17 сентября дорога была демонтирована, а позднее — восстановлено метро.

2.3. Бирмингем

Нескоростной маглев-челнок ходил от Бирмингемского аэропорта к ближайшей железнодорожной станции в период с 1984 по 1995 гг. Длина трассы составляла 600 м, и зазор подвеса составлял 1,5 см. Дорога, проработав 10 лет, была закрыта из-за жалоб пассажиров на неудобства и была заменена традиционной монорельсовой дорогой.

2.4. Шанхай

Неудача с первой маглев-дорогой в Берлине не отпугнула немецкую компанию Transrapid — дочернее предприятие Siemens AG и ThyssenKrupp — от продолжения исследований, и позже компания получила заказ от китайского правительства на строительство высокоскоростной (450 км/ч) маглев-трассы от шанхайского аэропорта Пудун до Шанхая. Дорога открыта в 2002 году, её длина составляет 30 км. В будущем её планируется продлить на другой конец города до старого аэропорта Хунцяо и далее на юго-запад до города Ханчжоу, после чего её общая длина должна составить 175 км.

2.5. Япония

В Японии испытывается дорога в окрестностях префектуры Яманаси по технологии JR-Maglev. Скорость, достигнутая в процессе испытаний MLX01-901 с пассажирами 2 декабря 2003, составила 581 км/ч.

Там же, в Японии, к открытию выставки Expo 2005 в марте 2005 введена в коммерческую эксплуатацию новая трасса. 9-километровая линия Линимо (Нагоя) состоит из 9 станций. Минимальный радиус — 75 м, максимальный уклон — 6 %. Линейный двигатель позволяет поезду разгоняться до 100 км/ч за считанные секунды. Линия обслуживает территорию, прилегающую к месту проведения выставки, университету префектуры Айти, а также некоторые районы Нагакутэ. Поезда изготовлены компанией Chubu HSST Development Corp.

Имеются сведения, что вышеназванные японские компании ведут строительство подобной линии в Южной Корее[источник не указан 784 дня].

2.6. Южная Корея, строительство дороги в международном аэропорту Инчхон

Строящаяся дорога относится к типу городского маглева (urban (or low-and medium-speed) maglev transport). Она свяжет международный аэропорт Инчхон с базой отдыха Yongyoo-Mui. Количество станций — 6, длина — 6,1 км. Максимальная скорость движения составит 110 км/ч. Планируемое начало коммерческой эксплуатации 2013 г. Используются собственные технологии Кореи. [5]

3. Наиболее серьезные аварии

Было два инцидента, связанных с пожарами. Японский испытательный поезд MLU002, действовавший в Миядзаки, был полностью уничтожен в результате пожара в 1991 году. В результате этого пожара политические оппоненты объявили, что маглев — это пустая трата бюджетных денег.

11 августа 2006 в 14:20, вскоре после отправления со станции «Лунъян лу», Шанхай, произошло возгорание батареи в шанхайском экспрессе Transrapid. Была произведена эвакуация пассажиров, на место прибыли пожарные подразделения и к 15:40 пожар был ликвидирован, жертв и пострадавших нет. В результате проведённого расследования было выяснено, что причиной была неполадка в электрических системах маглева, возникшая в установленном на борту батарейном модуле.

22 сентября 2006 около 10 часов по местному времени на испытательном полигоне компании Transrapid в Эмсланде (Германия) произошла авария. Во время испытаний состав на скорости около 200 километров в час врезался в оказавшийся на пути технический поезд. В результате аварии погибли 23 человека и еще десять получили ранения.[1] После почти годичного расследования причиной аварии была названа человеческая ошибка, вину возложили на трёх сотрудников Transrapid.

Примечания

1. Проект вакуумного туннельного транспорта ETT - www.et3.com/
2. Высокоскоростной магнитный транспорт с электродинамической левитацией, Гл. 10.1 - sci-lib.org/books_1/D/dzenzerskij.djvu, 2001
3. «Vactrain»
4. Транспорт без будущего - science.ng.ru/policy/2001-01-24/1_transport.html
5. Kbs World - rki.kbs.co.kr/english/economynit/econit_issue_detail.htm?No=2402

wreferat.baza-referat.ru

Магнитная левитация. Что это такое и как это возможно?

Здравствуйте, дорогие читатели! Сегодня узнаем, что такое магнитная левитация. Слово «левитация» происходит от английского «levitate» — парить, подниматься в воздух. То есть левитация — это преодоление объектом гравитации, когда он парит и не касается опоры, не отталкиваясь при этом от воздуха, не используя реактивную тягу. С точки зрения физики, левитация — это устойчивое положение объекта в гравитационном поле, когда сила тяжести скомпенсирована и имеет место возвращающая сила, обеспечивающая объекту устойчивость в пространстве.

В частности магнитная левитация — это технология подъёма объекта с помощью магнитного поля, когда для компенсации ускорения свободного падения или любых других ускорений используется магнитное действие на объект. Именно о магнитной левитации и пойдет речь в данной статье.

   Магнитная левитация

Магнитное удержание объекта в состоянии устойчивого равновесия можно реализовать несколькими способами. Каждый из способов имеет свои особенности, и к каждому можно предъявить претензии, вроде «это не настоящая левитация!», и так оно на самом деле и будет. Настоящая левитация в чистом виде недостижима.

Так, теорема Ирншоу доказывает, что, используя только ферромагнетики, невозможно устойчиво удерживать объект в гравитационном поле. Но несмотря на это, с помощью сервомеханизмов, диамагнетиков, сверхпроводников и систем с вихревыми токами возможно достичь подобие левитации, когда какой-нибудь механизм помогает объекту сохранять равновесие, когда тот поднят над опорой магнитной силой. Однако обо всем по порядку.

Электромагнитная левитация с системой слежения

Применив схему на базе электромагнита и фотореле можно заставить левитировать небольшие металлические предметы. Предмет будет парить в воздухе на некотором расстоянии от неподвижно закрепленного на стойке электромагнита. Электромагнит получает питание, пока фотоэлемент, закрепленный в стойке, не затенен парящим предметом, пока на него попадает достаточно света от неподвижно закрепленного контрольного источника, это значит, что объект нужно притянуть.

   Левитирующий глобус

Когда объект достаточно приподнят, электромагнит отключается, поскольку в этом момент тень от перемещенного в пространстве объекта падает на фотоэлемент, перекрывая свет источника. Объект начинает падать, но упасть не успевает, так как снова включился электромагнит. Так, отрегулировав чувствительность фотореле, можно добиться эффекта, при котором объект будет как-бы висеть на одном месте в воздухе.

На самом деле объект непрерывно то падает, то вновь немного приподнимается электромагнитном. Получается иллюзия левитации. На этом принципе основана работа «левитирующих глобусов» — довольно необычных сувениров, где к глобусу прикреплена магнитная пластина, с которой и взаимодействует электромагнит, скрытый в подставке.

Диамагнитная левитация

Графитовый грифель от простого карандаша является диамагнетиком, то есть веществом, которое намагничивается против внешнего магнитного поля. В определенных условиях происходит полное вытеснение магнитного поля из материала диамагнетика, например графитовый грифель обладает высокой магнитной восприимчивостью, и начинает парить над неодимовыми магнитами даже при комнатной температуре.

Для устойчивости эффекта магниты следует собрать в шахматном порядке (полюса магнитов), тогда графитовый стержень не выскользнет из «магнитной ловушки» и будет левитировать.

   Диамагнитная левитация

Редкоземельный магнит с индукцией всего 1 Тл может висеть между пластинами висмута. А в магнитном поле с индукцией 11 Тл можно между пальцами стабилизировать «левитацию» маленького неодимового магнита, поскольку руки человека являются диамагнетиком, как и вода.

Известен достаточно широко распространенный опыт с левитирующей лягушкой. Животное аккуратно помещают над магнитом, который создает магнитную индукцию больше 16 Тл и лягушка, демонстрируя диамагнитные свойства, фактически зависает в воздухе на небольшом расстоянии от магнита.

Левитация магнита над сверхпроводником (эффект Мейснера)

Пластина из оксида иттрия-бария-меди охлаждается до температуры жидкого азота. В этих условиях пластина становится сверхпроводником. Если теперь положить неодимовый магнит на подставку над пластиной, а затем подставку из под магнита вытащить, то магнит зависнет в воздухе — будет левитировать.

Даже небольшой магнитной индукции порядка 1 мТл достаточно чтобы магнит, будучи положен на пластину, приподнялся над охлажденным высокотемпературным сверхпроводником на несколько миллиметров. Чем выше индукция магнита — тем выше он поднимется.

   Левитация магнита над сверхпроводником

Дело здесь в том, что одно из свойств сверхпроводника — выталкивание магнитного поля из сверхпроводящей фазы, и магнит, отталкиваясь от этого магнитного поля противоположного направления как-бы всплывает и продолжает парить над охлажденным сверхпроводником до тех пор, пока он не выйдет из сверхпроводящего состояния.

Левитация в условиях вихревых токов

Вихревые токи (токи Фуко), наводимые переменными магнитными полями в массивных проводниках также способны удерживать предметы в левитирующем состоянии. Например катушка с переменным током может левитировать над замкнутым кольцом из алюминия. А алюминиевый диск будет парить над катушкой с переменным током.

Объяснение здесь такое: по закону Ленца, индуцируемый в диске или в кольце ток будет создавать такое магнитное поле, что его направление станет препятствовать причине его вызывающей. То есть в каждый период колебаний переменного тока в индукторе, в массивном проводнике будет индуцироваться магнитное поле противоположного направления. Так, массивный проводник или катушка подходящий формы смогут левитировать все время пока включен переменный ток.

   Неодимовый магнит внутри медной трубы, магнитная левитация

Аналогичный механизм удержания проявляется, когда неодимовый магнит роняют внутри медной трубы — магнитное поле индуцированных вихревых токов направлено противоположно магнитному полю магнита.

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

powercoup.by

Магнитная левитация

Энергетика Магнитная левитация

просмотров - 54

В научной фантастике силовые поля выполняют еще одну функ­цию, кроме отражения ударов из лучевого оружия, а именно служат опорой, которая позволяет преодолевать силу притя­жения. В фильме «Назад в будущее» Майкл Фокс катается на «ховерборде», или «парящей доске»; эта штука во всœем напоми­нает привычный скейтборд, вот только «ездит» по воздуху, над поверхностью земли. Физические законы — такие, какими мы их знаем на сегодняшний день, — не позволяют реализовать подобное подобное антигравитационное устройство (как мы увидим в главе 10). Но можно представить себе в будущем создание других устройств — парящих досок и парящих автомобилей на магнитной подушке; эти машины позволят нам без труда поднимать и удерживать на весу крупные объекты. В будущем, если «сверхпроводимость при комнатной температуре» станет доступной реальностью, человек сможет поднимать в воздух предметы, используя возможности магнитных полей.

В случае если мы поднесем северный полюс постоянного магнита к северному же полюсу другого такого же магнита͵ магниты будут отталкиваться друг от друга. (В случае если мы перевернем один из магнитов и поднесем его южным полюсом к северному полюсу другого, два магнита будут притягиваться.) Этот же принцип — то, что одноименные полюса магнитов отталкиваются, — можно использовать для подъема с земли огромных тяжестей. Уже сейчас в нескольких странах идет строительство технически передовых поездов на магнитной подвеске. Такие поезда проносятся не по путям, а над ними на минимальном расстоянии; на весу их удерживают обычные магниты. Поезда как бы парят в воздухе и могут благодаря нулевому трению развивать рекордные скорости.

Первая в мире коммерческая автоматизированная транспортная система на магнитной подвеске была запущена в действие в 1984 ᴦ. в британском городе Бирмингеме. Она соединила терминал международного аэропорта и расположенный неподалеку желœезнодорожный вокзал. Поезда на магнитной подвеске действуют также в Германии, Японии и Корее, хотя большинство из них не предназначены для высоких скоростей. Первый скоростной коммерческий поезд на магнитной подвеске начал ходить по запущенному в действие участку трассы в Шанхае; данный поезд движется по трассе со скоростью до 431 км/ч. Японский поезд на магнитной подвеске в префектуре Яманаси разогнался до скорости 581 км/ч — т. е. двигался значительно быстрее, чем обычные поезда на колесах.

Но устройства на магнитной подвеске чрезвычайно дороги. Один из путей к увеличению их эффективности — использование сверхпроводников, которые при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю, полностью теряют электрическое сопротивление. Явление сверхпроводимости открыл в 1911 ᴦ. Хейке Камерлинг-Оннес. Суть его состояла в том, что некоторые вещества при охлаждении до температуры ниже 20 К (20° выше абсолютного нуля) теряют всякое электрическое сопротивление. Как правило, при охлаждении металла его электрическое сопротивление постепенно уменьшается. Дело в том, что направленному движению электронов в проводнике мешают случайные колебания атомов. При уменьшении температуры размах случайных колебаний уменьшается, и электричество испытывает меньшее сопротивление.) Но Камерлинг-Оннес, к собственному изумлению, обнаружил, что сопротивление некоторых материалов при определœенной критической температуре резко падает до нуля.

Физики сразу поняли важность полученного результата. При передаче на большие расстояния в линиях электропередачи теряется значительное количество электроэнергии. Но если бы сопротивление удалось устранить, электроэнергию можно было бы передавать в любое место почти даром. Вообще, возбужденный в замкнутом контуре электрический ток мог бы циркулировать в нем без потерь энергии миллионы лет. Более того, из этих необычайных токов несложно было бы создать магниты невероятной мощности. А имея такие магниты, можно было бы без усилий поднимать громадные грузы.

Несмотря на чудесные возможности сверхпроводников, применять их очень непросто. Держать большие магниты в баках с чрезвычайно холодными жидкостями очень дорого. Чтобы сохранять жидкости холодными, потребуются громадные фабрики холода, которые поднимут стоимость сверхпроводящих магнитов до заоблачных высот и сделают их использование невыгодным.

Но однажды физикам, возможно, удастся создать вещество, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ сохранит сверхпроводящие свойства даже при нагреве до комнатной температуры. Сверхпроводимость при комнатной температуре — «святой Грааль» физиков-твердотельщиков. Получение таких веществ, по всœей вероятности, послужит началом второй промышленной революции. Мощные магнитные поля, способные удерживать на весу машины и поезда, станут настолько дешевыми, что даже «планирующие автомобили», возможно, окажутся экономически выгодными. Очень может быть, что с изобретением сверх-проводников, сохраняющих свои свойства при комнатной температуре, фантастические летающие машины, которые мы видим в фильмах «Назад в будущее», «Особое мнение» и «Звездные войны», станут реальностью.

В принципе вполне пред ставимо, что человек сможет надевать специальный пояс из сверхпроводящих магнитов, который позволит ему свободно левитировать над землей. С таким поясом можно было бы летать по воздуху, подобно Супермену. Вообще, сверхпроводимость при комнатной температуре явление настолько замечательное, что изобретение и использование таких сверхпроводников описано во множестве научно-фантастических романов (таких, как серия романов про Мир-Кольцо, созданная Ларри Нивеном в 1970 ᴦ.).

Десятки лет физики безуспешно искали вещества, которые обладали бы сверхпроводимостью при комнатной температуре. Это был утомительный скучный процесс — искали методом проб и ошибок, испытывая один материал за другим. Но в 1986 ᴦ. был открыт новый класс веществ, получивших название «высокотемпературные сверхпроводники»; эти вещества обретали сверхпроводимость при температурах порядка 90° выше абсолютного нуля, или 90 К. Это открытие стало настоящей сенсацией в мире физики. Казалось, распахнулись ворота шлюза. Месяц за месяцем физики соревновались друг с другом, стремясь установить новый мировой рекорд сверхпроводимости. Какое-то время даже казалось, что сверхпроводимость при комнатной температуре вот-вот сойдет со страниц научно-фантастических романов и станет реальностью. Но после нескольких лет бурного развития исследования в области высокотемпературных сверхпроводников начали замедляться.

Сегодня мировой рекорд для высокотемпературных сверхпроводников принадлежит веществу, представляющему собой сложный оксид меди, кальция, бария, таллия и ртути, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ становится сверхпроводящим при 138 К (-135 °С). Эта относительно высокая температура всœе еще очень далека от комнатной. Но и это—важный рубеж. Азот становится жидким при температуре 77 К, а жидкий азот стоит примерно столько же, сколько обычное молоко. По этой причине для охлаждения высокотемпературных сверхпроводников можно использовать обычный жидкий азот, это недорого. (Разумеется, сверхпроводники, остающиеся таковыми и при комнатной температуре, совсœем не потребуют охлаждения.)

Неприятно другое. Сегодня не существует теории, которая объясняла бы свойства высокотемпературных сверхпроводников. Более того, предприимчивого физика, который сумеет объяснить, как они работают, ждет Нобелœевская премия. (В известных высокотемпературных сверхпроводниках атомы организованы в четко выраженные слои. Многие физики предполагают, что именно слоистость керамического материала дает возможность электронам свободно передвигаться внутри каждого слоя, создавая таким образом сверхпроводимость. Но как именно и почему это происходит — по-прежнему загадка.)

Недостаток знаний вынуждает физиков искать новые высокотемпературные сверхпроводники по старинке, методом проб и ошибок. Это означает, что пресловутая сверхпроводимость при комнатной температуре может быть открыта когда угодно—завтра, через год, или вообще никогда. Никто не знает, когда будет найдено вещество с такими свойствами и будет ли оно найдено вообще.

Но если сверхпроводники при комнатной температуре будут открыты, их открытие, скорее всœего, породит громадную волну новых изобретений и коммерческих приложений. Обычными, возможно, станут магнитные поля, в миллион раз более сильные, чем магнитное поле Земли (ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ составляет 0,5 Гс).

Одно из свойств, присущих всœем сверхпроводникам, носит название эффекта Мейснера. В случае если поместить магнит над сверхпроводником, магнит зависнет в воздухе, как будто поддерживаемый некой невидимой силой. [Причина эффекта Мейснера состоит по сути в том, что магнит обладает свойством создавать внутри сверхпроводника собственное «зеркальное отражение», так что настоящий магнит и его отражение начинают отталкиваться друг от друга. Еще одно наглядное объяснение этого эффекта — в том, что сверхпроводник непроницаем для магнитного поля. Он как бы выталкивает магнитное поле. По этой причине, если поместить магнит над сверхпроводником, силовые линии магнита при контакте со сверхпроводником исказятся. Эти силовые линии и будут выталкивать магнит вверх, заставляя его левитировать.)

В случае если человечество получит возможность использовать эффект Мейснера, то можно вообразить шоссе будущего с покрытием из такой специальной керамики. Тогда при помощи магнитов, размещенных у нас на поясе или на днище автомобиля, мы сможем волшебным образом парить над дорогой и нестись к месту назначения без всякого трения или потерь энергии.

Эффект Мейснера работает только с магнитными материалами, такими как металлы, Но можно использовать сверхпроводниковые магниты и для левитирования немагнитных материалов, известных как парамагнетики или диамагнетики. Эти вещества сами по себе не обладают магнитными свойствами; они обретают их только в присутствии и под воздействием внешнего магнитного поля. Парамагнетики притягиваются внешним магнитом, диамагнетики отталкиваются.

Вода, к примеру, диамагнетик. Поскольку всœе живые существа состоят из воды, они тоже могут левитировать в присутствии мощного магнитного поля. В поле с магнитной индукцией около 15 Т (в 30 000 раз более мощном, чем магнитное поле Земли) ученым уже удалось заставить левитировать небольших животных, таких как лягушки. Но если сверхпроводимость при комнатной температуре станет реальностью, можно будет поднимать в воздух и крупные немагнитные объекты, пользуясь их диамагнитными свойствами.

В заключение отметим, что силовые поля в том виде, в каком их обычно описывает фантастическая литература, не согласуются с описанием четырех фундаментальных взаимодействий в нашей Вселœенной. Но можно предположить, что человеку удастся имитировать многие свойства этих выдуманных полей при помощи многослойных щитов, включающих в себя плазменные окна, лазерные завесы, углеродные нанотрубки и вещества с переменной прозрачностью. Но реально такой щит может быть разработан лишь через несколько десятилетий, а то и через столетие. И в случае, если сверхпроводимость при комнатной температуре будет обнаружена, у человечества появится возможность использовать мощные магнитные поля; возможно, с их помощью удастся поднять в воздух автомобили и поезда, как мы видим в фантастических фильмах.

Принимая всœе это во внимание, я бы отнес силовые поля к I классу невозможности, т. е. определил их как нечто невозможное для сегодняшних технологий, но реализуемое в модифицированной форме в течение ближайшего столетия или около того.

Читайте также

oplib.ru

Смотрите также

• 
  Компьютеры будущего реферат
• 
  Козловой кран реферат
• 
  Достоевский реферат биография
• 
  Достоевский биография реферат
• 
  Двойное гражданство реферат
• 
  Геморрагический васкулит реферат
• 
  Внутрихозяйственное землеустройство реферат
• 
  Август октавиан реферат
• 
  Этика судьи реферат
• 
  Хоторнский эксперимент реферат
• 
  Струйные принтеры реферат