Главная Технологии Техника Оружие Адреналин Мастер- класс Российская наука Карта: 1 2 3 4 5 6 7 Технологии - Поезд будущего

Силен, как лев, и кроток, как овечка
Добро пожаловать на борт компьютеризированной, сверхэкономичной и наводимой со спутника транспортной революции. Точки зрения

Вот он, транспорт будущего. Управляется компьютерами, переносит по специальным трассам десятки тысяч тонн разнообразных грузов, его положение отслеживается навигационными спутниками, а в движение его приводят новые мощные двигатели. Новые высокотехнологичные транспортные системы минимизируют потребление энергии, а грязи в атмосферу выбрасывают меньше, чем все существовавшие до этого виды механического транспорта. Сейчас, когда дороги запружены автомобилями, а запасы топлива подходят к концу, это технологическое чудо представляется более чем своевременным. Старомодная техника, знакомая нам уже 200 лет, снова выходит на позиции «транспорта будущего». Как оживить комикс

Когда-то сеть железных дорог предопределила пути развития США, но к 70-м годам ХХ века уже не оставалось сомнений в том, что железнодорожный транспорт обречен на постепенное вырождение. И вдруг эта отрасль снова предстала перед нами как направление выдающегося технического прогресса. «Модернизация железных дорог дошла до той степени, которую людям трудно осознать», – говорит Гэри Вулф, владелец компании Rail Sciences, ведущей фирмы, занимающейся расследованием происшествий на железной дороге. Именно на железных дорогах было впервые внедрено компьютерное управление грузопотоками, именно здесь совершен главный прорыв буквально за границы возможного в плане используемых мощностей, экономичности и вообще инженерной изобретательности – и все ради доставки грузов с максимальной скоростью и минимальными издержками. Нанокарандаш

Сейчас по 224 тысячам километров американских железнодорожных путей перевозится примерно 42% всех грузов, а это составляет 8 миллиардов тонно-километров в день. В течение трех последних лет по объемам перевозок железная дорога многократно била свои же рекорды, и главной причиной столь бурного возрождения стал тот факт, что для перевозки грузов по железной дороге требуется втрое меньше горючего, чем для его доставки с помощью грузовиков. В ближайшие годы ожидаются еще более радикальные изменения – преимущественно в сфере энергосбережения. Здесь железные дороги уже победили всех возможных конкурентов. Мода на орбите

Вдоль по «зеленой линии» Кислая батарейка

С превеликим грохотом локомотив Evolution собирают из множества отдельных деталей на конвейере завода компании General Electric
в Эри, штат Пенсильвания. Здесь, под единой крышей, накрывающей цех площадью 400 000 м2, копошатся сотни электриков, сварщиков, слесарей, а между ними шныряют менеджеры в ярких шлемах с блокнотами в руках. Шипят и тарахтят пневматические инструменты. Вот мостовой кран подхватывает недособранный локомотив и переворачивает его – 200 тонн стали – так, будто это пустая консервная банка. Сейчас бригада электриков опутает агрегаты ходовой части паутиной разнообразных электронных датчиков, и кран опустит железяку длиной 25 и шириной 5 метров на цеховой пол.
Evolution – это не просто локомотив, а скоростная, технически продвинутая машина, удовлетворяющая только что принятым требованиям EPA (Environmental Protection Agency, Агентство по охране окружающей среды). На ней установлена новая система управления, новый 12-цилиндровый дизельный двигатель (по мощности он не уступает своему 16-цилиндровому предшественнику) и первая в своем роде система воздушного охлаждения, которая позволяет двигателю работать с более чистым выхлопом. По сравнению с прежними голиафами железных дорог этот локомотив сожрет за свою жизнь почти на тысячу тонн солярки меньше. Без боли

Локомотивы Evolution один за другим сходят со стапелей, а инженеры компании General Electric тем временем лихорадочно работают над прототипом еще более продвинутой машины – высокомощного гибрида, который, как и автомобиль с гибридной энергоустановкой, будет восполнять энергию, обычно теряемую при торможении. По сути, все американские товарные локомотивы и так являются в некотором смысле гибридами – их дизельные двигатели приводят в движение генераторы переменного тока, а уж от них ток идет к тяговым электродвигателям. Кроме того, пневматическим тормозам на локомотиве помогает динамическое торможение, так что поезд замедляет ход, частично преобразуя энергию колес в электрический ток. Обычно эта часть электроэнергии теряется впустую, а вот в гибридном локомотиве ее удастся сохранить и использовать повторно. Дело за небольшим – инженерам осталось придумать, как обуздать электрические токи, непосильные для любых обычных батарей. В аккумуляторах локомотива должно накапливаться до 1500 киловатт-часов (такого запаса хватило бы для дневного энергообеспечения 50 средних особняков). Тверже кости

Игра стоит свеч – если инженеры победят, они выиграют 2000 дополнительных лошадиных сил. Предполагается, что на этом пути удастся достичь 15% экономии горючего и радикального очищения выхлопа даже в сравнении с уровнем современного локомотива Evolution. «Если наши гибриды встанут на замену всем локомотивам Соединенных Штатов, вы получите годовую экономию в полмиллиарда долларов только на одном горючем», – говорит руководитель проекта по гибридным локомотивам Гэган Суд. Графеновая наноэлектроника

Не следует считать проектируемый локомотив первой и единственной гибридной моделью. В 2002 году канадская компания RailPower Industries выпустила относительно маломощную машину Green Goat («Зеленый козел») для использования в качестве маневрового локомотива на сортировочных станциях. Эта дерганая работа, когда двигатель часами крутится на холостых оборотах, для большинства локомотивов неизбежно приводит к выбросу облаков оксидов азота, отравляющего атмосферу и вызывающего кислотные дожди. 85% своей энергии Green Goat получает от батареи емкостью 1200 ампер-часов, которая состоит из 336 двухвольтовых элементов. Выбросы в атмосферу азотистых соединений от этого локомотива в 5–10 раз меньше, чем загрязнения от его чисто дизельных аналогов. Сейчас эта новинка уже широко используется по всей Америке. Осязание на расстоянии

Длинные поезда Движущиеся картинки

Каждый день пять или шесть судов, слишком большие для проводки через Панамский канал, бросают якорь в портах Лос-Анджелес и Лонг-Бич, штат Калифорния. Каждое судно доверху забито товарами из Азии – чайными пакетиками и плюшевыми медвежатами, носками и лопатами. Все это добро плотно упаковано в 6000 контейнеров, и портовые краны едва справляются со своей работой. Большая часть этих «контейнеров для смешанной перевозки» покидает район порта по железной дороге и будет трястись в своих поездах от океана до океана – через весь материк. Именно этот грузопоток преобразует всю американскую железнодорожную промышленность. Его объемы непрерывно растут – абсолютный рекорд по суммарным недельным грузоперевозкам был в 2005 году побит и заново установлен несколько раз. Любые перебои в этом потоке оказываются катастрофичны, так 10-дневный локаут в 2002 году в портах западного побережья привел к тому, что более 200 судов замерло на рейдах в ожидании разгрузки. Лунная архитектура

Для железных дорог самое милое дело – стабильные перевозки одного и того же груза в одни и те же точки, к примеру, доставка угля или зерна из мест, где его добывают или выращивают, поближе к электростанции или к порту. Лишь два года назад более прибыльными стали смешанные перевозки. Рост транспортных потоков означает, что железные дороги должны прокачивать большее количество грузов сквозь и без того самые загруженные коридоры материка. К сожалению, строительство новых магистралей обойдется примерно в полмиллиона долларов за километр, да и не везде это вообще возможно. Скульптор жжет

«Грузоперевозки – как электроэнергетика, – говорит Роб Хоффман, аналитик по вопросам транспорта корпорации World Business Chicago, – их можно не замечать, пока они не начнут создавать неудобства. Небольшой перебой на транспорте, и вы сразу увидите, как опустеет ваш супермаркет». Самый простой способ увеличить пропускную способность – загружать больше товаров на каждый поезд. Сегодняшние двухкилометровые поезда с двухъярусной загрузкой тащат на себе столько груза, сколько раньше железнодорожникам и не снилось. Но и этого недостаточно. Чтобы и дальше повышать пропускную способность железных дорог, нужна не столько сила, сколько мозги. Сияние помидора

Цифровое управление грузопотоками

По железным дорогам несутся эшелоны с углем, составы универсальных контейнеров, «сквозные» товарные поезда, тормозящие чуть ли не у каждого столба, и много, много всего другого – в транспортной системе каждой из крупных железнодорожных компаний одновременно находится в пути тысячи по две поездов. Диспетчеры управляются со всем этим хозяйством, привычно полагаясь на двустороннюю радиосвязь, ведра крепкого кофе и крутой замес из дистанционных датчиков, специализированных компьютерных программ и обгрызенных карандашей. Они должны непрерывно корректировать скорость поездов и их маршруты, исходя из бесконечного множества постоянно изменяющихся условий, включая состояние путей, специфику эксплуатации каждого поезда, погоду, приоритеты грузов и задержки на перекрестках. Задача осложняется еще и тем фактом, что до 40% товарных путей в США до сих пор остаются «темными», то есть не обеспеченными сигнализацией. Чтобы оставить хоть какой-то резерв под исправление ошибок, диспетчеры должны по возможности раздвигать дистанции между поездами и снижать их скорость.

«Один из путей для повышения пропускной способности мы видим в оптимизации всей системы железнодорожного трафика», – говорит Прэт Кумар из отдела General Electric Rail Solutions, инкубатора новых технологических идей. Иначе говоря, нужно добиться, чтобы по тем же путям могло двигаться больше поездов с более высокими скоростями. В этой компании (как, впрочем, и у нескольких конкурентов) сейчас активно разрабатывают компьютеризованную систему «планирования перевозок», которая смогла бы в автоматическом режиме выполнять «тонкую подстройку» расписаний. Это сняло бы с плеч железнодорожных диспетчеров изрядную часть бремени, связанную с принятием решений. Система General Electric, которую сейчас испытывает в Джорджии железнодорожная компания Norfolk Southern, может непрерывно прогнозировать будущую ситуацию на 8 часов вперед, уточняя свои планы каждые 5 минут. Многие пристрастно наблюдают за этим экспериментом, ведь подобные системы появлялись и раньше, но, если верить администрации других железных дорог, ни одна из них не смогла успешно отслеживать непрерывно меняющуюся ситуацию, обеспечивая должную надежность и безопасность.

Еще одна система для использования в этой области, «уверенное управление поездом» (PTC, Positive Train Control), распределяет поток информации между поездными бригадами и диспетчерами. На большинстве линий машинисты до сих пор пользуются голосовой связью, запрашивая у диспетчеров «добро» на отправление поезда, и больше склонны верить собственным глазам, видя впереди опасность, будь это брошенная на путях тележка из универсама или заглохшая машина. РТС обеспечивает мгновенное обновление информации по движению на путях, предостережения о поломках рельс и оповещения об ожидаемых впереди дорожных знаках. Эта система может даже самостоятельно остановить поезд, если поездная бригада утратила дееспособность или вообще исчезла. (Бывает и такое. В 2001 году сотрудник компании CSX Джон Хосфельд на ходу запрыгнул на оставшийся без управления товарный поезд и сумел его остановить. Перед этим поезд, везущий ядовитые химические вещества, несся два часа по безлюдным просторам северо-западного Огайо – и все из-за того, что инженер, вылезая из локомотива, нечаянно зацепил рычаг акселератора и пустил эшелон на полный ход.)

Сейчас по всему метрополитену Нью-Йорка компания Siemens устанавливает комбинацию из системы РТС, планировщика движения, центра управления и автоматизированной системы безопасности. Свой собственный вариант системы РТС компания General Electric обкатывает с 2002 года на стокилометровом участке линии Amtrak на Среднем Западе. Впрочем, система РТС оказывается дешевле традиционной сигнальной структуры, лишь когда железная дорога строится с нуля, а в случае реконструкции уже существующих путей обещаются значительные издержки. По данным Ассоциации американских железных дорог, реконструкция путей в национальном масштабе выльется в расходы от 2 до 10 млрд. долларов. Системы планирования движения тоже оказываются недешевыми, однако такие производители, как General Electric, утверждают, что модернизация должна очень быстро окупиться. «Мы предсказываем, что программы планирования движения позволят увеличить среднюю скорость перевозок на 3–7 км/ч, резко повысив пропускную способность дорог, – говорит Кумар. – Применительно к большим железнодорожным компаниям два километра в час означают триста миллионов долларов в год».

Наблюдение из космоса

Для того чтобы могла действовать любая диспетчерская система, кто-то в центре управления должен знать, где же находятся сами поезда. С 1995 года для всех товарных вагонов в обязательном порядке были введены метки автоматической идентификации оборудования (AEI). Когда вагон проходит мимо одного из тысяч датчиков, расположенных вдоль большей части главных американских магистралей, его местоположение передается на соответствующий компьютер слежения. (Дополнительные приборы, расположенные рядом с рельсами, попутно выискивают дефекты на колесах, «вглядываются» и «вслушиваются» в другие симптомы возможных механических неполадок в проходящих мимо вагонах.)

Система РТС нуждается в постоянном и более точном отслеживании местоположения каждого поезда, а для этого категорически необходима развернутая версия системы GPS. Если вы не сможете точно сказать, где находится ваш поезд, на каком пути и в каком направлении он движется, – ждите верной катастрофы.

Железнодорожники делают ставку на дифференциальные системы GPS – в них кроме обычного набора спутников используются также наземные станции. Такая структура способна обеспечить точность в пределах сантиметров.

В середине 2005 года компания Alaska Railroad оборудовала системами GPS весь свой парк, состоящий из 62 локомотивов. Учитывая специфику этого штата, где из-за грандиозных расстояний полная электрификация железных дорог практически невозможна, спутниковую навигацию можно считать наиболее эффективным способом «высветить» бескрайние «темные территории», ни на минуту не теряя из виду все движущиеся по Аляске эшелоны.

Уже и сейчас по всей стране движется множество спецвагонов, оборудованных приемниками GPS. Таким образом владельцы могут следить за перемещениями своих грузов – особо опасных (к примеру, ядовитых) или скоропортящихся, перевозимых в вагонах-рефрижераторах. Кроме того, компания Lat-Lon предлагает на рынке блоки RailRider. Эти аппараты, снабженные солнечными батареями и GPS-приемниками, могут следить за температурой груза, ускорениями и вибра-циями, внутренним давлением, температурой подшипников и многим другим. Если аппарат замечает некое «событие», он отсылает в соответствующий диспетчерский центр координаты вагона и параметры, вызвавшие у него тревогу. Сейчас аппараты компании Lat-Lon держат под контролем 2400 вагонов-рефрижераторов, а также немалое количество железнодорожных цистерн, оборудованных датчиками для контроля за утечкой опасных химикатов, таких, например, как газообразный хлор.

Тормозной путь

Десятого июня 2005 года где-то около двух часов дня направлявшийся в Сиэтл поезд компании Amtrak спокойно проходил мимо городка Келсо, штат Вашингтон. Вдруг машинист вскочил со своего сиденья – какой-то грузовик с газовыми баллонами в кузове припарковался так близко к путям, что сразу стало ясно – проскочить не удастся. Машинист врубил тормоза, но при скорости поезда 90 километров в час столкновение было неизбежным. Поезд врезался в стоящий без водителя грузовик, машину охватило пламя. К счастью, никто не пострадал, кроме одного пассажира, который отделался легкими ушибами.

«Если вы увидели препятствие, столкновения уже не избежать, – говорит Брайан Маклафлин из компании New York Air Brake, ведущего производителя тормозов в стране. – Включая тормоза, вы лишь облегчите работу спасателям, которые приедут разгребать завалы».

Если мы хотим радикально увеличить количество поездов, ездящих по нашим железным дорогам, придется всерьез пересмотреть подобные проблемы, в частности научиться лучше тормозить. Сегодня воздушные тормоза зависят от длинного шланга-магистрали, через который «заряжаются» воздухом тормоза в каждом вагоне движущегося состава. Для торможения машинист в локомотиве начинает выпускать из магистрали воздух. Скачок давления движется назад, от вагона к вагону, и в каждой каретке последовательно открываются клапаны и срабатывают тормозные колодки. Весь процесс в каждом вагоне занимает примерно одну секунду, а ведь в некоторых поездах насчитывается до 150 вагонов.

Компания New York Air Brakes, как и некоторые другие, предлагает пневматические тормоза с электронным управлением (ЕСР). В них изменена роль главной пневматической тормозной магистрали. Эта магистраль все так же используется для «зарядки» тормозных цилиндров, но клапаны теперь срабатывают от электронного управления, и сигнал на них передается через пару проводов. Теперь, когда машинист может сжать все тормозные колодки одновременно, тормозной пробег радикально уменьшается – в некоторых случаях почти на 70 процентов.

К сожалению, массовое использование тормозной системы ЕСР влечет за собой серьезные трудности. Если уж использовать ЕСР, то этой системой должен быть оборудован и локомотив, и все вагоны без исключения. Если хотя бы на одном из вагонов не окажется этого оборудования, цепь окажется разомкнутой и все вагоны дальше от него к хвосту поезда вообще не смогут тормозить. Можно, конечно, придумывать всякие обводные схемы, но это не решение проблемы. Поскольку вагоны перекидываются с поезда на поезд самым произвольным порядком, все железнодорожные компании США должны будут модернизировать свои вагоны одновременно, а ведь вагонный парк страны насчитывает полтора миллиона единиц. Поэтому на сегодня систему ЕСР в повседневной работе используют только горнодобывающие компании Quebec Cartier Mining в Канаде и Spoornet в Южной Африке. Для них вопрос решается проще, поскольку их составы укомплектованы раз и навсегда, вагоны в них не заменяются и ходят они изо дня в день по одним и тем же маршрутам.

За спиной у машиниста

Если железнодорожное дело переживает сейчас эпоху столь бурной модернизации, то что мешает создать полностью автоматизированные поезда? В конце концов, есть ведь уже и самолеты, способные без помощи пилота и взлетать, и садиться. На самом деле локомотивы с дистанционным управлением (RCL) уже построены и успешно работают – составляют поезда на сортировочных станциях. Работа эта опасная – раньше рабочие-сортировщики постоянно связывались по радио с машинистом, все были на нервах, того и гляди кого-нибудь задавит из-за простого сбоя в связи. А при новой системе рабочие-сортировщики сами гоняют свой локомотив, пользуясь пультом дистанционного управления.

Федеральное управление железных дорог начало выдавать разрешения на дистанционное управление поездами и на некоторых участках открытых путей, правда, при условии выполнения определенных строгих правил. Но о повсеместном распространении такой практики речи, конечно, нет – слишком много по всей стране пересечений железных дорог с шоссейными и «темных» областей, не обеспеченных сигнализацией.

Так оно, наверное, и лучше. В перспективе на американских железных дорогах будет все теснее и теснее, все более мощные локомотивы на немыслимых скоростях поведут за собой невообразимо длинные составы. Следующее поколение поездов должно успешно удовлетворять запросы в условиях растущего энергетического дефицита. При этом мы, конечно же, не обойдемся без изощренной новейшей техники, но согласитесь, что жить будет спокойнее, зная, что у рычагов управления по-прежнему остается разумный и ответственный человек.


Поедем поездом будущего

Большая скорость передачи данных

Если нам нужно перевозить по железным дорогам больше грузов, не жертвуя при этом безопасностью, жизненно необходимым становится своевременное получение информации. В системе РТС локомотивы отслеживают с помощью дифференциальных приемников GPS, которые в своей информации основываются как на сигналах со спутников, так и на излучении наземных станций. Данные пересылаются в главный центр управления, где диспетчеры следят за такими факторами, как состояние путей, погода и предельные сроки прибытия. Посредством радиоволн инструкции и информация передаются на каждый локомотив.

Чистые двигатели

Изображенный на этой картинке дизель-электрический локомотив SD70ACe мощностью 4300 лошадиных сил и весом больше 200 тонн соответствует новым требованиям ЕРА к составу выхлопных газов. Компании Electro-Motive и General Electric производят большую часть локомотивов, работающих на просторах Северной Америки.

Больше грузов

Все больше грузов прибывает в порты уже упакованными в стандартные универсальные контейнеры длиной 6, 12 и 13,5 м. Чаще всего их грузят на платформы в два яруса. Сочлененные вагоны (на иллюстрации не показаны) с шарниром посередине имеют длину больше стандартной и вмещают больше груза. Средняя загрузка вагона выросла со 100 до 112 т.

Более безопасные вагоны

Особо опасные товары, например хлор, перевозят в цистернах с особыми, специально подстрахованными сцепками, которые ограничивают вертикальные смещения. Такая сцепка не может случайно разорваться и пробить стенку цистерны. Согласованные с GPS датчики могут предупредить диспетчеров об утечках и прочих неприятностях. (На картинке цистерна помещена сразу за локомотивом – в реальной практике ее принято цеплять не ближе, чем через 5 вагонов.)

Умные тормоза

В отличие от традиционной конструкции, электронно-управляемые пневматические тормоза (ЕСР) позволяют машинисту тормозить сразу всеми колесами эшелона. Электронный сигнал отсылается по всем вагонам, воздух под давлением подается в цилиндры, которые приводят в действие тормоза. Система питается воздухом от главной тормозной магистрали поезда.





Поезд будущего | Точки зрения | Столик, который изменит мир | Как оживить комикс | В космос на паровой тяге | Нанокарандаш | Мягкий тормоз | Мода на орбите | Следите за руками | Кислая батарейка | Миссия: астероид | Без боли |