Украинский маглев: как проектировали поезд на магнитной подушке со скоростью 500 км/ч

Сегодня идея вакуумных поездов Hyperloop или высокоскоростных магнитопланов (маглевов) воспринимается как атрибут современного технологического мира, прерогатива компаний Илона Маска или японских инженерных корпораций. Однако фундаментальные исследования и практические разработки транспорта на магнитной подушке активно велись ещё полвека назад украинскими учёными.

В 1970–1980-х годах в рамках масштабной программы по созданию высокоскоростного наземного транспорта (ВСТ) значительная часть самых сложных инженерных задач была возложена на научно-исследовательские институты Украинской ССР. Украинские учёные отвечали за наиболее наукоемкое и перспективное направление: электродинамическую левитацию с использованием криогенных технологий и сверхпроводников.

Почему обычная железная дорога не могла развить скорость до 500 км/ч

В начале 1970-х годов транспортная система столкнулась с парадоксом средних расстояний. Реактивная гражданская авиация стремительно развивалась, однако использование самолетов для перелетов на расстояния 500–1000 километров было экономически и логистически неэффективным. Государству требовался транспорт, который мог бы гарантированно доставлять пассажиров из центра одного мегаполиса в центр другого со скоростью 400–500 км/ч.

Классическая железная дорога типа “колесо-рельс” для таких скоростей не подходила из-за законов физики: на скорости свыше 300 км/ч сцепление стального колеса с рельсом критически падает, возникают разрушительные вибрации, а износ материалов становится колоссальным. Единственным логичным Решением стала отказ от колес в пользу магнитной левитации. Поезд должен был “парить” над эстакадой, не касаясь её, что сводило трение исключительно к аэродинамическому сопротивлению воздуха.

Как работает поезд на магнитной подушке и почему Украина выбрала EDS

В мировой практике магнитного подвеса тогда сформировались две принципиально разные концепции, которые разделили разработчиков на два лагеря.

Электромагнитный подвес (EMS). Использует классические электромагниты, расположенные на «охватывающем» днище вагона. Именно этот вариант выбрали московские инженеры при разработке прототипов серии ТП. Первый вагон, ТП-01, вышел на 36-метровую заводскую трассу ещё в 1979 году. По разным источниками, ТП-01 имел массу около 12 тонн, длину 9 метров, вместимость 20 пассажиров, а зазор подвески составлял всего 10 миллиметров. Удерживать такой микроскопический зазор на скорости 400 км/ч невероятно сложно: малейшая неровность пути или порыв ветра может привести к катастрофе.

Электродинамическая подвеска (EDS). Работает на основе сверхпроводящих магнитов. Благодаря взаимодействию сверхмощного магнитного поля поезда с токами, индуцируемыми в алюминиевом рельсе во время движения, поезд отталкивается от эстакады. Эта технология позволяет увеличить зазор левитации до 10–15 сантиметров, что делает движение со скоростью 500 км/ч абсолютно безопасным и стабильным.

Именно разработка технологически более сложной, но более перспективной электродинамической подвески (EDS) была поручена украинским научным институтам — в рамках общесоюзной программы, которую координировал Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт электровозостроения (ВЭлНИИ) в Киеве.

Как украинские институты разрабатывали технологии для маглева

Создание электродинамического маглева потребовало огромных усилий в смежных областях физики. Чтобы магнит на борту вагона создавал поле необходимой мощности без использования тяжелых железных сердечников, его обмотки должны были перейти в состояние сверхпроводимости, то есть полностью утратить электрическое сопротивление. Добиться этого в 1970-х годах можно было лишь охладив проводники до температуры, близкой к абсолютному нулю, с помощью жидкого гелия (около -269 °C). К работе были привлечены ведущие научные центры УССР, между которыми были четко распределены полномочия:

Харьковский физико-технический институт низких температур (ФТИНТ): Здесь разрабатывали бортовые криостаты — — специальные высокотехнологичные «термосы», которые должны были содержать жидкий гелий внутри вагона, мчащегося со скоростью полутысячи километров в час, изолирующий систему от вибраций и внешнего тепла.

Image: Energy.gov

Киевский политехнический институт (КПИ): Ученые обладали большим опытом проектирования линейных электродвигателей еще с середины 1960-х годов. В 1966 году здесь построили первый опытный вагончик на несколько пассажиров, оснащенный двумя двигателями мощностью по 5 кВт каждый, а уже в 1967 году на территории ВДНХ УССР построили кольцевую монорельсовую эстакаду длиной 525 метров.

На базе этой команды энтузиастов в Киеве создали специализированное Отдельное конструкторское бюро линейных электродвигателей (ОКБ ЛЭД), которое продолжало профильные разработки вплоть до распада СССР. В частности, в 1980 году оно изготовило для ВЭлНИИ односторонние линейные асинхронные двигатели мощностью 800 кВт, рассчитанные на номинальную скорость 400 км/ч, которые на тот момент не имели аналогов в мире.

Институт кибернетики имени В. М. Глушкова (Киев): Безопасное управление многотонным поездом на скорости 500 км/ч не могло осуществляться человеком-машинистом, ведь реакция человека слишком медленная. Киевские кибернетики разрабатывали автоматизированные системы управления (АСУ), которые должны были в режиме реального времени контролировать разгон, торможение, интервалы между поездами и параметры криогенной левитации.

«Трансмаг»: как в Днепре создавали украинский маглев

Истоки украинского направления уходят в конец 1960-х годов, когда под руководством академика АН УССР В. А. Лазаряна в Днепропетровском отделении Института механики АН УССР начались научно-исследовательские работы по созданию транспортных средств на магнитных и воздушных подвесках; впоследствии это учреждение было реорганизовано в Институт технической механики АН УССР.

В начале 1980-х годов в институте была создана отдельная лаборатория по исследованию сверхпроводящих электромагнитных систем, которую возглавил тогда ещё молодой учёный Виктор Дзензерский. Поскольку объём работ увеличивался, 1 февраля 1989 года при Институте В Институте геотехнической механики АН УССР в Днепропетровске было создано Отделение физико-технических проблем транспорта на сверхпроводящих магнитах «Трансмаг» во главе с Дзензерским.

Именно в Днепропетровске создавалась стендовая база для тестирования полномасштабных узлов будущего маглева. Ключевая роль днепровской группы в общесоюзной программе, по оценке отраслевых историков, заключалась в — разработке криостата и сверхпроводящего электромагнита именно для электродинамической подвески.

Какие технологии украинского маглева удалось разработать

Поскольку построить испытательную эстакаду длиной в десятки километров исключительно для лабораторных исследований было невозможно (да и слишком дорого), украинские инженеры создали уникальный динамический стенд — большое колесо с алюминиевым ободом, которое раскручивалось мощными двигателями.

К этому ободу на специальном подвесе подносили разработанный криогенный магнитный модуль. Колесо имитировало движение рельсов под вагоном на скорости свыше 300 км/ч. Датчики фиксировали силу подъемной тяги, стабильность левитационного зазора, поведение жидкого гелия в криостатах во время ускорений и устойчивость материалов к нагрузкам.

Параллельно институты УССР работали над созданием специальных композитных материалов для корпуса вагонов, ведь они должны были быть максимально легкими (как фюзеляж самолета), но при этом выдерживать огромные аэродинамические нагрузки, особенно при разминовании двух поездов, идущих навстречу друг другу (когда суммарная скорость сближения достигала бы 1000 км/ч).

Почему украинский маглев так и не запустили

Планы по внедрению маглева были грандиозными. Первой экспериментальной пассажирской линией в СССР должна была стать не трасса до самого озера Севан, а маршрут, соединяющий Ереван с городом Абовян. Проект предусматривал создание к 1990 году первой очереди экспериментально-эксплуатационной маглев-система протяженностью 3,2 км, в координации которой принимали участие более 40 организаций и предприятий, а также более 10 министерств и ведомств. Первоначальная расчетная скорость составляла 250 км/ч, однако позже ее снизили до 180 км/ч — из-за недостаточной мощности тяговой электроподстанции, которая должна была питать линию.

Однако в конце 1980-х годов развитие проекта столкнулось с непреодолимыми препятствиями, не имевшими отношения к технике. Во-первых, строительство инфраструктуры для маглева (специальных эстакад на бетонных опорах с точной прокладкой алюминиевых шин и обмоток линейного двигателя) оказалось астрономически дорогостоящим.

Во-вторых, авария на Чернобыльской АЭС в 1986 году, а затем разрушительное Спитакское землетрясение 7 декабря 1988 года в Армении (где как раз должна была строиться первая трасса) вынудили руководство страны экстренно перенаправить колоссальные финансовые, материальные и научные ресурсы на ликвидацию последствий. Финансирование программы высокоскоростного наземного транспорта сначала было резко сокращено, а затем заморожено, а начатое строительство эстакады законсервировано.

Как украинские разработки повлияли на современные маглевы

Работа над маглевом в УССР не завершилась созданием готового коммерческого поезда — такая судьба постигла многие прорывные технологии той эпохи. Однако в чисто инженерном смысле это был бесспорный успех. Украинские учёные доказали фундаментальную возможность создания тяжёлого транспорта на электродинамической подушке с криогенным охлаждением.

Технологии линейных двигателей, автоматизированных систем управления и работы со сверхпроводниками на больших скоростях, разработанные в лабораториях Днепропетровска, Харькова и Киева, легли в основу многих смежных отраслей. Для сравнения: японский прототип на сверхпроводящих магнитах ML-500 уже в 1977–1979 годах достиг рекордной на то время скорости 517 км/ч.

Именно по той же физической схемой электродинамической левитации, прототипы которой отечественные инженеры испытывали на вращающихся стендах более пятидесяти лет назад. Современные японские маглевы серии L0 сегодня развивают скорость свыше 600 км/ч, концептуально продолжая ту же линию развития.