Hyperloop Alpha: technické aspekty

0

V tomto článku si bližšie rozoberieme technické aspekty podsystémov Hyperloop. Zameriam sa hlavne na koncept Hyperloop Alpha od Elona Muska, pretože bližšie technické špecifikácie od spoločností Hyperloop Transportation Technologies a Hyperloop Technologies zatiaľ nie sú známe. Situáciu okolo projektov týchto spoločností samozrejme podrobne sledujem a akonáhle budú známe nové informácie, uverejním ich v samostatnom článku.

hyperloop transportation technologies maglev pasívna magnetická levitácia Richard F. Post

Ako už vieme, Hyperloop Alpha je koncept vysoko-rýchlostného prepravného systému, pričom jeho maximálna rýchlosť sa má pohybovať na úrovni Mach 1, t.j. 1225 km/h. Všeobecne pri vysokých rýchlostiach platí, že najviac výkonu pohonnej jednotky pohybujúceho sa telesa, sa spotrebuje na prekonanie odporu vzduchu. Aerodynamický odpor sa zvyšuje druhou mocninou rýchlosti a z toho vyplývajúce požiadavky na energiu (výkon) sa zvyšujú treťou mocninou rýchlosti. Príklad: pri 2-násobnej rýchlosti stúpne aerodynamický odpor vzduchu 4-násobne a požiadavky na výkon 8-násobne. Problémy s odporom vzduchu sa však v podmienkach transportného potrubia Hyperloop ešte prehlbujú.

Pri úzkom priemere potrubia vzhľadom na veľkosť kapsuly, sa pred kapsulou s narastajúcou dráhou kumuluje a stláča zvyškový vzduch, čo by časom spôsobovalo obrovské trenie medzi vzduchom a stenami potrubia. Za týchto podmienok by sa pri rýchlosti od 800 km/h prekročil tzv. Kantrowitz limit a tým pádom by sa dramaticky zvýšil odpor vzduchu. Riešením je minimalizovanie tlaku vzduchu vo vnútri transportného potrubia.

Obtekanie vzduchu okolo kapsuly hyperloop v potrubí pri nízkom tlaku vákuum

Obtekanie vzduchu okolo kapsuly. Zdroj: spacex.com

Okrem toho, pri vysokých rýchlostiach vznikajú ďalšie problémy, a to veľké straty kinetickej energie a dynamická nestabilita pri požití štandardného systému koleso – hriadeľ. Ako vhodná náhrada sa javí použitie Maglev, teda princípu magnetickej levitácie, ktorú dnes využívajú niektoré vysoko-rýchlostné železničné systémy v Číne a Japonsku. Avšak budovanie Maglev tratí je extrémne nákladné. Preto Elon Musk vymyslel pre Hyperloop alternatívne riešenie – systém vzduchových ložísk (air bearings).

Pri preprave vo vysokých rýchlostiach sa objavuje ešte jedna ťažkosť. A to preťaženie pôsobiace na cestujúcich. Z tohto dôvodu je veľmi dôležitý pohonný systém, ktorý by dokázal kapsulu urýchľovať a spomaľovať bez toho, aby sa to odrazilo na cestovateľskom komforte. Preto Musk zvolil ako pohonnú jednotku lineárny elektromotor.

 

MINIMALIZÁCIA TLAKU V POTRUBNOM SYSTÉME HYPERLOOP ALPHA

Ideálnym riešením problémov vyplývajúcich z pôsobenia atmosférického tlaku na kapsulu pri jej pohybe v úzkom potrubí, by bolo absolútne odčerpanie vzduchu z potrubného systému, t.j. dosiahnutie vákua. Musk si však spočítal, že zabezpečenie vákua, by bolo technologicky veľmi náročné a tým pádom aj drahé. Preto navrhol systém, ktorý by mal znížiť tlak v potrubí na tisícinu pôvodnej hodnoty. Čiže na 100 Pa, čo je ekvivalent atmosférického tlaku vo výške 45 km nad morom.

vákuová pumpa hyperloop ooerlikon leybold vacuum

vákuová pumpa Oerlikon. Zdroj: hyperloop.global

Skôr než si tento systém popíšeme je nutné uviesť, že spoločnosť Hyperloop Transportation Technologies (HTT), ktorá zamýšľa výstavbu Hyperloop aj na Slovensku, plánuje použiť iný systém na zabezpečenie nízkeho tlaku vzduchu. A to systém samostatných vákuových púmp, ktoré majú byť rozmiestnené v rámci trate každého 1,6 km. Tieto pumpy pre nich vyvinula technologická špička z oboru vákuových systémov, nemecká spoločnosť s viac ako 165 ročnou históriou, Oerlikon Leybold Vacuum.

Technické detaily zatiaľ nie sú známe, preto si popíšeme Muskové riešenie z konceptu Hyperloop Alpha, ktoré je dostupné ako open source. Je možné, že práve toto riešenie budú využívať konkurenti HTT, ako napríklad Hyperloop Technologies. Ešte sa na chvíľu pristavím pri spoločnosti Hyperloop Technologies, ktorá rovnako ako HTT buduje vlastný systém Hyperloop. Táto spoločnosť je v porovnaní s HTT pri zverejňovaní detailov o svojom projekte oveľa zdržanlivejšia, dá sa povedať, že jej činnosť prebieha viac menej v utajení. Keď však porovnáme koncepciu oboch spoločností, je to pochopiteľné. HTT funguje na crowdfunding platforme, takže sa zverejňovaním detailov o svojom projekte snaží pritiahnuť nových investorov, inžinierske a vývojárske tímy ako aj jednotlivcov. Naproti tomu Hyperloop Technologies je v podstate v rukách miliardára Shervina Pishevara, ktorý sa určite nemieni deliť so ziskom ani technologickými riešeniami svojho tímu.

hyperloop One test skúšobná jazda nevadská púšť Las Vegas

Muskov systém pre zabezpečenie nízkeho tlaku

Princíp kompresného systému Hyperloop Alpha

Princíp kompresného systému Hyperloop Alpha. Zdroj: spacex.com

V prednej časti kapsuly bude inštalovaný vzduchový kompresor, ktorý bude posielať vzduch na obtokové trysky do zadnej časti. To zamedzí obtekaniu vzduchu okolo kapsuly a umožní sa priblížiť rýchlosti zvuku.

Tento kompresor bude stláčať približne 500 g vzduchu za sekundu na 20-krát vyšší tlak, ako bol na vstupe, pričom teplota plynu stúpne o 585ºC. To bude vyžadovať vzduchový kompresor poháňaný 325 kW elektromotorom.

schéma kompresného systému hyperloop alpha pre zníženie tlaku vzduchu v potrubí

Schéma Muskovho systému pre zabezpečenie nízkeho tlaku. Zdroj: spacex.com

Nasatý vzduch s hmotnostným tokom 300 g/s bude smerovaný do trysky v zadnej časti kapsuly, ktorá navýši hnací ťah o 150 až 200 N. To je zhruba polovičný ťah nutný k udržaniu rýchlosti kapsuly na úrovni 1125 km/h. Zvyšný hmotnostný tok vzduchu (200 g/s) sa ochladí na asi 20 ºC, a to premenou vody na paru a premenou horúcej vody v medzichladiči. Potom, čo sa ochladí, vstúpi vzduch do druhého kompresora, ktorý zvýši tlak vzduchu na 11 kPa, resp. 7 N/ m² (1.6 psi). Tento dvojnásobne stlačený vzduch je následne smerovaný cez druhý medzichladič, ktorý zníži teplotu vzduchu na asi 125°C a svoju „púť“ skončí v systéme vzduchových ložísk.

Tento návrh naznačuje, že bude potrebné cca 140 g/s chladiacej kvapaliny pre zásobovanie medzichladiča. Ide o typický prietok vody závodných medzichladičov, montovaných medzi turbodúchadlo a motor, pre chladenie plniaceho vzduchu, čím sa zvyšuje maximálny výkon motora. Pre jednosmerné cesty z jedného konca na druhý musí byť k dispozícii pre chladenie asi 400 kg vody. Takýto objem vody sa zmestí do nádrže tvaru kocky s dĺžkou stien 0,75 m. Nádrže na uskladnenie horúcej vody a pary, by mali byť len o málo väčšie, čo nie je vzhľadom na veľkosť kapsuly problém. Batérie na napájanie systémových zariadení, rovnako ako spomínané nádrže, sú navrhnuté ako moduly, takže budú k dispozícií pred každou novou jazdou.

V súčte by mali tieto technické riešenia znížiť prevádzkový tlak vzduchu v potrubí na asi jednu tisícinu atmosférického tlaku, čo je cca 100 Pa (0,015 psi). Dôsledkom toho by malo na pohyb kapsule rýchlosťou 940 km/h postačovať len 100 kW hnacej sily.

 

POHONNÁ JEDNOTKA – LINEÁRNY ELEKTROMOTOR

pohon kapsúl Hyperloop sa bude starať množina lineárnych elektromotorov, ktoré budú podľa okolností kapsuly urýchľovať či spomaľovať. Najdôležitejším faktorom riadenia rýchlosti bude eliminácia nepriaznivého priečneho zrýchlenia. To vzniká pri príliš veľkom polomere otáčania vo veľkej rýchlosti. Pre predstavu, keď vchádzate automobilom do zákruty v príliš veľkej rýchlosti, vplyv tzv. dostredivého zrýchlenia Vás zatlačí do bočného vedenia sedačky, pretože telo chce cestovať v predtým nastolenej línii. A práve takéto pohadzovanie zo strany na stranu je vzhľadom ku komfortu cestovania nežiaduce. Hranica pre priečne zrýchlenie bola stanovená na 0,5 g. Táto hodnota nesmie byť pri cestovaní Hyperloop prekročená, aby nedošlo k neželanému preťaženiu a diskomfortu cestujúcich.

závisloť priečneho zrýchlenia od polomeru otáčania hyperloop alpha graf

Vplyv polomeru otáčania a rýchlosti na priečne zrýchlenie kapsuly. Zdroj: spacex.com

Princíp fungovania lineárneho elektromotora

Motor sa skladá z dvoch základných častí, rotora a statora. Rotor je v podstate niečo ako 15 m dlhá, 45 cm vysoká a 5 cm hrubá hliníková žiletka, umiestnená na spodnej strane kapsuly. Stator tvoria dve elektromagnetické cievky, ktoré vytvárajú magnetické pole. Umiestňujú sa na spodnú časť potrubia, na miestach, kde je nutné kapsulu buď urýchliť, alebo naopak spomaliť. Samotný princíp činnosti tohto motora spočíva v tom, že keď sa hliníkový rotor kapsuly dostane medzi dva magnetické elementy statora, začne konať pôsobením magnetického poľa lineárny pohyb. Musk odhaduje, že pre udržanie „rozbehnutej“ kapsuly v rýchlosti 1225 km/h, bude nutné rozmiestniť na trati statory každých 110 km. Tie by fungovali ako „reboost“ urýchľovače.

Zdroj: spacex.com

Pri spomaľovaní kapsuly je možné jej kinetickú energiu premeniť na energiu elektrickú a uskladniť pre neskoršie využitie. Napríklad na rozbehnutie kapsuly. V tomto prípade hovoríme o regeneratívnom brzdení, ktoré je známe v automobilovom priemysle ako systém rekuperácie. Efektivita tohto systému je na úrovni 85 %, takže veľkú časť energie, ktorú spotrebuje elektromotor, dokáže tento systém vyrobiť sám.

 

VZDUCHOVÉ LOŽISKÁ HYPERLOOP ALPHA

Systém vzduchových ložísk tvorí matica 28 „lyží“. Tie sú ukotvené na spodnej strane kapsuly tak, aby geometricky kopírovali tvar steny potrubia. Každá jedna lyža je 1,5 m dlhá a 0,9 m široká. Na to, aby vzduchové ložiská udržali kapsulu v levitácii 0,5 až 1,3 mm nad povrchom potrubia, postačuje tlak vzduchu 9,4 kPa. Pre porovnanie bežný atmosférický tlak pri hladine mora je cca 101 kPa.

Dosiahnutie požadovaného tlaku závisí od dvoch mechanizmov. Prvým je aerodynamická metóda generovania tlaku, ktorá sa dosahuje miernym zvýšením prednej časti lyží o 0,05 stupňa. Dôsledkom toho, pri stredných vysokých rýchlostiach, prúdi pod lyže dostatočné množstvo vzduchu na to, aby došlo k vztlaku a kapsulu mierne nadvihlo. To by však bolo na udržanie kapsule vo vzduchu málo. Preto je nutné dodať lyžiam externý vztlakový „film“. Ako som už uviedol v časti článku vyššie, kompresorom nasatý vzduch z pred kapsule s hmotnostným tokom vzduchu 200 g/s, prejde dvoma kompresormi a dvoma medzichladičmi a nakoniec sa privedie cez sieť drážok na spodnú plochu ložiska. Tento systém dokáže podľa potreby zabezpečiť vztlak až 11 kPa a je používaný hlavne pri nižších rýchlostiach.

Vzduchové ložisko Hyperloop Alpha vzduchový vankúš ložiská

Vzduchové ložisko Hyperloop Alpha. Zdroj: spacex.com

Interakciou vzduchového ložiska so stenou rúrky dochádza k miernemu viskóznemu treniu. Odhaduje sa, že toto trenie je pri rýchlosti 1225 km/h na úrovni 14 kg, čo je ekvivalent sily 140 Newtonov. To je asi polovica z celkového odporu, ktorý pôsobí na kapsulu v tejto rýchlosti.

V článku sme si rozobrali nosné časti podsystémov konceptu Hyperloop Alpha. Zdrojom bola kompletná dokumentácia Elona Muska, ktorá je voľne dostupná na stránke jeho spoločnosti SpaceX. Takže ak Vás zaujímajú kompletné detaily konceptu, stačí kliknúť na nasledujúci odkaz.

Zdroj: spacex.com

Zdieľanie na soc. sieťach:

O Autorovi

Vyštudovaný Mediamatik na Žilinskej univerzite a zakladateľ jedinečného slovenského portálu o Hyperloop. Zaujímam sa o informácie z oblasti elektromobility, IKT, vedy, histórie a technologických inovácií. Okrem sýtenia svojích informačných a znalostných potrieb, športujem, spievam v rockovej kapele a rád chodím do prírody:-) Som aj šéfredaktorom internetového magazínu TESLAMAGAZIN.SK. Kontaktovať ma môžete na adrese "juraj(zav.)hyperloop-info.sk"| Google+ |

Pridajte komentár

Share This

 Podporujem Hyperloop na Slovensku! Preto dávam LIKE

 

Upozornite ma na nový článok

 

Odoslané!