Как работает поезд на магнитной подушке

Поезд на магнитной подушке не касается пути. Магнитное поле поднимает его на зазор от сантиметра до десяти, а вперёд толкает линейный электродвигатель - обычный двигатель, у которого статор развёрнут в прямую линию и уложен вдоль трассы. Колёс, осей, подшипников и контактного провода в такой конструкции нет вовсе, а вместе с ними исчезают трение качения и предел сцепления, ограничивающий обычный рельсовый транспорт. Остаётся сопротивление воздуха, и именно оно, а не механика, определяет расход энергии на скорости выше трёхсот километров в час.

Что даёт отрыв от рельса

У обычного поезда есть неприятный потолок. Ускорять и тормозить его можно только за счёт трения колеса о рельс, а коэффициент сцепления стали по стали невелик и падает от влаги, листьев и наледи. Кроме того, на больших скоростях колёсная пара начинает вилять в колее, а неровности рельсов бьют по подвеске и по пути. Оба ограничения снимаются, если поезд не касается ничего.

Взамен появляется другая физика. Аэродинамическое сопротивление растёт как квадрат скорости, а мощность на его преодоление - как куб. Поэтому вся конструкция магнитных поездов подчинена обтекаемости: вытянутый нос длиной в несколько вагонных длин, гладкие борта, отсутствие выступающих деталей. Отсюда же и разговоры о трубах с пониженным давлением: убрав трение о рельс, инженеры упёрлись в воздух.

Есть и приятный побочный эффект. Магнитная подвеска не передаёт на кузов ударов от стыков и неровностей, поэтому в салоне тихо и ровно, а сам путь не разбивается ударами колёс и требует меньше обслуживания.

Подвеска притяжением

Первая из двух работающих школ называется электромагнитной подвеской. Поезд охватывает путевую балку снизу, как рука охватывает перила, и на его подхватывающих кронштейнах установлены обычные электромагниты. Они притягиваются к стальным элементам, уложенным снизу балки, и вытягивают состав вверх. Рабочий зазор в такой схеме составляет около десяти миллиметров.

Тут же возникает главная сложность. Притяжение магнита растёт по мере сближения: чуть подошёл ближе - тянет сильнее и подходит ещё ближе, чуть отдалился - тянет слабее и падает. Это неустойчивое равновесие, и удержать его постоянным полем невозможно в принципе. Ещё в девятнадцатом веке было доказано, что устойчиво подвесить тело в статическом магнитном поле нельзя, обязательно найдётся направление, по которому равновесие развалится.

Выход один: измерять зазор и непрерывно подстраивать ток в каждом магните. Датчики следят за расстоянием до балки, электроника пересчитывает ток тысячи раз в секунду, и вся эта система работает независимо по каждому из десятков магнитов вдоль состава. Как только питание пропадёт, поезд сядет на опорные полозья. Расплата за сложность - зато такой поезд висит уже на месте, ещё до начала движения.

Подвеска отталкиванием

Вторая школа - электродинамическая подвеска. На борту стоят очень сильные магниты, обычно сверхпроводящие катушки, охлаждаемые до криогенных температур, а в стенках путевого корыта уложены короткозамкнутые катушки, никак не запитанные.

Пока поезд стоит, ничего не происходит. Стоит ему поехать, движущееся магнитное поле начинает пронизывать путевые катушки с изменяющейся величиной, а всякое изменение магнитного потока наводит в замкнутом витке ток. Направление этого тока таково, что его собственное поле противодействует изменению - то есть отталкивает пришедший магнит. Чем быстрее движение, тем сильнее наведённые токи и тем больше подъёмная сила.

Такая подвеска устойчива сама по себе: опустился ниже - отталкивание выросло, поднялся выше - ослабло. Никакого регулирования не нужно, а зазор получается около десяти сантиметров, что делает систему нечувствительной к неточностям пути и подвижкам грунта. Обратная сторона очевидна: на малой скорости подъёмной силы нет вообще. Поезд разгоняется на обычных убирающихся колёсах и переходит в полёт, набрав порядка полутора сотен километров в час, а перед остановкой снова выпускает шасси.

Линейный двигатель вместо колёс

Поднять поезд мало, его надо ещё и разогнать. Здесь работает электродвигатель, у которого ротор и статор разрезаны и развёрнуты в плоскость. В обычном двигателе бегущее по обмоткам статора магнитное поле заставляет ротор крутиться следом. Если статор растянуть в линию вдоль пути, поле будет бежать по прямой, а увлекаемая им часть поедет вдоль трассы. Именно она и есть поезд.

В скоростных системах длинный статор укладывают в путь, а не на состав. Это дорого в строительстве, зато на борту не нужно ни тягового оборудования, ни токосъёма: поезду не от чего питаться, кроме собственных бортовых нужд, и никакой контактный провод на пятистах километрах в час не пришлось бы изобретать. Питание подаётся секциями: под током находится только тот участок пути, где сейчас идёт состав, а по мере продвижения подстанции передают его дальше по эстафете. Заодно решается вопрос безопасности - два поезда физически не могут оказаться на одном запитанном участке, потому что скорость поля задаёт скорость поезда.

Торможение выполняет тот же двигатель: достаточно заставить поле бежать медленнее состава, и он начнёт отдавать энергию обратно в сеть. Механические тормоза остаются как аварийный резерв.

Как поезд держится в колее

Отдельная задача - не дать составу уйти вбок. В схеме с притяжением поезд обнимает балку, и боковое удержание обеспечивают дополнительные направляющие магниты на боковых поверхностях, работающие по той же логике непрерывного регулирования.

В схеме с отталкиванием применяют изящное решение: боковые катушки в стенках соединяют перекрёстно, восьмёркой. Когда бортовой магнит идёт ровно посередине, потоки в двух половинах восьмёрки компенсируют друг друга и тока нет. Стоит поезду сместиться вбок, баланс нарушается, появляется ток, и наведённое поле выталкивает состав обратно в центр. Система срабатывает сама, тем сильнее, чем больше отклонение.

Что реально ездит

Идея не нова: патент на подвешивание поезда магнитным полем немецкий инженер Герман Кемпер получил ещё в 1934 году. От патента до эксплуатации прошло почти семьдесят лет.

Первая и самая известная коммерческая линия работает в Шанхае: она связывает аэропорт с городом, её длина около тридцати километров, максимальная скорость в расписании 431 км/ч, время в пути порядка семи-восьми минут. Построена она по схеме с притяжением, на немецкой технологии.

Японцы развивали вторую школу, со сверхпроводящими магнитами, и на своём испытательном полигоне в префектуре Яманаси поставили абсолютный рекорд для рельсового и магнитного транспорта с людьми на борту - 603 км/ч в 2015 году. Для сравнения, рекорд обычного колёсного поезда на рельсах составляет 574,8 км/ч и установлен во Франции в 2007 году. На этой технологии строится линия между Токио и Нагоей с расчётной скоростью 505 км/ч.

Кроме рекордов есть скромный, но работающий класс городских линий на скорости около ста километров в час: короткие маршруты в Японии, Корее и Китае, где магнитная подвеска ценится не за скорость, а за бесшумность и способность брать крутые уклоны и малые радиусы поворота.

Почему их так мало

Причина не в физике, а в экономике и совместимости. Магнитный поезд не может выехать на обычные рельсы даже на километр, а значит, требует полностью новой трассы от первой станции до последней, с эстакадами, стрелками особой конструкции и уложенным по всей длине статором. Строительство такого пути дороже обычной высокоскоростной линии, а сеть невозможно наращивать постепенно.

Тем временем колёсный высокоскоростной поезд подобрался вплотную: в регулярной эксплуатации он ходит на 300-350 км/ч, использует существующие вокзалы и стыкуется с остальной железной дорогой. Выигрыш магнитной подвески в скорости оказывается недостаточным, чтобы окупить строительство отдельной сети с нуля, если только речь не идёт о линии, где выигранный час меняет всю логику поездки. Поэтому магнитные поезда пока остаются либо витриной технологии, либо решением для отдельных, очень нагруженных направлений.