Полёт навигатора
Для тех, кто уже может причислить себя к таким же олдфагам, как и я, сообщаю: 21 октября 2015 года всё ближе к нам.
После этой даты, в общем-то, можно уже смело говорить: «Марти, прости нас, мы всё просрали» или же думать, что сейчас и в самом деле «не тот год».
Человек, которого бы перенесли из 1985-го года в 2015-й, и в самом деле, увидил бы до обидного немного изменений в системе личного или общественного транспорта.
И вопрос тут, понятное дело, не в последней модели Тольяттинского автомобильного завода, который до сих пор доделывает концепции образца 1986 года или в разрушенном АЗЛК.
В проблему совершенствования транспортных концепций упёрлись практически все его виды: реактивные самолёты и скоростные поезда, автомобили и морские суда.
А кое где, например, в области сверхзвуковой пассажирской авиации, человечество потеряло даже то, что оно имело в 1960-х-1990х годах, окончательно закрыв проекты сверхзвуковых самолётов «Конкорд» и Ту-144, так и оставшихся «белыми слонами» ХХ века.
Однако, надежда на летающие (а значит - быстрые) паровозы всё равно не оставляет человечество. И помочь понять то, где именно (но, к сожалению, не когда, Карл Марти!) произойдёт следующий прорыв в технологии танспорта, может нам помочь старая добрая математика и предлагаемая ею визуализация.
Говорят, что физика от математика можно отличить по ответу на вопрос: «Каков антоним понятию "параллельно"»? Говорят, физик отвечает «последовательно», математик - «перпендикулярно» и только географы и хитрые задницы отвечают «меридионально».
Но, вот уже целых три века, со времён Ньютона, физика и математика идут рука об руку и математика часто предлагает физике и технике смотреть туда, куда подсказывают смотреть её формулы.
И, внезапно, долгие поиски физиков, конструкторов и инженеров оказывается легко свести к единому знаменателю какой-то математической формулы.
Для вопроса совершенствования транспорта таким наглядным вариантом простого представления очень разных вещей стала так называемая диаграмма Кармана-Габриэли. Вот она:
Один из авторов диаграммы, Теодор фон Карман, был выдающимся физиком и инженером, одним из отцов современной реактивной авиации и космонавтики.
Недаром воображаемая граница космоса, пролегающая на высоте в 100 километров над уровнем моря, носит название «линии Кармана».
Столь же виртуальна, но и интересна и диаграмма Кармана-Габриэли.
Ось абсцисс этой диаграммы достаточно проста - на ней в логарифмической шкале отложены возможные скорости того или иного транспортного средства.
А вот ось ординат диаграммы сложнее в понимании.
На ней в диаграмме Кармана-Габриэли в том же логарифмическом масштабе отложено отношение мощности двигательной установки транспортного средства, к его весу в килограммах, помноженному на его максимальную скорость в метрах в секунду.
Поскольку отношение силы двигателей к весу, даёт значение удельной силы тяги (кстати, эквивалентной удельной силе сопротивления на максимальной скорости), то итоговая размерность оси ординат получается безразмерной, просто показывая, насколько энерговооружённым оказывается то или иное транспортное средство - и задавая отношение силы тяги к массе транспортного средства.
Если удельная сила тяги большая - то этот вид транспортного средства попадёт вверх оси ординат, если же удельная сила тяги маленькая - то его график будет жаться к оси абсцисс.
Однако, смысл диаграммы Кармана-Габриэли в ином: если на этой диаграмме провести наклонённые на 45° линии, то они покажут нам некий общий для всех транспортных средств параметр.
Уравнение такой прямой, если кто помнит школьный курс, у = x+a и Карман в своей работе с Габриэли назвал этот параметр «эффективностью транспортного средства».
Ведь, и в самом деле, надо как-то сравнить несравнимое: корабль-сухогруз или танкер, везущий десятки тысяч тонн грузов через половину земного шара, может быть очень медлительным, имея скорость в 20-40 км/час. Однако его удельная сила тяги вполне будет соответствовать его низкой скорости, даже в сравнении со сверхзвуковым самолётом, несущимся со скоростью намного больше 1000 км/час, но при этом неизбежно имеющим гораздо более высокие значения удельной силы тяги, нежели торговое судно.
При этом, в результате исследований Кармана-Габриэли оказалось, что большинство видов транспортных средств имеют практически одинаковое значение эффективности: и торговые суда, и пассажирские поезда, и коммерческие пассажирские самолёты упирались в однц и ту же наклонную линию, которую на диаграмме ожидаемо назвали «линией эффективности», «линией технологического совершенства» или же линией Кармана-Габриэли.
Для нашего последующего рассказа важно, куда нас ведёт математика и каков физический смысл линии технологического совершенства.
Не важно летать (плавать, катиться на колёсах) быстро. Или медленно. В логике диаграммы Кармана-Габриэли важно делать это с минимально возможными затратами энергии и, как следствие, удельной силы тяги. В этом отношении, понятное дело, мы с вами (указанные на диаграмме в качестве pedestrian):
Отсюда уже можно видеть, насколько обманчивы наши представления о том или ином транспортном средстве. Например, современный легковой автомобиль (automobile) по транспортной эффективности значительно уступает скаковой лошади (racehorse), затрачивая на своё пусть и быстрое, но достаточно прожорливое движение по дороге значительно больше конских сил, нежели затрачивает скаковая лошадь со всадником на спине. Именно этим определялось столь долгое использование лошадей для массы транспортных задач - возможно, не нуждайся лошади в гораздо более дефицитном и трудном в изготовлении овсе и имея возможность «работать на дизтопливе», они бы ещё долго сохраняли свои лидирующие позиции в деле перевозки грузов и людей, позволив нам в гораздо большей степени насладиться пиком навоза.
Позволяет диаграмма Кармана-Габриэли и понять, куда можно направить усилия конструкторов и инженеров по совершенствованию будущих транспортных средств. Если вы присмотритесь к диаграмме, то увидите, что возле линии технологического совершенства есть зияющий провал в промежутке между 40 и 100 метрами в секунду (144-360 км/час):
В этой «серой зоне» весьма востребованных скоростей у человечества нет толковых технических концептов, которые бы позволили перемещать людей и грузы с достаточной транспортной эффективностью.
Классические поезда пока что не ездят массово с такой скоростью, а достаточно экономичные современные пассажирские и транспортные самолёты - не могут пока что летать в этой зоне: для них это «слишком медленно». Ну а обычный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания и резиновыми покрышками, несущийся по самому современному автобану, пока что оказывается безумно прожорливым на таких скоростях, вполне соответствуя и лошади, и велосипеду.
Если же прибавить к сказанному проблемы пробок, светофоров и парковок современного города, то неудивительно, что жители мегаполисов, которые бы хотели, возможно, использовать что-то со скоростью в 200-250 км/час, вынужденно пересаживаются на велосипеды. А то и на ещё более неэффективные мотоциклы.
Просто, чтобы не мучаться с неэффективным транспортным средством в пробках или в поиске парковочного места. Ведь оказывается, что на плече в 20 и даже 40 километров расстояния у легкового автомобиля нет никаких преимуществ. О чём я уже когда-то писал, анализируя попытку «налить новое вино в старые меха» на примере электроавтомобиля компании «Тесла».
Да, использование электродвигателя позволяет значительно поднять КПД двигателя автомобиля (с 25-30% для ДВС и до 70-80% для тягового электродвигателя). Однако, весовое преимущество электродвигателя нивелируется весом аккумуляторной батареи и, скорее всего, электромобили типа «Теслы» будут или супердорогими, быстрыми и экономичными - или же изменятся в сторону удешевления конструкции, чтобы стать массовой заменой потребляющих углеводороды ДВС, но при этом резко потеряют в совей гламурности, крутости и прочих потребительских качествах. В кончном счёте, в электровелосипед и в электрическую «малолитражку», как замену обычным авто, я верил сразу и без сомнений.
Однако, нельзя сказать, что в указанной «серой зоне» ничего не происходит.
Во-первых, масса групп энтузиастов стараются приспособить к данному скоростному диапазону идею небольшого, экономичного и высокоподъёмного самолёта (по факту-биплана).
Биплан (самолёт с двойным крылом) имеет вдвое большую подъёмную силу, нежели моноплан и вполне может быть гораздо улучшен от самых продвинутых образцов середины ХХ века, для того, чтобы получить совсем другой самолёт:
Click to view
Весь сюжет создания легкого самолёта Synergy можно посмотреть по вот этой ссылке, скажу, что если задумка получится, то перед Марти с его «летающими досками в 2015 году» точно не будет стыдно, а некоторые смелые мечты вполне могут обрести плоть и кровь в виде металла и пластика Synergy. Ну а закларированная цена в 65 000 долларов никак не сравнится даже с ценой «Цессны Caravan», не говоря уже об «Аугуста Вестланд AW609».
В общем, как я и писал, «самолётики, на взлёт!». И на штурм линии Кармана-Габриэли
Во-вторых, не сказали своего последнего слова и поезда. Здесь за будущее транспорта соперничают две концепции: классический рельсовый транспорт и поезда на магнитной подушке.
Преимуществ у электрифицированного рельсового транспорта перед автомобилями сразу два: это меньшее трение качения по рельсам по сравнению с парой резина-асфальт и лучшая двигательная установка, опять-таки основанная на использовании электродвигателя.
В настоящий момент времени ещё неясно, какая из концепций железнодорожного транспорта победит, но надо сказать, что и рельсовая система, и маглев уже вовсю осваивают «серую зону», добравшись до диапазона скоростей в 550-600 км/час.
Такие скорости железнодорожного транспорта вполне позволяют ему на равных соперничать с реактивными самолётами и выигрывать противостояние с ними: так, начиная с 1964 года только одна крупнейшая японская транспортная линия «Токайдо-синкансэн» системы скоростного железнодорожного транспорта перевезла более 5 млрд. пассажиров, общее же число перевезенных «Синкасэном» пассажиров перевалило через 10 млрд. человек.
TGV, 2007 год, 574 км/час:
Shinkansen, 2015 год, 603 км/час:
В забеге на длинную дистанцию в «серой зоне», скорее всего, победит всё-таки маглев, так как поезда на магнитой подушке используют энергию для целей своего движения втрое эффективнее, чем автомобили и в пять раз эффективнее, чем пассажирские самолёты. Кроме того, маглев обеспечивает снижение эксплуатационных затрат в связи со значительным уменьшением трения деталей.
Однако, надо сказать, что у маглева присутствуют колоссальные затраты энергии на поддержание магнитной левитации - за счёт этого КПД данного вида поезда лишь немного выше, чем КПД современных поездов.
Кроме того, в «серую зону», вместе с неспешным ходом технического прогресса «сползают», понемногу увеличивая свою эффективность, и все комбинированные системы «мультилётов», которые я разобрал в цикле своих статей ( 1, 2, 3, 4, 5).
Хочется верить, что «кольцелёт» Роберта Ибатуллина из его «Розы и Червя» полетит вверх и вперёд - на штурм далёкой пока для него линии Кармана-Габриэля, а то и самой линии Кармана - чем чёрт не шутит:
«Кольцелёт с тяжёлым рокотом оторвался от земли. Саид пришёл в восторг: я лечу, лечу по-настоящему а не в вирте! Они быстро поднимались, расчерченная кругами взлётная площадка становилась всё меньше. Задранный нос кабины опускался, скорость росла, винты теперь толкали кольцелёт не вверх, а всё больше вперед. Лётчица полулежала в кресле, не касаясь рулей управления. Саид уже понимал, что она управляет машиной мысленно - через её собственную Кэт, или как там звался её даймон. Сквозь волшебные очки гарнитуры Саид видел вокруг шлема лётчицы обруч с надписью: «Венди [NAV] Миллер». Что значит это «NAV»?...»
NAV - значит навигатор.
Сегодня полёт навигатора над воображаемой линией Кармана-Габриэли, намного ниже космической линии Кармана, выглядит вот так:
Человечество заступило за линию Кармана-Габриэли «внизу», в зоне малых скоростей, запустив и создав проекты супертанкеров и газовозов, громадных сухогрузов и контейнеровозов. Море позволяет поддерживать колоссальные туши этих левиафанов, но и накладывает ограничение на их максимальную скорость.
В верхей части линии Кармана-Габриэли человечество, наоборот, отступило, сдав в руки энтропии сверхзвуковую авиацию и пока не решившись на гиперзвуковой полёт возле официальной границы космоса.
Ну а в центре, в серой зоне средних скоростей, борьба ещё только начинается. Человечество уже прорвалось далеко за линию 1950-го года, сделав реальными скоростные поезда TGV и маглевы в Шанхае и Японии.
Нам уже не стыдно, Марти. Мы очень стараемся.
Но следующие проекты скоростных поездов вполне могут поспорить и за верхнюю часть линии Кармана-Габриэли. Поскольку и физики, и математики говорят одно: маглев, в случае его движения в вакуумной трубе, вполне сможет достигнуть скорости в 4000-5000 км/час. Это не фантастика.
Нет, это не ещё одна иллюстрация концепт-арта к «Розе и Червю».
Это новая задумка неутомимого Элона Маска, проект «Гиперкольцо» (Hyperloop).
О ней я и расскажу в следующей части.
«Док, я лечу к тебе, в твой далёкий 1885 год на своём летающем паровозе из 2015-го. Передавай привет линии Кармана. Подпись: Марти»