CC BY
54Дроздов Б.В.,
Терентьев Ю.А.1
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ТРАНСПОРТА НА ЭТАПЕ НОВОЙ ИНДУСТРИАЛИЗАЦИИ РОССИИ
Ключевые слова: научно-технологическое развитие, транспортный ресурс, транзит, вакуумный магнито-левитационный транспорт, энергетическая эффективность.
Keywords: science-technological development, transportation resources, transit, vacuum magneto-levitation transport, energy efficient.
Новый этап индустриализации России должен в первую очередь сосредоточиться на создании и развитии инду-стрий жизнеобеспечения, В составе этих индустрий ведущими и определяющими являются такие важнейшие комплексы как энергетика, транспорт и жилищно-коммунальное хозяйство (Индустрии-2). Актуальной при этом становится задача создания таких новых индустрий жизнеобеспечения, которые бы резко повышали эффективность и качество самих процессов жизнеобеспечения. Этапы новой индустриализации предполагают также расширение сфер применения перспективных индустриальных технологий, включая такие области деятельности, как содержание, ремонт, реконструкция и развитие комплексов жизнеобеспечения (создание Индустрии-3), а также области исследований и разработок (создание «индустрии Мысли»). Все эти новые индустрии тесно связаны между собой и обеспечивают новое качество функционирования всех систем жизнеобеспечения, включая и комплекс транспорта2.
Наличие большой, пространственно-протяженной территории, местами еще слабо освоенной и заселенной, делает особо актуальной проблему эффективного и доступного транспортного обслуживания, что необходимо как для обеспечения социально-экономического развития страны, целостности и политического единства территории, так и для достижения необходимой экономической эффективности производства в мировой системе разделения труда.
Особые требования предъявляются при этом к снижению совокупных транспортных издержек, т.е. к снижению себестоимости перевозок, что для условий России приобретает особую актуальность. Для сохранения и усиления политической и экономической целостности государства, для создания устойчиво и надежно функционирующих систем жизнеобеспечения приходится мириться с относительно высокими объемами выполняемой транспортной работы при перевозке грузов и населения. Но при этом естественно выбирать наиболее эффективные виды транспорта, такие, которые требуют для своего функционирования наименьшего количества затрат общественно значимых ресурсов, что приводило бы к минимизации так называемых транспортных издержек. В настоящее же время в России транспортные издержки составляют в общем объеме производства до 50%, что в 6 раз выше, чем, например, в США.
Для пассажирских перевозок по протяженной территории России особое значение имеют показатели скорости сообщения (перемещения), что, в конечном счете, определяют совокупные потери общественно-полезного времени населения. Новая транспортная индустрия России должна сделать более доступными для жителей государства даже самые отдаленные населенные пункты, что обеспечит более высокий уровень хозяйственно-экономического освоения территории, показатели социо-культурного и морально-политического единства государства.
Транспорт, как один из ведущих комплексов жизнеобеспечения, на этапе новой индустриализации России должен обеспечить, прежде всего, резкое повышение итоговой эффективности своей деятельности. Для транспорта такую эффективность можно определить совокупностью физически измеримых показателей, применимых к транспортной системе в целом, а не к какому-либо отдельному элементу этой системы (виду подвижного состава, элементу путевого хозяйства и т.д.). По величине этих показателей можно сравнить между собой различные виды транспорта и выделить в результате ведущий, приоритетный вид транспорта, определяющий возможности транспортной системы новоиндустриального этапа развития. Выделяемая система показателей существенно отличается для различных видов перевозок - грузовых, пассажирских, магистральных и внутригородских (местных).
Транспорт принято оценивать по следующим основным группам критериев: скорость (сообщения, перемещения, перевозок), безопасность, удобство (комфорт), экономичность, экологичность. Значимость каждого критерия зависит от вида перевозок. Естественно, что для пассажирских перевозок важнейшими критериями будут безопасность,
1 Дроздов Борис Викторович - д.т.н., генеральный директор НИИ информационно-аналитических технологий (НИИ ИАТ). Сфера деятельности организации - исследование и разработка информационных и аналитических технологий в области систем управления комплексами инфраструктуры жизнеобеспечения. E-mail: drozdovbv@mail.ru
Терентьев Юрий Алексеевич - независимый эксперт. Сфера интересов - сверхпроводниковая криоэнергетика, вакуумные, сверхпроводниковые, криогенные магнито-калорические и магнито-левитационные технологии. E-mail: teren_y@mail.ru
2 Дроздов Б.В. Направления развития некоторых индустрий в рамках новой индустриализации России // Большая Евразия: развитие, безопасность, сотрудничество. Ежегодник / РАН, ИНИОН. - М., 2018. - Вып. 1, ч. 1.
скорость и удобство, а для грузовых - экономичность. Критерий экологичности, т.е. снижения негативного воздействия на окружающую среду, в одинаковой степени важен для всех видов перевозок.
В настоящее время среди известных примерно 300 видов и разновидностей транспортных систем формируются и особо уникальные системы по скоростным и энергозатратным показателям. В работах1 было выполнено сравнение основных видов транспорта по критерию экономичности, т.е. по удельному расходу энергии на единицу транспортной работы. Этот показатель можно считать одним из ведущих при определении степени индустриализации процесса функционирования транспортной системы. В качестве показателя экономичности транспортной системы была выбрана величина удельных энергозатрат на перемещение У рэ, которая определялась формулой
У рэ = N /М х V, (1)
где N - Полезная мощность тяговой машины (тягового двигателя) транспортной системы, M - Масса перевозимого груза, V - Скорость, с которой перевозится груз транспортной системой.
Результаты сравнения по этому критерию показали2, что наилучшими параметрами по выбранному критерию энергетической эффективности У рэ для грузовых перевозок обладает традиционный водный транспорт водоизме-
щающего типа, затем идет железнодорожный транспорт классического типа. Климатические особенности территории России и структура ее речной системы создают определенные ограничения для массового круглогодичного использования водного транспорта для грузовых перевозок. Характеристики энергозатрат железнодорожного транспорта оказываются существенно ниже других видов наземного и воздушного транспорта. Этот вывод относится к скоростям движения подвижного состава в пределах до 200-350 км./час. (т.е. для так называемого скоростного и высокоскоростного движения).
Наиболее экономичным транспортом для пассажирских перевозок является традиционный электропоезд, двигающийся с маршрутной скоростью до 130 км/час. Не очень сильно отстают от него по показателю энергозатрат современные высокоскоростные поезда TGV и Сапсан. По этому показателю высокоскоростные поезда имеют значительные преимущества перед современными аэробусами.
Итак, на основе вышеприведенных сравнительных оценок, можно сделать заключение, что ведущим звеном развития транспортной сети на этапе новой индустриализации должен быть традиционный рельсовый транспорт (железнодорожный). Положительная особенность этого вида транспорта состоит в потенциальной возможности полной управляемости перевозок, обеспечении высокой производительности и общедоступности. Железнодорожная сеть полностью защищена от таких негативных явлений, характерных для автомобильного транспорта, как заторы (пробки) на дорогах, стихийно возникающих затруднений движения. Для грузовых перевозок, для которых критерий скорости перевозок не является определяющим (в пределах определенных достижимых значений этого показателя), на позиции ведущего транспорта также выходит традиционный железнодорожный с электрической тягой.
Транспортная система России на этапе новой индустриализации должна иметь в своей структуре два типа систем - скоростную и высокоскоростную для пассажирских перевозок и традиционную для грузовых и пригородных (местных) перевозок.
Требования обеспечения высокой скорости и безопасности перевозок для магистрального пассажирского транспорта (в рамках традиционной рельсовой транспортной технологии) могут быть выполнены только при определенном устройстве пути, путевого хозяйства и организации движения. Это предполагает создание выделенного огороженного пути, свободного от других видов движения (грузового и пригородного пассажирского), преимущественную прокладку путей по мостам, эстакадам, путепроводам, виадукам, тоннелям.
Для высокоскоростного движения, так же, как и в Западной Европе и других странах, должны быть оборудованы специальные магистрали (высокоскоростные магистрали - ВСМ), по которым движение совершается специальным подвижным составом, способным развивать скорость свыше 300 км/час.
Поезда системы TGV, получившие широкое распространение в Западной Европе, представляют собой образец современной высокоскоростной железнодорожной транспортной системы. Эти поезда двигаются в штатном (нормальном эксплуатационном режиме) со скоростью 350 км/час. Каждый железнодорожный состав перевозит в среднем 900 пассажиров. За всю историю эксплуатации поездов этого типа (с 1981 года) не было ни одного случая гибели пассажиров. Этому способствовала особая организация всего путевого хозяйства и конструкция подвижного состава, в частности, применение общих тележек на стыке двух соседних вагонов. Следует учесть, что для обеспечения безопасности высокоскоростная железнодорожная магистраль системы TGV при развитии скорости более 500 км/час, требует для своего торможения до полного останова путь в 15 км.
Особую актуальность имеют ВСМ для крупных городов. Они позволяют обеспечить для жителей этих городов высокую доступность отдаленных районов (до 1000 км.). Скоростное сообщение поездами такого типа в Европе заменило в большинстве случаев авиационное сообщение между городами. Билет на такой поезд стоит для пассажира дешевле авиационного, а общее совокупное время поездки также оказывается меньше. Это происходит, прежде всего, потому, что железнодорожные вокзалы находятся на территории самих городов. Не нужно тратить время на переме-
1 Дроздов Б.В., Терентьев Ю.А. Перспективы вакуумного магнито-левитационного транспорта // Мир транспорта. 2017. -Т. 15, № 1. - С 90-99; Дроздов Б.В. «Новый шелковый путь» и транзитный транспортный ресурс России // Культура. Народ. Экосфера. - М:. Спутник, 2016. - Вып. 9. - С. 130-143.
2 Дроздов Б.В. «Новый шелковый путь» и транзитный транспортный ресурс России // Культура. Народ. Экосфера. - М:. Спутник, 2016. - Вып. 9. - С. 130-143.
щение от аэропорта до города и обратно. Большая экономия времени связана также с упрощенной системой посадки, регистрации пассажиров, перевозкой багажа.
В России до настоящего времени нет ни одной высокоскоростной железнодорожной магистрали. В конце 90-х годов прошлого века в РФ был подготовлен первый проект такой высокоскоростной магистрали по маршруту Санкт-Петербург-Москва (ВСМ)1. Согласно этому проекту ВСМ должна была органично вписаться в формируемую транспортную сеть Европейской территории России. Она позволила бы развести пассажирские и грузовые потоки между двумя городами. Конструктивная скорость движения состава составляла - 350 км/ч, маршрутная - 250-300 км/ч, время поездки между конечными пунктами - 2,5 часа.
Согласно проекту поезд предполагался 12-вагонный, в котором 4 вагона должны быть ведущими. В поезде предусматривалось более 800 мест туристического и бизнес-классов, вагон-буфет, телефон, специальные места для проезда инвалидов. Максимальная провозная способность этой ВСМ - 70 пар поездов в сутки, или порядка 100 тысяч пассажиров. В год это составит 36 млн. пассажиров. Такая потенциальная провозная способность магистрали с запасом могла бы удовлетворить транспортные потребности двух российских столиц.
Однако вышеописанный проект ВСМ не был реализован. Принят и реализован компромиссный вариант - по существующим путям Октябрьской железной дороги запущен скоростной поезд импортного производства «Сапсан» (германской фирмы Сименс).
Итак, к настоящему времени в России нет современных высокоскоростных магистралей для пассажирского сообщения. Принятой Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года предполагаются работы по строительству ВСМ, среди которых первоочередная - Москва - Казань.
Сейчас в мире общая длина ВСМ составляет 17 тысяч километров. Для ряда стран они являются ведущим инфраструктурным звеном для всех транспортных систем. На первом месте по протяженности ВСМ находится Китай (см. табл. 1).
Таблица 1
Протяженность ВСМ (в км.) по странам мира
Ып.п. страна Протяженность ВСМ (км)
1. Китай 6000
2. Япония 2664
3. Испания 2656
4. Франция 2036
5. Германия 1334
6. Италия 983
Для современных традиционных транспортных технологий уже сейчас очевидно, что основными лимитирующими их факторами и тормозом прогресса являются недостаточные предельные скорости транспортных средств (ТС), низкая транспортная эффективность, пропускная и провозная способности транспортных магистралей. В частности, на железнодорожном транспорте России для изначально используемой технологии движения «колесо-рельс», наметились проблемы при последовательном достижении транспортом двух технологических пределов роста скорости ТС.
Первый предел связан с ограничением динамики разгона и торможения ТС, зависящим от сцепления колеса с рельсом и с надёжностью токосъема на постоянном и переменном токе. Второй предел связан с ограничением возможности дальнейшего повышения скорости ТС свыше примерно 500 км/ч. обусловленным ростом в третьей степени аэродинамического сопротивления его движению. В первом случае, логичным видится переход на бесконтактные (маглев) или «атмосферные» магнито-левитационные транспортные (АМЛТ) принципы организации движения ТС, которые активно развиваются в настоящее время, в том числе, и в нашей стране2.
В технологии АМЛТ по мере роста скорости движения, пропорционально в 3-й степени возрастает аэродинамическое сопротивление движению ТСР, и, при достигнутых уже сейчас рекордных скоростях порядка 1000 км/час, основная часть мощности привода ТС вынужденно затрачивается на преодоление этого аэродинамического сопротивления, определяя пределы применимости и этой прогрессивной технологии. Второй предел роста скорости преодолевается вакуумным магнито-левитационным транспортом (ВМЛТ)3, который использует нетрадиционный способ поддержания, - магнитный подвес и стабилизацию в вакуумной среде.
Критерии скорости и экономичности для транспорта в значительной степени являются взаимнозависимыми. Рост скорости требует для подавляющего большинства видов транспорта дополнительных затрат энергии. Для оценки степени своеобразной «энергетической стоимости скорости» вводится так называемый показатель «транспортной эффективности» (С), равный отношению скорости подвижного состава транспортной системы в [м/с] к его удельным энергозатратам в [Дж/кг*м]. С помощью этого показателя можно оценить удельные скоростные преимущества транспортных систем при сравнении различных транспортных систем.
1 Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года. Утверждена распоряжением Правительства РФ от 17.06.2008 № 877-Р.
2 Магнито-левитационная транспортная технология / Под ред. В.А. Гапановича. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2014. - 476 с.
3 Зайцев А.А. Отечественная транспортная система на основе магнитной левитации // Бюллетень Объединенного ученого совета ОАО «РЖД». 2015. - № 6. - С. 22-27; Магнито-левитационный транспорт: научные проблемы и технические решения / Под ред. Ю.Ф. Антонова, А.А. Зайцева. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2015. - 612 с.
В табл. 2 показаны результаты сравнения по критерию У т,некоторых традиционных видов транспорта и
рэ
сверхвысокоскоростной ТС «ВМЛТ».
Из этого сравнения очевидно, что энергетическая эффективность ТС ВМЛТ на несколько порядков выше величины энергетической эффективности всех остальных сравниваемых здесь традиционных видов транспорта.
Таким образом, по уровню энергетической эффективности, ВМЛТ не имеет себе равных среди остальных видов транспорта. Она вполне справедливо претендует на роль основной магистральной ТС. Для предлагаемых к созданию в России инновационных транспортных систем ВМЛТ идеально отвечает нуждам XXI века.
Таблица 2
Сравнительные характеристики различных видов транспорта по показателю транспортной
эффективности
№ п/п Вид транспорта Средняя скорость, км/час Средняя скорость, м/сек Удельные энергозатраты. Дж/м кг (МДж/т-км) Транспортная эффективность - С
1 Железная дорога 60 17 0,15 100
2 Морской транспорт 40 11 0,08 125
3 Автомобиль 100 28 2,0 15
4 Самолёт 700 194 2,2 90
5 ВМЛТ 6500 1800 0,014 128 500
Концепция ВМЛТ является примером эффективного сочетания магнито-левитационной, сверхпроводниковой и вакуумной технологий для наземного транспорта, позволяющей ему в потенциале достигать скорости движения ТС порядка 6500 км/час и более, при весьма высокой пропускной способности магистрального путепровода, приемлемой стоимости перемещения пассажиров и грузов, и рекордно низких затратах энергии.
Конечно, использование только одного показателя скорости и обобщенного энергетического показателя Урэ недостаточно, чтобы описывать и управлять такой сложной системой, какой является транспортный комплекс. Одномерная модель для любого транспорта не в состоянии адекватно отразить сложные многомерные и динамические процессы и взаимосвязи системы. Необходимо при разработке новой физической экономики для транспорта (как и для других систем жизнеобеспечения) разрабатывать целый набор взаимосвязанных физически измеримых показателей1.
Для современной высокоскоростной транспортной системы, которая должна быть создана в России на этапе
новой индустриализации, существует еще один важнейший показатель ее эффективности - это размер движения Р д ,
который определяется соотношением, обратно пропорциональным минимально допустимому интервалу движения в одну сторону, т.е.
Р д = 2/ V ,
где V - интервал движения в одном направлении.
Этот показатель устанавливает максимально возможную провозную способность по перевозкам и максимально достижимые объемы пассажироперевозок по магистральным линиям, т.е. максимальную транспортную мощность
линии. Можно показать2, что эта мощность будет определяться размером движения Р д , расстоянием 8 и временем
перемещения на это расстояние согласно соотношению
М = W х Р д х Т о х1/ 8/ V ^ ^ х Т о х2а/ 8 (2),
где W - пассажиро-вместимость состава.
Из этого соотношения видно, что маршрутная скорость подвижного состава транспортной магистральной линии, которая обслуживает транспортные терминалы двух связанных транспортных узлов, не прямо влияет на максимально возможную мощность этой линии по доставке пассажиров на фиксированное расстояние. С ростом маршрутной скорости уменьшается время в пути, но, с другой стороны, - уменьшается и размер движения, ввиду увеличения расстояния между движущимися друг за другом поездами, т.е. увеличения минимально допустимого интервала движения.
Тем не менее, повышение маршрутной скорости пассажирских поездов, создание высокоскоростных и сверхскоростных магистралей является перспективным направлением развития транспортных систем. Это уменьшает потери времени населения при перемещении, увеличивает степень доступности культурных и экономических центров для жителей отдаленных территорий. Это также делает реальными суточные (оборачиваемые в срок одних суток) поездки в прежде недоступные для такого режима места.
1 Дроздов Б.В. Направления разработки физической экономики (применительно к транспортному комплексу) // Устойчивое инновационное развитие: проектирование и управление. Электронное научное издание. 2014. - Т. 10, вып. 2 (23). Материалы конференции к 90-летию Побиска Георгиевича Кузнецова // Rypravlenie.ru. 05.08.2014. - http://www.rypravlenie.ru/wp-content/uploads/ 2014/08/05^07^^
2 Дроздов Б.В. О перспективном облике глобальной транспортной системы // Культура. Народ. Экосфера. Труды социокультурного семинара им. В.В. Бугровского. - М.: Спутник, 2017. - Вып. 10. - С. 154-187.
