Прохождение эстакады общепланетарного транспортного средства через горы в Южной Америке и Африке Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

5РАСЕ\Л№Г

Прохождение эстакады общепланетарного транспортного средства через горы в Южной Америке и Африке

Юницкий А.Э.

Беларусь г Минск доктор философии транспорта,

ООО «Астроинженерные технологии» и ЗАО «Струнные технологии»

Бык В.В.

Беларусь, г. Минск, конструкторское бюро

управления проектных работ ЗАО «Струнные технологии»

Жарый С.А.

Беларусь, г. Минск, конструкторское бюро

управления проектных работ ЗАО «Струнные технологии»

170

УДК 69.001.5

99

Для запуска общепланетарного транспортного средства (ОТС) с поверхности Земли необходима взлётно-посадочная площадка, которой должна послужить экваториальная эстакада. Для идеального старта важно, чтобы эстакада находилась на одном уровне на протяжении всей экваториальной линии. Однако, как и при прокладке любых глобальных транспортных магистралей, на пути её возведения могут встречаться горы, впадины и целые океаны. Следовательно, требуется построить оптимальную траекторию для преодоления всех неровностей земной поверхности с учётом характеристик ОТС, что и разбирается в данной статье.

Ключевые слова:

вертикальные переходные кривые, общепланетарное транспортное средство (ОТС), опоры экваториальной эстакады, экваториальная взлётно-посадочная эстакада.

Введение

Дороги служат связующими артериями для любой промышленной индустрии. При их возведении всегда приходится или подстраиваться под рельеф с помощью эстакад, мостов, тоннелей, или менять его посредством выемок и насыпей. Подобные работы человечество выполняет на протяжении многих тысяч лет. Такие же методы нужны для сооружения экваториальной стартовой эстакады [1]. Она станет основой для строительства, отладки, обслуживания и запуска общепланетарного транспортного средства (ОТС).

Экватор нашей планеты пересекает равнины, горы и океаны. Каждое отклонение от горизонтального уровня необходимо рассматривать индивидуально. Примеры решения основных технических проблем уже анализировались ранее [2].

Главными препятствиями при строительстве экваториальной стартовой эстакады, которые обозначены в данной работе, являются горы: Восточно-Африканское нагорье (г. Килиманджаро) в Африке и Анды (г. Чимборасо) в Южной Америке.

От траектории прохождения неровных участков зависят как высота опор, так и глубина выемок с точки зрения конструкции эстакады. Форма также влияет на условия работы линейных роторов внутри ОТС. Даже при незначительном отклонении от прямолинейной траектории на линейный

электромагнитный двигатель и магнитную подушку, удерживающую два линейных ротора, создаётся дополнительная нагрузка от центробежного ускорения, которая может быть значительно выше штатной нагрузки, приходящейся на каждый погонный метр ОТС. Описанное обстоятельство должно учитываться при проектировании.

Поскольку точных штатных параметров работы ОТС с учётом вертикальных неровностей большого радиуса (около 1000 км) пока ещё не имеется (в настоящее время идёт концептуальная и вариантная проработка инженерных решений), то авторами статьи рассмотрены несколько упрощённых вариантов прохождения эстакады с разными радиусами кривизны.

Исходные данные для проведения анализа

Для построения продольного профиля взяты высоты рельефа по экватору с ресурса Google Earth [3]. В Африке выбран участок длиной 280 км с высотой над уровнем моря 3460 м (рисунок 1). В Южной Америке - длина участка в 150 км с высотой над уровнем моря 4691 м (рисунок 2).

При проектировании железных и автомобильных дорог используются правила построения переходных

{M}Q**|favJ

Линия экватора

Уровень океана

М 1 : 10 000 000 горизонтальный М 1 : 1 000 000 вертикальный

Рисунок 1 - Схема прохождения эстакады ОТС по континенту Африка

• t I"' Л ; * У ; -1 ь * , ; } ' ' / Ш \ igV * С,

Линия экватора

134157,4 1 150000 utuk Уровень океана 1

Уровень океана 1 ^69|,4/ Продольный профиль трассы по континенту Южная Африка

М 1 : 10 000 000 горизонтальный М 1 : 1 000 000 вертикальный , \ Участок трассы № 2 \для анализа 3 96281136

Рисунок 2 - Схема прохождения эстакады ОТС по континенту Южная Америка

кривых [4, 5]. Однако критерии, которые при этом учитываются, не подходят для разработки экваториальной стартовой эстакады. Они подобраны для обеспечения максимальной комфортности пассажиров. В нашем случае критерии построения должны гарантировать оптимальную работу ротора при отрыве и посадке ОТС на эстакаду (хотя понятие «комфорт» только с инженерной точки зрения применимо и к работе ОТС - его линейных электродвигателей и магнитной подушки, удерживающей движущиеся с космическими скоростями линейные роторы).

Выбор траекторий прохождения гор

Рассчитывая траекторию прохождения эстакады через гористую местность, требуется определить параметры для построения радиусных и переходных кривых. Неизменными будут свойства самого ОТС в одном из возможных вариантов исполнения, которые приведены ниже. Линейная скорость движения ротора вдоль вакуумного канала -12 км/с при весе 450 кг/м. Вес погонного метра ОТС вместе с грузом - 1150 кг/м.

Выбраны три набора параметров для построения эстакады (таблица 1).

Первые два варианта трассировки для упрощения построены без переходных кривых между участками с разными радиусами кривизны. Следовательно, прирост ускорения там не определяется и в теории равен бесконечности. При проектировании обычных дорог отсутствие переходных кривых вызывает удар при движении транспорта по ним. Пока не изучено, как такое решение (отсутствие переходных) повлияет на движение ротора внутри ОТС. Однако подобный шаг мог бы сберечь ресурсы при строительстве, хотя усложнение конструкции ОТС и его удорожание, вероятно, не только перечеркнёт предполагаемую экономию, но и сделает функционирование данного гигантского летательного аппарата нестабильным и небезопасным.

В третьем варианте радиус подобран так, что подъёмная сила от движения роторов равняется весу ОТС.

Анализ выбранных траекторий Траектории эстакады

Построены траектории движения для всех вариантов, указанных в таблице 1. Полученные результаты представлены в таблице 2.

Таблица 1 - Характеристики продольной траектории эстакады

Минимальный радиус кривизны,км Прирост ускорения на переходном участке, м/с3 Центробежное ускорение, м/с2 Поперечная перегрузка на ротор, g Подъёмная сила, т/м

100 - 1440 146,8 66,1

1000 - 144 14,68 6,6

5760 10 25 2,55 1,15

Таблица 2 - Результат построения эстакады

Наименование участка Минимальный радиус кривизны, км Объём земляных работ, млн м3 Максимальная глубина выемки, м Максимальная высота опоры, м

Восточно-Африканское нагорье (г. Килиманджаро), Африка (рисунок 3.1) 100 873 40 300

1000 15000 600 567

5760 28300 1174 700

Анды (г. Чимборасо), Южная Америка (рисунок 3.2) 100 1200 323 809

1000 13 000 1242 998

5760 27200 1734 947

о>

Продольный профильтрассы на контрольном участке №1

1590 1 556 1 590

2181 2493 2479 2376 2213

1304 1376

Рисунок3.1 - Продольный профильтрассы в Восточно-Африканском нагорье (г. Килиманджаро), Африка

Продольный профильтрассы на контрольном участке №2

Рисунок 3.2 - Продольный профильтрассы через Анды (г. Чимборасо), Южная Америка

Можно прийти к очевидному выводу, что чем меньше радиус кривизны эстакады, тем лучше она повторяет рельеф земли и тем минимальнее будут: объём земляных работ, максимальная глубина выемок и максимальная высота опор. При этом прохождение г. Килиманджаро большими радиусами (1000 км и выше) потребует большего объёма земляных работ, чем при прокладке глобальных магистралей через Анды, которые значительно выше африканской местности.

Отдельно необходимо обратить внимание на построенный третий график с радиусом 5760 км. При определении вертикальных ускорений на вертикальной траектории эстакады в Африке видно, что чем точнее мы пытаемся следовать за рельефом, тем чаще и резче, близко к удару, меняется направление вертикальных ускорений на противоположное (рисунки 4.1, 4.2). Из этого вытекает вывод, что к переходным кривым нужно подходить очень тщательно, так как неоптимальная их траектория может дестабилизировать работу ОТС во время его взлёта и посадки.

В Южной Америке траектория эстакады отступает от рельефа сильнее, потому прирост ускорения происходит

N -Д|/.>[п/ о

О. . I.':

- - * 4 л

Г "

3 ; » . та

3 = а

а

на более длинных участках без постоянного изменения направления рывком (рисунки 5.1, 5.2).

Какой из методов подбора переходной кривой оптимальный, покажут более точные расчёты движения обоих роторов ОТС с учётом всех перечисленных факторов.

м/с2 20

10

-10 -20

; 1

1 500 1000 ______________________ 1500

км

м/с2 20

10

-10 -20

100 200 300 400 500 600 700

км

Рисунок 4.1 - Вертикальные ускорения на участке № 1, Африка (вариант)

Рисунок 5.1 - Вертикальные ускорения на участке № 2, Южная Америка (вариант)

м/с3 10

-10

500

1000

500

км

м/с3 10

10

100

00

300 400 500

600 70

0

км

Рисунок 4.2 - Прирост ускорений на участке № Африка

Рисунок 5.2 - Прирост ускорений на участке № 2, Южная Америка

5

5

Устройство опор и выемок

Особенностью строительства экваториальной стартовой эстакады является то, что невозможно пройти горные массивы с помощью тоннелей. Обязательное условие -наличие открытой выемки для подъёма ОТС. Пример такой конструкции показан на рисунке 6.

Защитное ограждение от камнепадов (конструкция назначается по результатам геологических изысканий)

Рисунок 6 - Схема выполнения выемок (вариант) (все размеры даны в метрах)

Разработка выемок ведётся буровзрывным способом с применением энергии взрыва для отделения и рыхления горной породы. Затраты труда и материально-технических ресурсов напрямую зависят от прочности породы скального массива. Чем массив прочнее, тем тяжелее он поддаётся разработке и тем большей силы взрывного воздействия требует. В связи с отсутствием данных геологических исследований участков строительства эстакады ОТС состав горных пород принят на основании сведений из свободных источников. Согласно полученной информации [6] горные массивы по экваториальной трассе формируют следующие породы: песчаники, алевролиты, сланцы, граниты, кварциты. Наиболее сложные в разработке породы - гранит и кварцит - взяты для определения трудоёмкости. В соответствии с [7] для разработки 1 млн м3 горной породы необходимо 451 100 чел.-ч. Объём разработки скальной породы приведён ранее на рисунках 3.1, 3.2.

В соответствии с [8] расчёты общей и местной устойчивости выемки выполняются на основе исходных данных, которые включают:

• план участка строительства;

• сейсмичность участка строительства;

• инженерно-геологические и гидрогеологические условия участка с указанием областей, подверженных опасным инженерно-геологическим процессам;

• расчётные величины прочностных и деформационных свойств пород ненарушенной структуры с учётом ожидаемых изменений полученных показателей по сезонным периодам и за многолетний срок;

• положение существующих сооружений (в том числе защитных), дорог; при их наличии - значения техногенных нагрузок от них.

Для обеспечения устойчивости откосов выемок (рисунок 6) в зависимости от исходных данных, перечисленных выше, могут предусматриваться следующие мероприятия:

• изменение рельефа склона (для повышения его устойчивости за счёт уменьшения сдвигающих сил путём разгрузки верхней (активной) части оползня);

• организация стока поверхностных вод (для повышения устойчивости склонов за счёт предупреждения их эродирующего воздействия на поверхность склона, исключения их аккумуляции в понижениях рельефа и предотвращения их инфильтрации в оползневые склоны);

• регулирование стока подземных вод (для повышения устойчивости склонов за счёт предупреждения их эродирующего и разупрочняющего воздействия на грунты, снижения сопротивления сдвигу по поверхностям скольжения при смачивании, уменьшения гидростатического и фильтрационного давления);

• применение защитных сооружений в виде гибкого ограждения откосов от камнепадов (рисунок 7) или удерживающих откос конструкций.

В качестве удерживающей откос выемки конструкции предлагается применить анкерное крепление (рисунки 8, 9), обеспечивающее фиксацию неустойчивых участков грунтовых и скальных склонов и откосов. Оно представляет собой самостоятельное удерживающее сооружение с локальными упорными элементами (шайбами, плитами, балками, поясами и т. п.) с использованием сплошных металлических, железобетонных или сетчатых покрытий, а также в сочетании с подпорными стенами, гравитационными, свайными и барретными конструкциями.

4

Рисунок 7 - Пример выполнения гибкого ограждения от камнепада согласно [9]: 1 - пассивная покровная сетка;

2 - гибридный барьер с покровной сеткой;

3 - гибридный барьер с подвесной сеткой;

4 - гибкий барьер

Оголовок анкера

Клиновидные крепления оголовка

Резьбовые крепления оголовка

Рисунок 9 - Пример выполнения конструкции инъекционного анкера

Основным условием применения анкерных конструкций является наличие на достаточном расстоянии от защищаемой поверхности прочных грунтов, в которых располагается корневая часть анкера. В практике строительства используются грунтовые анкеры (анкерные сваи) длиной от 10-15 м до 50-60 м и более.

Опоры эстакады предлагается выполнять железобетонными, высотой около 300 м (показатель самых высоких опор мостов). Необходимую высоту опор можно добирать с помощью локальных насыпей из добытой при устройстве выемки горной породы (рисунок 10).

Рисунок 8 - Пример выполнения анкерного закрепления откоса: 1 - инъекционный анкер; 2 - упорная плита

20

Ж/б опора эстакады

Искусственная насыпь из срезанной горной породы

ч Поверхность горного массива Рисунок 10 - Пример выполнения железобетонной опоры (вариант)

Выводы

и дальнейшие направления исследований

При увеличении радиуса вертикальной кривизны траектории эстакады повышаются материалоёмкость и высота промежуточных опор, глубина и объём выемок. Важно точно установить финальные характеристики линейного электродвигателя и магнитной подушки ротора ОТС. Соблюдение данных условий позволит существенно снизить затраты на строительство стартовой эстакады и оптимизировать траекторию прохождения всех горных массивов.

Результаты расчётов показали, что при использовании радиуса кривизны траектории эстакады менее 5760 км подъёмная сила от центробежных сил превышает вес ОТС -1150 кг/м. Если возникнет необходимость уменьшать радиус кривизны, то фиксаторы, удерживающие ОТС до старта, нужны более мощные, чем на равнинных участках эстакады.

Проектирование выемок и опор для экваториальной стартовой эстакады в значительной степени зависит от местности и геологических условий. К каждому такому сооружению требуется индивидуальный подход и изыскания.

Анализ подтверждает, что оптимальные радиусы вертикальных кривых эстакады, которые будет вынуждено повторять ОТС при старте и спуске, находятся в диапазоне 1000-5000 км. При этом следует очень тщательно проектировать переходные кривые между всеми смежными участками всех кривых, иначе ОТС не сможет взлететь штатно из-за вероятных резонансных явлений на данных участках.

Необходимо более основательно изучить прохождение каждого горного выступа (пика), чтобы найти приемлемые соотношения глубин выемки в нём и высот опор (всех опор, а не максимальную высоту одной из них) на смежных участках. Подобный шаг поможет минимизировать суммарную стоимость выемки и всех смежных с ней опор.

При этом скальный грунт из каждой выемки целесообразнее направить на формирование локальных насыпей для опор на смежных участках эстакады. Излишки прочных горных пород пойдут на изготовление бетона не только для опор эстакады, но и на создание инфраструктуры. В первую очередь - экваториального линейного города, где будут жить и работать около 100 млн человек, обслуживающих ОТС, экваториальную сеть ТгапвМ, которая построена по Струнным технологиям Юницкого (СТЮ), и создаваемую на низких экваториальных орбитах космическую индустрию.

Сужение выемок внизу до 15 м (минимальная ширина безопасного коридора для ОТС во время взлёта и посадки) и выполнение их боковых стенок более крутыми (с отклонением от вертикали всего в 1 м на 100 м высоты) позволит существенно уменьшить объём выемок в скальных породах даже при увеличении глубины выемок. Дополнительное

устройство укрепляющих анкеров может оказаться гораздо дешевле добычи большого объёма грунта.

Рациональный вариант - сделать значительней глубину выемок, чтобы увеличить радиус кривизны взлётно-посадочной эстакады и снизить максимальную высоту опор до 200300 м. Слишком высокие опоры, а их планируется достаточно много, могут оказаться дороже дополнительных земляных работ. Кроме того, необходимо оптимизировать конструктив высоких опор - их можно сделать более эстетичными и менее материалоёмкими, чем традиционные мостовые опоры, показанные в анализе.

Тем не менее даже в первом приближении вопрос прохождения горных массивов в Африке и Южной Америке с инженерной точки зрения решается положительно. В последующих исследованиях потребуется осуществить комплексный технико-экономический анализ с учётом всех систем геокосмического транспортно-инфраструктурного коммуникатора, который в ближайшие десятилетия будет создан на технологической платформе ОТС.

Литература

1. Юницкий, А.Э. Струнные транспортные системы: на Земле и в Космосе: науч. издание/ А.Э. Юницкий. - Силакрогс: ПНБ принт, 2019. - 576 с.: ил.

2. Кривко, О.П, Логвинов, Г.Ф. Анализ вариантов конструкции эстакады ОТС; под общ. рук. А.Э. Юницкого. - Гомель: Центр «Звёздный мир», 1989. - 118 с.: ил.

3. Google Earth [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://earth.google.com. - Дата доступа: 14.07.2020.

4. Виноградов, В.В. Расчёты и проектирование железнодорожного пути: учеб. пособие /В.В. Виноградов [и др.]; под общ. ред. В.В. Виноградова, А.М. Никонорова. -М.: Маршрут, 2003. - 486 с.

5. Альбрехт, В.Г. Бесстыковой путь /Альбрехт В.Г. [и др.]; под ред. В.Г. Альбрехта, А.Я. Когана. - М.: Транспорт, 2000. - 408 с.

6. Andean Summits [Electronic resource]. - Mode of access: https://www.andeansummits.com. - Date of access: 14.07.2020.

7 ЕНиР. Сборник Е2. Земляные работы. Выпуск 3. Буровзрывные работы. - М.: Стройиздат, 1986. - 95 с.

8. Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от оползней и обвалов. Правила проектирования: СП 436.1325800.2018: внесен Техническим комитетом по стандартизации ТК 465 «Строительство». - Введ. 06.06.2019. - М.: Стандартинформ, 2018. - 71 с.

9. Руководство по проектированию и технологии устройства анкерного крепления в транспортном строительстве. - М.: ЦНИИС Минтрансстроя СССР,, 1987. - 97 с.