Технические науки/3. Транспорт

 

Профессор Кафедры ЮНЕСКО к.т.н. Попов С.Д.

 

Международная Кафедра-сеть ЮНЕСКО TVET, Научно-производственный центр «Специальное машиностроение» Московского  государственного технического университета имени Н.Э. Баумана, Россия

 

Некоторые проблемы создания амфибийных транспортных систем предназначенных для решения транспортных задач и освоения труднодоступных регионов Севера и Сибири, а также на арктическом континентальном шельфе.

 

Природно-климатические и экономические особенности Арктических регионов Российской Федерации определяют особый подход к формированию транспортной системы Арктики.

Среди основных влияющих факторов выделяются:

·                    низкая плотность населения (до 0,3 чел./км2), большие расстояния между малыми насёленными пунктами, что определяет относительно небольшие пассажиропотоки.

·                    преимущественно очаговая деятельность при освоении сырьевых месторождений;

·                    суровые климатические условия (годовой ход температур наружного воздуха в отдельных регионах достигает 100°), короткое лето, полярная ночь;

·                    наличие вечной мерзлоты, значительного количества болот, рек, озер, высокая степень экологической уязвимости северных экосистем;

·                    повышенный уровень цен на все виды топлива, оборудование и товары в результате разового завоза из центра страны и хранения межсезонных запасов;

·                    более высокая (в 7…10 раз) стоимость создания и эксплуатации традиционной транспортной инфраструктуры;

·                    слабое развитие наземных транспортных коммуникаций.

Специфические качества транспортных средств на воздушной подушке (ТСВП) позволяют им выполнять особую роль в транспортной системе северных регионов России, являясь единственным круглогодично доступным видом транспорта. ТСВП практически безальтернативны для пассажирских перевозок как вне, так и внутри Арктики, а также для оперативного транспортного обеспечения работ по разведке и добыче полезных ископаемых, реализации ряда государственных функций, в первую очередь в области оказания экстренной помощи, борьбы с чрезвычайными ситуациями.

Освоение минерально-сырьевых и природных ресурсов Арктики, Сибири и Дальнего Востока настоятельно требует создания адекватной транспортной системы. Для большинства осваиваемых месторождений характерен типовой жизненный цикл «разведка – освоение – эксплуатация - свертывание» длительностью от нескольких лет до нескольких десятков лет. Как правило, добывающие компании не заинтересованы в развитии капитальных транспортных сетей, и предпочитают использовать малоэффективные и дорогие в эксплуатации гусеничные ТС средства, а также вертолеты, предъявляющие минимальные требования к транспортной инфраструктуре. В результате резко увеличивается стоимость добычи сырья, легко уязвимые тундровые и таежные экологические системы получают непосильную перегрузку.

Как известно, несмотря на усилия, предпринимаемые на федеральном, региональном и местном уровнях, продолжается интенсивная деградация местных воздушных перевозок, что помимо отрицательных экономических последствий имеет значительные негативные социальные результаты. Ухудшается связь населенных пунктов с административными центрами, снижается качество транспортного обслуживания населения, становятся недоступными медицинские услуги и т.д. Свертывание местных авиационных перевозок является одним из факторов, способствующих оттоку населения с территорий, и без того крайне редко населенных.

Быстрый и эффективный прорыв в совершенствовании транспортного обслуживания Арктики, Сибири и Дальнего Востока может быть достигнут за счет дополнения существующей транспортной системы ТСВП.

Если в районах эксплуатации, помимо водных и грунтовых поверхностей со слабой несущей способностью, часто встречаются участки слабо пересеченной местности с уклонами до 10…15о, ТСВП, кроме традиционных аэродинамических движителей, используемых для движения по поверхностям с уклонами примерно до 2о (или взамен их), должны иметь также контактные движители. Эти движители используются для преодоления подъемов и обеспечения приемлемой управляемости ТСВП на пересеченной местности.

ТСВП, имеющие массу 5…50 т., коммерческую нагрузку 1…20 т., пассажировместимость 10…150 человек и крейсерскую скорость до 150 км/час, могут активно использоваться для решения транспортных задач на реках (преимущества ТСВП в этих условиях общеизвестны).

Важно, что ТСВП могут эксплуатироваться круглогодично, включая межсезонные периоды ледостава и ледохода. Амфибийность позволяет ТСВП выходить на пологий берег и преодолевать большие расстояния по слабо пересеченной местности.

По имеющимся данным, при частых (каждые 20…50 км) остановках по маршруту следования экономические показатели ТСВП могут существенно превосходить показатели самолетов и вертолетов.

Область применения ТСВП разрабатываемых типов может быть и более широкой.

Так, например, неоднократно обсуждалась целесообразность создания транспортного коридора в Калининградскую область с использованием грузопассажирских паромов на основе ТСВП. Установлено, что, при правильном выборе парка для обеспечения требуемого грузопотоков и пассажиропотоков, эксплуатационные расходы не превышают затрат при применении транспортных самолетов, а с учетом более высокой безопасности и удобства использования портовой инфраструктуры, ТСВП могут оказаться предпочтительным транспортным средством.

Наиболее тяжёлые условия эксплуатации ТСВП имеют место в Арктической зоне России.

Большая ее часть лежит на многолетнемерзлых грунтах, на которых насчитывается более 2 млн. озер общей площадью водной поверхности около 300 тыс. км (в некоторых районах озера занимают 30…50% поверхности). Средняя заболоченность составляет 30…50%, включая незамерзающие торфяники. Около 50% площади занимают возвышенности и горы.

Все это значительно затрудняет и в 3…4 раза повышает затраты на строительство и эксплуатацию железнодорожных и автомобильных магистралей, сеть которых развита крайне слабо.

Слабое развитие наземной транспортной сети круглогодичного действия приводит к значительному увеличению транспортных издержек, сроков доставки и объемов хранения грузов. Например, если в среднем по стране доля транспортных расходов в себестоимости продукции составляет 10…12%, то на Севере она может достигать 30…60% и более.

Недостаточные пропускные возможности речного транспорта, отсутствие сети железных дорог и высокая стоимость авиационных перевозок (рентабельны на расстояниях более 500 км) привели к тому, что на долю автомобильного транспорта приходится около 70% грузовых и пассажирских перевозок, из которых почти 60% осуществляется по грунтовым дорогам и автозимникам.

Однако в весенне-осенний период оттаявшая тундра, переувлажненные грунты и заболоченная местность становятся практически непроходимыми для автомобильного транспорта всех видов. В это время применяется гусеничная техника, осуществляющая перевозки на направлениях с небольшими или непостоянными по времени грузопотоками (доставка грузов и персонала на буровые, эксплуатация коммуникаций, аварийно-восстановительные и поисково-спасательные работы, перевозка медицинских работников, изыскательских партий и т.п.).

Особенностью Севера является наличие многолетнемерзлых грунтов практически на всей территории. Эти грунты содержат 60…90% подземных льдов в верхнем 20…30-метровом слое. Протаивание льдов под действием естественных и антропогенных факторов приводит к образованию термокарстовых озер, бугров, провалов и передвижению почв.

Одним из самых распространенных антропогенных воздействий на природу российского Севера является нарушение ТС растительного покрова в летний период. По некоторым данным, под воздействием традиционных внедорожных транспортных средств происходит не менее 70% всех антропогенных нарушений почвенно-растительного покрова тундровых биогеоценозов. Так, на 1 км маршрута гусеничный трактор с давлением 47 кПа выводит из строя 10 км2 тундры. Через несколько дней колея от гусеничного транспортера превращается в ручей, который спустя 2…3 года становится термокарстово-эрозионным оврагом. Даже самые легкие гусеничные транспортеры типа ГАЗ-71 нарушают целостность покрова оттаявшей тундры.

Естественное восстановление разрушенного почвенно-растительного покрова происходит в течение десятков, а возможно и сотен лет.

В настоящее время площадь поврежденного покрова российской тундры составляет около 16%. По имеющимся оценкам, затраты на рекультивацию 1 га поврежденного оленьего пастбища составляют 30…40 тыс. руб. в ценах 1990 г. Только в Ямало-Ненецком автономном округе в результате применения транспортной техники, не адаптированной к условиям тундры, утрачено более 1 млн. 200 га пастбищ домашних оленей, а экономический ущерб природе оценивается в 60 млрд. руб. в ценах 1990 г.

Радикальным средством, обеспечивающим проходимость и круглогодичное использование транспортных средств, является ТСВП, которое теоретически обладает почти абсолютной проходимостью и амфибийностью. Главным качеством ТСВП, особо важным в природных условиях Арктики, Сибири Дальнего Востока следует считать минимальную зависимость от условий базирования и эксплуатации, при сравнительно высокой скорости движения.

Таким образом, разработка всесезонного амфибийного транспортного средства, максимально адаптированного к эксплуатации в специфических природно-климатических и экономических условиях освоения Крайнего Севера и Сибири является крайне актуальной проблемой.

При этом, однако, создание ТСВП, адекватного условиям эксплуатации в этих регионов сталкивается с целым комплексом специфических технических и технико-экономических проблем.

Основное назначение ТСВП разрабатываемого типа - транспортировка пассажиров грузов по прибрежным арктическим акваториям, местности со слабонесущими грунтами, изобилующей болотами и водными преградами, по льду, (в т.ч. покрытому снегом, ледяным торосам, полыньям), а также по малым рекам, характерным для арктического и северного регионов России.

Таким образом, в конечном счет, должны быть сформированы концепции и варианты конструктивной реализации ТСВП малой средней грузоподъемности, конструкция которых обеспечивает при эксплуатации в указанных выше условиях:

·                    уверенное перемещение по максимально возможной площади региона предполагаемой эксплуатации с рациональными скоростями и высокой экономичностью;

·                    высокую степень поперечной и продольной устойчивости ТСВП;

·                    устойчивость равновесного состояния ТСВП;

·                    возможность движения по грунтовым и другим подстилающим поверхностям с относительно большими по высоте неровностями с незначительным изменением величины эффективного зазора «грунт-ограждение»;

·                    отсутствие опасности подлома и затягивания гибкого ограждения (ГО);

·                    управление колебаниями ТСВП

·                    живучесть и ремонтопригодность ТСВП при повреждениях ГО.

Как известно, существуют две потенциально привлекательные области использования ТСВП в транспортной системе страны:

·                    внутрирегиональные и местные перевозки по грунтовым поверхностям с низкой несущей способностью, в том числе с использованием малых и магистральных рек,

·                    грузовые морские и океанские перевозки, включая разгрузку судов на шельфе морей.

Для перевозок по магистральным рекам на территории РФ характерны следующие условия. Большинство рек имеет достаточно извилистые русла. Все реки в зимний период покрываются льдом и судоходство прекращается, а в навигационный период на них эксплуатируются суда различных типов и классов, включая значительное количество маломерных судов. На многих реках имеются обширные водохранилища с более жесткими ветровыми и волновыми условиями, чем на ограниченных акваториях. На берегах рек расположено относительно большое количество населенных пунктов, причем в границах населенных пунктов и в непосредственной близости от них расположена большая часть транспортных переходов через реки.

В Европейской части России, где имеется сравнительно развитая сеть автомобильных дорог, а расстояния между населенными пунктами исчисляются десятками километров, роль магистральных рек в пассажирских перевозках крайне незначительна и продолжает снижаться. В этих регионах массовое применение ТСВП для регулярного сообщения представляется менее перспективной.

В Северной и Азиатской части страны, особенно в ее Арктической зоне, отсутствуют крупные железнодорожные и автомобильные магистрали, которые расположены в южных регионах и ориентированы в направлении «восток-запад». Транспортные перевозки в меридиональных направлениях крайне затруднены. Особенно остро эти затруднения проявляются в зимний период, что вызывает необходимость организации т.н. «северного завоза».

Движение традиционных амфибийных судов на воздушной подушке (СВП) обеспечивается, как правило, с помощью воздушного движителя, позволяющего развивать сравнительно высокие скорости (до 100 км/ч) над ровными и пологими опорными поверхностями, в т.ч. над водой, ледяной или снежной равниной. В то же время эффективность такого СВП резко снижается на пересеченной местности, при движении по торосам, на уклонах и косогорах.

При эксплуатации СВП на местности потеря подвижности, как правило, происходит из-за снижения давления в воздушной подушке (ВП) в результате потерь воздуха через зазоры между гибким ограждением (ГО) и подстилающей поверхностью. В СВП с комбинированными двухъярусными ГО, наиболее приспособленными для амфибийного использования, компенсировать падение давления отчасти удается принудительным снижением давления в гибких ресиверах. При этом существенно увеличивается сопротивление движению СВП в результате трения ГО о грунт, увеличивается износ ГО и возрастает риск его повреждения.

СВП с воздушным движителем неустойчиво и не имеет траекторной управляемости, необходимой для движения по суше, извилистым узким рекам и в иных случаях стесненной обстановки. Такие СВП имеют крайне ограниченные возможности движения по заданной траектории даже на сравнительно небольших пологих уклонах (более 5 град).

Для большинства амфибийных СВП характерно применение ВП бесконтактного типа с полным отрывом ГО от подстилающей поверхности. Наличие воздушного зазора и ГО малой жесткости приводит к неустойчивому равновесному состоянию СВП и возникновению продольно-угловых и поперечно-угловых колебаний при движении СВП.

Для решения указанных проблем необходима разработка исследовательских проектов транспортных средств, обладающих принципиально новыми свойствами, лишенных недостатков традиционных СВП и оборудованных нетрадиционными опорно-движительными комплексами.

Такое исследование выполняется в настоящее время Научно-производственным центром «Специальное машиностроение» МГТУ им. Н.Э. Баумана, причем оно опирается на ряд ключевых инновационных технических решений и открывает возможности создания на их основе семейства высокомобильных ТСВП малой, средней и большой грузоподъемности, способных осуществлять транспортные перевозки в условиях местности регионов Крайнего Севера и Сибири.

В соответствии с замыслом это исследование имеет главными целями разработку технологий определения гидроаэродинамических характеристик ТСВП, предназначенных для решения транспортных задач и освоения труднодоступных регионов Севера, Сибири и арктического континентального шельфа, а также разработку концептуальных проектов соответствующих крупных амфибийных ТСВП. Это предопределило повышенное внимание к научно-методологическому аспекту работы.

Для достижения обозначенных целей разработана комплексная методология, основанная на сочетании физического и вычислительного экспериментов, ориентированная на решение проектных задач по ТСВП и включающая создание:

·                    методики и моделирования динамики движительно-рулевого комплекса во взаимодействии с элементами компоновки ТСВП;

·                    методики и моделирования нагнетательного комплекса во взаимодействии с элементами компоновки и различными видами опорной поверхности, а также расчеты их равновесной конфигурации;

·                    методики и моделирования статики и динамики ГО, принятых к разработке, в том числе их взаимодействие с различными видами опорной поверхности;

·                    верификация разработанных проектных методик результатами физических экспериментов модельных и натурных испытаний.

В ходе проведенных исследований были рассмотрены следующие вопросы:

·                    анализ условий эксплуатации ТСВП в труднодоступных регионах Севера и Сибири, а также на арктическом континентальном шельфе, в том числе - принципы выделения Арктического экономического региона, краткая характеристика климатических поясов и природных зон в районах эксплуатации ТСВП, физико-географические условия базирования транспортной техники в арктической зоне России, особенности снежного и ледяного покрова северной полярной области в местах базирования транспортной техники; климатические условия в арктической зоне России, особенности и ветро-волновых параметров водных бассейнов Арктики, проблемы снабжения прибрежных районов, обусловленные климатическими и природными особенностями;

·                    анализ концепций, конструкций, материалов и механизмов ТСВП для этих условий, а также имеющихся рекомендаций по проектированию ТСВП, выбору их материалов и механизмов;

·                    разработка технологий моделирования различных видов опорной поверхности, характерных для Севера, Сибири и арктического континентального шельфа; разработка комплексного математического описания сил процесса передвижения амфибийного ТСВП над поверхностями различных видов и типов;

·                    разработка подхода к формированию общей концепции исследовательских проектов перспективных ТСВП для Северных и Арктических регионов России, в том числе краткий анализ потенциальных возможностей с контактными движителями и многокамерными системами образования ВП, формирование исходных требований и ограничений, формирование основных концептуальных схемы ТСВП;

·                    детализация основных концептуальных проектов ТСВП с целью первоначальной проверки реализуемости предлагаемых технических решений, в том числе сравнительный анализ разрабатываемых систем по уровню технического совершенства, энергетическим, технико-экономическим и эксплуатационным характеристикам, а также предварительный выбор и обоснование наиболее эффективных решений;

·                    разработка требований к движительно-рулевому и несущему комплексу нетрадиционного типа ТСВП, обеспечивающих необходимые характеристики остойчивости, ходкости, управляемости и амфибийности при эксплуатации в труднодоступных регионах Севера и Сибири;

·                    разработка исследовательских проектов инновационных ТСВП с системами создания ВП, способными обеспечить высокую степень поперечной и продольной устойчивости ТСВП, устойчивость его равновесного состояния, возможность движения по грунтовым и другим подстилающим поверхностям с относительно большими по высоте неровностями с незначительным изменением величины эффективного зазора «грунт - ограждение», отсутствие опасности подлома и затягивания гибкого ограждения, управление колебаниями ТСВП, живучесть и ремонтопригодность ТСВП при повреждениях гибкого ограждения;

·                    разработка математических подходов для формирования подробных 3D моделей ГО, предназначенных для проведения вычислительных экспериментов, направленных на оптимизацию режимов движения ТСВП по поверхностям с крупными неровностями с исключением эффектов подлома, затягивания и повреждения ГО.

Конечной целью разработки является формирование научно-методологической основы для создания амфибийных ТСВП нового поколения, предназначенных для работы в экстремальных условиях российской Арктики.

 

Литература:

1.                 Белоусов Б.Н., Попов С.Д. Колесные транспортные средства особо большой грузоподъемности. Конструкция, теория, расчет. –М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. -728 с.: ил. ISBN 5-7038-2713-2

2.                 Попов С.Д. Об одном из возможных подходов к управлению маневром многозвенных колесных платформ. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана: электронное издание. 2012, вып. 10.

3.                 Технико-экономические проблемы использования новых технических средств транспорта. Под ред. А.П. Ваничева и B.C. Молярчука. -М.: Наука, 1983.

4.                 Алексейчик Н.А. Использование машинно-транспортного парка на торфяно-болотных почвах. -Л.: Колос, 1978.

5.                 Агейкин Я.С. Вездеходные колесные и комбинированные движители. -М.: Машиностроение, 1972.

6.                 Перспективные мобильные энергетические средства для сельскохозяйственного производства. Под ред. М.М. Севернова. -Минск: Наука и техника, 1982.

7.                 Перевезенцев В.В. Транспортно–технологическое обеспечение производства кормов в пойме рек Сибири. «Механизация и электрификация сельского хозяйства», № 10, 1981.