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.