Design

Część 1

W pierwszej części konkursu trzeba było przygotować wstępny projekt, który opisywał działanie Hyperloop jako całości. Przedstawiliśmy w nim nasze pomysły dotyczące najważniejszych podsystemów oraz uargumentowaliśmy ich sensowność i wykonalność. Oto krótki opis naszych pomysłów:

Mechanizm lewitacji

Aby zmniejszyć opory ruchu kapsuły, jednocześnie zwiększając jej prędkość poruszania się, kapsuła Hyperloop nie powinna dotykać podłoża. Elon Musk zaproponowałby unosiła się ona na poduszce powietrznej. Po wstępnej ocenie tego pomysłu, zarówno własnej jak i na podstawie znalezionych źródeł, stwierdziliśmy, że powietrze unoszące kapsułę nad ziemią powodowałoby wyjątkowo duże zaburzenia przepływu, niekorzystne dla pracy systemu.

design1

Dlatego zdecydowaliśmy się na zastosowanie lewitacji magnetycznej. Nie tylko jest to lepiej dopracowana technologia, ale też eliminuje problem niekorzystnych zawirowań powietrza wokół kapsuły. Wybrane rozwiązanie to nowy system, który nie wymaga zasilania toru. Dzięki zastosowaniu specjalnie skonstruowanych silników magnetycznych kapsuła będzie mogła unosić się nad specjalnie zbudowanym podłożem, składającym się z warstw różnych metali. Dzięki takiemu rozwiązaniu, jedynym źródło energii dla lewitacji będzie energia zmagazynowana w bateriach kapsuły, co pozwoli znacząco zmniejszyć koszt budowy tunelu, a co za tym idzie również całego systemu.

design2

Mechanizm lewitacji, dla bezpieczeństwa będzie wspierany przez koła, które będą użyteczne w przypadku postoju kapsuły na czas wsiadania pasażerów. Da to możliwość oszczędności energii w sytuacjach, gdy lewitacja nie jest niezbędna.

Napęd

Podczas normalnego funkcjonowania, kapsuła będzie rozpędzana za pomocą elektromagnetycznych silników liniowych, rozmieszczona w wyznaczonych miejscach w tunelu. Pozwoli to na dokładne sterowanie prędkością kapsuły, bez obaw o nadmierne rozpędzenie, jak i ograniczenie wielkości baterii w stosunku do sytuacji, gdy kapsuła musi rozpędzić się samodzielnie.

design3

W przypadku sytuacji awaryjnych, z pomocą przyjdzie system lewitacji magnetycznej, który pozwoli zarówno wyhamować kapsułę, jak i rozpędzić ją w miejscach pozbawionych zewnętrznych silników liniowych. Dzięki wybranemu przez nas systemowi, system napędzania awaryjnego znajduje się w kapsule, co pozwoli zapewnić bezpieczeństwo np. w sytuacji awarii zasilania tunelu.

Znaczącym czynnikiem w obniżeniu oporów powietrza kapsuły jest zastosowanie sprężarki, znajdującej się na przodzie kapsuły, która przepompowuje powietrze sprzed kapsuły – za nią. Sprawia to, że powietrze nie uderza w kapsułę spowalniając ją, a jest wsysane do jej wnętrza a następnie wąskim kanałem przenoszone za nią. Dzięki sprężarce możliwe jest również uniknięcia zjawiska korka w rurze – nabudowywania się ciśnienia przed kapsułą z powodu niewielkiej powierzchni przepływu powietrza dookoła kapsuły.

full

Sprężenie powietrza pozwala na zwiększenie jego gęstości, przez co przy zachowaniu identycznej prędkości, powietrze może być transportowane znacznie mniejszym kanałem niż kanał wlotowy sprężarki. Odpowiednie ukształtowanie kanału (zastosowanie dyszy de Lavala), przez który prowadzone będzie powietrze pozwoli uzyskać dodatkowo odrzut, który również będzie napędzał kapsułę. Może być to pomocne w newralgicznych punktach trasy.

design4

Połączenie obu tych systemów zapewni optymalną charakterystykę kapsuły, redukując opory aerodynamiczne i zwiększając sprawność całego systemu.

Hamowanie awaryjne

Hamowanie awaryjne będzie odbywać się również z pomocą mechanizmu lewitacji. Zastosowany system magnesów, poprzez wychylenie od osi jest w stanie generować siłę, która może posłużyć do hamowania. Takie rozwiązanie nie dokłada dodatkowego systemu na pokładzie, zmniejszając tym samym stopień skomplikowania pojazdu i całkowitą masę. Siła hamowania zostanie dostosowana do fizjonomii człowieka, żeby przeciążenia nie powodowały obrażeń u pasażerów. Pracujemy również nad systemem wsparcia podczas hamowania, tak, aby zapewnić jeszcze większy stopień bezpieczeństwa podczas sytuacji awaryjnych.

Optymalizacja aerodynamiczna

W związku z dużymi prędkościami kapsuły, jej aerodynamika będzie grała bardzo ważną rolę. Dzięki znajomości oprogramowania do numerycznych symulacji przepływów będziemy w stanie dopracować kształt kapsuły tak, aby stawiała jak najmniejszy opór przepływowi oraz żeby nie powodował on niekorzystnych zjawisk aerodynamicznych, takich jak powstawanie fali uderzeniowej. Znajomość obliczeniowej mechaniki płynów da nam również szanse na opracowanie najlepszego kształtu kanału przelotowego wewnątrz kapsuły, co dodatkowo zminimalizuje oporu ruchu.

design5

Podczas optymalizacji kształtu kapsuły możemy liczyć na wsparcie Instytutu Maszyn Przepływowych Politechnik Łódzkiej. Wielu z jego pracowników zna zagadnienia aerodynamiczne w największym stopniu, co pokazalimiędzy innymi współpracując z firmą Airbus Helicopters przy obliczeniach dla najszybszego śmigłowca na świecie.

ezgif.com-video-to-gif (2)

Systemy bezpieczeństwa

Tym co wyróżnia nas w projekcie są systemy bezpieczeństwa. Wszystkie podsystemy kapsuły Hyperloop projektujemy z myślą o tym, jak uczynić ją jak najbezpieczniejszą i najprzyjemniejszą dla pasażera. Jesteśmy przekonani o słuszności tego podejścia, gdyż system Hyperloop będzie budowany właśnie dla ludzi i to oni finalnie decydują, czy jest to inwestycja godna realizacji. Podróż z ogromnymi prędkościami w zamkniętym tunelu wymaga nadzwyczajnych środków bezpieczeństwa.

W celu jego zapewnienia przeanalizowaliśmy scenariusze różnych awaryjnych sytuacji mogących zdarzyć się podczas podróży kapsułą. Na ich podstawie przygotowaliśmy rozwiązania, w postaci systemów bezpieczeństwa, które odpowiadają na największą ilość mogących się pojawić problemów. Są to m.in. system gaszenia ognia oparte na najnowocześniejszych rozwiązaniach stosowanych w Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, wcześniej wspomniany system awaryjnego hamowania oraz zapasowe podwozie w razie uszkodzenia lewitacji. Dodatkowo opracowujemy problem dużych przeciążeń pojawiający się przy hamowaniu z tak dużej prędkości jak 1000 km/h. Staramy się tutaj o współpracę z firmą TRW zajmującą się systemami bezpieczeństwa w samochodach.

Ze względu na dobro naszego startu w konkursie nie możemy niestety podzielić się naszym głównym systemem, który odpowiada na największą ilość zagrożeń w używaniu Hyperloop. Z biegiem czasu będziemy uchylać rąbka tajemnicy, a przed konkursem pokażemy nasz pomysł w pełnej krasie!

Podsystemy:

  • Mechanizm lewitacji – wybór pomiędzy łożyskami powietrznymi a lewitacją magnetyczną a kołami
  • Napęd w kapsule – kompresor i kanał prowadzący powietrze przez kapsułę. Dodatkowo silnik elektryczny i bateria
  • Napęd zewnętrzny – napęd silnikiem liniowym, który pozwoli oszczędzić baterie w kapsule
  • Mechanizm hamowania awaryjnego – hamowanie z użyciem systemów magnetycznych
  • Systemy bezpieczeństwa – scenariusze możliwych sytuacji i rozwiązania do nich dostosowane – przykłady

Dodatkowe elementy:

  • Oszacowanie masy i konsumpcji energii kapsuły dla każdego podsystemu
  • Wymiary kapsuły i ergonomia wnętrza

 

Część 2

 

Do momentu wysłania wersji finalnej prezentacji planujemy dopracować koncepcję całej kapsuły, tak żeby była ona przemyślana i spójna, przy dość dużym poziomie szczegółowości projektu. Całościowy design posłuży nam, jako poparcie i punkt umocowania dla kluczowego elementu, jakim w naszym przypadku będą szeroko rozumiane systemy bezpieczeństwa, włączając w to zarówno systemy pokładowe jak i ogólny sposób funkcjonowania całego systemu Hyperloop.

W finalnej wersji projektu znajdą się informacje na temat:

  • Rozmiarów i masy kapsuły, rozdzielone na każdy system
  • Ocena możliwości załadunkowych kapsuły – nośność
  • Źródła energii kapsuły i zużycie energii podczas podróży
  • Dokładny projekt mechanizmu lewitacji i systemu zapewniającego stabilność
  • Szczegółowy projekt napędu kapsuły
  • System hamowania kapsuły
  • Charakterystyka aerodynamiczna kapsuły
  • Trajektoria kapsuły – prędkość poruszania się w określonych miejscach tunelu
  • Ocena wytrzymałości kapsuły w odniesieniu do przeciążeń podczasrozpędzania i hamowania
  • Ocena kosztów budowy kapsuły.

Od ogłoszenia wyników rozwijamy koncepcje ogólną, dopracowując szczegóły pomysłów. Główny nacisk kładziemy na systemy bezpieczeństwa, ponieważ uważamy, że jest to kwestia, w której możemy zaproponować najciekawsze rozwiązania. Pracujemy także nad koncepcja rozwoju tunelu, a dokładniej nad zmianami niektórych elementów, tak żeby uczynić podróż bezpieczniejszą, podnieść możliwości reagowania na sytuacje wyjątkowe i dać potencjalnym pasażerom poczucie bezpieczeństwa.

Większość rozwiązań zaproponowanych w 1 etapie zostanie zaimplementowana również w finalnej wersji kapsuły. Zostaną one jednak zaprezentowane dokładniej i podparte obliczeniami, które znajdą się w raporcie wysłanym do organizatora konkursu.

CreoGIF

 

Reklamy