Algoritmii de control [309819]

Algoritmii de control

pentru conceptul Hyperloop

Cuprins:

I. Introducere..………………………………………………………………

1.Aplicabilitate – [anonimizat]

2. Concept Hyperloop

3. Algoritmii de control

4. Personal contribution………………………………………………………………

5. Evaluare – [anonimizat], CCS, Rezultate……………………………

II. Concluzii…..…………………………………………………………………………..
II. Problema globala a mijlocului de transport in comun

1. transport in comun de mare viteza

2. Povestea de succes a Maglevului – vs. ex. Trenuri

3. [anonimizat]

4. Conc pe care le adreseaza lev magn in tub vidat

5. Consecinte – [anonimizat]’s new – 5.1. Superconductivitatea

6. Avantaje si dezavantaje cu Maglev

III Hyperloop

1. Hyperloop concept

3.1.1 Istoric

3.1.2 Motive pentru a construi si Locatii tinta. – SF – LA, plus prin Europa

2. Parti componente Hyperloop

3.2.1 tub

3.2.2 capsula

3. [anonimizat]

3.3.1. Introducere rLoop

Capitolul 2

Problema globală a mijlocului de transport în comun

2.1 Transport in comun de mare viteza

Transportul in comun de mare viteza prezinta o gama relativ saraca de optiuni.

[anonimizat], marea majoritate a [anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat], se începea dezvoltarea trenurilor de mare viteză. [anonimizat], dedicate pentru anumite distanțe si viteze. [anonimizat], [anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat]. Acest subiect va face sens lucrării în capitolele următoare.

Într-un lanț denumit “Trans-[anonimizat]” ce parcurge țările Europei de Vest: Franța, Spania, Italia, Germania, Austria, Suedia, Belgia, Olanda, [anonimizat] o infrastructură relativ dezvoltată față de Statele Unite ale Americii. [anonimizat]-uri, care au atins o viteză record de 574.8 km/h pe data de 3 Aprilie 2007 [1], acoperă o [anonimizat]. [anonimizat] 300 km/h. [anonimizat], [anonimizat] a [anonimizat]. Distantele lungi pe care oamenii le au de parcurs sunt echitabile pentru a [anonimizat] a fi strabatute cu masina. [anonimizat].
[anonimizat], care este puternic dezvoltata relativ chiar si la Vestul Europei. [anonimizat] a masinilor. Un bun exemplu ar fi pretul benzinei care nu depaseste suma modica (convertit in moneda nationala) de 2 lei/l. Un salariu mediu pe economie in San Francisco in anul 2014 a fost de ~ 7000$ [2]. In plus, la varsta de 16 ani, orice cetatean american are dreptul sa aiba permis de conducere. Dat fiind faptul ca distantele intre doua puncte de reper in aceasta tara sunt relativ departate, fiecare cetatean, chiar si modest din punct de vedere financiar, are la dispozitie masina cu care se poate deplasa.

Fig. 2.1 – Liniile de transport de mare viteza din SUA[3]

Fig. 2.2 – Venituri medii San Francisco[2]

In Asia, lucrurile sunt usor diferite fata de Europa, dar si fata de SUA. De-a lungul vremii, nu a existat clasa de mijloc a societatii. In Singapore, cele mai de lux locuri se afla in imediata vecinatate a unor case care sunt la polul opus. Analogia se poate face si in domeniul transporturilor, acolo unde, pe langa trenurile de mare viteza asemanatoare cu cele din Europa si SUA, a aparut si conceptul “Maglev”.

2.2 Povestea de succes a Maglevului

Cu o viteza maxima de 603 km/h atinsa in anul 2015, Maglev este un mijloc de transport in comun ce se bazeaza pe levitatie magnetica. Inca din anul 1902 se lucreaza la acest concept, atunci cand, conform patentului facut de profesorul Zehden [4] motoarele liniare bazate pe levitatie magnetica erau eficiente pentru a se dezvolta un sistem bazat pe castigul nefrecarii cu o suprafata de contact. Relativ la miscarea corpului intr-un mediu, acest sistem prezinta, totusi, un dezavantaj al frecarii cu aerul, fapt ce face sens aceasta lucrare.

2.3 Parti componente ale Maglevului – Detalii tehnice

Tehnologia ce a permis crearea acestui concept se bazeaza pe levitatia si propulsia unui corp in mediul exterior. Asa cum am precizat si la subcapitolul 2.2, exista anumite avantaje ale conceptului, chiar din punct de vedere economic (consum scazut), dar si ecologic (emisia gazelor toxice). Printre diversele probleme ce pot aparea, exista si stabilitatea corpului levitat.

Dat fiind faptul ca levitatia se bazeaza pe un camp magnetic generat de utilizarea unor magneti sau electromagneti foarte puternici, fenomenul poate fi controlabil prin ajustarea directiei sau a amplitudinii respectivului camp. Doua importante metode de levitatie sunt: suspensie electromagnetica (EMS) si suspensie electrodinamica (EDS).

2.3.1 EMS

Un obiect levitat prin tehnica EMS are ca suprafata de transfer un mediu format din otel, in timp ce electromagnetii sunt atasati la respectivul obiect. Sistemul este aranjat într-o serie de brațe în formă de C, partea superioară a brațului fiind atașat la vehicul, iar cea mai mică în interiorul marginii care conține magneți. “C-ul” este situat între superiorul si inferiorul marginii[5].

Pentru a se pune problema stabilitatii levitatiei, esentiala este o lege ce guverneaza fortele de atractie magnetica, astfel incat, se enunta o dependenta a acestei forte de distanta dintre marginea superioara si cea inferioara[6].

(2.1)

Fig. 2.3 – Principiul de levitatie EMS

Distanta intre cele doua suprafete ce asigura levitatia trebuie sa ramana constanta, fiindca o mica variatie a acestei marimi, ar putea fi fatala pasagerilor ce se afla inauntrul trenului. O buna masura a distantei de levitatie a trenului este de 15mm fata de pista, o marime relativ mica, dar suficienta pentru a asigura evitarea frecarii cu suprafata. Daca, spre exemplu, aceasta marime de levitatie se modifica cu un , vom avea un offset de forta proportional cu : imens. In schimb, toate sistemele sensibile la offset-uri mici, cu iesiri semnificative fata de valori nominale (chiar cu cateva ordine de marime), sau amplificari ale altei marimi, au mereu o bucla de reactie negativa, ce stabilizeaza intreg sistemul, altfel spus, unii poli ai functiei de transfer a sistemului de levitatie in momentul in care se destabilizeaza ies din raza cercului unitate din planul imaginar. In industrie, exista tipologii de algoritmi aplicati pentru stabilitatea unui sistem, care implica bucle de reactie, deobicei hibride, adica si pozitive, cat si negative, subiect ce va fi discutat in capitolele urmatoare. Concluzionand, exista un algoritm ce impune o stabilitate a trenului la schimbarile bruste ale mediului. Acest algoritm este format din mai multe componente, printre care unul format dintr-o reactie pozitiva a sistemului, iar altul printr-o reactie negativa. Bucla de reactie negativa, daca este tunata conform simularilor, poate avea un raspuns tranzitoriu foarte scurt, astfel incat sa nu se observe instabilitatea sistemului. De asemenea, bucla negativa implica utilizarea derivatelor in sistem pentru observarea schimbarilor de stare. Acest principiu, EMS, utilizeaza asemenea algoritmi.

2.3.2 EDS

Aceasta metoda de levitatie, obtinuta prin dinamica magnetilor superconductori permite un bun control asupra capsulei. Atat forta de respingere intre cei doi poli de aceeasi polaritate, N-N, cat si forta de atractie intre cei doi poli de polaritati diferite, N-S, sunt foarte puternice, astfel incat, nu se pune problema controlului in sens critic. Un prim avantaj este prezentat prin lipsa complexitatii algoritmului de stabilitate, cel putin la prima vedere.

Schimband interactiunea dintre magnetii superconductori aflati in stabilitate mecanica pe tren cu alternanta de magneti superconductori aflati pe marginea suprafetei peste care se leviteaza, se autoinduc curentii de tip “Eddy” care permit creearea campului magnetic. De precizat este faptul ca acesti magneti superconductori sunt infasurati in fire de cupru, ce permit mobilitatea curentului. Dupa cum se vede in Fig. 2.4, forma actuala la care s-a ajuns pentru a se obtine levitatia si propulsia trenului este format din doua forte complementare, de repulsie si atractie, in care pozitia de “0” a trenului nu reprezinta o problema[7], dar initial a fost propusa o varianta in care se utiliza doar forta de repulsie. Forta de atractie permite o stabilitate mai buna venita chiar din partea de hardware, fara a fi necesara scrierea unui software cu bucle de reactie hibride, pentru ca tunarea sistemului ar deveni o problema si mai complexa. In schimb, exista o problema de consum relativ deranjanta fata de sistemul EMS. La viteze mici, frecventa de schimbare a polaritatii scade, de asemenea, curentul indus prin bobinele formate scade si el, iar campul magnetic nu este atat de puternic incat sa poata mentina levitat corpul, astfel incat, este nevoie de un sistem aditiv[8]. Acest sistem aditiv pot fi niste roti aflate sub tren, care la viteze mici cupleaza cu sina. Aceasta frecare cu sina permite un consum de energie mai ridicat, iar acceleratia la viteze mici devine destul de mica.

Fig. 2.4 – Principiul de levitatie EDS

Fig. 2.5 – Principiul de levitatie EDS

O alternativa ipotetica la aceasta problema ar putea fi schimbarea magnetilor in unii si mai puternici, dar tehnologia nu permite acest lucru.

2.3.3 EMS vs. EDS

O comparatie intre cele doua sisteme bazate de altfel pe utilizarea magnetilor ar fi reprezentata de faptul ca EMS foloseste un camp magnetic mai mic decat EDS, dar unul care nu fluctueaza in mod excesiv. Un dezavantaj este faptul ca la un mic offset al inaltimii de levitatie, sistemul devine puternic instabil. Viteza maxima pe care o atinge trenul ce utilizeaza aceasta tehnologie este de 500 km/h. Un avantaj al EDS-ului este ca atinge viteze mai mari decat EMS, dar nu remarcabil: 603 km/h. Insa, asa cum am descris mai sus, campul magnetic generat de magnetii superconductori este foarte puternic putand dauna mediului interior si exterior. Din punct de vedere al partii interioare, acest sistem poate sa dauneze obiectelor ce utilizeaza camp magnetic, spre exemplu: carduri, telefoane. Un alt dezavantaj al acestei tehnologii este folosirea altor sisteme la viteze mici (roti), fenomen explicat mai sus.

Pana in acest punct, s-au prezentat perspectivele conceptului Maglev, ce evidentiaza in cea mai mare parte un avantaj (energie) fata de trenurile clasice de mare viteza. Bineinteles, un alt factor ar fi cel economic: infrastructura pe care se poate construi un asemenea mijloc de transport in comun nu este tocmai ieftina, din cauza pretului magnetilor superconductori. Pe termen lung, consumul redus poate compensa investitia de moment. O alta comparatie din punct de vedere al transportului se poate face relativ la avioane:

Consumul: costul pe kilometru al Maglevului este mai redus fata de costul pe kilometru al avionului.

Viteza maxima atinsa: avion: 900 km/h, Maglev: 600 km/h.

Rutarea: in timp ce avionul poate sa parcurga orice drum intre doua puncte distincte, Maglev are o infrastructura dedicata ce nu poate fi construita in orice tip de mediu.

Scopul: distantele parcurse cu trenul Maglev sunt optimale pe distante relativ mijlocii, acolo unde timpul petrecut pe drum cu un tren obisnuit este prea mare, dar nici avionul nu poate prezenta o perspectiva din cauza timpilor petrecuti pe aeroport.

Siguranta: Maglev ofera un mediu sigur, astfel incat, acesta nu are posibilitatea de a se ciocni cu vreun obiect, iar in acelasi timp, nu exista substante critice transportate. Avionul, la randul lui, este un mijloc de transport in comun sigur.

2.4 Conceptele levitatiei magnetice in tubul vidat

Cum am prezentat in subcapitolele precedente, propulsia Maglevului se realizeaza in aer. Cum ar fi ca levitatia si propulsia sa se realizeze intr-un mediu ideal, inchis, etans, chiar in vid? Din pacate, se cunoaste faptul ca este imposibil obtinerea vidului perfect, insa, exista cai de mijloc, cum ar fi conditii de presiune atmosferica joasa. Presiunea atmosferica reprezinta forta cu care moleculele de aer lovesc o suprafata de contact, in cazul nostru trenul. Aceste lovituri dauneaza consumului de energie, forta impusa de molecule fiind de sens opus. In legea ce descrie domeniul barometriei, variatia marimii numita presiune cu celelalte marimi al mediului inconjurator, exista relatia 2.2:

(2.2)

Presiunea la nivelul de 0m este:

(2.3)

Din relatiile (2.2 si 2.3), se obtine:

(2.4)

, unde:

(2.5)

Fig 2.6 – Conditii de presiune atmosferica joasa

Pe de alta parte, se stie faptul ca , iar unde:

Asadar, daca numarul moleculelor de aer din mediul prin care trenul trece, scade, presiunea exercitata de moleculele de aer asupra trenului scade, in concluzie, forta de frecare cu aerul tinde sa aiba o valoare neglijabila.

Ca solutie a acestei probleme, se poate crea un mediu inchis fata de exterior prin care se depresurizeaza tubul. Pasagerii trenului pot respira aerul ce se afla in tren, izolat fata de vidul din interiorul tubului. Existenta pompelor de vid performante permit crearea conditiilor de presiune atmosferica joasa, astfel incat, cu o transformare adiabata, urmata de o transformare izoterma, si procesul continuand pana la saturarea nivelului de scadere a numarului de molecule de aer, se poate ajunge la un nivel de presiune dorit. Tubul trebuie sa fie realizat dintr-un material dur ca otelul, cu o grosime semnificativa pentru a putea rezista conditiilor de mediu. In acelasi timp, acest material trebuie sa fie mobil pentru a suporta stresul mecanic generat de un cutremur.

2.5 Consecinte ale levitatiei magnetice in tubul vidat

O consecinta a conceptului de levitatie magnetica in conditii de presiune atmosferica joasa este reprezentat de nivelul de energie consumat pentru a ajunge la aceleasi performante care pentru un acelasi sistem (in cazul acesta, tren) aflat in conditii normale de presiune, energia corespunzatoare consumata ar fi relativ mai mare decat in prima situatie. Acest fapt este un avantaj al folosirii levitatiei magnetice, insa exista si nenumarate dezavantaje critice din punct de vedere al functionarii.

In cazul in care s-ar produce o fisura a tubului, prin care se presurizeaza tubul, conglomeratul de molecule de aer lovesc puternic trenul si produc o instabilitate ce ar putea fi fatala pentru pasagerii ce se afla inauntrul trenului, astfel incat, trebuie utilizat un material foarte rezistent, cum ar fi otelul, dar in acelasi timp, flexibil la posibilele cutremure.

Un alt dezavantaj al tehnologiei ce foloseste tubul vidat ar putea fi reprezentat de incalzirea magnetilor/electromagnetilor si eventualei suprafete conductoare (aluminiul). In cazul folosirii acestora intr-un mediu de presiune atmosferica normala () suma tuturor loviturilor moleculelor de aer asupra acestor obiecte cauzeaza un schimb de energie intre cele doua, astfel incat, incalzirea conductoarelor nu este o problema iesita din comun. Atunci cand se foloseste un tub vidat, in care densitatea moleculelor este una scazuta, pot aparea incalziri ale electromagnetilor, suprafetei conductoare, sau chiar a motoarelor de levitatie, ultimul concept fiind prezentat ulterior, in capitolele ce urmeaza. Fenomenul de incalzire este datorat efectului Joule, astfel incat, curentul de tip Eddy care trece printr-un material conductor ce prezinta o rezistenta parazita incalzeste respectivul material. Aceasta caldura influenteaza negativ amplitudinea campului respectiv, iar acesta devine mai slab, consumand acelasi curent. Amplitudinea

Fig. 2.7 – Posibila infrastructura a unui tub vidat [9]

Fig. 2.8 – Tub vidat

curentului de inductie a campului magnetic este proportional cu frecventa de schimbare a polilor electromagnetilor.

(2.6)

Pentru racirea sistemelor folosite la Maglev, cat si la cele in tub vidat, cu scopul de a creste randamentul tehnologiei, se folosesc materiale criogenice atat in magneti/electromagneti, cat si in platforma conductoare (aluminiu). Cu aceste materiale criogenice, se doreste a se ajunge la temperaturi foarte scazute in mediile generatoare sau conductoare, astfel incat, efectul Joule sa se reduca la minim (materialul respectiv sa primeasca energie, si anume caldura), iar rezistenta materialului generator sau conductor sa fie chiar 0. Acest fenomen se numeste superconductivitate si este utilizat in domeniul materialelor electromagnetice pentru a reduce costul energiei in mediile in care permit acest lucru.

2.5.1 Supeconductivitatea

Cu scopul de a reduce rezistivitatea unui material conductor (inclusiv magneti sau electromagneti), se pot folosi fluide criogenice ce performeaza chiar si pana la nivelul de superconductivitate. Superconductivitatea reprezinta momentul in care rezistivitatea unui material scade la 0, o data cu scaderea temperaturii a respectivului material. Aceasta temperatura, unde rezistivitatea devine 0, se cheama temperatura critica. Conform relatiei:

(2.7)

, daca rezistivitatea , rezistenta materialului respectiv va deveni , iar respectivul material nu va mai consuma prin efect Joule.

Se va prezenta un tabel cu valori ale temperaturilor critice () pentru diverse materiale ce pot fi superconductoare[10]:

Fig. 2.9 – Superconductivitate

Fig. 2.10 – Dependenta rezistivitate – temeperatura pentru superconductoare si metal normal

Dupa cum se observa in tabelul prezentat in cadrul acestui capitol, temperatura critica a diverselor materiale superconductoare se intinde pe o gama relativ mare de temperaturi(). In utilizarea acestor materiale pentru diverse infrastructuri de transport de mare viteza, insa, se considera mai multe aspecte, nu doar capabilitatea dea a obtine cat mai usor un nivel de superconductivitate. Spre exemplu, plumbul este foarte toxic, iar o cantitate uriasa ce ar acoperi o distanta de 700 de kilometri, ar putea afecta sanatatea unei persoane. In acelasi timp, acest material este foarte scump, iar utilizarea lui este pentru aplicatii ce necesita o denistate relativ mare de lucru. In aplicatiile din ziua de astazi pentru levitatie se foloseste aluminiul. Inclusiv, pentru generarea unui camp magnetic aditional pentru levitatie, Maglev foloseste aluminiul chiar daca are o temperatura critica foarte joasa. Folosirea superconductivitatii se face la inceputul calatoriei, astfel incat, cel mai mult curent consumat al unui sistem cum ar fi Maglev, este atunci cand procesul de levitatie/propulsie porneste.

Temperatura conductoarelor trebuie scazuta la limita temperaturii critice, astfel incat sa existe acel salt de rezistivitate ce tinde spre 0. Exista diversi algoritmi ce pot testa si verifica variatia rezistivitatii materialului prin metoda derivatelor. La startul nivelului temperaturii critice, tangenta unghiului la graficul rezistivitatii in functie de temperatura este maxima. In plus, dupa cateva momente, aceasta ajunge la 0. In graficul prezentat, este un salt de tip treapta, ideal, dar in realitate exista o mica intarziere in temperatura.

(2.8)

Fig. 2.11 – Levitatia la nivel atomic

Dupa cum se observa in Fig. 2.11, superconductivitatea este un fenomen la nivel cuantic, astfel incat, la racirea superconductorului, vectorul camp magnetic ocoleste toata suprafata superconductorului, pe langa atomii materialului, si nu se pierde in interorul lui. Prin acest fenomen, se explica rezistenta electrica . Sunt prezentate cele doua situatii, atunci cand temperatura superconductorului si .

2.6 Comparatie Maglev si conceptul tubului vidat

Conceptul Maglev introduce levitatia in vid. Practic, vom defini conceptul de levitatie in vid, de acum incolo – “Hyperloop”. Hyperloop este un concept lansat de SpaceX prin intermediul inventatorului si anteprenorului Elon Musk.

Se poate considera faptul ca amandoua conceptele (Maglev si Hyperloop) folosesc levitatia pe baza unor campuri magnetice generate de magneti/electromagneti. In plus, din punct de vedere tehnic, trenurile (subiect dezbatut la urmatorul capitol) au o constructie asemanatoare, astfel incat, sa foloseasca Efectul Coanda. Suprafata curbata la nivelul contactului dintre moleculele mediului in care activeaza trenul si tren diminueaza frecarile, deoarece fluidul tinde sa urmareasca curbura obiectului (trenului)[11].

Hyperloop prezinta siguranta: o capsula autonoma elimina orice risc al vreunei greseli umane – in plus, exista si avantaje financiare.

Hyperloop este mai rapid: cum am precizat la inceputul acestui capitol, viteza maxima la care a ajuns Maglev este de aproximativ 600 km/h, iar tinta Hyperloop este de cel putin 1200 km/h.

Hyperloop foloseste puterea solara pentru a se alimenta. Exista panouri solare ce genereaza energie electrica. De exemplu: o ruta sustenabila pentru acest principiu de alimentare se afla in California. Clima permite generarea unei energii electrice datorita temperaturilor ridicate. Exista doua orase importante in California, intre care s-ar putea construi o infrastructura de tip Hyperloop: in nordul Californiei: San Francisco, iar in sudul Californiei: Los Angeles.

Hyperloop este imun la vremea de afara. Cum Hyperloop inseamna izolare fata de mediul exterior, acest mijloc de transport in comun poate fi folosit independent de influentele exterioare. In schimb, Maglev este dependent de vremea de afara. In plus, daca afara bate vantul, pentru a ajunge la aceleasi performante, energia consumata este mai mare.

Maglev este mai flexibil decat Hyperloop.

Pastrarea vidului sau chiar si a unei presiuni atmosferice foarte joase reprezinta o problema ce poate aparea.

Daca ar exista mai multe rute de tip Hyperloop, transferul capsulei intre doua rute, ar reprezenta un efort destul de mare.

Concluzionand, cu toate avantajele si dezavantajele de o parte si de cealalta, fiecare din cele doua mijloace de transport in comun este facut pentru un anumit tip de ruta, pentru anumite reliefuri, dar si distante. In capitolele ce urmeaza se va prezenta indetaliat mijlocul de transport in comun numit Hyperloop, dar si toate conceptele tehnice pentru construirea unui prototip.

Fig. 2.12 – Conceptul Hyperloop Alpha

Capitolul 3

Hyperloop

3.1 Conceptul “Hyperloop”

3.1.1 Istoric

Hyperloop nu este un concept nou. Mai interesant este faptul ca primul om care a cercetat acest concept este chiar un roman, si anume, Henri Coanda. Cercetatorul roman a reusit sa puna bazele unui sistem Hyperloop inca din anii 1970, atunci cand in Muntii Ciucas s-a construit o infrastructura formata dintr-un tub vidat. El cu ajutorul institutului pe care il conducea, INCREST (Institutul pentru Creatie Stiintifica si Tehnica) studia Efectul Coanda cu aplicatie in Hyperloop, iar primele rute ce voiau a se pune in aplicare vizau orasele Constanta, Brasov si Bucuresti.

Primul test al acestei tehnologii s-a facut in apropiere de CET SUD in iunie 1971 intr-un tub de 200 de metri lungime si un metru diametru. Statia de propulsie continea patru ventilatoare, iar intreg sistemul era automatizat. In anul 1980, la 8 ani dupa moartea lui Coanda, s-a experimentat si transportul oamenilor prin tuburi. Toate aceste locatii de cercetare, insa, au fost distruse din motive politico-sociale, astfel incat, la revolutia din 1989 s-a pus capat activitatii de cercetare a acestui domeniu, iar toata infrastructura a fost data la fier vechi. Chiar daca nu au ajuns la performante remarcabile din punct de vedere al vitezei atinse, acesta a fost inceputul Hyperloop, un inceput ce a fost continuat in zilele noastre prin ideile lui Elon Musk, CEO SpaceX si Tesla.

Fig. 3.1 – Conceptul Hyperloop inceput de Henri Coanda

Povestea Hyperloop a fost relansata in anul 2013 de anteprenorul mentionat mai sus, atunci cand, studiand mijloacele de transport in comun, a realizat faptul ca America are o infrastructura relativ slaba de trenuri (vezi Capitolul 2).

3.1.2 Locatii tinta si motive

Drumul intre San Francisco si Los Angeles este unul dintre cele mai calatorite rute din zona Americi de Vest. Modurile de transport in comun in aceasta zona includ diverse optiuni:

Drumuri – ieftin, lent, nu produce sunet deranjant populatiei.

Avioane – scump, rapid, nu produce sunet deranjant populatiei.

Trenuri – scump, incet, nu produce sunet deranjant populatiei.

Noul mod de transport in comun, Hyperloop, trebuie sa aiba toate beneficiile pentru a acoperi un interval cat mai mare a tipologiilor populatiei ce folosesc mijloace de transport in comun:

Timpi mici pentru imbarcare

Ieftin

Rapid

Prietenos din punct de vedere al infrastructurii

Principalele doua motive pentru care se construieste aceasta infrastructura sunt pe de o parte cele sociale, iar pe de alta parte, cele energetice (vezi Fig. 3.3), eco-prietenoase. Modelul construirii unui asemenea prototip este full-electric, inspirat de modelul Tesla. Se doreste a se folosi un sistem solar pentru a alimenta toata functionarea infrastructurii.

Infrastructura este formata din tubul vidat (in principiu, trebuie expuse doua tuburi vidate din material de otel pentru directia LA – SF, dar in acelasi timp si pentru SF – LA, cu metodele specifice de vidare; pilonii de sustinere al tubului sunt plasati din 30 in 30 de metri), capsula (valabila pentru 28 de pasageri care trebuie sa contina o camera presurizata), propulsia (acceleratoare liniare, bazat pe principiul statorului si a rotorului), si ruta dorita (ideea SpaceX: o ruta nominala ar fi intr-un interval de 700 km – 3000 de km, cu diverse statii intre cele doua puncte de pe traseul initial).

Cea mai mare problema a acestui concept este pastrarea vidului sau a conditiilor joase de presiune atmosferica in statiile disponibile pe o ruta de tip “peer-to-peer”. Problema aceasta apare din cauza fluxului de molecule de aer ce reuseste sa intre in tub, atunci cand pasagerii coboara sau urca in capsula. Bineinteles, la fiecare actiune de acest gen, se consuma un lucru mecanic pentru coborarea presiunii prin pompele de vidare. In schimb, acest “vid” se poate procesa foarte rapid, iar timpii de intarziere nu vor afecta respectarea conceptului de “timpi minimi” petrecuti pentru imbarcare.

Fig. 3.2 – Schema bloc Hyperloop

Fig. 3.3 [12] – Energia consumata pe cap de calator pe ruta SF-LA

3.2 Parti componente Hyperloop

Asa cum am amintit in Capitolul 3.1.2, exista mai multe componente ce trebuie construite ca sa se poata alcatui o infrastructura de tip Hyperloop: capsula, tubul, propulsia si ruta.

3.2.1 Capsula

Viteza maxima dorita de la acest mijloc de transport, respectiv de la capsula ce se va afla in tubul vidat, este aproximativ egala cu viteza sunetului, si anume 1200 km/h. Geometria capsulei este bazata pe efectul Coanda ce permite fluidului din mediul exterior sa urmeze forma capsulei. Suprafata frontala in sensul de circulatie, un factor proportionalizat de forta de frecare, este minimizata, dar cat timp aceasta forma a capsulei nu incomodeaza persoanele din interior.

(3.1)

Vehiculul este rationalizat pentru a reduce forta de franare cu ajutorul unui posibil compresor aflat in partea frontala. Un dezavantaj al acestui compresor poate fi reprezentat prin greutatea pe care il are. Au fost teste realizate care arata facilitatea acestei componente.

Fig. 3.4[12] – Compresor Hyperloop[12]

Suspensia (levitatia) capsulei in tub prezinta o incercare inginereasca substantiala din cauza atingerii vitezei supersonice. Rotile conventionale devin impractice in acest caz datorita fortelor de frecare posibile si instabilitatea dinamica (principalul subiect abordat pentru aceasta teza). O solutie tehnica viabila pentru aceasta tehnologie ar fi reprezentata de levitatia magnetica, o solutie relativ buna la aceasta problema, dar destul de scumpa. O alta solutie ar fi o suspensie bazata pe perne de aer. Aceasta idee ofera stabilitate si fezabilitate exploatand conditiile atmosferice din mediul exterior.

Solutia “pernelor de aer” este o metoda optima si potrivita pentru Hyperloop din cauza rigiditatii excesive care poate ajuta la mentinerea stabilitatii la viteze foarte mari. Capsula poate de asemenea include roti traditionale de avion, care pot fi deplasate in momentul unei urgente. Capsula poate folosi aceasta tehnologie de generare a presiunii pe sub ea la viteze moderate spre viteze foarte mari. Aerul de sub portiunea cu motoare de levitatie bazate pe fluiditatea lui devine presurizat, ceea ce modifica campul de curgere spre satisfacerea legilor fundamentale de masa, impuls si conservarii energiei. Rezultanta presiunii asigura o forta de ridicare suficienta pentru a sustine o portiune din greutatea capsulei. In orice caz, campul de presiune generat de aceasta aerodinamicitate nu este suficienta pentru a suporta intreaga greutate a vehiculului. La viteze foarte mici, forta de ridicare a vehiculului este foarte mica, dar pe cat aceasta viteza creste, compresabilitatea creste si devine foarte importanta, dar ajunge la o limita superioara ce este data de geometria “motorului cu aer”. Prin urmare, pe langa aceasta solutie, este necesara folosirea unei alte surse de levitatie.

(3.2)

Sistemul de levitatie bazat pe aer este de asteptat sa cantareasca undeva la 2800 kilograme incluzand compresorul din partea frontala, rezervorul de aer pentru crearea presiunii, suspensia, dar si suportul motoarelor. Costul total doar al levitatiei bazate pe aer este tintuit la maxim $475 000.

Fig. 3.5[12] – Exemplu de levitatie bazata pe presiunea aerului

Pe langa aceasta suspensie bazata pe aer, se pot folosi motoare de levitatie bazate pe campuri magnetice generate. Un bun exemplu este EDS prezentat la capitolul anterior, concept folosit de Maglev. Un sistem conventional pentru acest principiu ar fi cel hibrid: levitatie pe perne de aer si levitaie pe camp magnetic. In continuare, se va prezenta un calcul al costurilor puterii electrice consumate realizat pentru conceptul bazat pe levitatie pe perne de aer, pe langa alte electronice.

Sistemul de energie al capsulei contine in totalitate 5500 kg si include bateriile folosite pentru a putea alimenta motorul compresorului (4000 kg din greutatea bateriei), dar si sistemul de racire. Costul bateriilor, motorului si a componentelor electronice este estemiat undeva la $200000 pe capsula pe langa costul sistemului de suspensie.

In scopul de a propulsa capsula la nivelul de viteza recomandat, se va folosi un sistem bazat pe motor linear care va accelera capsula la 1200 km/h. Acest tip de propulsie aduce si un subsistem de levitatie. Elementul miscator al motorului linear (rotorul) va fi atasat pe vehicul, in timp ce statorul va fi incorporat in tub si va alimenta vehiculul. Totalitatea sistemului de propulsie atasat vehiculului va cantari in jur de 1600 kg incluzand si suportul sistemului de franare, iar acceleratia va fi aproximativ de

. Costul total al acestor subsisteme este aproximat undeva pe la $150000.

3.2.2 Tubul

Asa cum este mentionat in decursul acestei lucrari, principala ruta Hyperloop consta dintr-un tub cilindric evacuat partial care leaga statiile San Francisco si Los Angeles intr-o bucla inchisa. Tubul este dimensionat special pentru un debit optim de aer pe langa capsula crescand performantele si energia consumata la viteza de calatorie asteptata. Presiunea asteptata in interiorul tubului va fi mentinuta in jurul valorii de 0,015 psi ceea ce inseamna o diferenta de 3 ordine de marime fata de presiunea pe Pamant si ⅙ din presiunea de pe Marte. Aceasta presiune joasa minimizeaza forta de frecare. In plus, eficienta pompelor de vid scade exponential cu scaderea presiunii.

Fig. 3.6 – Viteza pompei de vid pentru un interval de presiune

Pentru a minimiza costul tubului Hyperloop, acesta va fi ridicat/construit pe stalpi care reduc foarte mult amprenta pusa de mediul inconjurator sau de terenul accidentat, iar dimensiunea constructiei se minimizeaza. In plus, acest tub se doreste a fi construit cat mai aproape de autostrazile operate. Calatoria Hyperloop se va simti neteda, deoarece nu vor exista contacte mecanice intre infrastructura tubului si capsula, iar stabilitatea va fi asigurata de infrastructura bazata pe aer si levitatie magnetica.

Cand se vorbeste despre geometria Hyperloop, trebuie tinut cont de limita Kantrowitz care impune un anumit raport de arii intre suprafata totala a unei sectiuni transversale si suprafata de contact a capsulei Hyperloop. Daca vehiculul este foarte mare, aerul nu are loc destul ca sa poata sa treaca in spatele capsulei, astfel incat viteza de deplasare devine foarte mica. Un asemenea studiu a fost facut de NASA Ames California care exprima raportul ariilor celor 2 elemente prezentate mai sus cu ajutorul coeficientului de transformare adiabatica:

(3.3)

unde:

(3.4)

[13]

unde:

Fig. 3.7 – Limita Kantrowitz[13]

Fig. 3.8 – Capsula in tubul Hyperloop

Suprafata tubului va fi captusita cu panouri solare pentru a asigura sistemul partial de energie, care va putea alimenta bateriile si acumulatorii. Aceasta reprezinta o zona de 6,6 m latime pentru mai mult de 600 de kilometri de lungime de tub. Productia energiei este estimata undeva la , iar in totalitate, ne putem astepta la o putere de la varful activitatii solare. Aceasta energie este indeajuns infrastructurii Hyperloop.[12]

Statiile sunt izolate cat mai mult posibil de tubul principal pentru a putea limita scurgerile de aer in sistem. Pompele de vid vor functiona continuu in diferite locuri de-a lungul lungimii tubului pentru a mentine presiunea necesara. Costul total al pompelor de vid necesare pentru distanta dintre San Francisco si Los Angeles sunt de asteptat sa nu depaseasca 10 milioane $. Pentru a mentine un cost minim, se va folosi un tub de otel gros si uniform, iar sectiunile tubulare vor fi prefabricate si instalate intre piloni la distante de 30 de metri, unul fata de celalalt. Grosimea tubului va fi aproximativ 3 milimetri. Astfel incat, intre cele doua orase cheie, costul total este asteptat sa fie mai mic decat 1.2 miliarde $.

3.2.3 Propulsia

Sistemul de propulsie are cateva cerinte de baza, printre care:

Accelerarea de la 0 km/h pana la 480 km/h, o viteza relativ joasa de calatorie pentru zonele urbane.

Mentinerea capsulei/trenului la o viteza constanta de 480 km/h incluzand zonele periculoase sau sensibile cum ar fi cele muntoase.

Accelerarea capsulei de la 480 km/h pana la 1220 km/h la acceleratia de 1G

() de-a lungul coastei I-5 (LA – SF)

Decelerarea capsulei pana la viteze de 480 km/h la terminarea coastei I-5.

Hyperloop este proiectat sa functioneze la 28.000 CP, adica 21 MW. Aceasta idee include puterea necesara pentru a compensa motorul de propulsie, format dintr-un rotor si un stator, tractiunea aerodinamica in diverse forme de relief, chiar dezavantajoase, incarcarea bateriilor pentru compresoarele de la bord si pompele de vid pentru pastrarea tubului in conditii de presiune atmosferica joasa. O matrice solara care acopera toata distanta intre SF si LA furnizeaza o medie anuala de 76.000 CP, adica 57 MW, semnificativ mai mult decat Hyperloop necesita pentru o functionalitate normala. Deoarece puterile de varf ale capsulelor de accelerare si decelerare sunt de pana la 3 ori puterea medie, arhitectura de putere include o matrice de baterii la fiecare accelerator. Aceste bancuri de baterii asigura stocarea surprusului de energie in timpul functionarii in conditii normale de putere medie. Hyperloop utilizeaza un motor de inductie liniar pentru a accelera si a decela capsula prin orientarea campului magnetic. Acest lucru ofera mai multe avantaje importante fata de un motor format cu magneti permanenti:

Cost redus de material – rotorul poate fi o forma de aluminiu cu cativa electromagneti si nu necesita elemente de pamanturi rare, doar in cazul in care se doreste a se atinge mai usor un nivel de superconductivitate (concept prezentat la capitolul 2.5.1)

Capsula mai usoara

Dimensiuni mai mici ale capsulelor

Fortele laterale exercitate de stator(partea atasata tubului) pe rotor, desi cu valori numerice destul de mici ( ) devin stabilizatoare pentru capsula. Acest lucru simplifica problema pastrarii stabilitatii.

Fiecare accelerator are doua invertoare de cate 70 MVA, unul pentru accelerarea iesirii si unul pentru captarea energiei. Invertoarele in domeniul 10+ MVA nu este obisnuita in industria incarcaturilor mari. Rotorul acceleratoarelor liniare este foarte simplu: o lama de aluminiu. Statorul este montat pe partea inferioara a tubului, simetric pe fiecare parte a rotorului configuratia sa electrica este de 3 faze, 1 slot pe pol pe faza, cu un pas linear variabil. Acest concept simplifica proiectarea electronica a puterii si ofera un consum de energie mai scazut decat in cazul altor tehnologii.

Costul total asteptat pentru acest sistem de propulsie este de 691 milioane $, impartit dupa cum urmeaza:

66 000 (49MW) cerinta medie anuala: 490 milioane $.

Sistem total de propulsie: 200 milioane $:

Stator si materiale de structura = 47%

Electronica de putere = 37%

Energie de stocare = 16%

3.2.4 Ruta

Hyperloop va fi capabil sa calatoreasca intre San Francisco si Los Angeles in aproximativ 35 de minute. Ruta Hyperloop ar trebui sa fie bazata pe cateva consideratii cum ar fi:

Mentinerea tubului cat se poate de aproape de drumurile existente – exemplu: ruta I-5.

Limitarea vitezei maxime a capsulei la aproximativ 1200 km/h din cauza motivelor aerodinamice: cel mai discutat subiect pe relativ la acest punct este limita Kantrowitz, ce este prezentat la 3.2.2. Moleculele fluidelor ce formeaza aerul trebuie sa poata trece pe langa capsula atunci cand aceasta are viteze foarte mari.

Limitarea acceleratiei pentru fiecare pasager undeva la 0.5G.

Optimizarea locatiilor pentru sectiunile motorului liniar care controleaza capsula

Constrangeri geografice locale, incluzand locatii urbane, intervale de zone muntoase, rezervari naturale, parcuri nationale, drumuri, cai ferate, aeroporturi sau alte locatii speciale.

Pentru eficienta aerodinamica, viteza unei capsule din Hyperloop este in mod obisnuit:

480 km/h unde geografia locului poate necesita o indoire a tubului pentru mai putin de 1.6 km.

1200 km/h unde geografia locului poate permite o indoire peste 4.8 km sau unde tubul poate fi drept.

Aceste “indoiri” au fost calculate astfel incat pasagerul sa nu simta acceleratii tangentiale mai mari decat 0.5G, o acceleratie care este comoda pentru un om aflat in capsula. Forta de inertie ce actioneaza asupra oamenilor la acceleratie este incomoda pentru pasageri.

Fig. 3.9 – Ruta Hyperloop San Francisco – Los Angeles – SpaceX [12]

Pentru a evita razele de indoire ale tubului, care ar duce la crearea de inconfort a pasagerului, traseul trebuie sa se optimizeze. Acest lucru este posibil prin abaterea de la sistemul de autostrazi actual, indepartarea pamantului din anumite zone, saparea dealurilor si a muntilor si construirea stalpilor pentru a realiza schimbarea inaltimii. Tubul trebuie sa mentina costurile tunelului la un nivel mult mai rezonabil decat cel clasic, fiindca este vorba de o industrializare a tehnologiei. Traseul a fost impartit in urmatoarele sectiuni:

Los Angeles/Grapevine – partea de Sud si Nord

Culoarul I-5

Culoarul I-580/Golful San Francisco

cu urmatoarele medii de viteza si acceleratie:

480 km/h pentru sectiunea Los Angeles Grapevine la 0.5G, cu un timp total de 167 de secunde

890 km/h pentru segmentul Los Angeles Grapevine (N) la 0.5G, cu un timp total de 435 de secunde

1220 km/h de-a lungul culoarului I-5, la 0.5G, cu un timp total de 1.518 secunde

890 km/h de-a lungul I-580 incetinand la 480 km/h in Golful San Francisco.

Durata totala a calatoriei este de 2.134 de secunde, adica 35 de minute. Aceste statistici sunt prezentate mai bine in graficele urmatoare. Statiile principale Hyperloop vor fi de-a lungul rutei in orasele supra-aglomerate. Cele mai aglomerate orase conform unor estimari din 2010 pana in 2012 sunt: Los Angeles, San Francisco, San Diego si Sacramento.

Fig. 3.10 – Statistica Los Angeles – Sud Grapevine

Fig. 3.11 – Grafice viteza si miscare[12]

3.3 Siguranta

Sistemul Hyperloop a considerat inca de la inceput siguranta pasagerilor. Spre deosebire de alte mijloace de transport, Hyperloop este un sistem care incorporeaza vehiculul, sistemul de propulsie, gestionarea energiei, dar si traseul. Capsulele se deplaseaza intr-un tub atent controlat si verificat, astfel incat sistemul sa fie imun la vant, gheata, ceata sau ploaie. Una din cele mai mari probleme este reprezentata de vremea imprevizibila, dar care este eliminata prin conceptul de izolare prin tub, astfel incat raman doar cateva concepte fizice ce pot afecta functionalitatea capsulei. In plus, doar o aglomerare de molecule intr-un timp foarte scurt pot afecta functionalitatea capsulei. Hyperloop-ul este in mod intrinsec mai sigur decat avioanele, trenurile si automobilele.

3.3.1 Depresurizarea capsulei

Exista multe surse de scurgeri a aerului din capsula in tubul vidat, iar cele mai des intalnite sunt cele prin firele izolate ce trec dintr-un mediu presurizat in unul puternic depresurizat. Capsulele Hyperloop vor fi proiectate in conformitate cu cele mai inalte standarde de siguranta. In cazul unor scurgeri minore, sistemul de control de mediu la bord va presuriza cu ajutorul rezervelor ce sunt tinute in capsula. Siguranta alimentarii cu aer la bordul unei nave Hyperloop ar fi asemanatoare cu cea a unei aeronave, o tehnologie clasica. In cazul putin probabil a unei depresurizari severe, se va actiona automat franarea de urgenta in timp ce tubul Hyperloop ar fi supus unei presurizari rapide de-a lungul intregii sale lungimi.

3.3.2 Blocarea capsulelor in tub

Probabilitatea ca o capsula sa se blocheze in tubul vidat este foarte mica deoarece, in principal, ea coboara cea mai mare parte a distantei, intr-o directie, iar in cealalta directie, foloseste motoare lineare foarte puternice. In cazul in care o capsula se va bloca, celelalte care vor veni din spate vor actiona sistemul de franare mecanic si vor forma o coada in spatele primeia. In acest caz, se vor folosi rotile mici, electrice pentru a putea aduce capsula in starea initiala. In plus, toate capsulele vor fi echipate cu o rezerva de aer suficienta pentru a asigura integritatea tuturor persoanelor ce se afla in capsula.

3.3.3 Integritatea structurala a tubului

O depresurizare minora a tubului este putin probabila sa afecteze capsulele Hyperloop sau pasagerii, iar aceasta poate fi compensata prin puterea pompei de vid marita. Orice scurgere minora poate fi reparata in timpul mentenantei. In cazul unei scurgeri la scara larga, senzorii de presiune sunt situati de-a lungul tubului si ar comunica automat cu toate capsulele pentru a putea a-si incepe comportamentul de urgenta – sistemul mecanic de franare.

3.3.4 Cutremure

Zona Californiei si a coastei de Vest a Statelor Unite ale Americii nu este straina de cutremure, iar toate mijloacele de transport asigura o constructie ce evita accidente vitale in cazul in care se intampla aceste cutremure. Hyperloop va putea avea flexibilitatea necesara pentru a rezista miscarilor cutremurului, dar mentinand in acelasi timp alinierea tubului Hyperloop. De asemenea, in cazul in care intensitatea cutremurului este relativ mare, controlul capsulelor se poate face de la distanta, si se poate actiona franarea lor mecanica de urgenta.

3.3.5 Incidente legate de om

Hyperloop ar avea acelasi nivel ridicat de securitate utilizat in aeroporturi. Cu toate acestea, plecarea obisnuita a capsulelor Hyperloop ar conduce la un flux mult mai rapid de oameni, chiar daca securitatea ramane aceeasi. Tuburile amplasate pe stalpi ar limita accesul la elementele critice ale sistemului.

Fig. 3.12 – Integritatea stalpilor[12]

Fig. 3.13 – Statie Hyperloop

3.3.6 Fiabilitatea

Sistemul Hyperloop cuprinde toate infrastructurile: mecanice, electrice, cat si componentele software ce vor fi proiectate, asftel incat, sa fie fiabile si durabile. Se doreste a se obtine un timp de viata de 100 de ani pentru o infrastructura de acest timp, mentinand un nivel ridicat de siguranta. Concluzionand, se va pastra, sau chiar depasi standardul de siguranta al transportului aerian comercial[12].

Capitolul 4

rLoop – Contributia proprie

Un proiect Hyperloop, scalabil si testabil, a fost realizat de echipa rLoop in colaborare cu SpaceX. rLoop a contribuit cu o capsula ce leviteaza, iar cei de la SpaceX au reusit sa construiasca un tub care poate fi vidat. Toate testele s-au desfasurat in Hawthorne, Los Angeles, la SpaceX.

rLoop este singura echipa non-universitara ce a participat la aceasta testare. Ea a fost formata in Iunie 2015. Suntem un grup non-profit, open source, si crowd sourced, astfel incat, toate sursele de informatie sunt disponibile online.

4.1 Proiectarea la nivel superior

Capsula echipei rLoop, numira si “rPod”, este un prototip de vehicul conceput sa functioneze in mediul vidat al sistemului de transport Hyperloop. rPod are o lungime de 3,7 metri, un diametru si o inaltime de 1 metru, iar masa este de 360 kg. Aceasta este compusa din doua subcomponente principale: vasul ce este sub presiune, unde se afla si elementele critice relativ la vid, si substructura ce sustine motoarele de levitatie. Pentru vasul sub presiune, deoarece incarcaturile si factorii de operare sunt atat de asemanatori cu avioanele de afaceri 14 CFR 25, se foloseste caracterul semi-monococ al acestor structuri demonstrate de mult timp. Pentru substructura ce sustine camera presurizata, scopul este de a asigura mecanismele de levitatie, propulsie si de franare. Toate sistemele folosite de rLoop sunt sigure, modulare si scalabile la o capsula reala de transport Hyperloop.

Fig. 4.1 – Schema la nivel superior a capsulei Hyperloop

Fig. 4.2 – Schema la nivel superior a camerei presurizate

Structura de aluminiu suporta recipientul sub presiune si contine diferitele componente folosite pentru levitatie, controlul altitudinii, si sistemul de racire. Sistemul rPod foloseste opt motoare de levitatie ArxPax 3.0. Aceste motoare pot fi rabatate pentru a obtine o propulsie. Franarea principala se realizeaza prin intermediul unor frane ce functioneaza dupa principiul curentilor turbionari, iar acestea au fost proiectate si fabricate de echipa rLoop, la fel ca toate componentele ce alcatuiesc sistemul.

Rotile de aterizare sunt pe fiecare colt al substructurii, astfel incat, la inceperea levitatiei sa existe o conditie de stabilitate initiala, iar la oprirea motoarelor de levitatie, sa existe un suport pe care capsula sa aterizeze. Un sistem de CO2 cu presiune lichida este utilizat pentru racirea fiecarei bobine a motorului, a motoarelor ce controleaza franarea, si pentru asigurarea unei presurizari a vasului care se afla sub presiune.

In partea din spate a capsulei, este montata o interfata de impingere compusa dintr-o placa de aluminiu rigida, cu sistem de blocare a franei.

Capsula prezinta o electronica complexa, astfel incat, totul a fost realizat prin contributie proprie, toate placile PCB fiind create de noi. In scopul controlului, sunt plasati numerosi senzori precum: senzor de inaltime bazat pe functionalitate cu laser, accelerometre, detector de distanta laser si senzori de contrast ce sunt plasati in diferite locatii ale capsulei furnizand date pentru a calcula pozitia capsulei, altitudinea, viteza si acceleratia.

4.2 Dimensionarea capsulei

4.2.1 Lungimi, latimi si distante

Capsula construita de noi este un prototip scalabil de 4 ori mai mic decat unul care ar putea fi folosit intr-un mediu real Hyperloop. Lungimea totala a capsulei este de 3.7 metri, formata din partea special formata de aeroplanare si din substructura dimensionata la 2.82 metri. Inaltimea capsulei este de aproximativ 1 metru, iar latimea de 0.76 metri.

Fig. 4.3 – Dimensionarea capsulei

4.2.2 Masele corespunzatoare fiecarei subsistem

In aceasta sectiune se vor prezenta masele fiecarui subsistem important ce alcatuiesc masa totala a vehiculului, astfel incat:

Electronica

Electronica, firele, laserele, bateriile si modulele asociate topicului de electroni cantareste aproape 90 kg.

Franarea si Propulsia

Motoarele de levitatie: 60 kg

Sistemul LCO2: 20 kg

Substructura motoarelor de levitatie: 30 kg

Franele: 40 kg

Camera presurizata si substructura principala

Camera presurizata cantareste aproximativ 50 kg si substructura principala aproximativ 40 kg, incluzand interfata cu propulsia secundara.

Partea de “aeroshell”

Aceasta cantareste aproximativ 20 kg.

Total

Masa totala este aproximativ 360 kg.

4.3 Sistemul de baterii

Testarea capsulei in tubul vidat de o mila pregatita de echipa de ingineri SpaceX nu prezinta un sistem de energie. Durata activitatii capsulei in tub este de aproximativ doua minute, cat timp parcurge distanta de o mila. Dat fiind faptul ca sistemul solar pentru alimentarea capsulei nu a fost pregatit de cei de la SpaceX, am construit un sistem de baterii propriu cu teste de incarcare si descarcare a celulelor LiPo.

Sistemul de baterii este format din doua pachete de acumulatori ce sunt configurate redundant, in paralel. Fiecare acumulator este alcatuit din 18 module celulare conectate in serie cu o tensiune nominala de 75 V si un debit maxim de curent de 1950 A.

Fig. 4.4 – Layout-ul sistemului de baterii

Fig. 4.5 – Sistemul de baterii

4.3.1 Prezentare generala a sistemului de baterii

A fost realizat un sistem ce cuprinde subsisteme precum: celule, pachete de baterii, module. Acest sistem include modelarea si simularea, validarea datelor producatorului de celule, si testarea materialului de schimbare a fazei (PCM).

Pana in momentul de fata, am realizat urmatoarele teste: cate o celula independenta a fost testata la tempetraturi diferite pentru a verifica ciclul de viata, si o proba de cate cinci celule si alta de cate zece celule (ce formeaza un modul de baterie) a fost verificata pentru un acelasi scop. In plus, PCM incalzit a fost atasat la o celula rece pentru a parametriza capacitatea de transfer de caldura intr-un test de echilibrare PCM, rezultatele caruia au fost apoi folosite pentru a crea un model de simulare a performantei celulelor care au rulat timp de patru minute intre 45C si 58C.

4.3.2 Ciclul de viata si modelul electric al celulei

O singura celula a fost testata de zece ori, iar la ultimele 5 cicluri s-a ajuns la performanta de baterie interna de 0.05 Ω. In figura 4.6 sunt prezentate ciclurile de descarcare ale bateriilor (6, 7, 8, 9). Testele prezentate in figura 4.6arata faptul ca nu au fost degradari majore si ca testele au fost aproape similare pe o perioada de 250 de secunde. Ciclul 8 prezinta o greseala din cauza tensiunii de incarcare care a fost 4.1 V in loc de 4.2 V, iar ciclul 7 a prezentat o lipitura rece, astfel incat, datele sunt zgomotoase.

Fig. 4.6 – Descarcarea bateriilor

Acest test confirma datele puse la dispozitie de catre producator, astfel incat au fost testate 4 celule diferite prin descarcare pe o sarcina de 0.05 Ω. Timpul de total de activitate este putin mai mare de 250 de secunde si cresterea temperaturii este una relativ acceptabila, nu mai mult de 20 grade Celsius.

Fig. 4.7 – Statistici de descarcare ale bateriilor

4.3.3 Ciclul de viata si modelul electric al celulei

Patru module de cate sase celule au fost au fost descarcate utilizand o sarcina de 0,0167Ω cu o rata medie de descarcare de 210 A. Totalul a echivalat cu 24 de celule. Timpul total de rulare a fost de peste 500 de secunde pentru toate modulele. In anumite cazuri, modulele care ruleaza pentru mai mult timp ar putea avea o rezistenta interna mai ridicata. Cresterea temperaturii in toate testele a fost mai mica de 20 de grade C. Concluzia acestui test arata ca celulele functioneaza bine in interiorul structurii modulului si ca interconectarile prin barile de cupru nu adauga cantitati semnificative de rezistenta.

4.3.4 Testarea bateriilor in vid

Calificarea celulelor bateriilor a fost efectuata in mai multe etape. Mai intai, o singura celula a fost expusa la , la unitatea de testare SpaceX. Celulele s-au umflat semnificativ, dar nu s-a declansat aerisirea lor. Tensiunea celulei a ramas nominala.

Aceeasi celula a fos complet incarcata si descarcata la aproximativ un sfert din curentul de levitatie asteptat (20 A). Capacitatea celulei a fost in limitele asteptate, desi rezistenta interna a celulei este usor superioara decat cea nominala. O aproximare bruta facuta sugereaza ca rezistenta celulei a crescut de doua ori fata de cea a unei celule ce activeaza in conditii de presiune atmosferica normala.

In a doua etape de testare, un modul complet a fost expus la un mediu cu conditii atmosferice de aproximativ la locul de testare rLoop. Celulele din modulul ce formeaza o parte din baterie au ramas intacte din punct de vedere structural, in plus, nu a aparut niciun fel de problema de tip electric sau mecanic. Temperatura modulului nu a crescut in timpul expunerii la vid. Post-expunere, tensiunile individuale a celulelor expuse nu s-au modificat fata de momentul de pre-expunere. Modulul nu a fost testat ca un ansamblu, ci doar celulele individuale, iar celulele au fost aruncate pentru a se asigura faptul ca bateria nu este deteriorarata, astfel incat la o cuplare de tip serie, exista pericolul ca acestea sa nu mai aiba iesire in tensiune (0 V).

Concluzionand, cu aceste doua teste facute la SpaceX si in mediul de testare rLoop, este de asteptat ca in cazul unor scurgeri din camera presurizata (acolo unde sunt localizate bateriile, pentru a se evita mediul de presiune atmosferica scazuta), bateriile sa nu aiba un comportament periculos in sensul unei posibile explozii, iar ele sa fie reutilizate, dar cu performante degradate.

Fig. 4.8 – Testarea bateriilor sub ansamblul unui modul

Fig. 4.9 – Testarea bateriilor in “vid” si presiune atmosferica normala

4.3.5 Detalii celule de baterii

Tipul:

LiPo YS5000 1S RL Leo Industries

Componentele din modul si din exteriorul modulului:

Din exterior:

Celule

Senzori de temperatura

PCM

Incarcatoare de baterie

Din interior:

PCM

Modulele PCB

Modulele asamblate

Numar celule asezate in serie/paralel:

2 sisteme redundante, fiecare formate din 6 module in paralel asezate 18 in serie

Energia stocata:

1.99 kWh pe sistem, ~ 4kWh total

Tensiunea:

Tensiune pentru baterii incarcate 100%: 75.6 V
Tensiune pentru baterii ce se afla in folosinta: 66.6V

Curentul maxim de descarcare:

Curentul maxim de descarcare: 1950 A

Componentele alimentate:

Toate subsistemele capsulei ce includ cele opt motoare de levitatie, toti senzorii de distanta sau contrast si toate microcontrolerele. Doua sisteme de baterii sunt configurate cu o intrare intr-o poarta de tip OR, cu module de diode de siguranta pentru fiecare. Redundanta poate tolera o singura defectiune.

Curentul maxim si nominal consumat:

Curentul nominal: 423.4 A

Varfurile de curent: 500 A, sunt asteptate la startul motoarelor de levitatie in conditiile de incarcare electrica.

Componentele secundare alimentate:

Aproape 20 A sunt impartiti pentru urmatoarele subsisteme:

Microcontrolere

Drivere de motoare pentru orientarea franei de tip Eddy

9 lasere

Drivere pentru motoare de levitatie

Ventilator pentru aerisire

10. Temperaturi:

Intervalul de operare: 0 – 40 °C

PCM se topeste la 45 °C

Modulele de celula si sistemele de baterii au fost proiectate astfel incat sa opereze in conditiile de vid Hyperloop. Toate modelele de subsistem de baterie au fost testate in aceste conditii.

Fig. 4.10 – Modul de baterie proiectat de rLoop cu toate compentele aferente