Algoritmii de control [630632]

Algoritmii de control
pentru conceptul Hyperloop

C u p r i n s :

I. Introducere..………………………………………………………………
1.Aplicabilitate – sistem dezvoltat idei, related work
2. Concept Hyperloop
3. Algoritmii de control
4. Personal contribution………………………………………………………………
5. Evaluare – platforma de evaluare, testare, 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. Parti componente ale Maglevului – detalii tehnice
4. Conc pe care le adreseaza lev magn in tub vidat
5. Consecinte – lev magn in tub vidat – what’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. Abordarea personala – Hyperloop
3.3.1. Introducere rLoop

1

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

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.
În zilele noastre, atunci când se men ț ionează de transportul în comun de mare viteză,
marea majoritate a oamenilor se gândesc la avia ț ie, un concept la care românii Henri
Coandă ș i Aurel Vlaicu au avut un rol important. Majoritatea specialistilor cunosc
meritele acestora din respectivele vremuri, dar pe lângă aceasta perspectivă, în acela ș i
timp, în Europa, se începea dezvoltarea trenurilor de mare viteză. Amândouă sunt
mijloace de transport in comun, cu facilită ț ile de rigoare în fiecare parte, dedicate
pentru anumite distan ț e si viteze. Pe lângă nenumăratele companii de zbor aerian,
trenurile de mare viteza au un monopol extins in Europa de Vest, dar ș i în Asia, relativ la
suprafa ț a continentelor . In schimb, in America de Nord, transportul in comun nu este
literalmente dezvoltat, accentul fiind pus pe ma ș ini personale. Acest subiect va face
sens lucrării în capitolele următoare.

Într-un lan ț denumit “Tr ans-European high-speed rail network” ce parcurge ț ările
Europei de Vest: Fran ț a, Spania, Italia, Germania, Austria, Suedia, Belgia, Olanda,
Rusia si Marea Britanie, se poate observa o infrastructură relativ dezvoltată fa ț ă de
Statele Unite ale Americii. Spre exemplu, a ș a numitele TGV-uri, care au atins o viteză
record de 574.8 km/h pe data de 3 Aprilie 2007 [1], acoperă o distan ț ă importantă din
teritoriul Europei, parcurgând cele mai importante ora ș e din această zonă. Pe lângă
TGV, mai există si alte trenuri asemănătoare de mare viteză care pot ajunge la viteze
medii de 300 km/h. În SUA, chiar daca aria teritoriului este dubla, sau in America de
Nord, unde suprafa ț a este de sase ori mai mare ca aria totala a tarilor membre ce se
afla in Uniunea Europeana, numarul rutelor ce sunt parcurse de trenurile de mare viteza
intre orasele importante este mult mai mic. Distantele lungi pe care oamenii le au de
parcurs sunt echitabile pentru a fi strabatute cu avionul, iar cele medii sunt relativ
acceptabile pentru a fi strabatute cu masina. Sunt trei factori importanti de tip politic,
economic si social.
In primul rand, un factor politic ar fi infrastructura autostrazilor, care este puternic
dezvoltata relativ chiar si la Vestul Europei. In al doilea rand, pretul carburantului face
posibila mobilitatea extinsa 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.
2

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

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

​ Fig. 2.2 – Venituri medii San Francisco[2]

3

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

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 bra ț e în formă de C, partea superioară a bra ț ului fiind ata ș at la vehicul, iar cea
mai mică în interiorul marginii care con ț ine magne ț i. “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].
F ~ 1
L 3 (2.1)
4

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

​ 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 L 5 m m Δ =
offset de forta proportional cu : imens. In schimb, toate sistemele sensibile F 8 M N Δ =
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.

5

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

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

6

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

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.
7

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

● 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:

p x p ( ) p = 0 · e k · T − m · g · h (2.2)

Presiunea la nivelul de 0m este:
p 0 = S F 0 (2.3)

Din relatiile (2.2 si 2.3), se obtine:
x p ( ) p = S F 0 · e k · T − m · g · h (2.4)

, unde:
F F 0 = ∑ N
i o i (2.5)
8

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

​ Fig 2.6 – Conditii de presiune atmosferica joasa

Pe de alta parte, se stie faptul ca , iar unde: F 0 ~ ρ n u m a r u l m o l e c u l e l o r d e a e r , ρ ~

i n a l t i m e a c o r p u l u i ( d i s t a n t a p a n a l a 0 m ) h −
p r e s i u n e a a t m o s f e r i c a l a i n a l t i m e a h − p
r e s i u n e a a t m o s f e r i c a l a i n a l t i m e a d e 0 m p 0 − p
a s a c o r p u l u i a f l a t l a i n a l t i m e a h m − m
g c c e l e r a t i a g r a v i t a t i o n a l a − a
k o n s t a n t a l u i B o l t z m a n n − c
e m p e r a t u r a m e d i u l u i T − t
u p r a f a t a d e c o n t a c t a m o l e c u l e l o r d e a e r c u c o r p u l S − s
f o r t a e x e r c i t a t a d e m o l e c u l e a s u p r a s u p r a f e t e i S F 0 −
u m a t u t u r o r f o r t e l o r g e n e r a t e d e f i e c a r e m o l e c u l a d e a e r c e l o v e s t e c o r p u l F 0 i − s
t o t a l i t a t e a m o l e c u l e l o r d e a e r d i n m e d i u N −
d e n s i t a t e a a e r u l u i ρ −

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.
9

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

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 a t m ~ 1
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]
10

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

​ Fig. 2.8 – Tub vidat

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

I ~ f (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.

11

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

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:

ρ 1 α β ) R = · ( + · t + · t 2 (2.7)

, daca rezistivitatea , rezistenta materialului respectiv va deveni , iar 0 ρ = 0 R =
respectivul material nu va mai consuma prin efect Joule.

t e m p e r a t u r a e x p r i m a t a i n g r a d e C e l s i u s − t
o n s t a n t a l i n i a r a a m a t e r i a l u l u i α − c
o n s t a n t a d e o r d i n u l 2 a m a t e r i a l u l u i β − c

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

a t e r i a l M [ K ] T c
Gallium 1.1
Aluminium 1.2
Indium 3.4
Tin 3.7
Mercur 4.2
Plumb 7.2
Niobium 9.3
La-Ba-Cu-oxide 17.9
Y-Ba-Cu-oxide 92
Tl-Ba-Cu-oxide 125
12

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

Fig. 2.9 – Superconductivitate

Fig. 2.10 – Dependenta rezistivitate – temeperatura pentru superconductoare si metal normal
13

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

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 0 0 K ~ 1
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.

m a x δ ρ
δ T = (2.8)

​ Fig. 2.11 – Levitatia la nivel atomic
14

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

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 0 R =
cele doua situatii, atunci cand temperatura superconductorului si . T T < c T T > c

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.
15

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

● 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

16

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

17

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

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
18

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

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:

1. Drumuri – ieftin, lent, nu produce sunet deranjant populatiei.
2. Avioane – scump, rapid, nu produce sunet deranjant populatiei.
3. 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:

1. Timpi mici pentru imbarcare
2. Ieftin
3. Rapid
4. 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.

19

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

Fig. 3.2 – Schema bloc Hyperloop

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

20

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

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.

S u p r a f a t a F f ~ (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]

21

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

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.

o r m a h l e v i t a t i e ~ ∮
F
(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

22

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

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 9 . 8 1 g = m
s 2
$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

23

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

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:

γ = c v c p (3.3)

unde:

c a p a c i t a t e t e r m i c a m a s i c a l a p r e s i u n e c o n s t a n t a c p −
c a p a c i t a t e t e r m i c a m a s i c a l a v o l u l c o n s t a n t c v −

(3.4)
[13]

unde:
n u m a r u l M a c h u n n u m a r c e p r e z i n t a r a p o r t u l d i n t r e v i t e z a c o r p u l u i s i v i t e z a l u m i n i i M − −

24

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

​ Fig. 3.7 – Limita Kantrowitz[13]

Fig. 3.8 – Capsula in tubul Hyperloop

25

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

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 2 0 1 W
m 2
la varful activitatii solare. Aceasta energie este indeajuns infrastructurii 4 6 M W 4
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) . 8 1 9 m
s 2
● 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:

26

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

● 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 3 1 N
m 2
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:

1. Mentinerea tubului cat se poate de aproape de drumurile existente – exemplu:
ruta I-5.
2. 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.
3. Limitarea acceleratiei pentru fiecare pasager undeva la 0.5G.
27

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

4. Optimizarea locatiilor pentru sectiunile motorului liniar care controleaza capsula
5. 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]
28

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

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
29

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

​ Fig. 3.11 – Grafice viteza si miscare[12]

30

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

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
31

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

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]

32

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

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].

33

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

34

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

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
35

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

 
                                                              ​ 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.
36

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

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

37

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

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.

38

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

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
39

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

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
40

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

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

41

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

4.3.3 Ciclul de viata si modelul electric al celule ​ i

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 9 0 P a 6
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 P a 1 0 4
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.
42

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

 
  ​ Fig. 4.8 – Testarea bateriilor su b ansamblul unui modul

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

43

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

4.3.5 Detalii celule de baterii

1. Tipul:

​ LiPo YS5000 1S RL Leo Industries

2. Componentele din modul si din exteriorul modulului:

– Din exterior:

● Celule
● Senzori de temperatura
● PCM
● Incarcatoare de baterie

– Din interior:

● PCM
● Modulele PCB
● Modulele asamblate

3. Numar celule asezate in serie/paralel:

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

4. Energia stocata:

1.99 kWh pe sistem, ~ 4kWh total

5. Tensiunea:

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

44

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

6. Curentul maxim de descarcare:

Curentul maxim de descarcare: 1950 A

7. 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.

8. 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.

9. 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.

45

Universitatea “POLITEHNICA” din Bucure ș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunica ț ii si Tehnologia Informa ț iei

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

46