Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Проект направлен на решение концептуальной задачи – изучение нерешенных физических и технических проблем, которые стоят на пути создания сверхзвукового вакуумного магнитолевитационного транспорта (МЛТ) с использованием высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Для ее реализации предстоит решить комплекс фундаментальных научно-технических проблем к числу которых относятся: разработка технологии синтеза и создание новых ВТСП-материалов, исследование их структуры, физических и механических свойств в широких диапазонах магнитных полей, механических нагрузок и температурных воздействий. Также ключевыми являются задачи изучения взаимодействия ВТСП с магнитным полем, анализа тепловых процессов при криогенном охлаждении ВТСП и тепловыделения во время высокоскоростного движения в магнитном поле, а также разработки систем управления движением, разгона, торможения, рекуперации энергии и другие. За первый год выполнения проекта научный коллектив получил следующие основные результаты. Разработан метод приближенного расчета и проведены оценки подъемной силы трасс МЛТ на основе Y-Ba-Cu-O ВТСП керамики и постоянных магнитов Nd-Fe-B для различных размеров магнитов в основании трассы. Изготовлены чертежи и маломерные макеты трасс МЛТ длиной 0,5 -1 м с тремя различными размерами постоянных магнитов в основании трассы. Изготовлен отрезок трассы шириной 0,05 м и длиной 2 м для установки в вакуумную камеру. Экспериментально измерена подъемная сила Fz магнитной левитации ВТСП над макетами трасс. Получены эффекты увеличения Fz при увеличении зазора захолаживания h и гистерезиса высоты левитации при повторном нагружении. Максимальное значение измеренной силы вертикальной грузоподъемности составило 500-600 Н при h = 35 мм над трассой из магнитов размером 50х50х30 мм, при количестве элементов ВТСП – 12 шт и размерами 40х40х10 мм каждый. Теоретическое моделирование одно- и двухкаскадной систем магнитокалорического устройства (МКУ) проводилось решением одномерного уравнения теплопроводности методом прогонки с соответствующими граничными условиями. Максимальное значение изменения температуры холодного тела составило ∆Tхт = 2,78 при начальной температуре T0=20℃ в случае одного каскада и времени соприкосновения 0,2 с. Добавление второго каскада охлаждения увеличило ∆Tхт в 2 раза и составило 4, 86. Для теплообмена между отдельными каскадами МКУ необходимо применение тепловых механических ключей (ТМК) – устройств для передачи тепла между рабочим телом и теплоприемниками. Экспериментально исследовано влияние модифицирования поверхности ТМК методом лазерной интерференционной литографии. Результаты показали, что полученные на поверхности ТМК кюветы глубиной около 9 мкм и диаметром вершин 6-8 мкм с перешейками высотой 9 мкм длиной 7…9 мкм, позволили достичь значений контактной термической проводимости α = 104 Вт/(м2К) при значениях прижатия в контактной зоне 160-260 кПа. Данные значения сопоставимы с результатами для усилия прижатия 7-21 МПа. При конструировании системы криостата с минимальной затратой жидкого азота учитывалась необходимость сочетания высокой теплоизоляции и механической прочности, отсутствие магнитных свойств, возможность создания тонкого дна и малая масса материала. Разработан криостат по двухкамерной схеме из листового титана с вакуумным промежутком между камерами. Во внутренней камере, которая заполняется жидким азотом через узкую горловину, располагаются 4 элемента ВТСП размером 40х40х15 мм. Откачка воздуха проводилась вакуумным турбомолекулярным насосом до давления 2ˑ10-4 Па, время испарения азота составило 30 мин. В рамках выполнения проекта были экспериментально исследованы МКЭ свойства сплавов TbNi2, DyAl2, La0.7Sr0.3Mn0.9Cu0.1O3 и La0.7Sr0.3Mn0.95Fe0.05O3. Наибольшие значение изменения энтропии ΔS = -11 Дж/(кг К) в TbNi2 и ΔS = -14 Дж/(кг К) в DyAl2 найдены в поле 3 Тл. Адиабатическое изменение температуры ΔTad при изменении магнитного поля 3Тл составило 3,3 К и 4,6 в сплавах DyAl2. Расчетные значения холодопроизводительности (RCP) двух образцов TbNi2 и DyAl2 демонстрирует увеличение по мере усиления магнитного поля и максимальное значение составляет 531,6 Дж/кг в магнитном поле 3 Тл в DyAl2. Измерение прямым методом ΔTad при изменении магнитного поля от 0 до 2 Tл в мангатитах La0.7Sr0.3Mn0.9Cu0.1O3 и La0.7Sr0.3Mn0.95Fe0.05O3 показали значения ∆Тад =0,3 К и 0,87 К. Разработана система управления, состоящая из трех основных блоков: управления, блока датчиков и электромагнитов для ускорения и торможения МЛТ. Блок контроля разгона и торможения МЛТ на трассе, включает защищённый микроконтроллер (МК) на RISC-V для шифрования данных. Блок датчиков включает распределённую систему лазерных датчиков с ПО на C++ для точного позиционирования. Блок разгон/торможения включает систему импульсных катушек, управляемую МК. Созданы и программно-аппаратно интегрированы блоки сенсорного контроля и защищенного управления, что обеспечивает основу для реализации алгоритмов движения. Для разработанной системы контроля и управления торможением и разгоном МЛТ на трассе изготовлена плата с управляющим МК, детекторный модуль и излучающий лазер оптоэлектронных датчиков, проведена верификация оптоэлектронных сенсоров положения и скорости. Проведён комплекс экспериментальных исследований ключевых узлов макета МЛТ системы. Успешно апробирована динамика системы — движение криостата с ВТСП по трассе с переменным профилем показало отсутствие существенных колебаний и сохранение стабильного зазора, что подтверждают концепцию гравитационного управления движением. Дополнительно изучена применимость муллитокремнеземной ваты для создания термоизолирующих покрытий в условиях криогенных температур. Разработана базовая теоретическая модель расчета параметров рекуперации энергии при разгоне и торможении. Проведено моделирование для параметров системы МЛТ массой 50 т, скорость 432 км/ч и длиной пути 5 км. Максимальное рассчитанное значение кинетической энергии достигло 360 МДж, затраченная энергия на разгон составила 384,3 МДж, рекуперация энергии во время торможения составила 174,8 МДж, КПД рекуперации составило ηcycle ~ 45.5%. Разработанная модель позволяет производить оценки КПД рекуперации энергии МЛТ поезда с учетом различных процессов. При экспериментальном исследовании движения макета МЛТ на основе криостата с ВТСП в режиме гравитационного разгона и торможения в воздушной среде на трассе длиной 2 м с кривизной L = 10 движения 6,3 сек показано, что кинетическая и потенциальная энергия преобразуются с высокой эффективностью, причем типичное значение относительных потерь энергии за период – К = 0,85 %. Коэффициент рекуперации составил ηcycle = 1- К = 0,915. Начальная энергия макета МЛТ – 0,3 Дж, средняя мощность потерь энергии за период максимальна в начале движения и составляет 0,4 мВт. Дальнейшие исследования движения МЛТ в вакууме должны прояснить зависимость ηcycle от давления в вакуумной камере.