ホバートレイン

ホバートレインは、従来の鉄の車輪をホバークラフトのリフトパッドに、従来の線路をトラックまたはガイドウェイと呼ばれる舗装された道路のような表面に置き換えた高速列車の一種です。このコンセプトは、転がり抵抗をなくして非常に高い性能を可能にすると同時に、新しい線路を敷設するために必要なインフラストラクチャを簡素化することを目指しています。ホバートレインは一般的な用語であり、車両は開発されたプロジェクト名で呼ばれることが多いです。英国ではトラックドホバークラフト、米国ではトラックドエアクッション車両として知られています。最初のホバートレインは1960年代初頭にフランスでジャン・ベルタンによって開発され、フランス政府に放棄されるまで エアロトレインとして販売されていました。

従来の鉄道が時速約 140 マイル (230 km/h) 以下でしか運行されていなかった時代に、ホバートレインは、都市間高速列車サービスを開発するための比較的低リスクで低コストの方法と考えられていた。1960 年代後半までに、フランス、英国、米国で大規模な開発が進められていた。開発中、英国鉄道は従来の鉄道で高速走行する際に見られる問題について広範な調査を行っていた。この調査により、1970 年代には英国鉄道独自のAPTを皮切りに、一連の新しい高速列車の設計が生まれた。ホバートレインは APT やTGVなどの類似の設計に比べてインフラコストが削減されていたが、実際には全く新しい路線が必要になることでコストが相殺されていた。従来の車輪付き列車は既存の路線を低速で走行できるため、都市部での設備投資を大幅に削減できた。ホバートレインへの関心は薄れ、1970 年代半ばまでに大規模な開発は終了した。

ホバートレインは、1960 年代後半から 1970 年代前半に話題と​​なった個人高速輸送システムなど、より小規模なシステム向けにも開発されました。この用途では、レール上の小さな欠陥や破片の上を浮遊する能力が実用的な利点でしたが、同じ利点を持つ磁気浮上コンセプトと競合しました。商業的にサービスされた唯一のホバートレインは、オーティス ホベアシステムでした。もともとゼネラル モーターズで自動ガイドウェイ輸送システムとして開発されたものですが、GM は独占禁止法の判決の一環として設計を売却せざるを得ませんでした。この設計は最終的にオーティス エレベーターに渡り、同社は後にリニア モーターをケーブル プルに交換し、その結果得られた設計を世界中の ピープル ムーバー設備向けに販売しました。

ホバークラフトを浮かせるために必要なエネルギーは、ホバークラフトが移動する表面の滑らかさに直接関係していることが、早くから認識されていました。これは驚くべきことではありません。ホバークラフトのスカートの下に閉じ込められた空気は、スカートの底部が地面に接する部分から漏れる部分を除いて、そこに留まります。この接触面が滑らかであれば、漏れる空気の量は少なくなります。驚くべきことは、このプロセスで失われるエネルギーの量が、少なくとも高速では、鋼鉄の車輪の車両よりも少ない可能性があることです。

高速走行時には、列車は「ハンチング振動」と呼ばれる不安定な状態になり、急カーブを曲がる時のように車輪の側面のフランジがレールの側面にぶつかる。時速 140 マイル (230 km/h) 以上の速度になると、こうした衝突の頻度が増加し、大きな抗力となり、転がり抵抗が劇的に増加して脱線を引き起こす可能性がある。つまり、ある臨界速度を超えると、ホバークラフトは同重量の車輪付き車両よりも効率的である可能性がある。

さらに良いことに、このような乗り物はホバークラフトの長所をすべて保持します。路面の小さな凹凸は乗り心地に影響を与えないため、サスペンション システムの複雑さを軽減できます。さらに、荷重がリフティング パッドの表面、多くの場合は車両の下側全体に分散されるため、走行面の圧力が大幅に軽減されます。列車の車輪の圧力の約1 / 10,000 、道路上のタイヤの圧力の約 1/20 です。[ 1 ^]

これら 2 つの特性により、走行面は、車輪付きの同じ車両を支えるために必要な面よりも大幅に単純化できます。つまり、ホバートレインは、従来の列車に必要なはるかに複雑で高価な線路床ではなく、既存の軽量道路に似た面で支えることができます。これにより、新しい路線を建設するためのインフラストラクチャ資本コストが大幅に削減され、高速列車の広範な使用への道が開かれます。

最も初期のホバートレインのコンセプトの1つは、ホバークラフトより数十年前から存在していた。1930年代初頭、フォードのエンジニアであるアンドリュー・クッチャーが、潤滑剤として圧縮空気を使って揚力を得るというアイデアを思いついた。これがレバパッドのコンセプトにつながり、ポペット弁のような形をした小さな金属ディスクから圧縮空気が吹き出されるようになった。レバパッドは、金属板か、当初の目的通り工場の床の非常に滑らかなコンクリートのどちらか、極めて平らな表面で作動する必要がありました。クッチャーは最終的にフォード科学研究所の担当副社長となり、レバパッドのコンセプトの開発をずっと続けました。^[2]

1950 年代まで、車両の使用に何の努力も払われなかったようだ。このとき、従来のレールの上を走るレバパッドのような装置を使用して、ハンチングの問題を回避し、高速サービスを提供する方法がいくつか試みられた。1958 年のModern Mechanixの記事は、レバパッドのコンセプトを最初に一般向けに紹介した記事の 1 つである。この記事は、フォードのプロトタイプ「グライドエア」車両をベースにした自動車に焦点を当てているが、クッチャーの次の言葉を引用している。「我々は、グライドエアを、おそらく鉄道の地上移動の分野で、約 1,000 マイル [1,600 km] までの距離を高速で移動する新しい高速陸上輸送手段と見なしている」。^[3] 1960 年のPopular Mechanics の記事では、ホバートレインのコンセプトを提案しているさまざまなグループについて言及している。^[2]

これらすべてに欠けていたのは、車両を前進させる適切な方法でした。ホバートレインのコンセプトの全体的なアイデアは、走行面、特に車輪との物理的な接触を排除することだったので、何らかの非接触の推力を提供する必要がありました。リフトファン、プロペラ、さらにはジェットエンジンからのダクト空気を使用するさまざまな提案がありましたが、^{[4]どれも車輪を駆動する}電気モーターの効率に近づくことはできませんでした。

ほぼ同時期に、エリック・レイスウェイトは、それまでは「おもちゃ」のシステムに限られていた、最初の実用的なリニア誘導モーター(LIM) を製作していました。LIM はさまざまな方法で製作できますが、最も単純な形式では、従来のモーターの巻線に対応する車両上のアクティブ部分と、固定子として機能するレール上の金属板で構成されます。巻線に電力が供給されると、巻線が生成する磁場によって、プレートに反対の磁場が誘導されます。ヒステリシスにより、磁場と誘導磁場の間には短い遅延があります。^[5]

巻線への通電タイミングを慎重に調整することで、巻線と「反作用レール」の磁場はヒステリシスによりわずかにオフセットされます。このオフセットにより、反作用レールに沿って正味の推力が生じ、LIM は物理的な接触なしにレールに沿って引っ張られるようになります。LIM のコンセプトは、可動部品や物理的な接触のない電動モーターを製造できる方法を提供し、メンテナンスの必要性を大幅に減らすことができるため、輸送業界で大きな関心を集めました。^[5]

レイスウェイトは、LIMが高速輸送に最適であると提案し、中央にLIMレールが走るレール上の4輪シャーシに椅子を取り付けたモデルを製作した。^[6]実証実験が成功した後、彼はイギリス国鉄（BR）を説得し、サスペンション用のレビパッドシステムに似た小さなリフトパッドを使用してレール上の列車にLIMで動力を与える実験に投資させた。

さまざまなホバートレイン システムが開発されるにつれ、大きなエネルギー使用の問題が浮上しました。ホバークラフトは、翼の上を流れる空気の運動量によって揚力を生成するのではなく、圧力をかけることによって揚力を生成します。必要な空気の圧力は、車両の重量と揚力パッドのサイズ、つまり基本的に車両全体の密度の尺度によって決まります。動かない車両では、パッドの周りの漏れによってのみこの空気が失われます。この漏れは、パッドと外気の相対圧力によって非常に低くなる可能性があり、パッドと走行面の隙間を可能な限り閉じる「スカート」を導入することでさらに減少します。

しかし、車両が移動すると、別の損失メカニズムが作用します。これは、リフト エアとその下の地面との間の表面摩擦によるものです。リフト エアの一部は走行面に「くっつき」、移動するとパッドの下から引きずり出されます。このメカニズムによって失われる空気の量は、車両の速度、表面の粗さ、およびリフト パッドの総面積によって異なります。車両の空気ポンプは、これらの損失を補うために新しい加圧空気を供給する必要があります。車両の重量とリフト パッドの面積は固定されているため、特定の車両設計では、ポンプが吸い込む必要のある空気の量は速度とともに増加します。

問題は、空気が車両ではなく世界に対して静止しているということである。空気ポンプが空気を使用するためには、まず車両の速度まで上げなければならない。同様の効果はほぼすべての高速車両で発生する。これが、たとえば戦闘機の大きくて複雑な空気取り入れ口の理由であり、空気をジェットエンジンが吸い込める速度まで減速させる。ホバートレインの設計の場合、パッドでの空気損失は速度とともに増加するため、それを補うためにより多くの空気を吸い込んで加速する必要がある。増加する空気の量は、車両に対してますます低速になる。その結果、揚力空気に散逸される力が非線形に増加する。^[7]

UK Tracked Hovercraft Ltd. (下記参照) による研究では、40 トン 100 人乗りのホバートレインのエネルギー使用が検討された。時速 400 km (250 mph)、横風 70 km/h (43 mph) で走行する場合、ホバートレインが空気抵抗を克服するには 2,800 kW (3,750 hp) の電力が必要であると予測されたが、これは他の地上輸送手段と比べても遜色ない数値である。しかし、揚力を得るためには、車両は空気を吸い込んで車両速度まで加速してから、リフトパッドに送り込む必要がある。これにより、いわゆる「運動量抵抗」が生じ、さらに 2,100 kW (2,800 hp) の電力が必要となる。合計 4,900 kW (6,600 hp) は前代未聞の数字ではなく、同様の電力の既存の貨物機関車がすでに使用されていた。しかし、これらの機関車の重量は80トンで、^その多くは電圧制御および変換装置で構成されていましたが、トラックドホバークラフトの設計は非常に軽量な車両となることを意図していました。THLの解決策は、この装置を線路脇に移動することでしたが、この高価な技術を線路沿いに分散させる必要がありました。^{[ 7]}しかし、PTACVは、64,000ポンド（29トン）、60座席の車両が空気サスペンションと誘導システムに142mph（229km/h）で560kW（750hp）しか必要としないことを実証しました。^[8] 431km/h（268mph）では、フランスのI80 HV（80座席）が同様の数値に達しました。

磁石を使って列車を浮上させるというアイデアは、ホバートレインの活躍期間中ずっと検討されてきました。当初は、これは非現実的であると考えられていました。システムに電磁石を使用すると、車両全体の浮上を確実にする制御システムが法外に高価になり、当時は列車を浮上させることができるほど強力な永久磁石がなかったからです。

電子機器が改良され、電気制御システムも改良されるにつれて、電磁石を使った「アクティブ トラック」の構築がますます容易になりました。1960 年代後半には、磁気浮上の概念に対する関心が再び高まり、ドイツと日本でいくつかの研究プロジェクトが開始されました。同じ時期に、レイスウェイトは、揚力と前進推力の両方を提供し、従来の LIM のような受動的なトラック上に構築できる新しい形式の LIM を発明しました。どちらの場合も、列車のすぐ近くの磁石をオンにするだけでよく、ホバートレインよりも全体的なエネルギー需要が大幅に少なくなるようです。

一般的に言えば、磁気浮上式鉄道はホバーパッドを電磁石に置き換えただけのものである。モーターとファンを取り除き、パッドを磁石に置き換えることで、車両重量が約15%軽減された。この変更により、ホバークラフトの比較的低い積載量が大幅に増加し、理論上は2倍になった。 ^[9]

しかし、もっと重要なのは、空気を吸い込んで加速してパッドに送り込む必要がないことです。これにより、2,100kWの負荷がなくなり、磁石を動かすのに必要な電力で置き換えられました。これはわずか40kWと推定され、^[10]速度への依存度ははるかに低くなりました。つまり、トラックドホバークラフトのような設計は、鋼鉄車輪の列車のゼロエネルギー「リフト」システムと磁気浮上式の低エネルギーリフトシステムの間に挟まれ、これらのシステムのいずれかがより適切に機能しないという明らかな役割は残っていませんでした。^[9]

1970年代初頭までに、世界中で多種多様な新しい磁気浮上方式の提案が活発に進められていた。特にドイツ政府は、提案された解決策のうちどれが最も理にかなっているかを探るため、いくつかの異なる受動型および能動型システムに資金を提供していた。1970年代半ばまでに、これらのプロジェクトのいくつかはホバートレインとほぼ同じレベルまで進歩していたが、騒音レベルが高い、土埃が舞い上がる、当初予想されていたよりもエネルギー消費量が多いといった欠点はいずれも解消されているようだった。^[11]

最近では、エアロトレインと呼ばれる日本のプロジェクトが、いくつかのプロトタイプとテストトラックまで構築されました。基本的なコンセプトは古典的なホバートレインと同じですが、ポンプとリフトパッドのアクティブなホバークラフトシステムを翼に置き換え、翼の地面効果による効率的な揚力生成を使用しています。^[12]

2007年に発足したフランスとブラジルの共同プロジェクトであるフルトレース（「高速超軽量軌道エアクッション装置」の頭字語）は、高速（200～350 km/h）都市間システム^[13]と、都市部への設置に適した低速（50～120 km/h）「U-Trace」システムのスケッチデザインを作成しました。^[14] このシステムは、2014年にリオで開催された磁気浮上式鉄道会議で発表され、2015年にはブラジルとアフリカの政府代表に発表されました。

本格的なホバートレインの提案の最も初期の例は、当然ながら、ハンプシャー州ハイスでホバークラフト開発株式会社として組織されたクリストファー・コッカレルのグループによるものである。1960年には早くも彼らのエンジニアはホバートレインのコンセプトを実験しており、1963年までに、方向制御を提供する中央の垂直面を備えたコンクリートパッド上で短距離を走行するトラクタートレーラーほどの大きさのテストベッドシステムを開発していた。プロトタイプは、短いテストトラックに沿って手で押された。^[15]

ホバークラフト開発グループは、1961年頃にLIMがよく知られるようになった直後から、LIMのコンセプトを自社のホバートレインに応用した。1963年に試作機が走行する頃には、彼らはLIMを自社のサスペンションと組み合わせてフルサイズの開発の基盤とするアイデアを推進していた。彼らの提案の小型モデルは、逆さまの「T」字型のモノレールの線路上を走るナローボディの航空機の胴体のような列車を示している。水平部分は走行面を提供し、垂直部分は方向追跡と反動レールを取り付けるための構造を提供した。^[15]

チームはスケールモデルシステムの構築のために追加資金を確保した。これはハイス施設の敷地内に建設され、地上約3フィートの高さにある大きなループ状の線路で構成されていた。この時点で基本的なレイアウトは変更されており、ガイドウェイは箱桁の形になり、垂直パッドはガイドウェイの上部にある独立した垂直面ではなく、側面に付いていた。車両自体はより平らで幅広になった。^[15]このバージョンは1965年に運行され、翌年のホバーショー'66で公開された。後の改造では、LIMレールがガイドウェイの上部から側面に移動された。^[16]

この時点で、資金不足のためプロジェクトは中断されました。同じ時期に、英国鉄道は、既存の列車で見られるハンティングの問題は適切なサスペンション システムの開発によって解決できるという大規模な研究プロジェクトに取り組んでいました。BR はホバートレインのコンセプトに興味を失い、その後すぐに先進旅客列車(APT) の取り組みに移行しました。その間、ハイス チームには提案していたフルスケールのテスト システムのための資金がなく、フランスがホバートレインの開発をリードすることになるだろうとホバーショーで不満を述べました。

1967年、政府はホバークラフト開発の管理権を国立物理学研究所に委ねました。^{[17]ほぼ同時期に、レイスウェイトはBRとの関係を断ち切りました。2つのチームは力を合わせ、}トラックド・ホバークラフトとして再編し、実物大のプロトタイプを製作する努力を続けました。レイスウェイトの説得力とベルタンのフランスでの成功など、さまざまな要因が重なり、同社はすぐに政府からの資金援助を得ることができました。

1970年にケンブリッジシャー州エアリス近郊で試験線路の建設が開始された。建設地は平坦な場所で、最長20マイル (32 km) の線路を敷設できる場所が選ばれたが、資金は最初の4マイル (6.4 km) の区間にしか充てられなかった。さらにコストの上昇により、1マイル (1.6 km) の短い区間に限定された。試作車 RTV 31 は1973年に速度試験を開始し、2月に時速20マイル (32 km/h) の向かい風の中で時速104マイル (167 km/h) に到達した。^[18]

この成功にもかかわらず、2週間後、政府はさらなる資金援助を中止した。^[19] BR側の全くの無関心と、様々な高速鉄道プロジェクト間の内紛が重なり、APTを強く支持する独立審査委員会が結成された。試験線は後に撤去され、RTV 31はピーターバラ・レールワールド・ワイルドライフ・ヘイブンに移され、現在は修復を待っている。^{[20] [21]}

ジャン・ベルタンはホバークラフトの初期の提唱者であり、1960年代初頭にフランス軍向けに「テラプレーン」として知られる一連のマルチスカート輸送車両を製造していました。1963年、彼は初期のホバークラフト開発コンセプトに似た車両のモデルをSNCFに示しました。BRと同様に、SNCFは高速鉄道サービスを積極的に検討していました。ホバークラフト開発システムの公開デモンストレーションは彼らの興味を刺激したようで、彼らはベルタンが「エアロトレイン」と呼んだものを開発するための取り組みに資金提供を開始しました。

黎明期のLIM分野におけるエンジニアリングのノウハウがなかったため、ベルタンの初期の設計ではプロペラが使用されていた。1964年までにチームは小型ホバートレインの1/2スケールモデルと、それをテストするための長さ3km (2マイル)の線路を製作した。1965年12月29日、試作機が逆T字型の線路に初めて設置され、1966年3月26日に時速202km (126 mph)に到達した。短いテスト線路ではプロペラではそれ以上の速度には達できなかったため、技術者らは車両に小型ロケットを装備し、12月に時速303km (188 mph)に到達した。この成功により資金が調達され、フーガ マジスターから取り出したターボメカ マルボレターボジェットエンジンが追加され、1967年11月1日に時速345km (214 mph)に到達した。

より大型のプロトタイプがいくつか作られ、最終的に I-80 が完成しました。これは 2 つのターボシャフトエンジンで駆動され、1 つのシュラウド付きプロペラを駆動する 44 人乗りの車両です。シェビリー郊外に 18 km (11 マイル) の長さのテスト トラックが建設され、I-80 は 1969 年 9 月 10 日に到着しました。2 日後、I-80 は 200 km/h (120 mph) に達し、その翌日には設計速度である 250 km/h (160 mph) に達しました。さらに加速するためにジェット エンジンが追加され、1973 年 10 月には 400 km/h (250 mph) に達し、1974 年 3 月 5 日には最高速度 430 km/h (270 mph) を記録し、これは今日に至るまで世界記録となっています。同時に、ベルタンは低速郊外車両として LIM の調査を開始し、S44 として知られるプロトタイプを製造しました。

英国の同業他社と同様に、エアロトレインの終焉の種は、すでに国鉄の同業他社によってまかれていた。1966年、SNCFの他の技術者らが、より高速な在来鉄道の最初の提案を行った。この提案は独り歩きし、TGV計画へと発展した。トラックド・ホバークラフトやAPTと同様に、エアロトレインのプロジェクトはすぐに将来の開発をめぐってTGVと争うことになった。しかし、英国のプロジェクトとは異なり、エアロトレインは政治的な支援が強く、英国の同業他社のような資金不足に悩まされることはなかった。

SNCF と政府の両方で、いくつかの開発案が提示され、激しい議論が交わされました。多くの提案を経て、1974 年 6 月 21 日に SNCF はパリ北西部のラ デファンスとセルジーを結ぶエアロトレイン線の契約を締結しました。7 月 17 日に契約は破棄されました。1975 年 9 月のパリ - リヨン TGV 線はプロジェクトに致命的な打撃を与えましたが、小規模な作業は 1977 年まで続きました。

1970 年代初頭、ホバートレインと磁気浮上列車のどちらが最終的に技術競争に勝つかは明らかではありませんでした。トランスラピッドとトランスアーバン磁気浮上列車の主要開発者であるクラウス・マッファイは、リスクを回避し、独自のホバートレインのプロトタイプを開発することにしました。トランスラピッド 03 は 1972 年の夏に初めてテストされましたが、この頃には磁気浮上列車の性能が実証されており、翌年にはさらなる作業は終了しました。

1965年の高速地上輸送法の一環として、連邦鉄道局（FRA）は一連の高速列車を開発するための資金を受け取った。^[22]成功したUACターボトレインとより従来的なプロジェクトの開発に資金を提供することに加えて、FRAはベルティンの設計のライセンスを取得し、トラックドエアクッション車両（TACV）プログラムの下でいくつかのプロトタイプ車両を製造する取り組みを開始した。^[23] TACVは、時速300マイル（483 km / h）の性能を持つLIM駆動ホバートレインを構想した。技術のさまざまな要素が、さまざまなプロトタイプでテストされることになっていた。

1969年12月、DOTはコロラド州プエブロ郊外に広大な土地を選んで購入し、さまざまなプログラムのために高速地上試験センター（HSGTC）を建設した。 ^[22] TACVプログラムでは、DOTはさまざまなプロトタイプのテストトラックループの建設費用を負担した。しかし、線路の建設はゆっくりと進んだ。^[24]

ベルタンチームはまだLIMを使用していなかったため、TACVプログラムの最初の部分はLIMの開発に費やされました。^[22] ギャレットAiResearchは、標準軌の鉄道線路で走行する車輪付き車両であるリニア誘導モーター研究車両（LIMRV）を製作し、LIMに電力を供給するために3,000馬力（2,200kW）のガスタービン発電機を装備しました。^[24]

ギャレットが車両を納入した時点では、プエブロ近郊のHSGTCにあったLIMRVの試験線路はまだ完成しておらず、線路の中央の反動レールはまだ設置中だった。線路が完成すると、リニア誘導モーター、車両動力システム、レール動力学試験が進み、1972年10月までに時速187.9マイル（302.4 km/h）の速度が達成された。^[22]速度は線路の長さ（6.4マイルまたは10.3 km）と車両の加速率により制限された。車両を高速まで推進するためにプラット・アンド・ホイットニーJ52ジェットエンジン2基が車両に追加され、加速後は推力が抗力に等しくなるようにエンジンのスロットルが戻された。1974年8月14日、LIMRVは従来の鉄道車両として時速255.7マイル（411.5 km/h）の世界記録を達成した。^[25]

TACVプロジェクトの第2段階は、当初はターボファンエンジンで駆動するホバークラフトのテストベッド、トラックドエアクッション研究車両（TACRV）でした。^[22] ボーイングとグラマンが設計を提案し、グラマンの車両が承認されました。^[26] グラマンのTACRVは1972年に発表されました。^[22]グラマンの努力によりTACVプロジェクトの資金の大半が獲得され、22マイル（35 km）の線路の建設が保証されましたが、LIM推進用の反動レールは設置されませんでした。ジェットエンジン推進のみでは、最高速度は90 mph（145 km/h）しか達成されませんでした。^[24]

TACVプロジェクトの第3段階は、乗客席を備えた完全なLIM駆動ホバートレイン、Urban Tracked Air Cushion Vehicle（UTACV）でした。^[22] Rohr Industriesは、 BertinのAérotrainをベースにした設計で契約を獲得し、^[26] 1974年にプエブロのHSGTCにプロトタイプを納入しました。^[24]

しかし、資金はほとんど残っていなかったため、ローア車両にはわずか1.5マイル（2.4 km）の線路しか与えられず、最高速度145 mph（233 km/h）しか出せなかった。UTACVの試験準備が整った頃には、予算の大半はすでに使い果たされており、さらなる資金は得られなかった。電力供給システムの必要性、エネルギー効率の低さ、騒音レベルが問題視された。^[24]ローア車両の最後の試験は1975年10月に終了した。 ^[24]それ以来、プエブロ施設は従来の鉄道車両の試験に使用され、現在は輸送技術センターとして知られている。

現在、3台の車両はすべてプエブロ鉄道財団のワークショップに展示されています。^[27]

• ホバーカー
• ホバークラフト博物館

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