Hyperloop Alpha Intro


Figure 1. Energy cost per passenger for a journey between Los Angeles and San Francisco for



Yüklə 3,69 Mb.
Pdf görüntüsü
səhifə2/5
tarix28.01.2017
ölçüsü3,69 Mb.
#6669
1   2   3   4   5

Figure 1. Energy cost per passenger for a journey between Los Angeles and San Francisco for 

various modes of transport.

 

4. Hyperloop Transportation System

 

Hyperloop  (Figure  2  and  Figure  3)  is  a  proposed  transportation  system  for 

traveling  between  Los  Angeles,  California, and  San  Francisco,  California  in  35 

minutes. The Hyperloop consists of several distinct components, including: 

1.

 

Capsule: 



a.

 

Sealed capsules carrying 28 passengers each that travel along the 



interior of the tube depart on average every 2 minutes from Los 

Angeles  or  San  Francisco  (up  to  every  30  seconds  during  peak 

usage hours). 


 

Page 10 


 

b.

 



A larger system has also been sized that allows transport of 3 full 

size automobiles with passengers to travel in the capsule. 

c.

 

The  capsules  are  separated  within the  tube  by  approximately  23 



miles (37 km) on average during operation. 

d.

 



The  capsules  are  supported  via  air  bearings  that  operate  using a 

compressed air reservoir and aerodynamic lift. 

2.

 

Tube: 



a.

 

The tube is made of steel. Two tubes will be welded together in a 



side-by-side  configuration  to  allow  the  capsules  to  travel  both 

directions. 

b.

 

Pylons are placed every 100 ft (30 m) to support the tube. 



c.

 

Solar  arrays  will  cover  the  top  of  the  tubes  in  order  to  provide 



power to the system.  

3.

 



Propulsion: 

a.

 



Linear accelerators are constructed along the length of the tube 

at various locations to accelerate the capsules. 

b.

 

Rotors are located on the capsules to transfer momentum to the 



capsules via the linear accelerators. 

4.

 



Route: 

a.

 



There will be a station at Los Angeles and San Francisco. Several 

stations along the way will be possible with splits in the tube. 

b.

 

The  majority  of  the  route  will  follow  I-5  and  the  tube  will  be 



constructed in the median. 

 

Figure 2. Hyperloop conceptual diagram. 

 

 

 



 

  

  



Los 

Angeles, 

CA

 

San 



Francisco, 

CA 


 

Page 11 


 

 

Figure 3. Hyperloop tube stretching from Los Angeles to San Francisco. 

In  addition  to  these  aspects  of  the  Hyperloop,  safety  and  cost  will  also  be 

addressed in this study. 

The Hyperloop is sized to allow expansion as the network becomes increasingly 

popular.  The  capacity  would  be  on  average  840  passengers  per  hour  which  is 

more  than  sufficient  to  transport  all  of  the  6  million  passengers  traveling 

between  Los  Angeles  and  San  Francisco  areas  per  year.  In  addition,  this 

accounts for 70% of those travelers to use the Hyperloop during rush hour. The 

lower cost of traveling on Hyperloop is likely to result in increased demand, in 

which  case  the  time  between  capsule  departures  could  be  significantly 

shortened. 



4.1. Capsule 

Two versions of the Hyperloop capsules are being considered: a passenger only 

version and a passenger plus vehicle version. 

Hyperloop Passenger Capsule 

Assuming  an  average  departure  time  of  2  minutes  between  capsules,  a 

minimum of 28 passengers per capsule are required to meet 840 passengers per 

hour. It is possible to further increase the Hyperloop capacity by reducing the 

time  between  departures.  The  current  baseline  requires  up  to  40  capsules  in 

activity  during  rush  hour,  6  of  which  are  at  the  terminals  for  loading  and 

unloading of the passengers in approximately 5 minutes. 

 


 

Page 12 


 

Hyperloop Passenger Plus Vehicle Capsule 

The passenger plus vehicle version of the Hyperloop will depart as often as the 

passenger  only  version,  but  will  accommodate  3  vehicles  in  addition  to  the 

passengers. All subsystems discussed in the following sections are featured on 

both capsules. 

 

For  travel  at  high  speeds,  the  greatest  power  requirement  is  normally  to 



overcome air resistance. Aerodynamic drag increases with the square of speed, 

and  thus  the  power  requirement  increases  with  the  cube  of  speed.  For 

example,  to  travel  twice  as  fast  a  vehicle  must  overcome  four  times  the 

aerodynamic resistance, and input eight times the power. 

Just  as  aircraft  climb  to  high  altitudes  to  travel  through  less  dense  air, 

Hyperloop encloses the capsules in a reduced pressure tube. The pressure of air 

in Hyperloop is about 1/6 the pressure of the atmosphere on Mars. This is an 

operating pressure of 100 Pascals, which  reduces the drag force of the air by 

1,000 times relative to sea level conditions and would be equivalent to flying 

above  150,000  feet  altitude.  A  hard  vacuum  is  avoided  as  vacuums  are 

expensive  and  difficult  to  maintain  compared  with  low  pressure  solutions. 

Despite  the  low  pressure,  aerodynamic  challenges  must  still  be  addressed. 

These include managing the formation of shock waves when the speed of the 

capsule  approaches  the  speed  of  sound,  and  the  air  resistance  increases 

sharply.  Close  to  the  cities  where  more  turns  must  be  navigated,  capsules 

travel at a lower speed. This reduces the accelerations felt by the passengers, 

and  also  reduces  power  requirements  for  the  capsule.  The  capsules  travel  at 

760 mph (1,220 kph, Mach 0.99 at 68 ºF or 20 ºC). 

The proposed capsule geometry houses several distinct systems to reside within 

the outer mold line (Figure 4). 

 

Figure 4. Hyperloop passenger capsule subsystem notional locations (not to scale). 

 

 



Compressor 

motor 


Seating 

(2 x 14) 

Batteries 

Compressor 

fan 

Inlet 


Air storage 

Suspension 

 

Firewall/ 



sound bulkhead

 


 

Page 13 


 

4.1.1. Geometry 

In order to optimize the capsule speed  and performance, the frontal area has 

been  minimized  for  size  while  maintaining  passenger  comfort  (Figure  5  and 

Figure 6). 

 

Figure 5. Hyperloop passenger transport capsule conceptual design sketch. 


 

Page 14 


 

 

Figure 6. Hyperloop passenger transport capsule conceptual design rendering. 

The  vehicle  is  streamlined  to  reduce  drag  and  features  a  compressor  at  the 

leading  face  to  ingest  oncoming  air  for  levitation  and  to  a  lesser  extent 

propulsion.  Aerodynamic  simulations  have  demonstrated  the  validity  of  this 

‘compressor within a tube’ concept (Figure 7). 

 

Figure 7. Streamlines for capsule traveling at high subsonic velocities inside Hyperloop. 


 

Page 15 


 

Hyperloop Passenger Capsule 

The  maximum  width  is  4.43  ft  (1.35  m)  and  maximum  height  is  3.61  ft  (1.10 

m). With rounded corners, this is equivalent to a 15 ft

2

 (1.4 m



2

) frontal area, 

not including any propulsion or suspension components. 

The  aerodynamic  power  requirements  at  700  mph  (1,130  kph)  is  around  only 

134  hp  (100  kW)  with  a  drag  force  of  only  72  lb

f

  (320  N),  or  about  the  same 



force as the weight of one oversized checked bag at the airport. The doors on 

each  side  will  open  in  a  gullwing  (or  possibly  sliding)  manner  to  allow  easy 

access during loading and unloading.  The luggage compartment will be at the 

front or rear of the capsule. 

The  overall  structure  weight  is  expected  to  be  near  6,800  lb  (3,100  kg) 

including the luggage compartments  and door mechanism. The overall cost of 

the structure including manufacturing is targeted to be no more than $245,000. 

Hyperloop Passenger Plus Vehicle Capsule 

The passenger plus vehicle version of the Hyperloop capsule has an increased 

frontal  area  of  43  ft

2

  (4.0  m



2

),  not  including  any  propulsion  or  suspension 

components.  This  accounts  for  enough  width  to  fit  a  vehicle  as  large  as  the 

Tesla Model X. 

The aerodynamic power requirement at 700 mph (1,130 kph) is around only 382 

hp (285 kW) with a drag force of 205 lb

f

 (910 N). The doors on each side will 



open  in  a  gullwing  (or  possibly  sliding)  manner  to  accommodate  loading  of 

vehicles, passengers, or freight. 

The  overall  structure  weight  is  expected  to  be  near  7,700  lb  (3,500  kg) 

including the luggage compartments and door mechanism. The overall cost of 

the structure including manufacturing is targeted to be no more than $275,000. 

4.1.2. Interior 

The  interior  of  the  capsule  is  specifically  designed  with  passenger  safety  and 

comfort  in  mind.  The  seats  conform  well  to  the  body  to  maintain  comfort 

during  the  high  speed  accelerations  experienced  during  travel.  Beautiful 

landscape  will  be  displayed  in  the  cabin  and  each  passenger  will  have  access 

their own personal entertainment system. 



Hyperloop Passenger Capsule 

The Hyperloop passenger capsule (Figure 8 and Figure 9) overall interior weight 

is  expected  to  be  near  5,500  lb  (2,500  kg)  including  the  seats,  restraint 

systems,  interior  and  door  panels,  luggage  compartments,  and  entertainment 



 

Page 16 


 

displays. The overall cost of the interior components is targeted to be no more 

than $255,000. 

 

Figure 8. Hyperloop passenger capsule version with doors open at the station. 

 

Figure 9. Hyperloop passenger capsule version cutaway with passengers onboard. 


 

Page 17 


 

Hyperloop Passenger Plus Vehicle Capsule 

The  Hyperloop  passenger  plus  vehicle  capsule  overall  interior  weight  is 

expected to be near 6,000 lb (2,700 kg) including the seats, restraint systems, 

interior  and  door  panels,  luggage  compartments,  and  entertainment  displays. 

The  overall  cost  of  the  interior  components  is  targeted  to  be  no  more  than 

$185,000.  Note  this  cost  is  lower  than  the  passenger  only  capsule  interior  as 

vehicles do not require the same level of comfort as passengers. 

4.1.3. Compressor 

One important feature of the capsule is the onboard compressor, which serves 

two purposes. This system allows the capsule to traverse the relatively narrow 

tube without choking flow that travels between the capsule and the tube walls 

(resulting in  a  build-up  of  air  mass  in  front  of  the  capsule  and  increasing  the 

drag) by compressing air that is bypassed through the capsule. It also supplies 

air  to  air  bearings  that  support  the  weight  of  the  capsule  throughout  the 

journey. 

The  air  processing  occurs  as  follows  (Figure  10  and  Figure  11)  (note  mass 

counting is tracked in Section 4.1.4): 



Hyperloop Passenger Capsule 

1.

 



Tube  air  is  compressed  with  a  compression  ratio  of  20:1  via  an  axial 

compressor. 

2.

 

Up to 60% of this air is bypassed: 



a.

 

The  air  travels  via  a  narrow  tube  near  bottom  of  the  capsule  to 



the tail. 

b.

 



A nozzle at the tail expands the flow generating thrust to mitigate 

some of the small amounts of aerodynamic and bearing drag. 

3.

 

Up to 0.44 lb/s (0.2 kg/s) of air is cooled and compressed an additional 



5.2:1 for the passenger version with additional cooling afterward. 

a.

 



This air is stored in onboard composite overwrap pressure vessels. 

b.

 



The  stored  air  is  eventually  consumed  by  the  air  bearings  to 

maintain distance between the capsule and tube walls. 

4.

 

An onboard water tank is used for cooling of the air. 



a.

 

Water is pumped at 0.30 lb/s (0.14 kg/s) through two intercoolers 



(639 lb or 290 kg total mass of coolant). 

b.

 



The steam is stored onboard until reaching the station. 

c.

 



Water and steam tanks are changed automatically at each stop. 

5.

 



The  compressor  is  powered  by  a  436  hp  (325  kW)  onboard  electric 

motor: 


a.

 

The  motor  has  an  estimated  mass  of  372  lb  (169  kg),  which 



includes power electronics. 

 

Page 18 


 

b.

 



An estimated 3,400 lb (1,500 kg) of batteries provides 45 minutes 

of  onboard  compressor  power,  which  is  more  than  sufficient  for 

the travel time with added reserve backup power. 

c.

 



Onboard  batteries  are  changed  at  each  stop  and  charged  at  the 

stations. 

 

Figure 10. Compressor schematic for passenger capsule. 

Hyperloop Passenger Plus Vehicle Capsule 

1.

 



Tube  air  is  compressed  with  a  compression  ratio  of  20:1  via  an  axial 

compressor. 

2.

 

Up to 85% of this air is bypassed: 



a.

 

The  air  travels  via  a  narrow  tube  near  bottom  of  the  capsule  to 



the tail. 

b.

 



A nozzle at the tail expands the flow generating thrust to mitigate 

some of the small amounts of aerodynamic and bearing drag. 

3.

 

Up to 0.44 lb/s (0.2 kg/s) of air is cooled and compressed an additional 



6.2:1  for  the  passenger  plus  vehicle  version  with  additional  cooling 

afterward. 

 

 

 



 

  

  



  

  

P

in

 ≈ 52 kW 



Air In 

p ≈ 99 Pa 

T ≈ 292 K 

??????  ≈ 0.49 kg/s 

 

P

in

 ≈ 276 kW 



Air Out 

p ≈ 2.1 kPa 

T ≈ 857 K 

  

??????  ≈ 0.2 kg/s 



 

Nozzle expander 

Axial compressor 

Intercooler 

Intercooler 

Air Out 


F

thrust


 ≈ 170 N 

P

thrust


 ≈ 58 kW 

 

Water Reservoir 



p ≈ 101 kPa 

T ≈ 293 K 

?????? ≈ 290 kg 

  

Air Out 


p ≈ 11 kPa 

T ≈ 557 K  

Air Cooled 



T  300 K  

Air 


p ≈ 11 kPa 

T ≈ 400 K 

Steam Out 

Water In 

?????? 


??????

2

?????? ℓ 



 ≈ 0.14 kg/s 

Steam 


??????  ≈ 0.29 kg/s 

  


 

Page 19 


 

a.

 



This air is stored in onboard composite overwrap pressure vessels. 

b.

 



The  stored  air  is  eventually  consumed  by  the  air  bearings  to 

maintain distance between the capsule and tube walls. 

4.

 

An onboard water tank is used for cooling of the air. 



a.

 

Water is pumped at 0.86 lb/s (0.39 kg/s) through two intercoolers 



(1,800 lb or 818 kg total mass of coolant). 

b.

 



The steam is stored onboard until reaching the station. 

c.

 



Water and steam tanks are changed automatically at each stop. 

5.

 



The  compressor  is  powered  by  a  1,160  hp  (865  kW)  onboard  electric 

motor: 


a.

 

The  motor  has  an  estimated  mass  of  606  lb  (275  kg),  which 



includes power electronics. 

b.

 



An estimated 8,900 lb (4,000 kg) of batteries provides 45 minutes 

of  onboard  compressor  power,  which  is  more  than  sufficient  for 

the travel time with added reserve backup power. 

c.

 



Onboard  batteries  are  changed  at  each  stop  and  charged  at  the 

stations. 

 

Figure 11. Compressor schematic for passenger plus vehicle capsule. 

 

 



 

 

  



  

  

  



P

in

 ≈ 60 kW 



Air In 

p ≈ 99 Pa 

T ≈ 292 K 

??????  ≈ 1.43 kg/s 

 

P

in

 ≈ 808 kW 



Air Out 

p ≈ 2.1 kPa 

T ≈ 857 K 

  

??????  ≈ 0.2 kg/s 



 

Nozzle expander 

Axial compressor 

Intercooler 

Intercooler 

Air Out 


F

thrust


 ≈ 72 N 

P

thrust


 ≈ 247 kW 

 

Water Reservoir 



p ≈ 101 kPa 

T ≈ 293 K 

?????? ≈ 818 kg 

  

Air Out 


p ≈ 13.4 kPa 

T ≈ 592 K  

Air Cooled 



T  300 K  

Air 


p ≈ 13.4 kPa 

T ≈ 400 K 

Steam Out 

Water In 

?????? 


??????

2

?????? ℓ 



 ≈ 0.39 kg/s 

Steam 


??????  ≈ 1.23 kg/s 

  


 

Page 20 


 

4.1.4. Suspension 

Suspending  the  capsule  within  the  tube  presents  a  substantial  technical 

challenge  due  to  transonic  cruising  velocities.  Conventional  wheel  and  axle 

systems  become  impractical  at  high  speed  due  frictional  losses  and  dynamic 

instability. A viable technical solution is magnetic levitation; however the cost 

associated  with  material  and  construction  is  prohibitive.  An  alternative  to 

these  conventional  options  is  an  air  bearing  suspension.  Air  bearings  offer 

stability  and  extremely  low  drag  at  a  feasible  cost  by  exploiting  the  ambient 

atmosphere in the tube.  

 

 



Figure 12: Schematic of air bearing skis that support the capsule. 

Externally  pressurized  and  aerodynamic  air  bearings  are  well  suited  for  the 

Hyperloop  due  to  exceptionally  high  stiffness,  which  is  required  to  maintain 

stability at high speeds. When the gap height between a ski and the tube wall 

is  reduced,  the  flow  field  in  the  gap  exhibits  a  highly  non-linear  reaction 

resulting  in  large  restoring  pressures.  The  increased  pressure  pushes  the  ski 

away  from  the  wall,  allowing  it  to  return  to  its  nominal  ride  height.  While  a 

stiff air bearing suspension is superb for reliability and safety, it could create 

considerable discomfort for passengers onboard. To account for this, each ski is 

integrated into an independent mechanical suspension, ensuring a smooth ride 

for  passengers.  The  capsule  may  also  include  traditional  deployable  wheels 

similar to aircraft landing gear for ease of movement at speeds under 100 mph 

(160 kph) and as a component of the overall safety system. 

Hyperloop Passenger Capsule 

Hyperloop  capsules  will  float  above  the  tube’s  surface  on  an  array  of  28  air 

bearing skis that are geometrically conformed to the tube walls. The skis, each 

4.9  ft  (1.5  meters)  in  length  and  3.0  ft  (0.9  meters)  in  width,  support  the 

weight of the capsule by floating on a pressurized cushion of air 0.020 to 0.050 

in. (0.5 to 1.3 mm) off the ground. Peak pressures beneath the skis need only 

reach  1.4  psi  (9.4  kPa)  to  support  the  passenger  capsule  (9%  of  sea  level 

atmospheric  pressure).  The  skis  depend  on  two  mechanisms  to  pressurize  the 

thin air film: external pressurization and aerodynamics.  

The  aerodynamic  method  of  generating  pressure  under  the  air  bearings 

becomes  appreciable  at  moderate  to  high  capsule  speeds.  As  the  capsule 


 

Page 21 


 

accelerates up to cruising speed, the front tip of each ski is elevated relative 

to the back tip such that the ski rests at a slight angle of 0.05º. Viscous forces 

trap a thin film of air in the converging gap between the ski and the tube wall. 

The  air  beneath  the  ski  becomes  pressurized  which  alters  the  flow  field  to 

satisfy  fundamental  laws  of  mass,  momentum,  and  energy  conservation.  The 

resultant elevated pressure beneath the ski relative to the ambient atmosphere 

provides  a  net  lifting  force  that  is  sufficient  to  support  a  portion  of  the 

capsule’s weight.  

However,  the  pressure  field  generated  by  aerodynamics  is  not  sufficient  to 

support the entire weight of the vehicle. At lower speeds, very little lift can be 

generated  by  aerodynamic  mechanisms.  As  the  capsule  speed  increases  and 

compressibility effects become important, the pressure rise in the air bearing 

(assuming  isothermal  flow)  will  reach  a  limiting  value which  depends  on  the 

geometry of the air bearing. Thus additional sources of lift will be required. 

Lift  is  supplemented  by  injecting  highly  pressurized  air  into  the  gap.  By 

applying  an  externally  supplied  pressure,  a  favorable  pressure  distribution  is 

established beneath the bearing and sufficient lift is generated to support the 

capsule.  This  system  is  known  as  an  external  pressure  (EP)  bearing  and  it  is 

effective  when  the  capsule  is  stationary  or  moving  at  very  high  speeds.  At 

nominal  weight  and  g-loading,  a  capsule  on  the  Hyperloop  will  require  air 

injection beneath the ski at a rate of  0.44 lb/s (0.2 kg/s) at 1.4 psi (9.4 kPa) 

for the passenger capsule. The air is introduced via a network of grooves in the 

bearing’s  bottom  surface  and  is  sourced  directly  from  the  high  pressure  air 

reservoir onboard the capsule.  

The  aerodynamically  and  externally  pressurized  film  beneath  the  skis  will 

generate  a  drag  force  on  the  capsule.  The  drag  may  be  computed  by 

recognizing that fluid velocity in the flow field is driven by both the motion of 

the tube wall relative to the ski and by a pressure gradient, which is typically 

referred  to  as  a  Couette-Poiseuille  flow.  Such  flows  are  well  understood, and 

the  resultant  drag  can  be computed  analytically  (as  done in  this  alpha  study) 

and improved and/or validated by computational methods. The predicted total 

drag  generated  by  the  28  air  bearings  at  a  capsule  speed  of  760  mph  (1,220 

kph) is 31 lb

f

 (140 N), resulting in a 64 hp (48 kW) power loss. 



The passenger capsule air bearing system weight is expected to be about 6,200 

lb  (2,800  kg)  including  the  compressors,  air  tank,  plumbing,  suspension,  and 

bearing surfaces. The overall cost of the air bearing components is targeted to 

be no more than $475,000. 



Hyperloop Passenger Plus Vehicle Capsule 

The  passenger  plus  vehicle  version  of  the  Hyperloop  capsule  places  more 

aggressive lifting requirements on the air bearings, but the expanded diameter 

of the tube provides a greater surface area for lift generation. For this version, 



 

Page 22 


 

an extra 12 in. (30 cm) of width would be added to each bearing. The nominal 

air  supply  pressure  would  increase  to  1.6  psi  (11.2  kPa),  but  the  flow  rate 

required would remain 0.44 lb/s (0.2 kg/s) thanks to the increased area under 

the skis. Drag on the skis at 42 lb

f

 (187 N), results in a power loss of 85 hp (63 



kW). 

The passenger plus vehicle capsule air bearing system weight is expected to be 

about  8,400  lb  (3,800  kg)  including  the  compressors,  air  tank,  plumbing, 

suspension,  and  bearing  surfaces.  The  overall  cost  of  the  air  bearing 

components is targeted to be no more than $565,000. 


Yüklə 3,69 Mb.

Dostları ilə paylaş:
1   2   3   4   5




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©azkurs.org 2024
rəhbərliyinə müraciət

gir | qeydiyyatdan keç
    Ana səhifə


yükləyin