Hyperloop Alpha Intro



Yüklə 3,69 Mb.
Pdf görüntüsü
səhifə3/5
tarix28.01.2017
ölçüsü3,69 Mb.
#6669
1   2   3   4   5

4.1.5. Onboard Power 

The passenger capsule power system includes an estimated 5,500 lb (2,500 kg) 

of batteries to power the capsule systems in addition to the compressor motor 

(using 3,400 lb or 1,500 kg of the batteries) and coolant. The battery, motor, 

and electronic components cost is estimated to be near $150,000 per capsule in 

addition to the cost of the suspension system. 

The passenger plus vehicle capsule power system includes an estimated 12,100 

lb  (5,500  kg)  of  batteries  to  power  capsule  systems  in  addition  to  the 

compressor motor (using 8,900 lb or 4,000 kg of the batteries) and coolant. The 

battery,  motor  and  electronic  components  cost  is  estimated  to  be  near 

$200,000 per capsule in addition to the cost of the suspension system. 

4.1.6. Propulsion 

In order to propel the vehicle at the required travel speed, an advanced linear 

motor  system  is  being  developed  to  accelerate  the  capsule  above  760  mph 

(1,220 kph) at a maximum of 1g for comfort. The moving motor element (rotor) 

will be located on the vehicle for weight savings and power requirements while 

the tube will incorporate the stationary motor element (stator) which powers 

the vehicle. More details can be found in the section 4.3. 

Hyperloop Passenger Capsule 

The overall propulsion system weight attached to the capsule is expected to be 

near 2,900 lb (1,300 kg) including the support and emergency braking system. 

The overall cost of the system is targeted to be no more than $125,000. This 

brings the total capsule weight near 33,000 lb (15,000 kg) including passenger 

and luggage weight. 



Hyperloop Passenger Plus Vehicle Capsule 

The overall propulsion system weight attached to the capsule is expected to be 

near 3,500 lb (1,600 kg) including the support and emergency braking system. 

The overall cost of the system is targeted to be no more than $150,000. This 



 

Page 23 


 

brings the total capsule weight near 57,000 lb (26,000) kg including passenger, 

luggage, and vehicle weight. 

4.1.7. Cost 

The  overall  cost  of  the  Hyperloop  passenger  capsule  version  (Table  1)  is 

expected to be under $1.35 million USD including manufacturing and assembly 

cost.  With  40  capsules  required  for  the  expected  demand,  the  total  cost  of 

capsules for the Hyperloop system should be no more than $54 million USD or 

approximately 1% of the total budget. 

Although the overall cost of the project would be higher, we have also detailed 

the  expected  cost  of  a  larger  capsule  (Table  2)  which  could  carry  not  only 

passengers  but  cargo  and  cars/SUVs  as  well.  The  frontal  area  of  the  capsule 

would  have  to  be  increased  to  43  ft

2

  (4  m


2

)  and  the  tube  diameter  would  be 

increased to 10 ft 10 in. (3.3 m). 

Table 1. Crew capsule weight and cost breakdown 

Vehicle Component 

Cost ($) 

Weight (kg) 

  

  

  



Capsule Structure & Doors: 

 $        245,000  

3100 

Interior & Seats: 



 $        255,000  

2500 


Propulsion System: 

 $          75,000  

700 

Suspension & Air Bearings: 



 $        200,000  

1000 


Batteries, Motor & Coolant: 

 $        150,000  

2500 

Air Compressor: 



 $        275,000  

1800 


Emergency Braking: 

 $          50,000  

600 

General Assembly: 



 $        100,000  

N/A  


Passengers & Luggage: 

 N/A 


2800 

  

  

  



Total/Capsule: 

 $     1,350,000  

15000 

Total for Hyperloop: 



 $  54,000,000  

  


 

Page 24 


 

Table 2. Cargo and crew capsule weight and cost breakdown 

Vehicle Component 

Cost ($) 

Weight (kg) 

  

  



  

Capsule Structure & Doors: 

 $        275,000  

3500 


Interior & Seats: 

 $        185,000  

2700 

Propulsion System: 



 $          80,000  

800 


Suspension & Air Bearings: 

 $        265,000  

1300 

Batteries, Motor & Coolant: 



 $        200,000  

5500 


Air Compressor: 

 $        300,000  

2500 

Emergency Braking: 



 $          70,000  

800 


General Assembly: 

 $        150,000 

N/A  

Passengers & Luggage: 



 N/A 

1400 


Car & Cargo: 

 N/A 


7500 

  

  

  



Total/Capsule: 

 $     1,525,000  

26000 

Total for Hyperloop: 



 $  61,000,000  

  

4.2. Tube 

The  main  Hyperloop  route  consists  of  a  partially  evacuated  cylindrical  tube 

that  connects  the  Los  Angeles  and  San  Francisco  stations  in  a  closed  loop 

system (Figure 2). The tube is specifically sized for optimal air flow around the 

capsule improving performance and energy consumption at the expected travel 

speed. The expected pressure inside the tube will be maintained around 0.015 

psi (100 Pa, 0.75 torr), which is about 1/6 the pressure on Mars or 1/1000 the 

pressure on Earth. This low pressure minimizes the drag force on the capsule 

while maintaining the relative ease of pumping out the air from the tube. The 

efficiency of industrial vacuum pumps decreases exponentially as the pressure 

is reduced (Figure 13), so further benefits from reducing tube pressure would 

be offset by increased pumping complexity. 

 

Figure 13. Typical vacuum pump speed for functional pressure range. 

In order to minimize cost of the Hyperloop tube, it will be elevated on pillars 

which greatly reduce the footprint required on the ground and the size of the 

construction  area  required.  Thanks  to  the  small  pillar  footprint  and  by 


 

Page 25 


 

maintaining the route as close as possible to currently operated highways, the 

amount  of  land  required  for  the  Hyperloop  is  minimized.  More  details  are 

available for the route in section 4.4. 

The  Hyperloop  travel  journey  will  feel  very  smooth  since  the  capsule  will  be 

guided directly on the inner surface of the tube via the use of air bearings and 

suspension; this also prevents the need for costly tracks. The capsule will bank 

off  the  walls  and  include  a  control  system  for  smooth  returns  to  nominal 

capsule location from banking as well.  Some specific sections of the tube will 

incorporate the stationary motor element (stator) which will  locally guide and 

accelerate  (or  decelerate)  the  capsule.  More  details  are  available  for  the 

propulsion  system  in  section  4.3.  Between  linear  motor  stations,  the  capsule 

will glide with little drag via air bearings. 

4.2.1. Geometry 

The  geometry  of  the  tube  depends  on  the  choice  of  either  the  passenger 

version of Hyperloop or the passenger plus vehicles version of Hyperloop. 

In either case, if the speed of the air passing through the gaps accelerates  to 

supersonic velocities, then shock waves form. These waves limit how much air 

can actually get out of the way of the capsule, building up a column of air in 

front  of  its  nose  and  increasing  drag  until  the  air  pressure  builds  up 

significantly  in  front  of  the  capsule.

 

With  the  increased  drag  and  additional 



mass  of  air  to  push,  the  power  requirements  for  the  capsule  increase 

significantly.  It  is  therefore  very  important  to  avoid  shock  wave  formation 

around  the  capsule  by  careful  selection  of  the  capsule/tube  area  ratio.  This 

ensures sufficient mass air flow around and through the capsule at all operating 

speeds. Any air that cannot pass around the annulus  between the capsule and 

tube is bypassed using the onboard compressor in each capsule.  



 

Page 26 


 

  

Figure 14. Hyperloop capsule in tube cutaway with attached solar arrays. 



Passenger Hyperloop Tube 

The inner diameter of the tube is optimized to be 7 ft 4 in. (2.23 m) which is 

small  enough  to  keep  material  cost  low  while  large  enough  to  provide  some 

alleviation of choked air flow around the capsule. The tube cross-sectional area 

is 42.2 ft

2

 (3.91 m



2

) giving a capsule/tube area ratio of 36% or a diameter ratio 

of  60%.

 

It  is  critical  to  the  aerodynamics  of  the  capsule  to  keep  this  ratio  as 



large as possible, even though the pressure in the tube is extremely low. As the 

capsule  moves  through  the  tube,  it  must  displace  its  own  volume  of  air,  in  a 

loosely  similar  way  to  a  boat  in  water.  The  displacement  of  the  air  is 

constricted  by  the  walls  of  the  tube,  which  makes  it  accelerate  to  squeeze 

through  the  gaps.  Any  flow  not  displaced  must  be  ingested  by  the  onboard 

compressor of each capsule, which increases power requirements. 

The closed loop tube will be mounted side-by-side on elevated pillars as seen in 

Figure 5. The surface above the tubes will be lined with solar panels to provide 

the required system energy. This represents a possible area of 14 ft (4.25 m) 

wide for more than 350 miles (563 km) of tube length. With an expected solar 

panel energy production of 0.015 hp/ft

2

 (120 W/m



2

), we can expect the system 

to  produce  a  maximum  of  382,000  hp  (285  MW)  at  peak  solar  activity.  This 

would actually be more energy than needed for the Hyperloop system and the 

detailed power requirements will be described in section 4.3.  


 

Page 27 


 

Passenger Plus Vehicle Hyperloop Tube 

The inner diameter of the tube is optimized to be 10 ft 10 in. (3.30 m), larger 

than the passenger version to accommodate the larger capsule. The tube cross-

sectional area is 92.1 ft

2

 (8.55 m


2

) giving a capsule/tube area ratio of 47% or a 

diameter ratio of 68%. 

The closed passenger plus vehicle Hyperloop tube will be mounted side-by-side 

in the same manner as the passenger version as seen in Figure 5. The surface 

above the tubes will be lined with solar panels to provide the required system 

energy. This represents a possible area of 22 ft (6.6 m) wide for more than 350 

miles (563 km) of tube length. With an expected solar panel energy production 

of 0.015 hp/ft

2

 (120W/m



2

), we can expect the system to produce a maximum 

of  598,000  hp  (446  MW)  at  peak  solar  activity.  This  would  actually  be  more 

energy  than  needed  for  the  passenger  plus  vehicle  Hyperloop  system  and  the 

specific power requirements will be detailed in section 4.3.  

Station Connections 

The  stations  are  isolated  from  the  main  tube  as  much  as  possible  in  order  to 

limit air leaks into the system. In addition, isolated branches and stations off 

the main tubes could be built to access some towns along the way between Los 

Angeles  and  San  Francisco.  Vacuum  pumps  will  run  continuously  at  various 

locations  along  the  length  of  the  tube  to  maintain  the  required  pressure 

despite any possible leaks through the joints and stations. The expected cost of 

all required vacuum pumps is expected to be no more than $10 million USD. 



4.2.2. Tube Construction 

In order to keep cost to a minimum, a uniform thickness steel tube reinforced 

with  stringers  was  selected  as  the  material  of  choice  for  the  inner  diameter 

tube.  Tube  sections  would  be  pre-fabricated  and  installed  between  pillar 

supports  spaced  100  ft  (30  m)  on  average,  varying  slightly  depending  on 

location.  This  relatively  short  span  allows  keeping  tube  material  cost  and 

deflection to a minimum.  

The  steel  construction  allows  simple  welding  processes  to  join  different  tube 

sections  together.  A  specifically  designed  cleaning  and  boring  machine  will 

make it possible to surface finish the inside of the tube and welded joints for a 

better  gliding  surface.  In  addition,  safety  emergency  exits  and  pressurization 

ports will be added in key locations along the length of the tube. 



Passenger Hyperloop Tube 

A  tube  wall  thickness  between  0.8  and  0.9  in.  (20  to  23  mm)  is  necessary  to 

provide  sufficient  strength  for  the  load  cases  considered  in  this  study.  These 

cases  included,  but  were  not  limited  to,  pressure  differential,  bending  and 



 

Page 28 


 

buckling between pillars, loading due to the capsule weight and acceleration, 

as well as seismic considerations. 

The  cost  of  the  tube  is  expected  to  be  less  than  $650  million  USD,  including 

pre-fabricated tube sections with stringer reinforcements and emergency exits. 

The support pillars and joints which will be detailed in section 4.2.3.  



Passenger Plus Vehicle Hyperloop Tube 

The  tube  wall  thickness  for  the  larger  tube  would  be  between  0.9  and  1.0  in 

(23 to 25 mm). Tube cost calculations were also made for the larger diameter 

tube which would allow usage of the cargo and vehicle capsule in addition to 

the passenger capsule. In this case, the cost of the tube is expected to be less 

than $1.2 billion USD. Since the spacing between pillars would not change and 

the pillars are more expensive than the tube, the overall cost increase is kept 

to a minimum. 



4.2.3. Pylons and Tunnels 

The tube will be supported by pillars which constrain the tube in the vertical 

direction but allow longitudinal slip for thermal expansion as well as dampened 

lateral slip to reduce the risk posed by earthquakes. In addition, the pillar to 

tube connection nominal position will be adjustable vertically and laterally to 

ensure  proper  alignment  despite  possible  ground  settling.  These  minimally 

constrained  pillars  to  tube  joints  will  also  allow  a  smoother  ride.  Specially 

designed  slip  joints  at  stations  will  be  able  to  take  any  tube  length  variance 

due to thermal expansion. This is an ideal location for the thermal expansion 

joints as the speed is much lower nearby the stations. It thus allows the tube to 

be smooth and welded along the high speed gliding middle section. 

The spacing of the Hyperloop pillars retaining the tube is critical to achieve the 

design  objective  of  the  tube  structure.  The  average  spacing  is  100  ft  (30  m), 

which  means  there  will  be  roughly  25,000  pillars  supporting  both  Hyperloop 

tubes and overhead solar panels. The pillars will be 20 ft (6 m) tall whenever 

possible but may vary in height in hilly areas or where obstacles are in the way. 

Also,  in  some  key  areas,  the  spacing  will  have  to  vary  in  order  to  pass  over 

roads  or  other  obstacles.  Small  spacing  between  each  support  reduces  the 

deflection  of  the  tube  keeping  the  capsule  steadier  and  the  journey  more 

enjoyable.  In  addition,  reduced  spacing  has  increased  resistance  to  seismic 

loading as well as the lateral acceleration of the capsule.  

Due to the sheer quantity of pillars required, reinforced concrete was selected 

as the construction material due to its very low cost per volume. In some short 

areas,  tunneling  may  be  required  to  avoid  going  over  mountains  and  to  keep 

the route as straight as possible. The cost for the pillar construction and tube 

joints  is  anticipated  to  be  no  more  than  $2.55  billion  USD  for  the  passenger 

version tube and $3.15 billion USD for the passenger plus vehicle version tube. 


 

Page 29 


 

The  expected  cost  for  the  tunneling  is  expected  to  be  no  more  than  $600 

million  USD  for  the  smaller  diameter  tube  and  near  $700  million  USD  for  the 

larger diameter tube. 

Structural  simulations  (Figure  15  through  Figure  20)  have  demonstrated  the 

capability  of  the  Hyperloop  to  withstand  atmospheric  pressure,  tube  weight, 

earthquakes, winds, etc. Dampers will be incorporated between the pylons and 

tubes to isolate movements in the ground from the tubes. 

 

Figure 15. First mode shape of Hyperloop at 2.71Hz (magnified x1500). 

 


 

Page 30 


 

 

Figure 16. Second mode shape of Hyperloop at 3.42Hz (magnified x1500). 

 

Figure 17. Deformation at 1g Inertia in X (in.) (magnified x10). 


 

Page 31 


 

 

Figure 18. Maximum principal stress at 1g Inertia in X (psi) (magnified x10). 

 

Figure 19. Minimum principal stress at 1g Inertia in X (psi) (magnified x10). 


 

Page 32 


 

 

Figure 20. Maximum shear stress at 1g Inertia in X (psi) (magnified x10). 



4.2.4. Station Construction 

Hyperloop stations are intended to be minimalist but practical with a boarding 

process and layout much simpler than airports. 

Due to the short travel time and frequent departures, it is envisaged that there 

will  be  a  continual  flow  of  passengers  through  each  Hyperloop  station,  in 

contrast  to  the  pulsed  situation  at  airports  which  leads  to  lines  and  delays. 

Safety and security are paramount, and so security checks will still be made in 

a  similar  fashion  as  TSA  does  for  the  airport.  The  process  could  be  greatly 

streamlined  to  reduce  wait  time  and  maintain  a  more  continuous  passenger 

flow.  


All  ticketing  and  baggage  tracking  for  the  Hyperloop  will  be  handled 

electronically,  negating  the  need  for  printing  boarding  passes  and  luggage 

labels.  Since  Hyperloop  travel  time  is  very  short,  the  main  usage  is  more  for 

commuting  than  for  vacations.  There  would  be  a  luggage  limit  of  2  bags  per 

person, for no more than 110 lb (50 kg) in total. Luggage would be stowed in a 

separate compartment at the rear of the capsule, in a way comparable to the 

overhead  bins  on  passenger  aircraft.  This  luggage  compartment  can  be 

removed  from  the  capsule,  so  that  the  process  of  stowing  and  retrieving 

luggage  can  be  undertaken  separately  from  embarking  or  disembarking  the 

capsule’s passenger cabin. In addition, Hyperloop staff will take care of loading 

and unloading passenger luggage in order to maximize efficiency.  

The transit area at a Hyperloop terminal would be a large open area with two 

large airlocks signifying the entry and exit points for the capsules. An arriving 

capsule would enter the incoming airlock, where the pressure is equalized with 



 

Page 33 


 

the  station,  before  being  released  into  the  transit  area.  The  doors  of  the 

capsule  would  open  allowing  the  passengers  to  disembark.  The  luggage  pod 

would  be  quickly  unloaded  by  the  Hyperloop  staff  or  separated  from  the 

capsule  so  that  baggage  retrieval  would  not  interfere  with  the  capsule 

turnaround.  

Once vacated, the capsule would be rotated on a turntable, and aligned for re-

entry into the Hyperloop tube. The departing passengers, and their pre-loaded 

luggage pod, would then enter the capsule. A Hyperloop attendant would next 

perform a safety check of the seat belt of each passenger before the capsule is 

cleared for departure. At this point the capsule would then be moved forward 

into  the exit  airlock, where  the  pressure is  lowered  to  the  operating  level  of 

the  Hyperloop,  and  then  sent  on  its  way.  Note  that  loading  and  unloading 

would occur in parallel with up to three capsules at a given station at any time. 

The  expected  cost  for  each  station  is  around  $125  million  for  a  total  of  $250 

million USD initially. 



4.2.5. Cost 

The  overall  cost  of  the  tube,  pillars,  vacuum  pumps  and  stations  is  thus 

expected  to  be  around  $4.06  billion  USD  for  the  passenger  version  of  the 

Hyperloop.  This  does  not  include  the  cost  of  the  propulsion  linear  motors  or 

solar panels. The tube represents approximately 70% of the total budget. 

The larger 10 ft 10 in. (3.3 m) tube would allow the cargo and vehicle capsules 

to  fit  at  a  total  cost  including  the  tube,  pillars,  vacuum  pumps,  and  stations 

around $5.31 billion USD. This minimal cost increase would allow a much more 

versatile Hyperloop system. 

4.3. Propulsion 

The propulsion system has the following basic requirements: 

1.

 

Accelerate  the  capsule  from  0  to  300  mph  (480  kph)  for  relatively  low 



speed travel in urban areas. 

2.

 



Maintain the capsule at 300 mph (480 kph) as necessary, including during 

ascents over the mountains surrounding Los Angeles and San Francisco. 

3.

 

To accelerate the capsule from 300 to 760 mph (480 to 1,220 kph) at 1G 



at the beginning of the long coasting section along the I-5 corridor. 

4.

 



To decelerate the capsule back to 300 mph (480 kph) at the end of the I-

5 corridor. 

The Hyperloop as a whole is projected to consume an average of 28,000 hp (21 

MW).  This  includes  the  power  needed  to  make  up  for  propulsion  motor 

efficiency  (including  elevation  changes),  aerodynamic  drag,  charging  the 

batteries to power on-board compressors, and vacuum pumps to keep the tube 

evacuated.  A  solar  array  covering  the  entire  Hyperloop  is  large  enough  to 


 

Page 34 


 

provide  an  annual  average  of  76,000  hp  (57  MW),  significantly  more  than  the 

Hyperloop requires.  

Since  the  peak  powers  of  accelerating  and  decelerating  capsules  are  up  to  3 

times  the  average  power,  the  power  architecture  includes  a  battery  array  at 

each  accelerator.  These  arrays  provide  storage  of  excess  power  during  non-

peak  periods  that  can  be  used  during  periods  of  peak  usage.  Power  from  the 

grid is needed only when solar power is not available. 

This section details a large linear accelerator, capable of the 300 to 760 mph 

(480  to  1,220  kph)  acceleration  at  1G.  Smaller  accelerators  appropriate  for 

urban  areas  and  ascending  mountain  ranges  can  be  scaled  down  from  this 

system. 


The Hyperloop uses a linear induction motor to accelerate and decelerate the 

capsule.  This  provides  several  important  benefits  over  a  permanent  magnet 

motor: 



 



Lower  material  cost  –  the  rotor  can  be  a  simple  aluminum  shape,  and 

does not require rare-earth elements. 

 

Lighter capsule. 



 

Smaller capsule dimensions. 



The lateral forces exerted by the stator on the rotor though low at 0.9 lb

f

/ft 



(13 N/m) are inherently stabilizing. This simplifies the problem of keeping the 

rotor aligned in the air gap. 



 

Page 35 


 

 


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