Удивительная механика Гулиа Нурбей
Допустим, нам понадобилось про бурить скважину, взять пробу грунта или проделать другую механическую работу на дне океана, на глубине около 5 км, где давление воды огромно. В таких условиях очень трудно воспользоваться традиционными источниками энергии – двигателями и электроаккумуляторами. Действительно, двигателю нужен воздух, который, однако, с поверхности по трубке не подведешь – ее раздавит давлением воды. Электрический кабель тоже не выдержит давления – будет пробой. Маховик же выделяет энергию непосредственно в виде вращения вала, без кабелей и труб. Он-то нас и выручит.
Конечно, помещать вращающийся маховик прямо в воду бессмысленно – его сразу же остановит сопротивление воды. Целесообразнее поступить следующим образом. Заключим маховик или, если нам надо много энергии, супермаховик в герметичную вакуумную камеру, лучше сферическую, чтобы она могла противостоять давлению. При этом закрепим его не в центре камеры, а несколько ниже. Супермаховик массой в сотни килограммов будет висеть подобно маятнику, стремящемуся под действием гравитации сохранить свое наиболее низкое положение. Дальше все просто. Свяжем супермаховик понижающей механической передачей с камерой, и он станет вращать ее, только гораздо медленнее, чем вращается сам. Это очень напоминает бег белки в клетке-колесе. Белка выступает там как бы в роли супермаховика, а колесо – та же вращающаяся камера. Теперь мы можем отбирать энергию не от самого супермаховика, а от вращающейся, правда с меньшей скоростью, камеры.
К этой камере легко приделать любой инструмент: ковш, бур, фрезу – в общем, все, что надо. Когда камера встретит сопротивление (например, порода упрется в твердую породу), супермаховик начнет вращать ее с большим усилием. Но даже если порода и в этом случае не поддастся, никакой поломки или аварии бура не произойдет. Супермаховик просто «заходит» по кругу внутри камеры, пока не уменьшит нагрузку.
Заряжаться – раскручиваться супермаховик сможет от вращения своей же камеры. Достаточно прикрепить прямо к ней, как к валу корабля, гребной винт, и она быстро закрутится во время спуска на дно за счет собственной тяжести и тяжести супермаховика.
Это супермаховичное «беличье колесо» и ряд других систем вывода энергии из вакуумной камеры, придуманных как мной самим, так и вместе с товарищами, были признаны изобретениями. Еще один шаг к «капсуле» сделан!
Чего же удалось достичь? В супермаховике можно накопить огромную энергию, эту энергию несложно надолго «законсервировать», используя вакуумную камеру, магнитные подвески, быстроходные подшипники. Накопленная энергия выводится из вакуумной камеры, причем выводится в любом удобном для нас виде: в виде вращения вала или корпуса, в виде электрического тока, напора жидкости (масла). Но супермаховик, отдавая кинетическую энергию, постепенно останавливается. Отразится ли снижение скорости на работе «энергетической капсулы»?
Возможен ли «мягкий» маховик?
Что касается супермаховиков, у которых энергия отбирается электрическим или гидравлическим путем, то тут все ясно. Электро– и гидроприводы можно регулировать «мягко», так что «потребитель» и не догадается об изменении скорости супермаховика.
Особенно успешно регулируется гидропривод. Гидронасос состоит из нескольких поршеньков, приводимых в движение шайбой, к которой они шарнирно прикреплены. Шайба обычно наклонена таким образом, что за один ее оборот поршенек проделывает вместе с ней некоторый путь вверх-вниз. Уменьшив угол наклона шайбы, поставив ее почти параллельно поршенькам, ход последних можно сделать едва заметным, с увеличением угла наклона увеличится и ход поршеньков. Такая регулировка позволяет менять скорость вращения вала от нулевой до самой высокой.
Предположим, на автомобиле установлены обычный гидродвигатель и супермаховик с гидравлическим приводом, причем на супермаховике – регулируемый насос. Как будет производиться движение машины?
Сначала шайба насоса чуть наклоняется, в гидродвигатель подается немного масла, и он тихонько «трогает» автомобиль. По мере его разгона шайба наклоняется все больше и больше, повышая мощность насоса, а стало быть, и скорость автомобиля. Если супермаховик только что «заряжен» и скорость вращения его высока, то можно ограничиться малым наклоном шайбы; если же скорость вращения основательно упала, то надо увеличить угол наклона, и скорость автомобиля не изменится. Конечно, когда шайба дойдет до предельного положения, регулировка будет уже неэффективна.
Обычно допускается снижение скорости вращения супермаховика вдвое, например с 12 до 6 тыс. оборотов в минуту. Но не следует думать, что и энергии его мы используем тоже половину. Так как при снижении скорости вдвое энергия супермаховика уменьшается в 22, то есть в четыре раза, соответственно мы получаем от него 3/4, или 75 %, всей энергии. Вот какой «глубокий» отбор полезной энергии можно произвести от маховичных накопителей.
Точно так же обстоит дело и с электроприводом, только вместо шайбы здесь применяется так называемое частотное управление. Оно современно и хорошо разработано, мы даже используем его в бытовых приборах, например в вентиляторах.
Но как ни удобны электро– и гидроприводы, они все-таки сложны. КПД – около 0,8-0,9, бывает и чуть повыше, – преобразование механической энергии в поток жидкости или электронов требует затрат – «налога» на это преобразование. Их масса велика, да и стоят они недешево. А главное, эти приводы не позволяют отобрать у маховика всю энергию, довести его до остановки. Почему же нельзя получить от маховика больше энергии?
Дело в том, что всякий привод хорошо работает только на той скорости, на которую он рассчитан. Если скорость супермаховика сильно снижается, то электрогенератор, соединенный с ним, дает слабый ток, а гидронасос – невысокое давление масла. Привод становится маломощным, КПД его падает. Вот потому-то оставшаяся в супермаховике четверть всей накопленной энергии, как правило, не используется.
Сказанное относится к разгону автомобиля. А что происходит при его торможении? Ведь чтобы не потерять при этом кинетическую энергию автомобиля, нам надо перекачать ее в супермаховик.
Для привода безразлично, передавать ли энергию от супермаховика автомобилю или от автомобиля супермаховику. Поэтому на схемах обычно изображают автомобиль в виде супермаховика на одном валу привода, а супермаховик-накопитель – на втором. Так вот, электро– или гидропривод сумеет отобрать у автомобиля, как и у супермаховика, те же 75 % энергии, снизив его скорость лишь вдвое. А куда годится такое торможение, после которого автомобиль все еще движется, хотя и в два раза медленнее?!
И я стал придумывать привод, который мог бы «перекачивать» энергию автомобиля в супермаховик и наоборот практически полностью, – своего рода «энергетический насос», способный отбирать энергию у супермаховика до самой его остановки. Причем КПД этого привода-насоса должен быть выше, чем у любого другого типа привода. Что и говорить, задача была не из легких. Но неожиданно мне повезло. Однажды я увидел во сне… магнитофон. Вот этот магнитофон, вернее, его вращающиеся кассеты и натолкнули меня на правильное решение. Для проверки своей мысли я изготовил специальные кассеты, где намотка начиналась почти от самого вала, и, поставив их на магнитофон, включил его в режиме перемотки.
В то время как одна кассета, на которой ленты было немного, трогалась с места, другая, полная кассета, почти не проворачивалась. Затем, по мере намотки ленты на первую кассету, вторая разгонялась все больше и больше. Наконец, когда первая кассета заполнилась, ее скорость вращения стала едва заметной. Зато вторая кассета, с которой лента смоталась, вращалась очень быстро, совсем как разогнанный супермаховик.
Идея была найдена, далее следовала техническая работа. Не вдаваясь в подробности изготовления привода, хочу сказать, что ленту для него я взял такую же, какую использовал в супермаховиках – стальную, толщиной 0,1 мм и шириной 40 мм.
«Магнитофонный» привод позволял передавать энергию от автомобиля супермаховику или, что одно и то же, от одного супермаховика другому, почти без потерь – на 99 %! При торможении автомобиля неподвижный супермаховик разгонялся, принимая чуть ли не всю энергию автомобиля и доводя его практически до остановки, а затем разгонял неподвижный автомобиль примерно до той же скорости, что была у него до торможения. Сам супермаховик при этом останавливался.
«Магнитофонный» привод был признан изобретением, и мне выдали на него авторское свидетельство.
Хотя этот привод получился значительно легче, меньше и экономичнее любого другого привода для разгона и торможения машин, он работал как бы по заданной программе, всегда одинаково. Регулировать его надо было заранее, до пуска. А ведь автомобиль приходится тормозить и разгонять в зависимости от того, какая ситуация на дороге. Вот для метропоезда, движению которого почти ничего не мешает, магнитофонный привод, наверное, подошел бы. Для автомобиля же лучше поискать что-нибудь иное.
Чтобы полнее использовать энергию маховика и регулировать скорость его вращения без какого-либо привода, можно менять расположение массы в маховике, то есть либо отодвигать ее от оси вращения, либо приближать к ней. Всем известно, чтобы вращаться быстрее, например в танцах на льду или на так называемой скамье Жуковского, человеку надо сгруппироваться, «собрать» руки и плечи поближе к туловищу. Для замедления вращения ему следует, наоборот, раскинуть руки пошире, отодвигая тем самым часть массы подальше от оси вращения. Лучше держать в это время в руках грузы, например гантели. Так и в маховике: если изготовить его части раздвижными, то складывая части, можно ускорить вращение, а раздвигая, – замедлить. И это все при постоянном запасе энергии в маховике.
Задача создания «раздвижных» маховиков уже давно привлекает изобретателей. Однако большинство энтузиастов избирают неверный путь. Об этом можно судить хотя бы по тому, что на высоких оборотах их маховики отказываются работать.
Многие устройства – почти точное повторение раздвижного патрона токарного станка. Только грузы в них раздвигаются винтами или рычагами. Я уже говорил, что при вращении маховика его частицы, стремясь двигаться по инерции, то есть прямолинейно, а не по кругу, создают настолько большие усилия, что рвут монолитную сталь. А здесь все эти гигантские силы приходятся на винты, рычажки и другие «хлипкие» механизмы. Где им устоять? Поэтому и рвутся «раздвижные» маховики, не достигая и десятой доли энергоемкости даже обычных маховиков. Их авторы будто заранее позаботились о размерах и массе осколков, специально разрезав монолитный маховик на части и скрепив их непрочными связями.
Не лучше показали себя заливные и насыпные маховики. Такие маховики изготовляют полыми, в виде бочки, и для увеличения инертности заполняют водой, ртутью или даже дробью. Когда же нужно уменьшить инертность, заполнитель либо изымают из маховика, либо тем или иным способом «стягивают» к центру.
Но изобретатели не учитывают, что жидкость или дробь сами не несут своей нагрузки. Все усилия, связанные со стремлением «вырваться» из кругового движения, заполнитель перекладывает на тонкую стенку полого маховика. Жидкость, а тем более дробь, при вращении создает в маховике давление в тысячи атмосфер (сотни мегапаскалей), которое без труда взрывает тонкостенный сосуд – маховик. Попытки сделать стенку толстой не приносят успеха – слишком мало остается места для жидкости, и сосуд превращается в заурядный монолитный маховик.
Другой порок «заливных» маховиков заключается в очень малом КПД. При заливке жидкости на ходу почти половина кинетической энергии маховика переходит в тепло, так как жидкость тормозит маховик, а при изъятии жидкости из маховика теряется вся ее кинетическая энергия – ведь жидкость нужно как бы остановить, сделать неподвижной. Как же быть с изъятием жидкости, если она будет иметь колоссальное давление и сверхзвуковую скорость? Тогда ее никаким насосом не откачаешь!
Вот если бы жидкость, дробь и прочие заполнители сами несли свою нагрузку да еще обладали высокой прочностью… А почему бы не применить в качестве заполнителя стальную ленту – ту, что идет на намотку супермаховика? Пусть она наматывается на вал в центре такого же ленточного супермаховика, понижая его инертность, и, наоборот, сматывается с вала, прижимается к внутренней поверхности ленточного обода, повышая инертность супермаховика. К тому же лента-заполнитель сама несет свою нагрузку.
Вышел обычный ленточный супермаховик, в котором лента, однако, была склеена только на поверхности обода. Отходя от обода в виде двух или нескольких витков, она дальше наматывалась уже без клея. Когда намотка достигла вала супермаховика, я закрепил на нем концы ленты. Сам супермаховик был посажен на этотвал свободно в подшипниках. Стоило теперь остановить вал, и лента начинала навиваться на него, уменьшая инертность супермаховика. Скорость его вращения при этом увеличивалась.
Картина получалась парадоксальная – супермаховик никто не разгоняет, он предоставлен самому себе, и все же он разгоняется! И будет разгоняться до тех пор, пока вся энергия, накопленная в супермаховике, не перейдет в тонкий внешний слой и не разорвет его!
Это явление напоминает эффект кнута. При ударе об пол вся кинетическая энергия длинного кнута переходит в его кончик, поскольку центральная часть кнута, прикоснувшись к полу, останавливается. Сосредоточившись в самом кончике, кинетическая энергия так сильно разгоняет его, что мы слышим резкий взрывообразный звук, а кончик кнута при этом нередко отрывается.
Практическая польза от саморазгоняющегося супермаховика очевидна – время от времени разгоняя маховик его же энергией, мы обеспечиваем наивыгоднейшие условия работы привода, ведь супермаховик до выделения всей своей энергии вращается с постоянной скоростью. А чтобы отпущенный вал не раскручивался в обратную сторону, его надо связать с супермаховиком храповой муфтой, допускающей вращение только в одну сторону.
Соединив вал подобного маховика с машиной, мы повысим «мягкость» рабочей характеристики – ценнейшее свойство для большинства машин. В чем выражается эта «мягкость»? При торможении обычного маховика он сразу не замедлится – таково свойство маховиков. Если мы затормозим его слишком сильно, то либо вал, либо другая деталь сломаются. Рабочую характеристику в этом случае называют «жесткой».
Если же мы попытаемся остановить таким образом вал «мягкого» супермаховика, то он сперва поддастся, замедлится. Потом мы почувствуем, что вал как бы набирает силу, – на него навиваются все новые и новые витки ленты, диаметр намотки растет, – и мы уже не в состоянии удержать его – вал прокрутится. Чуть отпустив вал, мы тем самым ослабим нагрузку, и вал раскрутится быстрее супермаховика, передавая ему лишние витки ленты. Вот такая характеристика – «мягкая»!
«Мягким» супермаховиком можно производить, например, плавные торможения и разгоны машин. Он способен работать даже в режиме «часовой пружины», только в тысячи раз более энергоемкой. Правда, «заводить» такую пружину посложнее, чем обычную.
Мои конструкции «самонесущих» маховиков переменной инертности тоже были признаны изобретениями.
Без вариатора – не обойтись!
Как мне казалось, мои изобретения – «магнитофонный» привод и «мягкий» супермаховик – позволяют использовать неудобную, «падающую» характеристику вращения маховика для большинства практических целей. Однако это было не так. Как ни огорчали меня дальнейшие размышления, как я ни гнал от себя их неутешительные итоги, от правды никуда не денешься… И «магнитофонный» привод и «мягкий» супермаховик лишь частично решают проблему отбора мощности в «энергетической капсуле». Н у, посудите сами, насколько часто встречаются случаи, когда автомобиль, трамвай или другое транспортное средство должны разгоняться и тормозить только по одному, заранее заданному закону. Старушка перебегает дорогу – а ты можешь двигаться только по одному закону, не всегда совместимому с жизнью старушки!
Для всякого рода устройств-автоматов, работающих от маховика, «магнитофонный» привод – пожалуй, то что надо. Но только не для реального, сегодняшнего «свободолюбивого» транспорта! Да и «мягкие» супермаховики – тоже не панацея. Оказалось, что они «работают» только тогда, когда обороты выходного вала близки к оборотам обода самого супермаховика. Эти обороты, или, правильнее, частота вращения выходного вала, могут быть не более чем вдвое выше или ниже частоты вращения обода супермаховика. Для маневров это неплохо, а как машине трогаться с места или тормозить до полной остановки?
И я понял, что для «энергетической капсулы», для успешного отбора энергии у нее жизненно необходим вариатор. Кто не знает, что это такое, скажу – это механизм, меняющий передаточное отношение, вроде коробки передач, но без ступеней. Вращение выходного вала в вариаторе изменяется плавно – бесступенчато. Во сколько раз снижается частота его вращения, во столько же раз повышается крутящий момент. Если же частота вращения растет, то крутящий момент пропорционально снижается. А мощность, равная произведению этих параметров, остается постоянной.
Вроде бы электро– и гидроприводы обеспечивают то же самое, но, оказывается, не совсем. Не вдаюсь в специфику работы этих достаточно сложных устройств, хочу только напомнить, что, если вид или форма энергии преобразуется при ее передаче, то непременно страдает КПД. Этот «налог» на преобразование энергии нельзя обойти никакими путями. Поэтому лучше, если энергия имеется в виде вращения вала, и исполнительному органу эта энергия нужна тоже в виде вращения, например колеса, то лучше «по дороге» не преобразовывать ее в поток электронов или жидкости. Если, конечно, вам не жаль потерять или, точнее, перевести в никому не нужное тепло добрую часть этой энергии.
И возникает еще одна проблема, не сразу заметная, особенно неспециалисту. Допустим, двигатель автомобиля имеет мощность 100 кВт – обычную мощность среднего легкового автомобиля. Для применения электропривода нам понадобится генератор, соединенный с валом этого двигателя или маховика – накопителя, выполняющего его роль. Конечно, наличие генератора ведет к утяжелению привода и понижению его КПД, зато генератор имеет ту же мощность, что и двигатель автомобиля – и это уже неплохо. Но для вращения колес автомобиля с электроприводом нужен еще тяговый двигатель. И как вы думаете, на какую мощность он должен быть рассчитан? Не ошибитесь – только не на 100 кВт, как генератор! Особенно, если автомобиль приводится в движение не двигателем, а маховиком.
Решим, во сколько раз мы хотим изменить скорость автомобиля то есть частоту вращения его колес? Допустим, в 20 раз – с 10 до 200 км/ч, и это очень типичные условия движения автомобиля. Соответственно, во столько же раз должен измениться и крутящий момент. И если при 200 км/ч этот момент таков, что обеспечивает 100 кВт мощности, то при 10 км/ч и той же мощности он будет в 20 раз больше. Если иметь в виду, что размеры и масса электродвигателя почти целиком зависят от крутящего момента, то это повышение момента эквивалентно повышению мощности тоже в 20 раз. То есть по массе и габаритам наш тяговый двигатель будет аналогичен двигателю в 2000 кВт! Чтобы такой двигатель работал нормально, его потребуется оснастить соответствующей по мощности системой частотного регулирования, а также другими, отвечающими ему по массе и габаритам, необходимыми агрегатами.
Но вариатор – это не обычная ступенчатая коробка передач. Это – хитрый механизм, и самое неприятное состоит в том, что вариаторов с высоким КПД и нужным нам диапазоном регулирования в 20 раз и более просто не существует! Но ведь и супермаховиков-то раньше не существовало, а еще пораньше – и автомобилей вообще! И все это создавали мы, люди. Но если я сумел изобрести супермаховик, то почему бы мне не придумать «супервариатор» с нужными параметрами!
И я решил в очередной раз попробовать…
Тайны вариаторов
Я снова сел за книги. Изобретать нечто совершенно новое и фантастическое можно тогда, когда никто ничего в этой области не делал. В области же вариаторостроения уже давно велись активные и плодотворные работы. Мне нужно было только выбрать наилучшую модель, взять ее за основу и усовершенствовать до получения требуемых результатов. Поэтому, сев за книги, я прежде всего хотел понять: какая модель вариатора самая перспективная применительно к той задаче, которую я поставил перед собой. К этому времени у меня уже был кое-какой технический опыт, я относился к своему выбору достаточно критично.
Говоря о вариаторах, трудно удержаться и не рассказать об их истории, устройстве и принципе действия. Ведь они так необычны и сказочно интересны!
Принцип действия вариатора легче всего пояснить на примере самой первой, самой простой, но отнюдь не самой лучшей модели. Называется она «лобовым» вариатором, потому что здесь два катка-диска прижаты друг к другу как бы «лбами». Если большой диск вращается от мотора или маховика с постоянной скоростью, то скорость малого диска зависит от его положения на оси. В крайнем положении эта скорость максимальна; с приближением к центру большого диска она падает, и в самом центре большого диска малый вообще останавливается; с переходом малого диска по другую сторону от центра большого, он начинает вращаться уже в обратном направлении, причем тем быстрее, чем дальше он отходит от центра.
Казалось бы, идеальная передача для привода колес автомобиля – что от двигателя, что от маховика. Да этот вариатор и применялся как раз на автомобилях первых выпусков. При этом большой диск связывался с двигателем, а малый – с колесами автомобиля, разумеется, через понижающий редуктор. Диапазон регулирования такого вариатора теоретически бесконечен: колеса автомобиля от неподвижного положения (малый диск в центре большого) способны вращаться до максимальной скорости как вперед, так и назад (малый диск на одном или другом краю большого).
Но одним диапазоном, как говорится, сыт не будешь; остальное – сплошные недостатки. Вот самые основные из них:
– вся мощность передается только одним контактом большого и малого дисков, но одним контактом большой мощности не передашь, поэтому для наших 100 кВт понадобится не вариатор, а монстр, свыше тонны массой;
– диски надо сильно прижимать друг к другу, чтобы передать трением хоть какое-то усилие, при этом все подшипники дисков нагружены большими силами; нажим дисков не регулируется – он рассчитан на максимальную мощность, и зона контакта сильно изнашивается; если же диски смазывать, коэффициент трения падает, и прижим надо еще многократно увеличивать.
Все! Такой вариатор мне и даром не нужен! Еще бы, ведь его разработка относится к допотопным временам – ему не менее 100 лет!
Ремённые вариаторы, которые достаточно широко применяются в автомобилях, мне тоже не подошли. Уж очень мал диапазон регулирования – раза в четыре меньше, чем требуется, КПД их тоже не блестящий. И «обсосаны» они конструктивно настолько, что ничего нового тут уже не придумаешь. Да и идея – тоже устарелая, довоенная по крайней мере.
Попадались мне и такие «заумные» устройства вариаторов, разобраться в которых, пожалуй, и сам автор во второй раз не смог бы! Нет, правильно сказал украинский философ Григорий Сковорода: «Слава Создателю, сделавшему все ненужное трудным, а трудное – ненужным!» Школьникам и студентам это изречение по душе, да и мне в данном случае оно понравилось: мудрить можно, но до определенного предела! Не философией же занимаемся, а реальными «железками»…
И тут в хранилищах Патентной библиотеки мне на глаза попался патент на вариатор одной австралийской фирмы, занимавшейся изысканиями в области «умных» механизмов. Я аж оторопел от удачи – тут же уловил замысел изобретателей, и во мне взыграл охотничий азарт. Патент-то был середины 70-х годов, и срок его действия подходил к концу. Стало быть, использовать его можно бесплатно.
Я навел справки и узнал, что такой вариатор до сих пор с успехом выпускает солидная германская фирма «Ленце» и продает его в десятки стран мира. Не вариатор, а конфетка!
«Попались, – думаю, – голубчики! Вот мне и прототип для работы – я из этого вариатора сделаю то, что мне нужно, но патент уже будет моим!»
Вариатор фирмы «Ленце» стоит того, чтобы о нем рассказать. В нем устранены почти все недостатки лобового вариатора. Прежде всего, он выполнен по так называемой планетарной схеме. Между внутренними центральными дисками, выполненными с торообразными, как у бублика, рабочими поверхностями, зажаты шесть конических дисков-сателлитов, подвижно закрепленных осями на водиле. Эти же сателлиты зажаты и между внешними центральными дисками, имеющими такую же торовую рабочую поверхность. Таким образом, сателлиты контактируют одновременно и с внешними, и с внутренними центральными дисками, причем с каждым в 12-ти точках. Итого – 24 точки контактов, это вам не одна точка, как в лобовом вариаторе! Следовательно, во столько же раз возрастает мощность вариаторов. Из-за малого угла конусности сателлитов зажим их между внешними и внутренними дисками силой в несколько тонн не дает ощутимой нагрузки на центральные подшипники – это огромное преимущество!
Контакт сателлитов с дисками – так называемый баеровский, по имени изобретателя – хитроумного немецкого инженера Баера, позволяет развивать огромные нажимные усилия в зонах контакта. Вся рабочая часть вариатора плоская, как блин или диск, поэтому и называется вариатор дисковым.
Зачем же было выполнять дисковый вариатор по такой, с первого взгляда сложной, планетарной схеме? Кто знаком с планетарными передачами, тот понимает, почему они чрезвычайно прочные – там усилие и моменты воспринимают все сателлиты – в данном случае их шесть. Таким образом, передача по планетарной схеме почти в шесть раз прочнее, чем тех же размеров обычная, непланетарная. Но и это не все. Планетарная схема позволяет резко повысить КПД механизма. Вот как это происходит.
Энергия в механических передачах «теряется» при обкате, провороте одной детали о другую. При этом чуть-чуть сминается металл, сдавливается смазка, нагружаются подшипники. А если эти детали, в данном случае диски вариатора, сделать неподвижными относительно друг друга, тогда и потерь не будет, и КПД – 100 %! Но можно ли этого добиться при работе передач? В обычных передачах – нет, а в планетарных, при передаточном отношении, равном единице, весь механизм крутится как один кусок железа, и КПД – 100 %. Если передаточное отношение близко к единице, то КПД достигает почти 100 %. И только на больших передаточных отношениях, допустим, равных 10—12, планетарная передача приближается по КПД, заметьте, только приближается, к непланетарной. Но ведь все водители знают, что движение автомобиля по шоссе как раз и происходит при передаточном отношении коробки передач, равном единице или близком к ней значении! Высочайший КПД – вот еще одно преимущество планетарной схемы.
И наконец – смазка вариатора. Казалось бы, из-за смазки падает коэффициент трения, и она только вредит фрикционным вариаторам, передающим усилие трением. Но весь фокус в том, что при быстром, кратковременном и сильном сдавливании смазка, особенно специальная, «стекленеет» и начинает передавать большие усилия. Коэффициент трения как бы повышается, вместо того чтобы падать! Это чудо называется эффектом Баруса. К тому же такая «остекленевшая» смазка не позволяет дискам касаться друг друга и изнашиваться. Долговечность таких дисковых вариаторов огромна.
Я так расхвалил вариатор «Ленце», что, казалось бы, – чего их еще совершенствовать: признавай заслуги немцев и нечего модернизировать явно хорошую вещь.
«За модернизацию – расстрел!» – так во время войны пошутил однажды Сталин в разговоре с конструкторами, получившими секретные чертежи новейшего немецкого самолета и тут же надумавшими его модернизировать.
Но замечательный вариатор «Ленце» не годится для привода автомобиля, да еще от маховика. Иначе умелые немцы давно бы приспособили его для этих целей!
Как удалось «подковать» немецкий вариатор
В чем же пороки столь привлекательного планетарного вариатора, что его даже нельзя использовать на автомобиле?
Прежде всего – передаточное отношение в этом вариаторе изменяется, я бы сказал, варварским способом. Внешние неподвижные диски прижимаются друг к другу наподобие шарикового домкрата: они сдавливают конические сателлиты, и те сдвигаются к центру, разжимая прижатые пружиной внутренние диски. Меняются радиусы касания дисков с сателлитами и меняется передаточное отношение, в данном случае оно понижается – выходной вал, соединенный с во-дилом, начинает вращаться быстрее. Если разжать домкрат, – сателлиты под действием пружин «разъедутся» на периферию и передаточное отношение увеличится. Двигатель же вращает внутренние диски вариатора, считаем, с постоянной скоростью.
Так вот это «варварское» сжатие домкратом внешних дисков создает «пережим» в зонах контакта в 30—40 раз больший по сравнению с необходимым нажимом. Старик Баер сошел бы с ума, если бы узнал, как беспардонно перегружают его хитроумный контакт! Сильно снижается КПД, падает долговечность. Да и длится этот перевод дисков из одного положения в другое минуты две. Водитель озвереет, если его заставить две минуты переключать передачу, да еще на ходу. Нет, не ожидал я от вдумчивых немцев такого упущения, придется исправлять!
Далее – шесть сателлитов просто невозможно зажать дисками равномерно. Обычно только три сателлита зажаты как следует, а остальные – недожаты. А это тоже плохо!
Будем критиковать немцев и дальше? А вообще, причем тут немцы? Они купили патент у австралийцев, вот эти последние, выходит, и виноваты! Но мне одинаково неловко ругать и немцев, и австралийцев – ведь работаю, причем тесно, я и с теми и с другими!
Но, хоть и друзья мне и те и другие, однако истина дороже! Маловато это – один ряд сателлитов, пусть даже шесть их в этом ряду. Вот бы четыре-пять рядов устроить, тогда во столько же раз и мощность возросла бы почти при тех же размерах. Ан нет! При движении сателлитов внешние диски, допустим, раздвигаются, а внутренние – сдвигаются! Как тут добавить ряды, если получается, что один и тот же диск должен иметь разную толщину при перемещении сателлитов.
Вот тут-то и было создано изобретение, еще раз построенное на суперсуммарном эффекте. И внешние, и внутренние диски я выполнил как бы из двух тонких половинок, установленных на валу с зазором миллиметра в два-три между ними. Как раз на тот осевой ход, на который отожмут их радиально перемещающиеся конические сателлиты. Сами диски сделаны из прочной упругой стали, что придает им свойства дисковых пружин. А для перемещения сателлитов сделан несложный привод из рычагов и криволинейных направляющих. И рычаги, и направляющие соединены с вращающимся водилом и сателлитами, тоже вращающимися. И поэтому управлять ими нужно дистанционно, например с помощью пневмоцилиндров, что в общем несложно и технически легко исполнимо. Но вы даже представить себе не можете, сколько суперсуммарных эффектов при этом получилось!
Первый – благодаря упругим податливым дискам можно устанавливать больше рядов сателлитов (обычно четыре), многократно повышая мощность вариатора. Второй – так как сателлиты, независимо прижимаемые упругими дисками, перемещаются не выдавливанием их домкратом, а рычагами, – нажим удалось сделать равномерным и оптимальным, причем уже не для 24, а для всех 96 рабочих контактов. А это ведет к существенному повышению КПД и долговечности вариатора.
И совершенно неожиданно буквально «выплыл» еще один, как оказалось, важнейший суперсуммарный эффект. Чем больший крутящий момент передает вариатор, тем большие усилия испытывает устройство, изменяющее в сателлитах передаточное отношение, то есть сильнее приходится давить на рычаг, переводящий эти сателлиты.
Пуктуальный человек поставил бы туда опять же домкрат и на этом успокоился. Но я нагрузил рычаг пружиной, и это дало фантастический результат! Момент на валу увеличился, рычаг растягивал пружину и перемещался сам, перемещая сателлиты в то самое положение, которое требовалось для создания нужного передаточного отношения. Вариатор стал автоматом, или, как еще говорят, приобрел свойство адаптивности. Он повел себя как автоматическая коробка передач на автомобиле. Увеличивается сопротивление движению, допустим, на подъеме – рычаг растягивает пружину, перемещает сателлиты, повышая передаточное отношение, и автомобиль начинает ехать медленнее, развивая большую тягу. Кончился подъем – сателлиты сами возвращаются на прежнее место, и скорость машины возрастает. Мечта автомобилиста, да и только!
Добавлю, что пружина, конечно, была заменена пневмоцилиндром, благодаря которому можно создавать различное давление и обеспечивать любой режим движения автомобиля. Небольшой опытный образец моего адаптивного вариатора, изготовленный и испытанный на знаменитом автозаводе «ЗИЛ», подтвердил все заложенные в него свойства. Причем сработал он с первого же раза, без доделок и доводок, что поразило моих помощников.
Надо срочно патентовать, на это нужны деньги, а у меня их тогда не оказалось. Пришлось обращаться к зарубежным друзьям. Вот и начали патентовать мы на паях вариатор в Германии, Англии, Франции, Италии, Швеции, Венгрии и даже Белоруссии. Это в Европе. А кроме того – в США и Китае. Япония слишком уж дорого берет за патент да и «обходить» эти патенты умеет мастерски, вот и не стали мы с ней иметь дело. А российские патенты получил я сам: тут много платить не надо.
Теперь предстоит задача потруднее – реализовать адаптивный вариатор на автомобилях. Но это, оказывается, совсем не так просто – потребуются еще деньги. А кроме того, нужно преодолеть сопротивление фирм, уже выпускающих автоматические, в том числе и вариаторные, коробки передач для автомобилей. Фирмы эти вложили в свои проекты немалые деньги и теперь ждут, когда эти деньги вернутся с прибылью. А тут является «дядя Вася» со своим вариатором и хочет нарушить с таким трудом достигнутый статус-кво. Тем более «дядя» этот из России, которая постоянно выкидывает свои нехорошие штучки!
Супервариатор
Вы заметили, что я ни разу не назвал вариатор, который так расхваливал, «супервариатором». Несмотря на то, что у него масса суперсуммарных эффектов и что адаптивных фрикционных вариаторов ранее в технике просто не существовало. Нет, вариатор хороший, лучше имеющихся сегодня на автомобилях.
Но скоро я понял, что «для полного счастья» мой вариатор не подходит – нужен новый, с «суперкачествами», совершенно особый, одним словом, настоящий «супервариатор».
Так чем же не устроил меня прежний вариатор, что потребовалось теперь изобретать супервариатор? А тем, что хоть он и хороший, лучше имеющихся, но не «супер». Например, диапазон регулирования D = 8, н у, от силы D = 10, а нужен для приводов с маховиками, как я уже говорил, D около 20. КПД неплохой: при передаточном отношении 1,3 достигает 0,95, правда, при больших значениях передаточного отношения КПД снижается. А ведь для приводов с маховиками желательно больше. Минимальное передаточное отношение imin = 1,3, хотя для автомобилей, как хорошо знают водители, желательно меньше единицы – 0,6-0,7.
И вот как-то пришла в голову такая мысль. Разгоняем, допустим, мы автомобиль вариатором, понижая передаточное отношение от imax до imin– 10; 8; 5; 2; 1,3. Все, больше вариатору делать нечего, меньшее передаточное отношение дать он не может. Максимальный диапазон регулирования D = imax / imin = 10/1,3 7,7. А что если попробовать преобразовать повышение передаточного отношения снова в его понижение, то есть в дальнейший разгон автомобиля? На первый взгляд, задача фантастическая, нереальная, но посмотрим, нет ли в технике подтверждающих эту идею примеров?
Схема, поясняющая принцип работы супервариатора на основе вариатора и автомобильного дифференциала. Здесь: n1 – частота вращения двигателя и входного вала вариатора; n2 – частота вращения выходного вала вариатора; n3 – частота вращения выходного вала дифференциала; nсупер – частота вращения выходного вала всего привода (супервариатора); iвар = n1/ n2 – передаточное отношение вариатора; iсупер = n1/nсупер – передаточное отношение супервариатора. Начало режима: выходной вал вариатора соединен с выходным валом привода (супервариатора): iвар = 10; iсупер = 10; n2 = nсупер = = 0,1n1. Середина режима: выходной вал привода (супервариатора) кратковременно соединен с выходными валами вариатора и дифференциала: iвар = iсупер = 1; n1 = n2 = n3 = nсупер (разрыва потока мощности нет). Конец режима: выходной вал привода (супервариатора) соединен с выходным валом дифференциала и отсоединен от выходного вала вариатора: n3 = nсупер = = 1,9n1; n2 = 0,1n1; iвар = 10; iсупер = 0,526. Диапазон регулирования супервариатора: D = iвар/iсупер = 19
Проведем несложный эксперимент: поддомкратим автомобиль так, чтобы «вывесились» его ведущие колеса, и пустим двигатель работать на холостом ходу, поставив в коробке первую передачу. Отпустим сцепление и понаблюдаем за колесами. Они будут вращаться, причем с равной скоростью. А теперь попробуем замедлить вращение одного колеса, например, тормозя его чем-нибудь. Мы заметим, что второе колесо ускорит свое вращение. Остановив полностью первое колесо, мы ускорим вращение второго ровно вдвое. Почему же это происходит? Да потому, что колеса автомобиля связаны между собой особым механизмом, называемым дифференциалом. Многие из читателей, особенно автомобилисты, хорошо знают, как он устроен. Выпускается этот механизм миллионами, он общедоступен, иные автомобили имеют сразу несколько таких дифференциалов.
Так вот, достаточно включить дифференциал в конструкцию вариатора, и мы сможем преобразовывать, как в описанном опыте с автомобилем, понижение частоты вращения одного вала в повышение частоты вращения другого. Если подключить этот дифференциал в тот момент, когда вариатор дойдет до своего минимального передаточного отношения, допустим, 1,3, то частоты вращения входного и выходного валов дифференциала станут одинаковыми. Но стоит нам увеличить передаточное отношение вариатора, как выходной вал дифференциала начнет убыстряться, соединяясь с ведущими колесами автомобиля, хотя в начале движения с ведущими колесами были связаны вал вариатора, или, что одно и то же, входной вал дифференциала. Когда частоты вращения валов дифференциала станут одинаковыми, то безразлично, какой из них окажется подключенным к колесам автомобиля, можно даже соединить с ними сразу оба этих вала. Это очень ценно, так как не будет разрыва в трансмиссии, что происходит, например, при переключении передач автомобиля. Понижение скорости автомобиля осуществляется аналогично, только в обратном порядке.
Конечно же, дифференциал я применил здесь не совсем автомобильный, без присущих ему конических зубчаток, но принцип остался тот же. В результате диапазон регулирования увеличился до 20—25, и почему это произошло – очевидно. Ведь используются оба рабочих хода управления вариатором – и на понижение, и на повышение передаточного отношения, а идут оба этих хода или только на понижение, или только на повышение данного отношения. Но, казалось бы, произошло невероятное – кроме диапазона повысился и КПД устройства! Во всех пособиях и учебниках, где речь идет о вариаторах, написано, что КПД с увеличением диапазона падает, и наоборот. В чем же дело, почему здесь законы механики не срабатывают?
Нет, они срабатывают, но только в нужном нам направлении. Давайте проследим, что же происходит, когда мы подключаем дифференциал и начинаем повышать передаточное отношение вариатора. Выходной вал дифференциала, соединенныйс колесами, вращается все быстрее, а ведь вал вариатора замедляется, через него проходит все меньшая мощность, меньше и потерь энергии. И все большая мощность проходит на колеса непосредственно от двигателя или маховика, минуя вариатор, а следовательно, уменьшаются и потери. Если бы вариатор остановился совсем, КПД всего устройства был бы равен практически единице, но вариатор все-таки вращается, хотя и еле-еле, вот и КПД не единица, а 0,99! Подсчет показывает, что в среднем, при наиболее употребительных режимах движения автомобиля, например, на шоссе, КПД нового устройства 0,97-0,99. Да таких показателей просто принципиально не может быть не только ни у одного из существующих вариаторов, но и у любых других типов бесступенчатых передач!
Вот почему, подавая международную заявку на изобретение, ничуть не колеблясь, я назвал его «супервариатор». Инвестором моим выступила германская энергетическая компания «Планбау».
Итак, теперь, кажется, есть все для осуществления моей мечты – создания «энергетической капсулы». Есть супермаховик, способный накапливать в единице массы огромную энергию, есть магнитная подвеска, способная при минимальном техобслуживании в течение многих лет выдерживать вращение супермаховика с ничтожными потерями, есть системы вывода вращения из вакуумной камеры, где обязательно должен «обитать» вращающийся с бешеной скоростью супермаховик. И уже есть, наконец, супервариатор, позволяющий получить из неудобной «падающей» характеристики вращения супермаховика любой закон движения машины, какой только ни пожелает потребитель. Теперь осталась самая малость – «внедрить» мою «энергетическую капсулу» в реальные машины!
«Капсулу» – в упряжку!
Легко сказка сказывается…
Автор, размышляя о будущем «энергетической капсулы», с удовлетворением отмечает, что уже сейчас она приносит людям немалую пользу…
Небольшая экскурсия в молодость
Как быстро пролетело время! Еще пятнадцатилетним юношей я принялся за поиск «энергетической капсулы», а сегодня мне уже страшно сказать сколько. Прошло полвека, пятьдесят лет непрерывной работы, но задача создания «энергетической капсулы», пожалуй, только сейчас встала передо мной во всей своей грандиозности. Энергия и топливо стали как никогда дорогими, экология – глобальной проблемой, запасание энергии впрок – насущной жизненной потребностью человека. Тем более, появились новые перспективные материалы, которые могут радикально улучшить показатели супермаховиков, его магнитной подвески и других сопутствующих устройств. Я не изменил своей мечте – все, что сделано и достигнуто мною, так или иначе связано с ней. К двадцати годам – первые изобретения, научные статьи, модели; к двадцати пяти – степень кандидата наук, первые опытные машины с маховиками, идея супермаховика; к тридцати пяти – докторская степень, звание профессора, должность заведующего кафедрой. И сейчас – новые книги, новые изобретения, новые машины. Меня выбрали академиком одной из международных академий, связанной с экологией. У меня появилось много молодых и талантливых учеников, страстно увлеченных своим делом. И это самое приятное.
Не я один мечтал об «энергетической капсуле», не для меня одного она стала целью в жизни. Многое из того, о чем я думал, о чем писал, волновало и других людей, в других странах, причем приблизительно в одно и то же время. Вначале это поражало меня, особенно когда я узнал, что американские ученые почти одновременно со мной пришли к такой же идее супермаховика. Но потом, по мере того как число сообщений о похожих разработках и экспериментах росло, я удивлялся все меньше и даже не огорчался – напротив, это давало мне уверенность, что если одни и те же решения приходят к разным людям, живущим в разных полушариях Земли, то, наверное, эти решения верные.
И все же понадобились годы опытов, множество доказательств, сотни выступлений для того, чтобы преодолеть предубеждение скептиков, чтобы в «энергетическую капсулу» поверили.
Помню, когда в 1965 году в журнале «Изобретатель и рационализатор» я рассказал о своих новых изобретениях – вращающихся в вакууме супермаховиках из лент, проволок и сверхпрочных волокон, да еще с магнитной подвеской, многие говорили, что этого не может быть.
Я называл количество энергии, которое сможет накопить такой супермаховик, – «серьезные» люди заявляли, что данная величина завышена в 100 раз.
Мне доказывали, что маховик прокрутится несколько минут и остановится. Приходилось показывать маховик с магнитной подвеской, где за час терялось всего несколько оборотов в минуту.
Убеждали, что, разрываясь, маховик пробивает метровые стены – я демонстрировал фотографию разорванного супермаховика в целехоньком кожухе, который был не чем иным, как большой жестяной банкой из-под килек.
Утверждали, что для ленточной передачи маховичного автобуса потребуется лента с рессору толщиной – я клал на стол тоненькую стальную ленточку, из которой делают лезвия для безопасных бритв. Она была отрезана от той самой передачи…
Меньше всего, оказывается, убеждают цифры, формулы, математические доказательства. А вот опыты, фотографии, кино– и видеосъемки действуют неотразимо, хотя они и не всегда бывают достоверны.
Сейчас уже достоинства супермаховиков признаны почти всеми специалистами. Во много раз увеличилось число научных трудов, посвященных им, значительно возросло количество связанных с ними изобретений. Специалисты считают супермаховики одним из наиболее перспективных видов накопителей энергии среди всех известных ныне и прочат им блестящее будущее. Вариаторы, правда, пока не «супер», все шире используются в автомобилестроении.
Американские ученые подсчитали, что массовое внедрение в соответствующие отрасли национальной экономики эффективных накопителей энергии, которые я назвал для себя «энергетической капсулой», позволит ежегодно сокращать расходы в размере многих миллиардов долларов. Думается, немалый выигрыш может быть получен и у нас в стране.
Но главное, что получит человек от внедрения «энергетической капсулы», – это возможность действительно по-хозяйски, бережно использовать «Ее Величество Энергию» – бесценный дар природы, синоним которого сама «Жизнь».
Работает супермаховик
Есть ли уже сегодня машины, на которых установлены супермаховики? Да, есть. Пусть эти машины и не выпускаются пока сериями, как «жигули» или «фольксваген», но они существуют. Работают, ездят, всех удивляют.
Самым типичным автомобилем, работающим за счет энергии супермаховика, является, пожалуй, маленький двухместный «махомобиль» американского ученого Дэвида Рабенхорста. Попробуем на его примере разобраться в устройстве махомобилей.
Супермаховик махомобиля соединен с валом разгонного электродвигателя, причем электродвигатель размещен в воздушной среде, чтобы он лучше охлаждался, а супермаховик – в вакууме, чтобы не было лишних потерь энергии. На выходе из вакуумной камеры вал герметизирован магнитным уплотнением. В принципе можно даже разрезать вал и вывести вращение из вакуума специальными магнитными муфтами.
Другой конец вала супермаховика соединен с гидронасосом обратимого типа, который может работать и в режиме гидродвигателя; о таких гидромашинах я уже говорил. Жидкость – масло от гидронасоса через распределитель или, что одно и то же, через механизм управления махомобилем, подается в четыре маленькие гидромашины, встроенные в колеса махомобиля. Таким образом, все колеса махомобиля ведущие, и это очень хорошо – махомобиль быстро разгоняется, движется устойчиво, без заносов.
В махомобиле нет таких привычных автомобильных частей, как сцепление, коробка передач, карданный вал, дифференциал, полуоси, электроаккумуляторы, стартер и генератор; отсутствует топливный бак и вся топливная система, система охлаждения с вентилятором, глушитель и, наконец, сам двигатель внутреннего сгорания. Махомобиль бесшумен, он не загрязняет окружающую среду выхлопными газами, приводится в движение практически мгновенно. Известно, что супермаховик может развивать громадные мощности, так необходимые автомобилям для быстрого разгона.
Зарядка энергией, или разгон супермаховика, производится включением разгонного электродвигателя в сеть. Время зарядки – 20—25 мин, что в десятки раз быстрее по сравнению с продолжительностью зарядки электроаккумуляторов. Для приведения махомобиля в движение повышают наклоном шайбы производительность насоса, и масло начинает поступать в гидродвигатели колес, разгоняя машину. Больше наклон шайбы – больше скорость.
Махомобиль рассчитан на крейсерскую, то есть постоянную скорость 90 км/ч, причем кратковременно скорость может быть значительно увеличена, например для выполнения обгонов.
Путь пробега махомобиля с одной зарядки пока около 60 км, но его планируется увеличить в три раза. Это при массе супермаховика 100 кг, скорости его вращения от 23 700 до 11 900 оборотов в минуту и запасе энергии 24 МДж. Удельная энергия супермаховика составляет 240 кДж/кг. Правда, уже испытаны супермаховики с удельной энергией в 650 и даже 700 кДж/кг, а это значит, что и путь пробега увеличивается почти до 500 км!
У махомобиля рекордно малая по сравнению с электро– и автомобилями стоимость пробега – около доллара на 100 км пути. Я думаю, вряд ли какой водитель откажется от такой машины!
Посмотрим теперь, каковы характеристики агрегатов махомобиля Рабенхорста по мощности и массе. Разгонный электродвигатель мощностью 30—40 кВт – 18,4 кг, гидронасос мощностью 37,5 кВт – 11,4 к г, четыре гидродвигателя колес такой же общей мощности – 10 к г, приборы управления – 9 кг, шасси – 175 кг, кузов – 270 кг. Вместе с супермаховиком, его корпусом, подвеской и даже пассажирами выходит чуть более 600 кг.
Махомобиль не боится длительных стоянок – маховик может вращаться без остановки почти полтора месяца. И это не предел, потому что так называемые кольцевые супермаховики, о которых будет сказано ниже, рассчитаны на более чем годичный выбег, а американский 45-килограммовый маховик в магнитном подвесе имеет столь малые потери, что способен крутиться без остановки свыше 10 лет!
Подвеска супермаховика в махомобиле тоже магнитная, только она практичнее, чем «абсолютный» магнитный подвес: здесь есть подшипники, способные не только принимать на себя усилия при тряске, но и ослаблять гироскопическую нагрузку при повороте оси супермаховика.
На сегодняшний день в разных странах уже построено много супермаховичных автомобилей и автобусов. Некоторые из них, как и швейцарский гиробус, оснащены штангами и могут двигаться как троллейбус. Но при этом раскручивается и супермаховик, который потом снабжает током тяговые электродвигатели. Такие машины, названные гиротроллейбусами, не тратят время, подобно гиробусу, на раскрутку супермаховика, так как «зарядка» идет на ходу. Затем, после разгона супермаховика, гиротроллейбусы едут на накопленной энергии до конечной остановки через весь город. В отличие от швейцарского гиробуса, маховик в таком гиротроллейбусе весит не 1,5 т, а всего около 300 кг.
Существуют проекты использования супермаховиков в авиации. В одном из них для взлета сверхзвуковых самолетов предлагают применять маховичную катапульту. Если разогнать крупный маховик электродвигателем, а затем подключить его к лебедке, соединенной тросом с самолетом, то маховик за несколько секунд разовьет гигантскую мощность, в десятки раз превышающую мощность электродвигателя. За считанные секунды самолет разгонится до 400 км/ч и взлетит. При этом путь разгона будет не более 100—150 м. Такой запуск очень надежен и экономичен.
Двойную пользу можно получить от установки супермаховиков на легких тихоходных самолетах, у которых собственный двигатель развивает мощность не более 90-120 кВт. Супермаховик массой всего 13 кг способен выдать мощность 115 кВт в течение 20 с, а массой 57 кг – 225 кВт в течение 60 с – время, вполне достаточное для взлета. Кроме того, раскрученный супермаховик обеспечит безопасность экипажа в случае остановки мотора самолета. Энергии, накопленной в супермаховике, хватит для трехминутного полета самолета без мотора. Летчики успеют выбрать пригодную для посадки площадку и приземлиться.
Еще в 30-х годах прошлого века в Шотландии был построен маховичный вертолет. Разгоняли маховик на земле вместе с воздушным винтом, лопастям которого задавали нулевой угол атаки, чтобы разгон шел легче. После разгона маховика лопасти устанавливали под нужным углом, и машина взмывала в небо. Когда энергии в маховике оставалось уже мало, вертолет плавно опускался. Не правда ли, это очень похоже на игрушечный вертолет, в котором разгон лопастей-маховиков производится пусковым шнурком?
А полвека спустя в США создали разведывательный беспилотный вертолет с супермаховиками. Два легких кольцевых супермаховика диаметром 1,4 м, вращающиеся в разные стороны, раскручивают воздушные винты, расположенные внутри колец супермаховиков. Кольца разгоняют до 4 тыс. оборотов в минуту на специальном автомобиле, с которого вертолет стартует. Вертолет быстро поднимается на 100-метровую высоту, зависает там и, имея на борту фото– и телеаппаратуру, производит съемки или телепередачи. Подобный вертолет удобно использовать и для пожарных работ – его двигатель не заглохнет от дыма, а баки с горючим не загорятся, так как на этом вертолете нет ни двигателя, ни баков.
Если нужно попасть на борт вертолета, зависшего высоко над землей, или на какую-нибудь площадку на высоте 100 м и более, лучше всего воспользоваться для этого маховичным подъемником, который позволяет поднять девять человек подряд, причем в пять раз быстрее обычных моторных подъемников. Маховик подъемника разгоняется маленьким электродвигателем мощностью 1,5 кВт до 28 тыс. оборотов в минуту.
Осуществить экстренный спуск с того же вертолета или из окна горящего высотного здания поможет маховичный лифт, в разработке которого довелось участвовать и мне. При пожаре нередко требуется срочно эвакуировать людей с верхних этажей дома, но в это время ток от здания, как правило, отключают и никакие подъемные механизмы не работают. Вот и придумали особое устройство для такого случая.
Человек надевает специальный пояс с прикрепленной к нему лентой и прыгает вниз. Лента намотана на валу небольшого маховика или супермаховика, как в ленточном вариаторе, о котором речь шла выше. Сматываясь с вала, она разгоняет маховик, сначала медленно, а затем все сильнее и сильнее. Человек же, \ Втулка наоборот, приближаясь к земле, все больше и больше теряет скорость. И наконец мягко – Корпус приземляется. Пояс с лентой сам поднимается вверх за счет энергии маховика, раскрученного ранее спустившимся человеком. Так маховичный лифт может доставлять на землю одного за другим сколько угодно людей.
Поистине безграничные возможности открываются перед супермаховиками в космосе.
В космическом вакууме у супермаховиков совершенно нет потерь на трение о воздух, а невесомость устраняет нагрузки на подшипники. В этом случае подшипники могут быть простыми «сухосмазывающимися» втулками.
На некоторых спутниках связи уже несколько лет используют супермаховичные накопители энергии. Дело в том, что спутники связи, транслирующие на большие расстояния телефонные разговоры, телепрограммы и радиопередачи, работают обычно не только от солнечных батарей, но и от аккумуляторов энергии, которые дают ток, пока Земля загораживает спутник от Солнца и тот находится в тени. Однако время жизни электрохимических аккумуляторов невелико, они быстро выходят из строя, а из-за них прекращает существование и сам спутник, который мог бы служить еще долго. Вот и пал выбор на долговечные супермаховики. Они вращаются в магнитной подвеске со скоростью 40 тыс. оборотов в минуту. Плотность энергии супермаховиков для спутников связи примерно 0,1 МДж/кг.
В исследовательском центре США создана супермаховичная установка для международной космической станции, превосходящая по своим показателям ранее применявшиеся никель-водородные аккумуляторы. Супермаховик запасает большее количество энергии, а срок его службы вдвое дольше, чем у химических аккумуляторов.
Видимо, не обойтись без супермаховиков и на космических станциях, которые отправятся к далеким планетам, где почти нет солнечного света, дающего энергию для питания электронного оборудования станций. По мнению ученых, кратковременных включений пиропатронов будет вполне достаточно, чтобы с помощью газовой турбины так разогнать супермаховик, что его энергии надолго хватит для бесперебойной работы всех приборов.
В космосе супермаховики необходимы и для более прозаических дел – например, для ремонта станций, приведения в движение механизированного инструмента.
Допустим, космонавту нужно просверлить отверстие или завернуть гайку. Если он применит обыкновенную дрель или гайковерт, то реактивный момент, действующий на корпус ручного инструмента, закрутит в первую очередь самого космонавта. На Земле такого не случается, так как этому противодействует сила тяжести и сила трения, а в условиях невесомости – это обычное явление.
Теперь проделаем следующий опыт. Возьмем самый простой детский волчок – юлу, укрепим на ее кончике сверло, разгоним юлу и уберем руку. На первый взгляд как будто ничего удивительного – юла стоит на сверле и сама сверлит подставку. А ведь ни с какой из обычных дрелей подобный опыт никогда не получится. Даже у электрической дрели корпус тотчас завертится в противоположную сторону и порвет все провода.
Дело в том, что маховики и супермаховики обладают свойством «безреактивности», то есть при вращении они не оказывают реактивного действия на корпус и другие части устройства. Маховик связан с корпусом только подшипниками, а они, свободно проворачиваясь, не передают вращательных усилий.
Изготовленная мною маховичная дрель успешно сверлила любые доски. При этом она прекрасно выдерживала вертикальное направление благодаря еще одному свойству маховика, о котором уже упоминалось, – способности сохранять устойчивое положение свободной оси в пространстве.
Чтобы проверить это свойство самому, лучше всего снять велосипедное колесо с вилки, взяться за концы оси и, держа колесо на вытянутых руках, попросить товарища раскрутить его. Если колесо раскручено как следует, никакие попытки свернуть ось в сторону ни к чему не приведут, даже несмотря на большие усилия. Колесо будет сопротивляться совсем как живое, стараясь вырваться из рук. Суть происходящего состоит в том, что ось вращающего маховика всякий раз стремится повернуться не туда, куда мы прилагаем усилие, а под прямым углом к этому направлению.
Существует много способов узнать, куда будет поворачиваться ось маховика, но все они трудны и рассчитаны на специалистов. Поэтому я придумал для себя способ попроще, который назвал «правилом колеса». Запомнить его ничего не стоит, достаточно иметь в кармане хотя бы одну монетку или колесико. Пустим монетку катиться по столу. Скоро она начнет падать набок, но что для нас особенно важно – она и сворачивать будет в ту же сторону. Теперь представим себе, что монетка – это вращающийся маховик. Допустим, мы пытаемся свернуть ось этого маховика в ту же сторону, куда падает монета. Направление поворота монеты позволит нам определить, куда на самом деле будет сворачивать ось маховика. Вот и все правило.
Если ничто не воздействует на ось маховика, то она безупречно сохраняет свое положение в пространстве. И это делает маховик незаменимым в навигационных приборах, которые сейчас устанавливают на всех кораблях, самолетах, ракетах. Называют такие приборы гироскопическими. Об этих интереснейших приборах много написано, и я не буду подробно останавливаться здесь на них. А вот об автомобиле, в котором был применен как раз гироскопический эффект вращающегося маховика, думаю, сказать надо. Построил этот «гирокар» в 1914 году русский инженер П. П. Шиловский. Гирокар демонстрировался в Лондоне, где вызвал огромный интерес. Еще бы, машина Шиловского имела всего два колеса, как велосипед, однако она сохраняла без каких-либо упоров устойчивое положение, даже если все пассажиры садились по одну сторону. «Держал» машину раскрученный маховик благодаря гироскопическому эффекту. В гирокаре использовался примитивный автомат с датчиком наклона в виде шарика в трубке и сервомотором, воздействующим на 300-килограммовый маховик.
Такие автомобили строились и позже. Возможно, что будущий махомобиль с супермаховичной «энергетической капсулой» спроектируют тоже двухколесным, чтобы использовать сразу оба замечательных свойства супермаховика – способность накапливать энергию и сохранять неизменное положение в пространстве.
«Капсула» разрастается
Помните, мы говорили, что ученые разрабатывают проекты гигантских накопителей энергии на основе сверхпроводящих катушек – четверть километра диаметром и 50—70 м высотой. И накапливать они должны десятки миллионов мегаджоулей энергии. Такие накопители нужны для аккумулирования энергии в период ночных недогрузок электростанций и для выделения ее при перегрузках в часы «пик». Наиболее чувствительны к недогрузкам и перегрузкам атомные электростанции, на долю которых с каждым годом приходится все больше и больше вырабатываемой электроэнергии.
А пригодны ли супермаховики для накопления столь огромных количеств энергии и что они будут представлять собой в этом случае?
Применение маховичных накопителей на электростанциях тесно связано с именем известного русского изобретателя-самоучки А. Г. Уфимцева, которого М. Горький назвал «поэтом техники». Изобретения Уфимцева были необычайно широкого диапазона – от керосиновых ламп до самолетов. Тщательно проанализировав различные способы накопления энергии для ветро-электростанций, в том числе «водородное» и тепловое аккумулирование, он пришел к выводу, что маховичный накопитель подходит для этих целей лучше других.
Первый маховичный аккумулятор был построен А. Г. Уфимцевым в 1920 году из паровозного буфера. Маховик имел массу всего 30 кг и вращался в вакуумной камере, из которой был откачан воздух до давления около 5 гПа (гектопаскаль), совершая 12 тыс. оборотов в минуту. Вывод мощности из камеры осуществлялся электрическим путем с помощью мотор-генератора.
Более крупную модель накопителя с маховиком массой 320 кг А. Г. Уфимцев создал в 1924 году. После зарядки маховик обеспечивал равномерное горение нескольких электроламп по 1000 свечей в течение часа. Этот накопитель Уфимцев применил на ветроэлектростанции, которая существует в городе Курске и сейчас. Все куряне знают «ветряк Уфимцева» на улице Семеновской и гордятся им.
Маховик А. Г. Уфимцева, как и сверхпроводящие накопители, аккумулировал электроэнергию в периоды ее избытка, во время порывов ветра, а затем равномерно распределял ее даже при полном отсутствии ветра. Крутиться он мог без подзарядки около 14 ч.
Идеи одаренного русского самоучки воплощены сегодня во многих маховичных накопителях для электростанций. Например, американский изобретатель Аллан Милнер разработал супермаховичный накопитель для солнечной электростанции. Известно, что солнечный свет, преобразованный в электроэнергию, может питать потребителей только днем, да и то в безоблачную погоду. А для того чтобы использовать эту энергию ночью и в пасмурные дни, ее необходимо предварительно накапливать, и по возможности с минимальными потерями.
Накопитель Милнера состоит из супермаховика диаметром около метра, массой 2 т, вращающегося со скоростью 15 тыс. оборотов в минуту. Супермаховик подвешен на шести магнитных подшипниках, причем подвеска подстрахована обычными шарикоподшипниками. Разгон супермаховика и отбор энергии осуществляются мотор-генератором с постоянными магнитами, наиболее экономичным из известных машин подобного типа. Накопитель аккумулирует почти 150 МДж энергии, при этом потери составляют всего около 12 %.
У такого накопителя плотность энергии в полтора раза выше, чем у свинцово-кислотных аккумуляторов, а долговечность – выше во много раз. К слову, маховичный накопитель подобного типа разрабатываю сейчас и я вместе с германскими коллегами из фирмы SEEBa и университета города Циттау. С помощью данного накопителя немецкая сторона рассчитывает повысить экономичность городского электротранспорта, о чем речь пойдет ниже.
Наиболее современный малогабаритный супермаховичный накопитель разработала знаменитая национальная лаборатория «Лауренс-Ливермор» (США), пожалуй, лучшая лаборатория в мире военной техники. Накопитель высотой 40 см, объемом 40 л и массой 75 кг содержит супермаховик, навитый из высокопрочного углепластика (графитового волокна со связкой), выдерживающего напряжения в 7 ГПа и обеспечивающего колоссальную плотность энергии – 545 Вт·ч/кг. Супермаховик вращается с максимальной частотой 60 тыс. оборотов в минуту, накапливая энергию до 1 кВт·ч и развивая мощность до 100 кВт. Таким образом, весь агрегат – с корпусом, магнитной подвеской и обратимой электромашиной (мотор-генератором) мощностью в 100 кВт, с супермаховиком и его ступицей – имеет плотность энергии около 14 Вт·ч/кг и плотность мощности – 1,34 кВт/кг. КПД накопителя – около 0,92. Пока этот накопитель – подлинное чудо техники, настоящая «энергетическая капсула», только малогабаритная.
Живут идеи А. Г. Уфимцева и в проекте американского ученого Стивена Поста, который предложил для крупной электростанции гигантский супермаховик, имеющий массу 200 т, диаметр 5 м и развивающий 3500 оборотов в минуту. Такой супермаховик может накопить уже свыше 70 тыс. МДж энергии. Чуть меньшей энергоемкостью обладают маховичные системы для бесперебойного питания, которые уже выводит на рынок фирма AFS Trinity. Эти агрегаты могут объединяться в сети, что повышает общую энергоемкость системы.
Супермаховик Стивена Поста предполагается собрать в виде концентрических колец, навитых из кремниевого волокна и насаженных одно на другое с небольшим зазором, заполненным эластичным веществом, например резиной. Затем его заключат в герметичный корпус и соединят с валом мощного мотор-генератора. Сильная магнитная подвеска разгрузит подшипники от громадной тяжести супермаховика. В случае разрыва супермаховика выделится энергия, равная взрыву тысячи тонн тола, но в момент разрыва корпусу передастся не более 1-2 % этой энергии. Остальная энергия будет выделяться достаточно медленно, преобразуясь в тепло. На всякий случай супермаховик все же намечено установить под землей на безопасной глубине.
Большие перспективы сулят так называемые кольцевые супермаховики, о которых упоминалось выше. Единственной подвижной частью такого супермаховика является кольцо, навитое из высокопрочного волокна и помещенное в вакуумную камеру в форме бублика – тора. Поскольку кольцевой супермаховик лишен центра, в нем наиболее полно реализуются прочностные свойства волокон. Кольцо-супермаховик удерживается в камере в подвешенном состоянии с помощью магнитных опор, размещенных в нескольких местах по окружности. Само кольцо служит ротором мотор-генератора, а те места, где стоят обмотки магнитов, – статором. Это упрощает отбор энергии и зарядку супермаховика.
Если сравнить кольцевой супермаховик со стальным маховиком из самой прочной стали, то выявится следующее. Плотность энергии первого в 2-3 раза больше, чем второго, и достигает 0,5 МДж/кг. Потери на вращение у него в 50-100 раз меньше, чем у стального, благодаря чему он может свободно вращаться в течение 750, а в перспективе – 12 тыс. ч, то есть продолжительность его вращения без остановки – 500 суток, или полтора года! Особенно перспективен кольцевой супермаховик при использовании для его изготовления новых сверхпрочных нановолокон и лент из углерода – суперкарбона, когда плотность энергии возрастает еще в тысячи раз! Ведь вращающийся с космической скоростью супермаховик находится в вакууме и ни с чем не контактирует.
Конструкция кольцевого накопителя привела меня с соавторами к идее «сверхнакопителя» энергии, который тоже был признан изобретением. Мы решили «переложить» с маховика на землю огромные разрывные напряжения, возникающие во вращающемся кольце. Но практически осуществить это будет возможно только в накопителях гигантских размеров.
В общих чертах идея «сверхнакопителя» такова. Кольцевой маховик в корпусе зарыт в землю горизонтально. На внешней поверхности кольца-супермаховика и на обращенной к ней внутренней поверхности корпуса одноименными полюсами друг к другу уложены сильные постоянные магниты. Взаимодействуя, они сжимают кольцо-супермаховик и растягивают корпус. От корпуса это растяжение передается фундаменту, в котором заключен корпус, а в результате и земле. Иными словами, земля используется в данном случае как гигантский и очень прочный корпус!
Может возникнуть вопрос: хватит ли сил у магнитов, чтобы противостоять колоссальному стремлению частей супермаховика удалиться от центра, а если и хватит, то не будет ли супермаховик «раздавлен» этими силами при остановке?
Все дело здесь, оказывается, в размерах, точнее, в диаметре супермаховика. Чем он больше, тем меньше магнитные силы. По мере разгона магниты супермаховика вследствие его растяжения все теснее поджимаются к соответствующим магнитам на корпусе, зазор между ними делается все меньше, а сила отталкивания – все больше. При остановке происходит обратное явление – магниты маховика отходят от корпуса, зазор увеличивается, и сила отталкивания падает. Поэтому маховик и не «раздавливается» в состоянии покоя.
У хороших постоянных магнитов при малых зазорах сила отталкивания может стократно превышать силу тяжести подвешиваемой массы. Постоянные магниты применяют для вывешивания над магнитными «рельсами» вагонов-магнитопланов. Подобные магнитопланы уже в недалеком будущем будут курсировать между городами со скоростями, доступными сейчас лишь самолетам.
Наш супермаховик-кольцо можно представить в виде как бы непрерывной кольцевой сцепки из таких «вагончиков», только гораздо меньших и состоящих почти из одних магнитов. Крутиться это «гибкое» кольцо будет в вакуумированной трубе, уложенной вокруг электростанции, завода или даже города. Если радиус кольца достигнет, например 16 км (приблизительно столько же у кольцевой автострады вокруг Москвы), то с применением упомянутых постоянных магнитов скорость кольца-супермаховика составит 4 км/с!
Плотность энергии кольцевого гиганта должна быть 8 МДж/кг, при сечении супермаховика всего 0,5 м2 такая плотность создаст полный запас энергии в накопителе – 2·1015Дж, что в 200 раз больше, чем в огромном сверхпроводящем накопителе, спроектированном французскими учеными. Этой энергии вполне хватило бы на освещение всех городов мира в течение вечера. А ведь объем французского накопителя вдвое превосходит объем нашего кольца.
Сегодня учеными разработаны магниты, сила взаимодействия которых в тысячи раз превышает их силу тяжести. К слову, такие магниты от нашей магнитной подвески имеются у меня дома. С ними обращение должно быть особое – если вдруг окажется, что расстояние между ними мало, они мгновенно устремятся навстречу друг другу, ломая все на своем пути. Главное, чтобы на их пути не оказалась рука человека. Сдавливание в сотни килограммов гарантировано!
Если такие магниты поставить на наш сверхнакопитель, то скорость кольца супермаховика достигнет 12,6 км/с и превысит даже вторую космическую скорость. Плотность энергии тогда будет 80 МДж/кг, а вся энергия накопителя составит 2·1016Дж. Это значительно больше избыточной энергии электростанций всего мира, хотя по плотности энергии такой сверхнакопитель раз в 40 меньше супермаховика из суперкарбона.
Можно пойти по пути уменьшения размеров накопителя и ограничиться запасом энергии в 1011Дж. Получится все-таки достаточно емкий накопитель, способный обеспечить равномерную работу большой электростанции. При радиусе накопителя 0,5 км сечение его подвижных магнитов будет всего 55 см. Такой накопитель в виде тонкой кольцевой трубки нетрудно расположить вокруг любой электростанции со всем ее хозяйством.
На позициях сотрудничества
Накопители энергии издавна помогают друг другу в работе. Если бензиновый и, скажем, дизельный двигатели незачем ставить на автомобиль одновременно, то аккумуляторы разных типов, наоборот, целесообразно объединять.
Я уже говорил о том, как тепловые аккумуляторы помогают газовым отдавать больше энергии, – рассказывал про трамвай, который «заправлялся» сжатым воздухом и кипятком, про свой микромобиль, что работал от газового аккумулятора – баллона с углекислотой вместе с тепловым аккумулятором – кастрюлей с расплавленной солью. А могут ли столь же успешно «сотрудничать» маховичные накопители ну хотя бы с электроаккумуляторами?
Оказывается, это сотрудничество одно из самых перспективных. Помните недостатки электромобиля? Он медленно разгоняется, не идет в гору, не может использовать кинетическую энергию, выделяемую при торможении. И всему виной невысокая плотность мощности электроаккумуляторов. По той же причине сами электроаккумуляторы не выносят быстрой зарядки. Они либо портятся, как, например, свинцово-кислотные, либо просто тратят «лишнюю» мощность на нагрев, как щелочные. Обыкновенные же маховики, не говоря об «энергетических капсулах» – супермаховиках, развивают какие угодно мощности, лишь бы выдержал привод, и, кроме того, позволяют сохранять кинетическую энергию транспортного средства. Соединив эти два накопителя на одном электромобиле, можно получить большой выигрыш.
Электроаккумуляторы движут такой электромобиль только по ровным дорогам без уклонов, где не требуется торможений и разгонов, – иными словами, они обеспечивают ему крейсерскую скорость. А там, где нужны разгоны, обгоны, торможения, подъемы в гору, берется за дело супермаховик. По сравнению с обычным электромобилем здесь значительно повышается максимальная скорость, более чем вдвое сокращается время разгона, путь пробега увеличивается почти в два раза.
Так, у одной из моделей американского «гибридного» электромобиля с супермаховиком длина пробега без подзарядки составляет 112 км против 63 км у обычного электромобиля. Масса супермаховика с приводом для полуторатонного электромобиля – всего 75 кг.
Неплохой «гибрид» получается из электроаккумуляторов и гидрогазовых накопителей. Последние также помогают использовать кинетическую энергию машины, значительно повышают путь пробега, скорость электромобилей, сокращают время их разгона.
На маленьких электромобилях эффективны даже резиновые накопители. Они просты и вполне применимы для накопления небольшой энергии. Я однажды было собрался поставить на самодельный электромобиль для накопления энергии торможения свой накопитель от резиномобиля, но когда узнал, что подобное уже сделали английские инженеры, раздумал – не хотелось повторять чужой эксперимент.
Можно соединять вместе и аккумуляторы одного вида. В Японии, к примеру, на электромобиле установили два типа электроаккумуляторов – стартерные и тяговые батареи. Первые, хорошо переносящие большие токи и мощности, работают на разгонах и обгонах, а вторые, имеющие более высокий КПД и плотность энергии, – на крейсерской скорости, питая электромобиль на ровной дороге без подъемов и разгонов. Конечно, стартерные электроаккумуляторы по плотности мощности не идут ни в какое сравнение с маховичными или гидрогазовыми накопителями, но и эта «гибридизация» в чем-то полезна. Очень широко распространены «гибриды» статических и динамических накопителей одного и того же вида энергии. Всем известный маятник, в том числе и балансир с пружинкой в наручных часах, – «гибрид» статического аккумулятора механической энергии в виде поднятого груза или скрученной пружины и динамического аккумулятора той же энергии – маховика. «Перетекание» энергии из статического аккумулятора в динамический, и обратно, носит колебательный характер. Эти колебания необычайно точны по частоте, что и обусловило их применение в самых разнообразных часах.
Точно такой же эффект получим, объединив статический и динамический электрические аккумуляторы – конденсатор и катушку индуктивности. Вместе они образуют так называемый колебательный контур. Электрический колебательный контур – аналог механического маятника, законы колебаний того и другого одинаковы. Потери энергии в обоих случаях приводят к одному и тому же – колебания затухают, накопленная энергия переходит при этом в тепло.
И все-таки электрический и механический «маятники», несмотря на общность законов их колебаний, не могут заменить друг друга в технике. Представьте себе, что было бы, если бы в подвеске автомобиля вместо рессор ставили конденсаторы, в телевизоре вместо конденсаторов – рессоры, а катушки заменяли маховиками!
Но, пожалуй, самый неожиданный гибрид – это супермаховик и конденсатор в одном «лице». Ведь намотанный из тончайших, в микроны толщиной, лент метгласса (специальный быстроохлажденный металл, имеющий аморфную, как бы «стеклянную» структуру) супермаховик представляет собой идеальный конденсатор! Только навивать такой «гибридный» супермаховик надо не из одной, а из двух лент, склеенных между собой, что, собственно, почти одно и то же. Склеиваются эти куски при навивке обода синтетическим клеем, имеющим высокую диэлектрическую проницаемость. Вследствие того, что лента из метгласса имеет большую площадь поверхности, такой конденсатор будет обладать высокой емкостью. К тому же синтетический клей – прекрасный электроизолятор. В результате получаем супермаховик из прочнейшего метгласса, дешевеющего год от года, а вдобавок совершенно «бесплатно» – без прибавки объема и массы, просто в качестве «подарка» – надежный конденсатор, вносящий свою «лепту» в общую энергетическую копилку.
Проведем небольшой расчет. Супермаховик из метгласса при прочности ленты в 3 ГПа (прочность, обычная для метглассовой ленты), даже с запасом прочности, будет иметь плотность энергии 0,2 МДж/кг. Если наш супермаховик накопит как конденсатор всего 0,1 кДж/кг, то при массе супермаховика-конденсатора в 1 т это даст 0,1 МДж энергии, причем энергии электрической. Запас кинетической энергии в том же супермаховике составил бы при этом 200 МДж, и доля накопленной электроэнергии была бы просто ничтожна. Но и одна десятая мегаджоуля «на улице не валяется», а к тому же эта электроэнергия в виде электростатического заряда могла бы «возбудить» асинхронные генераторы привода, что очень ценно. На «гиробусе» для этой цели специально «возили» тяжеленные конденсаторы огромных размеров.
Успешно сотрудничают не только накопители разных типов. «Союз» с накопителями очень полезен и для тепловых двигателей. Любой двигатель хорошо работает на какой-то одной скорости, в каком-то одном режиме. Тогда у него и расход горючего наименьший, и выхлоп менее вредный. Изменение режима сегда ухудшает работу двигателя.
К сожалению, невозможно представить себе, чтобы автомобиль все время двигался с постоянной скоростью, при постоянной мощности двигателя. Автомобилю для разгона и подъема в гору требуется наибольшая мощность, при движении по ровной дороге без уклона на невысокой скорости – совсем небольшая, а на спусках и при торможении мощность им не только не потребляется, но даже выделяется. Сейчас эта мощность безвозвратно теряется, впустую нагревая и изнашивая тормоза, хотя накопители энергии, в первую очередь махо-вичные и гидрогазовые, отлично могли бы сохранять ее и отдавать при разгонах машины.
Этот процесс называется рекуперацией. Он очень важен для транспорта и имеет непосредственное отношение к «энергетической капсуле», поэтому рассмотрим его подробнее.
Спасительные гибриды
Автор находит основное предназначение супермаховику и супервариатору…
Что такое «рекуперация»?
Рекуперация – это использование того, что раньше предполагалось выбрасывать. Вот, решили мы старую одежду выбросить, а потом передумали и отдали ее в «секонд хенд». Это уже можно назвать рекуперацией. Или еще пример – испортилась на складе осетринка, ну, стала она «второй свежести». Положено бы ее выбросить, но мы скармливаем ее свиньям – это тоже рекуперация. А если коптим ее и скармливаем теперь уже людям – то это рекуперация криминальная.
В большинстве случаев термин «рекуперация» относится к энергии. Допустим, в каком-то технологическом процессе нам надо выпустить в атмосферу отработанный пар, имеющий еще приличную температуру. Мы же используем этот пар для отопления или подогрева воды. Происходит процесс рекуперации энергии. А теперь поговорим о транспорте. Спускается с горы электричка, тяговые двигатели ее работают в режиме генераторов – вырабатывают ток. Его можно направить в реостаты и подогреть атмосферу, а можно направить обратно в сеть и помочь другой электричке взобраться на гору. Это – очень характерный прием рекуперации, давно используемый на электротранспорте, что дает большой экономический выигрыш.
Огромную экономию принесла бы рекуперация на городском транспорте – ведь он только и делает, что тормозит и разгоняется. Почти половина, иногда и больше, энергии, вырабатываемой двигателем машины, гасится в тормозах. Какое расточительство, ведь энергия эта, переходя в тепло, пропадает для нас навечно, «съедаемая» коварной энтропией, о которой мы уже говорили раньше. Что же сделать, чтобы спасти энергию?
Если речь идет об электротранспорте – трамваях, троллейбусах, поездах метро – то эта проблема еще имеет решение, правда частичное. Вот мы уже научились отдавать полученную при торможении энергию обратно в сеть, чтобы ее могли расходовать другие машины. Но практика показала, что этот путь не очень рациональный. Как быть, если, например, большинство водителей таких машин решило тормозить почти одновременно? Ведь это огромный выброс мощности, которую просто невозможно использовать. Поэтому эффект от отдачи энергии торможения в сеть не столь заметен.
Особенно велика роль рекуперации для поездов метро: они движутся очень быстро – до 90 км/ч и тормозят часто. Тот же рваный ритм движения и у трамваев, им приходится тормозить даже еще чаще.
Вот бы сюда «энергетическую капсулу» – накопитель энергии. Затормозил трамвай или поезд метро – и энергия не уходит в тормоза или в сеть, где она не всегда нужна, а целенаправленно через электродвигатель раскручивает маховик. Машина остановлена, а энергия ее накоплена в раскрученном маховике. Настало время разгоняться – энергия из маховика через генератор, в который на время превращается электромотор, направляется в тяговые двигатели машины – поезда или трамвая. Машина разгоняется, а маховик замедляет свое вращение. Основной вопрос в том – где разместить «энергетическую капсулу»: поставить ее на саму машину или установить стационарно вблизи остановки, да еще для безопасности заглубить в землю?
Связь с машиной при этом будет осуществляться по проводам, здесь проблемы нет. Нужно только на время торможения и разгона отсоединять машину от основной силовой сети, чтобы не мешать остальным машинам нормально двигаться. Зато мы не будем стеснены габаритами и массой «энергетической капсулы», да и вопросы безопасности при размещении «капсулы» вблизи остановки решаются проще, чем в случае ее крепления на самой машине, рядом с пассажирами.
Описанная концепция размещения накопителя вблизи трамвайных остановок легла в основу проекта, который мы осуществляем в г. Ганновере совместно с германской энергетической фирмой SEEBa. Маховик, для дешевизны изготовленный из большого железнодорожного колеса, вращается в вакуумной камере на магнитной подвеске и соединяется с мотор-генератором. Последний через частотный преобразователь тока связывается с токоподающи-ми проводами, которые как я уже говорил, на время торможения и разгона отключаются от основной силовой сети. Экономия ожидается в размере около 150 евро с одной трамвайной остановки в сутки.
Аналогичные системы можно применять и в метро, только по размерам и массе они будут на порядок больше – ведь энергия тормозящего метропоезда огромна. Под стать этим размерам и экономическая эффективность – тоже на порядок больше, чем у трамвая. Ведь метрополитен – один из главнейших потребителей энергии в крупном городе.
Американские инженеры пошли по другому пути: они установили маховичные накопители энергии прямо в вагонах метропоезда. Храбрецы американцы – это очень рискованный шаг! Ведь маховик-то у них тоже монолитный, кованый, массой 250 кг, набран из нескольких фасонных дисков. Не ровен час – случайно или по злому умыслу – разорвется на полной скорости – ущерб, как от бомбы того же веса. Это же монолит, а не супермаховик, который, если и выходит из строя, то без страшных последствий! К такому маховику «приложен» мотор-генератор в 2 т массой. При этом на каждый вагон требуется по два таких агрегата – итого 5 т лишнего веса. Маховичный метропоезд испытали в Нью-Йорке и получили около 30 % экономии электроэнергии. Такой же эффект можно получить и от стационарного накопителя, только его не надо было бы возить с собой, да и был бы он совершенно безопасным для людей, так как установили бы его в отдельной нише под землей.
Читать бесплатно другие книги:
