Маховик перебирается на транспорт
Наступил XIX век – век настоящего расцвета машиностроения. Неизменный спутник машин – маховик завоевывал все более прочное место на транспорте. А впервые он был использован на транспортном средстве в 1791 году гениальным русским механиком-самоучкой И. П. Кулибиным, который применил его в своей знаменитой «самокатке».
Надо сказать, что «самокатки», «самобеглые коляски» и прочие «безлошадные» транспортные средства появились задолго до И. П. Кулибина. Но Кулибин не знал об этом и создавал все заново. Не подозревая о существовании иных конструкций «самокаток», где маховиков и в помине не было, он положил начало новому применению маховичных накопителей.
Еще в Древнем Риме дети катались на досках с приделанными к ним четырьмя колесами. Это были первые примитивные бестягловые тележки, работающие на мускульной энергии самого пассажира. Существовали в античном мире и мускульные экипажи побольше, в частности в виде большой улитки.
Античный мускульный экипаж-улитка
В 1257 году английский ученый и общественный деятель Роджер Бэкон предсказал скорое появление городских экипажей на мускульной тяге, которые будут иметь практическое значение. Таковые вскоре и появились.
В 1447 году в европейских городах на новогодних празднествах видели закрытую повозку, приводимую в движение «скрытым механизмом» – по-видимому, спрятанными внутри повозки людьми.
Великий художник Альбрехт Дюрер сконструировал целых девять «самобеглых» повозок для императора Максимилиана I. Даже сам Ньютон в ранней молодости построил «самокатку», которая ездила по полу в его доме.
Средневековый мускульный сити-кар
В XVII—XVIII веках были известны не менее десяти разновидностей «безлошадных» самоходных повозок, в том числе «самобеглая коляска» талантливого русского механика Л. Л. Шамшуренкова, построенная в 1752 году.
В XX веке «самобеглые» получили как бы второе рождение. Люди хотят больше двигаться, ведь не секрет, что мы страдаем от недостатка движения. К тому же мускульные транспортные машины не имеют двигателей, сжигающих горючее, они совершенно безвредны. Сейчас создано много новых конструкций не только велосипедов, уже завоевавших мир, но и мускульных автомобилей – веломобилей или педикаров, которым еще предстоит это сделать. Ряды сегодняшних «изобретателей велосипедов», в хорошем понимании этого словосочетания, множатся с каждым днем.
У всех «самобеглых» есть общий недостаток – они плохо преодолевают подъемы. Велосипедисты знают, как тяжело даже на современных легких педальных машинах ехать в гору. Можно понять, насколько трудно это было для водителей педикебов – велосипедных колясок, в которых помимо самого водителя нередко сидело еще два пассажира. Между тем, по отзывам очевидцев, «самокатка» И. П. Кулибина в гору шла быстрее, чем по ровной дороге!
Дело здесь в применении маховика, который, разогнавшись за счет накопленной энергии, помогал преодолевать подъемы и, кроме того, снижал скорость «самокатки» на спусках. Водитель, он же слуга, вращая педали, раскручивал маховик, расположенный под сиденьем, после чего уже сам маховик посредством механической передачи приводил в движение колеса.
Маховик не единственный накопитель энергии, использованный И. П. Кулибиным в «самокатке». Он применил в качестве тормоза специальные пружины, способные накапливать энергию экипажа при торможении. Пружины помещались в тормозном барабане, служившем одновременно сцеплением и коробкой передач. Можно только удивляться гению Кулибина, почти на полтора столетия опередившего техническую мысль того времени.
В Политехническом музее в Москве демонстрируется прекрасная действующая модель «самокатки» Кулибина в масштабе 1:5. Измерив модель, я определил диаметр маховика и массу обода. В натуральную величину они составляли 1,5 м и 50 кг, соответственно. Считается, что человек, спокойно работая ногами, способен развить мощность около одной десятой лошадиной силы. Учитывая потери энергии маховика при трении о воздух и в подшипниках, я получил максимальную скорость, до которой может быть разогнан такой маховик – 500 оборотов в минуту. Это очень низкая скорость для маховика, но и при этом маховик Кулибина мог накопить около 800 Дж/кг, а всего – около 40 кДж. Полагая, что масса экипажа была примерно 400 кг и соответственно сила сопротивления его движению по дороге около 0,1 кН (килоньютон), я определил путь, который могла пройти «самокатка» только равен 400 м. Для преодоления встретившегося подъема «самокатке» достаточно было энергии самого маховика. А ведь при этом человек тоже не переставал работать педалями. Поэтому наблюдателям и казалось, что «самокатка» в гору шла быстрее, чем по равнине.
«Самокатка» И. П. Кулибина – прекрасный пример удачного использования маховика на транспорте, даже соотношение масс маховика и экипажа словно взято из современных справочников!
Следующим применил маховик на транспорте другой наш соотечественник, инженер-поручик З. Шуберский.
В июле 1862 года в газете «Современная летопись» появилась такая заметка: «Два года назад в “Журнале путей сообщения” было заявлено об остроумном изобретении г-на Шуберского. Маховоз господина
Шуберского, состоящий из системы маховых колес, предполагается к употреблению при всходе и спуске поездов по крутым скатам железных дорог. Умеряя быстроту движения при спуске с горы и употребляя сбереженную скорость при подъеме в гору, снаряд г-на Шуберского дает возможность проводить железные дороги со значительными склонами, уменьшая количество земляных работ и искусственных сооружений. Опыты над моделью ма-ховоза оказались удовлетворительными, и изобретатель намеревается приступить к опытам в большом виде».
Я разыскал этот журнал и обнаружил подробное описание, расчеты и чертежи первого рельсового маховичного экипажа.
Три пары огромных железных маховиков просто посажены своими осями на ободы ведущих колес маховоза. Таким образом, вращение передается от ведущих колес на оси маховиков при спуске и, напротив, от осей маховиков ведущим колесам на подъеме только силой трения под давлением тяжести самих маховиков. Это самый простой и в данном случае наиболее подходящий способ передачи механического движения при высокой мощности и минимальных потерях энергии в опорах и на приводе. Кроме того, оси маховиков помещены в подшипниках и могут быть приподняты в случае торможения маховоза, чтобы не гасить при этом энергию маховиков. Последние в это время будут вращаться вхолостую.
Маховоз предполагалось цеплять позади паровоза, перед вагонами. Предусматривалось также снабдить маховиками паровоз и тендер.
Маховоз З. Шуберского
Размеры и масса маховиков весьма внушительны: каждый маховик диаметром 12 футов (3,6 м) и массой около 300 пудов (5 т). Сам маховоз имеет массу 2330 пудов (40 т). Окружная скорость обода маховика связана со скоростью поезда и превышает ее в 12 раз. Кинетическая энергия, накапливаемая маховиками, – около 2,3 млн пудо-футов (114 МДж).
Набирая кинетическую энергию на спусках или на ровном пути при помощи паровоза, маховоз должен был помогать поезду преодолевать крутые подъемы. Допустим, сам паровоз может преодолеть уклон только в 5 тысячных (подъем на 5 метров за 1 километр пути), а с маховозом он взойдет по подъему, в три раза более крутому, из которых 2/3 подъема будут преодолены за счет энергии маховоза и лишь 1/3 – самого паровоза.
Шуберский предлагал использовать свое изобретение и для поездок «малыми поездами» на небольшие расстояния. Например, если прицепить к маховозу один пассажирский вагон массой 625 пудов (10 т), то этот поезд при разгоне его паровозом до скорости 28 верст в час (30 км/ч) на участке в 2 версты (2,1 км) пройдет за счет энергии маховиков внушительное расстояние – 55 верст (60 км) до остановки.
Если не доводить поезд до полной остановки и использовать, скажем, 75 % всей кинетической энергии, пробег сократится до 40 верст (43 км). Если же удвоить скорость поезда, то есть довести ее до 55 верст в час (60 км/ч), вполне нормальной и даже низкой скорости для поездов, то пробег увеличится в 4 раза и составит уже 170 км. Это весьма неплохо для поезда, движущегося за счет аккумулированной энергии!
Тщательный расчет, проведенный Шуберским, показал, что расход топлива с применением маховоза может быть снижен не менее чем на 25 % – цифра, удивительно близкая к современным данным для махо-вичных рельсовых машин, например для поезда с маховиками в нью-йоркском метро.
Свое описание маховоза Шуберский заканчивает словами, полными патриотизма: «Вполне я был бы счастлив, если бы мое изобретение обратило бы на себя внимание и могло послужить в пользу скорейшего развития отечественных железных дорог».
Потом маховиком заинтересовался американец Дж. Хауэлл. Правда, машину, на которую он его поставил, лишь условно можно назвать транспортным средством, так как это была боевая торпеда. Маховик торпеды Хауэлла, разработанный в 1883 году, раскручивался паровой машиной за одну минуту, после чего торпеда проходила около 1,5 км с достаточно высокой скоростью – 55 км/ч. Маховик имел диаметр 45 см, массу 160 кг, скорость его вращения достигала 21 тыс. оборотов в минуту. Накопленная в маховике энергия составляла 10 МДж. Вращение от маховика с помощью конических шестерен передавалось на гребной винт с регулируемым углом наклона лопастей.
Торпеда адмирала Хауэлла
Если отвлечься от военного назначения торпеды, думаю, что в «мирном» варианте это была бы неплохая прогулочная быстроходная лодка без мотора, горючего, дыма и треска. Ее с успехом можно было бы использовать в черте города, на переправах, в местах отдыха людей. А раскручивать маховик не обязательно паровой машиной – с этим еще лучше справился бы электромотор.
В 1905 году англичанину Фредерику Ланчестеру был выдан патент на изобретение, имеющее отношение к «…применению для механического движения мотора в форме тяжелого, быстровращающегося маховика, с целью приведения в движение моторного экипажа». Колеса экипажа Ланчестера соединялись приводом с маховиком или даже с системой из двух маховиков, вращающихся в противоположные стороны. Раскручивали маховики на остановках, где для этого были смонтированы стационарные двигатели. Ланчестер предусмотрел и разгон маховиков с помощью встроенного электродвигателя, который подключался к электрической сети также на остановках.
Экипаж Фредерика Ланчестера
В 1918 году русский изобретатель-самоучка А. Г. Уфимцев получил патент на маховичный накопитель – инерционный аккумулятор. А в 20-х годах он предложил использовать маховик для трамвая в своем родном городе Курске. Из-за разрухи в народном хозяйстве в те годы проект этот не был осуществлен.
Инерционный аккумулятор А. Г. Уфимцева с механическим приводом
Эпоха современного применения маховиков на транспорте начинается с разработки маховичных тележек для внутризаводских перевозок. В цехах ездить на грузовиках нельзя, мешают выхлопные газы, а электрокары невелики, грузоподъемность их мала. Вот умельцы на заводах и стали делать грузовые тележки с приводом от маховика. В Казани на компрессорном заводе долгое время работала такая маховичная тележка грузоподъемностью до 10 т.
Маховичная грузовая тележка
Еще важнее для промышленности оказались маховичные локомотивы, работающие в шахтах и рудниках. Атмосфера некоторых подземных выработок настолько насыщена взрывоопасными газами, что там становится невозможным использование обычных электровозов. Только один вид транспорта – маховичный – дает полную гарантию от возникновения искры или пламени, способных вызвать взрыв.
Шахтный маховичный локомотив-гировоз (а) и его схема (б)
И вот в СССР начался выпуск маховичных локомотивов, которые могли проходить с одной раскрутки маховика массой 1,5 т несколько километров, таща за собой состав вагонеток. Раскручивается маховик от сжатого воздуха, а с колесами локомотива его соединяет механическая передача, не образующая искры.
«Транспортом пороховых складов» прозвали маховичные перевозные средства за их пожаро– и взрывобезопасность.
И наконец, применение маховиков на автомобилях началось с изготовления швейцарской фирмой «Эрликон» маховоза-гиробуса, опытный образец которого был построен в 1945 году. Уже в 1953 году фирма выпустила серию гиробусов, проработавших 20 лет в Швейцарии, Бельгии и некоторых странах Африки. Масса гиробуса была 11 т, а с пассажирами – 16 т. Его тяговые электродвигатели питались от генератора, приводимого во вращение маховиком. Маховик, выкованный из прочной стали, имел диаметр 1,5 м и массу 1,5 т. Скорость его вращения составляла в начале движения 3000 оборотов в минуту, а по прошествии 4-6 км пути снижалась вдвое. Из накапливаемых маховиком 33 МДж энергии использовалось 75 %.
Швейцарский маховичный автобус-гиробус (а) и его маховик (б)
Подзаряжался маховик на остановках через 1,2-2 км в течение 40 с. Для этого штанги гиробуса поднимались до соприкосновения с контактами на высокой мачте. Генератор начинал работать в режиме двигателя и разгонял маховик. Хотя КПД маховичного автобуса был невысок – всего 50 %, гиробус показал себя очень экономичным транспортным средством. Расход энергии составлял 1,5 кВт·ч, или 5,5 МДж на километр пробега. Для сравнения напомню, что автобус того же класса, что и гиробус, расходует на километр пути не менее 400 г бензина, что составляет в переводе на механическую работу в три раза большую величину – 17 МДж.
Гиробус совершенно не загрязнял окружающую среду. А ведь даже электроаккумулятор выделяет в атмосферу водород и пары, которые содержат в себе такие вредные вещества, как свинец, кадмий, хлор и др. В отличие от троллейбуса, гиробусу не требовались контактные провода, уродующие вид города и создающие опасность поражения током. Он ехал совершенно бесшумно, его штанги не терлись и не искрили при движении.
И все же, несмотря на эти преимущества, гиробус проиграл соревнование с дорогим, дымящим и шумным автобусом. Это произошло, в основном, потому, что гиробус приходилось часто подзаряжать.
Он мог пройти на энергии маховика в идеальном случае 8 км, а в действительности – около 6 км, после чего останавливался. Для городского транспорта это слишком мало.
Я прикинул, что маховику гиробуса, чтобы стать «энергетической капсулой», нужно «похудеть» раз в десять и во столько же раз увеличить количество накапливаемой энергии.
Иначе говоря, требуется повысить плотность энергии маховика, ни много ни мало, в 100 раз! Это будет, конечно, меньше, чем у «метеорита на привязи», но гораздо больше, чем у самых совершенных аккумуляторов.
Итак, задача ясна. Если мне удастся «закачать» в маховик столько энергии, то проблему создания «энергетической капсулы» можно считать решенной.
