МАХОМОБИЛЬ ФАНТАЗИЯ? РЕАЛЬНОСТЬ!

Небольшой коллектив энтузиастов — ученые и инженеры кафедры теоретической механики Курского политехнического института — работает над созданием необычного двигателя, действующего без горючего и электричества: их заменит… маховик. Об этих интересных поисках мы попросили рассказать руководителя группы доктора технических наук, профессора Нурбея Владимировича Гулиа, заведующего кафедрой теоретической механики института.

О нем сегодня говорят все чаще и чаще, называя одним из самых перспективных двигателей для автомобилей. Речь идет о маховике или супермаховике, который, будучи раскрученным, может потом длительное время служить приводом для различных машин. Надежды, возлагаемые на него, станут понятны, если вспомнить требования, предъявляемые к транспорту будущего: он должен быть экономичным, безвредным, бесшумным. Он не должен сжигать горючее, выделять ядовитые выхлопные газы, переводить в тепло и выбрасывать в воздух большую часть вырабатываемой энергии«

Идеальным в этом смысле мотором мог бы считаться такой, который способен запасать энергию от дешевого стационарного источника — например,- от электросети, — а затем с высоким КПД отдавать ее для движения автомобиля. То есть двигатель, служащий одновременно и аккумулятором энергии.

Однако единственным реальным типом аккумулятора для привода автомобиля до сих пор считался электрохимический — та самая батарея, что уже стоит на автомобиле. Обоймы их в сочетании с электродвигателем широко используются для создания машин,

А что же маховик? Может быть, про него не знали? История показывает, что попытки его использования велись еще в далеком прошлом.

Самый первый маховик создал древний шумерский мастер из города Ур более пяти тысяч лет тому назад. Это был массивный гончарный круг около метра в диаметре. Раскручивался он за рукоять, затем вращался по инерции, а гончар тем временем обрабатывал свое изделие. Две тысячи лет спустя китайцы применяли огромные, почти 10 м в диаметре, составные маховики в своих водоподъемных сооружениях. Попытки использовать маховики на транспорте начались в прошлом веке. Здесь я должен покаяться читателю, что в своих прежних работах (в том числе и в последней книге «Маховичные двигатели». М., «Машиностроение», 1976) первое применение маховиков в транспорте относил к 1860 году. Но оказалось, что я ошибался почти на 70 лет! Мой коллега В. С. Соколов, которому я выражаю глубокую признательность, обнаружил материалы, указывающие, что первенство принадлежит гениальному русскому изобретателю-самоучке И. П. Кулибину. В его знаменитой «самокатке» наряду с другими техническими новшествами был применен И маховик, расположенный горизонтально под тележкой. При движении «самокатки» по ровной дороге и тем более на спуске маховик раскручивался, накапливая энергию, а затем помогал человеку преодолевать подъемы. Дата создания «самокатки» с маховиком — 1791 год! Есть предположение, что еще раньше использовал маховик в своей «само-беглой коляске» русский механик Леонтий Шамшуренков (1752 г.). Она также приводилась в движение мускульной силой человека и даже легко преодолевала подъемы. Однако документальных подтверждений этому пока не нашли…

1860 год. Талантливый изобретатель, русский инженер В. И. Шуберский применяет маховик на железной дороге. Бот что писала об этом в июле 1862 года газета «Современная летопись»:

«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 значительным склоном, уменьшая количество земляных работ и искусственных сооружений. Опыты над моделью маховоза оказались удовлетворительными, и изобретатель намеревается приступить к опытам в большом виде».

1883 год. Американский адмирал Хауэлл создает маховичную самодвижущуюся торпеду, способную преодолевать расстояние более километра. Эта торпеда еще раз показала высокие энергетические возможности маховика для движения транспортных средств, в том числе и водных.

Проволочные супермаховики, полученные методом намотки на диски из органического стекла.

1905 год. Англичанин Ланчестер получает патент № 7949 на изобретение «…мотора в форме тяжелого быстровращающегося маховика с целью приведения в движение моторного экипажа».

1909 год. Появляются маховичные однорельсовые двухколесные экипажи П. Шиловского, Л. Бреннана, А. Шерля. Здесь маховик использовался для сохранения равновесия машины (гироскопический эффект).

1918 год. Известный русский изобретатель-самоучка А. Г. Уфимцев создает инерционный аккумулятор с электроприводом и маховиком в виде диска. Он мечтает о широком его применении и, в частности, предлагает использовать инерционный аккумулятор для приведения в движение трамвая.

1945 год. Швейцарская фирма «Эрликон» выпустила маховичный автобус — гиробус. Маховик раскручивали на остановках. Проходил гиробус с одной раскрутки 2—3 км, затем сильно сбавлял скорость, но мог ползти до полной остановки еще 2—3 км, вслед за этим появился целый ряд транспортных машин, использующих для движения энергию маховика, — отечественные шахтные гировозы, маховичные тележки для межцеховых перевозок, поезда метро, даже вертолеты.

И наконец, наши дни можно назвать периодом второго рождения маховика. Практически одновременно у нас в стране, в Курском политехническом институте, и в США начала разрабатываться идея супормаховика из сверхпрочных нитевидных материалов. Создается научная теория таких маховиков, без которой немыслимы сколь-нибудь серьезные ‘работы, строятся первые опытные образцы.

Чем же объяснить, кроме явной безвредности для окружающей среды, возросшее внимание к маховику и стремительное нарастание поисков и экспериментов в этом направлении? Ответ на столь непростой вопрос может дать сравнение маховичного двигателя с другими, и в первую очередь с электроаккумуляторными, по их основным параметрам, Главный из них — удельная энергия, то есть сколько ее может быть накоплено в каждом килограмме массы аккумулятора. Обычный кислотный аккумулятор, который сейчас используется на электроавтомобилях, способен накопить около 0,1—0,15 мегаджоуля (МДж) энергии на каждый килограмм своей массы. Для самых сложных, но перспективных батарей, где электролит уже не кислота, а расплавленные щелочные металлы (литий или натрий), реагирующие при температуре 600—800° с серой или хлором (поистине картина, достойная дантова ада!), этот показатель может достигнуть 1 МДж на килограмм.

Примерно таков же он у обычного карбюраторного автомобильного двигателя с бензобаком, рассчитанным на пробег 400 км. Иными словами, если заменить бензиновый мотор электрическим с самыми перспективными электроаккумуляторами, то в лучшем случае ни масса автомобиля, ни его пробег не изменятся.

А как же обстоит дело с маховиками?

Доказано, что ори заданной форме маховика (например, в виде массивного обода) его удельная энергия зависит только от удельной прочности материала (отношение прочности к удельному весу или плотности). Действительно, чем прочнее материал и чем он легче, тем быстрее можно раскрутить маховик из такого материала, не опасаясь, что он будет разорван центробежными сипами. А чем выше скорость вращения маховика, тем больше (причем в квадратной зависимости!) запасенная им кинетическая энергия. Как это ни парадоксально, легкий маховик выгоднее тяжелого, алюминиевый выгоднее свинцового!

Маховик из обычной стали приближается по удельной энергии к кислотным аккумуляторам. Но известно, что стальная проволока в 10 раз прочнее того слитка, из которого ее сделали. Стало быть, если можно было бы изготовить маховик из проволоки, то его удельная энергия сразу приблизилась бы к этому показателе для самых перспективных электроаккумуляторов.

Есть еще нити из кварца, бора, графита, специального материала «кевлар», которые соответственно в 3—7 раз легче стальной проволоки при той же прочности. Выходит, есть возможность в 3—7 раз превысить по удельной энергии лучшие электроаккумуляторы! Приметим также, что получены,-хотя и в малых количествах, материалы на основе кварца, почти в 5 раз более прочные, чем все названные. Это значительно больше, чем могут дать аккумуляторы. А ведь сверхпрочные материалы «прочнеют» день ото дня!

Остается сказать, что изготовить маховик из волокон даже легче, чем, например, отковать его. Достаточно взять катушку из легкого материала (пластмассы, дюралюминия) и намотать на нее волокно или проволоку со склейкой. Автором разработано много способов намотки подобных маховиков (получивших у нас и за рубежом название «супермаховик»), есть даже такие, у которых и начало и конец проволоки оказываются на внутренней стороне мотка, а наиболее нагруженная внешняя сторона получается цельной.

Возьмем еще один важный показатель для сравнения — удельную мощность, то есть мощность, приходящуюся на каждый килограмм массы двигателя. От его величины, например, зависит, сможет ли автомобиль быстро разогнаться, преодолеть подъем или совершить обгон, Для движения хорошей скоростью также нужен двигатель с большой удельной мощностью.

По этому показателю не только супер-, но и самым простым маховикам нет равных. Всем известно, что разогнанный маховик, если попытаться его быстро затормозить, скорее сломает вал, чем остановится. Развиваемая мощность, а стало быть, высокая скорость, хорошая приемистость машины теоретически безграничны, а практически могут в сотни и тысячи раз больше, чем у электроаккумуляторов.

С этим сочетаются такие плюсы, как быстрая, в считанные минуты, зарядка маховика.

А как сроки сохранения энергии? Почему-то думают, что, как бы ни был раскручен маховик, он все же быстро останавливается. Конечно, на воздухе из-за аэродинамических потерь даже супермаховик остановится в считанные часы. Ну а если в корпусе маховика создать вакуум? Да к тому же применить магнитные подшипники? Такой маховик будет вращаться недели и месяцы, а в идеальных условиях — годы. Ведь Земля — огромный космический волчок — тоже своего рода маховик в вакуумном окружении, И вращается-то она, как мы обычно говорим, вечно.

Следующий сравнительный фактор — экономичность. И здесь маховик самый выгодный: и как аккумулятор Энергии, и как двигатель. Потребляет он дешевую электроэнергию; КПД самого маховика в вакууме близок к 100%. кроме того, он может восстанавливать энергию (скажем, на спусках). Это ценное свойство — рекуперация энергии — сохраняет около половины всей энергии и ставит маховик По экономичности значительно выше любого другого аккумулятора.

Свои преимущества у маховика и в долговечности, надежности. Подсчитано, что долговечность у него в шесть раз выше, чем у двигателя внутреннего сгорания, и значительно выше ресурса аккумулятора. Действительно, что маховику Сделается, особенно если он в вакуумной камере? Разве только иногда придется менять подшипники. А если они магнитные, то и этих забот не будет.

Все говорит о надежности маховика: он не заглохнет, как двигатель внутреннего сгорания, не «замкнет», как может случиться у электромобиля. Температурные перепады на него тоже заметно не действуют, Да и в результате аварии скорее выйдет из строя любой другой двигатель, чем маховик.

Если же говорить об экологической безвредности, то маховик — самый гигиеничный двигатель. Он ничего не выделяет в окружающую среду. В то же время публикации в печати о вреде выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания для человека и окружающей среды носят уже массовый характер,

Даже электромобили не вполне «невинны» в этом отношении. Это хорошо знают те, кому приходилось заряжать аккумуляторы. И так называемые «герметичные» аккумуляторы при аварии могут выделить в атмосферу продукты сгорания натрия в сере или лития в хлоре..,

Тут читатель может засомневаться: не «выделит» ли маховик при аварии нечто еще более опасное — например, все-пробивающие осколки? Что же, рассмотрим и вопросы безопасности.

Оказывается, разрыв маховика и супермаховика совсем не одно и то же. Если при разрушении монолитного маховика действительно образуются опасные осколки, то супермаховик в этом отношении совершенно безопасен: куски проволок или волокон не могут пробить даже тонкого кожуха. Более того, супермаховики чаще всего не разрываются полностью. Разрушаются только внешние их витки и трением о корпус автоматически останавливают вращающуюся массу, Множество экспериментов подтверждает это.

Предвижу иронические реплики: почему же не останавливают выпуск двигателей внутреннего сгорания или электроаккумуляторов и не переходят на выпуск супермаховиков?

Маховичные двигатели находятся пока в колыбели своего развития. Ведутся исследования — и теоретические, и на опытных образцах машин. Но я уверен, что к тому времени, как супермаховики обретут зрелость — а это будет, по-моему, уже в конце века, — сжигать горючее в двигателях будет уже тем самым архаизмом, о котором говорил еще Д. И. Менделеев (помните: «топить можно и ассигнациями»?..).

Электроаккумуляторы же вряд ли придется заменять маховиками, особенно в таких условиях работы машины, которые связаны с длительными простоями. К тому же симбиоз маховика и электроаккумулятора может оказаться в ряде случаев экономичнее, чем отдельно маховик или электроаккумулятор.

Сегодня же маховичные двигатели уверенно делают свои первые шаги. У некогда единственной в стране небольшой группы энтузиастов, всерьез занявшихся маховиками, растет число последователей и приверженцев. Немалый вклад в работу над супермаховиками вносят студенты кафедры теоретической механики Курского политехнического института. Очень плодотворно трудятся Олег Федосеев — наш теоретик, Иосиф Юдовский — изобретатель и конструктор, Станислав Слепухов — бессменный испытатель экспериментальных машин и опытных маховичных установок.

Идя навстречу славному 60-летию Октября и отвечая на призыв комсомола, ставший девизом Всесоюзного смотра НТТМ, «Пятилетке эффективности и качества — энтузиазм и творчество молодых!» мы стараемся вести свои разработки так, чтобы приблизить их к практике, связать с нуждами народного хозяйства. В первую очередь это создание маховичных средств внутризаводского и карьерного транспорта.

Почему избрано именно такое направление? Потому что за ним важная проблема, не получившая до сих пор удовлетворительного технического решения. Я имею в виду отсутствие необходимого и в цехах, и в карьерах «безвыхлопного» транспорта, от которого не скапливалось бы облако отработавших газов. Мы считаем весьма перспективным применение для цеховых и карьерных машин маховичных двигателей.

Сегодня уже проходит опробование в производственных условиях самосвал с таким двигателем. Аналогичную работу выполняем мы для алюминиевого завода в городе Братске и ряда других предприятий страны. Получено заданна на разработку маховичного самосвала-бетоновоза для Саяно-Шушенской ГЭС.

Большую помощь в создании маховичных средств транспорта могут оказать науке молодые конструкторы, моделисты, юные техники, для которых в этой области непочатый край увлекательных поисков и технического творчества. В том числе и в создании микромашин — скажем, для автогородков, конкурс на разработку транспорта для которых проводит журнал. Как пример доступных для юных техников конструкций мы приводим здесь описание построенного у нас маховичного микроавтомобиля.

Н. ГУЛИА, доктор технических наук