Куда ползет маховоз?

Туманным августовским утром 1979 г. тысячи зрителей, заполнивших аллеи лондонского Меллори-парка, с интересом наблюдали за необычными экипажами, замершими на стартовой линии. Форма экипажей была разнообразной и непривычной: хрупкие коляски на гипертрофированных колесах, чуть увеличенные детские автомобили, сигарообразные тележки... Нефтяная компания "Шелл" вскоре после разразившегося энергетического кризиса организовала соревнования сверхэкономичных автомобилей. По условиям соревнований минимальная скорость была ограничена 15 км/ч, разрешено движение "накатом", двигатель можно не прогревать на старте, дистанция 10 миль. Такого рода соревнования эта крупнейшая нефтяная фирма проводила не впервые. На одном из первых соревнований на экономичность (они получили название "Экономиран") лавры достались легковому автомобилю "Студебеккер-чемпион" с двигателем объемом 2,7 л; при расходе одного галлона бензина на 150 км он первым пересек финишную линию. Что же необычного в этом событии? Автомобиль был оснащен маховиком, что позволило ему часть пути проделать с выключенным двигателем. И в "Экономиране" 1952 г. первым пришел к финишу спортивный "Шевроле" С установленным в коробке передач маховиком. Началось победное шествие автомобилей с маховиками по трассам "Экономирана".

В 1968 г. легковой автомобиль "Фиат-600" с маховиком на задней оси на путь длиной 100 км затратил 0,0772 л бензина. Как же появились маховики на транспортных механизмах? Какова их роль в транспортной технике, есть ли перспективы их эффективного применения или же удел этих рекуператоров энергии - лишь детские электромобили в парках отдыха крупных городов да курьезные экипажи "Экомирана"?

Известный советский ученый, профессор Н. В. Гулиа в своих работах но применению рекуператоров энергии в различных отраслях техники считает, что впервые маховик нашел применение в конструкциях гончарных кругов, созданных в Междуречье; спустя 1200 лет в Древнем Китае они были усовершенствованы в устройствах мастера Ланг Шаня и в так называемых колесах Пан-По или водоподъемном "Большом колесе мандарина".

Лишь спустя несколько тысячелетий после своего рождения, маховик перебирается в сферу транспорта. В 1791 г. талантливый русский механик И. П. Кулибин создает "самокатку", которая по существу является про образом современных транспортных механизмов с рекуператорами энергии. Современники И. П.. Кулибина, наблюдавшие за испытанием "самокатки", были поражены: в гору она двигалась быстрее, чем по ровной дороге.

В 1860 г. инженер-поручик Шуберский предложил использовать маховые колеса как вспомогательное устройство на железной дороге. "Маховоз" конструкции Шуберского "умерял быстроту движения при спуске с горы и употреблял сбереженную скорость при подъеме в гору". Именно так характеризовала заметка в газете тех времен назначение махового устройства на железнодорожных поездах.

Маховик становится объектом внимания специалистов в области военной техники: американец Хауэлл устанавливает в 1883 г. маховик на торпеду. Паровая машина в течение минуты разгоняла маховик до частоты вращения 21 тыс. об/мин. Запасенной таким образом энергии было достаточно, чтобы обеспечить скорость торпеды 55 км/ч на дистанции 1,5 км. Позднее в работах англичанина Ланчестера и русского изобретателя А. Г. Уфимцева показана эффективность использования маховиков в конструкциях автомобилей и трамваев.

В нашей стране маховики применяют в шахтном транспорте. Маховичные локомотивы способны проходить с одной раскрутки махового колеса несколько километров, перемещая сцепленные с ними составы груженых вагонеток.

В 1953 г. фирма "Эрликон" (Швейцария) выпустила серию гиробусов, которые спустя два десятилетия все еще успешно трудились на дорогах Швейцарии, Бельгии, Африки.

Опыт эксплуатации транспортных механизмов, оснащенных маховиками, показал, что наиболее рациональная область их применения - городской транспорт: автобусы, троллейбусы, трамваи, поезда метрополитена, т. е. те случаи, когда непродолжительный стационарный режим движения сменяется торможением, остановкой и далее троганием с места и разгоном. Рекуперация механической энергии на городском транспорте способствует не только снижению расхода горючего на 30 - 50%, но существенно уменьшает выделение токсичных выпускных газов в атмосферу. Анализ, проведенный американскими специалистами, свидетельствует о том, что установка рекуператоров энергии на поездах Нью-Йоркского метрополитена позволит ежегодно экономить свыше 20 млн. долларов. Оказывается, очень выгоден современный "маховоз".

Однако вернемся к началу. Фирма "Шелл" далеко не случайно на протяжении нескольких десятилетий организует соревнования "Экономиран". В результате проведения заездов этих сверхэкономных автомобилей уточняются параметры маховых устройств, совершенствуется их конструкция. Одна из последних моделей автобусов фирмы "Бош" (ФРГ) оснащена современной системой рекуперации энергии: маховик диаметром 0,5 м и массой 104 кг вращается в вакуумированной камере с частотой вращения 12 тыс. об/мин. Управление взаимодействиями маховика, двигателя и трансмиссии осуществляется с помощью бортового компьютера. Аналогичная система рекуперации энергии использована в автомашинах "Мерседес-Бенц". Стоимость маховикового устройства невелика, а экономия топлива (до 40%) и значительное снижение токсичности выпускных газов все больше и больше привлекают внимание автомобильных фирм. Небольшой маховик как устройство, позволяющее постоянно работать в оптимальном режиме, разработан и использован в конструкции легкового автомобиля фирмы "Филлипс". Сообщается, что затраты, связанные с установкой рекуператора, окупаются после 65 тыс. км пробега. Высокая экономичность, отличные динамические качества показал опытный автомобиль с маховиком, разработанный специалистами Висконсинского университета (США).

Особенно эффективны рекуператоры энергии в электромобилях. Как отмечалось, ограниченный запас хода, отличающий этот тип транспорта, служит фактором, сдерживающим его широкое распространение. Как подсказывает опыт, маховики позволяют сохранить до 50% энергии аккумуляторов, т. е. практически вдвое увеличить пробег до подзарядки батарей в условиях городского уличного движения.

Так, 40-местный электробус фирмы "Мерседес", демонстрировавшийся на выставке автомобильного транспорта в Дюссельдорфе, благодаря использованию энергии маховика имеет мощность 60 кВт, среднюю скорость 80 км/ч.

Повышение уровня удельной энергии, запасенной маховиком, можно достичь двумя путями: увеличением либо частоты его вращения, либо массы. Однако реализацию обоих путей лимитирует прочность маховика. Начиная с определенных значений частоты вращения, в маховике заданной массы возникают столь значительные напряжения, что может разрушиться его обод. В середине 60-х годов специалисты нашей страны предложили новые конструкции маховиков из слоисто-волокнистых материалов высокой прочности. Эти рекуператоры, получившие название супермаховиков, по удельной энергии (до 650 тыс. Дж/кг) соизмеримы с лучшими электроаккумуляторами. Такие супермаховики развивают окружную скорость почти до 700 м/с, витая структура диска обеспечивает ему достаточную прочность.

В настоящее время в различных странах создают все больше автомобилей и электромобилей, в конструкциях которых предусмотрены рекуператоры энергии. По мнению американских специалистов, к 2000 г. свыше 15% всего автомобильного парка США будет оснащено маховиками и супермаховиками. В результате лишь в Соединенных Штатах будет сэкономлено нефти до 80 млн. т/год, существенно улучшится положение дел с защитой окружающей среды.

В Японии, где, как известно, запасы минерального сырья весьма ограничены, к использованию рекуператоров энергии на транспорте проявлен большой интерес. Опытные электромобили фирмы "Мицубиси" продемонстрировали столь высокую эффективность применения супермаховиков, что к 1990 г. будет выпущена партия машин (12 000 шт.) такого типа.

Рекуперация энергии при торможении состава - один из действенных способов повышения эффективности железнодорожных перевозок. Маховики получают постоянную прописку на железных дорогах.

Еще в прошлом веке Шиловский и Бренан предложили использовать маховики для так называемой силовой стабилизации однорельсовых экипажей, равновесие которых поддерживали размещенные на них гироскопические устройства. Этот принцип был реализован в однорельсовом вагоне на 40 пассажиров, построенном в 1912 г. для русско-японской выставки, в двухколесном автомобиле Шиловского, появившемся на лондонских улицах.

Прошли десятилетия и на Международной автомобильной выставке в 1961 г. вновь появляется юный собрат экипажа Шиловского - двухколесный автомобиль "Ги рон". Его конструкция и форма кузова созданы с учетом последних достижений автомобилестроения и аэродинамики. Предполагается, что эффективной областью применения таких транспортных механизмов станет перевозка грузов и пассажиров в труднодоступных горных районах. Силовые и управляющие гироскопы все в большей степени находят применение на морских судах для стабилизации положения корабля во время качки. Такие успокоители качки, установленные, в частности, на советских теплоходах типа "Александр Пушкин" уменьшают качку корабля в 4 - 5 раз.

Широка сфера использования маховиков на трапе порте: автомобиль, электромобиль, локомотивы, речные и морские суда. И это не все. Заводской и внутрицеховый транспорт, как показал опыт ПО "ЗИЛ", целесообразно оснащать маховичными накопителями энергии. Комплексные работы в этом направлении начаты на ряде крупных отечественных машиностроительных предприятий. Особенно эффективно применять маховики для снижения расхода энергии на робототележках, для функционирования которых характерны частые остановки и короткие пробеги. Но это уже не вполне "транспортная сфера"...

Экономия энергия и топлива, экологическая чистота, обеспечение надежности функционирования транспортных средств и повышение комфортности перевозки пассажиров различными видами транспорта - вот далеко но полный перечень достоинств маховиков.

Медленно движется, почти ползет современный спортивный "маховоз" на соревнованиях "Экономиран", но все быстрее раскручивается маховик, совершенствуются его конструкции, расширяются "транспортные" области применения.