Нурбей Гулиа - В поисках «энергетической капсулы»
Маховоз предполагалось цеплять позади паровоза, перед вагонами. Предусматривалось также снабдить маховиками паровоз и тендер. Размеры и масса маховиков весьма внушительны: каждый маховик диаметром 12 футов (3,6 м) и около 300 пудов (5 тонн) массой. Сам маховоз имеет массу 2330 пудов (40 тонн). Окружная скорость обода маховика связана со скоростью поезда и превышает ее в 12 раз. Кинетическая энергия, накапливаемая маховиками при этом, – около 2,3 миллиона пудо-футов (114 МДж).
Набирая кинетическую энергию на спусках или на ровном пути посредством «подталкивания» паровозом, 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, на высоту 135 футов (40 м), из которых 2/3 подъема будут преодолены за счет энергии маховоза и лишь 1/3 самим паровозом.
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 тонн), 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 процентов всей кинетической энергии, пробег сократится до 40 верст (43 км). Если же удвоить скорость поезда, то есть довести ее до 60 километров в час, вполне нормальной и даже низкой скорости для поездов, то пробег учетверится и составит уже 170 километров. 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 процентов. Цифра, удивительно близкая к современным данным по маховичным рельсовым машинам, например, к такому же показателю у 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 транспортом, так как это была торпеда, доставляющая взрывчатку к атакуемому кораблю. Маховик торпеды Хауэлла, разработанный в 1883 году, раскручивался паровой машиной за 1 минуту, после чего торпеда проходила около 1,5 километра с достаточно высокой скоростью – 55 километров в час. Маховик имел диаметр 45 сантиметров, массу 160 килограммов, скорость вращения его достигала 21 тысячи оборотов в минуту. Накопленная в маховике энергия составляла 10 мегаджоулей. Вращение от маховика с помощью конических шестерен передавалось на гребной винт с регулируемым углом наклона лопастей.
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 Ф. 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 установлены стационарные двигатели. Ланчестер предусмотрел также разгон маховиков с помощью встроенного электродвигателя, который подключался на остановках к электрической сети.
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 приведения в движение трамвая в своем родном городе Курске. Из-за разрухи в народном хозяйстве в те годы проект этот не был осуществлен.
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 до сих пор работает такая маховичная тележка грузоподъемностью до 10 тонн.
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 искры или пламени, могущих вызвать взрыв.
И вот у нас в стране начался выпуск маховичных локомотивов, способных проходить с одной раскрутки маховика массой 1,5 тонны несколько километров, таща за собой состав вагонеток. Раскручивается маховик от сжатого воздуха, а с колесами локомотива его соединяет механическая передача, полностью гарантирующая от искр.
«Транспортом пороховых складов» прозвали маховичный транспорт за его 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, добросовестно проработавших 20 лет в самой Швейцарии, в Бельгии и в Африке.
Масса гиробуса была 11 тонн, а с пассажирами – 16 тонн. Его тяговые электродвигатели питались от генератора, приводимого во вращение маховиком. Маховик, выкованный из прочной стали, имел диаметр 1,5 метра и массу 1,5 тонны. Скорость его вращения составляла в начале движения 3000 оборотов в минуту, а по прошествии 4...6 километров пути снижалась вдвое. Из накапливаемых маховиком 33 мегаджоулей энергии использовалось 75 процентов.
Подзаряжался маховик на остановках через 1,2...2 километра в течение 40 секунд. Для этого штанги гиробуса поднимались до соприкосновения с контактами на высокой мачте. Генератор начинал работать в режиме двигателя и разгонял маховик. Хотя КПД гиробуса был невысок – всего 50 процентов, он показал себя очень экономичным транспортом. Расход энергии составлял 1,5 кВт·ч, или 5,5 мегаджоуля на километр пробега. Для сравнения напомню, что автобус того же класса, что и гиробус, расходует на пробег 1 километра не менее 400 граммов бензина, что в переводе на механическую работу в три раза больше – 17 мегаджоулей.
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 другие. Гиробус не требовал, как троллейбус, для своего движения контактных проводов, уродующих вид города и создающих опасность поражения током. Он ехал совершенно бесшумно, его штанги не терлись и не искрили при движении.
И все же, несмотря на все 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 километров, а в действительности – около 6 километров, 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 мало ни много – в сто раз! Это будет, конечно, меньше, чем у «метеорига 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.
Вот она, моя «капсула»!
Глава вторая, в которой «капсула» обретает не только плоть, но и душу...
Быстрее крутить нельзя
Все, что я прочел про маховики, все, что продумал за это время, помогло мне поверить в большие возможности этих накопителей энергии. Однако повысить плотность энергии маховика в сто раз – дело нешуточное. Что же мешает решить эту задачу? Попробуем разобраться.
