В поисках «энергетической капсулы»

Хотя мой вариатор 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 каждый раз по-другому, в зависимости от ситуации на дороге. Вот для метропоезда, движению которого почти ничего не мешает, ленточный вариатор, наверное, подошел бы. Для автомобиля же лучше поискать что-нибудь иное.

Чтобы полнее использовать энергию маховика, 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, например, что в танцах на льду, чтобы завращаться быстрее, спортсмену надо сгруппироваться, «собрать» руки и плечи поближе к туловищу. Для замедления вращения ему следует, наоборот, раскинуть руки пошире, отодвинув тем самым часть массы подальше от оси вращения. Так и в маховике: если изготовить его части раздвижными, то при сдвигании масс к центру скорость вращения будет увеличиваться, а при раздвигании – уменьшаться. 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 где винтами, где 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 достигнув и десятой доли энергоемкости даже обычных маховиков. Авторы будто специально позаботились о размерах и массе осколков, заранее 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 выкачаешь!

Вот если бы жидкость, дробь и прочие заполнители сами несли свою нагрузку да еще были очень прочны... А почему бы не применить в качестве заполнителя стальную ленту, ту, что идет на намотку супермаховика? Пусть она наматывается на вал в центре ленточного же 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 ответвлений, она дальше наматывалась уже без клея. Когда намотка достигла вала супермаховика, я закрепил на нем концы ленты. Сам супермаховик был посажен на этот вал свободно в подшипниках. Стоило теперь остановить вал – 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 постепенно переходит в его кончик, поскольку центральные части, прикоснувшись в полу, останавливаются. 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 подразгоняя 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 получим «мягкость» рабочей характеристики, ценнейшую для большинства машин. В чем выражается эта «мягкость»? При торможении вала обычного маховика или двигателя он не замедлится – таково свойство маховиков и многих других двигателей. Если мы затормозим вал слишком сильно, то либо он сломается, либо двигатель заглохнет. Рабочую характеристику в этом случае называют жесткой. Если же мы попытаемся остановить таким образом вал «мягкого» супермаховика, то он сперва подастся, 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 силах удержать его – вал прокрутится. Чуть отпустив вал, мы тем самым ослабим нагрузку, и вал раскрутится быстрее супермаховика, передавая ему лишние витки ленты.

«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.

Пока что резервы супермаховиков далеко не израсходованы. Но это не означает, что их еще рано использовать. Уже сегодня супермаховик может дать огромную экономию энергии и горючего, повысить производительность машин, предотвратить загрязнение атмосферы, спасти от аварий.

«Капсулу» – в упряжку!

Глава третья, и последняя, в которой автор, размышляя о будущем «энергетической капсулы», все более укрепляется в своем мнении, что она уже начала приносить людям немалую пользу...

Небольшая экскурсия в молодость

Как быстро пролетело время! Еще пятнадцатилетним юношей я решил искать «энергетическую капсулу», а сегодня мне уже сорок. Прошло четверть века, двадцать пять лет непрерывной работы, но проблема «энергетической капсулы», пожалуй, только сейчас встала передо мной во всей своей грандиозности.

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, испытания новых машин, накопителей. К сорока годам – новые книги, новые изобретения, новые машины. У меня появилось много молодых и талантливых коллег-маховичников, 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 правильны.

И все же понадобились годы опытов, доказательств, выступлений для того, чтобы преодолеть предубеждение скептиков – чтобы в супермаховики поверили.

Помню, когда в 1965 году в журнале «Изобретатель и рационализатор» я рассказал о моих новых изобретениях – супермаховиках из лент, проволок и сверхпрочных волокон, вращающихся в вакууме, да еще с магнитной подвеской, многие говорили, что это фантастика.

Я называл количество энергии, которое сможет накопить такой супермаховик, «серьезные» люди предлагали убрать два нуля сзади.

Мне доказывали, что маховик прокрутится несколько минут и остановится. Приходилось показывать маховик с магнитной подвеской, где за час терялось всего несколько оборотов в минуту.

Спорили, что, разорвавшись, маховик пробивает метровые стены, я демонстрировал фотографию разорванного супермаховика в целеньком 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, тогда 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, киносъемки действуют неотразимо, хотя они и не всегда бывают достоверны.

Как-то раз нам нужно было показать одному большому начальнику маховичную машину. Перед его приходом машина прекрасно работала, но только мы стали ее демонстрировать – отказала. Как потом выяснилось, в корпусе маховика открутилась гайка и заклинила маховик. Испытали без маховика. Походил, походил начальник вокруг нашей машины, да и подписал все, что нам требовалось. Математическим же формулам, которые не подвержены так называемому «визит-эффекту», которые не ломаются и не выходят из строя, он не верил. Не подписывал.

Сейчас уже почти все верят в супермаховики. Во много раз увеличилось число научных трудов, посвященных им, значительно возросло количество связанных с ними изобретений. Специалисты считают супермаховики одними из наиболее перспективных среди всех известных ныне накопителей энергии и прочат им блестящее будущее.

Американские ученые подсчитали, что внедрение супермаховиков в американскую технику позволит сэкономить миллиарды долларов в год. Думается, не меньший выигрыш может быть 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 «энергетические капсулы» – супермаховики? Да, есть. Может быть, эти машины и не выпускаются пока сериями, как «Жигули» или «Москвичи», но они существуют. Работают, ездят, удивляя всех, кто их видит.

Самым типичным автомобилем, питающимся энергией, накопленной в супермаховике, является, пожалуй, маленький двухместный махомобиль американского ученого-маховичника Дэвида Рабенхорста. Попробуем на его примере разобраться в устройстве махомобилей.

Супермаховик махомобиля соединен с валом разгонного электродвигателя, причем электродвигатель помещен в воздушной среде, чтобы он лучше охлаждался, а супермаховик – в вакууме, чтобы не было лишних потерь энергии. Вал уплотнен при выходе его из вакуумной камеры магнитным уплотнением. В принципе можно даже разрезать вал и вывести вращение специальными магнитными муфтами.

Другой конец вала супермаховика соединен с гидронасосом обратимого типа, который может переходить и на режим работы 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; отсутствуют топливный бак и вся топливная система, система охлаждения с вентилятором, глушитель и, наконец, сам двигатель внутреннего сгорания. Махомобиль бесшумен, он не выделяет никаких газов, 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 минут, это в десятки раз быстрее, чем тот же процесс у электромобилей. 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 километров в час, причем кратковременно эта скорость значительно повышается, например для обгонов. Он может развить скорость 100 километров в час с места за 15 секунд, что не под силу не только электромобилю, но и многим легковым автомобилям.

Путь пробега махомобиля с одной зарядки пока около 60 километров, но его планируется увеличить в три раза. Это при массе супермаховика 100 килограммов, скорости его вращения от 23 700 до 11 900 оборотов в минуту и запасе энергии 24 мегаджоуля. Удельная энергия супермаховика тогда составит 240 килоджоулей на килограмм массы. Правда, уже испытаны супермаховики с удельной энергией в 650 и даже 700 килоджоулей на килограмм, а это значит, что и путь пробега увеличится почти до 500 километров!

У махомобиля рекордно малая по сравнению с электро- и. автомобилями стоимость пробега – 0,6 доллара, или около 40 копеек, на 100 километров пути. Я думаю, вряд ли какой водитель откажется от такой машины!

Посмотрим теперь, каковы мощности и массы махомобиля Рабенхорста. Разгонный электродвигатель мощностью 30...40 киловатт – 18,4 килограмма, гидронасос мощностью 37,5 киловатта – 11,4 килограмма, четыре гидродвигателя колес такой же общей мощностью – 10 килограммов, приборы управления – 9 килограммов, шасси – 175 килограммов, кузов – 270 килограммов, 2 пассажира – 150 килограммов. Вместе с супермаховиком, его корпусом и подвеской выходит чуть более 600 килограммов.

Махомобиль не боится длительных стоянок – маховик может вращаться до 40 суток, или почти полтора месяца, без остановки. Это тоже не предел, потому что так называемые кольцевые супермаховики, о которых речь будет еще впереди, рассчитываются на более чем годичный выбег, а американский 45-килограммовый маховик в магнитном подвесе имеет столь малые потери, что способен крутиться до остановки свыше 10 лет!

Подвеска супермаховика в махомобиле тоже магнитная, только она практичнее, чем «абсолютный» магнитный подвес, здесь есть и подшипники, воспринимающие усилия при тряске или 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 питает 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.

Оставим наземный транспорт и спустимся под землю – в метро. И там маховик нашел себе применение. Поезда метро ходят очень быстро, развивая скорость до 80...90 километров в час. А останавливаться им приходится часто. Вот и получается, что не успеет поезд накопить в себе достаточную кинетическую энергию, как ее тут же надо «гасить» в тормозах.

Пробовали отдавать эту энергию в сеть в виде электроэнергии, но выходило не очень хорошо – скачки тока в сети мешали нормально работать остальным поездам. Тогда инженеры решили накапливать кинетическую энергию поезда при торможении в маховиках, близких по своим показателям к супермаховикам, а затем использовать ее при разгоне. Выяснилось, что два маховика массой по 250 килограммов каждый могут накопить при торможении кинетическую энергию одного вагона метро, а потом разогнать такой же вагон почти до первоначальной скорости или, в случае аварии сети, «тянуть» на себе целых два вагона до следующей станции. Маховичный метропоезд испытали в Нью-Йорке, где он экономил около 30 процентов всей затрачиваемой обычно на движение поезда электроэнергии.

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 километров в час и взлетит. При этом путь разгона будет не более 100...150 метров. 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 киловатт. Супермаховик массой всего 13 килограммов выдаст мощность 115 киловатт в течение 20 секунд, а массой 57 килограммов – 225 киловатт в течение 60 секунд – 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.