Заглянем в будущее - Семенов Николай Николаевич (читать книги бесплатно полностью без регистрации .txt) 📗
Совершенствуя электромобили, конструкторы идут и по пути использования топливных элементов. В отличие от аккумуляторов, у которых электроды участвуют в образовании электрохимической энергии, топливный элемент представляет собой электрохимический генератор, в котором осуществляется прямое преобразование химической энергии топлива в электрическую. В наши дни стоимость топливных элементов еще весьма высока, а выходная мощность, приходящаяся на единицу веса, в 50 раз ниже, чем у двигателя внутреннего сгорания, хотя и находится на уровне самых эффективных современных аккумуляторов.
Топливные элементы в качестве генератора энергии имеют довольно высокий к.п.д., теоретически близкий к 100, а практически — в пределах 40–80 процентов.
Создание электромобиля, равного по своим эксплуатационным качествам и мобильности обыкновенному автомобилю, представляется пока весьма трудной задачей, что подтверждается следующим сравнением удельной энергии силовых генераторов (см. таблицу).
Если учесть, что практически могут быть применены только первые два вида аккумуляторных батарей, так как промышленное производство всех остальных обходится весьма дорого, то становится очевидной трудность решения поставленной задачи. И тем не менее она будет решена, так как этого настоятельно требует жизнь, в этом социальный заказ конструкторам.
Однако поскольку проблему сохранения чистоты воздушного бассейна городов необходимо решать сейчас, ряд фирм занялся снижением токсичности выхлопных газов автомобилей и созданием опытных образцов легковых автомобилей с комбинированным энергопитанием, сочетающих аккумуляторную батарею с легким двигателем внутреннего сгорания.
Такое сочетание выполняется либо по последовательной схеме, когда вся мощность двигателя используется для привода генератора, питающего тяговый двигатель и подзаряжающего аккумуляторную батарею, либо по параллельной, когда лишь часть мощности двигателя идет на генератор, подзаряжающий батарею, а часть — непосредственно на силовую передачу к ведущим колесам. Распределение энергии, снимаемой с генератора и двигателя внутреннего сгорания, равно как и идущей на подзарядку батарей аккумуляторов, осуществляется блоком системы автоматического контроля и регулирования.
Применение комбинированных схем позволяет в некоторых конструкциях в 8–10 раз уменьшить вес энергосиловой установки по сравнению с аккумуляторной батареей и практически создать электромобиль с гибким регулированием затрат энергоносителя и возможностями, не уступающими обычному автомобилю.
Известны опытные образцы автомобилей, сконструированных в США фирмой «Дженерал моторе» («Стирллек-1»). В качестве двигателя в них применен поршневой двигатель типа «Стирлинг» с внешним сгоранием, дающий минимальный выброс токсичных продуктов. Такие же двигатели имеют японские модели «Юаса Батери» и «Тойо Когуо», канадская модель, созданная в университете города Торонто.
Специалисты, оценивая перспективы массового применения электромобилей, полагают, что начиная с 1975–1977 годов можно рассчитывать на более или менее массовый выпуск электромобилей с комбинированным питанием, а после 2000 года — электромобилей на химических источниках тока. Представляется, что, если не появятся какие-либо новые решения в использовании топливных элементов, автомобильный парк нашей страны также начнет пополняться сначала автомобилями комбинированного питания, а эра собственно электромобилей наступит за пределами нашего века.
Рассмотренные транспортные энергетические установки являются достаточно универсальными. Применение их, а также их возможных модификаций может быть в принципе целесообразно на каждом виде наземного транспорта.
Что касается авиации, то в 30–40-х годах нашего столетия был создан реактивный двигатель, совершивший в ней подлинную революцию. Эта силовая установка логикой самого рабочего процесса приспособлена именно для этого скоростного и сверхскоростного вида транспорта. Если экономичность дизеля, газовой турбины и атомной силовой установки зависит только от эффективности их рабочего процесса, то транспортная эффективность реактивной установки, ее тяговый к.п.д., зависит от скорости движения самого транспортного средства и выражается уравнением:
?? 2V/U + V ,
где ?? — тяговый к.п.д.; U — скорость струи реактивного двигателя; V — скорость движения транспортного средства.
Таким образом, если реактивный двигатель со скоростью истечения газов из сопла 2100 километров в час позволяет развить скорость полета самолета, равную 970 километрам в час, то тяговый к.п.д. его составит 63 процента. Если же такой двигатель установить на железнодорожном или водном транспортном средстве, следующем со скоростью 200 километров в час, тяговый к.п.д. его снизится до 17,4 процента.
Вот почему реактивный тяговый двигатель представляет собой силовую установку, приспособленную только для воздушного транспорта. Максимальный тяговый к.п.д. он развивает лишь тогда, когда скорость полета только в два раза менее скорости истечения струи газов из двигателя. Это обстоятельство определяет и будет определять дальнейшее совершенствование энергосиловых установок самолетов. Будут созданы новые разновидности газотурбинных двигателей, именно турбореактивных, турбовентиляторных и турбореактивных с дожиганием топлива за турбиной.
Прогресс в области двигателестроения приведет к созданию компрессоров и турбин с высоким перепадом давления, а также охлаждаемых воздухом турбинных лопаток, на которые можно будет подавать газ, нагретый до 1000–1100 градусов.
Основным реактивным двигателем, очевидно, станет двухконтурный турбовентиляторный двигатель с высоким расходом воздуха через внешний контур и с высокой степенью сжатия порядка 25. Заметим, что это сжатие почти вдвое выше, чем у нынешних реактивных двигателей, и больше, чем у дизельного двигателя.
Высокая степень сжатия и высокая температура газов, подаваемых на лопатки, позволяют повысить тяговый и общий к.п.д. двигателя до 35 процентов. Установка таких двигателей на самолетах существенно повысит их грузоподъемность, доведя ее до 100–120 тонн при скорости 920–950 километров в час.
Дальнейшее развитие получат и реактивные двигатели для сверхзвуковых самолетов. Двигательные системы этих самолетов состоят из воздухосборника, собственно двигателя и реактивного сопла с изменяемой геометрией. В двигателе, кроме того, есть форсажная камера, в которой подогревается газ для повышения скорости его истечения.
Вероятно, на сверхзвуковых самолетах будут ставиться двигатели и принципиально иных конструктивных схем, в которых с целью форсирования используется подогрев воздуха, засасываемого вентилятором. В такой силовой установке тяговое усилие увеличивается на 30–40 процентов.
Тяга таких высокофорсированных двигателей достигает очень высоких величин. Например, на самолете «ТУ-144» при скорости 2500 километров в час она достигает 17 400 килограммов, а суммарная тяга четырех двигателей — 69 600 килограммов, что эквивалентно мощности 172 тысяч л. с. Суммарная тяга двигателей самолета «конкорд», рассчитанного на скорость 2,2М, то есть 2260 километров в час, составляет 72 тысячи килограммов, а проект американского сверхзвукового самолета «Боинг-2707», предназначавшегося для полетов со скоростью 2900 километров в час, предусматривал установку четырех реактивных двигателей общей тягой 114 тысяч килограммов, что эквивалентно мощности 450 тысяч л. с., необходимой для набора высоты при дозвуковой скорости. Таковы масштабы силовых установок сверхскоростной авиации!
