1. Skip to Menu
  2. Skip to Content
  3. Skip to Footer>
"Супермаховик" — это отлично!
Физика маховичных двигателей
01.02.2014 10:03
Несмотря на то, что разновидностей супермаховиков существует достаточно много, их можно разбить на два основных типа: стержневые и ободковые. Схемы устройств этих двух типов даны на рис. 21. Стержневой супермаховик (рис. 21, а) принципиально представляет собой стержень, вращающийся вокруг оси, перпендикулярной к его продольной оси. Ободковый же (рис. 21, б), как и традиционный маховик, вращается в своей плоскости вокруг центральной оси. 

Схема стержневого  супермаховика  Схема ободкового супермаховика
Рис. 21. Схема стержневого (а) и ободкового (б) супермаховиков
Крепление как стержня, так и обода к центру выполняется различными способами в зависимости от типа супермаховика. Основная разница между этими двумя типами, состоит в том, что стержневой находится при вращении в главном напряженном состоянии под действием радиальных напряжений (действующих по радиусу), а окружные напряжения (действующие по касательной к траектории рассматриваемого вращающегося элемента), хотя и играют незначительную роль для аккумулирование энергии из-за их малости, зато приносят наибольший вред, расслаивая стержень. 

Противоположную картину наблюдаем для ободковых супермаховиков — наибольшие окружные напряжения играют основную роль в аккумулировании энергии, а радиальные, хоть и незначительно, но приносят конструкции вред, расслаивая обод (подробнее о напряжениях в маховиках см. в гл. IV). Идеальная картина была бы в случае бесконечно тонких стержня и обода — там не было бы «вредных» напряжений. Но выполнить их такими невозможно, да и невыгодно: слишком малый объем камеры вращения маховика будет полезно использоваться. Однако и толстыми их делать нельзя — расслоятся. Ведь прочность одноосных композитных материалов вдоль и поперек волокон далеко не одинакова. Тут-то и начала изощряться конструкторская мысль, преодолевая противоречие — максимально заполнить объем камеры вращения материалом, но в то же время успешно преодолевать побочные «вредные» напряжения.

Логичнее всего, конечно, было бы просто «не воспринимать» этих побочных напряжений, давая супермаховику свободно расслаиваться. Так возникла «щеточная» конструкция стержневого супермаховика; для ободкового такое решение неприемлемо (рис. 22). Отдельные волокна стягиваются в центре оправкой с осью на ней и приводятся во вращение. Волокна, растягиваемые центробежной (т. е. буквально действующей от центра) силой, расходятся сектором, образуя некое подобие щетки. Материалом для щеточного супермаховика может служить как высокопрочная проволока, так называемая «рояльная», или из бериллиевого сплава, так и различные высокопрочные волокна — нитевидный бор и графит, стеклянные и кварцевые волокна.

Компактность его, конечно, оставляет желать много лучшего, несмотря даже на то, что изготовив специальную круглую оправку, можно расположить волокна не отдельным сектором, а распределив по всей окружности.

Стремление повысить компактность стержневых супермаховиков привело к созданию конструкций «брускового» типа, где отдельные тонкие волокна-стержни склеивались на основе эпоксидной или иной связки, образуя достаточно толстый брусок стягиваемый в центре оправкой, как и щеточный супермаховик! (рис. 23, а).

Вращение бруска, как и у отдельного стержня, вокруг поперечной оси. Компактность повысилась, но прочность из-за расслаивания несколько ниже, чем у щеточного. Приданием бруску формы, близкой к стержню равном прочности (насколько это можно сделать у такого анизотропного композитного материала), плотность энергии была несколькя повышена, хотя и в ущерб компактности (см. рис. 22, б).

Щеточный супермаховик  круглый щеточный супермаховик

Рис. 22. Щеточный супермаховик (справа показан круглый щеточный, полученный совмещением щеточных блоков)

Ведущий специалист в США по супермаховикам д-р Д. В. Рабенхорст (Университет им. Дж. Гопкинса) предложил повысить компактность стержневых супермаховиков, склеивая из отдельных стержней или полосок, составленных из волокон, композитный диск, близкий по форме к диску равной прочности (рис. 24). Этот вариант, уже достаточно компактный, получил название дискового (правильнее «псевдодискового»).

Композиционный брусковый супермаховик с бруском постоянного сечения Композиционный брусковый супермаховик близкий к равнопрочному стержню

Рис. 23. Композиционный брусковый супермаховик с бруском постоянного сечения (а) и близкий к равнопрочному стержню (б)


И наконец, Д. В. Рабенхорстом предложена наиболее сложная и замысловатая, но, как считает ее создатель, наиболее эффективная с точки зрения компактности и потерь энергии форма — клиновая (рис. 25). Действительно, рассматривая такой супермаховик повнимательнее, можно заметить, что он состоит как бы из круговых клиньев, следующих один за другим. Д. В. Рабенхорст считает, что будущее за такими устройствами.
 
Композитный дисковый супермаховик
Рис. 24. Композитный дисковый супермаховик


Следует заметить, что наряду с научным центром США — Университетом им. Дж. Гопкинса исследованиями стержневых супермаховиков (преимущественно брусковых) занимается фирма Локхид (США) с привлечением к работам и более мелких предприятий в основном для изготовления материала и испытаний.

Клиновой алебардообразный супермаховик
Рис. 25. Клиновой алебардообразный супермаховик

Теперь об ободковых супермаховиках. Эти конструкции таят в себе большие возможности: они компактны, допускают размещение в центре вспомогательных систем и устройств (так как центр здесь практически свободен от нагрузок), имеют более низкую угловую и окружную скорость, чем стержневые супермаховики.

Примером ободкового супермаховика и является ленточный маховик, рассмотренный ниже. Обод может быть навит не только из ленты, но и из проволоки, высокопрочных волокон со связкой, как и стержневые конструкции. При этом ободковые конструкции более технологичны, легче балансируются и при разрыве безопаснее стержневых. Вероятность расслоения у них та же,, что и у стержневых, если не выполнять обод слишком толстым, что невыгодно и с точки зрения накопления энергии.

По плотности энергии, они соизмеримы со стержневыми: как у одних, так и у других достугнута величина 200—300 тыс. Дж/кг. Некоторое превышение плотности энергии у малых моделей супермаховиков (например, полученная Д. В. Рабенхорстом для нити из бора величина 400 тыс. Дж/кг) объясняется тем, что стержневые конструкции (фактически один стержень в экспериментальных моделях) предоставляют большее удобство для испытаний коротких и тонких нитей из сверхпрочных материалов, чем обод, который надо мотать из достаточнобольшого количества волокон, чтобы исключать влияние давления центра. Но для больших натурных маховиков обод выгоднее стержня.

Ободковые супермаховики в 70-х годах были исследованы фирмой «Юнайтед Эркрафт Корпорейшн» (США). У нас в стране они исследуются (во всяком случае - пока), так как мы видим в них определенные преимущества над стержневыми, в первую очередь компактность и аэродинамические качества.

Однако не следует полагать, что они так уж легко поддаются исследованиям. Они прочны и технологичны, а попробуй — освой! А в первую очередь это происходит потому, что маховик — понятие растяжимое
 
skillbox отзывы сотрудников