Прежде всего, почему бомба? Что общего у двигателя, пусть даже маховичного, и бомбы? Общего, как это ни печально, много. Случайно разорвавшись при вращении, маховик ведет себя во многом схоже c этим орудием разрушения. Если же подсчитать механическую энергию, выделяемую при взрыве бомбы и разрыве маховика с высокой плотностью энергии, то сравнение будет не в пользу бомбы. Хотя понятие «польза» тут весьма условно. Тяжелые осколки разорвавшегося маховика, несущиеся со сверхзвуковой скоростью, пробивают все на своем пути. Бывали случаи, когда разорвавшийся в подвале здания маховик, пробивал осколками все междуэтажные перекрытия, включая крышу. Эта «опасность» вынуждает принимать при их проектировании, очень высокий запас прочности, используя всего третью или четвертую часть прочности материала. Конечно, запас энергии при этом тоже будет составлять треть или четверть возможного предела накопленной энергии. И все-таки случайный разрыв маховика не исключен. Например, вовсе нежелательно, чтобы пустяковое столкновение транспортного средства, работающего от маховичного двигателя, сопровождалось взрывом фугасной бомбы — такого источника энерии, повредившегося при аварии. 

Конечно, развитие техники почти всегда сопровождается риском. И бензобак с горючим на автомобиле — далеко не безобидная штучка. Перспективные электроаккумуляторы, которые ставят на электромобили, содержат в себе расплавленный натрий или литий при температуре около 600 градусов (один из ведущих работников фирмы «Дженерал Моторс» Дж. Роч говорил по этому поводу, что если с этим электромобилем случится авария, то он не хотел бы оказаться рядом). Не меньшую опасность таят в себе баллоны с водородом, радиоактивные электробатареи и другие источники энергии будущего. И все-таки хотелось бы, чтобы маховичный двигатель, будучи совершенно безвредным в смысле загрязнения окружающей среды, не представлял бы опасности, как это ни парадоксально, и в случае возможного разрыва. Но не является ли это требование утопией? Можно ли представить себе безопасный разрыв маховика? Оказывается, можно. И это ценнейшее свойство, он приобретает вместе с огромной плотностью накопленной энергии!

Все началось с попытки изготовления маховика из материалов высокой прочности. Известно, что максимальную прочность металл развивает в виде лент или проволок. Лента или проволока, благодаря своей внутренней структуре, образованной холодной прокаткой или волочением, имеет прочность, в несколько раз превышающую прочность исходного материала. Но как изготовить маховик из ленты? Да это даже проще, чем отлить или отковать его. Берется легкий центр (например, катушка из дюралюминия или пластмассы) и на него навивается тонкая лента, предварительно смазанная клеем (рис. 17). 

Рис. 17. Маховик, навитый из ленты

Клей должен быть достаточно эластичным, чтобы заполнять собой зазоры между витками ленты, образованные неодинаковым расширением витков разного диаметра при вращении. Почему витки разного диаметра расширяются неодинаково, можно понять из рассмотрения формулы (4) напряжений во вращающемся тонком кольце. Заменив здесь окружную скорость V ее выражением через угловую скорость W и радиус кольца R, V = WR, получим

 

 

Стало быть при одинаковой угловой скорости и плотности ленты виток, имеющий больший диаметр, напряжен сильнее. А раз напряжен сильнее, то сильнее и деформируется, что и вызывает межвитковые зазоры. Так вот, основная функция клея и состоит в том, чтобы заполнять эти зазоры, не позволяя виткам «освободиться» один от другого. Последний виток также приклеивается к предпоследнему, причем предпочтительно срезать его по ширине, оставив тонкую полоску ленты и намотав ее на обод по спирали, а затем, смазав клеем, подсунуть под остальные витки. Тогда закрепление этого витка при вращении становится еще прочнее. Схема такого закрепления последнего витка дана на рис. 18.

 

Рис. 18. Схема крепления последнего витка ленты на ободе

В последнее время показано, правда пока только теоретически, что можно обойтись и без клея, навивая ленту с предварительным натягом. Этот натяг создает, как говорят, «отрицательный зазор» между витками, который частично уменьшается (не доходя, конечно, до положительного, т. е. обычного зазора!) при вращении.

Первый такой «витой» ленточный маховик был изготовлен автором в домашней обстановке самым что ни на есть кустарным образом. И лента была не лучшего качества — обычная углеродистая сталь. Но испытания этого маховика на разрыв при вращении показали, что плотность энергии в нем почти в 6 раз выше, чем у швейцарского гиробуса, изготовленного из высококачественной, но монолитной стали! Но самое главное, испытания показали, что витой маховик совершенно безопасен при разрыве!

Прежде чем говорить о причине «безопасности» ленточных маховиков, скажу несколько слов о том, как их испытывают на разрыв при вращении, и об испытательной машине — разгонном стенде.

Для того чтобы испытать маховик на разрыв при вращении, необходимо не только раскрутить его до очень большой скорости, но и обезопасить все находящееся рядом от разрушительного действия осколков. Для этого камеры, где вращается испытуемый маховик, обычно помещают глубоко под землю и окружают многослойной броней — свинцовыми брусками, стальными и бетонными кольцами (рис. 19). Свинец нужен для того, чтобы осколки не очень деформировались бы при ударе о броню и по их форме можно было бы сделать выводы о характере разрыва. Естественно, что вся измерительная аппаратура и пульт управления разгонным стендом находятся наверху, далеко за пределами бронированной камеры, и связь с датчиками и разгонными двигателями осуществляется по проводам. Частоту вращения маховика можно измерять электрическими, механическими или стробоскопическими тахометрами — измерителями угловой скорости. Но наиболее точен такой метод, который фиксировал бы даже каждый оборот вала.

На рис. 19 показан фотоэлектрический измеритель угловой скорости, основанный на том, что вращающийся вал, выполненный с поперечной щелью при вращении, то пропускает свет лампы к датчику — фотоэлементу, то прерывает его, а сигналы фотоэлемента фиксируются на пульте управления частотомером, счетчиком импульсов или записываются на пленку осциллографа.

 

Рис. 19. Разгонный стенд:

1—пульт управления; 2—фотоэлемент; 3—люк; 4—камера вращения; 5—подшипник с уплотнением; 6—испытуемый маховик; 7—свинцовая броня; 5—бетонная броня; 9—гибкий валик; 10—турбина

Разгон маховика может осуществляться двигателями разных типов, но наиболее удобна, пожалуй, воздушная турбина, развивающая очень высокую угловую скорость и простая в управлении. «Мягкая» рабочая характеристика турбины, заключающаяся в том, что она реализует почти постоянную мощность как при малой, так и при высокой угловой скорости, наиболее приемлема при трогании с места и разгоне. Воздух в турбину подается от компрессора, установленного отдельно.

Маховик подвешивается в камере вращения на гибком валу, имеющем возможность некоторого, пусть даже небольшого поперечного смещения. Делается это для того, чтобы разбалансированный маховик мог бы «установиться» при высоких частотах вращения и не создавал бы больших нагрузок на подшипник (подробнее об этом см. гл. IV).

Для уменьшения потерь мощности на трение о воздух при вращении (а они, как будет показано ниже, могут достигать значительных величин) воздух из камеры вращения непрерывно удаляется небольшим вакуум-насосом, а на подшипнике в камере вращения ставится уплотнение.

Вот, пожалуй, и все про разгонный стенд, на котором проводят испытания на разрыв. Остается сказать, что перед началом разгона люк на входе в испытательную камеру задраивается, люди покидают даже верхнее помещение, в подвале которого находится стенд, и управление ведется с пульта, находящегося в другом месте.

Так проводились испытания первых ленточных маховиков на разгонном стенде Центрального научно-исследовательского института технологии машиностроения (ЦНИИТМАШ). Но оказывается, можно было и не задраивать люки, не переходить в другое помещение, короче, не соблюдать меры предосторожности, обязательные при испытании обычных механизмов. Ленточный маховик разрывался совершенно безопасно, не пробивая даже стенки камеры вращения толщиной 1—2 мм, несмотря на то что накопленной в нем энергии было в несколько раз больше, чем в монолитных маховиках того же веса. Почему же ленточный вариант разрывается безопасно? Обратимся к рис. 20.

Выше мы говорили, что чем дальше виток ленты расположев от центра, тем сильнее он напряжен. Стало быть, первым разорваться может только этот внешний виток. К тому же он ослаблен креплением к предпоследнему витку склейкой и т. д. А разрываясь, отслоившийся конец ленты тотчас же прижимается центробежными силами к внутренней поверхности кожуха и активно трется об нее, автоматически тормозя. Этот последний виток ленты играет ту же роль, что и предохранительная мембрана на паровом котле — разрываясь сам, предохраняет от разрыва весь маховик. Разумеется, все сказанное относится к случаю вращения маховика в направлении навивки ленты; при противоположном направлении вращения маховик может разорваться весь, хотя и без образования опасных осколков.

Оказалось, что безопасный разрыв характерен для всех маховиков, изготовленных из слоисто-волокнистых композитных материалов высокой прочности. Правда, они разрываются целиком (как и ленточный в случае вращения не в ту сторону), но опасных осколков, как при разрыве монолитного, не образуется, и меры защиты тут гораздо проще. Маховики, изготовленные из таких композитных материалов, накопляя энергию с гораздо большей плотностью, чем обычные монолитные, и обладая безопасным разрывом, получили название «супермаховиков».

И есть все основания утверждать, что - "Супермаховик" — это отлично!