Статья:Локомотив современной экономики или автомобиль для шейха

                    Общеизвестно выражение, которое гласит: «Автомобиль создал Америку». Оно действительно справедливо, потому что экономисты полагают, что 1 рабочее в автомобильной промышленности создаёт 7 дополнительных рабочих мест в смежных отраслях. При этом считается, что более высокотехнологичная авиационная промышленность создаёт даже 12 – 15 дополнительных рабочих мест в других хозяйственных отраслях страны. Вот почему уровень развития автомобильной, авиационной, а также судостроительной промышленности является критерием развития национальных экономик. По состоянию этих трёх отраслей промышленности, каждая из которых является сугубо транспортной, можно с высокой степенью достоверности судить об экономической и военно-мобилизационной мощи конкретного государства.

Технико-эксплуатационные возможности конкретных транспортных средств, да и весь образ современного транспорта в основном определяется применяемыми силовыми установками. Основой современного транспорта являются Двигатели Внутреннего Сгорания (ДВС) – поршневые (с мощностью до 500 – 700 кВТ) в автомобильном транспорте и газотурбинные (с мощностью более 700 кВт) в авиации и судостроении. Т.е. на сегодняшний день мы имеем двух монополистов в двигателестроении – поршневые двигатели занимают нижнюю ступеньку мощности, а газотурбинные – верхнюю. А объективным судьёй такого распределения мощности по этим двум типам двигателей является экономическая целесообразность.

Если с применимостью газотурбинных двигателей, которые являются абсолютными чемпионами по мощности, пока всё ясно, то поршневые ДВС оказались явно в стороне от развития современного технического прогресса. Такое утверждение имеет объективную основу, поэтому давайте попробуем разобраться с перспективой для поршневых ДВС.

          В 1877 г. предприятие Николауса Аугуст Отто "Газмоторен фабрик Дойтц" получило патент (№ 532) на двигатель новой конструкции – одноцилиндровый, горизонтальный, работающий по четырехтактному циклу. Однако очень скоро выяснилось, что одноцилиндровые двигатели имеют очень неравномерный крутящий момент и по этой причине они малопригодны для практической эксплуатации. Практическое решение этой проблемы было очень простым – поршневые двигатели стали делать многоцилиндровыми с последовательным смещением во времени протекания рабочих процессов в отдельных цилиндрах. Естественно, конструкция таких двигателей усложнилась и стала дороже, но цель была достигнута – поршневые ДВС стали пригодными для практического применения, в частности, на транспорте. Фактически современный поршневой ДВС представляет собой несколько «плохих» одноцилиндровых двигателей, которые объединены в единый блок для их практического применения «оптом». Иначе ничего хорошего не получается. Следовательно, наличие нескольких цилиндров в конструкции современного поршневого ДВС – это факт его несовершенства. С этим фактом нам приходится мириться до сих пор, спустя 150 лет после сделанного Н.Отто изобретения.

За последние 50 лет конструкция поршневых ДВС практически не изменилась. Как правило, когда говорят о новых двигателях, то прежде всего имеют ввиду отдельные частности, «навешенные» на давно и хорошо проверенные на практике конструкции серийных двигателей. Поэтому можно смело говорить о долгосрочном кризисе в прогрессе конструкции поршневых ДВС.

Недостатки современных поршневых ДВС вдохновляют целую армию изобретателей на работу по их устранению. Каждый специалист интуитивно понимает преимущества роторной кинематики перед возвратно-поступательным движением поршней в цилиндре.

Несмотря на многочисленные изобретения в области двигателестроения, реальная альтернатива поршневым ДВС появилась только в 1957 году с разработкой в немецкой компании NSU инженерами Вальтером Фройде и Феликсом Ванкелем Роторно-Поршневого Двигателя (РПД). В таком двигателе все элементы кинематики двигателя вращаются равномерно (при постоянной внешней нагрузке) без инерционных знакопеременных ускорений благодаря отсутствию возвратно-поступалельного движения звеньев его кинематики. Эти двигатели даже ставились раньше на серийные автомобили, в частности на автомобили марки Mazda с буквами RE в наименовании (первые буквы от названия «Renesis»). Однако, несмотря на многообещающие технические характеристики, по совокупности технико-экономических и экологических параметров они уступали поршневым ДВС, прежде всего по эксплуатационному ресурсу. В настоящее время ни одна из фирм не оснащает ими свои серийные автомобили.

Изобретатели и сейчас неустанно предлагают всё новые конструкции ДВС. К сожалению, как правило, конструктивные инновации в предлагаемых новых ДВС имеют различного рода недостатки принципиального характера, которые не позволяют им конкурировать с поршневыми ДВС. Ведь 150 лет развития и усовершенствования – это огромная фора «поршневиков».

 

          Ежегодно анонсируются достижения современного автопрома и новых двигателей для автомобилей. Постоянно улучшаются экономичность и экобезопасность ДВС. При этом уменьшаются рабочие объёмы двигателей, но увеличивается их мощность. Это что – парадокс? Никакого парадокса здесь нет по той простой причине, что улучшение параметров силовой установки автомобиля (а не просто одного отдельно взятого поршневого ДВС) достигается за счёт машины сугубо роторного типа – турбонаддува, работающего от выхлопных газов, механического или электрического привода. Всё очень просто. Теперь воздух поступает в поршневой ДВС не при атмосферном давлении как раньше, а с наддувом в 1,5 – 2 или даже в 3 атмосферы. Соответственно давлению воздуха на входе в двигатель повышается его мощность. При этом сама конструкция поршневого ДВС при использовании турбонаддува практически не меняется. Специалисты хорошо знают, что турбонаддув –это практически единственное средство, которое хоть как-то обозначает прогресс в автомобильном двигателестроении. Но стоимость двигателей от этого не уменьшается, а постоянно растёт, к сожалению.

Наглядной иллюстрацией вышесказанному является двигатель-победитель 2012 года от компании “Ford” из семейства “EcoBoost” (Рис. 1). Этот трёх цилиндровый, турбированный двигатель

имеет рабочий объёмом 999 куб.см. и мощность 125 л.с. Структурная схема этого ДВС (Рис.2.) со всей очевидностью отражает ухищрения разработчиков со всевозможными видами турбонаддува. Конечно, от этого силовая установка автомобиля не стала дешевле. А что же нового в конструкции самого поршневого двигателя? Да практически ничего. Разве что сделали на 1 цилиндр меньше. Очевидно, его разработчики хотят хоть как-то нивелировать явный недостаток поршневых ДВС в виде множества цилиндров.

О другом монополисте, но только авиационном – газотурбинных двигателях (ГТД) - можно сказать, что эта замечательная тепловая машина в одном агрегате сочетает как двигатель, так и движитель – реактивное сопло. Сегодня для «большой» авиации другой альтернативы нет. Однако и здесь есть одно большое «НО». Дело в том, что экономичность ГТД зависит от его мощности. Маломощные ГТД (мощность менее 700 кВт) имеют в 1.5 – 2 раза большие удельные (на 1 кВт мощности) расходы топлива по сравнению с поршневыми двигателями. Дело в том, что в маломощных (и соответственно, малогабаритных) ГТД чрезвычайно сложно газодинамическим способом создать в малых габаритах высокое давление (более 25 атм/бар) в проточных камерах сгорания для обеспечения высокой степени расширения рабочего газа с целью получения хорошей экономичности (малого потребления топлива).

Результатом вышесказанного является то, что потребности «малой авиации» не могут в полной мере удовлетворить ни поршневые двигатели (они слишком тяжёлые, громоздкие и маломощные), ни газотурбинные двигатели (они слишком дорогие и имеют огромный расход топлива). Т.е. «малая авиация» не имеет двигателей для удовлетворения своих порребностей.

Таким образом, можно резюмировать, что давно назрела необходимость эффективного решения проблемы создания современного ДВС как для современного наземного транспорта, так и для «малой авиации», а также для маломерных судов. Идеологию по практическому созданию такого инновационного ДВС можно сформулировать очень просто: конструкция ДВС нового типа должна сочетать положительные качества всех известных типов двигателей (поршневых, роторно-поршневых, газотурбинных и т.д.) и не иметь их специфических недостатков.

Самое замечательное заключается в том, что эта концепция в полном объёме без каких-либо исключений и оговорок уже в течение нескольких лет воплощается в жизнь, начиная от научно-теоретических исследований и проектирования конкретных двигателей. Это 4-тактные Роторно-Гибридные Двигатели (РГД) типа «ТурбоМотор». Факт синтеза лучших качеств всех известных типов ДВС отражает слово «Гибридные» в их названии. В частности,

горение топлива в закрытом объёме обеспечивает большое пиковое давление (до 100 атм и более) и большую степень расширения горячего газа для получения хорошей экономичности (подобно поршневым ДВС). Возможность работы на практически любых видах газообразного и жидкого топлива, а также на обеднённых воздушно-топливных смесях гарантирует многогранность его применения, а также экономичность и экобезопасность работы.

При этом специфической особенностью рабочего цикла является постоянство горения топлива в камерах зажигания. Особенностью кинематики таких ДВС является статическая уравновешенность кинематических звеньев (подобно ГТД).

Концепция кинематики такого ДВС имеет международную публикацию PCT № WO 2009/072994 A1 и патент США № US 8,210,151 B2. Принципы его рабочего процесса описаны в публикации PCT № WO 2011/010978 A1, а в динамике эти процессы ниже:

Уже разработана унифицированная конструкция для двигателей с мощностью от 40 до 420 л.с. Также имеется конструкторская документация на двигатели мощностью 40, 80 и 150 л.с. Нужен конкретный Заказчик для промышленной реализации этих инновационных ДВС.

На основе классической теории термодинамических процессов нами разработана простейшая методика количественной оценки конструктивного совершенства различных ДВС:

K = W / S

где:

K - количественная оценка конструктивного совершенства ДВС;

W – количество подвижных стенок в 1 конструктивном рабочем объёме;

S – количество тактов рабочего процесса.

 

На Рис.4. показаны схемы и объективная, научно обоснованная количественная оценка совершенства ДВС различной конструкции. Согласно этой оценке, «ТурбоМотор» имеет 16-кратное преимущество перед поршневым ДВС. Как говорится, здесь комментарии излишни.

Базовым конструктивным элементом РГД является кинематический механизм, который работает на привод обеих роторов, расположенных в единственной рабочей полости двигателя. Объём этой полости и, следовательно, мощность РГД, зависит от её линейных размеров. Но мы знаем ещё со школьной скамьи, что объём изменяется В КУБИЧЕСКОЙ зависимости при изменении его линейных размеров: ∆V = ∆L³. Это означает, что на базе стандартизованных типоразмеров кинематических механизмов можно реализовать роторные ДВС различной мощности только лишь незначительным изменением линейных размеров рабочей полости РГД (Рис.5). 

На Рис.5 показаны 3 типоразмера «атмосферных» (т.е. без наддува) РГД типа «ТурбоМотор», которые имеют расчётную мощность от 35 до 420 л.с. Следует обратить внимание, что их габаритные размеры ненамного отличаются при таком большом отличии по мощности. Однако мощность любого РПД может быть существенно увеличена (практически без изменения конструкции) применением турбонаддува (подобно ранее описанному двигателю“EcoBoost”). Особой целесообразности применения наддува для РПД категорий «С» и «В» нет, чтобы не увеличивать их стоимость и чтобы не снижать вероятность безотказной работы. Однако применение турбонаддува для РПД категории «А» весьма целесообразно. Тогда мощностной диапазон всего 3-х типоразмеров РГД достигает огромной величины – от 35 до 1000 л.с.! Двигатели такой мощности найдут самое широкое применение, начиная от бытовых машин до бронетанковой техники и авиации!

При этом надо учесть то важное обстоятельство, что независимо от номинальной мощности РГД количество содержащихся в них деталей остаётся прежним, также как и точность их изготовления, которая является основным ценообразующим фактором машиностроительной продукции. Соответственно, трудозатраты на изготовление деталей РГД разной мощности будут ненамного отличаться. Отличие в стоимости изготовления РГД различной мощности будет небольшим, в основном в зависимости от количества используемых материалов.

Современные автомобили с электрогибридным приводом являются естественным результатом технического прогресса. Однако синтез старомодного «поршневика» с современной обратимой электромашиной никак гармоничным не назовёшь (см. Рис.6). Совершенно по-другому, как единое целое (см. Рис.7), выглядит синтез двух роторных машин: РГД типа «ТурбоМотор» и Стартер/Генератора (синего цвета).

Очевидна исключительная общегосударственная важность обеспечения своей промышленности унифицированными по конструкции и по потребляемому топливу (РГД являются многотопливными ДВС) широкого мощностного диапазона (от 35 до 1000 л.с.) недорогими, экономичными и экобезопасными ДВС. Быстрый и огромный экономический эффект будет получен не только при производстве самих роторных двигателей, а также от уменьшения эксплуатационных затрат огромной номенклатуры промышленной продукции, в которой будут применяются новые ДВС (Рис.8). 

          В настоящее время в США в интересах Министерства обороны реализуется программа «DARPA's Transformer TX program». Результатом выполнения этой программы должно стать создание легко бронированных 4-местных «летающих автомобилей» с вертикальным взлётом и посадкой (Рис.9). Такие автомобили имеют сугубо военное назначение и их серийное изготовление рассчитано на заказы Министерства Обороны, т.е. только за счёт налогоплательщика.

Намного более интересным и менее затратным, но с многообещающим общенациональным экономическим эффектом в США фирмой «Эдисон2» (http://www.edison2.com) ведутся работы по «Очень Лёгким Автомобилям (ОЛА)». В основу концепции создания ОЛА положен общепризнанный «зелёный» сценарий энергосбережения. Согласно концепции фирмы «Эдисон2» минимизация энергозатрат достигается всемерным снижением веса и аэродинамических потерь для уменьшения сопротивления трению качения и движения в целом (Рис.10). Но ведь это основополагающие принципы современной авиации! Т.е. это магистральный путь к созданию экономичных «летающих автомобилей». А самое впечатляющее в работах фирмы «Эдисон2» - это их практическая направленность и достигнутые успехи. Фирма «Эдисон2» в 2012 году стала победителем конкурса экономичных автомобилей в США. Она награждена престижным призом «X-Prize» с призовым фондом $5 миллионов. Технологии ОЛА фирмы «Эдисон2» могут и должны стать основой будущих «летающих автомобилей» для общего пользования и, при необходимости, специального применения.

Термин «квадро-технология» подразумевает 4-кратную возможность применения суперсовременных транспортных средств. Это двойная утилитарная функция – использование суперавтомобилей на дорогах общего пользования и в качестве летательных аппаратов (ЛА). А также ещё одна двойная социально значимая функция – возможность использования их по решению правительства в чрезвычайных ситуациях (например, для поисково-спасательных работ или при ликвидации последствий стихийных бедствий), а также в военных целях (например, для оснащения национальной гвардии). Итого: «2х2=4». Такое транспортное средство можно условно назвать «Квадро-автомобиль» или сокращённо «4-мобиль».

Создание инновационного транспортного средства для массового использования с двойной утилитарной функцией – использование на дорогах общего пользования как автомобиля и в качестве летательного аппарата (ЛА) – является чрезвычайно сложной комплексной научно-технической, экономической и социальной проблемой. Однако и результат её практического решения будет иметь далеко идущие общественно-экономические последствия. По этой причине такая масштабная проблема обязательно должна решаться с участием госструктур, а не только в частном порядке. Далее мы только обозначим комплексность проблем в основном их перечислением и путями их возможного решения.

• Научно-техническую проблему создания самого полноценного «4-мобиля» мы рассматриваем как практическую реализацию по промышленному освоению большой совокупности инновационных технологий: новых материалов, функциональных покрытий, передовых технологий обработки конструкционных материалов и т.д. Отдельным частным предприятиям сложно решить весь комплекс научно-технических проблем только за счёт собственных средств и в требуемое время. Поэтому несколько предприятий при финансовой поддержке правительства/правительств должны будут объединить свои усилия совместно с фирмами, которые уже имеют практический задел в этом направлении подобно фирмам «ТехноРесурс-Моторс» и «Эдисон2»
• Особой научно-технической проблемой является организация движения «4-мобилей», особенно в воздухе. В нашем понимании движение «4-мобилей» по дорогам будет осуществляется согласно общепринятым «Правилам дорожного движения». Однако их взлёт, полёт и посадка должны строго регламентироваться специальными правилами. Прежде всего, взлёт и посадка должны осуществляется только со специальных взлётно-посадочных площадок, разделённых на 4 сектора: сектор подготовки и ожидания взлёта; стартовый сектор; посадочный сектор; сектор перевода ЛА в дорожно-транспортное состояние. Сама процедура полёта «4-мобиля» включает 4 фазы:

1. Выход в сектор подготовки к полёту и перевод транспорта в полётное состояние с последующим запросом разрешения полёта по требуемому маршруту. Одновременно с разрешением вылета в бортовой компьютер «4-мобиля» «Центр управления полётами» в автоматическом режиме загружает полётное задание.

2. Старт осуществляется в ручном режиме из стартового сектора. Сразу после старта следует немедленный переход на автопилот с полностью автоматическим управлением в течение всего маршрута. Постоянно осуществляется дублированный контроль прохождения маршрута радиолокаторами и спутниками (например, подобно GPS-системе). Любое отклонение от маршрута рассматривается как аварийная ситуация, которая влечет последующее административное расследование.

3. Посадка осуществляется в автоматическом режиме в посадочный сектор с последующим ручным управлением при переходе в 4-й сектор.

4. В 4-м секторе осуществляется перевод ЛА в транспортное состояние с последующим немедленным оставлением взлётно-посадочной площадки.

   Мощность современных компьютеров вполне обеспечивает решение задачи автоматического управления большим количеством ЛА в воздухе в реальном масштабе времени. Практическим решением проблемы управления полётами лёгких ЛА над населёнными пунктами в настоящее время совместно занимаются несколько университетов стран ЕС в рамках проекта “myCopter” ( http://mycopter.eu ).

• Наиболее сложной задачей, на наш взгляд, является решение сугубо экономической проблемы общедоступности «4-мобилей», т.е. стоимость их приобретения и эксплуатации должна быть для владельца не более современного престижного автомобиля. Это означает, что спрос на «4-мобили» должен массовым, а их производство должно стать крупносерийным. Во многом эта задача облегчается предполагаемым их комплектованием дешёвыми, массово производимым (благодаря высокой степени унификации) РГД «ТурбоМотор» различной мощности. Однако существенный вклад в решение этой проблемы может внести регуляторная политика правительства при приобретении «4-мобилей» частными лицами. Такая политика может быть подобна той, которая сейчас применяется правительством США при продаже гибридных автомобилей (см.далее).
• Общеизвестно, что большая часть поверхности нашей планеты покрыта водой. При этом люди, в основном, расселяются по берегам океанов, морей, рек и озёр. По этой причине есть необходимость создания не просто «летающего автомобиля», надо обеспечить ему возможность долговременного нахождения на воде (плавания), а также нормальной эксплуатации в условиях жаркого климата с горячим и разряжённым воздухом, например, в Объёдинённых Арабских Эмиратах. Это чрезвычайно сложная задача, которая может быть решена в рамках программы создания «4-мобилей». Ввиду её чрезвычайной сложности и высокой стоимости, но с огромной научно-технической и экономической перспективой, её можно выделить в отдельное научно-техническое направление под названием «Автомобиль для шейха» (Рис.11, 12).

          

Автомобиль давно перестал быть роскошью. Более того, он стал большой проблемой больших городов, которую надо решать. Но как? Дорог на всех уже явно не хватает, особенно в стремительно расширяющихся мегаполисах.

Творение братьев Райт окрылило человечество. Однако современная авиация – это дорогое удовольствие. Экономическая целесообразность заставляет нас группироваться в десятки и даже в сотни пассажиров, чтобы отправиться в воздушный рейс. И только очень немногие из нас могут позволить себе роскошь полёта с другом или в одиночку. Причина этого банальна – массовому применению авиатехники в повседневной жизни препятствует её дороговизна и привязанность к аэродромам. Такое положение дел является результатом её технико-экономического несовершенства, прежде всего базовых комплектующих - существующих ныне ДВС. В частности, поршневые ДВС тяжелы и маломощны, а газотурбинные (с мощностью до 1000 л.с.) слишком дороги и имеют очень большой расход топлива.

Решением проблемы расширения мобильных возможностей современного человека может стать создание массового автомобиля «квадро-применения»: наземно-воздушного/водного и повседневно-специального использования («2х2»). Их основой могут стать разработки «Очень Лёгких Автомобилей (ОЛА)» фирмы «Эдисон2» (США), оснащённые дешёвыми, компактными и лёгкими, экономичными и экобезопасными Роторными Гибридными Двигателями (РГД) типа «ТурбоМотор», разработанными с участием фирмы «ТехноРесурс-Моторс», (Украина). Мы предлагаем всем заинтересованным сторонам совместно сделать свой вклад в развитие транспортной индустрии и дать дорогу автомобилям в небо.

Естественно, столь масштабный и социально значимый проект должен осуществляться при непосредственном участии госструктур в интересах ускоренного развития экономики всей страны и обеспечения общенациональной безопасности. Как мы понимаем, важнейшей частью работы правительства является всестороннее обоснование принимаемых решений. Эту статью можно рассматривать как первичную информацию при формировании некоторых госпрограмм общенационального значения.