За предыдущие шесть недель я порядком устал от колёс и решил, наконец, воплотить свою давнюю задумку и перечислить в одной статье все альтернативные движители для сухопутного транспорта.
Дви́житель — устройство, преобразующее энергию двигателя либо внешнего источника, через взаимодействие со средой, в полезную работу по перемещению транспортного средства или механизма.
Подход будет тот же, что и в предыдущей статье о необычных колёсах: кратко пройдёмся по верхам, не углубляясь в историю и принципы работы. Поехали!
1. Полозья и подушки
Логично было бы начать наш обзор с древнейшего сухопутного транспорта – саней. Испокон веков телеги и сани сменяли друг друга вслед за временами года и казалось, что так будет всегда. И действительно, до сих пор ничто не может сравниться в опорной проходимости на глубоком снегу со старыми добрыми санями, вот только есть у них принципиальная проблема:
полозья – это не движитель
Строго говоря, сани вообще не должны были бы попасть в эту статью, поскольку в классическом виде они не способны преобразовывать энергию двигателя в энергию движения. Однако и без них этот обзор был бы неполным, поэтому давайте сразу поговорим о том, какие движители могут использоваться в паре с полозьями.
Понятно, что изначально сани приводились в движение самими людьми и тягловыми животными, но уже к началу XX века стало ясно, что пора придумывать что-то новое. Решение подсказала бурно развивающаяся авиация: воздушный винт. Так появились аэросани. Кстати, произошло это ни где-нибудь, а у нас в России, и на моём канале даже есть отдельная статья об этом необычном виде транспорта.
На смену архаичным аэросаням со временем пришли универсальные аэролодки, которые, несмотря на название, на снегу чувствуют себя даже лучше, чем на воде и, кажется, ещё только набирают популярность.
Более технологичной альтернативой полозьям является воздушная подушка, которая почти не подвержена износу и скользит практически без сопротивления, но при этом гораздо сложнее и дороже, да ещё и требует дополнительных затрат мощности на привод компрессора.
В эту же категорию можно отнести и транспортные средства на магнитной подушке – так называемые маглевы или магнитопланы. Магниты (а точнее, электромагниты) в них обеспечивают не только поддержание корпуса, но и его перемещение вдоль рельсового пути.
Какие ещё источники тяги могут использоваться в скользящих транспортных средствах? Например, реактивный двигатель. Его предлагали и для аэросаней, и для поездов на воздушной подушке, но дальше проектов дело не пошло. Другая крайность – парус. Установив его на сани мы получим так называемый буер – транспортное средство, известное ещё с XVII века.
Можно сделать на полозьях насечки или камус, чтобы они скользили вперёд лучше, чем назад, и придумать механизм, имитирующий движение лыжника. Ещё один вариант – установить рядом с лыжами что-то типа гребных колёс, которые будут цепляться за снег.
Впрочем, гораздо эффективнее отталкиваться от снега при помощи гусениц, как в современных снегоходах.
2. Гусеницы
Раз уж мы заговорили о гусеницах, то давайте остановимся на этом типе движителя подробнее. Он состоит из гусеницы, ведущего и направляющего колёс, а также опорных катков и поддерживающих роликов.
Упрощая, можно сказать, что гусеничный движитель отличается от колёсного только тем, что машина сама себе непрерывно подкладывает под колёса "рельсы", благодаря которым опорные катки не проваливаются в грунт. Поворачивают гусеничные машины за счёт создания разницы в скоростях движения левого и правого бортов.
В России изобретение гусеничного движителя традиционно приписывается Д.А. Загряжскому, а гусеничного трактора – Ф.А. Блинову, но, к сожалению, это не более чем мифы времён борьбы с «низкопоклонством перед Западом». Впрочем, это не отменяет реальных заслуг этих людей, о которых мы поговорим как-нибудь в другой раз.
Пока же ограничусь лишь тем, что идея гусеничного движителя впервые была озвучена ещё в 18 веке. В 19 столетии появились первые образцы самоходных гусеничных машин на паровом ходу, а выпуск первых коммерчески успешных гусеничных тракторов начала компания Caterpillar в начале XX века.
Сегодня выделяются два основных подтипа гусениц:
- классические, состоящие из отдельных звеньев, соединённых шарнирами;
- резиноармированные, представляющие собой монолитную конструкцию.
При этом классические звеньевые гусеницы различаются конструкцией шарниров, формой траков и способом зацепления с ведущим колесом.
Гусеничные движители в целом различаются также расположением ведущего колеса, способом натяжения гусеницы, количеством и конструкцией опорных катков, наличием поддерживающих роликов и много чем ещё.
Самыми же необычными, пожалуй можно назвать пневмогусеницы с надувными подушками. В 60-70-е годы c ними экспериментировали советские тракторные заводы, но дальше опытных образцов дело не пошло.
Сегодня главная область применения гусеничного движителя – тяжёлые машины для тяжёлого бездорожья, но эта область постепенно сужается.
Тем не менее, гусеничный движитель всё ещё является вторым по распространённости после колёсного и совсем не считается экзотикой, в отличие от движителей, о которых мы будем говорить дальше.
3. Лыжно-катково-гусеничный движитель (ЛКГ) или движитель Авенариуса
Пока мы не отошли далеко от лыж и гусениц, давайте вспомним лыжно-катково-гусеничный движитель, известный также как движитель Авенариуса по имени своего изобретателя. Подробнее ознакомиться с ним можно в ноябрьском номере журнала "Техника – молодёжи" за 1978 год.
Встречается также название "колёсно-гусеничный многокатковый движитель", но на мой взгляд оно несколько несправедливо, поскольку машина в любом случае катится по роликам на полозьях (лыжах), которые не всегда ярко выражены, но играют не менее важную роль, чем гусеницы или катки.
На первый взгляд этот тип движителя кажется чистой эклектикой, но его принцип действия глубже, чем простая комбинация лыжи, колеса и гусеницы на одном транспортном средстве. Движение такой машины на твёрдом основании больше всего напоминает перекатывание груза на катках, которое, вероятно, практиковалось задолго до изобретения колеса. Однако здесь катки сами непрерывно подкатываются под машину, ведь они связаны замкнутой гусеничной цепью, которая протягивается зубчатыми колёсами.
На мягких опорных поверхностях катки погружаются в грунт, перестают катиться и начинают работать в режиме грунтозацепов, а лыжа уже не катится по ним, а скользит, не позволяя при этом машине закопаться слишком глубоко.
Машины с ЛКГ-движителем никогда не выпускались серийно из-за своей чрезвычайно сложной конструкции, однако существовали в виде опытных образцов, которые изготавливались как в США, так и в СССР.
4. Шнекороторные движители
Следующий герой нашего рассказа, пожалуй, чуть более известен и даже до сих применяется на практике, хоть и очень ограниченно. Речь о шнекороторном движителе, который представляет из себя пару шнеков (винтов Архимеда), расположенных вдоль бортов транспортного средства. Иногда шнеки также называют роторами – отсюда и название движителя.
Вращаясь, винт создаёт усилие, направленное под прямым углом к поверхности витка, то есть куда-то вперёд и вбок относительно транспортного средства. Чтобы компенсировать боковую силу, левый и правый шнеки имеют различное направление витка и вращаются в противоположные стороны. Если же вращать их однонаправленно, то машина поедет боком (что тоже иногда полезно). Поворачивают шнекоходы по тому же принципу, что и гусеничные машины.
Идея шнекороторного движителя возникла во второй половине XIX века, по крайней мере первый известный патент на шнекоход был выдан в 1868 году американцу швейцарского происхождения Джейкобу Морату (Jacob Morath).
Реальное применение шнекороторных машин началось лишь в 1926 году, когда американская компании Armstead Snow Motors начала выпуск снегоходов на базе трактора Fordson.
В СССР пик интереса к шнекоходам пришёлся на 60-е годы и был связан в первую очередь с работами СКБ ЗИЛ, которое выбирало наиболее подходящее решение для поиска приземлившихся космонавтов. В результате на свет появился ЗИЛ-29061.
Несмотря на непревзойдённую проходимость на глубоком снегу или в болоте, шнекороторный движитель беспомощен на дорогах с твёрдым покрытием, поэтому тот же ЗИЛ-29061 доставлялся в район поиска на специально разработанном колёсном автомобиле ЗИЛ-4906.
К другим недостаткам шнекоходов стоит отнести крайне низкий КПД (и как следствие, высочайший расход топлива) и большой урон, наносимый опорной поверхности при движении таких машин. Этого оказалось достаточно для того, чтобы шнекоходы не получили заметного распространения.
На сегодняшний день серийным выпуском шнекоходов занимается только одна компания во всём мире – австралийская Phibion (бывшая Residue Solutions). И сфера применения её продукции сводится к обслуживанию шламохранилищ, в которых складируется красный шлам – токсичные отходы переработки бокситов в оксид алюминия. Шнекоход выдавливает из жидкого шлама воду, чтобы она быстрее испарялась и не вырывалась за пределы защитных ограждений.
5. Торовые движители
А вот о торовом движителе слышали только истинные энтузиасты альтернативного транспорта. Достаточно сказать, что о нём даже нет статьи на Википедии. Так что информации очень мало, и я пока не готов говорить о том, кем и когда он был придуман.
Лично я впервые познакомился с ним ещё в детстве на страницах какой-то советской книжки для юных техников, а затем повстречал его на страницах октябрьского номера журнала "Техника – молодёжи" за 1974 год.
Суть торового движителя заключается в том, что корпус машины опирается на эластичную подушку в форме сплющенного тора, которая выворачиваются наизнанку при помощи пропущенной через неё ленты (примерно так же, как шина в колесе Лидьярда).
Чтобы тороход мог поворачивать, таких подушек должно быть не менее двух (по одной на каждый борт).
Пока что встретить торовый движитель можно только на макетах, однако некоторые из них достаточно велики, чтобы перевозить людей. Наибольшую известность в России получил тороход, представленный в 2007 году Романом Максименко и Владимиром Котляренко.
Преимущества торового движителя понятны: огромная опорная площадь и гибкость оболочки обеспечивают минимальное давление на грунт и не оказывают разрушающего воздействия на почву и растительный покров.
Однако недостатки перевешивают. Среди них малый ресурс торовых оболочек, ограниченное тяговое усилие, проблемы с удержанием боковой нагрузки и низкий КПД. Удастся ли изобретателям решить указанные проблемы, покажет время, а пока тороход остаётся лишь диковинной игрушкой.
6. Вибрационные движители
В один ряд с торовыми движителями я бы поставил вибрационные. Они немного известнее, но всё равно остаются редчайшей экзотикой.
Как и следует из названия, принцип действия вибрационного движителя заключается в том, что он преобразует вибрации в поступательное движение. Чтобы это стало возможным, вибрации должны быть ассиметричными. Нужно добиться того, чтобы в одной фазе инерционная сила превышала силу трения полозьев об опорную поверхность, а в другой была меньше её. Эта задача имеет по меньшей мере три решения:
- ускорение инерционной массы должно различаться при ходе вперёд и назад;
- колебания в продольной плоскости должны быть синхронизированы с колебаниями в вертикальной плоскости так, чтобы при движении вперёд полозья разгружались, а при движении назад – разгружались;
- полозья должны иметь разное сопротивление скольжению в прямом и обратном направлениях.
Последний способ самый простой, поэтому чаще всего можно встретить виброходы, основанные именно на этом принципе. Наиболее распространены щетинкоходы – игрушки, в которых роль движителя выполняют щётки с вибраторами. Чтобы такая машинка двигалась в нужном направлении, щетинки нужно предварительно загладить в одну сторону.
Практического применения виброходы не нашли из-за очень низкой скорости, небольшой силы тяги, малого КПД и... вибраций, которые неизбежно возникают при движении такой машины.
Тем не менее, в середине XX века инженеры проявляли некоторый интерес к виброходам. Например, в ноябрьском номере "Техники – молодёжи" за 1969 год об их перспективах рассуждал Игорь Бескин, уже упоминавшийся на моём канале как один из отцов караката.
7. Шагающие движители
Завершить сегодняшний обзор хочу шагающим движителем. В последние годы наблюдается явная тенденция его перехода из разряда экзотических в разряд перспективных, и связано это с бурным развитием робототехники.
При этом сама идея шагающего движителя, конечно, не нова. Более того, она буквально лежит на поверхности, ведь именно такой "движитель" дан человеку от природы. В технике же одним из первых занялся конструированием шагающих механизмов П.Л. Чебышев. В 1878 году его "стопоходящая машина" была с успехом продемонстрирована на всемирной выставке в Париже.
Интерес к шагающей технике сохранялся и в XX веке. Например, вдохновитель советской космонавтики К.Э. Циолковский считал стопоходы будущим наземного транспорта наряду с аэроходами. Нередко они появлялись и в научной фантастике от "Войны миров" до "Звёздных войн".
Инженеры видели в шагоходах большой потенциал для использования в сильно пересечённой местности наподобие горных троп, по которым способны пройти только вьючные животные, а также на слабонесущих грунтах при достаточно большой площади стоп. Было построено много экспериментальных машин, однако практическое применение получили только шагающие экскаваторы. Выбор такого необычного движителя обусловлен необходимостью получить максимальную площадь опоры, способную выдерживать махину весом в несколько тысяч тонн, а также отсутствием требований к скорости передвижения, плавности хода и манёвренности.
Применение шагающих движителей в других сферах сдерживалось, в основном, сложностью управления. Чтобы шагоход мог реально преодолевать сложные препятствия, его ноги должны двигаться независимо друг от друга с учётом рельефа местности, а не просто выполнять заложенный кинематикой цикл. Инженеры пытались связать движения конечностей шагохода с движениями рук и ног водителя, однако управление получалось чрезвычайно сложным, да и по остальных характеристикам такие машины уступали традиционным колёсным и гусеничным транспортным средствам.
Однако сейчас шагающий движитель востребован как никогда: многие компании всерьёз занимаются разработкой робособак, андроидов, экзоскелетов и тому подобной техники. Насколько она будет востребована покажет время, но повышенный интерес к шагающим машинам в ближайшее время практически гарантирован.
Заключение
Нетрудно заметить, что все перечисленные в этом обзоре движители (за исключением маглева) с разной степенью успешности пытаются решать одну и ту же задачу: повысить проходимость транспортных средств на бездорожье. А вот на дорогах общего пользования никаких альтернатив колесу не видно даже близко – это ли не показатель гениальности этого древнего изобретения?
Да и на бездорожье колёса сверхнизкого давления уверенно теснят гусеничные машины, не говоря уже о шнекоходах, тороходах и прочей экзотике. В связи с этим возникает закономерный вопрос: а есть ли перспективы у альтернативных движителей? Я осмелюсь высказать своё мнение:
- гусеничные машины никуда не денутся в сегменте тяжёлой внедорожной техники, промышленных тракторов и бульдозеров;
- аппараты на воздушной подушке бесперспективны на суше, но могут удерживать свою нишу в водном транспорте;
- аэролодки могут потеснить снегоходы благодаря своей простоте и универсальности;
- шнекоходы вряд ли выйдут за пределы шламохранилищ;
- поезда на магнитной подушке вряд ли станут коммерчески успешными, но кое-где будут строиться ради демонстрации технологического превосходства;
- тороходы, виброходы, а также машины с движителем Авенариуса вряд ли когда-либо получат практическое применение, но продолжат существовать в формате занимательных игрушек;
- машины с шагающим движителем
поднимут восстание и уничтожат человечествопостепенно будут заменять людей там, где это технически возможно и экономически оправдано.
На сегодня у меня всё, вот только напоследок ещё порекомендую несколько статей на похожие темы:
Спасибо за внимание!