Тема 11. Альтернативні та гібридні автомобілі

 

Ціль: опанувати поняття про загальні тенденції і напрямки створення ДТЗ особливих типів і схем , альтернативних існуючим автомобілям, та гібридних автомобілів.

Завдання: відпрацювати навички прогнозування і визначення розвитку і розповсюдження ДТЗ особливих типів і схем, альтернативних існуючим автомобілям, та гібридних автомобілів.

 

Лекція №18

 

1. Транспортні засоби на повітряній подушці.

2. Літаючі автомобілі.

 

Намагання розширити функціональні можливості автомобіля щодо прохідності не лише дорогами загального призначення, але й іншими середовищами (вода, болото, пісок, каміння, їх комбінація) спонукали спеціалістів до створення рушія, альтернативного колесу. З усіх можливих варіантів оптимальнішим виявилось стиснуте повітря. В результаті, з’явився особливий вид наземного, нерейкового транспорту — транспортні засоби на повітряній подушці (ТЗПП). Тобто, такі транспортні засоби, що підтримують себе над опорною поверхнею за допомогою повітряної подушки, створеної спеціальними вентиляторами. На відмінку від водного та колісного транспорту ТЗПП не мають безпосереднього фізичного контакту з поверхнею, над якою рухаються. А на відмінку від літальних апаратів (літаків, екранолетів, екранопланів, парапланів) — не здатні піднятись над опорною поверхнею на висоту, що перевищує деяку частину їх геометричної довжини.

В загальному випадку ТЗПП поділяються на амфібійні, неамфібійні та комбіновані. Амфібійні мають жорстке огородження корпусу (рис.18.1) і прохідність, обмежену рівними опорними поверхнями. За звичай, це водоймища, але з можливістю короткочасного виходу ТЗПП на берег, або спеціальний причал, тому що жорсткий низ створює дуже вузьку щілину (зазор) між корпусом і опорною поверхнею, не пропускаючи під себе нерівності ґрунту.

Прохідність неамфібійних та комбінованих ТЗПП вища, за рахунок встановлення гнучкого огородження корпусу — юбки (рис.18.2). Висота паріння ТЗПП, обладнаного юбкою, значно більша за тієї ж величини робочого тиску.

Всі ТЗПП використовують два основні типи повітряних подушок: камерну та соплову. Перша є конструктивно найпростішою і представляє собою куполоподібну порожнину, під яку вентилятором нагнітається повітря. Так як стінки корпусу камери жорстко пов’язані між собою, сили тиску діятимуть лише на днище транспортного засобу, допоки не підіймуть його над опорною поверхнею. Між нею і корпусом утвориться щілина (зазор), крізь який стиснуте повітря почне виходити з камери. Вентилятор компенсуватиме втрати тиску і апарат зможе зависнути над опорною поверхнею — триматиметься за допомогою повітряної подушки. Головним недоліком такої схеми є висока чутливість до зміни центрування, тому вони практично повністю поступилися місцем сопловій.

Рис. 18.1	Рис.18.2
1-корпус; 2-венилятор; 3-двигун; 4-зона надлишкового тиску; 5-юбка; Н-висота паріння.

 

Сутність конструкції і роботи соплової полягає в тому, що повітря, яке нагнітається вентилятором, спрямовується у сопло особливого профілю (рис.18.3). Сопла виконані у вигляді низки переривчастих щілин, що розташовані по всьому периметру днища одним або кількома, паралельними рядами (рис.18.4), та зорієнтовані під деяким кутом до центру машини. Виходячи із сопла повітря створює завісу, що огороджує зону надлишкового тиску під днищем корпусу. Висота паріння, при цьому, значно підвищується за тих же величин тиску, а до зміни центрування, апарати такої схеми практично не чутливі.

Рис.18.3	Рис.18.4

 

За типом компоновки ТЗПП поділяються на одно- та двохмоторні (багатомоторні). У першому випадку використовується один двигун, що забезпечує і нагнітання повітря під днище, і горизонтальний рух транспортного засобу. Двигун, за звичай, розміщується у спеціальному потаї корпусу, під певним кутом нахилу до горизонту. Це дає змогу додатково використати швидкісний напір зустрічного потоку повітря у подушці. Крім того, завдяки нахилу вентилятора виникає горизонтальна складова сили тяги, що забезпечує поступальний рух для випадку безпортової схеми (рис.18.5). Однак, такій схемі рушія притаманний досить суттєвий недолік: вона може ефективно працювати лише для одного режиму — або для підйомного, або для маршового.

Дещо покращити тягово-швидкісні та маневрені якості ТЗПП одномоторної компоновки можна за рахунок використання так званої портової схеми рушія (рис.18.6). Особливістю цієї схеми є наявність спеціальних вікон — портів, — розміщених вздовж всієї лінії бортів машини. Кожен порт обладнаний пакетом керованих заслінок — жалюзі. Потік повітря, що проходить крізь жалюзі, створює реактивну силу і апарат спрямовується у необхідному напрямку. За звичай, основна кількість портів закрита і відкривається лише під час маневрування та гальмування.

Рис.18.5	Рис.18.6
1-корпус; 2-двигун з вентилятором; 3-підйомні сопла; 4-екіпажна частина; 5-маршові сопла; 6-маневрові порти.

Не менш розповсюдженою, особливо на великих ТЗПП, є багатомоторна, або роздільна компоновка. Такій компоновці властива наявність окремих двигунів — для приводу нагнітаючого вентилятора і тягового гвинта (рис.18.7). При цьому, тяговий гвинт (гвинти) розміщують у спеціальних, за звичай, кільцевих, кожухах і виносять назовні, на безпечну віддаль від екіпажної частини.

Маневреність ТЗПП такої компоновки забезпечується кількома схемами: кермом (кілем) у потоці повітря за тяговим вентилятором; портовою, або комбіновано. Для першої схеми характерна наявність кіля-стабілізатора. Стабілізатор може бути повністю інтегрований в габарити захисного кожуха, або частково виходити за його межі. Шляхом повороту стабілізатора відносно вертикальної осі кріплення і досягається курсове спрямування ТЗПП.

Однак такій схемі притаманний суттєвий недолік: центр тиску в ній розміщений досить високо. Це спричинює виникнення значного перекидаючого моменту під час поворотів і, як наслідок, — бічного крену.

Рис.18.7 7-тяговий гвинт; 8-стабілізатор.

 

Застосування портової схеми дає можливість значно покращити курсову стійкість та маневреність таких ТЗПП. В цьому випадку стабілізатор виконується нерухомим і слугує лише для забезпечення курсової стійкості. Маневрування ж здійснюється шляхом керованого відкривання жалюзі на відповідних портах.

Комбінована схема забезпечує практично ідеальну курсову стійкість та маневреність ТЗПП, проте складна у виготовленні та узгоджені роботи різних ланок.

Які ж переваги і недоліки притаманні ТЗПП з точки зору експлуатації ДТЗ?

Перш за все, приваблюють їх відносна простота конструкції: відсутні складна трансмісія, колісний (гусеничний) рушій і підвіска, на які припадає значна частка навантажень та несправностей. ТЗПП, крім того, не мають складних систем управління. Їм притаманна практично абсолютна всюдихідність, у поєднанні з високою швидкістю пересування. Разом із тим, для ТЗПП характерна ще й така особливість, як недеформованість під час зіткнень з перешкодою. В свою чергу, більшість ТЗПП так званого, широкого застосування, виконано на базі агрегатів автомобільного типу.

В той же час ТЗПП притаманні ряд суттєвих недоліків, що значно стримують їх розповсюдження в якості універсального, наземного, нерейкового виду транспорту, подібного автомобілям. Так, зокрема, для виконання аналогічної транспортної роботи ТЗПП витрачають у 2-4рази більшу потужність, а відповідно, і кількість палива.

Не вирішені остаточно питання керованості ТЗПП. Основна причина цьому — їх велика парусність та інерційність. Пориви бічного вітру можуть легко знести ТЗПП в сторону. Тому весь час потрібно витрачати додаткову енергію для підтримання курсової стабілізації. Під час поворотів, особливо на швидкості, ТЗПП розвертаються і деякий час можуть продовжувати рухатись прямолінійно боком, що значно ускладнює операції керування.

Великим недоліком ТЗПП є неможливість буксирування платформ, що обладнані іншим типом рушія, наприклад, колісним.

Щойно брати Райт здійснили перший політ та явили світу нове диво техніки, під назвою «аероплан», а автомобілі ще мали статус «іграшки для багатіїв», як винахідники активно взялись за вирішення питання створення універсального транспортного засобу, що поєднував би в собі найкращі риси і можливості обох. Та й не дивно. Двигуни тих і других мали близькі характеристики, а матеріали та технології, використовувані для виробництва і експлуатації — майже однакові.

Отже, літаючий автомобіль — транспортний засіб, якому притаманні властивості автомобіля та літального апарату. Причому, співвідношення цих властивостей для різних типів може бути також різне. Тобто, «автомобіль, але здатний літати», або ж — «літальний апарат, але здатний їздити». Зрозуміло, що перші, переважно більший час і краще їздять. Другі, навпаки, краще літають, ніж їздять.

Однак, як для тих, так і інших важливими є не лише здатність літати та їздити по землі. Для літаючого автомобіля важливі й такі властивості, як компактність та незалежність від наявності облаштованих аеродромів. Саме ці якості дозволяють зберегти в апараті такі важливі «автомобільні» властивості, як здатність бути завжди «під рукою» та практично миттєво стартувати у необхідному напрямку, просто від порогу помешкання.

Перша вдала спроба поєднання літака та автомобіля була здійснена у 1946р. американцем Робертом Фултоном (далеким родичем винахідника парової машини). За основу він взяв другу схему, тобто вирішив адаптувати літак до їзди по дорозі.

Крила та секція хвоста у цього літака знімались, а пропелер прикладався до фюзеляжу. Шестициліндровий 200-сильний двигун забезпечував швидкість польоту 120миль/год (200км/год) і 50миль/год (80км/год) для дорожньо-їздового циклу. Однак, навіть попри очевидний успіх свого літаючого автомобіля, Фултону не вдалося довести його до рівня серійного зразка.

Протягом довгого періоду літаючі автомобілі залишались невід’ємною частиною царини кінематографу та наукової фантастики. Час-від-часу з’являлись поодинокі зразки діючих машин, але всіх їх продовжувала спіткати сумна доля «Амфібії» Фултона.

Новий етап інтересу і активізації робіт по літаючих автомобілях розпочався на зламі 20 і 21го століть. Одразу кілька розробників заявили про фактичну готовність своїх зразків до широкого впровадження. Це, в основному, машини американських розробників, найбільш відомі з яких SkyCar (рис.18.8) Моллера та Terrafugia (рис.18.9), від невеликої компанії з однойменною назвою.

Рис.18.8

Перший представляє собою своєрідний гібрид автомобіля, літака і вертольота. Вірніше сказати: гібрид автомобіля та конвертоплана. Модель SkyCar 200LS обладнана чотирма поворотними мотогондолами, в які інтегровано роторно-поршневі двигуни, загальною потужністю 170к.с. Кабіна розрахована на двох пасажирів. За повідомленнями самого винахідника, дана модель здатна розвинути 315миль/год (567км/год) в горизонтальному польоті, а висоти «безпечного стрибка з парашутом» досягає за 11,6сек. До продажу пропонується кілька моделей, за ціною 500тис. – 3,5млн.$.

Компанія Terrafugia у 2011р продемонструвала широкому загалу свій виріб Transition, що представляє собою легкий двохмісний літак-трансформер, здатний пересуватись дорогами загального призначення.

Рис.18.9

Апарат обладнано двохтактним двигуном Rotax, потужністю 100к.с., що забезпечує швидкість горизонтального польоту 185км/год. Штовхаючий гвинт розміщено у кормовій частині корпусу. Привід на гвинт (або колісну трансмісію) здійснюється клино-пасовою передачею. Для зльоту, даному апарату необхідна ділянка шосе, довжиною 1700м.

Серед європейських виробників перше місце посідає проект голандської фірми Pal-V, що являє собою закритий мотоцикл-трансформер, здатний набувати

	вигляду автожиру (рис.18.10). Він обладнаний бензиновим двигуном, потужністю 218к.с., що забезпечує швидкість наземного пересування по шосе та польоту — 180км/год. Для зльоту, апарату достатньо ділянки шосе, довжиною 165м та швидкості 50км/год. Отже, творча думка не дрімає. Проте, до широкого впровадження літаючих автомобілів, навіть нового покоління,
Рис.18.10

ймовірно ще неблизько.

Які ж основні причини, що суттєво стримують масове просування літаючих автомобілів? Головна — «сирість» конструкції самого літаючого автомобіля.

Виходячи з аналізу існуючих прототипів, можна зробити такий узагальнюючий висновок: всі апарати використовують «літаковий», «вертольотний» або «конвертоплановий» принципи створення підйомної сили. Це накладає специфічні обмеження на, так би мовити, «автомобільну складову». Тому, щоб вписати такі апарати у габарити смуг руху автомобільних доріг, конструктори змушені вдаватись до всіляких хитрощів. Перш за все — виконувати літаючі автомобілі у вигляді різноманітних трансформерів. Це, в свою чергу, тягне за собою низку негативних моментів по всій машині. Основні з яких наступні: велика кількість ланок, поєднаних між собою різноманітними способами, що породжують утворення центрів концентрації напружень; неможливість прямого застосування одного і того ж типу рушія для польотного та дорожнього режимів; відсутність стандартів на правила та принципи організації руху; застосування «космічних» матеріалів та технологій, тощо.

Тому, для широкого впровадження літаючих автомобілів потрібно вирішити ряд проблем. Перш за все, це стосується прийняття відповідної концепції такого транспортного засобу. Концепція має узгоджувати та задовольняти іноді діаметрально протилежні вимоги. Однак, скоріше за все, літаючий автомобіль майбутнього матиме зовнішні обриси класичного автомобіля, без крил, гвинтів та хвостового оперення, що значно виступають за габарити екіпажної частини. В якості джерела механічної енергії можливо застосовуватиметься спеціальний тип двигуна, здатний приводити в дію рушій універсального призначення. Цілком ймовірно, що такий універсальний рушій працюватиме на інших принципах дії, ніж відомі в авіації та на автомобільному транспорті. Такий рушій повинен забезпечити літаючому автомобілю шість ступенів вільності (можливості переміщення): вперед, назад, вгору, вниз, та обертання навколо горизонтальної і вертикальної осей.

В свою чергу, літаючому автомобілю майбутнього мають бути притаманні і «чисто автомобільні» властивості у польотному режимі — можливість «гальмування» на місці без втрати підйомної сили, для різкої зміни напрямку руху. А в їздовому — «авіаційні»: за необхідності, миттєво здійматись у повітря (вертикально) без виконання якихось спеціальних дій та переналаштувань.

Основним видом пересування основної кількості таких апаратів буде усе ж польотний, із швидкостями до 500км/год, на висоті до 1,5км та дальністю 300-500км. В той же час, у дорожньому їздовому циклі, цілком достатньо буде швидкості 100-200км/год.

Що стосується організації безпеки руху, то польотні траси для таких апаратів безумовно будуть влаштовані рівнями-ярусами, із застосуванням GPS-навігаційного обладнання та голограмних символів «розмітки» і «знаків».

Як би там не було, літаючий автомобіль дійсно може не тільки доповнити класичний у недалекому майбутньому, але й стати новою альтернативою. Передумови для цього, вже є, навіть на даний момент часу.

 

 

 

 

Література: [1.12],ст.22; 37-48; [ 2.5], [2.6]