Обычно транспортные маховики изготавливаются из композитных материалов в виде ободовых супермаховиков путем намотки силовой нити, смазанной органической смолой. Помимо технологической простоты, такие маховики имеют оптимальное распределение массы, что обеспечивает накопление максимального количества энергии. Вместе с тем, они имеют ряд принципиальных недостатков, рис. 2: исключающих возможность их применения на транспортных средствах.
Рис.2. Типовая схема ободового супермаховика: 1-вал; 2-ступица; 3-спица; 4-основание; 5-силовой обод; 6-крышка; 7-корпус; 8-цапфа; 9-подшипник; 10-мотор-генератор.
Основные отрицательные факторы:
- разрыв спиц до достижения материалом обода критических напряжений;
- расслоение композиционного материала под действием центробежных сил;
- потеря вакуума из-за микропористости материала корпуса и выделения газов из композиционных материалов;
- сложность обеспечения бесконтактного подвеса
- сложность передачи и съема запасенной энергии;
- чрезмерный гироскопический момент, препятствующий отклонению оси маховика.
В конструкции транспортного супермаховика, предложенного НТЦ «Взлет», применены следующие, защищенные патентами, технические концепции:
- «заранее сломанной конструкции»
- «квазисплошного тела»
- разделения физической и механической осей маховика
- автоматического «вакууммейкера»
- «электромагнитного подъемного привода»
Указанные технические решения являются принципиально новыми. На их основе может быть разработан транспортный маховик с удельными массовыми показателями более высокими, чем у современных авиационных силовых установок. По существу, это новый класс маховичных конструкций, которые обобщенно могут быть названы гипермаховиком.
Накопители энергии | Удельная массовая энергоемкость, кДж/кг |
Свинцово-кислотные аккумуляторы | 64 |
Стальной диск равной прочности | 120 |
Супермаховик из углеродного волокна | 2,000 |
Супермаховик из кварцевой нити | 5,000 |
Супермаховик из алмазной нити (теория) | 15,000 |
Гипермаховик (расчет) | 20,000 |
Бензин | 42,000 |
При сравнении удельных массовых характеристик, силовые установки с тепловыми двигателями следует оценивать совместно с запасом топлива, потребного для выполнения заданной транспортной работы. Энергия транспортного маховика заключена в его массе. Поэтому замена теплового двигателя маховиком качественно меняет весовой баланс силовой установки. Кроме того, как известно, энергетическая эффективность теплового двигателя не превышает 10-15%, в то время как у маховика она по эксплуатационным соображениям ограничивается величиной 50% Поэтому приведенное в таблице значение удельной энергоемкости бензина следует в такой же пропорции уменьшить в 4-5 раз. В этом случае ее величина будет около 10,000 кДж/кг, т.е. примерно в два раза ниже, чем у гипермаховика. Соответственно, суммарный вес силовой установки и топлива для него будет значительно ниже.
При более широком подходе к данной проблеме, можно заметить, что вырабатываемое из нефти углеводородное топливо (бензин, керосин), по существу, также является накопителем энергии, за миллионы лет естественным образом созданным природой. Поэтому можно сказать, что все транспортные средства работали и работают с бортовыми накопителями энергии. Применение гипермаховиков будет означать переход транспортных средств к работе с более эффективными, многократно восстанавливаемыми накопителями энергии.