От игрушки к вертолету
О способности вращающегося винта подниматься в воздух было известно еще древним китайцам. Примерно в I в. до н. э. в Китае появилась игрушка, дошедшая до наших дней практически в первозданном виде, – палочка с винтом на конце. Когда палочку раскручивали в ладонях, она взлетала. К ХII в. это устройство в Европе сильно модернизировали – механизм снабдили «двигателем», то есть это была трубка с пучком упругих жил внутри и двумя винтами по краям. Скрученные жилы, распрямляясь, вращали винты в разные стороны на обоих концах трубки. Этот вроде бы нехитрый механизм предвосхитил конструкцию современного вертолета одноосной схемы.
В 320 г. китайский ученый Го Хун предложил экипаж с вертикальным винтом для путешествий по воздуху. Это была одна из первых попыток использования машин с вертикальным винтом.
Считается, что первый проект вертолета разработал Леонардо да Винчи в 1489 г.
В 1754 г. М. В. Ломоносов продемонстрировал в Академии наук модель «аэродинамической машины», предназначенной для подъема в верхние слои атмосферы различной метеорологической аппаратуры.
Судя по сохранившимся документам, это был аппарат вертикального взлета с винтами, приводимыми в действие посредством пружины. Но дальше модельных испытаний «машинки маленькой» дело не пошло.
Со второй половины ХIХ в. неоднократно предпринимались попытки создания винтокрылой машины, но оторваться от земли смогли только аппараты французов Л. и Ж. Бреге и П. Корню в 1907 г. В 1912 г. русский ученый Б. Н. Юрьев развил теорию воздушного винта и предложил вертолетную схему, ставшую классической. Именно по ней в 1930-х гг. он сконструировал первый экспериментальный одновинтовой вертолет и заложил таким образом основы вертолетостроения.
Однако в виду сложностей конструкции вертолеты вошли в эксплуатацию гораздо позже самолетов. Произошло это в годы Второй мировой войны. Первыми серийными винтокрылыми машинами стали аппараты немецкого конструктора Генриха Фоке и американца русского происхождения И. И. Сикорского. В СССР наибольший вклад в вертолетостроение внесли конструкторы А. М.Черемухин, И. П. Братухин, М. Л. Миль и Н. И. Камов.
Конвертоплан – два в одном
Белл-Боинг V22 «Оспри» – конвертоплан, он объединяет отдельные возможности самолета и вертолета.
Эти винтокрылые летательные аппараты относятся к самолетам вертикального взлета и посадки, или к вертолетам-самолетам. Название конвертоплан происходит от английского слова «сonverter» – изменять, превращать. Благодаря особенностям конструкции они способны взлетать и приземляться вертикально, как вертолеты, а горизонтальный полет осуществлять, подобно самолетам, с большой скоростью. При взлете и посадке конвертоплана оси его поперечно размещенных винтов располагаются вертикально, а при переходе к поступательному движению горизонтального полета поворачиваются в горизонтальное положение, превращая несущие винты в тянущие. При этом V22 может достигать скорости 600 км/ч.
Топливные элементы
Преобразование одного вида энергии в другой всегда сопровождалось различного вида потерями. Например, в паровозе тепловая энергия от сгорания топлива трансформировалась в механическую путем нескольких преобразований и с большими потерями. При сгорании в топке горючего часть выделенного им тепла безвозвратно терялась с дымом, часть – при перегреве воды в пар, не говоря уже о механических потерях в трущихся деталях. Не вдаваясь в подробности термодинамических процессов, приведем коэффициент полезного действия (КПД) паровоза – он не превышал 7 %, и это с учетом того, что паровоз считался весьма совершенной тепловой машиной по сравнению с более ранними паровыми двигателями.
В современных паровых турбинах КПД гораздо выше. Существуют тепловые двигатели внешнего и внутреннего сгорания. Двигатели внешнего сгорания – это паровые турбины, у которых топливо сгорает в отдельной топке (котле) для производства пара высокого давления, который непосредственно вращает ротор турбины. В двигателях внутреннего сгорания (бензиновых и дизельных) горючее сгорает непосредственно внутри цилиндров, и продукты горения воздействуют непосредственно на поршни, сообщая им движущий момент. В настоящее время самым экономичным тепловым двигателем считается дизельный, его КПД превышает 60 %.
Самыми эффективными источниками механической энергии являются электрические двигатели с КПД более 90 %, но их основной недостаток – потребность в источнике электроэнергии.
Преобразование (конвертация) химической энергии топлива в электрическую на тепловых электростанциях сопровождается большими потерями: только треть первичной энергии становиться электрической. Так происходит из-за того, что, прежде чем стать электрической, химическая энергия, выделяющаяся в результате горения, не раз меняет свое «лицо». Вначале тепловая энергия топлива превращается в энергию пара. Затем энергия пара на роторе турбины преобразуется в механическую энергию вращения. И наконец, в обмотках генератора механическая энергия становится электрической. На каждом этапе неизбежны потери.
Электрическая энергия в плане конвертации самая удобная. Именно поэтому всегда проявлялся повышенный интерес к разработке различных более экологичных способов получения электроэнергии с минимальными потерями. Ветроэлектрогенераторы и солнечные элементы слишком зависимы от капризов погоды и не всегда могут выдать необходимую мощность, но, кроме них, весьма перспективным направлением преобразования химической энергии в электрическую являются топливные элементы.
В топливном элементе химическая энергия «горящего» топлива сразу конвертируется в электрическую. Необходимо пояснить, почему слово «горящий» поставлено в кавычки. Топливный элемент, или электрохимический генератор, – это устройство, в котором протекает реакция окисления топлива, в результате которой вырабатывается электроэнергия. Топливом могут служить водород, аммиак и различные углеводороды (спирты, природный газ, нефть и т. д.), а окислителем (горение есть процесс окисления) – кислород, азотная кислота и др. Чаще всего применяют водородно-кислородные топливные элементы.
Конструктивно топливный элемент не очень сложный, но для полного понимании природы его работы вам могут понадобится некоторые основы знаний по химии и физике. Итак, топливный элемент, или их еще называют топливными ячейками, – это емкость с электролитом (водным раствором кислоты или щелочи), двумя пористыми электродами (анодом и катодом, как в аккумуляторной батарее) и трубками для подачи топлива на анод и окислителя на катод. На аноде молекулы водорода распадаются на атомы, которые теряют свои электроны, становятся положительными ионами и переходят в электролит. Потерявший ионы анод приобретает отрицательный заряд по отношению к другому электроду, и свободные электроны движутся к последнему по внешней цепи. Там они соединяются с атомами кислорода, образуя отрицательные ионы. Эти ионы, проходя через электролит, соединяются с положительными ионами водорода. В результате возникает замкнутая цепь, по которой идет электрический ток, и топливный элемент становится электрогенератором. Побочным продуктом работы такого устройства является дистиллированная вода.
Одиночный топливный элемент создает напряжение около 1,5 В. Для получения более высокого напряжения необходимо последовательно соединять друг с другом несколько таких элементов в батареи.
В виду невысокой мощности и достаточной дороговизны в настоящее время ведутся активные работы по совершенствованию батарей из топливных элементов. Сейчас такие источники энергии используют для обеспечения электричеством глубоководных аппаратов, околоземных космических станций и на некоторых экспериментальных электромобилях.