Бабат Георгий Высокочастотный автомобиль
Г. И. Бабат,
доктор технических наук,
лауреат Сталинской премии
Высокочастотный автомобиль
ЗАМАНЧИВАЯ МЕЧТА
Еще на заре радиотехники, в те годы, когда Александр Степанович Попов передал без проводов первые телеграфные сигналы, возникла мысль о беспроволочном способе питания энергией электрического транспорта. Электрики мечтали о том, чтобы насытить пространство под землей электромагнитной энергией, создать мощный луч, из которого специальными антеннами можно было бы черпать электрическую энергию, находясь далеко от ее источника. Однако мечта инженеров долгое время не находила практического осуществления.
Летом 1943 года мне впервые удалось привести в движение электрический автомобиль, передав ему энергию без проводов (бесконтактным способом). Это было сделано с помощью высокочастотного тока, то есть электрического тока, меняющего свое направление много раз в секунду. На автомобиле был установлен приемник - виток провода, в котором индуцировался (возникал) электрический ток, питавший автомобильный электромотор. Явление электромагнитной индукции известно уже давно, но для питания энергией транспорта без проводов это явление было использовано впeрвыe. Новый вид транспорта мы так и назвали высокочастотным транспортом или сокращенно ВЧТ.
В конце того же 1943 года на Московском станкостроительном заводе имени Серго Орджоникидзе началась постройка опытного участка ВЧТ с подземной бесконтактной сетью, а весной 1944 года многочисленные посетители уже катались на двухтонной грузовой тележке ВЧТ. Тележка ездила по асфальтированной дорожке, под которой были заложены тонкие медные трубки, проводившие высокочастотный ток. Частота составляла 50 тысяч герц, то есть ток менял свое направление 50 тысяч раз в секунду.
Дорога на заводе имени Орджоникидзе позволяла передавать энергию на расстояние всего 2-3 метров в стороны от линии залегания проводника высокочастотного тока, но было ясно, что ширина энергетической зоны может быть доведена до ширины городской улицы, если число проводников увеличить.
Мы уже рисовали себе грандиозные картины применения ВЧТ в городах.
Автотранспорт, задымляющий улицы, будет изгнан из городов - мечтали мы.
Сжигание ценного топлива в моторах и выбрасывание вредных газов в воздух будут считаться такой же дикостью, как освещение жилья лучиной. По городам пройдут высокочастотные магистрали, по которым помчатся вечемобили. На магистралях машины будут двигаться высокочастотной энергией и одновременно заряжать свои аккумуляторы, а затем, пользуясь энергией, накопленной в аккумуляторах, машины будут переезжать с одной магистрали на другую.
Мы были убеждены в правоте своих взглядов. Ведь схема и конструкция ВЧТ настолько просты, что даже ученик 8-го класса Игорь Кулаков сумел построить маленький вечемобиль, который резво бегал по высокочастотной дороге, проложенной на столах центральной детской технической станции.
ВОДА В РЕШЕТЕ
Однако было обстоятельство, весьма омрачившее наше торжество. На первой высокочастотной дороге потери мощности были очень велики. На каждом квадратном метре ее поверхности терялось более киловатта. Это означало, что если бы, например, такую дорогу проложить в Москве по Садовому кольцу, то на потери ушел бы чуть не миллион киловатт - большая часть мощности московских электростанций. Правда, на дороге никогда бы не было снега. Он таял бы даже в самые лютые морозы, так как величина потерь - один киловатт на квадратный метр - примерно равна тому количеству энергии, которое в ясные дни квадратный метр Земли получает от Солнца. Но разве об отоплении дороги мы мечтали?
Мощность мотора тележки на первой дороге ВЧТ была менее 2 киловатт; а для того, чтобы питать дорогу длиною в 50 метров и шириной в 1 метр, требовалась мощность в 50 киловатт. Ужасные цифры! Меньше 4 процентов энергии расходовалось с пользой, а 96 процентов составляли потери. Подавляющая часть энергии расходовалась безвозвратно. Это было равносильно отоплению печи сторублевыми бумажками. Такой транспорт не мог иметь практического применения.
Неужели нужно было сдаваться? Многие авторитетные специалисты утверждали, что надо поступить именно так. "Попробуйте, - говорили они, носить воду в решете. Таким же дырявым сосудом для электромагнитной энергии является и ваш высокочастотный транспорт".
ЦЕПОЧКА ПОТЕРЬ
Но мы решили не сдаваться и вместо капитуляции объявили решительную борьбу потерям. Мы завели специальную папку с надписью "потери" и занялись изысканием всех возможных мест "утечки" электроэнергии. Процесс образования и передачи высокочастотной энергии был взят на самый строгий учет.
Много превращений испытывает электроэнергия, прежде чем попадает к мотору тележки ВЧТ.
Переменный ток из силовой сети подается через трансформатор к выпрямителю, который превращает его в ток постоянный. Затем генераторные лампы рубят этот ток на отдельные порции - импульсы, раздробляя его на несколько десятков тысяч импульсов в секунду. Эти импульсы в специальном устройстве, состоящем из катушек и конденсаторов, превращаются в плавные высокочастотные колебания. Высокочастотный ток поступает в бесконтактную тяговую сеть, провода которой насыщают окружающее пространство высокочастотной энергией.
Часть этой энергии воспринимается приемным витком тележки и передается на выпрямитель. От выпрямителя постоянный ток или пульсирующий ток одного направления поступает в тяговый мотор.
Все участки пути, проходимого током, представляют собой как бы звенья одной энергетической цепи. В каждом звене этой длинной цепи неизбежны потери. И от звена к звену потери наращиваются. Для каждого звена можно подсчитать коэффициент полезного действия (КПД), а если перемножить все эти коэффициенты, то получится общий коэффициент полезного действия цепи, величина которого в первой установке была микроскопически мала... 4 процента. Плачевный результат!
От чего же зависит величина КПД энергетической цепи? От чего же зависит мощность, которую может получить приемное устройство тележки? Электротехника говорит, что величина мощности, воспринимаемой тележкой, равна произведению числа перемен тока в одну секунду на величину отдельной порции энергии, отдаваемой проводниками бесконтактной сети.
Частота тока в обычной осветительной сети составляет всего лишь 50 герц, и количество энергии, получаемой тележкой, было бы очень мало; поэтому, чтобы установка могла работать, пришлось повысить частоту в тысячу раз. Однако и при такой высокой частоте КПД был очень низок.
Итак, была объявлена решительная борьба потерям. Мы выяснили, что большая часть потерь происходит в нашей подземной высокочастотной сети. Когда по подземным проводам течет быстропеременный ток, то в земле, вблизи провода, приходят в вихреобразное движение электроны веществ, из которых состоит земля. Вихрь электронов напоминает вихрь пыли, поднятой ветром. Но чтобы привести электроны в движение, затрачивается энергия - та самая энергия, которая могла бы пойти на полезную работу двигателя. Чем больше частота тока, тем больше вихревые потери. Вихревые потери пропорциональны квадрату частоты, то-есть если частоту увеличить в два раза, то вихревые потери возрастут в четыре раза, а если частота возрастет в три раза, то они увеличатся в девять раз.
Но вихревые потери - не единственный вид потерь. Сеть излучает энергию, как антенна радиопередатчика. Потери на излучение пропорциональны четвертой степени частоты тока. Увеличить частоту в два раза - значит повысить эти потери в 16 раз.
Тщательное изучение потерь привело нас к выводу, что и очень низкая и очень высокая частоты в равной степени, неудобны для работы бесконтактного транспорта.
При очень низких частотах полезная мощность катастрофически мала. Мала она и при очень больших чaстoтах, где большую часть мощности съедают потери.
ВОЙНА ПОТЕРЯМ
Громоздкие формулы математических расчетов не умещались в одну строчку. К страницам отчета приходилось подклеивать специальные бумажки; когда отчет листали, эти наклейки развевались, как флажки.
Теоретические подсчеты показывали возможность значительного уменьшения потерь. Надо было подтвердить это на практике. Мы перестроили подземную бесконтактную сеть, и потери в ней действительно упали в несколько раз. На это ушло полгода работы.
В сети возникли пробои, короткие замыкания. Еще несколько месяцев было потрачено, чтобы их устранить. С новой схемой сети начались неполадки в генераторе: срывались колебания основной частоты и возникали колебания иной частоты - паразитные, которые лишь мешали нашей работе. Еще месяцы ушли на укрощение генератора. В конце концов удалось довести полезную отдачу до 15 процентов. Два года ушло на то, чтобы выжать эту цифру, но для промышленной установки и она все еще не годилась.
Папки со все той же краткой надписью "Потери" уже заполняли длинную полку.
Здесь были папки 1943, 1944, 1945 годов.
Что же, неужели не удастся никогда донести энергию в этом, как говорили скептики, решете?
Как-то в музее мне довелось видеть драгоценную игрушку - вырезанный из слоновой кости шар. Он был размером с кулак. В ажурной оболочке один внутри другого находились еще десять резных шаров, и в самом последнем из них помещался кораблик с распущенными парусами, такими тонкими, что они, казалось, трепетали. Три поколения мастеров трудились в Древнем Китае над этой драгоценной игрушкой.
Это был великолепный образец бесполезного труда. И невольно, когда я вновь и вновь обдумывал схемы конструкции ВЧТ и листал страницы папок "Потери", возникала мысль: не являются ли все наши вычисления китайской резьбой по кости?
Может быть, ВЧТ такая же бесполезная для транспорта игрушка, как кораблик с костяными парусами?
На Станкозаводе в конце 1944 года работы по ВЧТ были прекращены. Пришлось заняться другими вопросами.
НОВОЕ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ
Но на каждую новую работу я невольно смотрел с точки зрения возможности ее использования для ВЧТ.
По-иному я взглянул на генератор высокочастотного тока. При постройке радиопередатчиков в лампах, которые "рубят" постоянный ток, превращая его в высокочастотные импульсы, допускают до 30 процентов потерь энергии. С такой плохой отдачей работал и генератор для ВЧТ на станкозаводе.
Теперь было решено включить генераторные лампы иначе, чем это делали на протяжении тридцати лет радисты.
Этот и еще несколько подобных простых приемов позволили уменьшить потери обычных генераторных ламп. Полезная мощность возросла примерно на 10 процентов, но это далеко не предел. В дальнейшем, когда будут построены специальные лампы, эти потери, вероятно, будут снижаться и дальше. Полезная отдача высокочастотных генераторов дойдет до 95 процентов, а быть может, даже и еще выше.
Хотя и говорится, что воду в решете носить невозможно, но это тоже не всегда верно. Смажьте решето жиром и налейте воду не слишком высоким слоем, и тогда над жирными краями каждого отверстия вода образует сводики и проливаться не будет. Никакого тут фокуса нет. Это физическая закономерность. А ведь многие закономерности, с которыми сталкиваются впервые, кажутся странными и необычными. Когда-то считалось, что из железа нельзя строить корабли, так как оно слишком тяжело. Довольно долго господствовало убеждение, что летать можно только на аппаратах легче воздуха. Быть может, и мнение, что электрическую энергию целесообразно передавать лишь по проводам, также предрассудок?
ШАГ ВПЕРЕДИ
В конце 1947 года работы по ВЧТ начались снова. Оборудование для новых исследований монтировалось под Москвой, в Научно-исследовательском автомобильно-моторном институте (НАМИ). Испытания были очень своеобразны.
Если самолетостроители свою продукцию, продувают в аэродинамических трубах, чтобы узнать подъемную силу и вредное сопротивление самолета, то мы различными способами пронизывали проезжие дороги, электромагнитными потоками, мерили потери и количество мощности, полученной приемником экипажа.
Результаты каждого опыта давали нам возможность построить на графике тoчкy.
Условия опыта менялись, и, точка за точкой появлялись на бумаге, образуя кривую. Мы меняли конструкцию сети, и на бумаге появлялась новая кривая.
Надо было обследовать множество кривых, на каждой найти вершину максимум - и из всех вершин отыскать наивысшую, найти максимум из максимумов, как говорят математики - "максимум максиморум".
Измерения показывали нам, какая часть электромагнитной энергии поглощается в сети, а какая колеблется над дорогой, пока ее не воспримет приемный виток вечебуса или вечемобиля.
Сравнивая запас электромагнитной энергии над дорогой с потерей энергии, мы определяли электрическое качество дороги. Сначала качество нашей дороги не превышало нескольких десятков, но скоро оно достигло ста, а потом увеличилось до нескольких сотен.
На каждый квадратный метр опытной дороги НАМИ потери энергии не превышали 10 ватт. Энергии терялось в сто раз меньше, чем на первой дороге Станкозавода.
Это было большим шагом вперед и означало, что можно построить дорогу с eщe меньшими потерями.
Однако в каждом деле есть разумный предел. Нельзя жечь сотенную бумажку, чтобы при свете ее пламени отыскивать затерявшийся гривенник. Для уменьшения потерь в бесконтактной сети приходится усложнять конструкцию, увеличивать расход проводниковых материалов в сети. Но больше чем 1/2 килограмма металла на каждый квадратный метр поверхности дороги затрачивать уже невыгодно.
Дальше игра уже не стоит свеч. Хотя высокочастотная энергия и ценна. Но нельзя затрачивать на ее передачу больше металла, чем на постройку обычных линий постоянного тока или тока низкой частоты: иначе контактный транспорт с точки зрения экономики будет выгоднее бесконтактного.
В конце концов мы разработали несколько вариантов конструкций сетей ВЧТ, пригодных для самых разнообразных условий и требований.
Нам было известно, что быстропеременный ток имеет свойство проходить только по тонкому поверхностному слою проводника. Например, в меди при частоте тока 25 тысяч герц ток течет лишь в слое толщиной 0,4 миллиметра, поэтому можно строить сеть из тонкостенных алюминиевых или медных трубок, размещенных в асбоцементных трубах или в изоляционных каналах. Но можно также прокладывать высокочастотные сети из гибких кабелей. Иногда выгодно проложить только два относительно толстых проводника, а иногда несколько десятков тонких проводников. И для каждого варианта есть свои кривые, свои наилучшие точки на кривых.
ФРОНТ НАСТУПЛЕНИЯ ШИРИТСЯ
Но ведь потери в бесконтактной сети - это лишь одно из отверстий в "решете", которым приходится носить энергию для ВЧТ.
Много внимания потребовал и сам вечемобиль. Если его выполнить как автомобиль обычный, то железная рама и железные части кузова будут активно поглощать энергию. Колеса машины, ее подвеска, механизм рулевого управления - все это при неудачной конструкции может стать источником потерь. Надо было оценить величину, каждой из возможных потерь энергии и свести общие потери в машине к минимуму.
Разнообразные остовы автомобилей появились на высокочастотной дороге. Вокруг них мы прилаживали приемные витки самой различной конструкции, настраивали их и определяли потери. Затем мы снимали приемный виток с машины и подвешивали его высоко над дорогой, определяя потери в том же приемном витке, но удаленном от всего токопроводящего. Разность между этими двумя измерениями показывала потери, приносимые машиной.
Трудно перечислить все отдельные изыскания, которые пришлось провести при совершенствовании ВЧТ.
ВЧТ, можно было создать, лишь oпирaясь на всю технику, всю науку Советского Союза. Постепенно следом за нами исследованиями по ВЧТ занялись не только в Москве, но и в других местах - в Киeвe, в Днепропетровске.
В лабораториях электропромышленности создается специальный кабель для сетей ВЧТ и специальные керамические конденсаторы. В исследовательском институте промышленности средств связи для вечемобилей разработан совершенно новый тип высокочастотного выпрямителя.
Все эти улучшения и усовершенствования позволяют снизить стоимость расходуемой ВЧТ электроэнергии до величины того же порядка, что и у "привязанного" к проводам контактного электротранспорта. А полные эксплоатационные расходы при ВЧТ во многих случаях могут быть меньше, нежели у автомобильного транспорта или у электрического контактного и аккумуляторного.
ПОБЕДА СОВЕТСКОЙ ТЕХНИКИ
В старые времена одиночка-изобретатель мог создать нечто новое. Паровую машину изобрел и построил Ползунов. На далеком руднике Черепанов изобрел и построил паровоз. Изобретатель капитан Можайский создал аэроплан.
И Можайский, и Ползунов, и Черепанов опирались на достижения своих предшественников, использовали все передовое, что было в современной им науке и технике. Но в прошлые времена изобретатели трудились как одиночки, как кустари.
Прошли времена робинзонов. В советской технике и науке нет необитаемых островов. Любое изобретение или усовершенствование - продукт коллективного, согласованного труда.
Высокочастотный транспорт - это техника новой высокой культуры, и она важна для многих отраслей социалистического хозяйства.
В угольных шахтах ВЧТ позволит дешевле, совершеннее, чем это делается в настоящее время, механизировать откатку угля. Бесконтактная сеть может надежно работать во взрывоопасных шахтах, где пока неприменимо централизованное энергопитание и приходится пользоваться тяжелыми и громоздкими аккумуляторными электровозами.
На фабриках и заводах ВЧТ во многих случаях заменит жесткие конвейеры.