Перспективы воздухоплавания: дирижабли будущего - часть 2

Интересно проанализировать характер изменения величины коэффициента полезного действия перевозки грузов различных видов транспорта по проф. Нессену. На первом месте стоит товарный железнодорожный состав, за ним – автомобили: грузовой и легковой. При возрастании скоростей движения КПД систем привода транспортных машин, как правило, снижается.

Габриэлли и Карман провели тщательный и подробный анализ большого количества самых различных транспортных средств и пришли к чрезвычайно интересным выводам. На построенных ими диаграммах приводится зависимость удельной потребляемой мощности в кВт/т (л.с./т) от скорости транспортного средства. С целью упрощения анализа для каждого вида транспорта принимали режим максимальной скорости, а для расчетов брали величину максимальной мощности двигателя и полный вес транспортного средства. При этом расход мощности двигателя на преодоление сопротивления в трансмиссии при максимальной скорости движения машины не учитывали. Это позволило им рассчитать среднюю мощность, потребляемую для ускорения транспортного средства.

Каждый вид транспорта предназначен для определенного диапазона скоростей. Удалось установить некоторую общую для всех видов транспорта закономерность; она отмечена на графике штрихпунктирной линией. Согласно этому графику расход мощности возрастает пропорционально квадрату скорости.

Водный транспорт при скоростях движения ниже 60 км/ч находится, как уже было сказано, вне всякой конкуренции. Удельная мощность, расходуемая при перевозке одной тонны груза со скоростью 25 км/ч, составляет всего лишь 0,22 кВт/т (0,3 л.с./т). Резкий рост сопротивления движению начинается при скорости, превышающей 60 км/ч. Нечто подобное происходит в авиации при достижении скорости звука. Удельная мощность торпедного катера, развивающего скорость 55-80 км/ч, в.15 раз превышает удельную мощность обычного торгового судна. Гоночный глиссер на подводных крыльях при скорости 250 км/ч имеет удельную мощность 735 кВт/т (1000 л.с./т), что существенно превышает аналогичный параметр гоночного автомобиля — 146 кВт/т (200 л.с./т) или самолета — 73,5 кВт/т (100 л.с./т) для тех же скоростей.

Дорожные транспортные средства при скоростях движения порядка 80 км/ч имеют удельную мощность в пределах 11 кВт/т (15 л.с./т) для легковых автомобилей, в, то время как при скорости, в 2 раза большей, она превышает 44 кВт/т (60 л.с./т). Гоночный автомобиль при скорости около 650 км/ч должен иметь удельную мощность до 588 кВт/т (800 л.с./т), что несколько ниже величины, отвечавшей бы квадратичной зависимости мощности от скорости. Это объясняется более совершенными с аэродинамической точки зрения формами кузова гоночных автомобилей, совершенством конструкции шин, а главное – тем, что их двигатели развивают максимальную мощность на режиме максимальной скорости движения машины.

Числа, приведенные на диаграмме, во всех случаях относятся к максимальным скоростям движения данного вида транспорта. Полное сопротивление движению автомобиля при высоких скоростях растет приблизительно пропорционально квадрату скорости, поскольку его величина зависит главным образом от сопротивления воздуха. При этом необходимая мощность двигателя увеличивается пропорционально кубу скорости.

Гоночный автомобиль, о котором упоминалось выше, при скорости 160 км/ч должен иметь удельную мощность лишь 8,83 кВт/т (12 л.с./т). Легковой автомобиль при той же скорости требует мощности 44 кВт/т (60 л.с./т); это связано с гораздо менее совершенной с аэродинамической точки зрения формой кузова и с большей площадью лобового сопротивления. Главная же причина, однако, состоит в том, что для расчетов принята максимальная мощность двигателя, которая не достигается при движении обычного легкового автомобиля на максимальной скорости.

Грузовые автомобили при скорости 80 км/ч должны иметь удельную мощность около 8 кВт/т (11 л.с./т). Критические режимы работы двигателей грузовых автомобилей возникают при подъеме в гору. Автопоезд массой 38 т с двигателем мощностью 235 кВт (320 л.с.) при движении на подъем крутизной 5% развивает скорость лишь 30 км/ч. Принятая по современным нормативам удельная мощность автопоездов, равная 5,88 кВт/т (8 л.с./т, ) в данном случае уже оказывается недостаточной для того, чтобы грузовые автомобили не задерживали транспортного потока на междугородных трассах. В настоящее время эта величина должна составлять по крайней мере 11 кВт/т (15 л.с./т). Однако такая мощность не будет использована при движении автомобиля на максимальной скорости.

Летательные аппараты имеют заметные преимущества при скоростях, превышающих 250 км/ч; в этом случае удельная мощность составляет около 73,5 кВт/т (100 л.с./т). Дирижабль, летящий со скоростью 100-150 км/ч, расходует мощность порядка 14,7 кВт/т (20 л.с./т), благодаря чему он более экономичен, чем вертолет, .который при той же скорости должен иметь удельную мощность 132 кВт/т (180 л.с./т), так как винт вертолета, кроме силы тяги, должен создавать подъемную силу, на что расходуется часть мощности двигателя. Величина удельной силы тяги дирижабля почти такая же, как и у автомобиля, у которого гравитация является причиной возникновения сил сопротивления качению колес, причем при высоких скоростях преобладает лобовое сопротивление воздуха.

Удельная мощность всех летательных аппаратов превышает 80,9 кВт/т (110 л.с./т), из которых на перемещение полезной нагрузки приходится лишь 29,4 кВт/т (40 л.с./т). В принципе можно построить летательный аппарат с меньшей удельной мощностью, но при этом возникнут затруднения с отрывом аппарата от земли; кроме того, его эксплуатация будет экономически невыгодной.

При скоростях движения летательного аппарата, приближающихся к скорости звука, т. е. при значениях числа Маха Ма-1 сопротивление воздуха резко возрастает. Полеты на больших высотах позволяют значительно увеличить скорость, но при этом ухудшается экономичность эксплуатации воздушного транспорта.

Железнодорожный транспорт характерен самыми малыми величинами сопротивления движению среди всех видов колесного транспорта. Для товарного железнодорожного состава из 50 вагонов при скорости 100 км/ч требуемая удельная мощность составляет около 1,47 кВт/т (2 л.с./т), а для поезда из 100 вагонов – уже только 0,735 кВт/т (1 л.с./т). При меньших количествах вагонов в составе удельные величины сопротивления приближаются к сопротивлению грузового автомобиля с прицепом.

Расходуемая мощность для различных видов транспортных средств зависит приблизительно от квадрата скорости движения, что на диаграмме отмечено граничной штрихпунктирной линией. Для экономической оценки эксплуатации транспорта более удобно пользоваться безразмерной величиной можно определить оптимальную с экономической точки зрения скорость для соответствующего вида транспорта.