СТАНЕТ ЛИ НОВЫМ ХОРОШО ЗАБЫТОЕ СТАРОЕ?

В предыдущем номере была опубликована статья об использовании энергии сжатого воздуха в пневматических двигателях современных автомобилей. Несомненно, что у этих машин будет прекрасное будущее, но предстоит решить еще очень много инженерных задач. Причем некоторым из них почти 200 лет. Да, уже в начале XIX века существовали не только проекты пневматических систем, но и конкретные устройства (использующие как сжатый воздух, так и разряженный), и, кстати, достаточно широко. Даже дверные звонки работали на воздухе. И только тогда, когда получение электроэнергии стало простым, а его распространение широким, произошло постепенное вытеснение пневмосистем. Сегодня, когда инженерная мысль вновь обратилась к идее использования энергии сжатого воздуха, интересно вспомнить, как в позапрошлом веке энергию сжатого воздуха пытались использовать на транспорте.

В начале XIX века идей, связанных с использованием энергии сжатого воздуха, было предостаточно. Но пионером в этом деле считается англичанин Мэдхерст.

Во всех учебниках и энциклопедиях указано, что первая в мире железная дорога была построена в Англии в 1825 г. Ее длина составляла всего 21 км (кстати, если верить книге "Локомотивы отечественных железных дорог (1845 - 1955 гг.)", протяженность этой дороги равнялась 40 км). Но уже в 1827 г. Мэдхерст решил существенно модернизировать железную дорогу. Причем в его проекте не было места для паровоза. Идея заключалась в следующем. Он предложил вкопать между рельсами трубу большого диаметра так, чтобы верхняя ее часть возвышалась над поверхностью. В этой части трубы делался продольный разрез по всей ее длине. Внутрь трубы вставлялся поршень, от которого через этот разрез на поверхность выводилась специальная тяга, которая присоединялась к тележке, стоящей на рельсах. К этой тележке цеплялись либо пассажирские, либо грузовые вагоны. Состав готов к движению. А двигаться он должен был только тогда, когда на поршень воздействовало достаточное давление воздуха, нагнетаемого в трубу со стороны станции отправления. Понятно, что наличие продольного разреза в трубе не давало бы возможности создать хоть малейшее давление воздуха. Поэтому для обеспечения герметичности Мэдхерст предусмотрел установку специального клапана-затвора вдоль всей трубы.

Идея Медхэрста была проста и привлекательна, многие инженеры взялись за ее реализацию. С компонентами собственно железной дороги проблем не было: уже существовали вагоны различной конструкции. Трубы большого диаметра (0,5…1,5 м) также имелись. Изготовление поршня не составляло проблемы. Наибольшие трудности возникли при создании устройства для уплотнения щели. Надо было сделать так, чтобы продольная прорезь в трубе герметично закрывалась каким-то клапаном, который легко открывался бы при проходе тяги, а затем вновь закрывался. Перечислять все патенты на конструкцию клапана нет возможности, их великое множество, интереснее практическая реализация идеи. Первым в 1834 г. англичанин Пинкас запатентовал, а затем построил модель дороги, в которой движение поршня обеспечивалось не повышением давления в трубе за поршнем, а созданием разрежения впереди него. И хотя испытание действующей модели прошло успешно, Пинкасу так и не удалось построить настоящую дорогу.

В 1840 г. два изобретателя - Клегг и Сэмюд построили двухкилометровую дорогу, на которой пятитонная тележка разгонялась до 72 км/ч. Для того времени это была громадная скорость, недостижимая для локомотивов того времени. Кроме того, внешне все выглядело очень изящно: отсутствовал паровоз с его дымом и копотью, "поезд" Клегга и Сэмюда начинал движение мягко и бесшумно, и уже одно это производило неизгладимое впечатление. Началась строительная лихорадка.

В 1843 г. в Ирландии было открыто регулярное движение по дороге длиной 2,8 км между Кингстоуном и Далки. За 5 мин до отправления поезда из Кингстоуна паровая машина мощностью 100 л.с., находившаяся в Далки, начинала откачивать воздух из трубы. Строго по расписанию машинист головного вагона снимал поезд с тормозов. Ровно через пять минут состав массой 60 тонн прибывал в пункт назначения. Его скорость достигала 32 км/ч. Составы вдвое меньшей массы разгонялись до 64 км/ч.
В 1845 г. открылась дорога Лондон - Кройдон длиной 16,8 км, а спустя год еще одна: Эксетер - Ньютон - Эббот длиной 33,6 км. Французы отставали: только в 1847 г. они построили дорогу Нантерр - Сен-Жермен длиной "всего" 11,5 км.

В России изучался вопрос о постройке аналогичных дорог, но русские специалисты указали на ряд проблем, которые так и не были решены на дорогах Англии и Франции. Одна из проблем была связана с тем, что в трубы проникала вода, в них также скапливался конденсат. В конечном счете это приводило к тому, что трубы ржавели. Ржавчина совместно с неровностями внутренней поверхности трубы приводила к быстрому износу уплотняющих манжет поршней. Но главная проблема, конечно, была связана с неудовлетворительной работой клапана, особенно при низких температурах. Несмотря на громадное число различных конструкций, ни одна из них так и не решала всех проблем. А для России, с ее сильными морозами, такая железная дорога не годилась вовсе.

Мэдхерст, видимо понимая, что клапан на трубе создаст кучу проблем конструкторам, почти одновременно с первой своей идеей предложил еще один вариант "трубопроводного" транспорта, в котором клапан отсутствовал. В его новом проекте пневматической дороги роль поршня выполняли сами вагоны цилиндрической формы. Внутренний диаметр трубы и диаметр вагонов был поистине циклопическим - 10 метров! Автор данной конструкции прекрасно понимал, что при движении придется преодолевать сопротивление воздуха, находящегося перед первым вагоном-поршнем. Поэтому он предложил не повышать давление за последним вагоном-поршнем, а снижать его спереди. Тогда атмосферному воздуху, давившему на последний вагон-поршень, легче обеспечить движение состава в разреженной среде.

Конечно, эту идею в то время было трудно реализовать на практике из-за огромных размеров, но инженеры с жаром взялись за решение конструкторских проблем. Как всегда, начали со строительства разнообразных моделей. Уже в 1826 г. англичанин Валланс построил в Брайтоне действующую модель дороги длиной 46 м. Но только через 30 лет, в связи с прокладкой тоннелей в Альпах и начавшимся строительством подземных городских дорог, вновь появился интерес к идее Медхэрста. Осенью 1864 г. англичанин Рэммэл построил большую модель пневматической дороги - тоннель длиной 550 м и диаметром около 3 м. В этом тоннеле насос мощностью 60 л.с. одновременно создавал давление и разрежение, достаточные для того чтобы разогнать вагон до 40 км/ч. В 1867 г. похожую модель построил в Нью-Йорке американец Бич.

Как первая, так и вторая идеи Медхэрста так и не нашли применения на транспорте. Хотя и сегодня существуют проекты создания поездов, которые будут с громадной скоростью "летать" по трубам. Они не должны касаться стенок трубы благодаря подвеске в магнитном поле. Приводить поезд в движение станет не перепад давления воздуха позади и впереди состава, а специальное электромагнитное поле, создаваемое так называемым линейным двигателем. Воздух из трубы планируют откачивать совсем, чтобы не создавать сопротивления движению.

Наконец, именно Медхэрсту принадлежит еще одна идея - установить на локомотивы специальные баллоны со сжатым воздухом, приводящим в действие пневмомотор. И эта идея Медхэрста была принята на "ура". В середине XIX века эксперименты проводились в Англии, Франции и России.

В 1861 г. на Александровском заводе Петербурга был построен локомотив, который должен был заменить паровоз и приводиться в движение не паром, а сжатым воздухом. Строительством необычного для того времени локомотива руководил его изобретатель - С.И. Барановский. Он же дал своему детищу название "духоход". Двигатели были двухцилиндровыми, по одному на каждую сторону локомотива, привод от двигателя на колеса был таким же, как и у паровоза. Поршни каждого цилиндра диаметром 150 мм имели ход 300 мм. Судя по рисунку, который был сделан в 1862 г., на одной платформе находились как двигатель, так и баллоны со сжатым воздухом. Видимо, это был экспериментальный локомотив для проверки идеи на практике. Для "духохода", который должен был появиться на железных дорогах, Барановский предусматривал специальный прицепной вагон. Именно на нем устанавливались бы 34 баллона диаметром 150 мм и длиной 2,1 м, в которых находился необходимый для работы двигателя сжатый воздух. Такого количества воздуха должно было хватить на 2…3 часа движения. На всех или некоторых станциях вагон с опустевшими баллонами отцеплялся, и вместо него прицеплялся вагон с заправленными емкостями. Поезд, практически не задерживаясь, двигался дальше, а вагон с баллонами подавался на зарядку. В 1860 г. Барановский специально для этого сконструировал компрессор.

После проведенных испытаний поезда с локомотивом, работающим на сжатом воздухе, ходили между Петербургом и Царским Селом до лета 1862 г. На том его эксплуатация и закончилась.

Пневматический транспорт, появившийся практически одновременно с первым паровозом, не смог выдержать конкуренцию. Причинами тому было не только несовершенство клапана, но и очень низкий к.п.д. всей системы. Одна из причин была заложена в самом принципе работы пневмодороги: постоянная работа насоса для откачивания воздуха из трубы независимо от того, движется состав или стоит на месте. Тем не менее, пневматические железные дороги просуществовали четверть века. И до сих пор не иссякло желание использовать энергию воздуха, но только используя современные технологии, материалы, конструктивные решения. Вполне возможно, что новые попытки позволят создать экологически чистый вид транспорта. Ведь сжатый воздух можно получать не путем сжигания углеводородного топлива, а благодаря использованию солнечной энергии, энергии рек или ветра.