Гиробус - автобус на маховике

Еще в 1940-х годах швейцарские инженеры разработали новый тип автобусов с нулевым уровнем выбросов, в котором для хранения энергии использовался большой вращающийся маховик, а не аккумуляторные батареи. Причина была проста — они хотели что-то более тихое и чистое, но самое главное, они хотели автомобиль, сфера применения которого не была бы ограничена воздушными линиями электропередач.

Вот что из этого получилось…

Во многих швейцарских городах в то время в качестве общественного транспорта использовались троллейбусы, которые ехали по заранее определенным маршрутам. Но провода ограничивали область применения городского транспорта, а прокладка новых маршрутов оказалась дорогим удовольствием. Развитие же аккумуляторных батарей было еще в начальной стадии.

Таким образом, Бьярне Сторсанд, главный инженер компании Maschinenfabrik Oerlikon, в 1946 году разработал концепцию гиробуса. Гиробус приводился в действие электродвигателем, который питался электричеством от генератора и использовал большой вращающийся маховик для накопления энергии.

Маховик раскручивался на зарядных станциях с помощью трех штанг, установленных на крыше гиробуса. Как только он достигал максимальных оборотов в 3000 об/мин, он считался полностью заряженным, после чего гиробус смог проезжать до 6 км со скоростью от 50 до 60 километров в час, в зависимости от нагрузки на автобус и уклона маршрут. Иногда гиробусы могли преодолеть до  10 км без подзарядки.

Используемый маховик был довольно большим (диаметром 160 см) и тяжелым (1,5 тонны) и был заключен в воздухонепроницаемую камеру, заполненную газообразным водородом при пониженном давлении для снижения сопротивления. Перезарядка маховика из состояния покоя занимала 40 минут, но раскрученному маховику требовалось всего от 2 до 5 минут, чтобы подзарядиться. Чем выше напряжение, тем меньше время зарядки.

Часто расположенные зарядные станции вдоль маршрута гарантировали, что маховик никогда не опускается ниже определенного числа оборотов, которые могут повлиять на производительность и скорость гиробуса. Например, маршрут длиной 4,5 км в Ивердон-ле-Бен имел четыре точки перезарядки.

Наличие большого вращающегося маховика внутри транспортного средства привело к нескольким последствиям. Гироскопический эффект маховика заставил автобус сопротивляться изменению направления движения,  что сильно затрудняло управление машиной. С другой стороны, это обеспечивало очень ровную и плавную езду.

Гиробусы использовались в ограниченных количествах в различных городах Швейцарии, Бельгии и в Бельгийском Конго — бельгийской колонии в Конго до обретения ими независимости в 1960 году — одна из них работала в Леопольдвиле и являлась самой крупной из 12 транспортных средств, включающая четыре маршрута длиной примерно по 20 км.

Эксплуатация в Швейцарии

Полноценная коммерческая эксплуатация гиробуса началась в октябре 1953 года. Этот маршрут соединял швейцарские коммуны Ивердон-ле-Бан и Грандсон. Однако он имел ограниченный пассажиропоток, и в 1960 году движение гиробусов там было закрыто по экономическим причинам (хотя с технической точки зрения опыт применения гиробусов на этом маршруте был успешным). Ни один из использовавшихся на швейцарском маршруте гиробусов не сохранился, как не сохранился и опытный, демонстрационный экземпляр.

Эксплуатация в Бельгийском Конго

Вторая гиробусная система была открыта в Леопольдвиле (ныне Киншаса, тогда столица колонии Бельгийское Конго, ныне — Демократическая Республика Конго). В Конго в 1955—1956 годах использовалось двенадцать гиробусов (хотя некоторые источники ошибочно сообщают, что гиробусов было семнадцать), которые обслуживали четыре маршрута. Заправочные станции располагались через каждые два километра. Использовавшиеся в Киншасе гиробусы были самыми большими гиробусами из когда-либо существовавших: они имели 10,4 метров в длину, весили 10,9 тонн и вмещали до 90 пассажиров. Их максимальная скорость составляла 90 километров в час.

Однако гиробусы в Конго быстро изнашивались. Вполне вероятно, что это было связано с привычкой водителей «сокращать» маршрут по дорогам без покрытия, которые превращались в настоящие болота после дождя.

Другими проблемами были поломки подшипников маховика и высокая влажность, которая приводила к перегрузке мотора. Однако закрытие системы было вызвано высоким потреблением энергии. Фирма-эксплуататор сочла, что расход энергии слишком высок (он составлял 3,4 кВт/ч на километр для одного гиробуса). Движение гиробусов в Конго прекратилось летом 1959 года. Ставшие ненужными гиробусы были брошены ржаветь рядом с гаражом.

Фото 3.

Эксплуатация в Бельгии

Третья и последняя гиробусная транспортная система имелась в Бельгии. Она состояла из одного маршрута (Gent Zuid-Merelbeke Molenhoek) и соединяла город Гент с его предместьем Мерелбеке. Эксплуатировало эту линию Национальное Общество Местных Железных Дорог (оно занималось эксплуатацией междугородных трамваев и автобусов). Подвижной состав состоял из трёх гиробусов, получивших обозначения G1, G2, G3. Для питания гиробусов использовалось напряжение в 380 вольт/50 герц. Гиробусное движение открылось 10 сентября 1956 года, однако просуществовало оно недолго, до 24 ноября 1959 года.

Имелось несколько причин прекращения использования гиробуса в Бельгии. Прежде всего он отличался высоким потреблением энергии — 2,9 кВт·ч/км, в то время как трамвай, перевозящий большее (в несколько раз) число пассажиров расходовал 2—2,4 кВт·ч энергии на километр пути. Кроме того, гиробусы были признаны ненадёжными, к тому же на «заправку» уходило непозволительно много времени. Ко всему прочему, из-за большого веса (из-за тяжёлого маховика) гиробус повреждал дороги. Один из гентских гиробусов, G3, был сохранён. Его иногда демонстрируют на различных выставках и других подобных мероприятиях. Сейчас этот гиробус хранится во Фламандском музее трамваев и автобусов в Антверпене.

Фото 4.

Почему этой темой решили заниматься в свое время? Все дело в существенных преимуществах такой конструкции. Во первых она практически бесшумна, во вторых намного экономичнее обычного двигателя внутреннего сгорания, в третьих этот вид транспорта экологически чистый, а в четвертых позволяет обойтись без контактной сети и рельсов как например на троллейбусах и трамваях.

Электромотор, разгонявший маховик, получал энергию через три короткие штанги (мотор был трёхфазным), установленные на крыше гиробуса. Электродвигатель включался только эпизодически. Для этого вдоль маршрута следования гиробуса оборудовались «заправочные пункты» (обычно на некоторых остановках). На этих пунктах штанги гиробуса поднимались и прикасались к установленным над остановкой контактам трёхфазной электрической сети. После разгона маховика до нужных оборотов штанги опускались, двигатель выключался, и гиробус следовал до следующей «заправки».

Фото 5.

Запас хода на одной заправке примерно 6 км, но для обеспечивания надежности системы гиробус заправлялся каждые 2км пути. С такой установкой гиробус разгонялся до 50-60км/час. Тормоза здесь тоже были электрические, энергия от торможения позволяла маховику покрутиться еще дольше т.е. имело место рекуперация. «Заправка» гиробуса занимала от 30 секунд до 3 минут. Для уменьшения времени заправки напряжение в сети было поднято с первоначальных 380 вольт до 500.

Самое удивительное  в том что в среднего размера гиробусе применяется трехтонный маховик линейная скорость обода которого достигает 900 км/час

Фото 6.

Преимущества:

Бесшумный ход

Экологически чистый

Не требует непрерывной контактной сети (в отличие от троллейбуса)

Возможность гибко изменять маршрутную сеть в случае необходимости.

Недостатки:

Большой вес — гиробус, предназначенный для перевозки 20 человек на 20 километров, должен иметь маховик массой в 3 тонны

Вращающийся со скоростью в 3000 оборотов в минуту маховик требует особых мер безопасности (линейная скорость обода маховика достигает 900 километров в час)

Управлять гиробусом сложно, так как его маховик обладает свойствами гироскопа (стремится сохранять неизменное положение в пространстве).

Фото 7.

Век гиробусов оказался недолгим — в 60-ых годах все системы гиробусного транспорта были закрыты из-за поломок и сложной экономической ситуации.

Кроме того, здравомыслящие умы напомнили инженерам об опасности, связанной с вращением невероятно тяжелого стального колеса на опасных скоростях в тесном пространстве, и эта идея была окончательно оставлена.

Фото 9.

Несмотря на неудачи, развитие гиробуса не прекратилось полностью.

В 1979 году компания «Дженерал Электрик» (США) заключила с департаментом энергии правительства США четырёхлетний контракт (стоимостью в пять миллионов долларов) на развитие прототипа автобуса с маховиком.

В 1980 году компания «Вольво» проводила эксперименты с маховиком, разгоняемым дизельным двигателем и используемым для рекуперации тормозной энергии. Впоследствии от этого проекта отказались в пользу гидравлических аккумуляторов.

В 2005 году Center for Transportation and the Environment (центр транспорта и окружающей среды), работая совместно с Университетом Техаса в Остине, Центром электромеханики (Center for Electromechanics), Test Devices, Inc., и DRS начал поиски спонсора для финансирования разработки прототипа нового гиробуса.

Фото 10.

Сейчас в гибридном общественно транспорте, да и не только в общественном а и в болидах формулы 1 для рекуперации энергии торможения используется супер маховики которые имеют относительно небольшой вес и разгоняются до очень больших скоростей.

Сам маховик как аккумулятор энергии имеет очень высокий КПД, вот если бы не трение воздуха и трение в подшипниках так вообще было бы кпд 99.99% так как известно из школьного курса физики ничего не может иметь КПД больше 100%. Кстати, по соотношению накопленных ватт легко переигрывает все типы существующие на сегодняшний день аккумуляторов.Интересный факт, энергия, запасаемая в его маховиках на единицу массы, превышает энергию тротила.

Фото 12.

В настоящее время существует только один гиробус, тщательно отреставрированный, сохраненный и выставленный во Фламандском музее трамваев и автобусов в Антверпене.

Источник