Каков он — ленточный супермаховик?

Впервые ленточные супермаховики были изготовлены и испытаны Н. В. Гулиа в 1966 г. Изготовлены они были из стальной холоднокатаной ленты толщиной 0,1 мм и шириной 40 мм (рис. 6.3) со склейкой ленты клеем БФ-2. Навивалась лента на фанерный центр, в котором был закреплен гибкий валик для подсоединения к разгонному стенду ВРД-300 в ЦНИИТМАШ. Все работы производились, конечно же, вручную, как говорят, на «коленке». Стенд ВРД- 300 позволял испытывать маховики только до 300 мм диаметром, поэтому диаметр супермаховиков был всего 280 мм.

Ленту удалось найти только 2-й группы прочности, она менее прочна, чем 3-й группы прочности. Предел прочности, соответственно, 1600 МПа, вместо около 2000 МПа у 3-й прочности. Но несмотря на «ручное» изготовление и не самую лучшую ленту, результаты испытаний были очень неплохие. Супермаховик разогнался более чем до 28 000 оборотов в минуту, окружная скорость его достигла 400 м/с, а напряжения в ленте — 1300 МПа. Удельная энергоемкость супермаховика достигла 80 кДж/кг, что существенно больше, чем у любых стальных маховиков того времени.

Но главное — разрыв ленточных супермаховиков был совершенно безопасен! Разрывался лишь внешний виток ленты, он отходил от навивки и прижимался к внутренней поверхности корпуса супермаховика, иначе говоря, корпуса испытательного стенда. Тоненькая (1 мм) стенка этого корпуса даже не выпучилась от этого прижима, только отшлифовалась изнутри от трения ленты. После этого обрезался изношенный конец ленты, приклеивался снова и испытывался супермаховик. Результаты были те же (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Супермаховик Н. В. Гулиа после испытаний (1966 г.)

Пару слов о том, как приклеивался последний виток ленты. Если просто приклеивать его «внахлест», то он отрывался даже при небольшой частоте вращения супермаховика. Но мы приклеивали его «по-хитрому» (на способы такой склейки потом были получены патенты!). Мы плавно сужали ширину ленты, делали несколько витков этой узкой лентой, а затем конец подсовывали под эти витки. Конец ленты обрывался, а не «выдирался» из-под навивки. Это-то и требовалось для ленточного супермаховика!

Надо сказать, что ленточные супермаховики изготавливались и испытывались (уже позже) известным специалистом по супермаховикам, изобретателем Дэвидом Рабенхорстом в университете Д. Хопкинса (США). Но его ленточные супермаховики, изготовленные, кстати, из очень прочной ленты, из стали аморфной структуры (метгласса), разрывались не так безопасно, как вышеописанные супермаховики Н. В. Гулиа. Супермаховики Д. Рабенхорста разрывались целиком, распадаясь на мелкие обломки (рис. 6.5), совсем как углепластиковые маховики, что небезопасно и о чем уже говорилось ранее. В чем же дело?

Рис. 6.5. Разорванный ленточный супермаховик Д. Рабенхорста

(1977 г.)

Вот тут-то пора вспомнить о том, в каких «антисанитарных» условиях готовились первые ленточные супермаховики Н. В. Гулиа.

Весь супермаховик мотался из ленты со склейкой старинным клеем БФ-2, но с соблюдением хоть какой-то технологии. Но последние витки (когда надо было навивать узкую ленту, под конец «просовывая» конец ленты под эти уже смазанные жидким клеем витки) оказывались склеенными со всей остальной навивкой не по технологии, иначе говоря, «халтурно». Они хоть и удерживали узкий конец ленты от самопроизвольной размотки, но к остальным, предыдущим виткам, были приклеены слабо. Вот из-за этой-то «халтуры» в склейке последних двух-трех витков наш ленточный супермаховик и разрывался безопасно — рвался только последний виток, немного разматывался, прижимался к корпусу и трением об него тормозил супермаховик. Когда же витки приклеивались должным образом — супермаховик разрушался целиком, то есть опасно, как у Д. Рабенхорста. В чем же здесь дело?

Тут необходимо небольшое отступление в теорию упругости, но в чрезвычайно упрощенном виде. При вращении тонкого кольца в нем возникают механические напряжения в паскалях:

где р — плотность материала кольца, кг/м³; е — угловая скорость вращения кольца, радиан в секунду; г — радиус кольца, м.

Стало быть, если витки ленты не связаны друг с другом, то внешний виток, где радиус г максимален, напряжен больше других. Но если витки не склеивать, они отойдут друг от друга, собьются на сторону и нарушат балансировку. Такой супермаховик и раскрутить будет невозможно!

Теперь посмотрим, какие же напряжения возникают в ленточном супермаховике, если все витки ленты жестко соединены друг с другом, как бы сварены. Здесь максимальные напряжения уже не во внешнем витке, а во внутреннем, причем максимума они достигают, когда диаметр этого внутреннего витка бесконечно мал, практически равен нулю.

То есть эти напряжения приближаются к значению для тонкого кольца. А внешний виток («приваренный» к остальным) напряжен совсем незначительно, примерно в 5 раз меньше. Таким образом, разорваться уже должен не внешний, а внутренний виток, а за ним, как по цепной реакции, и все остальные! Разрыв станет опасным, так как разорвется весь супермаховик!

Примерно так поведет себя и ленточный супермаховик с отверстием любого диаметра.

А если витки супермаховика не сварены, а склеены друг с другом клеем, который поэластичнее сварки? Где будут тогда максимальные напряжения, и какой виток разорвется первым?

Тут уже задача посложнее предыдущих, но кратко можно ответить так.

• • Жесткие клеи, наподобие эпоксидных без пластификатора, дают картину, очень близкую к сварной модели — внутренние витки будут напряжены больше наружных и разрыв такого супермаховика будет полным и опасным.
• • Очень эластичные клеи, которые по эластичности ближе к каучуковым клеям, «выравнивают» напряжения во внешнем и внутренних витках, и в зависимости от эластичности и толщины слоя клея максимальные напряжения могут быть как во внешнем витке (разрыв безопасен), так и во внутреннем витке (разрыв опасен). Но эти напряжения меньше, чем максимальные напряжения в «жестком» (сварном) супермаховике и в тонком кольце. Полагаться при этом на точность значений этих напряжений, зависящих от слоя клея, опасно — гарантировать, что первым разорвется внешний, а не внутренний виток, нельзя.
• • Случай, когда один или малое число витков (один-три) внешних витка практически отсоединены от остальных (внутренних) витков, склеенных эластичным клеем, наиболее желателен. Тогда в любом случае внешние витки будут напряжены больше внутренних, особенно если они еще ослаблены закреплением конца навивки, и разорвутся именно эти внешние витки. Разрыв супермаховика будет безопасным. Клеить эти витки можно сверхэластичными клеями (таких существует много!), да еще достаточно толстым слоем (0,3—0,5 мм) при толщине ленты 0,1 и более миллиметров.

Итак, сделаем основные выводы по ленточным супермаховикам.

• 1. Ленточный супермаховик изготовляется из материала с детерминированными свойствами — металла, и поэтому вероятность случайного разрушения ленты где-то внутри навивки исключительно мала.
• 2. Даже в случае состыковки между собой концов двух разных кусков ленты (случай, обязательно встречающийся при навивке крупных супермаховиков), месторасположение максимальных напряжений почти не изменится. Это обусловлено тем, что даже небольшая длина склейки выдерживает на сдвиг силу, превышающую разрывную для ленты. Поэтому в зоне нарушения целостности ленты возникнет ничтожное по величине повышение напряжений в близлежащих внешних и внутренних витках, не влияющее на безопасность разрыва.
• 3. Для обеспечения при превышении супермаховиком «дозволенной» частоты вращения разрыва именно внешних (1—3) витков, что гарантирует безопасность выхода из строя супермаховика, эти витки должны быть максимально изолированы по силовому воздействию от остальных витков ленты, что достигается различными способами.