Текст книги "Юный техник, 2004 № 11"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 5 страниц)

ПАТЕНТНОЕ БЮРО

В этом выпуске Патентного бюро мы обсудим новую конструкцию подводной лодки, способы снижения износа колес самолетных шасси и проблему снижения посадочной скорости многоразовых космических кораблей. Экспертный совет ПБ отметил Почетным дипломом журнала «Юный техник» нашего читателя Максимоваиз города Камень-на-Оби Алтайского края за интересные предложения и комплексный подход к решению проблем.

НАШ ЧИТАТЕЛЬ ПРЕДЛАГАЕТ…

Наш читатель Максимов из города Камень-на-Оби Алтайского края не указал, к сожалению, своего имени. Досадно, но его предложения не стали от этого менее интересны. Часть из них мы сегодня рассмотрим.

«Для подводной лодки главное – безопасная глубина погружения и ее живучесть, – пишет юный изобретатель. – И для увеличения глубины погружения и повышения живучести подводных лодок предлагаю изготавливать прочный корпус подводных лодок не в виде цилиндра, разделенного на герметичные отсеки, а в виде сфер, соединенных люками-переходами…»

Такое разделение общего корпуса лодки на несколько самостоятельных автономных отсеков не только способствует повышению живучести, но и увеличивает допустимую глубину погружения – ведь сфера сопротивляется внешнему давлению успешнее, чем цилиндр.

Как считает автор, возникновение аварийной ситуации в одном из отсеков-сфер не будет опасно для обитателей остальных сфер, если они загерметизируют переходные люки. А еще для повышения безопасности и автономности предлагается общую винтомоторную установку разделить на несколько и разместить винты в выносных блоках по бокам корпуса.

Размещение нескольких винтомоторных групп по бокам лодки повышает ее живучесть. Даже при отказе одной или двух винтомоторных групп лодка сможет продолжать двигаться и маневрировать. А для более эффективного использования тяги винтов винтомоторные блоки могут поворачиваться, а тяга винтов может быть направлена в любое почти направление.

Чисто теоретически размещение нескольких винтомоторных групп таким образом может позволить лодке вращаться на одном месте или даже переворачиваться в вертикальной плоскости. Такие «кувырки» на обычной подводной лодке просто невозможны.

Найти в предложении нашего читателя слабые стороны нетрудно, особенно если подходить с точки зрения требований к боевым подводным лодкам. Здесь и повышенное гидравлическое сопротивление из-за вынесенных в стороны винтомоторных блоков, и необходимость дублирования практически всех систем для обеспечения автономности отсеков-сфер, и трудности управления автономными отсеками, и затруднения в размещении вооружения. Но с другой стороны, для изучения глубин Мирового океана нужны ведь надежные подводные лодки-лаборатории, обладающие большими возможностями и высокой живучестью.

Вокруг сфер можно установить легкий обтекатель, а пространство между прочным корпусом и обтекателем использовать для различных вспомогательных устройств и размещения запасов пресной воды. Наш читатель считает это важным: заполнение пространства между корпусами пресной, а не морской водой должно ко всему прочему снизить коррозию металла.

Кроме того, предлагается избавиться от перископа, а для наблюдения за поверхностью океана использовать видеокамеру. Причем она может быть не только всплывающей, но даже взлетающей – если подвесить видеокамеру к метеорологическому зонду, то обзор значительно расширяется.

На рисунке, где изображена подобная подводная лодка (вид сверху) так, как это представляет себе наш читатель Максимов, показаны три сферы, объединенные общим обтекателем, хотя отсеков может быть больше.

Используя подобный подход, вполне можно создать подводный корабль с автономными блоками, которые можно отстыковывать от общего корпуса и некоторое время использовать самостоятельно для экспедиций или экскурсий.

Некоторые другие предложения нашего читателя Максимова из города Камень-на-Оби связаны с авиацией и космосом. Одно из них возникло, как пишет сам автор, из наблюдения картины садящегося реактивного самолета. «Когда самолет касается колесами бетонной поверхности аэродрома, появляется много дыма, и я подумал, что это горит резина колес, не успевших завертеться». Поэтому для увеличения срока службы резиновых покрышек колес шасси самолетов изобретатель предлагает установить электродвигатели в ступицах всех колес самолетного шасси и принудительно раскручивать колеса при посадке.

Для тяжелого самолета касаться посадочной полосы неподвижными колесами опасно не столь из-за повышенного износа покрышек, сколько из-за опасности неконтролируемого движения. Поэтому колеса, особенно у тяжелых самолетов, при посадке принудительно раскручивают, хотя не обязательно до тех оборотов, которые возникнут при посадке. А для этого не обязательно устанавливать электродвигатели в ступицах колес, достаточно на колесном диске разместить лопасти, и набегающий поток воздуха раскрутит колеса сам. А избежать большого износа покрышек колесных пар шасси все равно не удастся. Этот износ вызван интенсивным торможением быстро движущегося самолета, и даже реверс двигателей снижает его незначительно.

Следующее предложение родилось у нашего читателя при наблюдении по телевизору процесса посадки многоразового космического корабля. Сильный нагрев корпуса, покрытого специальными теплозащитными плитками, навел Максимова на мысль о необходимости снижения скорости корабля при посадке.

Метод снижения скорости движения космического корабля наш читатель выбрал традиционный – разворот корабля на орбите и включение маршевого двигателя на торможение. Решение правильное, но снизить скорость многоразового космического корабля ниже скорости аэродинамической посадки нельзя, иначе он просто упадет.

Космические многоразовые корабли (и «Буран», и «Шаттл») садятся при высокой посадочной скорости, обусловленной малой площадью крыльев, а перед этим планируют в разреженных слоях атмосферы тоже на высокой скорости – отсюда и нагрев обшивки, и необходимость теплозащиты. Практика длительной эксплуатации многоразовых кораблей типа «Шаттл» показывает, что композиционная теплозащита кораблей достаточно надежна. Кстати, обшивка тяжелых сверхзвуковых самолетов тоже нагревается очень сильно, особенно в носовой части фюзеляжа.

Это, как сказано, лишь часть предложений, присланных в редакцию нашим пытливым читателем из города Камень-на-Оби Алтайского края. Как видите, предложенные им решения технических задач достаточно хорошо продуманы и не лишены практического смысла, хотя иногда оказываются известными.

Выпуск ПБ подготовил М. МИХАЙЛОВ

НАШ ДОМ

Фусума – это вам не сётзи

Традиционно в японском жилище в качестве внутренних перегородок и раздвижных дверей используются легкие деревянные перегородки – фусумы. От сётзи – окон японских домов они отличаются тем, что оклеивают их непрозрачным материалом – вощеной бумагой. Им можно найти применение и у нас в России. Кстати говоря, они замечательно гармонируют с современной мебелью и планировкой квартиры. Конструкция перегородки позволяет моделировать жилое пространство так, как вы пожелаете: в любом месте квартиры вы можете устроить себе кабинет, спальню, гостиную, достаточно лишь передвинуть легкие модули в нужном вам направлении. Способ монтажа каркасов таков, что их несложно использовать в помещении любой планировки. Сам модуль – это конструкция из трех составляющих – каркаса, решетки и непрозрачною покрытия.

Собирайте каркас из деревянных брусков сечения 50x50 мм, 50x70 мм и доски прямоугольного сечения 50x20 мм, а решетку – из реек сечением 15x20 мм. Не забудьте учесть и размеры покрытия: если это дорогая японская бумага или рулонная пленка – сведите отходы к минимуму. Прежде чем браться за сборку, убедитесь в точности изготовления всех деталей.

Поочередно соединяйте горизонтальные и вертикальные детали каркаса, предварительно смазывая участки соединений столярным или казеиновым клеем. Обязательно следите, чтобы углы конструкции были равны 90°.

Классическим материалом для обтяжки каркаса является пергаментная или рисовая японская бумага. Но можно воспользоваться и калькой или полупрозрачным синтетическим материалом. Ширина покрытия должна равняться ширине решетки.

Разложите полотно на решетке и обрежьте точно по ее внешнему контуру. Закрепите материю степлером. Следите, чтобы натяжение было равномерным. Далее закрепите материал по контуру рейками, а также шурупами в предварительно просверленных отверстиях. Готовую решетку вставьте в раму и закрепите все соединения клеем. Еще раз проверьте, сохраняет ли уже готовый модуль прямоугольную форму. Это легко сделать, сравнив длину двух его диагоналей.

Несколькими модулями можно отгородить большую площадь или отделить какую-то часть помещения. С помощью регулировочных винтов, установленных в нижней части стоек, каркасы приподнимают до упора в потолок. Конструкция при этом приобретает устойчивость. Регулировочные винты к тому же корректируют неровность пола.

Материалы подготовила Н.АМБАРЦУМЯН

Рис. Ю.АНТОНОВА

Мозаика из зерен

Природные материалы давно использовались для создания живописных картин. Техника выклеивания из крупы и зерен очень проста, а их разнообразие позволяет составить почти полную красочную палитру. В качестве примера перед вами несколько панно. Для работы потребуется гречневая крупа, зерна кукурузы, манка, красная чечевица, рис, горох, арбузные, тыквенные, подсолнечные семечки, мак, тмин, фасоль, а также макароны.

Вырежьте из картона или оргалита основание нужного формата. Промажьте всю поверхность тонким слоем клея ПВА и слегка подсушите. Нанесите на основу рисунок углем или мягким карандашом. Отберите необходимые для работы зерна и разложите их по плоским баночкам. Манку насыпьте в заранее приготовленные пакетики, так называемые «корнеты», из жесткой бумаги. Кончик корнета срежьте. Теперь из него удобно насыпать крупу прямо на нужный участок картины.

Совет: начните «рисовать» картину с тех фрагментов, где используется наиболее тонкий материал – манка или зерна мака. Промажьте фрагмент клеем и посыпьте крупой. Затем прижмите небольшим грузиком. Проверьте проклеенное место после высыхания кисточкой. Добавьте еще один слой. Крупные зерна накладывайте на картину с помощью пинцета и используйте больше клея. Выдерживайте под грузом не менее двух часов. Готовую картину поставьте вертикально и в этом положении окантуйте рамой из однородных зерен, мелких ракушек, высушенных растений.

КОЛЛЕКЦИЯ «ЮТ»

Модернизация военно-транспортного самолета Ан-32Б (Конструкторское бюро Антонова, Киев) привела к созданию варианта гражданского самолета Ан-32Б-100, у которого пала больше коммерческая нагрузка, была модифицирована система управления двигателями, особенно в чрезвычайном режиме, и увеличены сроки эксплуатации.

Сейчас более 350 самолетов Ан-32 успешно эксплуатируются в странах с различными климатическими условиями, среди которых страны СНГ, Индия, Шри Ланка, Колумбия, Перу, Мексика, Афганистан, страны Африки.

Техническая характеристика:

Размах крыла… 29,2 м

Длина… 23,7 м

Высота… 8,75 м

Максимальный взлетный… вес 28,5 т

Максимальная коммерческая загрузка… 7,5 т

Практический потолок… 9400 м

Крейсерская скорость… 500–530 км/ч

Дальность полета с грузом 7,5 т… 1050 км

Мощность двигателей… 2 х 4750 л.с.

Экипаж… 2 чел.

В программе сверхтяжелых вездеходов канадской фирмы « Formost» колесные полноприводные машины занимают второстепенное место и предназначены для движения по пересеченной местности или обычным дорогам с повышенными скоростями. Они имеют шарнирно-сочлененную раму и многослойные широкопрофильные шины-катки диаметром oколо 1,5 м и шириной более 1 м, большой дорожный просвет – 510–710 мм и низкое давление на грунт – от 0,20 до 2,44 кг/см ². Это делает их полезными для работы на месторождениях в условиях бездорожья и при строительстве газо– и нефтепроводов.

В 1990 г. в программу выпуска фирмы вошел колесный транспортер Commander-Cс колесной формулой (6x6) и его 4-осный вариант Super Commandei(8x8) грузоподъемностью 36 т.

Техническая характеристика:

Длина… 15 м

Ширина… 3,5 м

Высота… 3,62 м

Вес без загрузки… 29,5 т

Грузоподъемность… 27 т

Двигатель… дизель

Мощность… 375 л.с.

Скорость… ок. 40 км/ч

Удельное давление на грунт:

При нагрузке 10 т… 1,86 кг/см ²

20 т… 2,05 кг/см ²

30 т… 2,44 кг/см ²

ПОЛИГОН

Тепло, еще теплее!

Мало кто, наверное, задумывался, во сколько обходятся долгие зимние холода. Тем не менее, у средней сельской семьи на протяжении жизни одного поколения затраты на отопление приближаются к стоимости дорогого автомобиля. А потому есть резон попытаться эти затраты снизить.

Мы уже рассказывали, что тепло для отопления дома можно брать из окружающей среды, используя для этого старый домашний холодильник (см. «ЮТ» № 10–03). На его работу тратится электроэнергия, но по сравнению с обычным электрическим отоплением расход ее снижается в несколько раз.

На том же принципе работают домашние кондиционеры. Летом они вырабатывают холод, а зимою переключаются на режим теплового насоса и дают тепло с двукратной экономией электроэнергии. Если холодильник в качестве обогревателя слабоват, то кондиционер пока все же предмет роскоши. Сегодня, как обещали, мы рассказываем о воздушном тепловом насосе, который тоже может играть роль нагревателя, хотя в нем нет фреона.

Вы знаете, что воздух при сжатии нагревается. Вот как это явление можно применить для экономичного отопления дома (рис. 1).

Рис. 1.

1– охлаждаемая часть контура; 2– калорифер; 3– эксцентрик.

Компрессор сжимает уличный воздух и направляет его в калорифер. Полученное при сжатии воздуха тепло отдается комнате. Воздух же при этом охлаждается, уменьшается в объеме, но давление его остается прежним, а значит, он еще способен совершать работу. Поэтому его направляют в детандер – пневматический двигатель, находящийся на одном валу с компрессором. Он вращается за счет расширения воздуха и тем самым помогает мотору. От этого мощность, необходимая для сжатия порции воздуха, уменьшается, а количество теплоты, поступающей в комнату, оказывается больше электроэнергии, взятой электродвигателем от сети.

Сей факт, неоднократно подтвержденный работой промышленных установок, может навести на мысль о нарушении закона сохранения энергии. Но это не так. Воздух в детандере расширяется, совершает работу и за счет этого охлаждается. Температура его оказывается ниже, чем у воздуха, взятого с улицы. Но охлаждение есть не что иное, как потеря тепла. В данном случае тепло не исчезло бесследно, а после всех преобразований поступило к нам в комнату. За счет него и образовалась та прибыль тепловой энергии, которая перекрыла затраты на привод компрессора.

Иными словами, уличный воздух, пройдя через тепловой насос, часть своего тепла отдал комнате. Никакого нарушения физических законов здесь нет, только на улице становится чуть-чуть холоднее…

Воздушные тепловые насосы обычно строятся на основе турбины, играющей роль эспандера и турбокомпрессора.

К сожалению, турбины и турбокомпрессоры имеют высокий КПД лишь при больших мощностях, а потому при 1–2 кВт тепловые насосы себя не оправдывают.

И все же поскольку потребность в дешевом тепловом насосе домашнего назначения существует, рано или поздно он будет создан.

Возможно, в нем будут использованы поршневые машины, КПД которых не зависит от мощности. Такой тепловой насос будет состоять из поршневого компрессора и поршневой же расширительной машины – детандера, соединенного с турбокомпрессором при помощи вала, передающего энергию практически без потерь.

На рисунке 2 вы видите схему теплового насоса с упрощенным кулисно-эксцентриковым механизмом. Эксцентрик – это диск, укрепленный на валу не по центру, как обычно, а несколько сбоку, эксцентрично. Кулиса – это рамка, в которой находится эксцентрик. Вращаясь, он заставляет ее двигаться возвратно-поступательно. К кулисе при помощи штоков с одной стороны присоединен поршень компрессора, с другой – поршень расширительной машины. Таким образом, действующее на поршень давление воздуха непосредственно передается поршню компрессора. Мощность, подводимая электромотором к валу эксцентрика, равна разности между мощностью, необходимой для работы компрессора, и мощностью, создаваемой в расширительной машине за счет работы поступающего в нее сжатого воздуха.

Вот как могла бы работать небольшая модель теплового насоса, при помощи которой можно было бы с большой выгодой по расходу электричества заварить чашку кофе и – не удивляйтесь! – заморозить кусок мяса.

Рис. 2.

1– холодильная камера; 2– выпуск холодного воздуха; 3– кулиса; 4– компрессор; 5– впуск уличного воздуха; 6– золотник; 7– детандер.

Ее компрессор имеет рабочий объем 25 см ³, детандер – 20 см ³. Давление в компрессоре 4 атм (0,4 мПа). Температура при сжатии в нем уличного воздуха с температурой 0 °C поднимается до 112 °C. Проходя через теплообменник и почти не уменьшая своею давления, он отдает тепло комнате, остывая при этом до 50 °C. После этого объем его уменьшается до 8 см ³, и он поступает в детандер. Здесь воздух совершает полезную работу и расширяется до атмосферного давления, после чего занимает объем около 20 см ³, а температура его снижается до —43 °C. Вот из этой разности температур между взятым с улицы и готовом к выбросу воздухом и берется тот прирост энергии сверх того, что мы потратили на привод электромотора. Чтобы в комнате стало тепло, его необходимо выбросить на улицу.

Но не будем спешить. Такой холод имеет свою ценность.

Если заставить этот воздух пройти через морозильную камеру, он будет замораживать в ней продукты. Уже потом его можно выпустить на улицу.

Так от теплового насоса можно получить двойную экономию. Не нужен становится холодильник, а значит, и расходы электричества на его привод, да еще получим 1,5-2-кратную экономию в затратах на отопление. Выгодно?

Проверить всю эту теорию вы можете на небольшой модели. Отапливать дом она не сможет, но пользу принести способна: за час она приготовит один литр горячей воды с температурой 50 °C и 300 граммов льда.

Рассмотрим технические подробности устройства.

Обычно кривошипно-кулисный механизм выполняется так, как показано на рисунке 3.

Рис. 3

Его рамка должна ходить в хорошо смазанных направляющих, чтобы не было перекосов, а эксцентрик размещается внутри «камня» с отверстием. Давление его распределяется по большой площади хорошо смазанного паза рамки. Все это снижает общие потери на трение до 2–3 %. Но выполнить такую конструкцию можно только в условиях хорошо оснащенной механической мастерской. А для первого раза лучше сделать модель как можно проще (см. рис. 2).

Основу ее составляет кусок стальной водопроводной трубы с внутренним диаметром 25 мм. На одном его конце устроен цилиндр компрессора, на другом – детандера. Чтобы еще больше упростить конструкцию, мы отказываемся от эксцентрика, заменяя его проволочным кривошипом, но оставляем кулису.

Вначале подберите кусок трубы с чистой гладкой внутренней поверхностью. На концах трубы должны быть припаяны фланцы для крепления крышек цилиндров. Паять их следует оловянным припоем при помощи газовой горелки.

Сварку применять нежелательно, так как высокая температура вызовет коробление трубы, а ее внутренняя поверхность будет испорчена слоем окалины.

После пайки прошлифуйте трубу изнутри при помощи тонкого наждака с маслом и пасты ГОИ. После этого удалите кусок средней части трубы, как показано на чертеже. В этом месте будет двигаться кулиса. Крышки цилиндров можно выточить из стали. Поршни и втулка кривошипного вала делаются из чугуна или бронзы.

Каждый поршень имеет резьбовое гнездо для крепления штоков. Сами штоки делаются из прутковой стали «серебрянки» диаметром 6 мм и имеют резьбу М6 на одном конце и отверстие для шплинта на другом.

Рамка кулисы сделана из латуни либо бронзы. К ней припаяны два гнезда для крепления на шплинтах штоков поршней при сборке.

Впускные и выпускные клапаны компрессора шариковые. Они действуют под давлением воздуха. Впуск воздуха в детандер осуществляется золотниковым распределительным механизмом, установленным во втулке подшипника.

Принцип его работы показан на рисунке 2. В момент, когда поршень детандера оказывается в верхнем положении, вал поворачивается таким образом, что воздух проходит в цилиндр через сделанный на нем спил.

В нижнем положении поршень своей кромкой открывает отверстие, и через него воздух выходит в холодильную камеру.

Для привода компрессора годится мотор мощностью 150 Вт, делающий около 1500 оборотов в минуту. При высоких скоростях воздух не будет успевать заполнять цилиндры, и тепловая мощность системы уменьшится, да и износ кулисы ускорится.

При работе теплового насоса непосредственно на уличном воздухе может возникнуть неприятное явление. Содержащаяся в нем влага может конденсироваться в эспандере и замерзать на его стейках. Это, в конце концов, приведет к его остановке. Согласитесь, это неудобно. Самая надежная мера против образования льда – это создать замкнутый контур, по которому будет циркулировать небольшая порция воздуха от компрессора до эспандера и обратно, а воздух, поступающий в компрессор, охлаждать уличным воздухом через стенку трубы.

Воздух же, выходящий из детандера, потребуется опять же через стенку трубы обдувать свежим воздухом, который от соприкосновения с ней станет холодным, а после будет направлен в камеру с продуктами.

Введение замкнутого контура значительно усложняет установку, но упрощает некоторые проблемы. Например, мы с вами пока ничего не говорили о смазке поршней. А они без нее работать не могут. В то же время смазка может вылетать из детандера и попадать на охлаждаемые продукты.

Применение замкнутого контура позволяет применить для смазки тончайший графитовый порошок, полученный растиранием стержня мягкого карандаша. Вообще возможности для улучшения даже такой простейшей модели огромны. Но чтобы перейти к образцу, пригодному для отопления целого дома, придется немало поработать и многое изучить.

А. ИЛЬИН

Рисунки автора