WikiSort.ru - Не сортированное

Источник энергии

Для приведения транспортного средства в движение необходим источник энергии. Необходимая энергия может быть получена различными способами, например, из окружающей среды: сила ветра для парусников, солнечная энергия для электромобилей или трамваев. Энергия может также храниться в различных формах, откуда она может быть получена при необходимости, в этом случае важными критериями являются объем, заряд и мощность используемого средства хранения энергии.

Широко распространенным видом источника энергии является топливо. Двигатели внешнего сгорания могут использовать в качестве топлива практически все горючие вещества, в то время как двигатели внутреннего сгорания и реактивные двигатели конструируются под конкретный тип топлива: бензин, керосин, дизельное топливо или этанол.

Другим распространенным видом источника энергии является батарея. Аккумуляторы имеют преимущество в том, что могут иметь различный объем и мощность, являются экологически чистыми, просты в установке и обслуживании^[24]. Батареи также способствовали распространению электродвигателей, которые имеют свои преимущества. С другой стороны, аккумуляторы имеют низкую плотность энергии, короткий срок службы, низкую производительность при экстремальных температурах, долгое время зарядки и трудности с утилизацией (хотя обычно их перерабатывают)^[24]. Как и топливо, аккумуляторы накапливают энергию химическим способом и при несчастном случае могут вызвать ожоги и отравление^[25]. Батареи также теряют свою эффективность с течением времени^[26]. Для экономии времени, затрачиваемой на зарядку, разряженные батареи возможно заменять на заряженные^[27], однако это влечет за собой дополнительные затраты на оборудование и может быть непрактичным при использовании больших батарей. Кроме того, аккумуляторы должны быть стандартизированы для того, чтобы было просто произвести быструю замену. С батареями схожи топливные элементы, поскольку получение электрической энергии из них происходит также путём преобразования химической энергии. Они имеют свои преимущества и недостатки.

Контактные рельс и сеть являются источником электрической энергии для поездов метро, электропоездов на железной дороге, трамваев и троллейбусов.

Сфера применения солнечной энергии в транспортных средствах в настоящее время развивается. Первые транспортные средства на фотоэлементах были построены и успешно испытаны, в том числе NASA Pathfinder — питающийся от солнечных батарей самолёт.

Атомная энергия является особой формой хранения энергии, и в настоящее время используется только в больших судах и подводных лодках, в основном военных. Ядерная энергия может быть высвобождена при помощи ядерного реактора, ядерной батареи, либо многократной детонации ядерных бомб. Сферу применения ядерной энергии на транспортных средствах в течение длительного времени пытаются расширить, например, проводились эксперименты с атомными самолётами Ту-119 и Convair X-6.

Моторы и двигатели

Необходимая для приведения транспортного средства в движение энергия берется из источника энергии и потребляется одним или несколькими моторами (двигателями)^[28].

Большинство транспортных средств оснащены двигателями внутреннего сгорания, поскольку они достаточно дешевы, просты в обслуживании, надежны, безопасны и имеют небольшие размеры. Так как двигатели внутреннего сгорания сжигают топливо постепенно, то они позволяют преодолевать большие расстояния, но при этом непрерывно загрязняют окружающую среду. С двигателями внутреннего сгорания связаны двигатели внешнего сгорания. Примером последних могут служить паровые двигатели. Помимо топлива, паровые двигатели также нуждаются в воде, что делает их непрактичными для ряда целей. Паровым двигателям также необходимо определенное время, чтобы набрать необходимую для начала движения температуру, в отличие от двигателей внутреннего сгорания, которых могут начать приводить транспортное средство в движение сразу после подачи топлива и его воспламенения, хотя это не рекомендуется производить в холодных условиях. Так же паровые двигатели при сжигании угля выбрасывают в атмосферу соединения серы, которые приводят к вредным кислотным дождям^[29].

Обычные двигатели внутреннего сгорания имеют прерывистый принцип работы, поэтому в авиации они были заменены реактивными двигателями и газовыми турбинами, которые также относятся к разряду двигателей внутреннего сгорания, но имеют непрерывный принцип работы. Реактивные двигатели легче и, в частности, при использовании на самолётах, эффективнее. С другой стороны, они стоят дороже и требуют более тщательного ухода. Они также получают повреждения от попадания посторонних предметов внутрь и выбрасывают выхлопы с очень большой температурой. Железнодорожные локомотивы, использующие в качестве двигателя турбины, называют газотурбовозами. Примерами наземных транспортных средств, использующих газотурбинные двигатели, могут служить танки Абрамс и Т-80, мотоцикл MTT Turbine Superbike и лайнер Celebrity Millenium. Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель во многом похож на газотурбинный двигатель, но он почти не имеет движущихся частей. По этой причине он был очень привлекательным для дизайнеров автомобилей в прошлом, однако издаваемый им шум, тепло, и неэффективность привели к отказу от его использования. Историческим примером применения пульсирующего двигателя были крылатые ракеты Фау-1. Детонационные пульсирующие воздушно-реактивные двигатели до сих пор иногда используется в любительских экспериментах. С появлением современных технологий детонационные импульсные двигатели были применены на практике, примером можно считать успешное испытание самолёта Rutan VariEze. Несмотря на то, что двигатель с импульсной детонаций является гораздо эффективнее реактивных и газотурбинных двигателей, он всё ещё имеет недостатки из-за экстремальных уровней шума и вибрации. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели тоже имеют мало подвижных частей, но они хорошо функционируют только при высоких скоростях, поэтому их использование ограничено несущими винтами вертолетов и сверхзвуковыми самолётами, такими как Lockheed SR-71^[30][31].

Ракетные двигатели используются в основном на ракета-носителях, ракетных санях и экспериментальных самолётах. Ракетные двигатели являются самыми мощными. Самое тяжелое транспортное средство, из поднимавшихся когда-либо с поверхности Земли: ракета Сатурн-5 была оснащена пятью ракетными двигателями F-1 общей мощностью в 180 000 000 лошадиных сил (134 МВт)^[32]. Ракетные двигатели имеют достаточно простую конструкцию и используют для работы только топливо и катализатор, например перекись водорода^[33]. Это делает их привлекательными для использования в необычных транспортных средствах, таких как реактивные ранцы. Несмотря на свою простоту, ракетные двигатели зачастую опасны и подвержены взрывам. Используемые в настоящее время разновидности ракетного топлива огнеопасны, ядовиты, едки и криогенны. Данный вид двигателей страдает от низкой эффективности. Перечисленные недостатки ракетных двигателей привели к тому, что их используют только в случае крайней необходимости.

Электродвигатели используются в электромобилях, электрических велосипедах , электрических скутерах, маломерных судах, метро, поездах, троллейбусах, трамваях и экспериментальных самолётах. Электродвигатели очень эффективны, их КПД может составлять более 90 %^[34]. Производимые в настоящее время электродвигатели достаточно мощные, надежные и имеют низкие эксплуатационные расходы, так же могут иметь различные размеры. Электродвигатели способны работать в большом диапазоне скоростей и моментов без наличия коробки передач (хотя для осуществления этого требуется больше, чем один двигатель). Использование электродвигателей для приведения транспортных средств в движение ограничивается главным образом трудностью получения постоянного источника электроэнергии необходимой величины.

Пневматические двигатели используются на транспортных средствах экспериментально (например, в воздухомобилях). Они простые, эффективные, безопасные, дешевые, надежные и работают в различных условиях. Одна из трудностей, возникающая при работе пневматических двигателей, — это охлаждающий эффект расширения газа, что приводит к замерзанию двигателя, а использовать подогрев проблематично^[35]. Охлаждающий эффект, однако, возможно использовать как систему кондиционирования. Эффективность пневматического двигателя падает при уменьшении давления газа.

Ионные двигатели используются на некоторых спутниках и космических аппаратах. Они эффективны только в вакууме, что ограничивает их использование только космическим пространством. Ионные двигатели работают от электроэнергии, но они также нуждаются в топливе, таком как цезий или ксенон^[36]. Ионные двигатели позволяют разогнать космический аппарат до очень высоких скоростей, используя относительно мало топлива. Большинство ионных двигателей, эксплуатируемых сегодня, имеют небольшое ускорение^[37].

Преобразование энергии для функционирования

Механическая энергия, которую производят двигатели для приведения транспортного средства в движение, должна быть преобразована в механическую работу, что производится посредством колёс, винтов, сопел и аналогичных средств.

Помимо преобразования механической энергии в движение, колеса позволяют транспортному средству катиться по поверхности, за исключением транспортных средств, которые передвигаются, удерживаясь за рельсы^[38]. Колесо — это очень древнее изобретение, обнаруженные его образцы созданы более чем 5000 лет назад^[39]. Колеса используются во множестве транспортных средств: автомобилях, бронетранспортерах, вездеходах, самолётах, поездах, скейтбордах, тачках и др.

Сопла используются в сочетании с практически всеми используемыми реактивными двигателями^[40]. Примерами транспортных средств, имеющих сопла, являются реактивные самолёты, ракеты и гидроциклы. Большинство сопел имеют форму конуса или колокола^[40], некоторые необычные проекты имеют вид клина. Существуют нематериальные конструкции сопел, к ним можно отнести сопло, представляющее собой электромагнитное поле ионного двигателя^[41].