Гиромонорельс , гироскопический монорельс , гиростабилизированный монорельс или гирокар — это термины, обозначающие однорельсовое наземное транспортное средство , которое использует гироскопическое действие вращающегося колеса для преодоления присущей ему неустойчивости , связанной с балансированием на вершине одного рельса.
Монорельс ассоциируется с именами Луиса Бреннана , Августа Шерла и Петра Шиловского , каждый из которых построил полномасштабные рабочие прототипы в начале двадцатого века. Версия была разработана Эрнестом Ф. Суинни, Гарри Феррейрой и Луисом Э. Суинни в США в 1962 году.
Гиромонорельсовая дорога так и не вышла за рамки стадии прототипа.
Главным преимуществом монорельса, на которое ссылается Шиловский, является подавление колебаний рыскания , ограничение скорости, с которым сталкивались обычные железные дороги того времени. Кроме того, возможны более крутые повороты по сравнению с радиусом поворота в 7 км, типичным для современных высокоскоростных поездов, таких как TGV , поскольку транспортное средство будет автоматически наклоняться на поворотах, как самолет, [2], так что на борту не будет ощущаться боковое центробежное ускорение .
Главным недостатком является то, что многим вагонам, включая пассажирские и грузовые, а не только локомотиву, для поддержания вертикального положения потребуется гироскоп с электроприводом.
В отличие от других средств поддержания равновесия, таких как боковое смещение центра тяжести или использование реактивных колес , гироскопическая система балансировки статически устойчива, так что система управления служит только для придания динамической устойчивости. Поэтому активную часть системы балансировки точнее назвать демпфером крена .
Луис Бреннан разработал прототип транспортного средства грузоподъемностью 22 тонны (22 длинных тонны; 24 коротких тонны) и массой 22 тонны (без нагрузки). [4] Бреннан подал свой первый патент на монорельс в 1903 году.
Его первая демонстрационная модель представляла собой коробку размером 30,0 на 11,8 дюймов (762 на 300 мм), содержащую систему балансировки. Однако этого оказалось достаточно, чтобы Армейский совет рекомендовал выделить сумму в 10 000 фунтов стерлингов на разработку полноразмерного транспортного средства. На это наложил вето их Финансовый департамент. Однако Армия нашла 2 000 фунтов стерлингов из разных источников для финансирования работы Бреннана.
В рамках этого бюджета Бреннан создал большую модель, 6,0 на 1,5 фута (1,83 на 0,46 м), поддерживаемую в равновесии двумя роторами гироскопа диаметром 5,0 дюймов (127 мм). Эта модель до сих пор находится в Лондонском музее науки . Трасса для транспортного средства была проложена на территории дома Бреннана в Джиллингеме, Кент . Она состояла из обычного газового трубопровода, уложенного на деревянные шпалы, с мостом из проволочного каната длиной 50 футов (15 м), острыми углами и уклонами до одного из пяти. Бреннан продемонстрировал свою модель на лекции в Королевском обществе в 1907 году, когда было показано, как она движется вперед и назад «по натянутой и тонкой проволоке» «под совершенным контролем изобретателя». [5]
Уменьшенная железная дорога Бреннана в значительной степени оправдала первоначальный энтузиазм Военного департамента . Однако выборы в 1906 году либерального правительства с политикой финансового сокращения фактически остановили финансирование со стороны армии. Однако в 1907 году Индийский офис проголосовал за аванс в размере 6000 фунтов стерлингов (что эквивалентно 801 733 фунтам стерлингов в 2023 году) на разработку монорельсовой дороги для Северо-Западного пограничного региона, а еще 5000 фунтов стерлингов (что эквивалентно 659 406 фунтам стерлингов в 2023 году) были выданы Дурбаром Кашмира в 1908 году. Эти деньги были почти потрачены к январю 1909 года, когда Индийский офис выделил еще 2000 фунтов стерлингов (что эквивалентно 263 333 фунтам стерлингов в 2023 году).
15 октября 1909 года дрезина впервые поехала своим ходом, перевозя 32 человека по заводу. Транспортное средство было 40,0 на 9,8 футов (12,2 на 3 м) и с бензиновым двигателем мощностью 20 лошадиных сил (15 кВт) развивало скорость 22 мили в час (35 км/ч). Трансмиссия была электрической , с бензиновым двигателем, приводящим в действие генератор , и электродвигателями, расположенными на обеих тележках . Этот генератор также подавал питание на гироскопические двигатели и воздушный компрессор . Система балансировки использовала пневматический сервопривод , а не фрикционные колеса, используемые в более ранней модели.
Гироскопы располагались в кабине, хотя Бреннан планировал переместить их под пол транспортного средства перед его публичным показом, однако презентация машины Шерла вынудила его перенести первую публичную демонстрацию на 10 ноября 1909 года. Времени на перестановку гироскопов перед публичным дебютом монорельса не хватило.
Настоящим публичным дебютом монорельса Бреннана стала Японо-британская выставка в Белом городе , Лондон, в 1910 году. Монорельсовый вагон перевозил 50 пассажиров одновременно по кольцевой дорожке со скоростью 20 миль в час (32 км/ч). Среди пассажиров был Уинстон Черчилль , который проявил значительный энтузиазм. Интерес был таким, что детские заводные монорельсовые игрушки, одноколесные и гиростабилизированные, были произведены в Англии и Германии. [6] [7] Несмотря на то, что монорельс был жизнеспособным средством передвижения, он не смог привлечь дальнейших инвестиций. Из двух построенных транспортных средств один был продан на металлолом, а другой использовался в качестве паркового навеса до 1930 года.
Как раз когда Бреннан завершил испытания своего транспортного средства, Август Шерл , немецкий издатель и филантроп , объявил о публичной демонстрации гиро-монорельса, который он разработал в Германии . Демонстрация должна была состояться в среду 10 ноября 1909 года в Берлинском зоологическом саду .
Машина Шерла [8] , также полноразмерное транспортное средство, была несколько меньше машины Бреннана, длиной всего 17 футов (5,2 м). Она могла вместить четырех пассажиров на паре поперечных сидений. Гироскопы располагались под сиденьями и имели вертикальные оси, в то время как Бреннан использовал пару гироскопов с горизонтальной осью. Сервомеханизм был гидравлическим , а тяга — электрической. Строго говоря, Август Шерл просто обеспечивал финансовую поддержку. Механизм восстановления был изобретен Паулем Фрёлихом, а автомобиль спроектировал Эмиль Фальке.
Несмотря на то, что автомобиль был хорошо принят и отлично показал себя во время публичных демонстраций, он не привлек значительной финансовой поддержки, и Шерл списал свои инвестиции в него.
После неудачи Бреннана и Шерла в привлечении необходимых инвестиций практическая разработка гиро-монорельса после 1910 года продолжилась работой Петра Шиловского [9] , русского аристократа, проживавшего в Лондоне. Его система балансировки была основана на несколько иных принципах, чем у Бреннана и Шерла, и позволяла использовать меньший, более медленно вращающийся гироскоп. После разработки модели гиро-монорельса в 1911 году он спроектировал гирокар , который был построен Wolseley Motors Limited и испытан на улицах Лондона в 1913 году. Поскольку он использовал один гироскоп, а не пару противоположно вращающихся гироскопов, предпочитаемых Бреннаном и Шерлом, он демонстрировал асимметрию в своем поведении и становился неустойчивым во время резких левых поворотов. Он привлек интерес, но не получил серьезного финансирования.
В 1922 году советское правительство начало строительство Шиловской монорельсовой дороги между Ленинградом и Царским Селом , но вскоре после начала проекта средства закончились.
В 1929 году, в возрасте 74 лет, Бреннан также разработал гирокар. Его отклонил консорциум Austin / Morris / Rover на том основании, что они могли продать все обычные автомобили, которые они построили.
В октябре 2022 года Technische Hochschule OWL , Билефельдский университет прикладных наук , Фраунгоферовский институт оптроники, Systemtechnik und Bildauswertung и Landeseisenbahn Lippe e. В. представил гиростабилизированный монорельс по Бреннану на участке Экстертальской железной дороги в Германии. [10]
Система под названием Monocab предназначена для обеспечения двунаправленного обслуживания на одном пути, поскольку транспортные средства используют только один рельс. Кабины, которые должны работать автономно по требованию, спроектированы соответственно узкими.
В сентябре 2020 года Monocab получил финансирование из Европейского фонда регионального развития и земли Северный Рейн-Вестфалия на общую сумму 3,6 млн евро. [11]
Транспортное средство движется по одному обычному рельсу, поэтому без системы балансировки оно бы опрокинулось.
Вращающееся колесо установлено в карданной раме, ось вращения которой (ось прецессии) перпендикулярна оси вращения. Сборка установлена на шасси транспортного средства таким образом, что в состоянии равновесия ось вращения, ось прецессии и ось крена транспортного средства взаимно перпендикулярны.
Принуждение карданного подвеса к вращению заставляет колесо прецессировать, что приводит к возникновению гироскопических моментов относительно оси крена, так что механизм имеет потенциал для исправления транспортного средства при наклоне от вертикали . Колесо демонстрирует тенденцию к совмещению своей оси вращения с осью вращения (осью карданного подвеса), и именно это действие вращает все транспортное средство относительно его оси крена.
В идеале механизм, прикладывающий управляющие моменты к карданному подвесу, должен быть пассивным (композиция пружин , амортизаторов и рычагов ), но фундаментальная природа проблемы указывает на то, что это невозможно. Положение равновесия — это когда транспортное средство находится в вертикальном положении, так что любое возмущение из этого положения уменьшает высоту центра тяжести , снижая потенциальную энергию системы. Все, что возвращает транспортное средство в равновесие, должно быть способно восстановить эту потенциальную энергию и, следовательно, не может состоять только из пассивных элементов. Система должна содержать активный сервопривод какого-либо вида.
Если бы постоянным боковым силам противостояло только гироскопическое воздействие, карданный подвес быстро вращался бы на упорах, и транспортное средство опрокидывалось бы. Фактически, механизм заставляет транспортное средство наклоняться в сторону возмущения, сопротивляясь ему компонентом веса, при этом гироскоп находится вблизи своего неотклоненного положения.
Инерционные боковые силы, возникающие при повороте, заставляют транспортное средство наклоняться в сторону угла. Одиночный гироскоп вносит асимметрию , которая заставляет транспортное средство наклоняться слишком сильно или недостаточно сильно, чтобы чистая сила оставалась в плоскости симметрии, поэтому боковые силы все равно будут ощущаться на борту.
Для того чтобы обеспечить правильный крен автомобиля на поворотах, необходимо устранить гироскопический момент, возникающий из-за скорости поворота автомобиля.
Свободный гироскоп сохраняет свою ориентацию относительно инерциального пространства , а гироскопические моменты генерируются путем его вращения вокруг оси, перпендикулярной оси вращения. Но система управления отклоняет гироскоп относительно шасси , а не относительно неподвижных звезд. Из этого следует, что движение тангажа и рыскания транспортного средства относительно инерциального пространства будет вносить дополнительные нежелательные гироскопические моменты. Они приводят к неудовлетворительным равновесиям, но, что более серьезно, вызывают потерю статической устойчивости при повороте в одном направлении и увеличение статической устойчивости в противоположном направлении. Шиловский столкнулся с этой проблемой со своим дорожным транспортным средством, которое вследствие этого не могло делать резкие левые повороты.
Бреннан и Шерл знали об этой проблеме и реализовали свои системы балансировки с парами противоположно вращающихся гироскопов, прецессирующих в противоположных направлениях. При таком расположении все движения транспортного средства относительно инерциального пространства вызывают равные и противоположные крутящие моменты на двух гироскопах и, следовательно, компенсируются. При использовании двойной гироскопической системы неустойчивость на поворотах устраняется, и транспортное средство будет наклоняться под правильным углом, так что на борту не будет ощущаться чистая боковая сила.
Шиловский утверждал, что испытывает трудности с обеспечением стабильности с помощью систем с двойным гироскопом, хотя причина, по которой это должно быть так, не ясна. Его решение состояло в том, чтобы изменять параметры контура управления в зависимости от скорости поворота, чтобы поддерживать схожую реакцию при поворотах в любом направлении.
Смещенные нагрузки также заставляют транспортное средство наклоняться до тех пор, пока центр тяжести не окажется выше точки опоры. Боковые ветры заставляют транспортное средство наклоняться в них, чтобы противостоять им с помощью компонента веса. Эти контактные силы, вероятно, вызовут больший дискомфорт, чем силы поворота, поскольку они приведут к чистым боковым силам, испытываемым на борту.
Контактные боковые силы приводят к смещению отклонения карданного подвеса в петле Шиловского. Это может быть использовано в качестве входного сигнала для более медленной петли для смещения центра тяжести вбок, так что транспортное средство остается в вертикальном положении при наличии постоянных неинерционных сил. Эта комбинация гироскопического и бокового смещения ЦТ является предметом патента 1962 года. Транспортное средство, использующее гироскопическое/боковое смещение полезной нагрузки , было построено Эрнестом Ф. Суинни, Гарри Феррейрой и Луисом Э. Суинни в США в 1962 году. Эта система называется монорельсовой дорогой Gyro-Dynamics.
Шиловский привел ряд заявленных преимуществ, включая уменьшение проблем с правом проезда, поскольку в теории можно преодолеть более крутые уклоны и более острые повороты. В своей книге Шиловский описывает форму торможения на рельсах, которая осуществима с монорельсом, но нарушит курсовую устойчивость обычного рельсового транспортного средства. Это имеет потенциал гораздо более короткого тормозного пути по сравнению с обычным колесом по стали, с соответствующим уменьшением безопасного разделения между поездами. Результатом является потенциально более высокая занятость пути и более высокая пропускная способность.
Шиловский утверждал, что его конструкции на самом деле легче, чем эквивалентные двухрельсовые транспортные средства. Масса гироскопа, по словам Бреннана, составляет 3–5% от веса транспортного средства, что сопоставимо с весом тележки, сэкономленным при использовании однорельсовой конструкции.
При рассмотрении транспортного средства, проходящего горизонтальную кривую, наиболее серьезные проблемы возникают, если ось гироскопа вертикальна. Существует компонент скорости поворота, действующий вокруг шарнира карданного подвеса, так что в уравнение крена вводится дополнительный гироскопический момент:
Это смещает крен от правильного угла крена для поворота, но, что более серьезно, изменяет постоянный член в характеристическом уравнении на:
Очевидно, если скорость поворота превышает критическое значение:
Балансировочный контур станет нестабильным. Однако идентичный гироскоп, вращающийся в противоположном направлении, устранит вращающий момент крена, который вызывает неустойчивость, а если его заставить прецессировать в противоположном направлении относительно первого гироскопа, то он создаст управляющий момент в том же направлении.
В 1972 году Отдел машиностроения правительства Канады отклонил предложение о монорельсе, в основном из-за этой проблемы. [12] Их анализ был верным, но ограниченным по охвату системами гироскопов с одной вертикальной осью и не универсальным. [ оригинальное исследование? ]
Газотурбинные двигатели спроектированы с окружной скоростью до 400 метров в секунду (1300 футов/с), [13] и надежно работали на тысячах самолетов за последние 50 лет. Таким образом, оценка массы гироскопа для 10 тонн (9,8 длинных тонн; 11 коротких тонн) с высотой центра тяжести 2 метра (6 футов 7 дюймов), предполагая, что окружная скорость составляет половину от той, что используется в конструкции реактивного двигателя, составляет всего 140 килограммов (310 фунтов). Рекомендация Бреннана в 3–5% от массы транспортного средства была поэтому весьма консервативной. [ оригинальное исследование? ]
Ely Cycle Co.
Медиа, связанные с монорельсом Gyro на Wikimedia Commons
