Первичные движители в транспорте

В свете той важности, которую имеет мобильность как людей, так и товаров для современной цивилизации, финальный раздел моего обозрения, посвященного техническим достижениям, определяющим текущие энергетические основания современного общества, будет отдан первичным движителям в транспорте во всех их разновидностях, от малых двигателей до мощных ракет. Развитие двигателей четырехтактного цикла (в наше время в основном бензиновых, с небольшой долей работающих на этаноле и природном газе) сильно замедлилось с первого десятилетия XX века, когда их начали производить массово. Наиболее важные изменения включают примерное удвоение коэффициента сжатия, снижение массы и рост мощности, результатом чего стало уменьшение соотношения масса/мощность: оно упало с почти 40 г/Вт в 1900 году до всего лишь 1 г/Вт столетием позже. Первый массово производимый в США автомобиль, Curved Dash компании Ransom Olds, имел одноцилиндровый двигатель в 5,2 кВт (7 л. с.). Двигатель Model Т Форда, производство которой закончилось только в 1927 году после 19 лет и 16 миллионов единиц, был в три раза мощнее.

Рост средней мощности американских автомобилей был прерван с повышением цен ОПЕК в 1970-х, но возобновился в 1980-х годах: средняя мощность легкового автомобиля выросла с 90 кВт в 1990-м до 175 кВт в 2015 году (USEPA 2015). Но «легковой автомобиль» на самом деле неверный термин, поскольку в США около 50 % персонального транспорта – микроавтобусы, грузовики-пикапы и внедорожники. Дизельные двигатели тоже стали сравнительно более легкими и мощными, и эти усовершенствования позволили им доминировать на нескольких важных транспортных рынках (Smil 2010b). Первые грузовики на дизеле появились в Германии в 1925 году, первые тяжелые пассажирские автомобили (тоже в Германии) – в 1936-м. Накануне Второй мировой большинство грузовиков и автобусов в Европе были дизельными, и после войны это стало нормой по всему миру. Автобусные дизельные движки с мощностью в 350 кВт имели соотношение масса/мощность 3–9 г/ Вт и могли проезжать до 600 тысяч километров без капитального ремонта.

Соотношение масса/мощность для автомобильных дизельных двигателей в конечном итоге уменьшилось до 2 г/Вт, а это значит, что дизели в пассажирских автомобилях лишь немного тяжелее, чем их бензиновые родичи (Smil 2010b). Относительно низкая цена на топливо сделала дизельные легковые автомобили обычным делом в ЕС, где они сейчас составляют более 50 % от становящихся на учет машин (ICCT 2014). Но такие машины остаются редкостью в США: в 2014 году на них приходилось всего 3 % автомобилей. Имидж этой разновидности транспорта сильно пострадал в 2015-м, когда «Фольксваген» был вынужден признать, что многие модели с дизельным двигателем, проданные после 2008 года, содержали незаконное ПО, которое выдавало фальшивые сведения о выбросах, чтобы обойти законодательство США в области окружающей среды.

Локомотивы на дизельном топливе (мощностью до 3,5 МВт) тянут (и толкают) грузовые поезда на всех неэлектрифицированных железных дорогах мира. Как уже было отмечено, дизельные двигатели начали завоевывать море до Первой мировой войны и стали незаменимым первичным двигателем глобализации, поскольку вся морская торговля энергоресурсами, сырьем, возвратными отходами, пищевыми и промышленными товарами сейчас приводится в движение этими массивными, эффективными машинами (Smil 2010b). Наиболее мощные морские двигатели в супертанкерах и огромных контейнеровозах разработаны в Европе компаниями MAN и Wartsila, построены в Южной Корее и Японии, и их мощность достигает почти 100 МВт.

Возвратно-поступательные авиационные двигатели совершенствовались очень быстро. Те, что приводили в движение Clipper в 1936 году (большой гидроплан концерна «Боинг», совершавший регулярные перелеты между Западным побережьем США и Восточной Азией), были примерно в 130 раз мощнее тех, которые использовали Райты в 1903-м, при соотношении масса/мощность в десять раз выше (рис. 5.17). Газовые турбины – совершенно новые первичные движители, повысившие эффективность как в авиации, так и во многих других отраслях – были теоретически разработаны в начале XX века, но первые практичные конструкции появились только в конце 1930-х. Фрэнк Уиттл в Англии и Ханс Пабст фон Охайн в Германии независимо создали экспериментальные газовые турбины для военных самолетов, но первые реактивные истребители появились слишком поздно, чтобы принять участие во Второй мировой войне (Constant 1981; Smil 2010b).

Быстрое развитие нового первичного движителя началось сразу после войны. Скорость звука впервые удалось превзойти 14 октября 1947 года на самолете Bell Х-1, сверхзвуковые истребители и бомбардировщики появились в конце 40-х и с тех пор развиваются; быстрейший из них, МиГ-35, дает максимум скорости в 3,2 Маха. Появление газовых турбин сделало возможными межконтинентальные перелеты: их низкий показатель масса/мощность (с тягой в 500 кН он всего лишь 0,06-0,07 г/Вт), высокое соотношение тяга/вес (>6 для коммерческих двигателей, 8,5 для лучших военных образцов), и высокая степень двухконтурности (12 к 1 самое высокое значение, 92 % воздуха, сжатого двигателем, обходит его камеру сгорания; это снижает потребление топлива и уменьшает шум двигателей) отличают конструкцию этих все более мощных и эффективных первичных движителей (рис. 5.17). Газовые турбины в авиации стали столь надежными, что самолеты с двумя двигателями не только пересекают Атлантику, но также задействованы на многих транстихоокеанских маршрутах (Smil 2010b).

Рисунок 5.17. Все более мощные, но при этом легкие авиадвигатели способствовали прогрессу в самолетостроении. Незадолго до того, как поршневые двигатели достигли предела мощности, появились и начали развиваться реактивные. Двигатели, приводящие в движение большие «Боинги» и «Аэробусы» имеют соотношение масса/мощность менее 0,1 г/Вт, то есть в 100 раз лучше, чем у братьев Райт. Двигатели военных самолетов еще легче. Основано на данных из Constant (1981), Gunston (1986), Taylor (1989) и Smil (2010b)

Как это часто случается со зрелыми отраслями, глобальный рынок реактивных двигателей в конечном итоге оказался поделен между четырьмя производителями. «Роллс-Ройс» был первым, кто создал коммерческий авиационный движок (в 1953 году), за ним последовали две американских компании, «Дженерал Электрик» и Pratt&Whitney, и CFM International, совместная компания «Дженерал Электрик» и французской Snecma Moteurs, созданная в 1974 году и сосредоточившаяся на создании двигателей для авиации малой и средней дальности (CFM International 2015). Полеты сверхзвукового «Конкорда» (коммерциализирован в 1976 году) оказались слишком дорогими для того, чтобы занять место на рынке, и были прекращены в 2003-м (Darling 2004).

В 1952 году британский Comet стал первым пассажирским реактивным самолетом, но структурные дефекты в большей степени, чем проблемы с двигателем, привели к трем фатальным случаям, и самолет перестали использовать. После изменений в конструкции он снова полетел в 1958 году, но коммерческого успеха добиться не удалось (Simons 2014). Первым успешным коммерческим реактивным лайнером стал «Боинг-707», представленный в 1958 году (рис. 5.18). Первый широкофюзеляжный «Боинг-747» полетел в 1969-м: образцовый лайнер приводился в движение большими турбовинтовыми двигателями с тягой более 200 кН и мог выдавать пиковое значение тяги в 280 МВт во время взлета (Smil 2000с). К 2015 году самый мощный реактивный двигатель, GE 90-115В, выдавал 513 кН тяги.

Рисунок 5.18. Схемы и вид спереди примечательных реактивных самолетов. «Боинг-707» (1957) был создан на базе самолета-заправщика. «Боинг-737» (1967) – самолет, продававшийся и продающийся лучше всего (почти 9000 штук продано на конец 2015 года, и еще 13000 заказано). Сверхзвуковой англо-французский «Конкорд», летавший по нескольким маршрутам в 1976–2003 годах, оказался крайне затратным курьезом. «Боинг-747» (летает с 1969 года) был первым широкофюзеляжным дальним лайнером. Для сравнения приведен нарисованный в масштабе самолет братьев Райт и маршрут их полета 7 декабря 1903 года. Основано на публикациях «Боинг», Aeroapatiale/Bae,Jakab (1990)

Единственным первичным движителем, который мог выдать больше мощности на единицу веса, чем газовая турбина, оказался ракетный двигатель для запуска военных ракет и космических аппаратов. Основатели современной ракетной науки – Константин Циолковский (1857–1935) в России, Герман Оберт (1894–1989) в Германии и Роберт Годдард (1882–1945) в США – совершенно верно предвидели окончательный успех старой идеи ракетного движения, которая с помощью современного инженерного искусства превратилась в самый мощный первичный движитель современности (Hunley 1995; Angelo 2003; Taylor 2009). Быстрый прогресс начался во время Второй мировой войны: в 1942 году работающий на этаноле Фау-2, спроектированный Вернером фон Брауном (1912–1977), достиг тяги на уровне моря в 249 кН (эквивалент около 6,2 МВт, с соотношением масса/мощность 0,15 г/Вт) и скорости 1,7 км/с. Дальность этой ракеты оказалась достаточно большой, чтобы атаковать Великобританию (von Braun and Ordway 1975).

Космическая гонка супердержав началась с запуском первого искусственного спутника Земли, советского «Спутника», в 1957 году, и появились мощные и более точные межконтинентальные баллистические ракеты. 16 июля 1969 года одиннадцать двигателей американской ракеты Saturn С-5 на керосине и водороде (разрабатывал которые Вернер фон Браун) отправили корабль «Аполлон» на Луну. Они работали всего 150 с, и их комбинированная тяга достигла почти 36 МН, эквивалент 2,6 ГВт, при соотношении масса/мощность (включая вес топлива и трех ракет-ускорителей) всего в 0,001 г/Вт (Tate 2009).