Бір рельстік гироскопик көліктері

Кіріспе

Бір рельстік жер көлігі

Гиромонорельс, гироскопиялық монорельс, гиростабилизацияланған монорельс немесе гирокар – бір рельстің үстінде тепе-теңдікті сақтаудағы тұрақсыздықты жеңу үшін айналатын дөңгелектің гироскопиялық әрекетін пайдаланатын бір рельстік жер көлігі. Монорельс Луи Бреннан, Август Шерл және Петр Шиловский есімдерімен байланысты, олардың әрқайсысы жиырмасыншы ғасырдың басында толық масштабты жұмыс істейтін прототиптерді құрастырды. 1962 жылы АҚШ-та Эрнест Ф. Суини, Гарри Феррейра және Луис Э. Суини оның нұсқасын жасады. Гиромонорельс прототиптік кезеңнен әрі дамытылмады. Шиловский атап көрсеткендей, монорельстің басты артықшылығы – сол кездегі дәстүрлі теміржолдарда кездесетін аңшылық осцилляцияны (қозғалысты) басу мүмкіндігі. Сонымен қатар, TGV сияқты қазіргі заманғы жоғары жылдамдықты пойыздардың 7 км радиустағы бұрылысына қарағанда өткір бұрылыстар жасауға болады, себебі көлік ұшақтай бұрылыстарда автоматты түрде еңкейеді, сондықтан бортында жаққа бағытталған центробегтік күш сезілмейді. Басты кемшілігі – көптеген вагондар, жолаушылар және жүк вагондары ғана емес, сонымен қатар локомотив те тік тұру үшін қуатты гироскопты қажет етеді. Тепе-теңдікті сақтаудың басқа тәсілдерінен, мысалы, ауырлық орталығын бүйірге жылдырудан немесе реакциялық дөңгелектерді пайдаланудан айырмашылығы, гироскопиялық теңгерімдеу жүйесі статикалық тұрақты, сондықтан басқару жүйесінің міндеті тек динамикалық тұрақтылықты қамтамасыз ету болып табылады. Сондықтан теңгерімдеу жүйесінің белсенді бөлігін дөңгелектің тұрақтандырғышы деп атау дұрыс.

Бреннанның монорелісі

Басшы бөліміндегі суретте Луис Бреннан әзірлеген 22 тонналық (жүксіз салмағы) прототиптік көлік бейнеленген. Бреннан алғашқы монорельсті патентті 1903 жылы тіркеді. Оның алғашқы үлгісі теңгерімдеу жүйесін қамтитын қорап болды. Дегенмен, бұл Армия Кеңесіне толық көлемді көлікті әзірлеу үшін белгілі бір соманы ұсынуы үшін жеткілікті болды. Бұл олардың Қаржы департаментімен келіспеушілікке ұшырады. Алайда, Армия Бреннанның жұмысын қаржыландыру үшін түрлі көздерден қаражат таба алды. Осы бюджет аясында Бреннан үлкен модель жасады, екі диаметрлі гироскоп роторларымен тепе-теңдікте ұсталатын. Бұл модель әлі күнге дейін Лондонның Ғылым мұражайында сақтаулы. Көліктің жолы Бреннанның Гиллингхемдегі үйінің ауласына салынды. Ол ағаш тіреулерге орнатылған қарапайым газ құбырларынан тұрды, 15 метрлік сым арқан көпір, өткір бұрыштар және бестен бірге дейін еңіс болды. Бреннан 1907 жылы Корольдік қоғамға берген лекциясында өзінің үлгісін көрсетті, онда ол "керілген және жіңішке сыммен" "табысшының толық бақылауымен" алға-артқа жүріп бара жатқанын көрсетті. Бреннанның кішірейтілген темір жолы Соғыс департаментінің бастапқы ынтасын толық ақтады. Алайда, 1906 жылы Либералдық үкімет сайлауы, қаржылық үнемдеу саясатымен, Армиядан қаржыландыруды тоқтатты. Дегенмен, Үндістан кеңсесі 1907 жылы Солтүстік-Батыс шекара аймағында монорельсті дамыту үшін алдын ала қаражат бөлді, ал 1908 жылы Кашмир Дурбары одан әрі қаражат берді. 1909 жылдың 15 қазанында теміржол вагоны алғаш рет өз күшімен жүріп, 32 адамды зауыт айналасына тасыды. Көлік , бензинді қозғалтқышпен жабдықталған және жылдамдығы бар еді. Жеткізу жүйесі электрлі болды, бензинді қозғалтқыш генераторды игерді, ал электр моторлары екі доңғалақтың астында орналасқан. Бұл генератор гиромоторлар мен ауа компрессорына да қуат берді. Теңгерімдеу жүйесіне пневматикалық серво қолданылды, бұл ертерек үлгіде қолданылған үйкеліс дөңгелектерінен өзгеше. Гироскоптар кабинада орналастырылды, бірақ Бреннан көлікті көпшілік алдында көрсетуден бұрын оларды көліктің еденінің астына орналастыруды жоспарлаған, бірақ Шерлдің машинасының ашылуы оны алғашқы қоғамдық демонстрацияны 1909 жылдың 10 қарашасына дейін жылдыруға мәжбүр етті. Монорельстің ресми ашылуына дейін гироскоптарды қайта орналастыруға уақыт болмады. Бреннанның монорельсінің нақты қоғамдық дебюті 1910 жылы Лондонның Уайт-Сити қаласында өткен Жапония-Британия көрмесінде болды. Монорельсті вагондар бір мезгілде 50 жолаушыны дөңгелек жолмен тасыды. Жолаушылардың арасында Уинстон Черчилль де болды, ол үлкен қызығушылық танытты. Қызығушылық соншалық болды, балалардың бір дөңгелекті және гиростабильді сағаттық монорельсті ойыншықтары Англия мен Германияда шығарылды. Монорельс тиімді көлік құралы болғанымен, одан әрі инвестиция тартуға мүмкіндік бермеді. Салынған екі көліктен біреуі металл тескісі ретінде сатылды, ал екіншісі 1930 жылға дейін саябақта павильон ретінде пайдаланылды.

The image in the leader section depicts the 22 tonne (unladen weight) prototype vehicle developed by Louis Brennan. Brennan filed his first monorail patent in 1903. His first demonstration model was just a box containing the balancing system. However, this was sufficient for the Army Council to recommend a sum of for the development of a full size vehicle. This was vetoed by their Financial Department. However, the Army found from various sources to fund Brennan's work. Within this budget Brennan produced a larger model, , kept in balance by two diameter gyroscope rotors. This model is still in existence in the London Science Museum. The track for the vehicle was laid in the grounds of Brennan's house in Gillingham, Kent. It consisted of ordinary gas piping laid on wooden sleepers, with a 50 feet (15 m) wire rope bridge, sharp corners and slopes up to one in five. Brennan demonstrated his model in a lecture to the Royal Society in 1907 when it was shown running back and forth "on a taught and slender wire" "under the perfect control of the inventor". Brennan's reduced scale railway largely vindicated the War Department's initial enthusiasm. However, the election in 1906 of a Liberal government, with policies of financial retrenchment, effectively stopped the funding from the Army. However, the India Office voted an advance of in 1907 to develop the monorail for the North West Frontier region, and a further was advanced by the Durbar of Kashmir in 1908. This money was almost spent by January 1909, when the India Office advanced a further
On 15 October 1909, the railcar ran under its own power for the first time, carrying 32 people around the factory. The vehicle was , and with a petrol engine, had a speed of The transmission was electric, with the petrol engine driving a generator, and electric motors located on both bogies. This generator also supplied power to the gyro motors and the air compressor. The balancing system used a pneumatic servo, rather than the friction wheels used in the earlier model. The gyros were located in the cab, although Brennan planned to re site them under the floor of the vehicle before displaying the vehicle in public, but the unveiling of Scherl's machine forced him to bring forward the first public demonstration to 10 November 1909. There was insufficient time to re position the gyros before the monorail's public debut. The real public debut for Brennan's monorail was the Japan British Exhibition at the White City, London in 1910. The monorail car carried 50 passengers at a time around a circular track at Passengers included Winston Churchill, who showed considerable enthusiasm. Interest was such that children's clockwork monorail toys, single wheeled and gyro stabilised, were produced in England and Germany. Although a viable means of transport, the monorail failed to attract further investment. Of the two vehicles built, one was sold as scrap, and the other was used as a park shelter until 1930.

Шерлдің машинасы

Бреннан көлігін сынауын аяқтағанда, неміс баспагері және қайырымдылық ісіне қаржы бөлген Август Шерль Германияда өзі жасаған гиромонорельсін көпшілікке көрсетуді жариялады. Көрсету 1909 жылғы 10 қарашада Берлин зоологиялық бағында өтуі тиіс болды. Шерльдің машинасы, сондай-ақ толық өлшемді көлік, Бреннанның машинасынан сәл кіші, ұзындығы 17 фут (5,2 м) болды. Ол екі көлденең орындыққа төрт жолаушыны сыйдыра алатын. Гироскоптар орындықтардың астында орналасқан және тік осьтері болды, ал Бреннан көлденең осьті гироскоптарды қолданды. Сервомеханизм гидравликалық, ал жылдамдату электрмен жүзеге асырылды. Шындығында, Август Шерль тек қаржылық қолдау көрсеткен. Түзету механизмін Пол Фролих ойлап тапты, ал көлікті Эмиль Фальке жобалады. Көрсетілген автомобиль жақсы қабылданғанымен және көпшілік алдында өте жақсы жұмыс істегенімен, ол айтарлықтай қаржылық қолдау таба алмады, сондықтан Шерль оған салған инвестициясын жоғалтты.

Шиловскийдің шығармалары

Бреннан мен Шерлдің қажетті инвестицияларды тартуға сәтсіздікке ұшырауынан кейін, 1910 жылдан бастап гиромонорельстің нақты дамуы Лондонда тұратын орыс аристократы Петр Шиловскийдің жұмысымен жалғасты. Оның тепе-теңдік жүйесі Бреннан мен Шерлдің принциптерінен сәл өзгеше болды және кішірек, ақырын айналатын гироскопты пайдалануға мүмкіндік берді. 1911 жылы гиромонорельстің моделін жасағаннан кейін, ол Вулсли Моторс Лимитед компаниясы салып, 1913 жылы Лондон көшелерінде сынаған гиромобильді жобалады. Бреннан мен Шерл қолдаған екі қарсы айналатын гироскоптың орнына, бір ғана гироскопты қолданғандықтан, ол мінез-құлқында асимметрияны көрсетті және тікелей солға бұрылғанда тұрақсыздыққа ұшырады. Ол қызығушылық туғызды, бірақ ешқандай маңызды қаржыландыру болған жоқ.

Бірінші дүниежүзілік соғыстан кейінгі оқиғалар

1922 жылы Кеңес үкіметі Ленинград пен Царское Село арасында Шиловский монорельсін салуға кірісті, бірақ жоба басталғаннан кейін көп ұзамай қаражат таусылды. 1929 жылы 74 жасында Бреннан да гирокар ойлап тапты. Остин/Моррис/Ровер консорциумы оны қабылдамады, өйткені олар өндірген барлық дәстүрлі автомобильдерін сата алатын еді.

ХХІ ғасыр: Монокаб

2022 жылдың қазан айында OWL Техникалық жоғары мектебі, Билефельд қолданбалы ғылымдар университеті, Fraunhofer Optronik, жүйелік техника және бейнелеу институты және Landeseisenbahn Lippe e. V. Германиядағы Экстерталь темір жолының бір бөлігінде Бреннанның концепциясына сәйкес гиростабилизацияланған монорельстік жүйені ұсынды. Монокаб деп аталған бұл жүйе, көлік құралдары бір ғана рельсті пайдаланатындықтан, бір жолмен екі бағытта қызмет көрсетуге мүмкіндік береді. Қажеттілік туғанда автономды түрде жұмыс істеуге арналған кабиналар сәйкес түрде тар етіп жобаланған. 2020 жылдың қыркүйегінде Монокабқа Еуропалық аймақтық даму қоры және Солтүстік Рейн-Вестфалия штаты бірлесіп 3,6 миллион евро қаржы бөлді.

Негізгі идея

Көлік бір ғана қарапайым рельсте қозғалады, сондықтан тепе-теңдік жүйесі болмаса, ол құлап кетеді. Айналатын дөңгелек, айналу осі (прецессия осі) айналу осіне перпендикуляр болатын гимбалдық рамаға орнатылған. Бұл құрылғы көлік шассиіне бекітіледі, сондықтан тепе-теңдік күйінде айналу осі, прецессия осі және көліктің аударылу осі бір-біріне перпендикуляр болады. Гимбалдың айналуын күштеу дөңгелектің прецессиясына әкеледі, нәтижесінде аударылу осі бойынша гироскопиялық моменттер туындайды, осылайша механизм көлік тік күйден еңкейгенде оны түзеуге мүмкіндік береді. Дөңгелек өзінің айналу осін айналу осімен (гимбал осі) сәйкестендіруге бейім, және осы әрекет бүкіл көлікті аударылу осі бойынша айналдырады. Идеалды жағдайда, басқару моментін қолдану механизмі пассивті болуы керек (серіппелер, демпферлер және рычагтардан тұратын құрылым), бірақ мәселенің негізгі сипаты мұның мүмкін емес екенін көрсетеді. Тепе-теңдік орны көлікті тік тұрған күйде болады, сондықтан осы күйден кез келген ауытқу ауырлық орталығының биіктігін төмендетеді, жүйенің потенциалдық энергиясын азайтады. Көлікті тепе-теңдікке қайтару үшін, осы потенциалдық энергияны қалпына келтіру қабілеті болуы керек, демек ол тек пассивті элементтерден ғана тұра алмайды. Жүйеде белсенді сервомотор болуы міндетті.

Бүйірлік жүктемелер

Егер тұрақты жақтық күштерге тек гироскопиялық әрекетпен қарсылық көрсетілсе, гимбал тез тоқтап, көлік аударылады. Шындығында, механизм көліктің бұзылысқа қарай еңкеюіне себеп болады, оған салмақтың бір бөлігімен қарсы тұрады, гироскоп бұрмаланбаған күйінде қалады. Бұрылыс кезінде туындайтын инерциялық бүйірлік күштер көліктің бұрылысқа қарай еңкеюіне әкеледі. Бір ғана гироскоп асимметрия тудырады, бұл көліктің тым көп немесе жеткіліксіз еңкеюіне, нәтижесінде күш симметрия жазықтығында қалуына себеп болады, сондықтан бортта жақтық күштер сезіледі. Көліктің бұрыштарда дұрыс бұрылуын қамтамасыз ету үшін, көліктің бұрылу жылдамдығынан туындайтын гироскопиялық моментті жою қажет. Бос гироскоп инерциялық кеңістікке қатысты бағытын сақтайды, ал гироскопиялық моменттер оны айналу осіне перпендикуляр осі бойынша айналдыру арқылы пайда болады. Бірақ басқару жүйесі гироскопты шассиге қатысты бұрады, тұрақты жұлдыздарға қатысты емес. Осыдан көліктің инерциялық кеңістікке қатысты қозғалысы қосымша, жағымсыз гироскопиялық моменттерді тудырады. Бұл қанағаттандырмас тепе-теңдікке әкеледі, бірақ одан да маңыздысы, бір бағытта бұрылу кезінде статикалық тұрақтылықтың жоғалуына және кері бағытта статикалық тұрақтылықтың артуына себеп болады. Шиловский бұл мәселеге жол көлігінде тап болды, ол сол жаққа өткір бұрылыстар жасай алмады. Бреннан мен Шерл бұл мәселені біліп, теңгерімдеу жүйелерін қарама-қарсы бағытта айналатын гироскоптармен іске қосты. Осылайша, көліктің инерциялық кеңістікке қатысты қозғалысы екі гироскопта тең және қарама-қарсы моменттерді тудырады, олар бір-бірін жояды. Екі гироскопты жүйемен бұрылыстардағы тұрақсыздық жойылады және көлік дұрыс бұрышпен бұрылады, сондықтан бортта ешқандай жақтық күш сезілмейді. Шиловский екі гироскопты жүйемен тұрақтылықты қамтамасыз ету қиын екенін мәлімдеді, бірақ себебі белгісіз. Оның шешімі - екі бағытта да бұрылыстарда ұқсас жауапты сақтау үшін басқару циклының параметрлерін бұрылу жылдамдығына байланысты өзгерту. Сыртқы жүктемелер де көліктің ауырлық орталығы тірек нүктесінен жоғары орналасқанша еңкеюіне себеп болады. Жанғыш желдер көлікті соларға қарай еңкейтеді, оған қарсы тұру үшін салмақтың бір бөлігін пайдаланады. Бұл түйісу күштері бұрылыс кезіндегі күштерге қарағанда ыңғайсыздық тудыруы мүмкін, өйткені олар бортта жақтық күштердің пайда болуына әкеледі. Жанғыш күштер Шиловский циклында гимбалдың бұрылысын бұрмалайды. Бұл жүктік орталықты көлденең бағытта жылжыту үшін баяу циклға енгізілуі мүмкін, осылайша көлік тұрақты емес күштердің әсерімен тік күйде қалады. Гироскоптық және көлденең жүктік орталықты жылжытудың бұл комбинациясы 1962 жылы патенттелген. 1962 жылы АҚШ-та Эрнест Ф. Суини, Гарри Феррейра және Луис Э. Суини гироскопты / жүктік орталықты жылжытуды қолданатын көлік құралын жасады. Бұл жүйе Гиродинамикалық монорельс деп аталады.

If constant side forces were resisted by gyroscopic action alone, the gimbal would rotate quickly on to the stops, and the vehicle would topple. In fact, the mechanism causes the vehicle to lean into the disturbance, resisting it with a component of weight, with the gyro near its undeflected position. Inertial side forces, arising from cornering, cause the vehicle to lean into the corner. A single gyro introduces an asymmetry which will cause the vehicle to lean too far, or not far enough for the net force to remain in the plane of symmetry, so side forces will still be experienced on board. In order to ensure that the vehicle banks correctly on corners, it is necessary to remove the gyroscopic torque arising from the vehicle rate of turn. A free gyro keeps its orientation with respect to inertial space, and gyroscopic moments are generated by rotating it about an axis perpendicular to the spin axis. But the control system deflects the gyro with respect to the chassis, and not with respect to the fixed stars. It follows that the pitch and yaw motion of the vehicle with respect to inertial space will introduce additional unwanted, gyroscopic torques. These give rise to unsatisfactory equilibria, but more seriously, cause a loss of static stability when turning in one direction, and an increase in static stability in the opposite direction. Shilovsky encountered this problem with his road vehicle, which consequently could not make sharp left hand turns. Brennan and Scherl were aware of this problem, and implemented their balancing systems with pairs of counter rotating gyros, precessing in opposite directions. With this arrangement, all motion of the vehicle with respect to inertial space causes equal and opposite torques on the two gyros, and are consequently cancelled out. With the double gyro system, the instability on bends is eliminated and the vehicle will bank to the correct angle, so that no net side force is experienced on board. Shilovsky claimed to have difficulty ensuring stability with double gyro systems, although the reason why this should be so is not clear. His solution was to vary the control loop parameters with turn rate, to maintain similar response in turns of either direction. Offset loads similarly cause the vehicle to lean until the centre of gravity lies above the support point. Side winds cause the vehicle to tilt into them, to resist them with a component of weight. These contact forces are likely to cause more discomfort than cornering forces, because they will result in net side forces being experienced on board. The contact side forces result in a gimbal deflection bias in a Shilovsky loop. This may be used as an input to a slower loop to shift the centre of gravity laterally, so that the vehicle remains upright in the presence of sustained non inertial forces. This combination of gyro and lateral cg shift is the subject of a 1962 patent. A vehicle using a gyro/lateral payload shift was built by Ernest F. Swinney, Harry Ferreira and Louis E. Swinney in the US in 1962. This system is called the Gyro Dynamics monorail.

Ең жоғары айналу жылдамдығы

Газ турбиналы қозғалтқыштардың перифериялық жылдамдығы жоғары шамамен , дейін жетеді және соңғы 50 жыл ішінде мыңдаған ұшақтарда сенімді жұмыс істеді. Сондықтан, орталық ауырлық биіктігі , болатын , үшін гироскоп массасын бағалау, реактивтік қозғалтқыш құрылымында қолданылатын перифериялық жылдамдықтың жартысын алғанда, Бреннанның ұсынған көлік массасының 3-5% өте консервативті болды.