Введение

Гиромонорельс, гироскопический монорельс, гиростабилизированный монорельс или гирокар – это термины для однорельсового наземного транспортного средства, использующего гироскопический эффект вращающегося колеса для преодоления присущей ему нестабильности при балансировке на одной рельсе. Монорельс связан с именами Луи Бреннана, Августа Шерла и Петра Шиловского, каждый из которых построил полномасштабные рабочие прототипы в начале двадцатого века. Версия была разработана Эрнестом Ф. Суини, Гарри Феррейрой и Луисом Э. Суини в США в 1962 году. Гиромонорельс так и не был разработан дальше стадии прототипа. Основным преимуществом монорельса, отмеченным Шиловским, является подавление колебаний неустойчивости, являвшихся ограничением скорости для обычных железных дорог того времени. Кроме того, по сравнению с радиусом поворота в 7 км, типичным для современных высокоскоростных поездов, таких как TGV, возможны более крутые повороты, поскольку транспортное средство автоматически наклоняется на поворотах, как самолет, что исключает ощущение бортового центростремительного ускорения. Основным недостатком является то, что для поддержания вертикального положения гироскопом должны быть оснащены многие вагоны – включая пассажирские и грузовые, а не только локомотив. В отличие от других способов поддержания равновесия, таких как боковое смещение центра тяжести или использование маховиков, гироскопическая система балансировки является статически стабильной, поэтому система управления служит лишь для обеспечения динамической стабильности. Таким образом, активная часть системы балансировки точнее описывается как демпфер крена.

Монорельсовая линия Бреннана

На изображении в главном разделе изображен прототип транспортного средства весом 22 тонны (без нагрузки), разработанный Луисом Бреннаном. Бреннан подал свой первый патент на монорельсовый поезд в 1903 году. Его первая демонстрационная модель была просто коробкой, содержащей систему балансировки. Однако этого было достаточно для того, чтобы Армейский совет рекомендовал сумму для разработки полноразмерного транспортного средства. Это было отклонено их финансовым департаментом. Однако армия нашла средства из различных источников для финансирования работы Бреннана. В рамках этого бюджета Бреннан создал большую модель, поддерживаемую в равновесии двумя гироскопическими роторами диаметром. Эта модель до сих пор хранится в Лондонском музее науки. Трасса для транспортного средства была проложена на территории дома Бреннана в Гиллингеме, Кент. Она состояла из обычных газовых труб, уложенных на деревянные шпалы, с 15-метровым мостом из стального троса, крутыми поворотами и уклонами до одной пятой. Бреннан продемонстрировал свою модель в лекции Королевскому обществу в 1907 году, когда она была показана движущейся вперед и назад "по натянутому и тонкому проводу" "под полным контролем изобретателя". Железная дорога Бреннана в значительной степени оправдала первоначальный энтузиазм военного ведомства. Однако выборы в 1906 году либерального правительства с политикой финансовой экономии фактически прекратили финансирование со стороны армии. Однако Индийское управление выделило аванс в 1907 году для разработки монорельсовой дороги для Северо-Западной пограничной области, а в 1908 году дополнительная сумма была выделена Дурбаром Кашмира. Эти деньги были почти израсходованы к январю 1909 года, когда Индийское управление выделило еще. 15 октября 1909 года вагон впервые пошел на собственной мощности, перевозя 32 человека по территории завода. Трансмиссия была электрической, с бензиновым двигателем, приводящим в действие генератор, и электродвигателями, расположенными на обеих тележках. Этот генератор также обеспечивал питание гиромоторов и воздушного компрессора. Система балансировки использовала пневматический сервопривод, а не фрикционные колеса, использовавшиеся в более ранней модели. Гироскопы были расположены в кабине, хотя Бреннан планировал переместить их под пол транспортного средства перед публичной демонстрацией, но представление машины Шерля вынудило его перенести первую публичную демонстрацию на 10 ноября 1909 года. Не хватило времени, чтобы переставить гироскопы до публичного дебюта монорельса. Настоящим публичным дебютом монорельсовой дороги Бреннана стала Японско-британская выставка в Уайт-Сити, Лондон, в 1910 году. Монорельсовый вагон перевозил 50 пассажиров одновременно по круговой трассе. Среди пассажиров был Уинстон Черчилль, проявивший значительный энтузиазм. Интерес был настолько велик, что в Англии и Германии были произведены детские заводные игрушки-монорельсы, одноколесные и гиростабилизированные. Хотя монорельсовый транспорт был жизнеспособным средством передвижения, он не смог привлечь дальнейшие инвестиции. Из двух построенных транспортных средств одно было продано на металлолом, а другое использовалось в качестве беседки в парке до 1930 года.

Машина Шерла.

Как только Бреннан завершил испытания своего транспортного средства, Август Шерль, немецкий издатель и филантроп, объявил о публичной демонстрации гиромонорельса, разработанного им в Германии. Демонстрация должна была состояться в среду, 10 ноября 1909 года, в Берлинском зоологическом саду. Машина Шерля, также полноразмерная, была несколько меньше, чем у Бреннана, – её длина составляла всего 17 футов (5,2 м). Она могла вместить четырех пассажиров на паре поперечных скамеек. Гироскопы располагались под сиденьями и имели вертикальные оси, тогда как Бреннан использовал пару гироскопов с горизонтальной осью. Сервомеханизм был гидравлическим, а привод – электрическим. Строго говоря, Август Шерль лишь предоставил финансовое обеспечение. Механизм стабилизации был изобретен Полом Фрёлихом, а автомобиль спроектирован Эмилем Фальке. Несмотря на то, что автомобиль был хорошо принят и безупречно работал во время публичных демонстраций, ему не удалось привлечь существенную финансовую поддержку, и Шерль списал свои вложения в него.

Работы Шиловского

После того, как Бреннану и Шерлу не удалось привлечь необходимые инвестиции, практическая разработка гиромонорельса после 1910 года продолжилась благодаря работе Петра Шиловского, русского аристократа, проживавшего в Лондоне. Его система балансировки основывалась на несколько иных принципах, чем у Бреннана и Шерла, и позволяла использовать меньший, более медленно вращающийся гироскоп. Разработав модель гиромонорельса в 1911 году, он спроектировал гирокар, который был построен компанией Wolseley Motors Limited и испытан на улицах Лондона в 1913 году. Поскольку в нем использовался один гироскоп, а не пара с противоположным вращением, которую предпочитали Бреннан и Шерл, он демонстрировал асимметрию в поведении и становился нестабильным при резких поворотах налево. Он вызвал интерес, но не получил серьезного финансирования.

Развитие после Первой мировой войны

В 1922 году советское правительство начало строительство Шиловской монорельсовой дороги между Ленинградом и Царским Селом, но финансирование проекта иссякло вскоре после его начала. В 1929 году, в возрасте 74 лет, Бреннан также разработал гирокар. Консорциум компаний Austin, Morris и Rover отклонил его предложение, сославшись на то, что они могли продать все выпускаемые ими традиционные автомобили.

XXI век: Монокаб

В октябре 2022 года Техническая высшая школа OWL, Университет прикладных наук в Билефельде, Институт оптики, системной техники и обработки изображений Фраунгофера и Landeseisenbahn Lippe e. V. представили гиростабилизированную монорельсовую дорогу по концепции Бреннана на участке железной дороги Экстертал в Германии. Система, получившая название Monocab, предназначена для обеспечения двустороннего движения на одном пути, поскольку транспортные средства используют только один рельс. Кабины, которые планируется эксплуатировать автономно по запросу, имеют соответствующую узкую конструкцию. В сентябре 2020 года проект Monocab был профинансирован из Европейского фонда регионального развития и земли Северный Рейн-Вестфалия на общую сумму 3,6 миллиона евро.

Основная идея

Транспортное средство движется по одному обычному рельсу, поэтому без системы стабилизации оно опрокинется. В карданную раму установлено вращающееся колесо, ось вращения которого (ось прецессии) перпендикулярна оси собственного вращения. Устройство монтируется на шасси транспортного средства таким образом, чтобы в состоянии равновесия ось вращения, ось прецессии и ось крена транспортного средства были взаимно перпендикулярны. Принудительное вращение карданной рамы вызывает прецессию колеса, что создает гироскопические моменты относительно оси крена, позволяя механизму восстанавливать вертикальное положение транспортного средства при наклоне. Колесо стремится сонаправить свою ось вращения с осью вращения (осью карданной рамы), и именно это действие вращает все транспортное средство вокруг своей оси крена. В идеале механизм, создающий управляющие моменты для карданной рамы, должен быть пассивным (например, система пружин, демпферов и рычагов), но фундаментальная природа задачи показывает, что это невозможно. Равновесное положение соответствует вертикальному положению транспортного средства, поэтому любое отклонение от него снижает высоту центра тяжести, уменьшая потенциальную энергию системы. Любой механизм, возвращающий транспортное средство в равновесие, должен быть способен восстановить эту потенциальную энергию и, следовательно, не может состоять только из пассивных элементов. Система должна включать в себя активный сервопривод.

Боковые нагрузки

Если постоянные боковые силы сопротивлялись бы только гироскопическим эффектам, то кардан быстро упирался бы в упоры, и транспортное средство опрокинулось бы. На самом деле, механизм заставляет транспортное средство наклоняться в сторону возмущения, сопротивляясь ему компонентой веса, при этом гироскоп находится близко к своему исходному положению. Инерционные боковые силы, возникающие при повороте, заставляют транспортное средство наклоняться в поворот. Один гироскоп вносит асимметрию, из-за которой транспортное средство наклоняется либо слишком сильно, либо недостаточно сильно, чтобы результирующая сила оставалась в плоскости симметрии, поэтому боковые силы все равно будут ощущаться на борту. Чтобы обеспечить правильный крен транспортного средства в поворотах, необходимо устранить гироскопический момент, возникающий из-за скорости поворота транспортного средства. Свободный гироскоп сохраняет свою ориентацию относительно инерциального пространства, а гироскопические моменты генерируются путем вращения его вокруг оси, перпендикулярной оси вращения. Однако система управления отклоняет гироскоп относительно шасси, а не относительно неподвижных звезд. Следовательно, тангаж и рыскание транспортного средства относительно инерциального пространства приводят к дополнительным нежелательным гироскопическим моментам. Они приводят к неустойчивому равновесию, 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 на своем автомобиле, который, следовательно, не мог выполнять резкие повороты налево. Бреннан и Шерл знали об этой проблеме и реализовали свои системы стабилизации с использованием пар противовращающихся гироскопов, прецессирующих в противоположных направлениях. При такой компоновке любое движение транспортного средства относительно инерциального пространства создает равные и противоположные моменты на двух гироскопах, которые, следовательно, компенсируют друг друга. Благодаря двойной гиросистеме неустойчивость в поворотах устраняется, и транспортное средство наклоняется под правильным углом, так что на борту не ощущается результирующая боковая сила. Шиловский утверждал, что ему было трудно обеспечить устойчивость с помощью двойных гиросистем, хотя причина этого не ясна. Его решение заключалось в изменении параметров контура управления в зависимости от скорости поворота, чтобы поддерживать аналогичный отклик в поворотах в любом направлении. Смещение нагрузки также заставляет транспортное средство наклоняться до тех пор, пока центр тяжести не окажется над точкой опоры. Боковой ветер заставляет транспортное средство наклоняться к ветру, чтобы сопротивляться ему компонентой веса. Эти контактные силы, вероятно, вызовут больший дискомфорт, чем силы при повороте, поскольку они приведут к ощущению результирующих боковых сил на борту. Контактные боковые силы приводят к смещению карданного подвеса в контуре Шиловского. Это можно использовать в качестве входного сигнала для более медленного контура, чтобы сместить центр тяжести вбок, чтобы транспортное средство оставалось в вертикальном положении при наличии постоянных неинерциальных сил. Эта комбинация гироскопа и бокового смещения центра тяжести является предметом патента 1962 года. Транспортное средство с использованием гироскопа и бокового смещения полезной нагрузки было построено Эрнестом Ф. Суини, Гарри Феррейрой и Луи Э. Суини в США в 1962 году. Эта система называется монорельсом Gyro Dynamics.

Максимальная скорость вращения

Газотурбинные двигатели разработаны с периферийными скоростями до , и на протяжении последних 50 лет надёжно эксплуатируются на тысячах самолетов. Следовательно, оценка массы гироскопа для , с высотой центра тяжести , при условии периферийной скорости, вдвое меньшей, чем используемая в конструкции реактивных двигателей, является лишь оценкой. Рекомендация Бреннана в 3–5% от массы транспортного средства, таким образом, была чрезмерно консервативной.