Небольшое дополнение к предыдущей публикации. Робот Berkeley Humanoid Lite далеко не терминатор, но зато его изготовление под силу многим самостоятельно, был бы 3D принтер. Вот ссылки на код и CAD модели, а вот описание. Этого робота можно модернизировать с помощью ИМВ, сделанными самостоятельно и – добро пожаловать в будущее!

P.S.
Вот ссылки (Чертежи и описания и еще вот), на тот случай, если кому нужны собаки (роботы).

# Ожижение углей: получение моторного топлива

Часть вторая: ожижения углей – промышленные способы

В первой части публикации рассматривался самый популярный в последние годы в рунете метод ожижения углей и давалось объяснение, почему он если и будет реализован, то еще очень не скоро. Тема этой части публикации - технологии, которые применяются в промышленности для получения моторных топлив и пути их совершенствования.

Среди множества известных технологий, по существу только две технологии являются промышленно применимыми. Технологии быстрого пиролиза с последующим гидрирование продуктов пиролиза, вполне имеют право быть, но они не позволяют достичь требуемой полноты конверсии (образуется углеродный кокс), либо являются составной частью общей технологии, включающую технологий гидрогенизации. Поэтому здесь рассмотрим только самостоятельные технологии, сами по себе позволяющие получит моторное топливо из угля и это технологии прямого гидрирования и технология «уголь-газ-жидкость» включающая технология синтеза по реакции Фишера-Тропша.

Гидрирование угля, этот промышленный способ впервые был осуществлен в Германии, известный как процесс Бергиуса. Его суть в прямом ожижении угля за счет его гидрирования в форме суспензии в тяжелых оборотных маслах. Существенный вклад в стоимость реализации проекта вносил этап получения водорода, который осуществлялся путем газификации углерода в реакторе с кипящим слоем Винклера. Непосредственно сам процесс гидрогенизации, особенно с использованием современных катализаторов, показывает очень хорошую эффективность с выходом около 50% ДТ и около 25% бензина от массы усредненного угля (если говорить о конверсии органической части – свыше 90%). Однако, расход угля на получение водорода существенно снижает его эффективность и приводит к удорожанию процесса, чем и объясняется неконкурентоспособность классического процесса в условиях существования недорогой и доступной нефти. Рассматривая процесс гидрирования угля, хотелось бы упомянуть патент компании Тойота (Япония) в котором описывается ожижение биомассы с получением топливных фракций. Патент вполне реализуем и может быть положен в основу создания родственных технологий (что в свое время мы подтвердили серией экспериментов), но его значительным недостатком является дороговизна оборудования для его промышленной реализации.

Технология «уголь-газ-жидкость». Эта технология также была впервые применена в Германии и известна как процесс Фишера-Тропша (Ф-Т). Сейчас существует большое количество вариаций этого процесса, позволяющее получать высококачественные топлива и масла. Если говорить о выходе топлив непосредственно в самом процессе наподобие процесса Ф-Т, то он может составлять до 80-90% от теоретического, а среди продуктов примерно 80% ДТ и 20% бензина. Однако, применительно к углям, главным ограничением является экономически эффективный способ получения качественного синтез-газа. Следовательно, ключевым вопросом будет эффективное решение получения качественного синтез-газа. Существует несколько решений задачи экономически эффективного получения синтез-газа требуемого состава. Наиболее новой и перспективной является технология электрохимического синтеза, о которой будет отдельная публикация. Суть технологии состоит в окислении угля на топливном элементе, с получением электроэнергии и монооксида углерода. Электроэнергия расходуется на гидролиз воды с целью получения второго недостающего компонента синтез-газа – водорода. Выделяемый в процессе электролиза кислород направляется на топливный элемент для окисления угля, выработки монооксида углерода и электроэнергии.

Если говорить о процессе получения топлива из угля, то кроме собственно технологии ожижения угля, необходима реализация ряда вспомогательных технологий: в частности утилизации выделяемых соединений серы, например, в форме товарной серной кислоты (электрохимическая технология), очистки рецикла ВСГ, переработка золы с извлечением РЗМ и металлов платиновой подгруппы, а также другие технологии, обеспечивающее экономическую эффективность переработки углей (на фото - установки, которые использовались нами при отработке подобных технологий).

Исходя из изложенного, можно резюмировать, что производство моторного топлива из угля возможно экологически приемлемым способом, но используемые технологии не являются простыми и вряд ли пригодны для портативных малых и сверхмалых установок для мини-, и микро- НПЗ.

Виброизоляторы (амортизаторы) для защиты технических средств: от резинометаллических до тросовых и композитных. Перспективы развития.

Рассматриваемый класс виброизоляторов, вернее виброудароизоляторов, — это устройства, способные снижать воздействие ударов и вибрации. Они применяются в двух случаях: когда нужно изолировать источник вибрации (двигатель вентилятора, насос, работающий станок или иное оборудование) и когда нужно защитить от вибрации и ударов, например, стойки с РЭА, различные приборы и измерительное оборудование, приборы точной механики и другие защищаемые технические средства.

Первыми нашли применение резинометаллические виброизоляторы — недорогие и доступные. Немного позже появились виброизоляторы, где рабочим элементом была спрессованная металлическая вата из спутанной нержавеющей проволоки, и, наконец, позже появились тросовые цельнометаллические виброизоляторы. Общепринятое устоявшееся на сегодня мнение, которое не так далеко от истины, что резинометаллические виброизоляторы — это доступное и недорогое, но не самое эффективное решение, в то время как тросовые виброизоляторы — это более дорогие, но наиболее совершенные решения. Однако с учетом успехов материаловедения, сделавшего коммерчески доступными ряд материалов, ситуация меняется, а развитие каждого из типов виброизоляторов и появление новых делает приведенное выше утверждение уже не таким верным. Данная публикация посвящена типам виброизоляторов, их сравнению, перспективам развития, применения и современным разработкам. Она является своего рода введением к циклу публикаций, где рассматриваемые вопросы будут разобраны подробнее.

Если говорить о предельных характеристиках трех наиболее распространённых типов виброизоляторов, то они примерно равны между собой, т.е. сейчас принципиально возможно создать виброизолятор любого типа с очень высокими характеристиками. Но массовое их производство подразумевает их умеренную стоимость, а значит, многие принципиально возможные решения не могут быть использованы из-за цены, поэтому относительно верным будет сравнение серийных изделий приведенных в таблице ниже, хотя уже сейчас здесь есть исключения.

Тросовые виброизоляторы (с металлическим тросом) – это виброизоляторы, где в качестве упруго-демпфирующего элемента используется стальной трос. Основания виброизоляторов могут иметь различные исполнения: из стали, алюминиевых сплавов, полимерных композитов. Основной объем производимых виброизоляторов рассчитан на диапазон номинальных защищаемых масс от 1 до 120 кг, но виброизоляторы могут изготавливаться и на другие массы, например, на массы в несколько единиц грамм и до 1000 кг статической нагрузки на один виброизолятор. Диапазон рабочих температур для тросовых виброизоляторов, который можно обеспечить, наиболее широк: от -65 до +350 °C без потери характеристик. Однако для обеспечения столь широкого диапазона, когда необходимо сохранить не только целостность виброизолятора, но и обеспечить его работоспособность во всем диапазоне температур с сохранением АЧХ, требуется применение специальных тросовых элементов, оснований из нержавеющей стали и специальной конструкции заделки троса в основание. Однако в подавляющем большинстве случаев столь широкие рабочие температурные диапазоны не требуются, ограничиваясь диапазоном от -65 до +120 °C, что существенно упрощает конструкцию виброизолятора.

Совершенствование тросовых виброизоляторов связано не только с их конструкцией. Наша практика показывает, что все конструктивные решения, касающиеся собственно конструкционной схемы виброизолятора, так или иначе реализованы, причем многие новомодные предложения, такие как виброизоляторы с околонулевой жесткостью, выпускались серийно уже более десяти лет назад. Впрочем, тема виброизоляторов с псевдооколонулевой жесткостью интересна сама по себе, и ей будет посвящена отдельная публикация.

Реальное совершенствование конструкции тросовых виброизоляторов, приводящее к существенному улучшению их АЧХ, массогабаритных и надежностных характеристик, в большей степени возможно за счет оптимизации способов заделки тросовых элементов в сочетании с изменением геометрии их расположения между основаниями виброизолятора. В значительно большей степени развитие тросовых виброизоляторов может обеспечить материаловедение, например, связанное с использованием композитных тросов. При этом композитный трос — это далеко не простейшее сочетание, например, металлического троса (упругодемпфирующая компонента) с полимерным демпфирующим материалом, хотя и такое грамотное сочетание способно дать существенный рост характеристик. Композитный трос может включать элементы искусственных мышечных волокон, систем, реализованных исключительно на свойствах самого материала и способных изменять, например, жесткость и собственную частоту виброудароизолятора в зависимости от воздействий внешней вибрации и ударов, от которых он защищает то или иное изделие.

Виброизоляторы с металлической ватой – их основное преимущество: существенно лучшие характеристики, чем у классических резинометаллических виброизоляторов (но хуже, чем у тросовых), широкие температурные диапазоны эксплуатации (наравне с тросовыми) и при этом относительно невысокая стоимость. Их конструкция достаточно однотипна, а их совершенствование в большей степени связано не с самой конструкцией, а с изменением свойств упругодемпфирующего элемента за счет структуры запутывания проволоки, использования нескольких проволок разных диаметров и композитных составляющих.

Резинометаллические или, в более широком смысле, эластомерно-металлические амортизаторы (виброизоляторы) – их эволюция больше, чем у любых иных типов виброизоляторов, связана с эволюцией используемых материалов, от когда-то простейших резиновых смесей до перспективных эластомеров различной химической природы, способных придать им характеристики на уровне тросовых виброизоляторов. Что касается совершенствования конструкции, то нам известно за все это время только одно реально работающее усовершенствование, предложенное нами и используемое уже около 17 лет: это виброизоляторы, сочетающие газодинамический демпфер. Множество других изменений конструкции, увы, на практике не жизнеспособны.

Как и было сказано в начале публикации, эта статья является, по сути, лишь введением к циклу публикаций, где будут более подробно рассмотрены многие особенности конструкций амортизаторов (виброизоляторов) и их грамотного применения. Будет уделено время сейсмоударозащитным платформам, включая их новое поколение, развитию систем с псевдооколонулевой жесткостью и рассказано, как удалось преодолеть их главные недостатки в новейшей линейке виброудароизоляторов.

Представляем наш канал на Дзене. Эта и другие публикации с большим числом иллюстраций и графических материалов.

Тросовые амортизаторы (виброизоляторы) – новые разработки и системы с квазинулевой жесткостью

Продолжение. Начало здесь.

Тросовые виброизоляторы — одни из основных виброизоляторов, применяемых в технике для защиты разного рода оборудования, включая стойки с РЭА, рабочие места операторов, изоляцию различных агрегатов (насосы, компрессоры, ДВС электрогенераторов) и другие подобные задачи. Долгое время в их эволюции не было ничего нового, однако ситуация изменилась благодаря развитию материаловедения и усилиям ряда научных групп. Эта публикация посвящена новым разработкам тросовых виброизоляторов и созданию изделий принципиально нового класса.

Тросовые виброизоляторы с квазинулевой (псевдооколо нулевой) жесткостью — если брать зарубежные разработки, то это модное направление их развития. Слово «модное» употреблено не случайно, поскольку практическая значимость такого эффекта на практике, в случае именно виброизоляторов для техники, а не, скажем, защиты фундаментов зданий, не так велика, чтобы конкурировать с другими решениями и инженерными подходами. Новизна — это слово тоже неплохо взять в кавычки. Вот, например, авторское свидетельство, выданное в СССР, а вот и современный патент РФ, где, кстати, объяснен общий принцип систем с квазинулевой жесткостью. И, наконец, фотографии только части серийных изделий, выпускаемых свыше 10 лет отечественной компанией.

Виброизоляторы с исполнением, реализующим на определенном участке перемещения механизм квазинулевой жесткости, заметно улучшают характеристики изделия, хотя и не являются решающими без учета других применяемых решений.

Квазинулевая жёсткость виброизолятора — это свойство виброизолятора в определённом диапазоне перемещений обеспечивать жёсткость, почти равную нулю, то есть сопротивление смещению под ударной (вибрационной) нагрузкой минимально. Квазинулевая жёсткость обеспечивается за счёт комбинации двух типов упругих элементов: основного, часто просто вертикальной пружины, и корректора жёсткости, который создаёт «отрицательную» жёсткость. Корректор жёсткости может быть реализован с помощью наклонных пружин, специальных рычагов, пневмопружин или упругих элементов растяжения, которые специально подбираются по жёсткости и геометрии. В рабочем диапазоне жёсткость корректора почти полностью компенсирует жёсткость основной пружины, что, в итоге, делает систему (виброизолятор) очень мягкой, с жёсткостью, почти равной нулю. Всё это позволяет создать участок характеристики, где виброизолятор практически не сопротивляется смещению, но при этом выдерживает статическую нагрузку, а гашение виброударной нагрузки максимально.

Виброизоляторы, включая тросовые амортизаторы, реализующие принцип квазинулевой жесткости, действительно обладают рядом преимуществ. Виброизоляторы с квазинулевой жёсткостью могут быть компактными, иметь собственную частоту всего 0.4–0.8 Гц, а их эффективность свыше 80% и может достигать значений до 0.96 (коэффициент демпфирования более 0.8, до 0.96). Характеристики, которые могут дать системы с квазинулевой жёсткостью, и впрямь многообещающие, если бы не их недостатки, делающие амортизаторы, где применён этот принцип, либо нишевым решением, например, для защиты точной исследовательской аппаратуры (томографов, электронных микроскопов, спектрометров на угловом рассеянии и прочего высокоточного оборудования), либо изделиями, где принцип квазинулевой жёсткости не реализуется в полной мере и, несмотря на положительный эффект, не обеспечивает всех своих потенциальных возможностей, тем более не может быть основным, обеспечивающим эффективность массового серийного (а не уникального и единичного, созданного только для определённой узкой задачи) тросового виброизолятора.

Основные недостатки виброизоляторов с около нулевой жёсткостью:

Сложность настройки: при изменении массы оборудования или условий эксплуатации может потребоваться замена или перенастройка упругого элемента, чтобы сохранить нужные характеристики.
Нелинейность: рабочий участок с нулевой жёсткостью очень чувствителен к изменению нагрузки, что может привести к нестабильной работе системы.
Ограниченный диапазон хода: эффективная виброизоляция обеспечивается только в определённом диапазоне перемещений — если нагрузка выйдет за пределы этого участка, изолятор теряет свои свойства.
Сложность реализации: для достижения околонулевой жёсткости часто используют дополнительные компенсаторы (например, электромагнитные), что усложняет конструкцию и повышает стоимость, а для массовых тросовых виброизоляторов и вовсе не приемлемо.
Потенциальная нестабильность: участки с отрицательной или нулевой жёсткостью могут быть подвержены самопроизвольным смещениям или резонансам, что требует дополнительной стабилизации.

Создание массовых серийных тросовых виброизоляторов, способных работать в относительно широком диапазоне отклонений от расчетной номинальной нагрузки и в широком диапазоне перемещений, до недавнего времени было нерешаемой задачей. Однако успехи в области материаловедения, и в первую очередь в области создания искусственных мышечных волокон (ИМВ), сделали невозможное возможным.

Принцип, который положен в основу новой линейки виброизоляторов, прост и заключается в том, что материал, из которого выполнен основной упругий элемент и/или корректор жёсткости, способен изменять свои упруго-демпфирующие свойства под воздействием внешнего воздействия – вибрации и ударов. Такой технический результат достигается за счёт использования композитного троса, состоящего из собственно стального троса и эластомерной оболочки, выполненной на базе специальных полиуретанов или силиконов (рабочий температурный диапазон от -65 °C до +150 °C более чем достаточен для большинства областей применения и может быть, в случае необходимости, расширен вплоть до +300 °C). Материал эластомерной оболочки наполнен микронными ИМВ, способными сокращаться под действием электрических импульсов, которые генерируют пьезоволокна, также являющиеся наполнителем эластомерного материала. Принцип работы элемента из композитного троса прост: при начале перемещения под действием энергии вибрации или механического удара происходит упругая деформация элемента, а значит, деформация микроскопических пьезоволокон, генерирующих электрические импульсы. Под действием электрических импульсов происходит сокращение ИМВ, которые изменяют упруго-демпфирующие свойства самого рабочего элемента виброизолятора, например, корректора жёсткости. Таким образом, система из пассивной защиты переходит в класс активной системы, сохраняя конструкционную простоту и надежность первой в сочетании с эффективностью второй. По сути, без какого-либо преувеличения, созданная компанией линейка виброизоляторов является новым классом.

Развитие резинометаллических виброизоляторов – от простых изделий до активных виброизоляторов

Резинометаллические виброизоляторы (правильнее употреблять более широкий термин эластомерно-металлические) широко применяются для защиты оборудования от вибраций и ударных нагрузок — их используют в радиоэлектронике, транспорте, строительстве и промышленности. Такие изоляторы традиционно состоят из чередующихся слоёв резины и металла: резина обеспечивает упругость и демпфирование, а металл — прочность и жёсткость конструкции. Изначально и долгое время рассматривались как недорогое и доступное решение для решения задач виброзащиты; однако успехи материаловедения радикально меняют это представление, позволяя говорить об этом классе амортизаторов как о современных и перспективных технических решениях.

Как и писалось ранее, эволюция резинометаллических виброизоляторов, ввиду их принципа работы, больше, чем у любых иных типов виброизоляторов, связана с эволюцией используемых материалов, а не с совершенствованием конструкции. Как и в случае с тросовыми виброизоляторами, наибольшие перспективы в части достижения максимально возможных технических характеристик даёт использование искусственных мышечных волокон (ИМВ)  в сочетании с современными эластомерами. Такое сочетание было реализовано в линейке виброизоляторов серии ВЭ-А, что позволило получить систему с квазинулевой жёсткостью, не только существенно улучшив характеристики виброизолятора, но и переведя его из пассивной системы виброзащиты в активную, сохранив простоту конструкции и надёжность.

Принцип, положенный в основу новой линейки виброизоляторов, заключается в использовании двух типов эластомеров, по типу конструкции цилиндр в цилиндре. Внешний цилиндр выполнен из полиуретанового или силоксанового эластомера (стандартные рабочие температурные диапазоны от -65 °C до +150 °C; в случае необходимости, могут быть расширены вплоть до +300 °C). Внутренний цилиндр выполнен из эластомера, наполненного микронными ИМВ, способными сокращаться под действием электрических импульсов, которые генерируют пьезоволокна, также являющиеся наполнителем эластомерного материала. Принцип работы виброизолятора следующий: при начале перемещения под действием энергии вибрации или механического удара происходит упругая деформация внутреннего цилиндра и, соответственно, деформация микроскопических пьезоволокон, генерирующих электрические импульсы. Под действием электрических импульсов происходит сокращение ИМВ, которые изменяют упруго-демпфирующие свойства внутреннего элемента виброизолятора, выполняющего функцию корректора жёсткости (соответственно, внешний цилиндр является основным пружинным элементом).

Однако использование ИМВ в амортизаторах (на начальном этапе их производства), хотя и заметно дешевле и надёжнее традиционных активных систем виброзащиты с использованием датчиков и управляющей электроники, всё же дороже обычных тросовых или эластомерно-металлических виброизоляторов. К тому же не во всех случаях требуется столь радикальное (вплоть до стремящегося к 1 коэффициента демпфирования) снижение вибрации и ударов. Для создания менее дорогих и более массовых эластомерных виброизоляторов было использовано другое техническое решение, позволившее разработчикам  создать линейку виброизоляторов серии ВЭ-Н, ничуть не уступающих тросовым по основным параметрам, но имеющих меньшую стоимость. Эти виброизоляторы также используют эффект квазинулевой жёсткости,  но без механизма её коррекции, зато в сочетании с другими техническими решениями. Ключевым решением является использование нового композитного эластомера, за счёт своей структуры (эластомерная матрица наполнена эластомерными предварительно напряжёнными волокнами), обеспечивающего реализацию принципа квазинулевой жёсткости в ряде наиболее критически важных диапазонов рабочих частот и одновременно значительно улучшающего характеристики демпфирования благодаря более развитому механизму внутреннего трения. Рассмотренное решение само по себе достаточно эффективно, но может быть дополнено применением газодинамического демпфера (линейка виброизоляторов серии ВЭ-Г), что ещё больше улучшает их характеристики.

Таким образом, использование современных достижений материаловедения позволяет перейти от простых и не в полной мере эффективных резинометаллических виброизоляторов на современные эластомерные изделия, не только не уступающие тросовым виброизоляторам, но в ряде случаев даже их превосходящие.

# Двигатели для дозвуковых крылатых ракет – новая концепция силовой установки

В крылатых ракетах чаще всего используются малогабаритные турбореактивные двигатели, например, ТРДД-50 или Р-95-300. Реже применяются прямоточные воздушно-реактивные, пульсирующие воздушно-реактивные и, в очень редких случаях, ядерные двигатели. Предлагаемая концепция двигателя, где реактивная тяга создается электрической импеллерной установкой, запитанной от металловоздушного топливного элемента. На дозвуковых скоростях такая силовая установка может иметь значительные технико-экономические преимущества перед турбореактивными и прямоточными двигателями.

Говоря о концепции новой энергетической установки, необходимо сказать несколько слов о существующем уровне техники. Еще не так давно, когда говорили о крылатых ракетах, простой обыватель сразу вспоминал американскую ракету «Tomahawk», которая и по сей день остается одной из самых массовых. Ближайшим аналогом «Tomahawk» является российский «Калибр», имеющий лучшие характеристики, чем у «Tomahawk», к тому же летающий на керосине, а не на дорогом JP-10.

JP-10 – это синтетическое топливо, состоящее из тетрагидродициклопентадиена, пришедшего на замену RJ-4 (TH-dimer или тетрагидрометилциклопентадиеновый димер), но не вытеснившего RJ-4 окончательно по причине более высокой стоимости. В России аналогом JP-10 является децилин (Т-10), который служит топливом для малогабаритных турбореактивных двигателей крылатых ракет, таких как дозвуковые Х-55, Х-59М, Х-35 и гиперзвуковых ракет типа «Циркон» и ряда других ракет.

Справка. Децилин используется для увеличения дальности и энергоэффективности двигателя ракет благодаря его более высокой плотности и энергоотдаче (плотность децилина 0,94 г/см³, а плотность керосина около 0,78 г/см³ при равной теплоте сгорания около 43 МДж/кг). Децилин производится на ОАО «Редкинский опытный завод» по разработкам ИОХ РАН и является куда менее доступным топливом, чем авиационный керосин.

Вероятно, для сверхзвуковых и тем более гиперзвуковых ракет децилин является наилучшим и часто безальтернативным видом топлива, таким же безальтернативным, как и типы используемых реактивных двигателей. Но большинство крылатых ракет – это дозвуковые ракеты, летающие на скоростях от 720–830 км/ч (для ракеты Х-55) до 1060 км/ч (для ракеты Х-59М), а значит во всех этих случаях возможны альтернативы не только по топливу, но и по самому типу реактивного двигателя.

Предложенная концепция реактивной двигательной установки предполагает использование реактивной тяги, создаваемой импеллером в связке с электродвигателем, запитанным от металловоздушного топливного элемента. И эта концепция с принятыми техническими решениями имеет существенные преимущества такие как меньшая стоимость, лучшая энергоэффективность, лучшая тепловая скрытность, более высокая надежность.

Для иллюстрации преимущества реактивной электротяги над тягой, создаваемой, например, двухконтурным турбореактивным двигателем, рассмотрим реальную ракету «Калибр» в сравнении с гипотетическим «Калибром», оснащенным двигателем на электротяге согласно предложенным техническим решениям разработанной концепции.