О скорости, мощности и ресурсе

В статье «О максимальной скорости танка» достаточно разобран вопрос о зависимости максимальной скорости танка от его массы и мощности его двигателя. Попробуем взглянуть на ту же проблему с абстрагированной от технических подробностей точки зрения, опираясь на школьный курс физики и элементарную логику, которая заложена инженерами в ту или иную конструкцию. Такого рода рассуждения сыграли большую роль в истории науки вообще и в истории двигателестроения в частности: Сади Карно в своих трудах не рассматривал детальное устройство котлов, цилиндров, поршней, впускных, выпускных и перепускных клапанов современных ему паровых машин в промышленности и на транспорте.

Для начала введём следующие определения:

• Транспортное средство – машина, предназначенная для перевозки груза (экипажа, пассажиров), приводимая в движение устройством, преобразующим имеющийся на ней запас какой-либо энергии (или поступающую на неё энергию извне) в механический её вид (в подавляющем большинстве случаев, но не всегда – например поезда на магнитной подушке прямо приводятся в движение энергией электромагнитного поля). Это устройство называется двигателем. В рассматриваемом контексте неважно, напрямую ли двигатель приводит в движение транспортное средство (мотор-колесо или система проводников электрического тока у поездов на магнитной подушке) или при этом используется некая система передачи энергии (трансмиссия) от двигателя к узлам, непосредственно ответственным за приведение транспортного средства в движение (например, к ведущим колесам автомобиля).

• Максимальная скорость транспортного средства – наибольшая величина скорости на ровной твёрдой поверхности, для которой изготовителем транспортного средства и надзорными инстанциями гарантируется его работоспособность с заданными параметрами (перевозимая масса, безопасность экипажа, пассажиров и груза, безотказность действия всей машины в целом).

При установившемся движении с постоянной скоростью двигатель генерирует энергию, которая расходуется транспортным средством на преодоление сопротивления его движению. При этом сила тяги двигателя уравновешивается суммарной от всех причин силой сопротивления движению. Значит ли это, что при движении с указанной в паспорте транспортного средства максимальной скоростью двигатель работает на своей максимальной мощности? Ведь именно выполнение этого условия требуется для того, чтобы при увеличении массы транспортного средства (а значит и силы сопротивления движению) двигатель не мог более компенсировать это приращением своей силы тяги, что неизбежно приведет к возникновению замедления и падению максимальной скорости.

Элементарная логика показывает, что это не так. Максимальная скорость движения конструкторами транспортного средства рассчитывается таким образом, чтобы при прочих равных оно могло сохранять свои характеристики при движении под нагрузкой (особенно актуально для локомотивов, тракторов, грузовых автомобилей, артиллерийских тягачей) и при движении «в гору» по наклонной поверхности, когда к силе сопротивления прибавляется проекция силы веса на эту поверхность. То есть даже при движении с максимальной паспортной скоростью двигатель транспортного средства не работает на своей максимальной мощности. Это нужно, чтобы иметь запас мощности, чтобы при каком-либо увеличении сопротивления движению парировать его усилением тяги. Естественно, что для такого усиления нужно откуда-то взять дополнительную энергию, которая из ничего не возникает. Прирост мощности обеспечивается сжиганием дополнительных порций топлива, дополнительным разрядом аккумуляторов/батарей или дополнительным отбором электроэнергии от контактной сети/рельса. И даже при этом часто двигатель не выходит на свою максимальную мощность, имея значительный резерв.

Так зачем тогда надо устанавливать мощные двигатели, если поддержание режима установившегося движения не требует больших затрат энергии в единицу времени? А очень просто – скорость надо ещё набрать за нужный отрезок времени, а для движения со значительным ускорением энергетические затраты очень велики, именно на этом этапе двигатели транспортного средства работают в режиме максимальной мощности или на короткое время даже превышают её.

Поэтому становится ясным, почему увеличение массы с 26 тонн у Т-34 до 32 тонн у Т-34-85 не сопровождалось уменьшением максимальной скорости танка: дизельный двигатель В-2-34 имел достаточный резерв при работе на высшей передаче, чтобы компенсировать возросшее сопротивление движению повышенной отдачей мощности. Можно также вспомнить одинаковую паспортную максимальную скорость в 34 км/ч очень сильно отличающихся по массе тяжёлых танков КВ-1 и КВ-2 при одинаковой моторно-трансмиссионной группе – на хорошей дороге сопротивление движению от дополнительных 11 тонн парировалось возросшей отдаваемой мощностью дизеля В-2К. Правда в условиях некоторых эпизодов Зимней войны, когда надо было начать движение по глубокому снегу, КВ-1 еле-еле справлялся с этой задачей, а КВ-2 и вовсе не мог тронуться с места – хорошая иллюстрация к всему вышеизложенному.

Негатив тут очевиден: при прочих равных двигатель будет работать в более напряжённом режиме с повышенными тепловыми и механическими нагрузками, его части будут быстрее изнашиваться и общий ресурс всего агрегата уменьшится. Кроме того, гарантирован повышенный расход топлива (например так было у поздних и лучше бронированных лёгких танков Т-60 относительно ранних машин этого типа при тех же двигателе, трансмиссии и гусеничном движителе). Правда в случае с «тридцатьчетвёркой» это сильно замаскировано улучшением к 1944 году качества изготовления ходовой части, трансмиссии и двигателя (уменьшается внутреннее сопротивление движению) – запас хода и ресурс машины в целом не уменьшились. Зато в истории с тяжёлым танком КВ-9 именно этот фактор стал решающим в принятии решения об отказе от его валового производства. Качество изготовления двигателей и трансмиссии танка КВ-1 сильно упало в 1942 году из-за нехватки качественных материалов, замены их малопроверенными эрзацами и работы на станках малообученного персонала (женщины и подростки вместо ушедших на фронт квалифицированных рабочих). Из-за установки 122-мм танковой гаубицы У-11 в новой башне масса машины возросла до 47 т против 42 т у стандартного КВ-1, на чью базу эту башню поставили. Максимальная скорость при этом не уменьшилась, но расчётный ресурс дизеля и агрегатов трансмиссии из-за более напряжённого режима их работы оказался настолько низким, что КВ-9 рисковал просто не доехать до поля боя. Из-за этого Красной Армии еще долго пришлось воевать без близкой поддержки со стороны крупнокалиберных артиллерийских систем.