Видеоролик, на котором британский мастер по имени Брайан бережно готовит свой корабль к спуску на воду и демонстрирует оглушительный, реалистичный паровой гудок.

Источник видео: официальное сообщество Grays Thurrock Model Boat Club в Facebook.

Прошло двести лет. Пришло время отказаться от «игрушечной» химии и взглянуть на пар через призму современной математической физики. Настоящее состояние насыщенного и перегретого пара описывается не абстрактными шариками, а спектральной геометрией в пространстве конфигураций: M = SE(3) x R^6.

Часть 1. Манифест «Анти-Химия пара»

Водяной пар не является абстрактным «идеальным газом» гладких упругих шариков, а химические формулы гидратации не отражают его подлинную динамическую причудливость.

Ключевые положения концепции:

1. Ненормальность динамики. Линеаризованный оператор эволюции пара ненормален: [L, L^†] ≠ 0. Его динамика определяется не стандартными собственными значениями, а псевдоспектром Крылова и k-пространством возмущений.

2. Спинодальная потеря полупростоты. На линии фазового перехода и спинодали акустический оператор теряет диагонализируемость. В спектре возникает жорданова ячейка второго порядка J2(0), приводящая к линейному росту амплитуд перед распадом.

3. Отказ от «игрушечной» химии. Вместо упрощённых шариковых моделей и чисто химических связей используется аппарат некоммутативной геометрии, связывающий ориентационные степени свободы SE(3) с внутренними кинематическими модами R^6.

Часть 2. Строгий математический аппарат

1. Жорданова ячейка J2(0) и вязкий распад: При нулевой скорости звука на границе устойчивости (c_T^2 = 0) спектральный оператор сводится к жордановому блоку J2(0). Включение диссипативных эффектов (вязкости νk^2 > 0) снимает вырождение, приводя к распаду ячейки в J = 0 и экспоненциальному затуханию мод.

2. Замкнутый Грамиан P(α): Для меры ненормальности α операторный Грамиан выражается в замкнутой форме, а его определитель равен: det P(α) = 1 + 2α^2 + 3α^4 + α^6

3. Спектральная полоса и регуляризация: Топологическая регуляризация гарантирует сокращение краевого вклада B0[z] = 0. Спектр локализован в полосе |Im τ| < σ0, а динамика удовлетворяет слабому пределу Лерея–Хопфа без требования глобальной гладкости уравнений Навье–Стокса.

Часть 3. Сводные численные инварианты

Ниже приведены строго пересчитанные значения ключевых параметров:

• α_c^{(I)} при cond2(P) = 64: равно 1.331505452... (Сертификат граничной устойчивости модели SE(3) x R^6).

• cond2(P(1)): равно 24.333986869... (Допустимое физическое Krylov-состояние).

• cond2(P(10)): равно 1.798680716 x 10^5 (Экстремальная ненормальность, C3-фальсифицируемость).

• Порог ω(G) = α / √2 - 1/2: граница фазовой синхронизации при α = 0.707106781...

• Критический фактор Zc (IAPWS-95): равно 0.229440970... (Экспериментальный фактор сжимаемости реального пара).

https://doi.org/10.5281/zenodo.22776326

В детстве у меня было две мечты – стать инженером, сделать робота и сконструировать автомобиль. И, в целом, своего я достиг, но, как говорится, есть нюанс. Вернее несколько. Начну я, наверное, издалека. Когда-то я был совсем маленьким, во что сейчас верится с трудом, учитывая мой рост за два метра. Тогда игрушек у меня было довольно много, хотя из самодвижущихся имелись только «Планетоход» и заводные машинки. Планетоход пал моей жертвой, так как уже тогда мне очень хотелось узнать как он работает. Заводные машинки, наверное, тоже не выжили по тем же причинам, я не помню. Помню, что больше у меня ничего «самобеглого» не было, а хотелось. Один раз на параде черноморского флота, перед трибунами, где я сидел, выпустили модели кораблей, которые поразили меня тем, что могли использовать свою артиллерию. Они стреляли ракетами на манер римских свечей, что для меня тогда было совершенной фантастикой. Вероятно, именно тогда я начал увлекаться кораблями. Надо сказать, что увлечение находило поддержку. Мой дед по матери был капитаном подводной лодки, а после ходил в походы на шлюпках, воспитывая молодое поколение матросов. Мне купили несколько книжек по моделированию, и я стал кое-как разбираться в устройстве как парусников, так и вполне современных кораблей.

В одной из этих книг я наткнулся на раздел двигателей для моделей, в котором было упоминание о паровой машине ЦММЛ-К5, что меня тоже очень удивило, так как в ту до эпоху до интернета, мне в голову не могло прийти, что в небольшую модель можно уместить дышащего паром монстра, примером которого в моём городе был только паровоз ЭЛ бронепоезда «Железняков». С тех пор идея о паровой машине меня не покидала, хотя энтузиазм всякий раз угасал при мысли «а как её, собственно, сделать?».  Ответ на этот вопрос дала мне советская книжка, которая попала ко мне значительно позже, уже в начале двухтысячных, называлась она «Самодельные электрические и паровые двигатели» за авторством Абрамова и Хлебникова. В этой книге описано как из спичек и желудей из гильз от револьвера «наган» или охотничьего ружья и других нехитрых материалов можно сделать вполне рабочую модель парового двигателя.

Что характерно, начинается книга с инструкции по изготовлению парового котла. Именно котёл, а не машина является самым сложным. Так было и для меня. Котёл нормально сделать так и не вышло. Мощности паяльника просто не хватало, чтобы хорошо пропаять швы, соединяющие консервную банку с необходимыми элементами. Что же до самой машины, то не найдя у себя гильз, я подумал, а почему бы не использовать готовые пары поршень-цилиндр? На ум сразу пришли шприцы. Одноразовые, разумеется, температуры не выдержат, а вот многоразовые – вполне, они как раз, так и стерилизуются. Было закуплено несколько образцов на местной барахолке и на базе одного, наиболее подходящего, а также маховика от магнитофона и трубок от антенны, был создан этот самогонный аппарат:

К сожалению, из-за неприятностей с текущим котлом, дальнейшего развития эта машина не получила, и тема самодельного двигателестроения была отложена на многие годы. Я отучился в университете, побывал в Британии, где впервые увидел паровые двигатели в работе, потом в Испании, где впервые покатался на паровозе. Однако, следующим двигателем оказалась вовсе не паровая машина.

Я никогда не задумывался всерьёз о постройке четырёхтактного мотора. Учась на специальности «Автомобильный транспорт», я познакомился с устройством этих агрегатов и представлял себе их сложность. Паровая машина была гораздо проще, поэтому моё сознание будоражили автомобили «Доббль» и самолёт братьев Беслер. Однако, когда я поступил в аспирантуру в Испании, на глаза мне попалось видео, в котором один товарищ переделал компрессор от холодильника в двигатель внутреннего сгорания.

Во мне мгновенно проснулась Фрекен Бок – «По телевизору показывают жуликов, ну чем я хуже?» И верно, я базировался в лаборатории, наполненной металлорежущими станками, к которым у меня вполне официально был доступ, и никто особо не спрашивал, а что я на них делаю. К этому так же стоит добавить, что в нашем универе было не очень бережное отношение к наличествующим вещам, поэтому в мусор иногда отправляли весьма хорошие штуки. А уж про обрезки и остатки от старых экспериментов и говорить не приходится. Поэтому в заготовках особой нужды я не испытывал.

Начал я с того, что определился с цилиндром. Я, опять же, решил использовать готовый, хотя, вероятно, мог бы и изготовить подходящий. Донором стал выброшенный нашими автогонщиками (университетской командой) успокоитель ремня от какого-то детища немецкого автопрома. Я распилил его на две части, одну из которых и приспособил для своего будущего мотора. Использовать поршень оттуда же не представлялось возможным, так как успокоитель ремня — это, по сути, газовая пружина и поршень там как в амортизаторе с отверстиями и клапанами. Поэтому поршень был выточен новый. Диаметр поршня был 20 мм и ход примерно 42 мм, что даёт нам рабочий объём 13 кубических сантиметров.

В качестве корпуса мотора было решено использовать непонятного назначения алюминиевую «бадью», фрезерованную кем-то из бруска 50х50 мм. С обоих сторон этой штуки были два отверстия с резьбами под какие-то штуцеры. По задумке, мотор должен был иметь водяное охлаждение, поэтому эту бадейку я разделил на две части перегородкой, которая разделяла картер с маслом и водяную рубашку цилиндра. Её я запрессовал и на всякий случай промазал герметиком, а также зафиксировал винтами по бокам. Заодно эта перегородка исполняла функцию и нижней опоры гильзы цилиндра. Отверстие под гильзу я сверлил и растачивал, когда перегородка уже была установлена, заодно ушло и одно отверстие от штуцера. После расточки, в корпус была запрессована гильза.

Следующим вопросом стал маховик. Дело в том, что обрезков алюминия в лаборатории хватало, а вот со стальными было туго. Но нашелся «лист», вернее плоский обрезок чугуна. Обрезок имел неравную толщину и необычную форму, поэтому, чтобы сделать из него маховик, я стал высверливать центральную, наиболее толстую, его часть.

Когда в руках у меня был обгрызанный кусок, я просверлил в его центре отверстие и запрессовал туда предварительно выточенную под диаметр отверстия ступицу, которую использовал для дальнейшей обработки маховика – придания ему формы правильного диска.

Было решено, что коленчатый вал будет иметь консольное закрепление, это сильно упрощало конструкцию. Подобное решение я впервые увидел на Yamaha Cute и мне оно очень понравилось тем, что мотор было просто разбирать. В связи с этим, сразу стало понятно, что двигатель должен иметь три опоры – переднюю, служащую так же крышкой картера и водяной рубашки; среднюю, фиксирующую подшипник коленвала со стороны картера и заднюю, в которой установлен второй подшипник коленвала. Опоры были вырезаны из обрезков алюминиевого листа, толщиной 4 мм по распечатанным шаблонам.

Потом пришло время изготовить коленвал и кривошипно-шайтанный шатунный механизм. Сам вал был прост – отдельно вал, отдельно щека и отдельно шатунная шейка. Всё делалось из обрезков и мусора.

Поршень выточен из прутка и профрезерован изнутри под шатун. Сбоку сняты лыски под стопорные кольца поршневого пальца. В качестве пальца взята направляющая каретки DVD привода, они очень твёрдые, имеют полированную поверхность и диаметр 3 мм, практически идеально для маленьких подшипников. Подшипников в шатуне, кстати, аж четыре штуки – два со стороны коленвала и два на пальце.

Кольца поршня — это отдельная проблема. По идее, они должны быть чугунные. Я уже не помню, почему я не стал их делать из того же листа, что и маховик. Возможно, потому что зажимать его в токарном станке было бы не за что (у маховика хоть была ступица), а может к тому моменту этот кусок уже был ликвидирован. Поэтому, первая попытка была изготовить кольцо из нержавеющей стали.

Однако, такое кольцо работать отказалось. Была идея попробовать сделать кольца из фторопласта, как в амортизаторах, но фторопласта в лаборатории не водилось. В итоге родилась мысль, что, поскольку мотор особенно нагруженным не будет, это же просто демонстрационная модель, то можно попробовать поставить внутрь обычное резиновое кольцо. Идея себя оправдала, такое кольцо проработало внутри мотора года четыре, после чего потребовалось его заменить, хотя вряд ли причиной был износ – мотор я запускал очень редко, больше времени он просто простаивал, так что, скорее всего это просто фактор времени.

Следующим шагом была головка цилиндра и газораспределительный механизм. Чтобы сделать головку, сначала пришлось изготовить самодельную примитивную однозубую фрезу, так как заводской нужного диаметра не было, как и четырёхкулачкового патрона, куда бы можно было зажать квадратную крышку цилиндра на токарном станке. Камера сгорания имела простую цилиндрическую форму, внутри должны были располагаться два клапана и свеча зажигания.

Клапана делались из двух частей – ножки и тарелки. Ножка – уже знакомая направляющая от каретки оптического привода; тарелка – нержавеющая сталь, напрессованная на ножку. Когда-то, кстати, клапана примерно так и делали, только, разумеется, сваривали вместо просто напрессовки, но я делал что мог. Предварительно угол клапана задавался на станке, а потом дошлифовывался на специальном приспособлении. На той же установке я попытался сделать и шарошку для сёдел с теми же углами, но толку вышло мало, увы.

Клапана, как и на настоящих моторах, надо было притереть. Проблема была в том, что пасты для этого у меня не было. Купить её в местных магазинах у меня не вышло (как-то не очень было в Бильбао с нормальными магазинами), а заказать онлайн я то ли пожлобился, то ли не помню что, но скорее всего это именно проделки жабы, семейный бюджет у нас тогда был ограничен. В общем, пасту делал сам из толчёного абразива, вроде бы из дремельных неармированных дисков и масла. Притереть удалось не сразу, но более-менее удалось. Сохранилось пара фоток процесса.

Газораспределительный механизм типичен для больших или старых моторов, например для ГАЗ 24. Привод распредвала – шестернёй, далее, через толкатели и коромысла движение передаётся на клапана. На такую систему, конечно, тратится некоторое довольно значительное количество мощности из-за того, что приходится всю эту массу ворочать. Но, тяжесть – это надёжно. Нет ремня, который порвётся и покалечит мотор, нет и громыхающей цепи. Шестерни практически бессмертны. У Волги, кстати, в этом плане вообще забавный мотор – даже если произойдёт немыслимое и в ГРМ что-то сломается, то клапана с поршнями не встретятся из огромного размера камер сгорания. В моём моторе примерно так же. Камера сгорания обеспечивает степень сжатия примерно 5, как на совсем древних движках, что вполне достаточно для работы, но объём её относительно большой, клапана находятся далеко от поршня и достать до него не могут.

Так вот, шестерни. Делительную головку я тогда ещё не доделал, поэтому выбирал из того, что было. А были какие-то пластиковые шестерни от принтеров и DVD магнитофонов. Самое важное было найти передаточное число 1:2, ну и чтобы размер был подходящий. Нашлось две пары, из которых после прикидки осталась одна. Шестерни были подогнаны по диаметрам и установлены на место.

Далее дорисовываем остальную сову, в смысле ГРМ. На самом деле – ничего особенно сложного, нужны только коромысла, толкатели и то место, где будет распредвал.

А вот распредвал я сделал хитрым. Поскольку я не располагал возможностью сделать его цельной деталью и не был вполне уверен в том, что смогу сразу правильно сделать конфигурацию кулачков, то сами кулачки были изготовлены отдельно от вала. Всего их было три штуки: по одному на клапан и зажигание. Чтобы сделать их одинаковыми я применил метод копирования, распечатал мастер-модель на 3Д принтере, выточил заготовки на токарном станке и на точиле, при помощи нехитрой приспособы, скопировал.

Кулачки я в итоге выставлял по методичке нашей кафедры «Автомобильный Транспорт» тогда ещё СевНТУ. Только с зажиганием игрался немного. Лучшие результаты мотор показал с поздним зажиганием, немного позже ВМТ. Теперь опять дорисовываем сову и получаем вот такую первичную конфигурацию мотора:

Пожалуй, объясню по недостающим фотографиям. В левой части мотора виден карбюратор, он – испарительного типа а-ля «бульбулятор». Что-то на подобии стояло, например, в автомобиле Бенца. В карбюраторе такой системы воздух проходит через слой жидкого топлива в виде пузырей и уносит его пары с собой. По какой-то не вполне ясной причине мой мотор отказывается работать с распылительными типами карбюраторов. При тестах выяснилась следующая неприятность – при попытке запуска двигателя с распылительным карбюратором, происходит пара вспышек после чего катастрофически падает компрессия из-за прекращения нормальной работы впускного клапана. Почему-то, когда он намокает, то перестаёт работать. Так вот «бульбулятор» эту проблему как раз решает, так как в мотор приходит сухая смесь, а не в виде мельчайших капель, которые просто не успевают испариться. Это, конечно, костыль. У других людей распылительные карбюраторы прекрасно работают, но в чём дело конкретно тут выяснить у меня так и не вышло.

Вернёмся, однако, к новым элементам на фото. Видно, что добавился глушитель, он самый примитивный, просто банка наполненная титановой (без особого умысла, просто в цеху была сливная титановая стружка) стружкой. Не то чтобы такая конструкция была особенно эффективной, но звук несколько тише. Так же можно заметить свечу и модуль зажигания в самодельном корпусе. Это были первые и самые неудачные элементы системы зажигания. Свеча была изготовлена из болта М8, просверленного насквозь с небольшим эксцентриситетом относительно его продольной оси. Эксцентриситет по задумке был нужен для удаления центрального электрода от электрода массы. Электрод массы в этой конструкции свечи вырезался из самого тела болта. В отверстие пропущен изолятор – тефлоновая трубка для 3Д принтеров. Затем внутрь изолятора плотно вставлялся железный центральный электрод подходящего диаметра. Всё бы было хорошо, но изолятор этой системы постоянно прогорал, и искра перемещалась в место прогара.

Вторая итерация свечи работала значительно лучше. Это по сути просто был тефлоновый стержень с нарезанной резьбой М8 и центральным электродом. В такой конструкции боковой электрод пришлось крепить к головке цилиндра.

Модуль зажигания же просто был очень ненадёжен и тоже всё время горел. У этих модулей чрезвычайно хилые трансформаторы, а искра выходит слабая и иногда не справляется с поджогом смеси.

Чуть позже я стал использовать модули для шокеров с встроенным умножителем напряжения. Эти ещё ни разу меня не подвели, а искру выдают гораздо более мощную.

В силу особенностей этих модулей, зажигание у меня получилось контактным наоборот, то есть питание модуля идёт замыканием, а не размыканием. На фотках был виден концевик, на который давит кулачок, ответственный за момент зажигания. Не идеально, но он справляется. Остальная электрическая схема довольно проста. В моих первых тестах я просто запитывал модуль через этот концевик от одной литиевой ячейки (4,2 В). Далее я пришёл к выводу, что стабильные 5 В лучше для питания модуля и перешёл на питание от двух ячеек через понижающий dc-dc преобразователь. Соответственно, чтобы заряжать эти ячейки от USB я использовал dc-dc повышайку. Всю эту ерунду можно видеть на фото ниже.

Но это было потом, а сначала я попытался запустить двигатель как он был (хронологически этот запуск был даже до последнего фото):

Тут мотор, конечно, полуживой. Изначально я не планировал использовать бензин в качестве топлива и заливал внутрь этиловый 96% спирт. Он довольно скверно испарялся и для более-менее приличной работы карбюратор надо было прогревать зажигалкой. Видео первого запуска было снято летом в самой жаркой комнате дома, думаю, только поэтому вообще получилось завести мотор хоть как-то. Впоследствии я стал запускать мотор на бензине для зажигалок. Кроме этого, выяснилось, что нормальная работа мотора возможна только при почти полностью закрытом доступе воздуха в карбюратор. Что, собственно, неплохо видно на следующем видео, где я закрываю входное отверстие пальцем.

Собственно, у этого двигателя дросселя вообще нет. То, что я установил впоследствии на вход карбюратора не регулирует обороты, а просто позволяет мотору в принципе запускаться. Во втором двигателе, изготовленном мною позднее, дроссель стоит между карбюратором и мотором и работает правильно. Кроме этого, пришлось установить защиту от обратной вспышки. Время от времени на высоких оборотах пламя проскакивало обратно в карбюратор. Вероятно, смесь не успевала сгореть полностью на высоких частотах вращения, по идее, исправить это должен был бы регулятор угла опережения зажигания, но у меня такого не предусмотрено конструкцией. Так вот, эта самая вспышка создавала сильное избыточное давление в довольно объёмном карбюраторе, заполненном парами топлива. Давление это, в свою очередь, стремилось разорвать стенки (чего слава богу не произошло), ну или на худой конец выстрелить вверх топливом (слава богу не горящим, а то было бы очень весело). Вот и пришла в голову идея сделать автоматический клапан на входе, открываемый разрежением, но запираемый избыточным давлением, а чтобы газы при вспышке нашли-таки выход, в крышке сосуда было просверлено небольшое отверстие, к которому прижимался кусок силикона, формируя, таким образом, ещё один клапан. Система работала, но иногда этот кусок силикона улетал весьма далеко, так как надёжного крепления у него организовано не было.

В целом, мотор оказался весьма капризным детищем, которое, хотя и работало, но не слишком хорошо. Были постоянные проблемы то с зажиганием, то с компрессией, то с топливной смесью, да и толком не реализованное водяное охлаждение так же пару раз давало течь. Всё это привело меня к мысли, что можно было бы переработать конструкцию и попробовать изготовить другой мотор, воздушного охлаждения, на базе того второго обрезка того успокоителя. Эта вторая попытка потянула за собой изготовление не только мотора, но и четырёхступенчатой коробки передач, заднего моста, рамы и вообще остального автомобиля вокруг. Но это уже другая история.

Надеюсь, вы не заскучали.

Автор текста: dio_eraclea

Написано при поддержке Timeweb Cloud ↩

Больше интересных статей и новостей в нашем блоге на Хабре и телеграм-канале