Silnik prochowy - Gunpowder engine

Silnik prochu , znany także jako silnik wybuchem lub silnika Huygensa , to rodzaj silnika spalinowego wewnętrznego spalania przy użyciu prochu jako paliwo . Koncepcja została po raz pierwszy zbadana w XVII wieku, w szczególności przez słynnego holenderskiego erudytę Christiaana Huygensa . George Cayley również eksperymentował z projektem na początku XIX wieku jako silnik lotniczy i twierdzi, że stworzył modele, które działały przez krótki czas. Istnieje również uporczywe twierdzenie, że konwencjonalny silnik benzynowy z karboretem może być napędzany prochem strzelniczym, ale nie można udokumentować żadnych przykładów udanej konwersji.

Najwcześniejsze wzmianki

Silnik prochowy oparty jest na wielu wcześniejszych pomysłach i odkryciach naukowych, opracowanych niezależnie przez wiele osób.

Wczesne urządzenia miały na celu po prostu podnoszenie i/lub utrzymywanie ciężaru (zwykle w celu zbadania i zademonstrowania fizyki), podczas gdy silniki mają na celu wykonywanie pracy kontrowersyjnej (zwykle z zamiarem zrobienia czegoś pożytecznego).

Urządzenia próżniowe do podnoszenia/utrzymywania ciężaru

Leonardo da Vinci opisał w 1508 roku urządzenie do „podnoszenia ciężkiego ciężaru ogniem” za pomocą lufy armatniej i prochu strzelniczego.

Galileo Galilei przeprowadził gruntowne eksperymenty z podnoszeniem ciężarów za pomocą próżni. Otto von Guericke praktycznie badał próżnię, ale do jej wytworzenia używał pomp.

Robert Hooke ukrył zdanie, które tłumaczy się jako „Próżnia” pozostawiona przez ogień podnosi ciężar. w swojej książce z 1676 r. Description of Helioscopes and Other Instruments .

Wczesne silniki

Najwcześniejsze wzmianki o silniku prochowym wydają się pochodzić od Samuela Morlanda z 1661 roku. Składa się ono wyłącznie z listu patentowego napisanego przez króla Karola II, który wpłynął do Whitehall 11 grudnia 1661 roku. Nie zachowały się żadne inne informacje o tym „silniku”. , ale opis obejmuje użycie próżni i proszku do pobierania wody.

Kolejną znaną wzmianką jest Jean de Hautefeuille z 1678 r., sugerowany jako rozwiązanie problemu podniesienia wody z Sekwany do zasilania Wersalu . Przedstawił dwa pomysły, jeden wykorzystujący próżnię podobną do pomysłu Morlanda, a drugi wykorzystujący rurkę w kształcie litery U z wodą po jednej stronie i powietrzem po drugiej. Gdy proch strzelniczy zapalał się po stronie wypełnionej powietrzem, wzrost ciśnienia powodował, że woda byłaby w górę po drugiej stronie.

Podobnie jak wczesne konstrukcje silników parowych , silniki te wykorzystywały powietrze lub próżnię wytworzoną przez proch strzelniczy do bezpośredniego podnoszenia wody. Nie było części mechanicznych w stylu nowoczesnych silników, które przekształcają moc w ciśnieniu gazu na dowolną potrzebną formę mechaniczną.

Huygens i Papin

Proch strzelniczy i silnik powietrzny Huygensa

W 1671 Denis Papin otrzymał posadę w Akademii Biblioteki Królewskiej w Paryżu , gdzie pracował pod kierunkiem Kuratora Eksperymentów, Christiaana Huygensa . Huygens powierzył Papinowi zadanie przeprowadzenia badań nad powietrzem i próżnią , które w tamtym czasie były przedmiotem szeroko zakrojonych badań międzynarodowych. W ramach eksperymentów Papin zmierzył siłę niewielkiej ilości prochu zapalonego w małych naczyniach żelaznych i miedzianych. Papin opublikował opis wszystkich tych eksperymentów w 1674 roku w New eksperymentach na próżni, wraz z opisem maszyn używanych do ich wykonania .

Papin przeniósł się do Londynu wkrótce po publikacji i od tego czasu był bardziej zaangażowany w rozwój pary. Chociaż jego rozwój wskazał drogę do wczesnego silnika parowego, sam Papin zainteresował się utajonym ciepłem pary i opracował „warnik parowy”, pierwszy szybkowar . Wymyślił również szereg urządzeń wykorzystujących ciśnienie powietrza jako płyn roboczy, w tym szereg fontann, pomp i podobnych urządzeń.

Pomimo braku dalszych przykładów pracy nad cząstkami ze strony Papina, prowadził on ciągłą korespondencję z Gottfriedem Wilhelmem Leibnizem na ten i inne tematy. Leibniz próbował przez cały czas zainteresować Papina dalszym rozwojem, w pewnym momencie zauważając: „Aczkolwiek słusznie radziłbym [panu], monsieur, aby podjął się bardziej znaczących rzeczy, które zmusiłyby wszystkich do wyrażenia aprobaty i naprawdę zmieniłyby stan rzeczy. elementy wiążące ze sobą maszynę pneumatyczną i proch strzelniczy oraz przykładanie siły ognia do pojazdów rzeczywiście miałyby taki charakter” Papin odpowiedział, że skonstruował mały model łodzi z kołem łopatkowym, ale nie podano typu silnika.

Silnik Huygensa

Pokaz silnika prochowego Huygens z 1682 r., w którym bęben prochu wytwarza wystarczającą próżnię, aby unieść w powietrze 8 chłopców.

Huygens zainteresował się jednak mechaniczną mocą próżni i możliwością wykorzystania prochu do jego produkcji. W 1678 naszkicował on maszynę prochową składającą się z pionowej rury zawierającej tłok . Proch został włożony do tuby i zapalony przez mały otwór u podstawy, jak armata. Rozprężające się gazy będą napędzać tłok w górę rury, aż osiągnie punkt w pobliżu szczytu. Tutaj tłok odsłonił otwory w rurze, które pozwoliły na ucieczkę pozostałych gorących gazów. Ciężar tłoka i próżnia wytworzona przez gazy chłodzące w zamkniętym cylindrze wciągnęły tłok z powrotem do rury, podnosząc masę testową w celu dostarczenia mocy.

Źródła podają, że pojedynczy egzemplarz tego typu silnika zbudowano w 1678 lub 79 roku z armatą jako cylindrem. Cylinder został przytrzymany do podstawy, w której znajdował się proch strzelniczy, dzięki czemu był to projekt ładowania odtylcowego . Gazy wydostawały się przez dwie skórzane rurki przymocowane w górnej części lufy. Gdy tłok do nich dotarł, gazy rozerwały rurki, a gdy ciśnienie spadło, grawitacja pociągnęła skórę w dół powodując, że rurki opadły na bok cylindra, uszczelniając otwory.

Huygens przedstawił artykuł o swoim wynalazku w 1680 roku, Nowa siła napędowa za pomocą prochu i powietrza . Do 1682 r. urządzenie z powodzeniem wykazało, że jedna ćwiartka (1/16 uncji) prochu strzelniczego w cylindrze o wysokości siedmiu lub ośmiu stóp i średnicy piętnastu lub osiemnastu cali może podnieść siedmiu lub ośmiu chłopców (czyli około 1100 funtów). w powietrze, który trzymał koniec liny. Jednak we współczesnych źródłach toczy się poważna debata na temat tego, czy silnik mógł zostać zbudowany. Uszczelnienie tłoka w cylindrze okazało się bardzo trudnym problemem we współczesnych rekreacjach.

Od tego momentu znaleziono niewiele wzmianek o wczesnych silnikach prochowych. Wykorzystanie pary wodnej, zwłaszcza po wprowadzeniu silnika atmosferycznego w 1712 roku, pochłonęło cały dalszy wysiłek rozwojowy.

Cayley

W ramach swoich badań nad lotem z napędem, George Cayley był zaniepokojony niskim stosunkiem mocy do masy silników parowych, narzekając, że „silnik parowy okazał się dotychczas zbyt ciężki i niewygodny dla większości celów lokomocji”. Zajął się opracowywaniem nowego projektu silnika, począwszy od 1807 roku, i szybko zdecydował się na silniki prochowe jako preferowane rozwiązanie, zauważając: „Brak prostego i lekkiego pierwszego pojazdu na małą skalę w celu przeprowadzenia kilku eksperymentów przygotowawczych na powietrzu. nawigację, skonstruowałem taką, w której wykorzystano siłę prochu i ciepło powstałe w wyniku jego eksplozji, działające na pewną ilość zwykłego powietrza”.

Jego notatniki pokazują projekt znacznie ulepszony w stosunku do notatników Huygensa i podobnych. W projekcie Cayleya dwa cylindry były umieszczone jeden nad drugim, dolny pełnił funkcję komory spalania, a górny zawierał tłok. Na dno dolnego cylindra wsypywano niewielki ładunek prochu i zapalano go gorącym prętem ogrzewanym świecami. Rozprężone gazy pchały tłok w górę, a ta energia została schwytana w duży łuk , w efekcie cofając łuk, jakby przygotowywał się do wystrzelenia strzały. Cięciwa ściągnęła tłoczysko z powrotem w dół, gdy gazy ulatniały się i ochładzały, kończąc cykl.

W późniejszej wersji Cayley próbował rozwiązać problem ciągłej jazdy na rowerze. W tej wersji komora spalania została usunięta do osobnego cylindra umieszczonego z boku cylindra mocy. W górnej części tej komory przechowywano proch strzelniczy, a niewielkie ilości odmierzano tak, aby wpadały do ​​strefy spalania poniżej. Gorące gazy były następnie odprowadzane z obszaru spalania do cylindra mocy. Składał się on z dwóch tłoków na wspólnym tłoczysku, przy czym gazy przepływały na przeciwne strony cylindra, tworząc silnik dwustronnego działania.

W liście Cayley stwierdził, że skonstruował jeden z tych projektów (chociaż o tym nie wspomniano), ale stwierdził również, że nie działa on zbyt dobrze. Z biegiem czasu zaprojektował kilka maszyn latających wykorzystujących silnik, ale wydaje się, że nie próbowano żadnego większego działającego modelu.

Paine i inni

Thomas Paine wprowadził zupełnie nowy typ konstrukcji silnika, który bardziej przypominał koło wodne niż silnik konwencjonalny. W silniku Paine'a wokół koła rozmieszczono szereg przypominających miseczki komór spalania. Gdy koło się obracało, każdy kubek otrzymywał niewielką ilość prochu strzelniczego z centralnego pojemnika, a następnie był zapalany.

W literaturze można znaleźć wiele innych wzmianek o silnikach prochowych, ale nie wydaje się, by były one używane operacyjnie.

W nowoczesnych silnikach

Pomysł, że konwencjonalny silnik benzynowy może być napędzany prochem, jest stałym tematem dyskusji. Została podjęta przez MythBusters w odcinku 63 i po wielu próbach została uznana za „porażkę”.

Linki internetowe

Bibliografia

Cytaty

Bibliografia