Глава 38 Ползунов против Уатта Паровая машина

Практически все учебники советского периода (и некоторые современные) утверждают, что паровой двигатель задолго до Уатта изобрел русский механик и инженер Иван Иванович Ползунов. «Но как же Ньюкомен? — спросит эрудированный читатель. — Как же Севери?» Давайте разберемся в том, кто на самом деле изобрел паровой двигатель.

2 июля 1698 года английский механик Томас Севери получил патент на «Новое изобретение, предназначенное для подъема воды и производства движения для любого типа фабричных работ с помощью движущей силы огня, которое принесет огромную пользу в области осушения шахт, подачи воды в города, а также для работы производств, не имеющих постоянного доступа к воде или к ветряным мельницам». Это примерный перевод названия, но общая суть была такова: Томас Севери запатентовал первый в истории паровой насос.

Севери и до него

В машине Севери не было цилиндра как такового. Он представлял собой систему из двух сообщающихся резервуаров. В первом — котле — находилась вода, которую нагревали до состояния кипения, после чего пар выпускали во второй резервуар — насос. Затем туда же заливали холодную воду, пар мгновенно конденсировался, и внутри резервуара образовывалось пониженное давление. Интересно, что если бы Севери додумался до концепции цилиндра, он мог бы построить полноценный двигатель: насосный резервуар забирал бы воздух из камеры и тянул на себя цилиндр. Но Севери так далеко не зашел: его машина всасывала воду в освободившееся от пара пространство и выпускала ее с другой стороны.

Безусловно, насос Севери представлял собой крайне примитивное устройство с исключительно низким КПД и огромными теплопотерями. Тем не менее его уверенно можно назвать первой в истории работоспособной паровой машиной. К 1702 году было построено несколько полноразмерных насосов, некоторые из них успешно использовались в городских системах подачи воды в Лондоне, так как в любом случае были функциональнее и мощнее ручной силы. Впрочем, в шахтах двигатель так и не заработал, попытка применить его для откачки большого количества воды в 1705 году завершилась взрывом.

Интересно, что прообразы паровых машин были и до Севери. Известнейший пример — это эолипил, паровая турбина Герона Александрийского. Герон описал ее аж в I веке нашей эры. Его система представляла собой вращающийся на оси шар с двумя выпускными трубками, ведущими в разные стороны. Шар наполняли водой, и, когда его нагревали, вырывающийся из трубок пар вращал шар, — по сути, это была реактивная турбина.

Затем британский историк Вильям Мальмсберийский (1090–1143) описал так называемый орган Гербертуса — установленный в одной из церквей Реймса музыкальный инструмент, движение воздуха внутри которого происходило за счет подаваемого снизу пара. Затем Леонардо да Винчи описал паровую пушку. Затем, в 1551-м, османский ученый Такиюддин аш-Шами разработал примитивную паровую турбину, аналогичную системе Герона. Схожие системы создали в XVII веке итальянец Джованни Бранка и англичанин Джон Уилкинс.

Наиболее приблизился к Севери в 1606 году гениальный испанский механик Херонимо де Айянс-и-Бомон. За свою жизнь он получил 48 королевских привилегий на различные системы, в основном связанные с водой, — от водолазного костюма до оригинальной конструкции плотины. В том числе он придумал паровой насос для откачки воды из шахт — за 92 года до Севери! Айянс-и-Бомон работал управляющим всеми испанскими шахтами Южной Америки (то есть под его началом было как минимум 550 шахт) и создал множество технических усовершенствований шахтерского дела. Его смерть в 1613 году помешала построить полноценный двигатель, изобретение осталось лишь в виде патента.

Схема парового двигателя И. И. Ползунова

Источник: П. С. Кудрявцев «История физики», том 1 «От античной физики до Менделеева» (Государственное учебно-педагогическое издательство Министерства просвещения РСФСР, 1948)

Последним упомяну знаменитого французского математика Дени Папена. В 1680 он создал паровой насос с цилиндром и подал заявку на патент. По сути, Папен построил полноценный одноцилиндровый паровой двигатель. Модель работала, но проблемой было то, что Папен не догадался производить пар в отдельном котле, а нагревал непосредственно цилиндр. Это приводило к большим потерям и крайне низкой эффективности машины. Зато француз первым применил предохранительный клапан. Впоследствии, познакомившись с работами Севери, Папен понял свою ошибку и создал несколько новых систем, усовершенствовав насос Севери. Впрочем, из-за неправильного подхода, имевшего место в самом начале, Дени Папена нельзя назвать первым.

Так или иначе, паровой насос усилиями целого ряда ученых и механиков появился на свет. Теперь дело было за двигателем. И да, до рождения Ивана Ивановича Ползунова оставалось еще 30 лет.

Номер второй — Ньюкомен

Достижением Севери был не столько факт постройки парового насоса, сколько то, что машина стала применяться в реальном деле, в промышленности, а не осталась лишь лабораторной игрушкой. Следующей значимой фигурой в этой области стал еще один англичанин — Томас Ньюкомен.

В 1712 году он сконструировал паровой двигатель, в котором собрал воедино все лучшие элементы, придуманные Папеном, Севери и их предшественниками. Собственно, Ньюкомен ввел в конструкцию прообраз системы «цилиндр-поршень» (идея Папена), заставив последний двигаться под действием образующегося в котле низкого давления (идея Севери). В результате получился насос, позволяющий поднимать воду на высоту, значительно превышающую 9 метров, предельные для системы Севери, и значительно более надежный. Его уже можно было полноценно использовать в горном деле, и в 1715 году как минимум один такой насос стоял в шахте Уил Вор в Корнуолле.

Проблем было две: юридическая и техническая. Первая состояла в формулировке патента Севери — расплывчатой и всеобъемлющей, а также в том, что срок действия документа заканчивался аж в 1733 году. Поэтому Ньюкомен, будучи хорошо знакомым с Севери, уговорил его разрешить строить подобные машины под своим патентом, то есть, по сути, они работали вместе. Техническая же проблема по-прежнему заключалась в низком КПД и чудовищных потерях.

Тем не менее насос Ньюкомена был значительно совершеннее машины Севери и потому широко разошелся по Англии и за ее пределами. На момент его создания до рождения Ивана Ивановича Ползунова оставалось еще 14 лет.

Уатт или Ползунов?

На самом деле людей, которые в разное время и в разных странах совершенствовали систему Ньюкомена и строили на ее основе различные паровые машины, было много. Перечислять их всех я просто замучаюсь, в конце концов, это же не книга по истории применения пара! В данный момент нас интересуют всего два человека: Джеймс Уатт и Иван Ползунов.

Джеймс Уатт родился в 1736 году в Гриноке (Шотландия) в достаточно обеспеченной семье средней руки судовладельца и городского бейли (нечто вроде шерифа, не буду углубляться в систему шотландских правовых норм). Учился он сперва на дому, затем в Гринокской грамматической школе, в возрасте 18 лет отправился в Лондон, где изучил механику и кузнечное дело, планируя стать мастером по приборостроению, — к этому занятию был склонен и его отец. Затем Уатт пытался открыть собственное дело в Глазго. Из-за отсутствия членства в гильдии ремесленников у него возникли проблемы, но дело спас Университет Глазго, взявший Уатта на работу мастером по научным и измерительным инструментам. Именно в университете молодой механик впервые столкнулся с паровой машиной Ньюкомена. Это произошло в 1759 году. Примерно тогда же он наконец основал свою компанию по производству различных инструментов и достаточно быстро разбогател.

Схема парового двигателя Boulton&Watt, 1784

Источник: Robert Thurston «James Watt and His Inventions», D. Appleton and Company, 1878

Иван Ползунов родился несколько раньше британского коллеги, в 1728 году, в Екатеринбурге в семье военного и получил схожее в принципе образование. Сперва он учился в горнозаводской школе при Екатеринбургском металлургическом заводе — градообразующем предприятии, как бы сейчас сказали. Сам город, напомню, был основан в 1723-м как раз для обслуживания нового завода. Затем Ползунов поступил на рабочее обучение и попал к самому Никите Бахареву — главному механику уральских заводов, знаменитому мастеру и конструктору различных станков и приспособлений. Пожалуй, лучшего технического образования в России на тот момент представить было невозможно.

В 1747 года Ползунов начал работать на Барнаульском медеплавильном заводе. Сперва был мастером, затем смотрителем плавильных печей, организатором различных производств и т. д. Начальство относилось к нему очень хорошо, его считали универсальным специалистом и организатором, он выполнял всевозможные задачи, порой далекие от техники (к примеру, в 1758 году возглавил караван с грузом в 24 килограмма золота и 3400 килограммов серебра, идущий в Петербург).

Там, в столице, Ползунов впервые в жизни увидел паровую машину, о которой много читал (он уже давно выписывал технические книги, какие только мог достать, вместе с чертежами и пояснениями). Это был насос системы Севери, установленный по приказу Петра I в Петергофе в 1717 году для перекачки воды в фонтанах.

Обратите внимание: до этого момента биографии Ползунова и Уатта практически параллельны. Оба они успешны в своих отраслях, оба — талантливые инженеры и механики, оба практически одновременно заинтересовались паровыми машинами.

Не в той стране

К сожалению, единственной вещью, которая помешала Ползунову, стала его родина. Он появился в нужный момент, но не в том месте, и ничего к этому добавить не получается.

В 1763 году Иван Иванович Ползунов закончил разработку парового двигателя собственной конструкции. Он опирался на работы Севери, Ньюкомена и других, но нашел ряд способов усовершенствовать систему. Как и у Ньюкомена, машина была пароатмосферной, то есть пар поднимал поршень, но опускался последний под действием атмосферного давления. Однако, в отличие от предшественников, Ползунов придумал двухцилиндровую схему, которая позволяла машине работать непрерывно. Пока пар поднимал один цилиндр, опускался второй — в результате работа получалась абсолютно равномерной. Эта, казалось бы, простая идея была применена Ползуновым впервые в истории науки и техники.

Проекту Ползунова очень повезло. Через посредство Ивана Андреевича Шлаттера, знаменитого инженера и президента Берг-коллегии — центрального органа горнорудной промышленности России, чертежи и описание попали непосредственно на стол Екатерине II. И, что еще более удивительно, они ее впечатлили (скорее всего, тут тоже не обошлось без Шлаттера). Ползунов получил карт-бланш: немалую по тем временам сумму в 400 рублей и право найма любых сотрудников для строительства опытного образца.

За два года, с 1764-го по 1766-й, Ползунов построил свою машину — первый в истории двухцилиндровый двигатель. Правда, изобретатель так и не ушел от идеи возвратно-поступательного движения, не догадался перевести его во вращательное. Поршни по очереди качали большое коромысло, от которого работал насос. Кроме того, по современным реконструкциям не всегда можно точно оценить размеры системы Ползунова. Так вот, высоту она имела около 12 метров, а цилиндры были трехметровые.

Коромысла можно было, по идее Ползунова, соединять или с воздушными мехами на рудоплавильном производстве, или с водооткачивающим насосом, то есть подразумевалась некоторая универсальность. Двигатель имел чудовищную по тем временам мощность в 32 лошадиные силы (к слову, термин «лошадиная сила» впервые употребил Томас Севери, а ввел в технический обиход Джеймс Уатт). Только вот 6 (27) мая 1766 года, за несколько месяцев до первого пробного пуска двигателя, Иван Иванович Ползунов скончался от чахотки в возрасте 38 лет.

Тут-то и сработал фактор «не в той стране». Живи Ползунов в Англии, его дело продолжили бы другие изобретатели, враги и конкуренты, ученики и последователи — кто угодно. Каждый британский патент во времена промышленной революции расцветал веером усовершенствований и новых изобретений. Но в России XVIII века о промышленном капитализме не было и речи, а система защиты авторских прав отсутствовала как таковая.

Ученики запустили машину Ползунова, и она беспрерывно работала 43 дня, подавая воздух к плавильным печам. Даже эти полтора месяца уже принесли серьезную прибыль — машина полностью себя окупила. Но в ноябре проявились «детские болезни», в частности, цилиндры начали давать течи. Машину пришлось остановить, а людей, способных продолжить дело Ползунова, в стране не нашлось. Ученики мастера не имели серьезного авторитета и выбить денег на строительство новой машины или хотя бы на ремонт старой не сумели. Спустя 14 лет огромный насос был демонтирован и отправлен в переплавку, а первые паровые двигатели системы Уатта Россия начала закупать лишь в XIX веке.

А что же Уатт?

Джеймс Уатт в это время думал. Сперва он, как ранее Ньюкомен, попытался скрестить системы Папена и Севери, а затем, в 1763 году, в рамках своей работы в Университете Глазго, получил задание отремонтировать действующий макет насоса Ньюкомена. В процессе ремонта он придумал, как устранить ряд недостатков машины — и с этого момента целиком посвятил себя пару.

В 1766 году он построил свой первый двигатель — как и у Ползунова, пароатмосферный, но одноцилиндровый и с изолированной камерой конденсации пара (это позволило серьезно увеличить КПД устройства). Затем Уатт, будучи гражданским инженером, вступил в партнерство с крупным промышленником Мэттью Болтоном, ставшим спонсором разработок Уатта на долгие годы вперед. В 1775–1776 годах Уатт выпустил под своим именем первые промышленные паровые машины. Старейший из сохранившихся двигателей Уатта, известный как Old Bess («Старая Бесс», 1777), хранится ныне в лондонском Музее науки.

Почти двадцать лет разработок привели к тому, что в 1782 году Джеймс Уатт запатентовал систему, которая стала основой всей промышленной революции, — первую паровую машину двойного действия. Напомню, что до сих пор все двигатели были исключительно пароатмосферными: пар двигал поршень только в одном направлении, вверх. Существовали и горизонтальные цилиндры — в них обратный ход поршня обеспечивался маховиком, то есть полезным оставался все равно лишь один ход. Уатт же запатентовал систему, при которой пар двигал поршень в обоих направлениях. Это, во-первых, очень сильно увеличило мощность и эффективность, а во-вторых, сделало паровые машины легче и позволило их масштабировать. Ползунов сделал свое устройство таким огромным в том числе для того, чтобы добиться высокой мощности, потому что под действием атмосферного давления ход поршня напрямую зависел от его массы.

Именно паровые машины двойного действия сделали XIX век эпохой технического прогресса: они работали (а кое-где работают и до сих пор) на кораблях, паровозах, производствах. Уатт действительно толкнул мир вперед.

Сослагательное наклонение

Если бы Ползунов прожил долгую жизнь, он бы наверняка пришел к тем же выводам, что и Уатт, и именно из нашей страны паровой двигатель шагнул бы в мир. Если бы Россия тех времен не варилась в собственном соку и не относилась к изобретателям, как к диковинным шутам, то у Ползунова появились бы последователи и закончили бы его работу. А так его творение, если и не опередившее свое время, то как минимум шедшее с ним в ногу, осталось лишь бесполезной игрушкой, канувшей в реку истории. В Европе о разработках Ползунова узнали поздно, когда по железным дорогам уже вовсю колесили поезда, оснащенные компактными двигателями Уатта.

Построенный в 1825 году макет машины Ползунова хранится в Алтайском государственном краеведческом музее и работает до сих пор. Но история, к сожалению, не знает сослагательного наклонения.