Гвоздецкий В. Л.
В истории существует немало примеров, когда в течение длительного времени оспаривается по какому-либо вопросу пальма первенства между учёными, инженерами, коллективами, научными школами и даже государствами. Между тем, в ряде случаев сам факт возникновения полемики не имеет объективной причины и является ничем иным, как историко-научным или историко-техническим недоразумением, поскольку при детальном анализе выясняется, что речь идёт, строго говоря, о различных предметах и содержании. Именно так обстоит дело с приоритетом И.И. Ползунова и Дж. Уатта в изобретении универсального теплового двигателя. Для правильного понимания и разрешения данной проблемы необходимо исходить из реальных обстоятельств и конкретных исторических условий, в которых работали русский и английский изобретатели. Рассмотрим историю создания универсального парового двигателя.
И.И. Ползунов работал на металлургических и горно-заводских предприятиях Сибири и Урала, главными производственными установками на них были молоты, станы и воздуходувные мехи. Важнейшей технологической задачей являлось обеспечение непрерывного возвратно-качательного движения нескольких агрегатов, приводимых в действие одним двигателем. В созданной русским изобретателем паровой машине эти проблемы нашли своё решение. Двигатель И.И. Ползунова приводил в действие установки, непрерывно потреблявшие энергию. Он позволял выбирать направление движения орудия, варьировать размах и усилие за счёт подбора передающих шкивов; в нём впервые был осуществлён групповой привод. Главная технологическая задача получения возвратно-качательного движения была решена путём суммирования работы двух цилиндров на общий вал. Широкие возможности установки решали производственные проблемы металлургической и горно-заводской промышленности Урала и Сибири. Таким образом, двигатель И.И. Ползунова, несомненно, был универсальным, но универсальность эта имела территориально-отраслевой характер и конкретные временные координаты.
В отличие от И.И. Ползунова деятельность английского изобретателя Дж. Уатта была связана с текстильной промышленностью. Пришедшие на смену ручному мануфактурному производству прядильные и ткацкие станки нуждались в двигателе, который бы отдавал им работу в форме однонаправленного, непрерывного и равномерного вращательного движения. Эти проблемы были решены Дж. Уаттом в построенной им паровой машине. Её основные конструктивно-технологические решения были продиктованы необходимостью получения вращательного движения.
Таким образом, проблема универсальности парового двигателя возникла и была решена в двух качественно различных промышленных условиях: при получении возвратно-качательного движения для молотов и воздуходувных мехов и равномерного вращения для прядильных и ткацких станков. В первом случае авторство принадлежит И.И. Ползунову, во втором – Дж. Уатту. Регионально-отраслевой характер универсальности установки И.И. Ползунова получил логическую завершённость в разработанной и построенной Дж. Уаттом паровой машине.
Горнозаводское дело и универсальный двигатель
«Сложением огненной машины водяное руководство пресечь,.. чтобы она была в состоянии по воле нашей, что будет потребно, исправлять»,– так в 1763 г. писал И.И. Ползунов в пояснительном тексте к разработанному им проекту теплового двигателя. Русский самородок-изобретатель из далёкого Барнаула надеялся с помощью паровой машины осуществить в масштабах всего горнорудного производства России коренную техническую реконструкцию и тем самым «…славы Отечеству достигнуть и… всенародную пользу в обычай ввести, облегчая труд по нас грядущим».
Приведённые цитаты указывают на две важнейшие связанные между собой черты личности Ползунова – высокую гражданскую ответственность, заботу «о приращении пользы в Отечестве» и вытекающее отсюда стремление с помощью изобретательства и конструирования поднять на новую ступень основные технологические процессы в горно-металлургическом производстве. В чём же научные и инженерные заслуги русского умельца, поставившие его имя в ряд наиболее известных и чтимых имён в отечественной истории? Для ответа необходимо обратиться к положению дел в горнорудном производстве, сложившемся в середине XVIII в.
Традиционное для России горнозаводское дело в первой половине XVIII столетия достигло очень высокой степени развития. Центром горнорудного производства стал Урал, где протекали детство и юность И.И. Ползунова. Поступив на обучение к надзирателю Екатерининского завода, он смог всесторонне познакомиться с технологическими процессами и производственным оборудованием. Энергетическую базу завода составляли 50 водяных колёс, работа которых обеспечивалась воздвигнутой через реку Исеть плотиной. Главными рабочими установками были воздуходувные мехи. Помимо мехов в цехах размещались различные молоты и станы. Важнейшей производственной задачей являлось обеспечение, во-первых, непрерывного и, во-вторых, возвратно-качательного движения агрегатов. Кроме того, характер технологических процессов требовал приведения в действие ряда агрегатов от одного двигателя. Однако главная проблема заключалась в другом.
Гидроэнергетика XVIII в. обладала одним серьёзным недостатком: она прикрепляла завод к определённому географическому месту. Это место должно было иметь водный источник с достаточным расходом воды и рельеф местности, допускающий строительство плотины. Кроме того, производство нуждалось в топливе и сырье, которым являлась руда. Поскольку наличие в одном пункте всех факторов было явлением редким, то развитие производства определялось одним, но необходимым условием: наличием гидроэнергетического источника.
Как правило, или руда, или топливо, а зачастую и то, и другое доставлялись к заводу низкоэффективным гужевым транспортом. По мере развития производства росли расходы на добычу и перевозку топлива и сырья. Так возникали факторы, сдерживающие промышленное развитие и, как следствие этого, формировалась объективная потребность в качественно новом источнике энергии, который не зависел бы от местных условий и мог быть использован везде, в том числе на угольных и рудных шахтах.
Ползунов понимал, что создание универсального по техническому применению, не зависящего от места работы двигателя – дело завтрашнего дня. И тем не менее, осознавая исключительность проблемы, он погружался в неё все глубже и глубже. Объясняется это двумя моментами. Во-первых, в качестве эквивалента водяного колеса Ползунову виделся универсальный по техническому применению тепловой двигатель (его предшественники, как правило, решали вопрос универсальности с помощью водяного колеса). Во-вторых, поскольку горно-металлургические предприятия в основном являлись государственной собственностью, Ползунов рассчитывал на замену в масштабах страны водяного колеса паровыми двигателями, что вело к экономии государственных расходов. Другими словами, он впервые поставил задачу об универсальном двигателе в форме всеобщего перехода от гидроэнергетики к теплотехнике как проблему государственного значения и масштаба.
Паровая машина Ползунова
В апреле 1763 г. И.И. Ползунов подал начальнику Колывано-Воскресенских заводов А.И. Порошину докладную записку и приложенный к ней проект огнедействующей машины. При разработке проекта он учитывал опыт зарубежных изобретателей. Ими для привода воздуходувных мехов (перед Ползуновым стояла та же задача) была разработана парогидравлическая установка, объединяющая паровой водоподъёмник прерывного действия и водяное колесо, передававшее потребителю работу непрерывно. Работа через кривошипно-шатунный механизм и балансир передавалась с помощью тяг «сухим валам», а от них воздуходувным мехам.
Возникает вопрос: нужно ли было непрерывное вращение колеса? Нет, не нужно, поскольку непосредственно от вала колеса вращательное движение кривошипно-шатунным механизмом преобразовывалось в возвратно-качательное движение балансира. Следовательно, перед Ползуновым встала задача создания двигателя, обеспечивающего непрерывное качательное движение вала. Задача была решена суммированной работой двух цилиндров на общий вал.
По проекту Ползунова поршень под действием атмосферного давления отдавал механическую работу валу и одновременно поднимал другой поршень. При опускании второго поршня происходило обратное распределение работы. Вал, получавший работу непрерывно от двух цилиндров и совершавший качательные движения, через систему приводов передавал работу воздуходувным мехам. Отказ Ползунова от колеса значительно упростил конструкцию двигателя и более чем вдвое увеличил его экономичность.
Рецензентом проекта Ползунова выступил президент Берг-коллегии И.А. Шлаттер. В «Рассуждении о проектованной шихтмейстером Ползуновым огнём действующей машины» патриарх российского монетного дела и горнодобывающей науки отмечал, что «…сия машина уже изобретена с начала сего века господином Савернем и что… он шихтмейстер так похвалы достойно хитростию оную машину сумел переделать и изобразить, что сей ево вымысел за новое изобретение почесть должно».
Таким образом, в целом высоко оценив проект, И.А. Шлаттер предложил, однако, осуществить комбинированный вариант: паровыми насосами поднимать воду и по желобам направлять её на водяные колёса, которые через приводные механизмы передавали бы движение воздуходувным мехам. Позицию маститого учёного вполне можно объяснить. С одной стороны,– авторитет европейской науки и инженерной мысли, а с другой, – дерзновенный проект изобретателя-одиночки из глухой Сибири. Ползунов не принял рекомендаций Шлаттера и разработал второй проект, несколько отличавшийся конструктивно и предусматривающий увеличение размеров и мощности машины.
При подготовке проектов Ползунов уделял исключительное внимание их научно-техническому обоснованию. «Действие огненных машин,– отмечал он,– должно более примечаниями и опытом, нежели в тягостях механическими, а в фигурах геометрическими доводами утверждать и доказывать,.. потому как теория, а особливо в воздушных и огненных делах, бывает много слабее практики, потому, как сила воздушного знания поныне не далеко найдена и при том ещё будучи великой тьмой закрыта».