В предыдущей части мы обсудили паровые фабрики и транспорт, катавшийся по рельсам. Во второй части паровых двигателей мы узнаем, как они жили без рельс, почему паровые автомобили не такой уж тупиковый путь эволюции и что такое «Закон о красном флаге», который привел к… Впрочем, сейчас сами все узнаете. Чух-чух-чух, поехали.
Рутьер-молния
Попытки использовать пар в безрельсовом наземном транспорте также были, правда успеха железной дороги они не повторили. И тем не менее.
В 1769 году французский капитан Никола Жозеф Кюньо построил по заказу военного ведомства первую паровую повозку «Фардье», предназначенную для перевозки артиллерийских орудий. Она была громоздкой, неповоротливой и, как и эолипил Герона, скорее доказывала саму возможность движения, чем имела практическую ценность. Кстати, «Фардье» стал виновником первого в истории ДТП, протаранив каменную стену.
Настоящий расцвет безрельсового парового транспорта пришелся на первую половину XIX века в Англии. Это была эра «дорожных локомотивов», или, как их называли во Франции, «рутьеров» (от фр. routier — дорожный).
В 1820–1830-х годах талантливые изобретатели, такие как Голдсуорси Гарни и Уолтер Хэнкок, строили и успешно эксплуатировали паровые дилижансы на регулярных междугородных маршрутах. Это были не просто эксперименты, а полноценный общественный транспорт. Например, паровые кареты Хэнкока курсировали между Лондоном и его пригородами, перевозя пассажиров со средней скоростью около 19 км/ч, а на коротких дистанциях разгоняясь до невероятных для того времени 38 км/ч.
За несколько лет его экипажи без единой серьезной аварии перевезли тысячи пассажиров, доказав, что пар может быть безопасной и эффективной альтернативой конным экипажам.
Правда этот многообещающий старт был резко остановлен. В игру вступили могущественные лобби: владельцы конных дилижансов. Они видели в паровых машинах прямую угрозу своему бизнесу. Под их давлением британский парламент принял серию законов, кульминацией которых стал печально знаменитый «Закон о красном флаге» (Locomotive Act) 1865 года.
Этот законодательный акт вводил абсурдные по своей строгости ограничения. Экипаж любого самоходного транспортного средства должен был состоять минимум из трех человек: водителя, кочегара и человека, идущего впереди, который был обязан нести красный флаг днем и красный фонарь ночью.
Но самым убийственным было ограничение скорости: в городе — 2 мили в час (около 3,2 км/ч), а за городом — 4 мили в час (около 6,4 км/ч). Помните, английские трамваи, которые еле-ползали? Вот это из-за “закона о красном флаге”.
Мы помним что, пешеход идет со скоростью около 5 км/ч. Закон буквально требовал, чтобы машина двигалась медленнее идущего впереди человека. Это был откровенно издевательский акт, ставивший целью не регулировать, а уничтожить нежелательную технологию. Как следствие, всякая коммерческая эксплуатация паровых омнибусов и грузовиков в Англии была немедленно прекращена.
Однако это в Англии. А вот в США в конце XIX века произошел настоящий ренессанс паровых автомобилей. Ситуация была настолько серьезной, что на заре автомобильной эры паровая технология доминировала над остальными: согласно статистике, в 1900 году из 4200 автомобилей, произведенных в США, 40% работали на пару, 38% были электрическими (!!!), и лишь 22% использовали двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Среди производителей выделялись братья-близнецы Фрэнсис и Фрилан Стэнли, чья компания Stanley Motor Carriage Company, основанная в 1902 году, стала символом американского паромобиля. Их первый автомобиль, созданный в 1897 году, дал старт эре, в которой на протяжении двух лет Stanley Steamer был самым продаваемым автомобилем в стране, до появления Ford Model T. Стэнли оставались верны пару дольше всех — их компания просуществовала до 1924 года, вплоть до окончательной победы ДВС.
Даешь полный пар!
Когда сегодня вспоминают о паровых автомобилях, их часто представляют неуклюжими ископаемыми, которые закономерно проиграли более совершенным машинам с ДВС. Это не совсем так.
На самом деле ранние паровые автомобили обладали целым рядом фундаментальных преимуществ. Эти автомобили были не просто конкурентоспособными, но во многом превосходили своих соперников с ДВС.
Первое и, пожалуй, главное достоинство парового двигателя — его феноменальный крутящий момент, доступный с нулевых оборотов. Сейчас на это давят производители электромобилей: мгновенное, «паровозное» ускорение без необходимости раскручивать мотор. Так вот, «паровозное» — здесь не метафора. Паровая машина развивает максимальный крутящий момент с первого же движения поршня, что избавило конструкторов от необходимости создавать сложную, шумную и капризную коробку передач со сцеплением.
Водитель раннего «Стэнли» просто поворачивал рычаг дросселя, и машина трогалась с места плавно и без рывков, разгоняясь до максимальной скорости. Это было колоссальное преимущество в эпоху, когда переключение передач на автомобиле с ДВС требовало немалой физической силы.
Кроме того, любая поездка на автомобиле с ДВС — это шум и лязг. Паровик же двигался в почти полной тишине, нарушаемой лишь мягким шипением пара. Единственным звуком силовой установки было то самое «чух-чух-чух» паровой машины и едва слышный выхлоп. В знаменитой гонке 1906 года во Флориде паровой автомобиль «Стэнли Рокет» установил рекорд скорости в 205 километров в час — фантастическая по тем временам цифра, которую конкуренты внутреннего сгорания не могли превзойти еще несколько лет.
Кроме того, ДВС не стартует сам по себе, его надо раскрутить, чтобы он продолжал крутиться дальше. Поначалу это делалось вручную, что также требовало физических сил и могло испачкать руки.
А еще паровой двигатель довольно неприхотлив к качеству топлива. Одно дело нагреть котел и совсем другое качественно воспламениться в цилиндре. ДВС тут куда более капризен.
Момент. Но ведь главной проблемой паровой машины должна быть работа на угле и потребность в кочегаре? Разве нет?
Автоматическая топка
Вопреки предположению выше, водитель парового автомобиля не имел ничего общего с кочегаром. Ему не нужно было швырять уголь в топку.
К концу XIX века выяснилось, что уголь — ужасное топливо для легковой машины. Он громоздкий, грязный и требует постоянного внимания. Буквально кочегара на борту. Жидкое топливо, такое как керосин или бензин, решало эти проблемы. Оно было компактнее, чище и, что самое главное, позволяло полностью автоматизировать горение. Главной находкой стал отказ от прямого сжигания жидкости. Конструкторы применили принцип, знакомый всем по лабораторной горелке: топливо сначала полностью испарялось, а затем получившийся газ устремлялся через узкое сопло, или жиклер. По пути он, подобно пульверизатору, подсасывал за собой атмосферный воздух, образуя идеально перемешанную горючую смесь. Эта смесь сгорала ровным синим пламенем, без копоти и запаха, обеспечивая колоссальную эффективность.
Давайте разберем, что именно происходило под капотом — или, как в ранних моделях, под сиденьем. Сердцем системы был так называемый испарительный змеевик — длинная тонкая трубка, свернутая в спираль и прогреваемая пламенем пилотной горелки. Именно через него, прежде чем попасть в сопло, пропускалось жидкое топливо. Внутри раскаленной трубки керосин или бензин мгновенно вскипал, превращаясь в газ, который затем вырывался из жиклера с огромной скоростью, засасывая воздух и устремляясь в камеру сгорания.
Роль пилотной, или дежурной, горелки была скромной, но важной: она не давала системе остыть и служила источником розжига для главной горелки. Основная же, запальная горелка включалась по требованию и работала на бензине или керосине. В полностью автоматизированных системах запуск выглядел так: сначала водитель включал электрический подогреватель, дожидался, пока пилотная горелка разгорится, после чего автоматически открывался клапан, и в основную горелку под давлением начинало поступать жидкое топливо. Как только давление пара в котле достигало рабочей величины, специальный клапан-термостат автоматически урезал подачу топлива, а при падении давления снова ее увеличивал. Горелка, таким образом, жила своей жизнью, подстраиваясь под нагрузку без участия человека.
К вершине развития паровых автомобилей в 1920-х годах сложились две конкурирующие философии управления огнем. Система, разработанная братьями Добл, пошла по пути полной автоматизации: в ней зажигание происходило от электрической искры, а мощный вентилятор с электроприводом нагнетал воздух в камеру сгорания, делая ее практически нечувствительной к внешним условиям. Всеми процессами — от розжига до поддержания давления — управляла хитрая автоматика, основанная на тепловом расширении кварцевых стержней.
Напротив, Фрэнсис и Фрилан Стэнли сделали ставку на механическую простоту и надежность. В их конструкции пилотная горелка непрерывно гудела под котлом, а испарительный змеевик грелся от основного пламени. Процесс запуска у «Стэнли» был откровенно архаичным: водитель разворачивал горелку, подносил спичку или зажигалку к специальному отверстию и открывал топливный клапан. Чтобы испаритель нагрелся до рабочей температуры, требовалось время — около пятнадцати–двадцати минут ожидания.
Таким образом, все «кочегарные» заботы водителя свелись к короткому техническому ритуалу при запуске и контролю за давлением по манометру. Как только машина трогалась с места, вся дальнейшая работа топки поддерживалась автоматически.
Финал кубка автомобилей
Как мы знаем, паровые автомобили проиграли ДВС. Если все было так хорошо, как описано выше, что же пошло не так?
Подготовка к пуску. Да, ДВС нужно было раскрутить. Пока это делали руками, это была проблема. Но очень скоро появился электростартер и проблема мгновенного пуска была решена. Паровой котел тоже не стартует сразу: для начала воду в нем необходимо превратить в пар и только потом она пойдет в цилиндры. На холодную этот процесс занимал 10–20 минут.
Если вас (как и меня) всегда интересовало, существует ли не только двигатель внутреннего сгорания, но еще и двигатель внешнего сгорания, то да, существует. И это паровой двигатель. Его особенность в том, что тепло там проходит длинный путь из котла в поршень. Это вызывает потери.
ДВС, в противоположность, это все в одном, в цилиндре смесь загорается и сразу толкает поршень. Таким образом, КПД парового двигателя — 10–15% против 20–30% у первых ДВС. Двукратное превосходство — это аргумент.
Вода. Главная проблема паровых машин. Им надо много и часто пить. Нет воды — нет пара — нет движения. Абсолютно аналогичная паровозам история. Первые паровые автомобили имели запас хода примерно в 30 километров. Это ОК на старте, но это совсем не масштабируемая история. ДВС может возить в своем баке запас хода на порядок больше.
Взвесив все за и против, господин Генри Форд занялся именно машинами с ДВС. И достиг такого успеха со своим конвейером, что смог выпускать автомобили по цене 360 долларов против 2200 долларов за Stanley Steamer.
Трудно сказать, мог ли паровой двигатель развиться во что-то современное. Скорее всего, нет, запас хода оказался критичен. Но все же не думайте о паровых автомобилях как о каком-то недоразумении.
Самоходный плуг
Парадоксально, но именно жесткие ограничения «Закона о красном флаге» привели к интересной технологической мутации родом из Англии. Поскольку быстро ездить было нельзя, конструкторы начали думать в другую сторону.
Паровой двигатель не имел конкурентов в способности создавать колоссальное тяговое усилие. Так с конца 1850-х годов, начался расцвет классических тракционных тягачей (traction engines).
Тракционный тягач — это, по своей сути, самодвижущаяся паровая машина, которая сама себя возит и при этом способна тянуть за собой колоссальный груз или приводить в движение другие механизмы. Как и паровоз, тракционный тягач был полностью автономен, но при этом он не требовал рельс. Тягач представлял собой паровой котел и цилиндры, смонтированные на тяжелой колесной раме, с огромными, часто выше человеческого роста, задними колесами. Они имели стальные грунтозацепы для сцепления с землей. Передние колеса были меньше и управлялись с помощью рулевой цепи или червячной передачи. Я думаю, что в вашем воображении уже появился почти современный трактор. Вы правы.
Тракционные паровые машины использовали на самых тяжелых работах: буксировка составов с углем или рудой по бездорожью, вспашка полей с многолемешными балансирными плугами, транспортировка гигантских стволов в лесу. И даже для работы в качестве передвижной силовой станции: с помощью длинного кожаного ремня, натянутого на маховик, от одного двигателя могли питаться молотилки, пилорамы и дробилки.
Здесь мы можем встретить уже знакомые нам сегодня имена. К примеру, компания — производитель высококачественных плугов для тракционных машин — называлась в честь своего основателя, Джона Дира (John Deere). В начале XX века она купила фирму Waterloo Gasoline Engine Company и начала производить керосиновые трактора
А в 1890 году Бенджамин Холт и Даниэль Бест независимо друг от друга начали испытания различных паровых сельскохозяйственных тракторов. Много позже, в 1925 году, они сольются в одного производителя и в 1931 году представят первый дизельный трактор. Их союз вы сегодня можете знать как “Катерпиллер” (Caterpillar).
«Закон о красном флаге» почти не касался тракционных машин, ибо они никуда не торопились и не перевозили пассажиров. Зато заменяли лошадей упряжками. Если и существовало в те годы лошадиное лобби, то оно ничего не смогло сделать. Трактор прочно поселился в сельском хозяйстве.
Врубай турбину!
В 1884 году британский инженер Чарлз Алджернон Парсонс совершил изобретение, которому суждено было изменить мир. Он создал первую пригодную для промышленного применения многоступенчатую реактивную паровую турбину. В отличие от поршневой машины, где энергия пара преобразовывалась в механическую работу посредством громоздкого кривошипно-шатунного механизма, турбина Парсонса использовала энергию струи пара непосредственно для вращения ротора. Пар расширялся постепенно, проходя через множество ступеней, каждая из которых отбирала часть его энергии. Этот принцип поступенчатого расширения лежит в основе конструкций всех современных паровых турбин.
Преимущества были колоссальными: турбина компактнее, легче и значительно мощнее поршневой машины тех же размеров. Она не создает вибраций и ее КПД выше. Уже в 1887 году Парсонс представил на выставке в Ньюкасле первый турбогенератор, а в 1899 году заработала первая в мире электростанция на турбинах Парсонса.
Турбина Парсонса произвела революцию и в судостроении. В 1894 году он построил небольшое экспериментальное судно «Турбиния» водоизмещением всего 44,5 тонны, но с турбинной установкой мощностью 2000 лошадиных сил. На испытаниях «Турбиния» развила неслыханную для того времени скорость — 34,5 узла (больше 60 км/ч). Адмиралы и судовладельцы были потрясены. Началась эра турбинного судостроения, увенчавшаяся такими гигантами, как трансатлантические лайнеры «Куин Мэри» и «Куин Элизабет». Увы, в историю она вошла в том числе благодаря трагедии «Титаника».
Крупнейшая паровая турбина из когда-либо построенных — Arabelle мощностью 1770 мегаватт — создана для атомной электростанции Hinkley Point C в Англии и продолжает работать на современных АЭС.
Теплый-теплый пар
В первой половине XX века, особенно в СССР и Германии, — паровые машины обрели новую специализацию. Речь идет о теплофикационных установках: паровых машинах, которые не только приводили в движение станки и механизмы, но и обеспечивали предприятия технологическим паром и отоплением.
Схема была предельно рациональной: пар из котла сначала проходил через цилиндры машины, совершая механическую работу, а затем, уже отработанный — но все еще горячий — направлялся на технологические нужды: варку сахара, сушку древесины, отопление цехов. Такие установки давали экономию топлива до 20% по сравнению со схемой электростанция отдельно, котельная отдельно. Вплоть до середины XX века паровые машины широко применялись на сахарных заводах, спичечных, текстильных, бумажных фабриках и пищевых предприятиях.
Особенно долго — вплоть до 1950–1960-х годов — паровые машины задерживались там, где имелись дешевые или бесплатные горючие отходы. Это, к примеру, лесозаводы и деревообрабатывающие комбинаты, где топливом служили опилки и щепа.
Котел еще жив
Было бы ошибкой полагать, что паровая эра завершилась с уходом паровозов с магистралей. Она вовсе не завершилась — она мутировала в нечто гораздо более фундаментальное.
Сегодня около 70% всей электроэнергии на Земле вырабатывается с использованием паровых турбин. Атомные электростанции — это, по сути, те же паровые установки, только источником тепла в них служит не уголь или газ, а ядерный реактор. Геотермальные станции используют пар из недр Земли. Даже в самых современных парогазовых установках, где сначала работает газовая турбина, ее горячие выхлопные газы используются для генерации пара, поступающего на паровую турбину.
Пар, таким образом, никуда не ушел. Он просто перестал быть видимым. Мы не видим цилиндров с блестящими поршнями и шатунами, не слышим ритмичного пыхтения, не чувствуем запаха угольного дыма и горячего масла. Но энергия пара по-прежнему вращает генераторы, питающие наши дома, заводы и дата-центры.
Паровая культура
Почему же при всем этом технологическом величии мы сегодня вспоминаем эпоху пара в первую очередь через призму «стимпанка» — то есть через фантастику, ретрофутуризм и эстетику медных шестеренок? Ответ на этот вопрос лежит не столько в области истории техники, сколько в области культурологии.
Термин «стимпанк» появился в 1980-х годах. Его придумал американский писатель-фантаст Кевин Джетер, который искал определение для произведений, основанных на технологиях XIX века и написанных им самим, Джеймсом Блэйлоком и Тимом Пауэрсом. Джетер шутливо предложил название «стимпанк» по аналогии с уже существовавшим «киберпанком», и термин неожиданно прижился.
Стимпанк — это альтернативная история, в которой технологическое развитие остановилось на уровне викторианской эпохи и пошло не по пути электроники и атомной энергии, а по пути механических, паровых технологий. Мир, в котором аналитическая машина Чарльза Бэббиджа была построена, паровые автомобили вытеснили ДВС, а дирижабли стали основным средством воздушного транспорта. И самое главное — мир, в котором паровая технология достигла невероятного, фантастического совершенства.
Однако было бы неверно считать стимпанк лишь литературным жанром. Это сложное культурное явление, включающее в себя музыку, моду, дизайн, архитектуру, кинематограф и даже идеологию. В эстетике стимпанка господствуют медь, латунь, бронза, потемневшее дерево. Шестерни, рычаги и паровые трубы выставлены напоказ, а не спрятаны под обшивкой. Викторианская мода соседствует с техническими аксессуарами — защитными очками-гоглами, цилиндрами с моноклями, кожаными корсетами со стальными вставками.
Заключение
Закончился ли паровой век? Если считать именно поршневые паровые двигатели (не турбины), то, пожалуй, да. От себя он оставил тысячи памятников паровозам в разных странах, огромные здания фабрик XIX века и колоссальный технологический опыт, который позже пригодился в других областях. Хотя стимпанк — это стильный и вдохновляющий визуал, не забывайте, что принципы построения паровых агрегатов сильно отличались от принципов современных на основе ДВС и электромоторов.
Если же считать паровым веком все, что приводитися в движение паром, то выходит, что эти технологии живы уже четвертый век подряд. Впечатляет, не правда ли?
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
