Главной отличительной чертой первых самодвижущихся механизмов являлось использование в качестве источника силы мускульной энергии человека. Мощнейший толчок в деле эволюции трактора произошел благодаря изобретению паровой машины.
Идея обуздать силу пара волновала умы людей издревле. Первым, кто сумел это сделать стал Герон Александрийский, живший во второй половине I века н.э. в Древнем Египте, создавший устройство под названием «эолопил».
Оно состояло из вращающейся бронзовой сферы, закрепленной на опорах. К сфере припаивались две трубки, на которые опиралась сфера, или, по-другому, шар Эола. По трубкам из котла в сферу шел пар, далее вырывавшийся под большим давлением из двух сопел Г-образной формы, заставляя вращаться сферу. Макет Герона стала предтечей всех паровых двигателей.
Первую паровую турбину появилась в средневековом Египте в XVI веке. Ее создал арабский астроном и инженер Таги-аль-Диноме. Турбина представляла собой вертел с лопастями. Струи разогретого пара направлялись на них и заставляли вращаться вертел.
В середине XVII века использование подобного принципа действия пара предложил итальянец Джованни Бранка. Конечно, практической ценности вышеперечисленные изобретения не представляли. Их недостатком являлось рассеивание потока пара, следствием чего становилась потеря энергии.
Первым проявлением грядущей технической революции, стал паровой агрегат, разработанный английским механиком Эдвардом Сомерсетом. Устройство, на которое в 1663 году он получил официальный патент, действовало подобно паровому насосу, с помощью которого вода под давлением пара поднималась на верхние этажи здания.
Другим видным изобретателем, внесшим большой вклад в создание парового двигателя, стал француз Дени Папен, создавший поршневой паровой двигатель, способный совершать полезную работу за счет нагревания и конденсации пара. Вскоре француз в 1690 году воплотил в железе механизм, где вода поступала в подпоршевое пространство внутри цилиндра, а затем нагревалась под действием огня. Под давлением выработанного пара поршень поднимался вверх. Рубашку цилиндр затем охлаждали, отчего пар превращался в конденсат, давление снижалось, и поршень возвращался назад.
Тем временем в Британии разработкой Эдварда Сомерсета заинтересовался другой англичанин – Томас Севери. Он быстро сообразил, как на изобретении можно заработать. В конце XVII века в Англии возросли объемы добычи каменного угля. Из-за чего возникла потребность создания устройств, откачивающих воду из забоев. В 1689 году Севери получил патент на паровое устройство. Его описание звучало следующим образом: «для подъема воды и приведения в движение различных типов мельниц при помощи силы огня, которое принесет большую пользу при откачке шахт, доставке воды в города и для обеспечения мельниц водой в условиях отсутствия воды или ветра». По большому счету изобретение Севери – это не паровой двигатель, а атмосферный насос. Самым ценным в устройстве было то, что в нем использовалась сила атмосферного давления, которая создавалась при помощи пара. Схематично это происходило следующим образом: нагревался котел с водой. Пар из него устремлялся в специальный резервуар, к которому крепились две трубы: всасывающая, опускающаяся в шахту, и нагнетательная, связанная со сточным желобом. Когда резервуар заполнялся горячим паром, создавалось большое атмосферное давление. Оно выталкивало воду по трубе в сточный желоб. После на трубе перекрывали кран подачи пара, и резервуар начинали наполнять холодной водой. Из-за разницы температур пар превращался в конденсат, в результате чего возникало разряжение. Так как атмосферное давление в системе становилось ниже, чем в шахте, вода из нее по всасывающей трубе поднималась вверх в резервуар-вакуум. Впуск-выпуск воды и пара регулировались клапанами, поэтому она не шла в обратном направлении.
Трудно сказать, насколько широко был осведомлен английский кузнец и слесарь Томас Ньюкомен, родившийся в 1663 году, об опытах, которые проводились с паром в других странах. Но то, что он был знаком с насосами Севери и разработками Дени Папена – факт неоспоримый. Вблизи городка, где родился Ньюкомен, разрабатывалось немало шахт и рудников, где для откачки воды применяли насосы Севери. Ньюкомену удалось объединить устройство конструкции Севери, в котором пар для подъема поршня вырабатывался в отдельном котле, с цилиндром системы Папена. В результате такого симбиоза наработок получилась паровая машина с неплохим для того времени КПД. Преимуществом паровой машины Ньюкомена являлось то, что котел обеспечивал беспрерывную подачу пара в цилиндр. Когда сила давления достигала максимального уровня, помощник машиниста открывал кран и впускал пар в цилиндр с поршнем, который через систему балансира был связан со штангой насоса. Когда под воздействием силы пара поршень поднимался вверх, штанга, наоборот, опускалась вниз. Таким образом, пар заполнял все свободное пространство цилиндра. Теперь требовалось сделать так, чтобы заставить поршень опуститься вниз. Для этой цели открывали второй кран, через который в цилиндр поступала холодная вода. Пар конденсировался, образуя разряжение.
Недостатком машины Ньюкомена стала ее чрезвычайная громоздкость. По размерам она равнялась… пятиэтажному дому. К тому же потребляла немеренное количество топлива. Временами для снабжения паровой машины углем приходилось задействовать до 50 лошадей. Причем работа двигателя сопровождалась страшным шумом. Но все-таки паровые насосы Ньюкомена оказались весьма востребованными во всей Европе (один из них применялся, например, в России, в 1722 году при откачке вод из доков в Кронштадте).
В Российской Империи конструкторская мысль также не дремала – в 1763 году оберофицер при Барнаульском сереброплавильном заводе Иван Ползунов разработал проект двухцилиндровой паровой машины непрерывного действия. Президент берг-коллегии Иван Шлаттер, курировавший горную промышленность Российской империи, по достоинству оценил изобретение Ползунова, отметив, что «сей его вымысел за новое изобретение почесть должно», и доложил о нем Екатерине II. Резолюция по «прожекту» приняли через год: царица восхитилась изобретением Ползунова, распорядилась произвести его в «механикусы с чином и званием инженерного капитан-поручика», наградив 400 рублями, а главное – благословила на сооружение машины, приказав «людей давать столько, сколько у него работы случится». К весне 1766 года Иван Ползунов с четырьмя единомышленниками построил машину в две лошадиные силы на Барнаульском сереброплавильном заводе. Она была высотой с трехэтажный дом, а некоторые детали ее весили до 2,5 тонны. Работала так: вода нагревалась в котле, склепанном из металлических листов, и, превратившись в пар, поступала в два трехметровых цилиндра. Поршни цилиндров давили на коромысла, которые соединялись с мехами, раздувавшими пламя в рудоплавильных печах, а также с водяными насосами-распределителями. Наличие двух поршней позволяло сделать процесс работы непрерывным. Была предусмотрена автоматическая подача в котел подогретой воды. Паровая машина Ползунова стала первым (!) в мире двухцилиндровым двигателем с работой цилиндров на один общий вал. Это был настоящий прорыв. Вот только сам Иван Иванович в действии свое изобретение так и не увидел – более года трудясь над чертежами, а затем и над самой машиной, подорвал свое здоровье, подхватил чахотку, лекарства от которой в те времена не было, и скончался всего за неделю до пуска «огненной машины».
Агрегат запустили в августе 1766-го. Он практически непрерывно работал в течение 43 суток, днем и ночью обеспечивая плавку металла печах. За это время машина не только окупила затраты на свое строительство – 7200 рублей, но и дала 12 тысяч рублей чистой прибыли. Казалось бы, полный триумф инженерной мысли! Однако преждевременная смерть изобретателя отразилась на судьбе его детища самым прискорбным образом – когда в ноябре того же года возникли течи из цилиндров и самого котла машины, ученики инженера безуспешно пытались устранить проблему, оборачивая поршни… берестой. Будь Ползунов жив, он, конечно же, понял бы, что первый блин вышел комом и нужно не ремонтировать старую, а строить новую машину, конструкция которой могла бы выдерживать длительный нагрев. Ученики его авторитетом не обладали и убедить начальство построить новый паровой двигатель им не удалось.
Все вышеописанные машины являлись пароатмосферными, так как силу пара использовали лишь для подъема поршня, а опускался он вниз в результате принудительного охлаждения цилиндра. Шотландец Джеймс Уатт первым выдвинул идею о том, что беспрерывное поступательное движение поршня можно обеспечить и без охлаждения цилиндра. В 1769 году Уатт получает официальный патент на двухцилиндровый паровой двигатель собственной разработки. При описании изобретения он поставил себе в заслугу то, что ему удалось добиться постоянства температуры двигателя, которая «всегда будет равна температуре пара, несмотря на то, что пар будет охлаждаться до температуры ниже ста градусов». Уатт не имел специального образования. Он трудился простым мастером-инструментальщиком при университете в Глазго. Его путь к всемирной славе начался с рутинной работы, когда ему поручили отремонтировать макет машины Ньюкомена. Работа не ладилась до тех пор, пока Уатт не сообразил: виновата не модель, а принцип, на котором она построена. Но где же истина? Он нашел ее во время загородной прогулки, когда увидел, как вырывается из котла пар в городской прачечной. «Поскольку пар является газом, – рассуждал Уатт, – он ринется в вакуум. Если между цилиндром и выхлопным устройством будет существовать соединение, то пар пойдет туда. Именно там его можно будет сконденсировать, не охлаждая при этом зря цилиндра». Через четыре года Джеймсу Уатту, при помощи финансовой поддержки промышленника Мэтью Болтона, удалось испытать паровую машину с неохлаждаемым цилиндром. Результаты испытаний превзошли все ожидания. Вскоре Болтон с Уаттом создают совместную компанию по производству паровых машин с конденсатором. Кроме конденсатора, Джеймс Уатт изобрел цилиндр двойного действия, в котором пар подавался попеременно по разные стороны от поршня. Отработанный пар при этом поступал в конденсатор. Уатт также разработал жаровую рубашку, окружавшую рабочий цилиндр для снижения тепловых потерь, и шестеренчатую передачу, являющуюся прообразом нынешнего планетарного редуктора для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное.
Паровая машина Уатта, в отличие от агрегата Ньюкомена, обладала рядом неоспоримых преимуществ. В первую очередь она отличалась компактностью, потребляла минимальное количество топлива, демонстрируя при этом более высокий КПД. Неудивительно, что вскоре машины Уатта разошлись по всему свету. На машинах Уатта, как мы отметили, стало возможным преобразование поступательного движения поршня во вращательное, что послужило мощнейшим толчком к первой промышленной революции в истории человечества. Паровой двигатель теперь мог не только выкачивать воду из шахт, но и крутить колеса фабричных станков, наконец «отвязав» заводы от водяных колес на реках.
Первым, кто поставил паровой двигатель на колесную платформу, стал военный инженер Николя Жозеф Кюньо. Кюньо удалось убедить военного министра Франции Этьена Шуазеля в важности своего изобретения, получив в дальнейшем необходимое финансирование из казны. Уже к 1769 году инженер строит первый в мире самоходный трактор, движимый тепловой энергией, представлявшего из себя деревянную повозку на трех колесах. Впереди переднего колеса Кюньо установил паровой котел. Пар, образуемый в нем, поступал в два вертикально расположенных цилиндра.
Переднее колесо под давлением пара при помощи оригинальной зубчатой передачи приводилось в движение. Паровик Кюньо развивал скорость порядка 4 км/ч. Недостатком следует признать дефицит пара в котле – его хватало лишь на 12 минут работы. Далее тягач требовалось остановить и развести на земле под его котлом огонь (у двигателя отсутствовала топка). Фатальным недостатком тягача являлось нарушение принципа развесовки – котел, самую тяжелую часть конструкции, Кюньо вынес далеко вперед. Ведь разрабатывая свой паровик, он использовал принцип движения экипажей: раз лошадь находится перед каретой и тянет ее за собой, то и паровую машину, по мнению изобретателя, обязательно следовало вынести вперед. Причем Кюньо смонтировал силовую установку прямо на колесе: тяжелый котел с водой и два цилиндра с поршнями поворачивались вместе с ведущим колесом, отчего машина, понятное дело, с трудом поддавалась управлению. Первые испытания прошли успешно, и Кюньо получил добро на дальнейшее продолжение работ.
В 1770 году Кюньо строит новую машину, известную ныне как «большая телега Кюньо» (Grand fardier Cugnot). Котел теперь имел отдельную топку для сжигания дров. Цилиндры нового паровика отличались большим рабочим объемом – 62 литра. А колеса получили шипы-зацепы. Тягач мог идти как вперед, так и назад, в зависимости от положения специальной защелки на двигателе. Однако фатальные просчеты конструкции Кюньо не устранил. Это привело к печальным последствиям: однажды на повороте Кюньо угодил тяжелым колесом в лунку на булыжной мостовой, не справился с управлением, и паровик протаранил стену артиллерийского арсенала. Хотя Grand fardier Cugnot после аварии быстро восстановили, французская армия утратила интерес к паровику.
Несмотря на кажущееся поражение, Кюньо все таки доказал всему миру: механические самодвижущиеся агрегаты – это не ересь. «Паровая телега» Кюньо стала по настоящему прорывным решением в практическом использовании силы пара, заложив фундаментальную основу для дальнейшего проектирования и создания тракторов, работающих на силе пара.
