Гениальные изобретения. Скорость: от паровых машин до реактивных двигателей

23 Апр
2016

Остановимся на трех ключевых изобретениях, которые изменили наше отношение к пространству и времени.

Наша неутолимая жажда скорости заставила нас пойти по пути изобретений – от первого локомотива до двигателя внутреннего сгорания. И, наконец, к реактивному двигателю. Все эти изобретения связаны единым принципом: они превращают тепловую энергию в поступательное движение.

Но современные двигатели вышли за рамки поэтапных улучшений. Это принципиальное иные машины, заставившие нас по-иному взглянуть на скорость и расстояние. Со времен Древней Греции изобретатели пытались приводить машины в движение  с помощью пара под высоким давлением. Ричард Тревитик преуспел там, где другие потерпели фиаско. С его парового локомотива начался бум массового скоростного транспорта. В канун Рождества 1801 года «пыхтящий дьявол» вырвался на свободу. Так начиналась эпоха паровозов.

Почти столетие спустя двигатель внутреннего сгорания одолел паровую машину: он был меньше, быстрее и намного эффективнее. Он сделал транспорт индивидуальным и безраздельно правит вот уже 130 лет.

Наконец, в 1941 году Фрэнк Уиттл поднял в него самолет с реактивным двигателем и совершил переворот в авиации. Современный самолет весит всего на несколько килограммов больше, чем «пыхтящий дьявол» Тревитика, но при этом он быстрее на 15 тысяч процентов!

Все эти изобретения делают невозможное возможным!

Все эти изобретения преобразуют химическую энергию в энергию движения, но совершенно разными способами. Истории их появления, тоже удивительно разные, могут многое поведать о самой природе изобретательства.

 

Дерби — мекка британских инженеров

История изобретений неразрывно связана с инженерами. Когда в чьей-нибудь светлой голове рождается идея, именно инженеры придумывают схему и собирают механизм. Дерби — это «мекка» британских инженеров.

В Дерби представлены все три британские изобретения: Toyota выпускает автомобили, Bombardier выпускает подвижные составы, ну а крупнейший работодатель Rolls-Royce занят производством реактивных двигателей.

На заводе Rolls-Royce на площади полмиллиона квадратных метров работают 12 тысяч человек. Он изобретают, продумывают и собирают одни из самых быстрых машин на планете. Rolls-Royce пришел сюда в 1908 году, и это было не случайно, причиной был паровоз — величайшее изобретение в области транспорта со времен колеса.

В 19 столетии Дерби был одним из важнейших железнодорожных узлов Британии, поэтому он притягивал к себе изобретателей и инженеров. Это было прекрасное место для завода Чарльза Роллса и Генри Ройса, завода по производству новейшей машины — автомобиля.

Перестав выпускать автомобили, Rolls-Royce остается на втором месте по производству реактивных двигателей, уступая только американской General Electric. Полтора века они реализуют новейшие изобретения.

В эпоху поездов, автомобилей, реактивной тяги Дерби всегда играл важнейшую роль в развитии транспорта. Дерби — это живое «сердце» истории британских изобретателей.

 

Паровая машина

В конце 18 века поля Корнуолла были усеяны паровыми машинами, откачивающими воду из медных и оловянных рудников. Их принципы были иными, нежели у современных паровых двигателей. В этих машинах после конденсации пара оставался вакуум. Они использовали силу атмосферного давления, приводя в действие рудничное коромысло. Атмосферные двигатели изменили горное дело.

Большинство таких двигателей были построены Джеймсом Уаттом и его деловым партнером Мэттью Болтоном. В каждой машине стоял отдельный конденсатор. Проблема была в том, что за него приходилось платить ежемесячные отчисления Болтону и Уатту.

Только в одном районе Корнуолла стояли 45 машин Уатта и Болтона. Их владельцы негодовали, но продолжали платить. В итоге Корнуолл стал очагом сопротивления изобретателей, или, с точки зрения Болтона и Уатта, — «краем пиратствующих плагиаторов».

Если бы удалось изобрести новый вид двигателя, не связанный патентом Уатта,  то платить больше не пришлось бы. Этим и решил заняться молодой инженер Ричард Тревитик.

Школьная характеристика Тревитика просто ужасна: «непослушный, медлительный, строптивый и распущенный мальчишка, прогульщик, крайне невнимателен». Впрочем, там отмечены его успехи в арифметике и склонность к неожиданным решениям. Эта любовь к нестандартным подходам и позволила Тревитику достичь многого.

Тревитик планировал построить двигатель на совершенно новом принципе. Была только одна проблема: все считали, что это невозможно. Почему никто не додумался до паровых машин высокого давления раньше? Общество и даже механики вроде Уатта считали, что этот путь очень опасен. У самого Уатта ничего не получилось. Он знал, что пар может просто разорвать цистерну, и думал, что опыты Тревитика приведут к катастрофе: кто-нибудь обязательно погибнет.

Однако бесстрашный Тревитики вознамерился построить двигатель, который не взорвется. Сначала предстояло разобраться с котлом. Никому прежде не удавалось создать котел, способный выдержать высокое давление. У Тревитика было секретное оружие: его тесть работал кузнецом, с его помощью Ричард придал котлу новую форму. Цилиндрический котел с легкостью выдерживал нагрузки.

В чем же основная разница между машиной Тревитика и устройством Уатта-Болтона? В машине Тревитика высокое давление воздействовало непосредственно на поршни, поршень двусторонний, воздействие идет на оба конца. Это полная противоположность атмосферному принципу. Кроме того, Тревитик стал заливать в котел заранее нагретую воду. Но что еще важнее — огонь теперь горел прямо в котле. Раньше огонь разжигали под котлом, как под чайником, а новый вариант позволял достичь максимальной температуры и получать намного больше энергии. Это позволило Тревитику сделать двигатель компактным и мобильным, по сравнению с предшественником — все равно, что космический корабль рядом с автомобилем.

Изобретение, возникшее из нежелания платить за патент, в итоге позволило добиться того, над чем изобретатели бились несколько веков. Машина Тревитика была намного мощнее машины Уатта и на порядок меньше. Теперь к ней можно было прикрутить колеса. Так началась эра парового транспорта.

Изобретение Тревитика изменило мир. Все локомотивы, которые ходят по железным дорогам с 1804 года, копируют его первую машину.

Тревитик не нажил богатства и не снискал славы. Но у него была душа изобретателя. Незадолго до смерти он писал другу: «меня называли глупцом и безумцем, но мысль о том, что все, созданное мною, было ново, полезно и ценно, для меня значит много больше, чем любое богатство».

Чтобы изобрести свои машину, Ричарду Тревитику потребовалось несколько хорошо продуманных нововведений. Например, если внутрь чайника вертикально поставить огневую трубу — одно из лучших изобретений Тревитика — этот чайник закипит намного быстрее. Это было настоящий переворот в изготовлении котлов. Сейчас это вроде бы очевидно, но все гениальные идеи таковы: они кажутся примитивными задним числом. Поскольку в середине чайника находится трубка, воздух, нагретый пламенем, соприкасается с большим объемом воды, и чайник закивает быстрее.

Другим значительным нововведением была форма самого котла. Как известно, вода под высоким давлением стремится к сферической форме. Это была бы идеальная форма котла, но ее практически невозможно изготовить. Лучший из оставшихся вариантов — это цилиндр,  отличие от куба Уатта. Для объяснения представим, что вместо пара используется вода. Если создать высокое давление в котле Болтона-Уатта, то вода будет стремиться к форме шара, грани куба вздуются, швы разойдутся, и вода прорвет котел. В отличие от куба, цилиндр Тревитика того же объема будет в полном порядке.

Однако Тревитик создал только прототип машины, практическое воплощение принадлежит Джорджу Стефенсону.

27 сентября 1825 года, то стали бы свидетелем одного из самых запоминающихся событий Георгианской эпохи — первой общедоступной экскурсии на поезде.

Как и многие другие изобретатели, Стефенсон улучшал существующее. Его машина была основана на разработках Ричарда Тревитика. Но у Тревитика была одна огневая труба, а Стефенсона посетила блестящая идея заполнить ими весь котел, что было намного эффективнее. И Стефенсон убедился в жизнеспособности паровоза.

В начале 18 века Британия зависела от угля, запасами которого славился Дарлингтон. Но города росли, а перевозка угля была медленной и дорогой. С ростом спроса владельцы шахт поняли, что нужен новый более быстрый способ доставки.

В 1820 году они встретились и решили создать железную дорогу, чтобы облегчить лошадям доставку вагонеток с углем к реке. Для постройки дороги они наняли механика Джорджа Стефенсона, однако его планы были амбициознее.

Дорога носит имя Стефенсона, но он был всего лишь механиком на угольной шахте. Как ему это удалось? Стефенсона знали многие, он был родом из этих мест, увлекался идеей парового локомотива, проектировал их многие годы. Он был уверен, что будущее железных дорог за ними, а не за конской тягой. Но, разумеется, они были намного массивнее лошадей и им были нужны другие рельсы, другие шпалы, другой грунт и т.д. И тогда он решил улучшить пути, чтобы способствовать внедрению локомотивов.

27 сентября 1825 года новая дорога была открыта. Первый локомотив Стефенсона отправился в путь с 30 вагонами, большей частью с углем, но один вагон был пассажирским. Для Стефенсона это была возможность доказать, что пар продуктивнее лошадиных сил. Некоторые источники утверждают, что в том поезде проехали почти 600 человек. Путь был тряский и некомфортный, но представьте, какое впечатление он производил!

Паровоз Стефенсона стал грандиозным успехом. За 10 лет по этой дороге перевезли миллион тонн угля. Тот факт, что за паровозами будущее, уже не ставился под вопрос.

Железная дорога, связавшая Стоктон и Дарлингтон, не только способствовала снижению цен на уголь, «обвенчав» поезд и рельсы, Стефенсон не только изобрел альтернативный способ перемещения товаров, он создал новый революционный вид транспорта, изменивший ландшафт Великобритании.

Как же развивались железные дороги? В 1830 году была открыта железная дорога Манчестер-Ливерпуль. Это дало интересный эффект: по дороге стали части ездить пассажиры, и кода это произошло, само пространство изменилось — оно сжалось. Аналогично и со временем: теперь не нужно было тратить столько времени на поездки. Британия преобразилась, изменилась ее национальная культура. Именно с этого момента можно говорить о едином государственном пространстве. В 1840 года Британия обзавелась единой почтовой службой, с 1850 года — общенациональными газетами.

Изобретения меняют сознания и поведение людей. Изменения в то время происходили очень быстро. С появлением железных дорог поменялись образ жизни, развлечения, взаимоотношения между людьми. Все это породило новые потребности, новые желания, новые идеи и новые изобретения.

 

Двигатель внутреннего сгорания

В середине 19 века Британию часто называли «мировой мастерской». Но о последней четверти века истории часто говорят как о предпринимательском провале. Британцы расслабились, все получалось слишком легко, инновации просто перестали появляться. Технологии, способы ведения бизнеса, рынки сбыта — все оставалось прежним.

А в конце 19 века грянула Вторая промышленная революция. Закончилась эпоха угля и железа, им на смену шли технологии, основанные на химических процессах и электричестве. Центром этой революции стала континентальная Европа, прежде всего Германия. И именно из Германии теперь исходил изобретательский импульс. Именно поэтому следующее великое изобретение уже не было британским.

С паровых локомотивов началась транспортная революция, но у них были свои пределы. Двигатели были огромны и неэффективны. Тревитик повысил эффективность, поместив топку внутрь котла. Но что будет, если сделать еще один шаг и вообще отказаться от котла?

В середине 19 столетия изобретатели по всей Европе пытались сделать это — построить работающий двигатель внутреннего сгорания.

Это не удавалось сделать вплоть до 1876 года, когда Николаус Отто создал четырехтактный двигатель. Движение в нем создавалось благодаря воздействию энергии горения топлива прямо на движущиеся части. Большая часть современных двигателей по-прежнему используют этот принцип. Он лег в основу самого популярного в истории транспорта — автомобиля. Но почему это заняло столько времени у такого количества людей?

Когда мы говорим об изобретении, важно понять, кто его автор. В случае с двигателем внутреннего сгорания это проблематично. Когда Отто попытался запатентовать четырехтактный двигатель, над этой технологией работали многие, и ему отказали в патенте, поэтому это изобретение считают коллективным. Однако есть человек, чьи заслуги в создании теории двигателей были поистине эпохальными. Это Николя Карно.

Карно однажды задумался над тем, как вообще работают двигатели, что определяет их эффективность и как выжать из них максимум энергии. Он писал, что если на выходе вы получаете столько же энергии, сколько вложили, то с точки зрения полезного действия — это идеальный двигатель со 100% эффективностью. Но Карно понимал, что это невозможно. Он открыл, что энергия может рассеиваться множеством различных способов. Каждая деталь двигателя забирает некоторое количество энергии, и эта энергия не преобразуется в полезное действие, она просто тратится. Выводы Карно открыли глаза многим специалистам.

Внутренне сгорание оказалось примерно в 5 раз эффективнее внешнего. В таком двигателе топливо смешивается с воздухом, и происходит взрыв, приводящий поршень в движение.

Двигатели внутреннего сгорания долго существовали на бумаге, пока велись споры о том, какое топливо использовать — пар оказался непригоден. Тогда решили использовать жидкое топливо — керосин, бензин.

Дальние путешествия стали прерогативой поездов, но на улицах английских городов за перевозки по-прежнему отвечали миллионы лошадей. Все изменилось, когда в 1886 году немецкий инженер изобрел новую машину. Ее построил Карл Бенц, сын машиниста. У автомобиля было три колеса и Т-образный руль. Двигатель развивает скорость 15 км/ч.

Однако Бенц никогда не создал бы автомобиль без конструктивных инноваций Отто. Но Отто задумал свой двигатель как стационарный, движущимся его сделал Бенц.

В 1900 году весь транспорт в Лондоне был конным. Через 15 лет лошади с улиц практически исчезли. Сегодня по дорогам мира колесят более миллиарда автомобилей. Гений Отто и замысле Бенца подарили нам одно из главных чудес 20 века.

Всплеск развития технологий во время промышленного переворота произвел революцию и в потребительском спросе. Теперь потребитель хотел больше товара и как можно быстрее. Нужен был новый способ производства товаров, и тут пионерами стали автомобили.

В то время, как автомобили европейских концерном собирались вручную, американец по имени Генри Форд решил поступить иначе. В 1913 году он открыл первый в мире сборочный конвейер. На нем собиралась только одна модель — Ford T. Сотни рабочих повторяли одну и ту же операцию для сотни машин, в время сборки сократилось с нескольких дней до полутора часов. Последующие события известны: доступные автомобили стали самым популярным транспортом в истории.

Сегодня в год выпускается 60 млн машин, а метод Форда изменил наше представление о производстве товаров.

 

Реактивный двигатель

Когда-то Роллс-Ройс производил только автомобильные моторы, но уже к 1919 году на нем стали собирать значительно больше авиационных двигателей. Причина таких перемен — Первая Мировая война.

К концу Первой Мировой у Британии был крупнейший в мире воздушный флот. Королевские ВВС появились в 1918 году, и все производители двигателей бросились изготавливать авиамоторы. Роллс-Ройс не стал исключением.

Один из главных факторов прогресса и прогресса технологий в частности — это нежелание уступать на поле боя. В этот момент деньги перестают быть проблемой, на короткий срок вы получаете неограниченные ресурсы. Это что-то вроде новогоднего праздника для механиков. Многие из великих ключевых изобретений были обусловлены потребностями военных. К примеру, консервы позволили начать наполеоновские войны, ведь если хранить еду можно сколь угодно долго, то и сражаться можно даже зимой, чего раньше не бывало — воевали только в летнее время, когда было много зерна и много доступной пищи. В годы Первой Мировой появились первые моющие средства, их производила химическая промышленность Германии — самая развитая в мире. Если пойти дальше, то без радара, появившегося во время Второй Мировой войны, мы не открыли бы свойства микроволн. Можно добавить также и то, что если бы Роллс-Ройс не производил бы двигатели и не ставил бы их на Спитфайры, то Британия просто выбыла бы из войны.

Братьям Райт в 1903 году удалось взлететь благодаря пропеллерам, приделанным к обычному двигателю внутреннего сгорания. Пропеллеры преобразовывали поступательное движение поршня во вращательное и обеспечивали тяговую силу.

Роллс-Ройс создал один из самых быстрых авиадвигателей — двигатель Rolls-Royce Merlin развивал скорость до 580 км/ч. Но на заброшенной фабрике в Ковентри молодой пилот королевских ВВС готовился совершить переворот в авиации. Фрэнк Уиттл верил, что его реактивный двигатель позволит летать намного быстрее и выше.

Родившийся в 1907 году, Уиттл с раннего детства был одержим самолетами. Поступив на службу в ВВС, он снискал славу отчаянного пилота. Высота дает пилоту решающее преимущество. Другим козырем в воздушном бою является скорость.

Опыт пилотирования и вдохновил Уиттла на изобретения. Если нужно подняться очень высоко, то поршневой двигатель и пропеллер здесь не помогут — в разреженном воздухе мощность такого двигателя падает, на высоте 12 км пропеллер уже не сможет вращаться. Уиттл знал пределы возможностей пропеллера. Ему нужен был другой вид тяги. В 1930 году он запатентовал модель первого в истории реактивного двигателя.

Современники поражались тому, что в схеме двигателя Уиттла нет ни поршней, ни пропеллеров. Вместо них там турбина. Она сжимает воздух, который смешивается с топливом, поджигается и выбрасывается наружу в виде струи. Это был качественный скачок в производстве авиадвигателей.

База ВВС в Кронвелле (Cranwell), графство Линкольншир, 15 мая 1941 года. Этот 17-минутный полет навсегда войдет в историю воздухоплавания. По своему значению он сопоставим только с полетом братьев Райт. Реактивный самолет Уиттла поднялся в небеса. Согласно британской точки зрения, с этого началась реактивная эра. Однако здесь необходимо отметить, что первый немецкий реактивный самолет Пабста фон Охайна взлетел на два года раньше. Надо понимать, что этот факт является очень обидным для Британии, где реактивный двигатель был изобретен.

Современный мир трудно представить без тех преимуществ, который дает реактивный двигатель. Великое изобретение Фрэнка Уиттла позволило нам летать быстрее, выше и дальше, и сделало Землю меньше. Поднять турбину в облака — тогда это было сродни помешательству, а сегодня это обычное явление. Такова природа гениальных творений.

Как же работает реактивный двигатель? Четыре слова, четыре операции. Всасывание: передний винт втягивает воздух внутрь, огромную массу воздуха каждую секунду. Передний винт — это те лопасти, которые все видят, когда садятся в самолет. Сжатие: воздух сжимается под действием лопаток турбины. Зажигание: смесь взрывается в форсунке. Выброс: с обратной стороны вылетает струя.

Температура в двигателе — всего втрое холоднее, чем на поверхности Солнца — 1600°С.

Что же приводит в движение воздушный винт? Часть реактивной энергии прогоняется через двигатель в обратную сторону. Она и вращает лопасти. Двигатель питает сам себя.

Современный реактивный двигатель состоит из тысяч деталей. Каждая из них — результат 70 лет улучшений проекта Уиттла.

Турбина высокого давления — это удивительное изобретение. Она способна выдерживать центробежные нагрузки в 10 тонн. Но куда важнее было изобрести сам процесс их производства.

Лопатка турбины начинает свою жизнь куском воска. Горячий воск впрыскивают в литейную форму, заканчивают процесс вручную. Восковые заготовки погружают в специальную жидкость с керамическим напылением, потом покрывают оксидом алюминия и сушат. Так повторяется несколько раз, пока керамическое покрытие не станет прочным.

Следующий этап: металл затвердевают, и получается турбинная лопатка. Но это не обычная лопатка: металл просочился внутрь и, застыв, сформировал спиральную трубку. Когда сплав остывает, его отправляют на повторную формовку, и на этот раз получается единая кристаллическая форма. Это обеспечивает жизненно важную для реактивных двигателей устойчивость к высоким температурам. Лопатки взвешивают, измеряют, просвечивают эндоскопом, проверяют, нет ли малейшего дефекта.

Так завершается процесс. Процесс изготовления турбинных лопаток, работающих при температурах на 200°С выше, чем температура плавления их материала. Это возможно благодаря белому слою термической защиты. В нем множество мельчайших отверстий, каждое имеет свою форму, а все вместе они создают воздушную прослойку, удерживающую металл от плавления. Подобные изобретения делают невозможное возможным!

Лопатки турбин — быть может, самая сложная часть двигателя, но далеко не единственная. Компоненты делают по всему миру и привозят на завод Роллс-Ройс, чтобы собрать воедино. На нем производят более 300 двигателей в год.

Каждому сборщику присвоен персональный штамп, каждая операция фиксируется. На заводе могут легко вычислить, кто собрал изделие, в какое время. И это еще не все. У каждой детали есть свой код компонента и серийный номер. Каждая из них уникальна. Когда двигатели поступают в эксплуатацию, на заводе точно знают, какие детали стоят на каждом из них.

Компания Роллс-Ройс тратит много времени и сил на развитие производства, на сборку, испытания, измерения и регламентирование всего, что относится к продукту. День за днем, неделя за неделей они совершенствуют способы производства газотурбинных двигателей, чтобы обеспечить их целостность и сохранность.

Эти двигатели — это огромные усилия, годы исследований, труд тысяч людей, миллионы вложенных фунтов. Настоящая магия, способная переместить вас туда, куда вы пожелаете.

Устройство этого двигателя очень сложно, но мы никогда не смогли бы его создать без изобретений прошлого. Вместе они подарили нам чудесную возможность путешествовать.

 

Любой скорости нам всегда будет мало. Мы будем требовать еще и еще, это приводит к развитию технологий.

Сама природа изобретательства сочетает поступательное развитие, мелкие усовершенствования в каждой сфере и грандиозные перевороты, революционные идеи, гениальные озарения инженеров.


 

Комментарии:

наверх