Энергия и цивилизация - читать онлайн книгу. Автор: Вацлав Смил cтр.№ 74

Cтраница 74

Но, возможно, это и не имело значения для будущего развитии транспорта на паровой тяге, поскольку первый дорожный экипаж, собранный в 1800 году, оказался неприемлемо тяжелым. И проблема была тем серьезнее, что тогда практически не существовало дорог с хорошим покрытием, способных выдержать его вес. Единственный практичный способ использовать подобные машины заключался в том, чтобы поставить их на рельсы, но прошло несколько десятилетий от появления идеи до начала коммерческого использования, когда окончание патента Уатта в 1800 году открыло период интенсивных инноваций. Первым значительным успехом стало внедрение котлов высокого давления Ричардом Тревитиком (1771–1833) в Англии в 1804 году и Оливером Эвансом (1755–1819) в 1805 году в США. Другими вехами стали прямоточная конструкция, предложенная Джекобом Перкинсом (1766–1849) в 1827 году, и кулачковый клапан-регулятор, придуманный Джорджем Генри Корлиссом (1817–1888) в 1849-м, а также французское усовершенствование двигателей паровозов-компаундов в середине 1870-х. Таким образом из единого базового двигателя возникло большое количество разнообразных конструкций (Watkins 1967).

Исходная задача по откачке воды и подъему грузов в шахтах (рис. 5.3) вскоре стала лишь одной из функций двигателя. К тому времени самое широкое применение он нашел в ременных приводах на бесчисленных фабриках и в быстро меняющемся транспорте девятнадцатого века, как на суше, так и на воде. Развитие пароходов и паровозов происходило одновременно. Первые паровые суда были созданы в 1780-х годах во Франции, в США и Шотландии, но коммерчески успешные корабли появились только в 1802 году в Англии (Charlotte Dundas Патрика Миллера), и в 1807-м в США (Clermont Роберта Фултона).

Рисунок 5.3. Шахта С Pit в Хебберн-Кольери была типичным угольным разрезом времен паровых машин. Паровой двигатель шахты находился в здании с трубой и приводил в движение подъемные и вентиляционные механизмы. Воспроизведено из Hair (1844)

Все первые речные пароходы приводились в движение колесами с лопатками (на корме или по бортам), а для морских вояжей по-прежнему использовались паруса. Первым пересек Атлантику Royal William, он прошел по маршруту Квебек – Лондон в 1833 году (Fry 1896). Первым плаванием на скорость стала гонка между колесными пароходами Sirius и Great Western в 1838-м, в том самом году, когда Джон Эриксон предложил первый работающий винт. Постепенно все более крупные и быстрые пароходы заменяли парусники на пассажирских и торговых маршрутах через Северную Атлантику, и позже – на длинных переходах в Азию и Австралию. Они перевезли большую часть из 60 миллионов эмигрантов, оставивших континент между 1815 и 1930 годами, чтобы отправиться за море, в первую очень в Северную Америку (Baines 1991). В то же самое время движимые углем океанские корабли стали важным инструментом внешней политики США (Shulman 2015).

История наземного парового транспорта тоже началась с медленного старта, за которым последовало быстрое распространение железных дорог. После эксперимента Ричарда Тревитика в 1804 году с поставленной на рельсы машиной появилось несколько маленьких частных железных дорог. Первая общественная ветка, из Ливерпуля в Манчестер, открылась только в 1830 году, ее поезд тянул Rocket Джорджа Стефенсона (1781–1848). Благодаря большому количеству новый изобретений появлялись более эффективные и быстрые машины. К 1900 году лучшие механизмы в локомотивах работали при давлении до пяти раз выше, чем в 1830-х, и с эффективностью более 12 % (Dalby 1920). Скорости выше 100 км/ч стали обычным делом, и в 1930-х годах на прямых участках паровозы достигали и даже превосходили 200 км/ч (рис. 5.4).

Рисунок 5.4. Знаменитые машины эпохи паровозов. Rocket Стефенсона 1829 года, первая коммерческая машина, в которой появились две инновации, сохранившиеся во всех последующих конструкциях: отдельные цилиндры на каждой стороне, приводящие колеса в движение короткими соединительными стержнями, и эффективный многотрубочный котел. Стандартная американская конструкция, которая господствовала на железных дорогах США с середины 1950-х годов. Обтекаемый дизайн немецкого паровоза Borsig, разогнавшегося до 191,7 км/ч в 1935 году. Основано на Вут (1900) и Ellis (1983)

Начавшиеся с первой междугородней ветки в 56 км (Ливерпуль – Манчестер) в 1830 году, британские железные дороги протянулись до 30 тысяч километров к 1900 году, в Европе их общая длина составила 250 тысяч км. По всему миру наиболее мощная экспансия железных дорог наблюдалась в три последних десятилетия XIX века. К 1900 году сеть в России достигла 53 тысяч километров (но Транссибирскую магистраль до Тихого океана достроили только в 1917-м), в США на тот же момент было более 190 тысяч километров (включая три трансконтинентальных ветки), а всего в мире (с большей частью из оставшегося в Британской Индии) насчитывалось 775 тысяч километров (Williams 2006). В результате расширение железнодорожной сети стало главной причиной не имевшего прецедентов спроса на сталь во второй половине столетия.

Конечно, металл требовался в еще больших количествах для многих новых промышленных рынков: самой по себе стальной индустрии (чтобы обеспечивать металл для новых мощностей по производству железа и стали), электрической индустрии (для котлов и паровых турбогенераторов, трансформаторов и проводов), в добыче нефти и газа (для буровых труб, буровых головок, креплений, трубопроводов и цистерн), в кораблестроении (для новых кораблей со стальными корпусами), в производстве (для машин, инструментов и комплектующих), и в традиционной текстильной и пищеобрабатывающей промышленности. Но рельсы (ранее их изготавливали из железа) оказались самым важным конечным продуктом из доступной бессемеровской стали (подробости см. в главе 6), появившимся в 1860-х годах и остававшимся таковым до конца столетия (Smil 2016).

Апогей популярности парового двигателя наступил более чем через столетие после того, как Уатт получил усовершенствованный патент: к началу 1880-х годов широкое распространение паровых машин заложило энергетические основы современной индустриализации, и доступность высококонцентрированной мощности преобразовала как производительность промышленности, так и транспорт дальнего следования, и морской, и наземный. В свою очередь, эти изменения привели к обширной урбанизации, росту благосостояния людей, расширению международной торговли и сдвигам в положении стран на международной арене. Кумулятивный технический прогресс оказался значительным: крупнейшие машины, сконструированные в 1890-х годах, были примерно в 30 раз более мощными, чем их предки в 1800-м (3 МВт против 100 кВт), эффективность в лучших случаях повысилась в 10 раз, с 2,5 до 25 % (рис. 5.5). Этот огромный выигрыш в эффективности, со значительной экономией топлива и уменьшением загрязнения воздуха, случился благодаря в первую очередь более чем стократному росту рабочего давления, от 14 кПа до 1,4 МПа.

Рисунок 5.5. Растущая мощность и улучшение эффективности лучших паровых машин, 1700–1930 годы. Основано на данных из Dickinson (1939) и von Tunzelmann (1978)