Как мы увидели в предыдущей главе, идея использования силы пара возникла за два тысячелетия до изобретения паровоза. Но лишь с развитием фундаментальной науки, исследовавшей агрегатное состояние жидкостей и газов, совершенствования механики и применения передовых и точных способов металлообработки, удалось сконструировать рабочую модель паровой машины.
Впервые использовать силу пара для движения повозки предложил знаменитый английский ученый Исаак Ньютон в 1680 году. Тележка Ньютона была реактивной. Это была, по сути, та же самая вертушка Герона, только с жестко закрепленным шаром (сосудом для воды) и паровыводящими трубками. Ехать верхом на кипящем чайнике никто не соглашался, несмотря на огромный научный авторитет Ньютона. И проект благополучно остался на бумаге. Почти столетие спустя за конструирование паровой тяги взялся французский инженер Николя Кюньо. Он в 1769 году построил трехколесную безрельсовую повозку с паровым двигателем, который приводил в действие одно колесо при помощи храпового механизма. Изобретатель мечтал создать артиллерийский тягач для передвижения тяжелых орудий. Однако, его задумка на десятилетия опередила свое время. Самоходная артиллерия стала массово выпускаться только с изобретением двигателей внутреннего сгорания… Машина Кюньо двигалась самостоятельно, но оказалась весьма неудачной. Подлинная телега Кюньо до сих пор хранится в политехническом музее Парижа.
А идея будоражила умы предприимчивых инженеров и механиков. Американец Эванс и помощник Уатта Уильям Мердок также не дошли до практического применения своих разработок. Новшество было слишком экзотичным, чтобы в него поверили те толстосумы, кто мог бы профинансировать работы над усовершенствованием паровой машины и ее приводов.
Первым, кто сумел сделать катящуюся по рельсам паровую повозку, стал, как мы знаем, талантливый английский инженер Ричард Тревитик. На его счету несколько моделей паровозов, самый первый из которых, «Puffing Devil» («Пыхтящий Дьявол»), был создан в 1801 году. Его безаварийная работа позволила Тревитику поверить в собственные силы, и годом спустя для угольной компании «Coalbrookdale» он построил одноименный паровоз.
Надо отметить, что редкое новшество, каким являлись первые локомотивы, получало имена собственные. Ведь еще не было серийного производства однотипных моделей, каждый паровоз был штучным товаром и, по сути, результатом многочисленных проб и ошибок. Так, например, «Пыхтящий Дьявол» взорвался, когда Тревитик зашел в паб пропустить кружечку пенного эля, забыв приглушить топку и открыть предохранительный клапан…
Однако, Ричард не унывал. Он продолжал свои опасные эксперименты. Самая известная модель паровоза, которая получила имя «Pen-y-Darren», была создана Тревитиком в конце 1803 года. Официальным же годом ее рождения считается 1804, когда Тревитик получил патент на свое изобретение. Паровоз сильно отличался от его многочисленных «потомков». Так, на нем один цилиндр раскручивал большое колесо-маховик, от которого через зубчатую передачу приводились обе колесные пары. Такая передача была не совсем удобной, ведь в результате слишком резкой подачи пара в цилиндр зубчатая передача могла сломаться. И все же это был уверенный шаг вперед. Испытания данного паровоза проходили близ города Мертир-Тидвил (Уэльс, Великобритания), где паровоз впервые проехал с вагонетками, тем самым проведя первый в мире поезд. В 1808 году Тревитик создает новый паровоз, который начал использовать на кольцевой железной дороге-аттракционе «Поймай меня, кто сможет».
Джордж Стефенсон, у которого к тому времени было несколько удачных моделей паровозов, среди которых был и первенец «Блюхер», названный в честь немецкого фельдмаршала, участвовавшего в разгроме армии Наполеона. К тому времени на крупных предприятиях активно использовалась конная тяга, применение которой существенно ограничивало вес составов с грузом, да и скорость транспортировки была невелика. Это вскоре привело многих владельцев крупных предприятий к мыслям о начале применения в транспортировке грузов паровых машин, в том числе и движущихся по рельсам. И Стефенсон активно предлагал свои локомотивы для использования в промышленности. Он доказывал их неоспоримое преимущество и экономическую выгоду от применения паровозов.
Была еще одна причина, способствовавшая появлению паровой тяги. Из-за наполеоновских войн резко уменьшилось поголовье лошадей, самых сильных из которых отбирали для действующей армии. К тому же разоренное сельское хозяйство не давало нужного количества фуражного зерна, и цены на него взлетели до небес.
Эти проблемы подстегнули интерес к паровозам, работавшим на шахтах и рудниках, на крупных заводах и фабриках. В 1811 году предпринимается попытка применения паровоза для вождения вагонеток с углем, но легкий паровоз не смог потянуть тяжелый состав, а стал боксовать на месте. В результате родилось ошибочное мнение о невозможности езды паровоза с гладкими колесами по гладким рельсам. Поэтому в 1812 году для Мидльтонских копей был создан паровоз «Бленкинсоп», в котором сила тяги реализовывалась за счет зубчатого колеса, катящегося по зубчатой рейке (надо заметить, что подобную конструкцию мне довелось увидеть в Испании, где на гору Монсеррат ходит небольшой экскурсионный поезд, между рельсами которого проложен зубчатый рельс. Скорость движения такого поезда невысокая, но туристам это даже интереснее, поскольку медленный подъем позволяет вдоволь полюбоваться живописными видами на горы и знаменитый монастырь Монсеррат).
Но заблуждение было разрушено практикой. В 1813 году Уильям Хедли создал паровоз «Пыхтящий Билли», который водил поезда лишь за счет силы сцепления колес с рельсами. Тем самым были заложены основы для расчетов такого понятия как сцепной вес локомотива, который играет определяющую роль для организации перевозочного процесса. В более поздние времена для предотвращения боксования колесной пары стали применять различные ухищрения – использовать паровоз-толкач, который с хвоста поезда подталкивал состав на крутой склон, подсыпать песок под ведущие колеса локомотива, использовать технологию распределенной тяги.
«Пыхтящий Билли» оказался на удивление действенной конструкцией и исправно проработал целых полвека!
Джордж Стефенсон в 1814 году построил свой первый паровоз «Блюхер». И с этого события начинается, пожалуй, подлинная история железнодорожного транспорта, каким его знаем мы.
С открытием первой регулярной линии железной дороги Дарлингтон-Стоктон, начинаются два параллельных процесса. С одной стороны – интенсивное путевое строительство, а с другой – существенное улучшение конструкции паровозов.
Растут скорость и грузоподъемность паровозов. Инженеры включаются в соревновательную гонку «Дальше, сильнее, быстрее!». В 1829 году паровоз Стефенсона «Ракета» победил на Рейнхильских испытаниях локомотивов для дороги Манчестер – Ливерпуль.
Если первые паровозы еще вынуждены были конкурировать с конной и канатной тягой, то к тридцатым годам девятнадцатого века локомотивная тяга побила всех конкурентов.
И тут произошло событие, которое определило дальнейшее развитие локомотивов. После убедительной победы стефенсоновской «Ракеты», два года спустя произошло разделение поездов и, соответственно, локомотивов, на товарные и пассажирские. В следующие несколько лет общие черты конструкции паровоза окончательно оформились в привычные нам по фильмам виды. У локомотивов появилась будка для машиниста, которая защищала локомотивную бригаду в непогоду. Для обеспечения большей безопасности начали устанавливать осветительные приборы, применять световые и звуковые сигналы. Теперь поезд не сопровождал гонец с флагом и рожком.
Изменилась и внутренняя конструкция паровоза. Котел стал значительно длиннее, было усовершенствовано парораспределение, что обеспечило большую силу тяги, а значит, и возможный вес поезда. В 1832 году в США применили поворотную тележку, которая позволяла лучше вписываться в кривые малого радиуса, что было весьма существенным в гористой или пересеченной местности. Паровые цилиндры окончательно приняли горизонтальное положение в 1834 году (паровозы Тревитика, Бленкинсопа, Хедли, «Блюхер» и «Локомоушен» имели цилиндры, расположенные вертикально в котле, «Ракета» – вне котла, наклонные).
Математическими расчетами и опытом поездной эксплуатации было установлено, что скорость движения зависит от диаметра движущихся колес. Для пассажирского сообщения их стали делать диаметром в 2,5 метра! Это позволяло разогнать локомотив до неимоверных скоростей. К тому же, такие гигантские колеса обеспечивали более плавную, а значит, комфортную езду для пассажиров.
В 1839 году паровоз «Ураган» развил скорость в 165 километров в час (103 миль/ч). А через восемь лет «Корнуол» достиг 187 километров в час (116 миль/ч)! Сравним это с первым поездом и скромными 8 км/час!
На закате парового движения в Англии сконструировали паровоз, достижения которого практически невозможно побить. Это был знаменитый «Маллард», развивший скорость, сравнимую с лучшими современными скоростными электропоездами – в 203 километра в час! Этот паровоз был построен в 1938 году и исправно проработал до 1963 года, «намотав» за эти годы свыше 2,4 миллиона километров! Шестьдесят земных экваторов! Знаменитый локомотив с почетом был установлен в Национальном железнодорожном музее в Йорке. Для снижения сопротивления воздуха, на «Малларде» предусмотрели целый ряд технических находок. Передней части паровоза придали обтекаемые формы. Экипажная часть была прикрыта специальными крыльями, как у спортивных автомобилей. Это и позволило достичь рекордной скорости движения по стандартной железной дороге.
Знаменитый паровоз «Маллард»
Конструкторы паровозов стремились повышать качественные характеристики локомотивов. С ростом грузоперевозок потребовались мощные машины, обладающие большим сцепным весом. От этого существенно возрастала нагрузка на ось. В США она достигла 35 тонн, тогда как в Европе максимальными были 23 тонны.
Американская железная дорога Юнион Пасифик, проходящая через хребет Уосатч в Скалистых горах, нуждалась в мощных паровозах, способных тянуть тяжеловесные поезда. И тогда под руководством главного конструктора североамериканского завода ALCO Отто Джейбелмена был создан сочлененный паровоз типа 2–4–0+0–4–2. Эта осевая формула говорит, что у гиганта были две бегунковые оси, на которые передавалась часть нагрузки, четыре оси были ведущими и отсутствовала поддерживающаяся ось. С легкой руки одного из заводских рабочих, написавших мелом на паровозе «Big Boy» (Большой Мальчик или Большой Парень), это неофициальное название прижилось и стало символом самого мощного из серийно выпускаемых локомотивов. Их строили с 1941 по 1944 год. Всего было выпущено 25 паровозов. Но что это были за исполины! Каждый длиной в сорок метров и весом в 548 тонн! Разовая заправка включала 28 тонн угля и 90 тонн воды. Мощность паровоза доходила до 6290 лошадиных сил.
Но как бы ни были впечатляющими эти показатели, достаточно сказать, что мне довелось в юности работать помощником машиниста на двухсекционном тепловозе ТЭ3, каждая из секций которого была мощностью в 3000 л. с. При этом тепловоз в полностью снаряженном состоянии был весом всего лишь в 126 тонн.
И не случайно этот расцвет конструкторской мысли пришелся на период, когда паровые гиганты нехотя уступали место под солнцем более молодым, производительным и экономичным собратьям по транспортному цеху – тепловозам и электровозам. В 1963 году последние Большие Мальчики были выведены из эксплуатации, уступив место более производительным тепловозам и электровозам.
Массовый тепловоз ТЭ3
И чтобы закончить со сравнительными характеристиками паровозов, стоит назвать и самых настоящих лилипутов в этом семействе.
Пальму первенства здесь держит настоящий действующий паровоз. Его построили в Японии, неподалеку от железной дороги Хансин. Крошка может перевозить до 20 человек одновременно. Для упрощения конструкции порция угля загружается прямо в двигатель. Паровозик развивает скорость до 10 километров в час и возит детей и взрослых по стометровому пути. Это, конечно, аттракционный экспонат, но в нем все устроено так, как в самом настоящем магистральном локомотиве.
Каких только чудес не увидишь в мире техники. А за два века развития железных дорог, на ее стальные рельсы выезжали иногда весьма диковинные создания. О них – наш дальнейший рассказ.