Текст книги "Изобретено в России: История русской изобретательской мысли от Петра I до Николая II"

Глава 11
Продавец воздуха
Центробежная вентиляция

У многих дома есть бытовые вентиляторы. Они называются осевыми: воздух выбрасывается из них под тем же углом, под которым засасывается. А вот в промышленности чаще используется другая система – так называемые центробежные вентиляторы, в которых воздух выходит под углом в 90° к забору потока. О них-то мы и поговорим.

Центробежный (или радиальный) вентилятор устроен относительно просто. Внутри его кожуха вращается ротор с лопатками, изогнутыми определенным образом. Воздух подается внутрь ротора по его оси через входное отверстие, а выбрасывается лопатками вбок, под прямым углом. В английском языке такую конструкцию часто из-за внешнего сходства называют «беличье колесо». Основные плюсы радиальной системы относительно привычной нам осевой хорошо заметны в промышленных условиях: такие вентиляторы значительно прочнее и надежнее, работают тише, и, главное, они масштабируемы до чудовищных размеров, то есть с их помощью можно перегонять гигантские массы воздуха или газа. Нередко они применяются для транспортировки горючих или взрывоопасных газовых смесей.

Есть и еще один момент. Радиальный вентилятор так или иначе представляет собой импеллер, то есть лопаточное устройство, заключенное в кольцеобразный кожух. Благодаря этому отсутствует срыв потока[4]4
  Если вкратце, то законцовки лопастей нарушают плавное течение потока жидкости или газа. Образуются турбулентные волны, действующие на сами лопасти и на окружающие их элементы. В частности, эти волны могут вызывать противодействие движению вентилятора, снижая его эффективность и долговечность.


[Закрыть] на концах лопастей и, соответственно, индуктивное сопротивление, а значит, такая конструкция намного экономичнее осевой. 90 % вентиляторов, применяющихся в системах отопления, вентиляции и кондиционирования, центробежные.

А теперь углубимся в историю.

Александр Александрович Саблуков родился в 1783 году в богатой дворянской семье. Его отец, действительный тайный советник и сенатор, в 1797–1800 годах возглавлял Мануфактур-коллегию – иначе говоря, был министром промышленности.

И Александра, и его брата Николая ждала военная карьера. Первый в итоге дослужился до генерал-лейтенанта корпуса горных инженеров России, а второй – до генерал-майора русской императорской армии. Много позже, уже посмертно, в 1860-х, Николай Саблуков прославился опубликованными на английском языке «Записками» – одним из важных источников информации об эпохе Павла I.

Александр с детства был склонен к техническим наукам, и отец всячески поддерживал этот интерес. В результате Александр получил прекрасное образование, а позже завоевал значительный авторитет в российской инженерной среде. Ему принадлежит ряд усовершенствований в артиллерийском деле, в конструкциях прицельных систем и т. д. Но свои самые значимые изобретения он сделал, будучи уже немолодым человеком и уйдя в отставку.

Первое упоминание системы, близкой к центробежному вентилятору, датируется 1556 годом. Ее кратко характеризует немецкий ученый, «отец минералогии» Георгий Агрикола в своем монументальном труде De re metallica – первой европейской энциклопедии металлургии и горного дела. Эта 12-томная работа в течение полутора веков была самым авторитетным источником информации о горнодобывающей отрасли – от исследования условий для строительства шахт до плавления металлов и изготовления из них различных изделий. На одной из ксилографий Агрикола изобразил нечто вроде примитивного центробежного вентилятора с мускульным приводом, предназначенного для подачи воздуха в шахты.

Но вплоть до XIX века упоминание такого рода систем оставалось единственным. Лишь в 1827 году американский инженер Эдвин Стивенс из Нью-Джерси установил опытный вентилятор этого типа для охлаждения котлов парохода «Северная Америка». Аналогичная идея пришла в голову известному изобретателю Джону Эрикссону, прославившемуся своими судостроительными проектами, в частности броненосцем «Монитор», который стал родоначальником нового класса кораблей. Так вот, Эрикссон применил центробежный вентилятор для охлаждения котлов парохода «Корсар» (1832).

Но, как ни странно, ни Стивенс, ни Эрикссон не увидели потенциала этой системы, и оба случая остались единичными, так и не получив дальнейшего развития. А Александр Саблуков – увидел перспективу и, более того, сумел доказать свою правоту окружающим.

Уйдя в отставку в конце 1820-х, Александр Саблуков вплотную занялся гражданской инженерией. В 1832 году, одновременно с Эрикссоном, он спроектировал центробежный вентилятор классической конструкции. Внутри кожуха вращался ротор с четырьмя прямыми лопатками (изгибать их соответственно направлению потока начали гораздо позже), а воздух всасывался не с одной, а с обеих сторон устройства. Первый вентилятор был ручной, его вращали два работника; впоследствии, еще при жизни Саблукова, аналогичные системы начали подключать к паровым машинам, значительно увеличив их производительность. Но даже на мускульном приводе вентилятор мог перемещать до 2000 кубометров воздуха в час.

Саблуков имел на руках козырь: он был обеспеченным, успешным человеком, а также лично знал всех сильных мира сего вплоть до императора. Поэтому когда он представил свое изобретение специальной военной комиссии во главе с генерал-инспектором, оно было – правда, не без трений, об этом я расскажу ниже – признано перспективным, Саблуков получил государственную привилегию и в течение последующих двух лет наладил производство вентиляторов нового типа.

Сперва они устанавливались в рудниках и шахтах (именно для этого Саблуков их и разработал), а также на крупных судах для проветривания трюмов. Первым вентилятором оборудовали Чагирский рудник на Алтае. Буквально за 10 лет изобретение разошлось по всем крупным рудодобывающим точкам России, а в конце 1830-х привилегию Саблукова начали покупать и в Европе.

Самым интересным эпизодом внедрения вентилятора стало противостояние Саблукова и другого знаменитого русского инженера, генерал-адъютанта Карла Андреевича Шильдера. Он был ровесником Саблукова, ушел в отставку в одно с ним время и точно так же занимался различными инженерными проектами. Шильдер входил в состав той самой комиссии, которая принимала вентилятор, и стал единственным ее членом, категорически не признавшим перспективность разработки «конкурента». Шильдер не позволил выделить Саблукову средства на доработку и производство вентиляторов, и Александра Александровича спасла коммерция: его детищем заинтересовались заводовладельцы, в то время как государство, одобрив систему и выдав привилегию, больше никак не поучаствовало в деле.

Но в 1834 году Шильдер представил собственное изобретение – первую русскую подводную лодку. Она была построена на Александровском литейном заводе, имела длину 6 метров, могла погружаться на 12 метров, а обслуживал ее экипаж в 13 человек. Вот тут-то Шильдер и столкнулся с проблемой подачи воздуха. Изначально он полагал, что воздух можно запустить в подлодку единожды перед погружением, длившимся по расчетам 10 часов, но такой принцип себя не оправдал: весь кислород поглощался за три-четыре часа, требовалась его регулярная замена. Тогда Шильдер установил воздухозаборник: подлодке нужно было подплыть к поверхности, выдвинуть его и «заглотить» очередную порцию воздуха. Встала задача: как ускорить процесс? И у Шильдера не осталось другого выхода, кроме как смириться со своей неправотой и попросить помощи у Александра Саблукова. Тот быстро спроектировал компактный центробежный вентилятор, позволявший нагнать в подлодку воздух буквально за 3 минуты. С этого момента былое соперничество переросло в многолетнее сотрудничество и дружбу.

Наружный вид и поперечное сечение подводной лодки К. А. Шильдера

Вдохновленный успехом, Саблуков в течение нескольких последующих лет вносил усовершенствования в свою систему, а также активно работал над новой – центробежным насосом. На всякий случай поясню, что это с точки зрения принципа работы то же самое, что и центробежный вентилятор, только всасывается и нагнетается лопатками не воздух, а вода.

Как и в случае с вентилятором, единичные попытки создать такой насос были и в прошлом. Впервые приблизился к этой идее еще в 1475 году итальянский художник, скульптор и инженер Франческо ди Джорджо, а в XVII веке Дени Папен создал опытный лабораторный макет.

Шильдер же при проектировании новой подлодки сражался с проблемой тихоходности: ему нужен был более эффективный движитель, нежели винт. И Саблуков предложил сделать водомет, функционирующий по принципу центробежного вентилятора. Центробежный насос, по сути, стал сухопутным побочным продуктом разработки водометного движителя (водогона, как называл его изобретатель). В 1838 году лодка была готова.

3 октября 1840 года в Кронштадте состоялось публичное испытание лодки Шильдера, оснащенной водогоном Саблукова. Правда, недостаток средств вынудил Шильдера отказаться от первоначально запланированного электродвигателя и приводить водогон в действие мускульной силой матросов. Из-за этого испытания провалились: мощности катастрофически не хватало даже для преодоления течения, и созданный специально для анализа конструкции Специальный комитет вынес отрицательное заключение относительно функциональности лодки. Военный министр Российской Империи, светлейший князь Александр Иванович Чернышёв, ознакомившись с мнением комиссии, приказал опыты за бесперспективностью прекратить. Так Россия не стала первой державой, применившей подлодки на войне, – а ведь могла!..

Центробежный насос Саблукова, как и вентилятор, был обозначен привилегией, но практического применения не получил. В мир он «ушел» из Великобритании всего десятью годами позже. Свою систему на Всемирной выставке 1851 года в Лондоне представил инженер Джон Эпполд. Он создал куда более совершенный насос, нежели Саблуков, с КПД 68 % – очень много на тот момент, который был высоко оценен комиссией и посетителями выставки.

Александр Александрович Саблуков прожил долгую и успешную жизнь и оставил после себя серьезное техническое наследие, несмотря даже на неудачу с насосом. Будучи с 1835 по 1845 год председателем IV отделения Императорского вольного экономического общества – одного из важнейших научных объединений России, Саблуков организовал при нем новые мастерские, а также химическую лабораторию. Путешествуя по Европе, он привез в Россию немало новых технологий в различных областях и добился приглашения целой плеяды иностранных ученых и механиков для обмена опытом. В 1841 году в Париже вышла его франкоязычная монография о центробежных вентиляторах и насосах – с высокой долей вероятности именно на нее опирался Джон Эпполд, создавая свою систему.

Пожалуй, единственное, чего не успел Саблуков, так это организовать механическое училище: бился над его проектом несколько лет, но так и не получил разрешения и средств. В 1857 году Саблуков умер, оставив после себя добрую память и огромный простор для технических экспериментов на базе своего изобретения.

Глава 12
Кибернетика, опередившая время

На сайтах сторонников гомеопатии можно найти биографию человека по имени Семен Николаевич Корсаков. Там обычно рассказывается о благотворном влиянии корсаковской гомеопатии на русское общество, об излечении тысяч людей разведенными травками и т. п. Если смотреть объективно, Корсаков действительно был великим человеком, но отнюдь не в области медицинских (и псевдомедицинских) наук. Этот человек изобрел компьютер.

Сразу скажу: у Корсакова толком ничего не вышло, несмотря даже на то, что он был дворянином, действительным статским советником (то есть имел гражданский чин, аналогичный генералу в армии), помещиком, человеком небедным и успешным. Однако Семен Николаевич чрезмерно опередил свое время. Технологии первой половины XIX века, с одной стороны, позволяли строить программируемые машины – станок Жаккара[5]5
  Ткацкий станок Жаккара, использующий систему перфокарт для формирования узора на ткани, был впервые представлен в 1801 году.


[Закрыть] тому доказательство, – но с другой – им практически не находилось применения. Я сходу и не вспомню, где в те времена, помимо ткацких станков, использовались перфокарты. Разве что в механических пианино и прочих автоматонах.

Семен Корсаков родился в 1787 году в обеспеченной дворянской семье. Уже тот факт, что крестным мальчика стал светлейший князь Григорий Александрович Потемкин-Таврический, говорит о многом. Отец Семена, Николай Корсаков, был военным инженером, выпускником Оксфорда и главным строителем города и крепости Херсона, дед по матери, Семен Иванович Мордвинов, – адмиралом, дядя – морским министром. В общем, перед мальчиком расстилались все пути. И этими путями он воспользовался, несмотря даже на раннюю смерть отца: Семену тогда не исполнилось и года.

Корсаков воевал против Наполеона, причем как в Отечественную войну, так и в Заграничном походе, длившемся до 1814 года, после служил в Министерстве юстиции и Министерстве внутренних дел, получил «Анну» и «Георгия», в общем, сделал успешную карьеру.

Но было у Семена Николаевича Корсакова увлечение – странное, очень странное для человека его класса и воспитания. Скорее всего, он увлекся этим на государственной службе, работая со статистикой и бесконечным бумажным круговоротом. До 1832 года, то есть до момента, когда Корсакову исполнилось 45 лет, о его хобби толком никто и не знал, кроме, как следует полагать, близких – жены и детей (последних у Семена Николаевича было десять).

Корсаков увлекался наукой, которой в его время не существовало как таковой, – кибернетикой. В 1832 году он опубликовал на французском языке брошюру «Начертание нового способа исследования при помощи машин, сравнивающих идеи», где описал устройство различных «интеллектуальных машин», и одновременно с тем подал в Петербургскую академию наук прошение, в котором предлагал рассмотреть его изобретение для последующего применения на практике. Ни описание, ни прошение не произвели должного впечатления – в первую очередь из-за того, что никто не понимал, зачем это нужно.

Всего машин было пять: прямолинейный гомеоскоп с неподвижными частями, прямолинейный гомеоскоп с подвижными частями, плоский гомеоскоп, идеоскоп и простой компаратор. По назначению этих устройств четко видно, что Корсаков пытался облегчить именно работу со статистикой, которая входила в его непосредственные служебные обязанности. Причем получилось довольно глупо: он был не в силах самостоятельно внедрить эти устройства и даже использовать единолично для ускорения собственной работы, поскольку они требовали перфокарт и перфорированных таблиц в качестве носителей информации. Даже если бы Корсаков изготовил несколько демонстрационных вариантов, полноценная эксплуатация гомеоскопов и идеоскопов была бы возможна только при повсеместном их распространении. Иначе говоря, если вы изобретаете автомобиль на новом типе топлива, вы не сумеете сделать его популярным, пока не появится сеть заправочных станций. А их построить самостоятельно невозможно, поскольку АЗС – это не просто баллон с горючим, а верхушка пирамиды, основание которой находится где-то в области добычи исходных полезных ископаемых.

Прямолинейный гомеоскоп с неподвижными частями: 1 – гомеоскоп, представленный в перспективе; 2 – он же, вид сбоку; 3 – гомескопическая таблица (перфокарта), вид сверху; 4 – сечение гомеоскопа и таблицы на 18-й строке для иллюстрации работы устройства

Основа примитивного гомеоскопа – таблица, где каждый столбец характеризует определенное явление (в случае Корсакова, который был не чужд медицинских увлечений, в качестве явления выступала болезнь). Строки же соответствуют характеризующим его признакам, то есть в конкретном случае – симптомам болезни.

Представьте себе, что у вас грипп. Симптомы – кашель, насморк, высокая температура, слабость, каша в голове. Значит, в столбце «Грипп» должны быть заполнены пять ячеек. А теперь представьте, что строк-симптомов – 1000, а столбцов-болезней – 100. Как найти в этой системе верный диагноз по типовым симптомам?

Тут вступает в действие собственно сам гомеоскоп. Он представляет собой цилиндр с отверстиями. Его длина соответствует высоте столбца, а в отверстия, расположенные напротив каждой строки, вставлены булавки. Мы чуть-чуть выдвигаем те из них, что соответствуют строкам с нашими пятью симптомами (скажем, это номера 3, 5, 10, 34 и 71), а затем ведем цилиндром по таблице. Там, где выдвинутые булавки проваливаются в отверстия перфорации, полностью соответствуя «узору» столбца, и будет искомая болезнь. Смотрим название столбца – а там написано: «Грипп»!

Казалось бы, зачем это может понадобиться? Хороший врач и так помнит симптомы. Но медицину Корсаков взял лишь для примера. А если нам нужно классифицировать 100 000 солдат по 50 дисциплинарным признакам и отбирать для заданий только подходящих? А если признаков 200? Для больших массивов принцип гомеоскопа казался незаменимым.

Основываясь на гомеоскопе с неподвижными частями – именно его я и описал выше, – Корсаков сконструировал аналогичную машину с подвижными частями, которая позволяла сравнивать наборы признаков болезней из различных столбцов. Следующей ступенью стал плоский гомеоскоп, где цилиндр был заменен квадратной дощечкой. При использовании в такой системе вместо булавок специальных стержней, которые можно было выдвигать или задвигать на заданное число делений, общее количество признаков доходило до миллиона!

Высшей стадией развития гомеоскопа стал идеоскоп, позволяющий выявлять признаки по степени их важности: не просто «5 симптомов = грипп», а «3 более важных симптома + 2 менее важных = грипп», причем те же симптомы в других степенях важности и в другом порядке предполагали другую болезнь.

Наконец, последней машиной был компаратор, позволяющий сопоставить две заданные идеи (в предыдущих случаях мы сравнивали заданную нами идею с уже занесенными в перфотаблицу, компаратор же в таблице не нуждался). По-французски каждый информационный массив Корсаков называл idée compliquée («сложной идеей»), отсюда и «сравнение идей», и «идеоскоп».

Основным прорывом Корсакова стало использование перфокарт в качестве хранилища информации. Принцип Жаккара позволял применять перфокарту только в качестве программы-алгоритма, задающей порядок действий машины. Получить с перфокарты Жаккара какую-либо информацию, кроме узора стежков, было нельзя. А вот перфотаблицы Корсакова позволяли хранить и классифицировать практически все что угодно – от военных сведений до стихов Пушкина.

Но все это оказалось преждевременно.

Корсаков справедливо полагал, что его машины позволят усилить человеческий разум (это его собственная формулировка). Он впервые ввел понятие весового коэффициента признака – важности, научился проводить механические операции с множествами – по сути, его прорыв мог перевернуть науку XIX века и ускорить появление современных компьютеров лет эдак на 30–50.

Но ему не повезло. Слишком неожиданно он вывалил на стол абсолютно новаторские принципы. Причем революционными они были как для весьма консервативного русского общества, так и для более подвижной и современной Европы. Брошюра Корсакова осталась незамеченной математическим и механическим сообществом.

11 сентября 1832 года Семен Николаевич отправил Павлу Фуссу, секретарю Петербургской академии наук, письмо с просьбой назначить комиссию для рассмотрения его концепции, а двумя днями позже предоставил и описание интеллектуальных машин. В письме есть такие строки: «Я надеюсь, милостивый государь, что Академия сумеет оценить побуждение, заставляющее меня добровольно отказаться от преимуществ исключительной привилегии, которой я имел бы право требовать на использование способа, до сих пор неизвестного», – то есть он сознательно отказывался от получения патента.

24 октября Корсакову было отказано в помощи с продвижением его концепций. Заключение подытоживал следующий пассаж: «Члены Комиссии замечают, что этот метод по самой своей природе может быть приложен лишь к некоторым наукам, да и то для каждой из них потребовалось бы составить отдельную таблицу; последняя в большинстве своем имела бы огромные размеры и потребовала бы затрат, совершенно не соответствующих пользе, которую, по мнению автора, можно было бы получить от этого прибора». Как ни странно, возразили Корсакову вполне по существу: технологии того времени действительно были слишком примитивны для одномоментного внедрения интеллектуальных машин. По Интернету гуляет байка о том, что члены Комиссии откровенно посмеялись над изобретателем, иронично пометив, что «г-н Корсаков потратил слишком много разума на то, чтобы научить других обходиться без разума». Но это заблуждение: на деле его машины рассматривали серьезно, в течение нескольких недель, и критика была вполне обоснованной. Ученые мужи просто побоялись рисковать.