Пароварка Папена 1679 г. с нагруженным предохранительным клапаном L-M-N
В 1681 г. Папен перебрался в Венецию, где возглавил экспериментальное отделение недавно созданной научной академии, которую Амброз Саротти, посол Венецианской республики в Англии, организовал в подражание Королевскому обществу. В 1684-м Папен вернулся в Англию на должность временного куратора экспериментов Королевского общества с весьма скромным жалованьем30 фунтов в год (что соответствует 4000 фунтам, или 6000 долларам, в нынешних деньгах); при этом он, видимо, надеялся получить назначение секретарем общества. В Англии XVII в. лаборантов, сколь угодно одаренных, не причисляли к ученым: их воспринимали скорее как слуг, обязанных представлять любое мнение господ, как верное, так и ошибочное. Секретарем Королевского общества стал в итоге Эдмунд Галлей, и в 1687 г. Папен еще раз пересек всю Европу, чтобы занять должность профессора математики в Марбургском университете в Гессене, среди своих единоверцев-гугенотов.
В Марбурге Папен продолжил опыты. В конце 1680-х гг., заметив, что вода, обращаясь в пар, возрастает в объеме в тысячу с лишним раз, он решил, что в качестве рабочего вещества двигателя лучше использовать не порох, а пар.
«Поскольку свойство воды таково, писал он в 1690 г., что малое ее количество, будучи преобразовано в пар под действием тепла, обладает упругой силой, подобной упругой силе воздуха [то есть расширяется и давит на стенки сосуда. Авт.], но при последующем охлаждении вновь становится водой, лишенной и следа упомянутой упругой силы, я уверился, что возможно построить машины, где вода, при посредстве не слишком интенсивного нагрева и с малыми затратами, сможет создавать тот совершенный вакуум, который не удалось получить с помощью пороха».
Папен предлагал наполнять паром цилиндр, перемещая поршень в наивысшее положение, а затем удерживать поршень в этом положении при помощи стопора, пока цилиндр охлаждается и пар снова конденсируется в воду, теряя бо́льшую часть объема, занимаемого прежде. Если такой цилиндр не сообщается с наружным воздухом, на месте конденсированного пара останется вакуум. Тогда стопор следует убрать, и вся сила атмосферного давления опустит поршень и заполнит этот вакуум, увлекая вместе с поршнем все, что к нему присоединено. И если несколько таких устройств работают совместноподобно цилиндрам современного автомобильного двигателя, закрепленным вдоль коленчатого вала, то можно достичь устойчивого производства двигательной энергии.
Папен полагал, что с его «трубами» можно будет «поднимать из шахт воду или руду, выстреливать железными снарядами на огромные расстояния, двигать корабли против ветра и вершить великое множество других сходных дел». Из всех этих возможностей его больше всего интересовало «приведение в движение морских судов Мои легковесные трубы не замедляют движения судна, занимают немного места, а также их возможно изготовить в больших количествах при наличии завода, построенного и оборудованного для этой цели; наконец [в отличие от животной или человеческой силы], трубы не потребляют топлива за исключением того времени, когда работают; они не требуют расходов, когда судно стоит в гавани».
Источником энергии в двигателе Папена служил не пар, а давление атмосферы: именно оно воздействовало на разрежение, возникающее после конденсации пара. Поэтому для увеличения мощности двигателя требовался больший объем пара в более объемных цилиндрах, на которые мог воздействовать больший атмосферный столб. В то время никто не умел изготавливать столь крупноразмерные машины. И Папен надеялся, что его новый двигатель весьма поспособствует развитию средств их производства.
Когда Папен преподавал в Марбурге, он женился на своей овдовевшей кузине, и к тяготам его жизни прибавились заботы о ее многочисленных родственниках. В поисках должности с более высоким жалованьем он обратился к Гюйгенсу. Возможно, поэтому в 1695 г. его назначили советником ландграфа Гессен-Кассельского: это было наивысшее в его жизни достижение в поисках покровителя-аристократа. К несчастью, ландграфа Карла не интересовало финансирование сталелитейного цеха или завода для производства атмосферного двигателя Папена. Вместо этого он хотел устроить в своих садах фонтаны наподобие версальских.
Для этого проекта Папен разработал и построил паровой насос, поднимавший воду в установленный на высоте резервуар: оттуда вода под действием силы тяжести поступала в фонтаны ландграфа. На разработку и сооружение этой системы ушел год. Все работало, но недолго: вскоре прорвало одну из труб. Папен изготовил новую трубу. Прорвало и ее. Качество производства труб еще не позволяло работать с паром под высоким давлением.
Затем, как Папен писал Лейбницу в апреле 1698 г., ландграф разработал собственную программу, «новый план, весьма достойный великого Государя, цель которогопопытаться выяснить, откуда берется соль в соляных источниках». Для этого требовалось придумать, как извлечь «огромное количество воды Я произвел множество опытов, пытаясь найти пользу в применении к этой задаче силы огня». Он строил новую печь для изготовления крупных реторт из кованого железа и разработал мехи нового типа для раздувания огня в этой печи. «И так одно влечет за собой другое», заключал Папен. Ему приходилось разрабатывать новую инфраструктуру по ходу дела, и это замедляло и усложняло осуществление каждого проекта.
Лейбниц немедленно ответил на письмо Папена. Он спрашивал, основана ли система для подъема воды на разрежении, то есть на конденсации пара для получения вакуума. Папен ответил утвердительно, только уточнил, что она также напрямую использует давление пара. «Это [прямое] действие не ограничено, писал он Лейбницу, в отличие от всасывания». Папен хотел сказать, что его двигатель работал в двух режимах: (1) под давлением расширяющегося пара и (2) в режиме разрежения или всасывания, используя силу атмосферного давления для заполнения частичного вакуума. В фазе прямого действия в цилиндр заливали немного воды, вставляли поршень, опускали его до соприкосновения с водой; после на цилиндр навинчивали крышку с отверстиями, а под ним разжигали огонь. Превратившись в пар, вода толкала поршень вверх, а затем его удерживал на месте подпружиненный шток. Когда огонь гасили, цилиндр остывал, и пар, бывший внутри его, конденсировался обратно в воду, и там, где он находился прежде, создавалась пустота. Шток отводили, и поршень, говоря словами Папена, мог «подвергнуться давлению всей тяжести атмосферы» и шел вниз, снова заполняя цилиндр. Если поршень соединялся с коленчатым валом, то оба хода поршняподъем под давлением пара и спуск под давлением атмосферыудавалось обратить в полезную работу, например накачать воду или обеспечить вращение лопастного колеса судна.
Папен понимал, что совершенный им переход к непосредственному применению давления параэто революция. Состояние дорог в ту эпоху, полагал он, вероятно, не позволило бы использовать паровые повозки, «но что касается перемещений по воде, я тешу себя мыслью, что мог бы довольно быстро решить эту задачу, если бы смог найти бо́льшую поддержку».
К сожалению, положение Папена не позволило ему построить даже модель такой паровой машины двойного действия. Ландграф не пожелал финансировать его проект, а своих денег у Папена не было. Единственное, что он смог сделать, это опубликовать в 1695 г. книгу о своих изобретениях, «Собрание различных писем относительно некоторых новых машин». В этой книге он описывал свои «гессенские мехи»: вентилятор, вращающийся внутри корпуса, нечто вроде большого современного фена, но без нагревательного элементаи предлагал нагнетать ими либо воздух, заменив обычные мехи при плавке железа, либо воду при ее подаче в фонтаны или при тушении пожаров. Более радикальным стало предложение Папена использовать его паровую машину для осушения шахт. Рецензия на его книгу появилась в выпуске «Философских трудов Лондонского королевского общества» (Philosophical Transactions of the Royal Society of London) за 1695 г., так что с ее основными идеями должны были познакомиться по меньшей мере члены общества, читавшие этот журнал, и, почти наверняка, многие другие.
В очередном письме к Лейбницу, написанном в 1698 г., Папен сообщал, что ему удалось «поднять воду на высоту до 70 футов [21 м]» при помощи давления пара. Этот результат оказался важным достижением, потому что атмосферный двигатель, где пар использовался только для создания вакуума, мог поднимать воду всего лишь приблизительно на 10 м: такова максимальная высота подъема, которую может обеспечить атмосферное давление, 1013 гектопаскалей на уровне моря. Попутно Папен обнаружил: если нагреть пар выше точки кипения, это чрезвычайно увеличит его силу. А это, писал он Лейбницу, означает, что парлучшее рабочее вещество, чем порох. Как показало дальнейшее развитие событий, Папен был прав, но технологии его времени, особенно низкая температура плавления припоя, которым соединялись пластины паровых котлов, не позволяли применять более горячий пар под высоким давлением: стоило давлению возрасти, как припой размягчался, и паровые котлы то и дело разваливались на части.
В 1698 г. у Папена появился конкурент на роль изобретателя и первопроходца. Пока Папен переписывался с Лейбницем, английский инженер Томас Севери оформлял патент на «Новое изобретение для подъема воды и приведения в движение всевозможных машин побудительной силой огня, весьма полезное и выгодное для осушения шахт, обеспечения городов водой и работы всевозможных мельниц в местах, не имеющих ни удобных вод, ни постоянных ветров [для водяных и ветряных мельниц]». Как и двигатель Папена, двигатель Севери накачивал воду, сочетая атмосферную и паровую системы. Его уменьшенную модель продемонстрировали на заседании Королевского общества 14 июня 1699 г., и она произвела впечатление. Однако Севери, как и Папену, предстояло осознать, как трудно будет создать полномасштабный работоспособный двигатель, а еще труднеедобиться его беспристрастной оценки.
Глава 3Великан с единственной мыслью
Дени Папен был человек честный. Хотя он мог бы заявить, что Томас Севери украл у него идею паровой машины двойного действия, он знал, что идеи «поднятия воды огнем» в прямом смысле слова витали в воздухе эпохи Просвещения. «Я не сомневаюсь, что та же мысль могла прийти в голову [мистеру Севери], отреагировал он на известие о том, что в 1698 г. Севери получил патент на свое изобретение, и другим, без получения сведений о ней из других источников».
Однако в 1704 г., когда Лейбниц прислал Папену набросок схемы двигателя Севери, получив чертеж через свои лондонские связи, Папен понял, что эта конструкция чрезвычайно непроизводительна и, возможно, даже неработоспособна. В одной из фаз работы насоса двигатель Севери использовал пар для вытеснения холодной воды из бака, причем между паром и водой не предусматривался поршень, способный препятствовать конденсации пара под действием холодной воды. Для вытеснения воды приходилось вводить в бак гораздо больший объем пара. Такая потеря энергии уменьшала производительность двигателя до величины, меньшей 1 %. Кроме того, у котла Севери отсутствовал предохранительный клапан, который Папен изобрел и начал применять за несколько десятилетий до этого, когда создавал пароварку; со временем этот клапан стал стандартным элементом всех паровых котлов в его проектах.
Однако машина Папена, как и машина Севери, обладала конструктивными недостатками, которые ни один из изобретателей так и не устранил: оба двигателя были рассчитаны на ручное управление. Их сложный рабочий цикл требовал неутомимого оператора, способного открывать и закрывать различные клапаны по нескольку раз в минуту. Даже в одном из поздних писем к Папену (1707 г.) Лейбниц рекомендовал усовершенствовать конструкцию так, чтобы клапаны двигателя «поочередно открывались и закрывались машиной, без необходимости использовать для этой цели человека».
«Друг шахтера»
Но Папен не мог заниматься усовершенствованиями. Лишившись благосклонности своего покровителя, гессенского ландграфа, в 1706 г. он решил вернуться в Англию и привез с собой планы колесного корабля на паровой тяге, которые собирался представить Королевскому обществу. К несчастью, в Лондоне связь с Лейбницем ему не помогала, а вредила. В 1703 г. пожизненным председателем Королевского общества избрали Исаака Ньютона. До этого Лейбниц и Ньютон независимо друг от друга разработали высокоэффективную математическую систему, известную под названием «дифференциальное и интегральное исчисление», и Ньютон, а также его последователи теперь воевали с Лейбницем за приоритет в этом достижении.
Папен выступил перед Королевским обществом с описанием своего парохода в феврале 1707 г. Он просил общество помочь ему построить 80-тонный прототип, который, по его оценкам, должен был обойтись в 400 фунтов (57000 фунтов, или 84000 долларов, в нынешних деньгах). Этих денег он так и не получил; кроме того, Королевское общество, возглавляемое Ньютоном, не собиралось вновь предоставлять Папену должность куратора. Вместо этого оно предложило ему оплачивать все экспериментальные демонстрации, при условии, что тот будет заранее представлять свои идеи на утверждение общества. А в 1708 г. руководство общества передало планы паровой машины Папена для оценки Севери, его главному конкуренту. Севери, что и неудивительно, раскритиковал конструкцию. Если Папен отверг чрезвычайно непроизводительное предложение Северивыкачивать холодную воду открытым паром, то Севери забраковал цилиндр и поршень Папена, утверждая, что эта конструкция не будет работать «по причине слишком большого трения».
Еще четыре года доведенный до отчаяния Дени Папен предлагал продемонстрировать самые разнообразные свои изобретенияи печь с экономным расходом топлива, и способ очистки и нагревания воздуха в помещении, но Королевское общество не пожелало ни рассмотреть, ни поддержать ни одно из них. Потерпев полный крах в Лондоне эпохи Стюартов, Папен исчез со страниц истории в 1712 г..
Дела Томаса Севери складывались немногим лучше. «Если двигатель Севери был небольшим, работать он мог, и в высшей степени убедительно, пишет специалист по истории техники Ричард Лесли Хиллс. Когда Севери демонстрировал свои модели, его проект, несомненно, вызывал сильнейший энтузиазм». Наряду с демонстрациями Севери опубликовал книгу «Друг шахтера, или Машина для подъема воды при помощи огня» (The Miners Friend; or, An Engine to Raise Water by Fire), украшенную изображениями маленьких трудящихся ангелочков.
Но чем крупнее была машина, построенная Севери, тем менее эффективно она работала. Она достаточно хорошо функционировала в качестве атмосферного двигателясоздавая частичный вакуум после того, как на цилиндр, заполненный паром, лили холодную воду, и поднимала воду в трубе на высоту около 6 м. Однако за неимением предохранительного клапана прямой впрыск пара позволял поднять воду лишь немногим вышеа дальше уже возникал риск взрыва парового котла. «Слишком сильный пар разорвал ее на мелкие части», сообщал один из наблюдателей. Машины Севери служили водяными насосами на водонапорной башне компании York Buildings, стоявшей на берегу Темзы, а также в королевской резиденции в Кенсингтоне, дворце королевы Анны.
«Севери чрезвычайно сильно переоценивал возможности своей машины, заключает Галлоуэй, и недооценивал недостатки ее применения. Он построил несколько таких машин, вполне успешно качавших воду для дворянских усадеб, но для осушения шахт они оказались совершенно непригодны». Для очистки от воды глубокой затопленной шахты требовалось от пяти до десяти машин Севери, расположенных в стволе шахты одна над другой, через каждые 30 футов (9 м). С учетом их прожорливости десять таких машин могли потреблять почти весь уголь, добываемый в шахте, не говоря уже о том, сколь изнурительной оказывалась их эксплуатация. Да и владельцы шахт не горели желанием устанавливать в своих рудниках огненные машины, ведь под землей мог в любое время воспламениться метан. После 1705 г., продав всего две машины, Севери перестал продавать их для осушения шахт, но по-прежнему производил их для водопроводных систем в городах и сельских поместьях.