К тому моменту, когда железные дороги прочно вошли в жизнь, стало ясно: мобильный змей Горыныч стать землеробом имеет мало шансов. Сползать с рельсов или с другой какой-либо дороги с твердым покрытием на первых порах он был не намерен.
Первый в мире гусеничный трактор Ф. Блинова за ворота мастерской вышел в 1888 году. В 1896 году на Нижегородской выставке изобретатель устроил для желающих регулярные катания на своем детище. Пассажиров усаживали на платформу, последнюю цепляли к трактору, после чего пускали его по сильно пересеченной местности. Впечатления от поездки были достаточно сильными, что объяснялось, по-видимому, не только новизной ощущений (большинство посетителей ранее о существовании самопередвигающихся машин, кроме паровоза, понятия не имело), но и отсутствием рессор.
Трактор Блинова, названный им "самоходом" (слово "трактор" придумали позднее), был похож на... волжский пароход. Блинов когда-то плавал машинистом на первом пароходе по Волге и поэтому соорудил на тракторе настоящую капитанскую рубку, из которой капитан в рупор подавал команды машинисту, сидящему на корме. В зависимости от характера распоряжений впередсмотрящего машинист то включал, то выключал две паровые машины, каждая из которых обслуживала свою гусеницу. Благодаря этому самоход мог достаточно круто поворачиваться на месте или двигаться вперед. В движение машины приводились от одного вертикального парового котла, отапливаемого нефтью.
Блинов умер в последний го.% прошлого века, так и не дожив до осуществления своей мечты: ему не суждено было увидеть армии самоходов, занятых извечным крестьянским трудом - пахотой. Первые русские трактора вышли в поле только в 1911 году. Их создателем был ученик Блинова Я. Мамин, который еще в 1893 году, за 4 года до Р. Дизеля, создал первый нефтяной двигатель и установил его на самоходную тележку. Получился механический тягач, способный заменить "живой двигатель" - лошадь...
В крестьянском хозяйстве лошадь (или вол, буйвол) - универсальное энергетическое средство, основная сфера приложения которого - обработка земли и перевозки. На посеве и уборочных работах живую тяговую силу почти не применяли. Ведь лошадь с плугом - это двигатель с наиболее примитивным исполнительным механизмом. По существу, здесь даже нет механизма: он низведен до простого орудия. Чтобы оно работало, достаточно тянуть его за собой. А вот чтобы работала сеялка или жатка, одной тяги мало: надо еще приводить в движение их "внутренние" механизмы.
Без этого семена не попадут в борозду, а колосья не будут срезаны и связаны в снопы.
Сеялки, жатки и другие сельскохозяйственные машины появились задолго до рождения трактора, но так и не смогли составить серьезной конкуренции рукам сеятеля и жнеца. Во-первых, из-за "немашинности" своего живого привода; во-вторых, из-за дешевизны упомянутых рук. Трактор, казалось бы, должен был с самого начала нацелиться на замену лошади при работе именно с подобными машинами. Однако этого не произошло именно потому, что лошадь, которую ему предстояло заменить, тянула преимущественно плуг да телегу. Значит, и ему та же судьба: быть в упряжке.
Сделать трактор транспортным средством в начале его истории не удалось: слишком уж неманевренным и грузным он был. Лошади, выступавшей в более легком весе", было нетрудно обойти механическое чудовище.
А вот для неспешной и тяжелой работы в поле он оказался более пригодным. Здесь трактор легко перетягивал живых конкурентов.
Первая попытка избавить трактор от "лошадиных черт" была предпринята в 1918 году с помощью так называемого "вала отбора мощности". Несколькими шестеренками этот вал Уединили с механизмом, который вращал ходовые колеса трактора. Теперь его двигатель обеспечивал еще и движение механизмов сельскохозяйственных машин. В начале 20-х годов появились, таким образом, тракторные сеялки, жатки, а потом и комбайны.
Плохо в этой конструкции было одно: механизмы машин, прицепленных к трактору, могли работать, только пока он двигался по полю. Трактор все еще сохранял типичные лошадиные особенности: ведь в конной жатке тоже все механизмы стоят, пока стоит лошадь ("крутить" их, кроме как ногами, она не умеет). Источником движения механизмов было и осталось все то же поступательное перемещение. И какая разница, откуда "забирать вращение" для рабочих органов жатки: от ее собственных колес (как это делали в конструкциях конных машин) или от колес трактора?
Зависимость вала отбора мощности от поступательного движения машинно-тракторного агрегата неудобна по многим причинам. Однако до поры до времени она всех устраивала ввиду простоты устройства двигателя, а главное - неспешности полевых работ. Ведь за первые 50 лет своей истории трактор так и не смог основательно обогнать лошадь: его "рабочие скорости" едваедва перешагнули за порог 5 километров в час!
К середине текущего столетия сельскохозяйственные машины стали более сложными и более производительными. Их простои в поле стали обходиться все дороже...
Вот, например, забился травой режущий аппарат жатки. Чтобы очистить его, надо остановиться и прокрутить вал привода жатки "вхолостую". Но раз остановился трактор, остановился и привод, двигавший механическую косу. Трактор-тягач - та же лошадь: работает, когда двигается, а когда стоит только корм (горючее) переводит.
Два независимых привода от одного двигателя - для тракторных колес и механизмов связанной с трактором машины - как будто и небольшое изменение конструкции, но оно делает двигатель качественно иным, многоцелевым, более гибким. Теперь трактор может совместить старые функции лошади - тягача и новые - источника движения механизмов. Теперь он сообщает машине и поступательное и вращательное движение.
Лошадь этого сделать никак не могла.
- Я читал, что К. Маркс называл идею запрячь лошадь одной из гениальнейших и редчайших из всех, что приходили на ум человеку. Что же касается идеи запрячь трактор... Что она дала?
- Мотыгой гектар вскапывают за двести, конным плугом - за два дня, а тракторным - за 1 час.
- Значит, лошадь увеличила производительность труда в 100 раз, а трактор - только в 50. Ну а КПД?
.43 - Коэффициент полезного действия тракторного двигателя - 30 процентов, "лошадиного" - больше 90.
С того момента, как человеку пришла на ум идея запрячь лошадь, прошло несколько тысяч лет. За это время он сумел очень тщательно "вылизать идею" и превратить лошадь (вола, буйвола и тому подобные живые двигатели) в великолепнейшее и универсальнейшее транспортное и энергетическое средство. Идея "запрячь трактор" совсем молода, за истекшее время конструкторы не успели разработать ее столь же тщательно.
Есть, однако, у них решающее преимущество перед "предшественниками" "конструкторами" лошади.
Преимущество это - возможность непрерывного увеличения мощности объекта усовершенствования...
Впрочем, начать следовало бы не с преимуществ, а с недостатков. Вот, например, коэффициент полезного действия. Лошадь и вообще живая мышца в этом отношении образец для подражания. Их КПД - 90-94 процента!
Сейчас живые двигатели, несмотря ни на что, обслуживают большую часть человечества, чем механические.
Однако к XXI веку моторизация планеты будет, безусловно, окончена: слишком велик расход кормов на содержание "живого тягла", слишком много земли требуется для их выращивания и слишком мала производительность труда. Можем ли мы, однако, заменив лошадь трактором, подтянуть КПД его двигателя до "лошадиного уровня"?
С 1936 года, когда в нашей стране началась сплошная дизелизация тракторов (перевод с керосиновых карбюраторных двигателей на дизель), и до 1946 года расход горючего удалось снизить с 230 до 195 граммов на одну лошадиную силу в час. В последующие 10 лет указанный расход уменьшился только на 15 граммов, а с 1956 по 1976 он и вовсе стал незаметным.
Совершенно очевидно: это говорит о том, что мы близки к "порогу возможностей" дизеля. В первом поршневом двигателе, созданном в 1867 году немецким инженером Н. Отто, только 15 процентов химической энергии топлива превращалось в механическую работу.
В современных тракторных двигателях КПД возрос до 34 процентов, но очень сомнительно, чтобы когда-нибудь он превысил 35-40. И действительно, разве получать механическое движение путем промежуточного превращения химической энергии топлива в тепло не расточительно?! Добавьте к этому, что топливо в двигателе внутреннего сгорания фактически не горит, а взрывается. Вспомните, как выглядит этот цикл: всасывание - сжатие - взрыв - расширение...
Ну и, кроме того, будущее двигателя внутреннего сгорания омрачают еще одни родственные связи - с паровым двигателем.
В 1780 году известный английский изобретатель - он же и один из первых фабрикантов паровых двигателей Д. Уатт - попал в затруднительное положение.
Пока его машины использовались при откачке воды из шахт, привод, обеспечивающий возвратно-поступательное перемещение, был очень удобен: именно такое движение совершали длинные штанги и поршни тогдашних водяных насосов (благополучно, между прочим, доживших до наших дней). Паровые двигатели Уатта легко справлялись с этой задачей: ведь и поршни этих машин движутся точно так же... Но вот их начали заказывать текстильщики и металлисты. И сразу - рекламации:
для станков более удобно непрерывное вращение.
Уатт прекрасно знал, как превратить возвратно-поступательное движение поршня во вращение махового колеса. Для этого следовало применить давно всем знакомую конструкцию кривошипно-шатунного механизма.
Но была здесь одна неприятная загвоздка: указанный механизм ухитрился запатентовать другой известный изобретатель того времени - француз А. Пикар. Уатту же вовсе не хотелось платить за право использования патента...
Нам неизвестно, как обогатил Пикара его патент.
Зато совершенно определенно можно сказать: получи он все причитающееся ему по закону в наше время, слава Крезов и Ротшильдов стала бы совсем негромкой...
Уж очень совершенен и универсален кривошипно-шатунный механизм!
Вот уже около 200 лет он остается незаменимым во всех поршневых двигателях (автомобильных, тракторных, судовых, железнодорожных и пр. и пр.). Так что ничего удивительного в родстве "древнего" паровика и двигателя внутреннего сгорания нет.
Основной рабочий орган этих двигателей - цилиндр с перемещающимся внутри него поршнем. Поршень в цилиндре движется возвратно-поступательно. Это значит, что в крайних точках он на мгновение останавливается, прежде чем начать движение в обратную сторону. Прерывистость, "импульсивность" далеко не лучший способ движения. Именно поэтому в борьбе за скорость и экономичность весла были заменены колесными лопастями, а эти последние винтом. Прерывистость движения приводит к возникновению инерционных нагрузок, снижению полезной отдачи и коэффициента полезного действия.
Стряхнуть груз "паровых традиций" с двигателя внутреннего сгорания, заменить возвратно-поступательное движение его поршней на вращение рабочего ротора пытались очень давно. Собственно вращение, как начальный момент машины, исходная точка ее движения, использовалось куда чаще, чем движение ползуна: вспомните о разных видах мельниц, водяных колесах и многих других устройствах, известных человеку задолго до того, как он познакомился с паровозом. Однако создать роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания оказалось делом далеко не простым. Первым достиг успеха Ф. Ванкель, по имени которого в соответствии с традицией и окрестили новый двигатель.
Первый ванкель заработал в 1957 году. За прошедшие с этого времени 20 лет инженеры успели полностью "выяснить с ним отношения".
Отказ от "кривошипно-шатунной древности" и переход к выполненному в форме сложной треугольной кривой - гипотрохоиды - поршню, вращающемуся в очерченном по еще более сложной эпитрохоиде цилиндре, принес моторостроителям одновременно и надежды -и разочарования.
Ванкель имеет вдвое меньший вес, чем дизель при одинаковой мощности, проще и компактнее. По-видимому, у ванкеля больше шансов стать "чистым", то есть меньше загрязнять среду, и, пожалуй, он может оказаться более дешевым. Зато ванкель съедает на 10-15 процентов больше топлива и масла. В эпоху энергетического кризиса это очень крупный недостаток, и трудно сказать, удастся ли его снять в дальнейшем.
Однако Ванкель был не первым, кто сделал вращение основным идейным принципом машины: Герои Александрийский опередил его на 2 тысячи лет. Как известно, именно он построил эолипил - прообраз современной турбины...
Сейчас газотурбинная установка считается одним из основных претендентов на звание "ведущего" транспортного двигателя. Объясняется это не столько заменой кривошипно-шатунного механизма вращающимся ротором, сколько малочувствительностью генераторов газа к качеству топлива, уравновешенностью всех движущихся частей, простотой устройства и низким весом. Помимо этого, коэффициент полезного действия турбины может достигать 40 процентов и даже немного более.
И все же это предел. Чтобы его перешагнуть, нужны принципиально новые решения, например, связанные с перспективой использования электроэнергии.
Мечта использовать электроэнергию для передвижения по планете преследовала человека с того самого времени, как он познакомился с аккумуляторными батареями. Электропривод для мобильных машин привлекает бесшумностью, безвредностью и еще многими другими "без", не присущими, к сожалению, тепловым двигателям.
Сейчас, например, трактору необходимо иметь сложнейшие механические передачи, коробки скоростей, карданные и обычные валы - и все это только ради передачи движения на собственные колеса и к рабочим органам агрегатируемой с трактором машины. Сложно, дорого, ненадежно! А чтобы передать электроэнергию от ее источника (генератора) к двигателю (электромотору), достаточно обычного гибкого кабеля. Электромотор может быть буквально "встроен" в ступицу ходового колеса, посажен на вал молотильного аппарата комбайна, он без всяких передач способен крутить мощные вентиляторы опыливателей, насосы дождевальных машин...