История изобретения водородного двигателя похожа на сказку о трех братьях, двое из которых считали себя умными и практичными людьми, а третий был не от мира сего, дурачок, одним словом.
В XVIII веке в швейцарской части городка Сен-Жингольф, который ровно пополам делит граница между Швейцарией и Францией, жил Жан-Пьер де Риваз. Человек он был отнюдь не бедный, отец оставил ему большое состояние, а бог (или природа — это кому как больше нравится) дал талант изобретателя. Изобрел он много полезных вещей, в том числе «вечные» часы (с автоматическим подзаводом), машинку для гравировки табакерок и универсальный паровой насос для осушения шахт и болот, который можно было также возить на упряжке как пожарный насос, а в замке Бельвю мадам де Помпадур с его помощью поливали сады. Но чего его лишила природа начисто, так это предпринимательской жилки: все попытки приумножить состояние коммерциализацией своих изобретений заканчивались у него финансовым крахом.
Было у него три сына. Старший сын Пьер-Эммануэль стал генералом в армии Наполеона, средний сын Луи-Шарль-Мельхиор — юристом, а младшеньким Франсуа-Исааком, как образно написал один французский историк техники прошлого века, «овладел демон открытий». Он пошел по стопам отца и словно под копирку повторил его изобретательскую судьбу — триумфы в инженерии и разорительные провалы при попытках заработать на своих изобретениях. И это не сказка, свидетельство тому несколько ящиков переписки Исаака де Риваза по поводу своих изобретений, которые рисуют колоритную картину нравов в области патентного права в континентальной Европе в начале XIX века.
Молодость Исаака де Риваза совпала с появлением первых паровых самодвижущихся экипажей. В 1769 и 1770 годах по улицам Парижа проехались малая и большая «паровые телеги» Николя Кюньо, а число новых проектов паровых локомобилей росло, как на дрожжах. Между 1775 и 1788 годами Исаак де Риваз последовательно построил три локомобиля типа машины Кюньо, только с приводом не на переднее, а на задние колеса. Его конечной целью была пожарная машина, оснащенная насосом конструкции его отца. Но, как и у Кюньо, они были слишком тяжелыми из-за габаритов и веса парового двигателя. Требовался небольшой, сравнительно легкий и при этом мощный двигатель.
Повышение температуры в паровом котле и, соответственно, давления пара в цилиндре двигателя, приводило у де Риваза к расхождению оловянных сварных швов котла. В теории идеальным вариантом было бы сжигать топливо непосредственно в цилиндре двигателя, толкая его поршень. Все конструкторы того времени прекрасно это понимали, хотя самого названия «двигатель внутреннего сгорания» тогда еще не было. Здесь все упиралось в топливо. Дрова, уголь и даже нефть моментально и без остатка в цилиндре не сожжешь. Для того, чтобы «раскочегарить» даже небольшой паровой двигатель мощностью в одну человеческую силу, требовалось не менее получаса времени. На запуск мощной по тем временам паровой машины в 4 лошадиные силы уходило два часа. За сто лет до этого, в XVII веке в качестве топлива даже попробовали порох, он моментально создавал вакуум в цилиндре, но подходил только для медленно работающих вакуумных насосов. Для быстрого возобновления цикла в цилиндре требовалось жидкое или газообразное топливо.
Керосина и бензина еще не было, впрыскивать в цилиндр под давлением спирт, скипидар или жидкие растительные и животные жиры было бы разорительно. Зато как раз к этому времени подоспел «воспламеняющийся газ».
Он был известен еще средневековым алхимикам, которые получали его в результате реакции железа, меди, олова с серной или соляной кислотами. К концу XVIII стало ясно, что это новый химический элемент — водород. Лавуазье синтезировал из него и кислорода воду, а потом разложил воду на кислород и водород, пропуская водяной пар над раскаленным железным листом.
Впрочем, получение чистого водорода и опыты с ним было занятием ученых-химиков. Инженеров как более практичных людей интересовал тот «воспламеняющийся газ», который получался при коксовании угля и пиролизе древесины и целиком уходил в отходы производства. Он, как уже могли показать химические анализы того времени, только наполовину состоял из водорода, остальное в нем приходилось на метан (примерно треть), угарный газ — СО (примерно десятая часть) и ряд примесей. Можно его назвать «техническим водородом», но тогда его называли либо «светильным газом», если он использовался для освещения улиц и домов, либо просто водородом, если речь шла о нем как о топливе двигателей.
В 1791 году английский горный инженер Джон Барбер, управляющий угольными шахтами в Уорикшире близ Бирмингема получил патент №1833 на установку «способа подъема воспламеняющегося воздуха для получения и применение движущей силы для облегчения металлургических операций» (патент у него, кстати был английский, потому что в Шотландии были свои патенты, и только с 1852 года все они — английские, шотландские и ирландские — стали британскими). Водород в установке Барбера «поднимался» из угля (или древесины, или нефти) путем их пиролиза в герметичных сосудах, откуда он шел в компрессор и далее в камеру сгорания. Фактически это был прообраз современного газотурбинного двигателя.
Еще раньше в 1774 году еще один английский патент (№1983) получил Роберт Стрит, у него в цилиндр двигателя впрыскивался как раз спирт, скипидар или сырая нефть. Своим двигателем он предполагал снабжать шахтные насосы.
И наконец, в 1801 патент на водородный двигатель получил профессор парижской Школы мостов и дорог Филипп Лебон. За два года до этого, в 1799 году, Лебон получил патент на промышленное производство путем пиролиза угля и древесины светильного газа для освещения улиц этим газом, так что проблему в горючим для своего ДВС он решил, оставалось только построить его, что он и сделал два года спустя.
Турбина Барбера и двигатель Стрита практического продолжения не имели по причине их низкой технологичности. Двигатель же Лебона на водороде (двухтактный поршневой по современной терминологии) вполне мог стать мотором для карет и катеров, но если у Лебона и были такие планы, он не успел их осуществить, в 1804 году он умер в возрасте 35 лет.
Сейчас трудно сказать, что натолкнуло Исаака де Риваза на мысль о водородном двигателе. Первые записи о нем появляются в его рабочих дневниках в 1802 году, и речь в них сразу идет о необходимости поскорее получить патент на такой двигатель, хотя его у де Риваза пока нет. Есть только идея взрывного водородного движка, и он был уверен, что никому, кроме него, не приходила в голову мысль использовать этот принцип в качестве движущей силы для локомобиля. Но может прийти в любой момент, и ее нужно застолбить соответствующим патентом за собой как можно скорее, время поджимает! Это не домыслы автора, а краткий пересказ записей в дневнике де Риваза за 1802 год.
При первом испытании собранного им цилиндра водородного двигателя де Риваз на всякий случай спрятался за буфетом — и не зря. «При воспламенении смеси водорода и воздуха в цилиндре «поршень был выброшен в стену, где отбил штукатурку, отлетел назад и разбил дверцу буфера, за которым я прятался», — пишет он в рабочем дневнике и добавляет, что теперь он точно уверен, что «взрывная сила способна двигать даже большие телеги», и его двигатель «изменит мир». К 1804 году двигатель был им собран, установлен на небольшую тележку, и она поехала!
Сегодня реконструкция первой водородной машины Исаака де Риваза выставлена в Миланском музее науки и техники. Цилиндр двигателя диаметром 7 см и длиной 80 см в ней стоит вертикально, смесь водорода с воздухом подается во взрывную камеру в низу цилиндра. Весь цикл впуска газа, взрыва, подъема и опускания поршня под силой его собственного веса, занимает полторы секунды. Кривошипно-шатунной группы в его двигателе нет, поступательное движение поршня во вращательное колес осуществляется системой цепных передач.
В усовершенствованных моделях его водородных двигателей 1807 и 1813 гг. их мощность повышалась за счет увеличения габаритов цилиндра и массы поршня. В первом из них пробег поршня в цилиндре увеличен до метра, а сам поршень весит чуть меньше пуда. По расчетам изобретателя, падая вниз, он создавал силу 100 фунтов, взрыв подбрасывал его с силой в 510 фунтов, итого — 610 фунтов (305 кг). Вычитая трение и сопротивление остаточных газов, де Риваз оценивает эффективную работу одного цикла поршня в 200 кг. Иными словами, с учетом времени цикла (1,5 с), мощность двигателя де Риваза была около 2 л. с. Двигатель образца 1813 года был еще мощнее с цилиндром диаметром 35,2 см и длиной 1,4 м. Оснащенная им ломовая телега с грузом камней в 7 центнеров и 4 людьми, то есть весом около тонны проехала 26 м вверх по булыжной мостовой с уклоном в 5 градусов. И ехала бы дальше, если бы не лопнула цепь передачи.
Но это было потом, а в 1805 году де Риваз, уже имея работающий «взрывной двигатель», установленный на тележке, которая могла везти двух-трех человек, решается подать патентную заявку. Правда, прежде он посылает ее на рецензию местному швейцарскому авторитету в области физики — профессору Амстаду из колледжа города Сьона. Амстад был аббатом, и де Риваз уверен, что тот не разгласит секреты его изобретения. Аббат Армстад всерьез подошел к просьбе изобретателя и прислал ему свою критику двигателя в виде вопросов и ответов на них, но в целом его отзыв был положительным. 8 апреля 1805 года де Риваз посылает заявку на свое изобретение в Париж, в консультативный комитет Министерства внутренних дел, который тогда рассматривал такие заявки и выдавал патенты.
Там, однако, сочли описание устройства де Риваза слишком расплывчатым, а приведенные в нем объяснения не соответствующими требованиям закона «О патентах на изобретения» 1791 года, чтобы вообще начать процедуру его рассмотрения. В ответ де Риваз пишет длинное письмо министру внутренних дел Шампаньи, в котором опровергает возражения консультативного бюро. Но патентную заявку он переписывает, уточняя в чем собственно состоит его изобретение и в каком смысле автор просит личное и привилегированное право на его использование. Изобретателю хорошо известно, пишет де Риваз, что взрывная сила водородно-кислородной смеси известна давно. Но никто до него не пытался задействовать эту силу на работу и движения машин. Именно на это право он просит выдать ему патент на изобретение. Переходя к описанию двигателя и машины с ним, де Риваз признает, что хотя она вполне пригодна к работе, можно ее усовершенствовать в дальнейшем, например за счет добавления дополнительного веса к поршню.
На этот раз заявку на патент он не посылает, а 11 сентября 1806 года передает ее своему старшему брату генералу Пьеру-Эммануэлю де Ривазу, попросив того лично представить изобретение консультативному бюро МВД. Генерал де Риваз к тому времени был уже в отставке (он неудачно упал с лошади), но занимал высокий пост в министерстве юстиции, по сути был там четвертым по должности чиновником после Великого судьи Империи (министра). Пьер-Эммануэль, который хорошо знал брата Исаака и никогда не верил в успех его изобретений, пытается его отговорить, но тот говорит, что «решил идти до конца». И Пьер-Эммануэль начинает хлопотать, посещает МВД и консультативное бюро при нем, где беседует с Монгольфье, отвечающим за рецензию на патентную заявку Исаака. В ноябре он пишет младшему брату, что отчет благоприятен, а патент отправят ему через префекта Женевы. 30 января 1807 году Исаак де Риваз получил на свое изобретение французский патент №731.
Но успокоения ему это не приносит. В газете «Вестник империи» выходит статья о том, что в июле 1807 года патент на 10 лет на «взрывной двигатель» получили братья Ньепсы. Исаак де Риваз обращается напрямую к братьям. Те, как говорится, на голубом глазу, признаются ему: да, они читали его патент на стадии заявки, да, это нехорошо, но так уж получилось, но ведь они изобрели совсем другое, в доказательство чему предоставили де Ривазу всю документацию на это другое. В качестве топлива они использовали смесь из спор плауна, угольной пыли и смолы, и их лодка, оснащенная таким двигателем, сконструированным по принципу водомета, шла против течения. Исаак де Риваз посылает их документы аббату Амстаду, тот его успокаивает, назвав изобретение братьев Ньепс «чистой химерой в области механики с нулевыми перспективами в промышленном применении».
Промышленные перспективы двигателя де Риваза аббат, напротив, оценивал высоко, да и сам изобретатель в этом не сомневался. Об этом он пишет в общество поощрения национальной промышленности, военному министру армии, министру искусств и мануфактур. Попутно отправляет описание своего двигателя на рассмотрение в Национальный институт Франции (так тогда называлась французская Академия наук), и там его рассматривают на специальном заседании. Докладчики Карно и Гей-Люссак методично, по пунктам раскритиковали его в пух и прах, посоветовали ему не тратить время на «двигатель взрывного огня», а вернуться к своим ранним работам по паровым двигателям, что у него получалось лучше.
Но де Риваз не дает себя сбить с намеченного пути, он пишет в Париж бывшему поверенному Франции в Швейцарии барону Эшассерио, которого знал лично, и просит того познакомить его с тестем — математиком Монжем. Гаспар Монж был не только выдающимся математиком, чье имя сейчас красуется на Эйфелевой башне в списке 72 величайших ученых и инженеров Франции, но еще и графом де Пелюзом, вице-президентом Сената и одним из немногих близких Бонапарту людей, на которых тот мог положиться без оглядки.
Исаак подробно описывает Монжу свои дальнейшие планы по эксплуатации своего изобретения. А собирается он создать то, что сейчас называют вертикально интегрированной компанией, которая включала бы производство его двигателей и локомобилей с ними и судоходную фирму на Женевском озере, предприятия по производству водородного топлива для них путем пиролиза древесины или коксования угля, их продажу и в будущем слияние и поглощение предприятий, на которых будет использоваться его двигатель. Графу де Пелюзу он предлагает 25% от будущих прибылей за сущий пустяк: тот должен своим авторитетом лоббировать интересы де Риваза у его подрядчиков, инвесторов и, возможно, поспособствовать получению государственного кредита.
Также он веером рассылает предложения о сотрудничестве частным предпринимателям — от владельцев механических мастерских до горняков и металлургов. В конце 1808 года он пишет своему двоюродному брату Шарлю-Эммануэлю, которого прочит на пост исполнительного директора его компании: «Через короткое время у нас будет мельница для обработки пшеницы, насос диаметром 18 дюймов. Кроме того, у нас будет локомобиль для движения по дорогам и судно для плавания по рекам». Однако инвесторы, хоть и выказывают заинтересованность, но не спешат давать деньги, им нужен зримый результат — мощный двигатель для повседневной работы, не менее надежный чем уже существующие паровые машины. А с этим не все получается так быстро, как хотелось бы, счет времени до светлого будущего его «взрывного двигателя» пошел на годы, а деньги де Риваза кончаются.
Мощность машины он увеличивает за счет увеличения габаритов цилиндра двигателя, но с автоматическим зажиганием водородно-воздушной смеси в цилиндре у него проблемы. Электрическое зажигание — искра, воспламеняющая водород как в «пистолете Вольта» (сосуде с метаном и электродами внутри, между которыми в наведенном электромагнитном поле возникает искра, и пробка из сосуда треском вылетает) у де Риваза работает с большими перебоями, поэтому он испытывает разные механические конструкции узла зажигания от внешнего пламени, раскаленного докрасна металлического стержня, а также химическое зажигание путем впрыскивания в цилиндр фосфора. Но на публичных демонстрациях своих машин де Риваз не рискует включать автоматику, впрыск водорода в камеру сгорания и его поджог он или его помощники регулирует вручную.
Последняя публичная демонстрация его тонной ломовой телеги в швейцарском городе Веве осенью 1813 года, на которую де Риваз возлагал большие надежды, едва начавшись, была прервана лопнувшей цепной передачей. Де Риваз отдал машину в починку механику Пашуду, который изготовил всю механическую часть самого мощного двигателя де Риваза, но тот попросил сначала оплатить свою прежнюю работу, а потом и вовсе подал в суд прошение об урегулировании счетов с де Ривазом. А потом 1 января 1814 года союзные русско-прусские войска перешли границу Франции и в марте взяли Париж. Потом были «Сто дней», битва при Ватерлоо, вторая реставрация Бурбонов. До проблем де Риваза вообще никому не было дела. На том и закончилась история «двигателя взрывного огня» — первого в истории техники реально работавшего водородного двигателя для наземного транспорта.
Читайте в нашем журнале:
История Sharp: как механический карандаш повлиял на становление гиганта электроники