Текст книги "100 великих изобретений"

Автор книги: Константин Рыжов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 50 страниц) [доступный отрывок для чтения: 18 страниц]

23. ДОМЕННАЯ ПЕЧЬ

На протяжении многих веков железо добывалось в сыродутных печах способом, открытым еще в глубокой древности. Пока на поверхности земли в изобилии встречались легкоплавкие руды, этот способ вполне удовлетворял потребности производства. Но в средние века, когда спрос на железо стал возрастать, в металлургии все чаще пришлось использовать тугоплавкие руды. Для извлечения из них железа требовалась более высокая температура «плавки». В то время знали только два способа ее повышения: 1) увеличение высоты печи; 2) усиление дутья.

Так постепенно к XIII веку из сыродутной печи образовалась более высокая и более усовершенствованная плавильная печь, получившая название штукофена, то есть «печи, выделывающей крицу». Штукофены были первой ступенью на пути к доменной печи. Впервые они появились в богатой железом Штирии, затем в Чехии и других горнопромышленных районах. В этих печах можно было достичь более высокой температуры и обрабатывать более тугоплавкие руды. Шахта штукофена имела форму двойного усеченного конуса, суживавшегося по направлению к колошнику (так называли верхнюю, открытую часть печи, через которую порциями (колошами) загружались руда и уголь) и ко дну. В стенке имелось одно отверстие для фурмы (трубы, через которую в печь с помощью мехов нагнетался воздух) и для вытаскивания крицы. Процесс переделки руды в железо происходил в штукофенах совершенно так же, как в сыродутных печах, но налицо был прогресс: закрытая шахта хорошо концентрировала тепло, а благодаря ее высоте (до 3, 5 м) плавка шла равномернее, медленнее и полнее, так что руда оказывалась более использованной. Независимо от намерений плавильщиков, в штукофенах получались сразу все три вида железного сырья: чугун, который стекал как отброс вместе со шлаком, ковкое железо в крицах и сталь, тонким слоем покрывавшая крицу. (Напомним, что железом, сталью и чугуном в металлургии называют собственно сплав химического железа с углеродом. Разница между ними заключается в количестве углерода: так, в мягком кричном (сварном) железе его не более 0, 04%, в стали – до 1, 7%, в чугуне – более 1, 7%. Несмотря на то, что количество углерода варьируется в таких незначительных пределах, по своим свойствам железо, сталь и чугун очень отличаются друг от друга: железо представляет собой мягкий металл, хорошо поддающийся ковке, сталь, напротив, очень твердый материал, прекрасно сохраняющий режущие качества; чугун – твердый и хрупкий металл, совершенно не поддающийся ковке. Количество углерода заметно влияет и на другие свойства металла. В частности, чем больше его в железе, тем легче оно плавится. Чистое железо – достаточно тугоплавкий металл, а чугун плавится при гораздо более низких температурах.)

Преимущества штукофена были, однако, недостаточны для всех тугоплавких руд. Требовалось более сильное дутье. Человеческих сил для поддержания температуры оказалось уже недостаточно, и для приведения в действие мехов стали употреблять водяное колесо. Вал водяного колеса снабжали посаженными на него в разбивку кулачками, которые оттягивали крышки клинчатых кожаных мехов. Для каждой плавильной печи имелось два меха, работавших попеременно. Появление гидравлических двигателей и мехов надо относить к концу XIV века, так как уже в XV веке многие плавильни в связи с этим передвинулись с гор и холмов вниз – в долины и на берега рек. Это усовершенствование явилось исходным моментом для крупнейшего сдвига в технике металлургии, так как привело к открытию чугуна, его литейных и переделочных свойств.

Действительно, усиление дутья сказалось на всем ходе процесса. Теперь в печи развилась такая высокая температура, что восстановление металла из руды происходило раньше, чем образовывался шлак. Железо начинало сплавляться с углеродом и превращаться в чугун, который, как отмечалось выше, имеет более низкую температуру плавления, так что в печи вместо обычной вязкой крицы стала появляться совершенно расплавленная масса (чугун). Сначала эта метаморфоза очень неприятно поразила средневековых металлургов. Застывший чугун был лишен всех природных свойств железа, он не ковался, не сваривался, из него нельзя было сделать прочных инструментов, гибкого и острого оружия. Поэтому чугун долгое время считали отбросом производства и плавильщики весьма враждебно относились к нему. Однако что же было с ним делать? При восстановлении железа из тугоплавких руд изрядная его часть уходила в чугун Не выбрасывать же все это железо вместе со шлаком! Постепенно негодный чугун стали выбирать из остывшего шлака и пускать во вторую переплавку, сначала добавляя его к руде, а потом сам по себе. При этом неожиданно обнаружилось, что чугун быстро плавится в горне и после усиленного дутья легко превращается в кричное железо, которое по своему качеству не только не уступает, но даже по многим показателям лучше того железа, которое получали из руды. А так как чугун плавится при более низкой температуре, передел этот требовал меньше топлива и занимал меньше времени. Так в течение XV века, сначала бессознательно и ощупью, а затем вполне осознано, было сделано величайшее в металлургии открытие – переделочный процесс. Широкое применение он нашел уже в XVI веке в связи с распространением доменных печей.

Вскоре в чугуне открыли и другие положительные свойства. Твердую крицу было нелегко достать из печи. На это обычно уходило несколько часов. Между тем печь остывала, на разогрев ее шло дополнительное топливо, тратилось лишнее время. Выпустить из печи расплавленный чугун было намного проще. Печь не успевала остыть и ее можно было сразу загружать новой порцией руды и угля. Процесс мог происходить беспрерывно. Кроме того, чугун обладал прекрасными литейными качествами. (Напомним, что на протяжении многих веков единственным способом обработки железа была ковка.) К середине XIV века относят первые грубые отливки из него. С развитием артиллерии применение чугуна расширилось. Сначала его стали употреблять на отливку ядер, а затем на литье отдельных частей самих пушек. Впрочем, вплоть до конца XV века чугун был еще низкого качества – неоднородный, недостаточно жидкий, со следами шлака. Из него выходили грубые и незатейливые изделия надгробия, молоты, печные котлы и прочая незамысловатая продукция.

Литье чугуна требовало некоторых изменений в устройстве печи; появились так называемые блауофены (поддувные печи), представлявшие собой следующий шаг к доменной печи. Они отличались большей высотой (5-6 м), чем штукофены, и допускали непрерывность плавки при весьма высокой температуре. Правда, мысль о том, что процесс выделки железа можно разделить на две стадии (то есть в одной печи непрерывно выплавлять чугун, а в другой – переделывать этот чугун в железо), пришла не сразу. В блауофенах получали одновременно и железо, и чугун. Когда плавка заканчивалась, шлак выпускали через отверстие, расположенное ниже фурмы. После охлаждения его измельчали и отделяли корольки чугуна. Крицу вытаскивали большими клещами и ломом, а затем обрабатывали молотом. Наиболее крупные крицы весили до 40 пудов. Кроме того, из печи вытаскивали до 20 пудов чугуна. Одна плавка длилась 15 часов. На извлечение крицы требовалось 3 часа, на подготовку печи к плавке – 4-5 часов.

Наконец пришли к идее двухступенчатого процесса плавки. Усовершенствованные блауофены превратились в печь нового типа – доменную, которая предназначалась исключительно для получения чугуна. Вместе с ними был окончательно признан переделочный процесс. Сыродутный процесс стал повсеместно вытесняться двухступенчатым способом обработки железа. Сначала из руды получали чугун, потом, при вторичной переплавке чугуна, – железо. Первая стадия получила название доменного процесса, вторая – кричного передела. Древнейшие домны появились в Зигерланде (Вестфалия) во второй половине XV века. Конструкции их отличались от блауофенов тремя чертами: большей высотой шахты, более сильным воздуходувным аппаратом и увеличенным объемом верхней части шахты. В этих печах достигалось значительное повышение температуры и еще более длительная ровная плавка руды. Сначала строили домны с закрытой грудью, но вскоре открыли переднюю стенку и расширили горн, получив домну с открытой грудью. Такая доменная печь при высоте 4, 5 м давала в день до 1600 кг чугуна.

Перерабатывали чугун в железо в кричном горне, сходном по устройству с сыродутной печью. Операция начиналась с загрузки древесного угля и подачи дутья. После того как древесный уголь разгорался вблизи сопла, клали чугунные чушки. Под действием высокой температуры чугун плавился, капля за каплей стекал вниз, проходил через область против фурм и терял здесь часть углерода. В результате металл загустевал и из расплавленного состояния переходил в тестообразную массу малоуглеродистого железа. Эту массу ломами подымали к соплу. Под воздействием дутья происходило дальнейшее выгорание углерода, и вновь осевший на дно горна металл быстро делался мягким, легко сваривающимся. Постепенно на дне образовывался ком – крица весом 50-100 кг и больше, которая извлекалась из горна для проковки под молотом с целью уплотнения его и выдавливания жидкого шлака. Весь процесс занимал от 1 до 2 часов. В сутки в кричном горне можно было получить около 1 т металла, причем выход готового кричного железа составлял 90-92% веса чугуна. Качество кричного железа было выше сыродутного, так как в нем содержалось меньше шлака.

Переход от одноступенчатого (сыродутного) процесса к двухступенчатому (доменному и кричному) позволил в несколько раз поднять производительность труда. Возросший спрос на металл был удовлетворен. Но вскоре металлургия встретилась с затруднениями другого рода. Выплавка железа требовала огромного количества топлива. За несколько веков в Европе было срублено множество деревьев и уничтожены тысячи гектаров леса. В некоторых государствах были приняты законы, запрещавшие бесконтрольную рубку леса. Особенно остро этот вопрос стоял в Англии. Из-за нехватки древесного угля англичане принуждены были большую часть необходимого им железа ввозить из-за границы. В 1619 году Додлей впервые применил в плавке каменный уголь. Однако широкому применению каменного угля препятствовало присутствие в нем серы, мешающей хорошей выделке железа. Очищать каменный уголь от серы научились только в 1735 году, когда Дерби нашел способ поглощать серу с помощью негашеной извести при термической обработке угля в закрытых тиглях. Так был получен новый восстановитель – кокс.

24. АРТИЛЛЕРИЙСКОЕ ОРУДИЕ

Возникновение и распространение артиллерии, как уже говорилось, имело огромные последствия для мировой истории. Поскольку европейцы раньше других оценили достоинства огнестрельного оружия и стали его энергично совершенствовать, они получили военный перевес над другими народами и постепенно утвердили свое господствующее положение на всем земном шаре.

Между тем европейцы ни в коей мере не могут считаться изобретателями пушки. Первые образцы огнестрельного оружия были созданы китайцами. Прообразом его послужило особое орудие «хоцян», изобретенное в 1132 году неким Чэнь Гуем. Хоцян представлял собой подобие огнемета: пустотелый ствол бамбука, забитый с одной стороны, набивали порохом, при поджигании которого огонь с силой вылетал из ствола и поражал противника. Очень важной в этом изобретении была идея ствола – глухой камеры, имеющей только один выход. В дальнейшем ствол стал неотъемлемой частью любого огнестрельного оружия. Следующий важный шаг был сделан спустя несколько лет – один из оружейников города Чоу-чуньфу придумал «тухоцян» – бамбуковое ружье, из которого силой пороховых газов выбрасывалась пуля. От китайцев это оружие заимствовали чжурчжэни, а потом – монголы. Когда после 1260 года в Сирии началась длительная война между монголами и арабами, образцы огнестрельного оружия (в это время стволы делали уже не из бамбука, а отливали из меди) попали в руки арабов, которые вскоре научились делать его сами. Первое арабское огнестрельное оружие (модфа) имело вид железной тонкостенной трубки с деревянным наконечником или стержнем, за который его держали при стрельбе. Трубку набивали порохом, вставляли пулю, а затем поджигали заряд раскаленным прутом. В последней четверти XIII века арабы уже широко применяли порох для метания стрел и пуль. Почти все хроники, описывающие борьбу испанцев с маврами, сообщают об использовании последними орудий, с шумом и треском метавших снаряды. От арабов это изобретение перешло к европейским народам.

Когда же впервые возникла артиллерия в подлинном смысле этого слова? Одна из средневековых хроник утверждает, что пушки были впервые употреблены в Германии в 1313 году, и приписывает это изобретение монаху Бертольду Шварцу. Хорошо известно, что в 1326 году во Флоренции уже изготавливались металлические пули и железные пушки. Это нововведение быстро распространилось по Западной Европе. Впрочем, современники упоминали о первых опытах применения пушек вскользь, без подробностей – явное свидетельство того, что влияние их на исход боя было тогда совершенно ничтожно. Сражение при Креси в 1346 году между англичанами и французами можно считать первой большой битвой, где широко применялась артиллерия. Первые орудия были невелики. До середины XIV века вес снаряда редко достигал 2 кг. В то время арабы обладали более совершенными пушками. Упоминается, что в 1342 году они обстреливали испанский лагерь со стен Альджезираса железными ядрами величиной с яблоко. Разрушительное действие снарядов первых орудий почти не превосходило, а иной раз и уступало действию стрельбы из метательных машин.

Но постепенно артиллерия становилась все более грозным оружием. Во второй половине XIV века на вооружении у всех европейских армий уже находились тяжелые бомбарды, метавшие ядра до 200 фунтов и более (например, бомбарда герцога Бургундского в 1377 году метала снаряды весом 437 фунтов). Такие орудия могли сокрушать своим огнем стены городов и замков. Стреляли они каменными ядрами, которым была придана грубая шаровая форма. Вследствие малой поперечной нагрузки эти ядра быстро теряли свою скорость. Для увеличения разрушительной силы снарядов приходилось увеличивать размеры ядер и калибр ствола, который вскоре стал доходить до огромных размеров. Пишут, что в стволах некоторых крупных бомбард мог, не сгибая головы, сидеть взрослый человек. При таких размерах ствола бомбарды выходили чрезмерно тяжелыми и требовали для перевозки до 70 пар волов. Стрельба из таких огромных орудий была настолько затруднительна и медленна, что в день из них удавалось сделать не более четырех выстрелов. При осаде в 1370 году Пизы осаждавшие имели бомбарду, для заряжения и выстрела из которой требовались целые сутки. В полевых боях тяжелые орудия употреблялись редко, они доставлялись на позицию с трудом и покинуть эту позицию уже не могли. Часто орудия попадали в руки противника, не успев сделать ни одного выстрела. Впрочем, при удачном попадании, потери врага бывали очень велики, так как пехота наступала в те времена плотно сомкнутыми рядами. Кроме того, выстрелы орудий, сопровождавшие их дым и треск оказывали на врага подавляющее моральное воздействие.

К концу XIV столетия огнестрельные орудия не уступали в мощности другим метательным машинам, но все же долго не могли их вытеснить. Катапульты и баллисты действовали вернее и были менее опасны в употреблении, в то время как пушки часто оказывались настолько непрочными, что разрывались при выстреле. Перед каждым выстрелом прислуга пряталась за бруствер или в ямы, вырытые около батареи. Однако порох имел перед баллистами и катапультами важное преимущество. Метательная машина требовала для каждого выстрела огромной подготовительной механической работы, много превосходящей работу снаряда. А сила, метавшая снаряд из орудия, появлялась в ходе химической реакции. Выстрел не требовал от человека никаких физических усилий, а эффект от него был такой же.

Практический опыт определил лучшее отношение для размеров бомбард. Заряд должен был весить 1/9 от веса каменного ядра. Длина каморы должна была в пять раз превосходить ее диаметр. Порох, уложенный на дне каморы, занимал 3/5 ее длины. Над зарядом оставляли пустоту в 1/5 длины каморы. Затем закрывали камору хорошо прилаженным пыжом из мягкого дерева. Он занимал последнюю пятую часть длины. Каменный снаряд округляли, чтобы он плотно закрывал дно канала; после зарядки он удерживался четырьмя маленькими клиньями из крепкого дерева. Иной раз даже законопачивали пространство вокруг ядра для уничтожения зазора и для того, чтобы уменьшить потерю газов. Дальность полета таких ядер достигала 2000 шагов. Иногда поверх пыжа вместо каменного ядра клали несколько мелких камней. Это был прообраз картечи. Чтобы разрушить башню или пробить стену, следовали особенным правилам. Каждое ядро скрепляли накрест двумя железными кольцами для увеличения его прочности; стреляли же таким образом, чтобы ядра пробивали борозду на высоте двойного роста человека от подошвы стены. Для зажигания городов применяли особые зажигательные снаряды. С этой целью каждое каменное ядро обмакивали в смесь растопленной серы, смолы и извести. Первый слой состава обматывали материей, снова пропитывали снаряд горючим составом и снова обматывали материей. Так делали несколько слоев.

Орудия прикреплялись к станку или посредством веревок, или железных скреп почти горизонтально земле. Этим достигалось смягчение отдачи, но зато ухудшалось наведение. Прицела и наводки поначалу не было вовсе, а углы возвышения не менялись. Потом стволы стали помещать в специальные желоба, которым при помощи простых приспособлений можно было придать несколько различных положений. Для изменения угла возвышения на станках устраивались деревянные дуги с дырочками, в которые вставляли чеки, поддерживавшие казенную часть орудия на большей или меньшей высоте. Но все равно прицельность выстрелов была очень небольшой.

Подлинный расцвет артиллерия пережила в XV и XVI веках. В эти два столетия было найдено несколько принципиальных решений, значительно увеличивших эффективность орудийного огня. Наиболее крупными шагами на этом пути стали: 1) распространение чугунного производства; 2) усовершенствование техники отливки орудий; 3) зернение пороха; 4) изготовление колесных лафетов; 5) распределение орудий по калибрам и установление связи между калибром ствола и весом ядра. Рассмотрим подробнее каждое из этих нововведений.

Металлические ядра (бронзовые и свинцовые) в XIV веке употребляли редко из-за их высокой стоимости. Но вскоре успехи металлургии представили в распоряжение пушкарей в большом количестве дешевый чугун. Когда к концу XIV века начали получать и приготовлять чугун, то первыми чугунными отливками стали массивные ядра. В середине XV века чугунные ядра начали лить во Фландрии, затем это искусство получило широкое распространение во Франции. Постепенно чугунные ядра полностью вытеснили из употребления каменные. Это повлекло за собой большие изменения во всем артиллерийском деле. Благодаря большой плотности чугуна вес ядер возрос, а объем их уменьшился (чугун в 2, 5 раза плотнее камня). Отпала нужда выделывать огромные стволы. Калибр пушек уменьшился, а толщина стенок ствола увеличилась. Появилась также возможность увеличить длину ствола (раньше стволы приходилось делать короткими, чтобы еще больше не увеличивать вес орудий). С достижением большей прочности смогли существенно увеличить силу заряда. Чугунные ядра получили такую начальную скорость полета, какой каменные никогда не имели. Они летели дальше и поражали с большей силой. Огромные бомбарды постепенно исчезают. Основным типом орудия становится собственно «пушка». (В средние века было три основных вида артиллерийских орудий, различавшихся по типу огня. Мортиры вели навесный огонь, при котором снаряды описывали крутую дугу, поражая противника сверху. Собственно пушки стреляли так, что ядра летели по пологой траектории, почти параллельно поверхности земли. Гаубицы занимали промежуточное положение.) Пушки имели наиболее простое устройство, были значительно легче бомбард, удобны в употреблении и обладали значительной скорострельностью. Большое распространение получили мелкокалиберные пушки, стрелявшие свинцовыми ядрами весом от 1/4 до 2 фунтов. Благодаря легкости такие пушки можно было легко перевозить и переносить с места на место, они быстро наводились и без труда пробивали насквозь даже самые прочные рыцарские латы. В XIV веке кроме литых бронзовых были также кованые железные орудия. Последним отдавали предпочтение, так как бронза была недостаточно крепким и довольно дорогим материалом. Железные пушки ковались из продольных сваренных между собой полос, составлявших ствол, на который нагонялись для прочности непрерывным рядом железные кольца, так что пушка имела ребристую поверхность. Потом вслед за ядрами стали лить из чугуна сами пушки. Чугун оказался очень удобным материалом, так как был прочнее бронзы и обрабатывался легче, чем ковкое железо. Сначала отливали только зарядные каморы. Ствол еще некоторое время оставался сварным из железных полос и колец. В начале XV века появились небольшие пушки, целиком отлитые из чугуна, а во второй половине этого столетия пушечное литье уже переживало расцвет. Первые чугунные пушки еще были неудовлетворительного качества, и их часто разрывало на куски после первого же выстрела, но постепенно научились делать высококачественный чугун. Стволы отливали в формах из глины, сделанных по особым шаблонам, а канал ствола высверливали на специальных станках.

Параллельно шло совершенствование орудийных станков-лафетов. К лафету предъявлялось сразу несколько требований. Он должен был способствовать изменению направления и угла возвышения орудий, обладать достаточной прочностью, чтобы противостоять отдаче, и, наконец, облегчать перевозку орудий во время похода. Средневековые мастера претерпели множество неудач, прежде чем нашли конструкцию лафета, удовлетворявшую всем этим условиям. Отдача особенно досаждала первым пушкарям. Самые прочные лафеты разваливались после нескольких выстрелов, так как принимали на себя основную силу удара. Для сохранения их приходилось жертвовать мощностью выстрела и употреблять небольшие заряды. Кроме того, нельзя было изготовить сносных приспособлений для наводки – они ослабляли прочность орудия. Швейцарцы во второй половине XV века первые придумали установить пушку на колеса и тем сразу решили несколько проблем. Орудие стало более подвижно и маневренно, а после выстрела оно откатывалось без всякого вреда для лафета. Затем усовершенствовался механизм наводки. Пушку посадили на ось лафета и позволили ей свободно вращаться в разные стороны. Для изменения углового возвышения вместо клиньев стали употреблять подъемный винт.

Чугунные ядра и колесные лафеты сразу превратили артиллерию в опасное оружие. Она быстро перемещалась по полю боя, легко и скоро наводилась и бросала ядра, разрушавшие самые крепкие стены. В то время, когда укрепления замков и городов на каждом шагу представляли пушкам свои стены и башни, артиллерийское орудие сделалось подлинным «богом войны». Пушки стали применяться повсюду – на суше и на море, при осаде городов и на поле боя. Батареи тяжелых орудий издали поддерживали наступление своих войск, а мелкая артиллерия находилась в самой гуще сражения. Важное значение усовершенствованной артиллерии продемонстрировал знаменитый поход французского короля Карла VIII в Италию в 1494 году. В этой войне французы имели при себе множество разнообразных орудий и поэтому без труда захватывали один город за другим. Пишут, что под Неаполем они после четырехчасовой бомбардировки взяли крепость на горе св. Иоанна, которая в прежние времена считалась неприступной (во время предыдущей войны, которую вели испанцы, эта крепость сдалась только после семилетней осады).

В XVI веке заметно шагнула вперед артиллерийская наука. Мастера стали уделять большое внимание калибру ствола и унификации снарядов. Ядра стали отливать с таким расчетом, чтобы они точно соответствовали ширине ствола. Очень важным в этом отношении были работы итальянского математика Николая Тартальи, который впервые установил способ определения калибров орудий по пропорциональности веса чугунного снаряда к кубу его диаметра. На современный взгляд в этих вычислениях нет ничего особенного, но для того времени они имели огромное значение, так как установили наконец связь между орудием и ядром. Кроме того, Тартальи изобрел квадрант и первым попытался вычислить траекторию снаряда. Его с полным основанием называют создателем артиллерийской науки.

Стрельба в XVI веке производилась так. Перед каждым выстрелом прочищали канал орудия банником, колодка которого была обита овчиною, подносили к орудию бочонок с порохом, брали из него часть заряда и досылали ее шуфлой до дна, потом шуфлу переворачивали, вкладывали в канал прибойник и прибивали заряд прибойником до тех пор, пока порох не попадал в запальный канал на казенной части. Затем брали остальную часть заряда и снова поступали подобным же образом. Дославши весь заряд, досылали пыж, собиравший весь порох со стен канала, снова чистили канал банником и вкладывали ядро, обернутое несколькими слоями пакли. Прицела еще не существовало, но на стволе уже устраивали несколько мушек, имевших вид возвышенных площадок. Воспламенение заряда производили с помощью фитиля.

Ручное огнестрельное оружие – аркебуз – вплоть до конца XV века не имело такого значения, как артиллерия. Оно было тяжело, капризно, уступало в скорострельности и убойной силе арбалету (в то время как из аркебуза делали один выстрел, арбалетчик успевал пустить три стрелы, а лучник – шесть). Порох в аркебузе перед каждым выстрелом поджигался, как и у пушек, фитилем, что было очень неудобно. Однако после того как в конце XV века изобрели сначала фитильный, а потом кремневый замок и появился мушкет, пехота, вооруженная огнестрельным оружием, стала оказывать все большее влияние на исход боя.