Имя Ивана Ивановича Ползунова, впервые в России построившего паровую «огненную» машину, на долгое время было почти забыто. О Ползунове знал лишь узкий круг людей, преимущественно тех, кто соприкасался с вопросами алтайского горного производства.
Только в 1842 г. в «Горный словарь» Г. И. Спасского впервые было включено имя Ползунова, наряду с именами Севери, Ньюкомена, Уатта и других творцов паровых машин.
Чтобы оценить новаторство Ползунова, необходимо рассказать, каков был уровень развития теплотехники к началу 60-х годов XVIII в.
Создать поршневую паровую машину впервые (в 1690 г.) предложил французский изобретатель Дени Папен, который на протяжении ряда лет поддерживал переписку со знаменитым Лейбницем. Однако у Папена паровой котёл, цилиндр и конденсатор не были отделены друг от друга (вода и кипятилась и охлаждалась в рабочем цилиндре). Папен предполагал, что новый двигатель может быть применён не только «к подъёму воды или руды из шахт», но и «для продвижения судов против ветра». Впрочем, ни это, ни последующие проекты и модели Папена практического применения не получили.
В 1698 г. английский инженер Томас Севери построил первую работавшую паровую машину — «огневой насос». Но машина Севери имела узкое назначение — откачку воды из подъёмных выработок, хотя теоретически Севери допускал возможность применения «огнедействующей» машины и для других нужд. В машине Севери ни поршня, ни цилиндра не было.
Машина такого типа и была первой паровой машиной, появившейся в России. В 1717—1718 гг. Пётр I выписал из Англии машину системы Севери. Этот «огневой насос», сферический котёл которого вмещал 5—6 бочек воды, употреблялся для пуска фонтанов в Летнем саду.
В 1711—1712 гг. английский изобретатель кузнечный мастер Томас Ньюкомен построил совместно с Джоном Колли (или Кейли) первую паровую (пароатмосферную) машину поршневого типа. Двигатель Ньюкомена предназначался вначале также лишь для откачки воды.
Безусловно, Иван Ползунов читал книгу И. А. Шлаттера, вышедшую в 1760 г. «Обстоятельное наставление рудному делу», в которой имеется описание и изображение пароатмосферной машины Ньюкомена. Но Ползунов не мог встретить на страницах книги предложения создать «огненную машину непрерывного действия» для замены водяных двигателей в горнозаводском деле.
Родился Иван Ползунов в Екатеринбурге, в первой половине 1729 г. Его отец, Иван Алексеевич Ползунов, выходец из крестьянской семьи, был в 1723 г. взят в солдаты. Мать будущего изобретателя звали Дарьей Абрамовной.
Семья Ползуновых жила в деревянном домике в западной части города, именовавшейся Торговой стороной. Маленького солдатского жалованья отца (годовой оклад «за вычетом мундира» — 8 рублей 44 с половиной копейки) едва хватало на пропитание.
Родители не хотели, чтобы их сын, так же как они, оставался неграмотным, и решили отдать его в школу. Кстати, это стало небольшим подспорьем для семьи — ученику полагалось платить «жалованье».
Учителями в школах по уставу назначались младшие горные офицеры — шихтмейстеры. (В русском горном деле была принята номенклатура названий, заимствованная из немецкого языка. Слово «шихтмейстер» от «schicht» — смена и «meister» — мастер. Так называлась должность младших горных офицеров 13-го и 14-го классов, что соответствовало военным чинам прапорщика и подпоручика).
Занятия в екатеринбургской школе были продолжительными: летом в день по 12 часов, осенью и весной — по 9, зимой — по 7 часов. В воскресенье и по праздникам занятия не велись, но школьники были обязаны (и учителя за это строго отвечали) посещать церковные службы «без нетов» и по очереди в церкви читать «на вечерне, утрене и обедне и притом обучатца пения согласно».
Поступив в словесную школу в 1736 г., Ползунов закончил её в 1738 г. и перешёл в арифметическую. Там он учился под руководством Фёдора Ивановича Санникова, шихтмейстера Екатеринбургского завода, специалиста по черчению и рисованию.
В 1742 г. Ползунов был отозван из школы и переведён в «механические ученики» к механику Никите Бахореву — крупному специалисту горно-металлургического производства, который получил образование в Петербурге, изучал машинное дело в Швеции и был прислан для усовершенствования «в больших машинах» на Урал в 1729 г.
Обязанности 14-летнего Ползунова были разнообразны. Он вместе с другими учениками должен был во всём помогать Никите Бахореву и его «подмастерью». А в обязанности механикуса, или машиниста, входил широкий круг заводских и рудничных дел.
Механик должен был руководить постройкой доменных, кирпичных и иных заводских цехов, водоподъёмных и грузоподъёмных машин на рудниках, лесопильных и иных мельниц, жилых и заводских помещений и т. д.
Работая с 1742 по 1747 г. в качестве «механического ученика» под руководством Бахорева, Ползунов мог ознакомиться с наиболее передовыми образцами мануфактурной техники этой отрасли. В 1747 г. начальник Колывано-Воскресенских заводов на Алтае генерал-майор А. В. Беэр с ведения Кабинета её величества затребовал на Алтай лучших специалистов с Урала и из других промышленных районов страны, и Ползунов в начале 1748 г. был переведён на Алтай.
Родители Ползунова остались в Екатеринбурге. Мать позднее приехала к сыну в Барнаул, а с отцом, который был направлен в петербургскую шлифовальную мастерскую для «обтёски мрамора и колотья каменьев», Ползунов вообще больше не увиделся. Отец Ползунова умер в Петербурге в 1763 г.
В 1748 г. Иван Ползунов «из екатеринбургских механических учеников» был официально утверждён в должности гитеншрейбера. В его обязанности входило составление различных записей и отчётов о ходе заводского производства. Оклад ему был установлен 24 рубля в год. В 1750 г. Ползунова произвели в чин младшего унтер-шихтмейстера. В ноябре 1753 г. он был переведён из Колывано-Воскресенской заводской конторы на Змеевский рудник «для обучения горному делу».
На Змеевском руднике началась конструкторская работа Ползунова. Он находился «полгода при строении пильной мельницы, и оная мельница совершенно построена», — так было написано в рапорте от 16 ноября 1754 г. Речь идёт о строительстве вододействующей лесопилки. Посредством сложного передаточного механизма водяное колесо приводило в движение пильные рамы, а так же подъём и подачу брёвен.
В самом конце 1757 г. начальство приняло решение отправить капитана Ширмана и унтер-шихтмейстера Ползунова с караваном драгоценных металлов в Петербург.
Для Ползунова эта командировка имела особое значение. Ему и Ширману поручили передать в Кабинет её величества отчёт о работе рудников и заводов с приложением чертежей, а также донесение Канцелярии по вопросу о производстве Ползунова в шихтмейстеры.
Ширман, Ползунов и сопровождающие их конвойные — 11 солдат с капралом — везли в Петербург весьма ценный груз: 3,6 тонны бликового серебра и 24 килограмма золота. Обоз выехал из Барнаула 1 января 1758 г. и почти без остановок двигался по зимнему пути в Каинский острог и Томск, а дальше на запад через Тобольск, Пермь и Вятку, на юг до Нижнего Новгорода, затем снова к западу — в Москву, а оттуда в Петербург. 5000 км обоз преодолел более чем за два месяца.
О пребывании Ползунова в столице с февраля по июнь 1758 г. нет никаких документальных данных. Бесспорно, однако, что любознательному алтайскому мастеру было что посмотреть и изучать в столице. После сдачи драгоценных металлов Ширман с десятью солдатами выехал обратно на Алтай. Ползунов же задержался в Петербурге «для исходатайства по силе данной ему инструкции... денег и для покупки порученных ему припасов». Для охраны при нём остался один солдат и капрал.
В середине июня Ползунов отправился на Алтай. На обратном пути произошло событие, сыгравшее немаловажную роль в личной жизни Ползунова. В Москве он познакомился с 22-летней вдовой Пелагеей Ивановной Поваляевой. Муж её, солдат Псковского пехотного полка, погиб в походе против пруссаков.
В Барнаул Иван Ползунов вернулся с ней. Однако оформить брак с Пелагеей Ивановной он не мог. Для заключения брака требовалось разрешение Барнаульского духовенства, а потом — заводской Канцелярии, потому что «всякого чина людям заводского ведомства» не разрешалось жениться без «позволительных билетов от команд своих». Поскольку документов, удостоверяющих, что муж Пелагеи «быв в походе под неприятелем прусской акции, умре», у них не было, Ползунов и его жена вынуждены были в течение трёх лет скрывать свой брак.
Пелагея жила у Ползунова в Барнауле и на пристанях, куда его командировали, под видом прислуги. Вскоре Пелагея стала матерью, потом родился второй, опять-таки внебрачный, ребёнок. В это время Ползунов жил на Кабановской пристани, куда был направлен принимать и записывать руду, рассчитываться с возчиками и т. п. Это отдалило Ползунова с его женой от внимания как соседей, так и барнаульской Канцелярии. Они поселились на пристани, в одном из утлых жилищ, которые были заведены на пристанях для приезжих чиновников Канцелярии.
31 марта 1759 г. пришло долгожданное сообщение о том, что Ползунову указом Кабинета её величества «велено шихтмейстером при здешних заводах и горных работах быть». Он получил право носить мундир и шпагу, а также иметь денщика. Ползунов перешёл из людей «подлого происхождения» в «благородное сословие». К нему теперь стали обращаться в официальных письмах: «“Благородный и почтенный господин шихтмейстер». Всё это имело для Ползунова очень большое моральное значение.
А в августе 1761 г. произошло ещё одно радостное событие. Ползунову удалось выхлопотать для Пелагеи Ивановны «вечную память» и разрешение на законный брак.
Неизвестно, когда Ползунову впервые пришла идея создать «огненный» (пароатмосферный) двигатель, способный заменить водяные колеса для различных производственных целей.
В апреле 1763 г. Ползунов подал начальнику Колывано-Воскресенских заводов генерал-майору А. И. Порошину докладную записку с предложением о постройке «огнедействующей машины» для заводских нужд. Это был детально разработанный проект универсального парового двигателя мощностью около двух лошадиных сил.
Проект содержал чертёж и пояснительный текст, описывающий устройство и работу предлагаемой машины. В описании «огнедействующей машины» имеются разделы: «О членах машины», «О теплоте», «О составах», «О вычитании силы» и «О сложении машины». В них даются сведения о воде, о воздухе, об атмосферном давлении, о парах, о процессе парообразования, теоретические соображения о теплоте (при этом Ползунов нигде не применяет распространенных в то время понятий «теплород» или «теплотворная материя»; скорее всего, он склонялся к молекулярной теории теплоты).
В пояснении устройства машины указываются материалы, из которых должны изготовляться её детали и технологические процессы (литьё, полировка, пайка).
В разделе «О вычитании силы» Ползунов даёт расчёт машины, определяет необходимое соотношение между усилиями, действующими на поршни, и усилиями, которые требуются на рукоятках мехов, приводимых в движение машиной; при этом он учитывал и потери в самой машине. Изобретатель пришёл к выводу, что потери на трение будут превзойдены.
В разделе «О сложении машины» определяется количество металла, требующегося для создания машины. При этом ставится цель реализовать проект минимальными затратами.
В докладной записке шихтмейстер Ползунов также делится своими грандиозными планами, затрагивающими «всё наше государство», имеющими целью «облегчить труд по нас грядущим».
И начинает изобретатель с указания на то, какие огромные производственные расходы, которые не только на Алтае, но и «во всем нашем государстве» наблюдаются в горном деле. Поскольку «движимым основанием» заводов являются сейчас водяные колёса, то «почти все заводы на реках построены». Это заставляет издалека возить на заводы руду и топливо, производить огромные расходы «возчикам в уплату».
Необходимо, считает Ползунов, устранить зависимость заводов от наличия водных источников. Для этого нужно заменить водяные двигатели «огненными» машинами, способными не только обслуживать воздуходувные механизмы, но и вообще «по воле нашей, что будет потребно исправлять». Для этого-то и должна быть создана машина нового типа.
В то время на всех предприятиях использовался исключительно ручной труд. Лишь в отдельных случаях для вспомогательных, особенно трудоёмких работ применялись громоздкие машины, основная часть деталей которых была из дерева и лишь некоторые из металла. Немногие нехитрые механизмы были буквально срублены топором, подобно тому, как «рубят избу», и основными строителями машин того времени были «плотинные» мастера и подчинённые им плотники.
Наиболее распространёнными машинами были воздуходувные меха для металлургических печей и молоты для ковки металлов. Наиболее совершенным двигателем было водяное колесо, основным орудием при изготовлении которого опять-таки служил топор.
В докладной записке Ползунова упоминается применение «огненных» машин при воздуходувных мехах, поскольку эти устройства были на заводах распространены больше всего, а об остальных видах применения новых двигателей он говорил в общей форме: «что будет потребно исправлять», то есть выполнять работу.
Трезво оценивая трудности осуществления совершенно нового в России дела, Ползунов предлагал вначале построить в порядке эксперимента одну небольшую машину разработанной им конструкции для обслуживания воздуходувной установки (состоявшей из двух мехов) и одной плавильной печи.
Установка, согласно первому проекту Ползунова, включала: котёл — в общем той же конструкции, которая применялась в ньюкоменовских машинах; пароатмосферную машину, состоявшую из двух цилиндров с поочередным движением в них поршней («эмволов») в противоположных направлениях, снабжённую парораспределительной и водораспределительной системами; резервуары, насосы и трубы для снабжения установки водой; передаточный механизм в виде системы шкивов с цепями, приводящий в движение воздуходувные мехи.
Без долгой проволочки проект Ползунова был рассмотрен Канцелярией Колывано-Воскресенских заводов и отослан в Петербург, в собственный её императорского величества Кабинет, с сопроводительным письмом. Канцелярия похвальное намерение шихтмейстера Ползунова одобрила.
Но Канцелярия опасалась, что «данный прожект осуществить не удастся, за неимением настоящего механика, который бы составление машинных членов знал или её действительно строил. А хотя бы и сыскался знающий математику и механику, то искусных мастеров для таких работ нету. Впрочем, ежели он, Ползунов, добровольно тот труд и неотступное руководство на себя примет, чтобы через то избежать многих переделок и казне убытков, и хотя бы, на первый случай, в небольшой форме машину сделает и в действие приведёт, то Канцелярия за то его рачение перемену чину и денежное награждение от высочайшего Кабинета испросить постарается. А если по не искусству мастеровых людей случатся какие ошибки и переделки, то Канцелярия убытки взыскивать с него, Ползунова, не будет и от наветов защитит. И ежели даже, по помянутым причинам, совсем бы оное предприятие было неудачно и убытку произошло до тысячи рублёв, то оное, по приносимым от здешних заводов доходам, за ничто почесть можно».
Докладная записка Ползунова с проектом и расчётами двигателя была направлена в Берг-коллегию, откуда спустя некоторое время пришло заключение президента Берг-коллегии И. А. Шлаттера. Шлаттер отметил, что новую машину Ползунова «за новое изобретение почесть должно». Но Шлаттер совершенно не понял новизны конструкции Ползунова, её отличия от прежних силовых установок, применявшихся для подачи воздуха в плавильные печи и представлявшими собой соединение парового насоса с водяным колесом. Именно эти установки и рекомендовал И. А. Шлаттер в своём заключении.
Ползунов полностью отверг рекомендацию президента Берг-коллегии и стал действовать соответственно своей основной идее. Но теперь он решил строить машину не по первоначальному, а по новому (второму) проекту, который предусматривал значительное увеличение и размеров и мощности машины и введение существенных конструктивных изменений.
Новая машина предназначалась для снабжения воздухом целой группы печей и должна была обладать мощностью 30 лошадиных сил. Такой мощности не имела тогда ни одна паровая установка в мире. Изобретатель разработал не только проект двигателя, но и проект всей системы воздуходувной установки применительно к условиям своего завода. Ползунов предусматривал централизованное снабжение воздухом всех печей завода огромными мехами, приводимыми в действие «огненной машиной». От центральных мехов воздух по трубам направлялся к каждой из плавильных печей.
В проекте машины Ползунова теперь предусматривалось её автоматическое регулирование, создание для сохранения постоянного уровня воды в котле регулятора прямого действия. Для равномерности дутья был сконструирован «воздушный ларь», то есть аккумулятор дутья.
В январе 1764 г. канцелярия Колывано-Воскресенских заводов издала постановление о реализации на Барнаульском заводе проекта Ползунова.
Создание машины была связано с огромными трудностями. Ползунов начал свои работы без грамотных помощников и квалифицированных рабочих. Ему дали лишь четырёх учеников и двух отставных мастеров. Необходимых инструментов не было, и всё приходилось делать самому.
К 20 мая 1765 г. уже было изготовлено 110 частей машины, не считая парового котла. Изобретатель должен был лично следить за всем, поскольку его помощники были неопытны. Ему приходилось учить их литью меди и свинца, раскрою котельных листов, сверлению, обточке, обрубке, полировке металла. Многое Ползунов делал собственными руками.
Для машины был построен «машинный дом» — глухое, двадцатиметровой высоты деревянное здание. К декабрю 1765 г. сооружение двигателя было почти закончено.
Последние месяцы были особенно тяжёлыми: непрестанный, изнурительный труд без отдыха, постоянное волнение .. В ноябре у Ползунова горлом пошла кровь Но всё-таки машина была собрана! Все её части подогнали друг к другу — можно начинать испытания. В высокой части дома будут двигаться поршни, качаться балансиры, низкая часть предназначена для воздуходувных мехов. Мехи пока делать не стали, как и плавильные печи, для избежания лишнего расходу — на случай, ежели машина в движение не придёт. А если проба будет удачной — мехи сделать недолго.
Но если в первом проекте, отосланном в Берг-коллегию, машина Ползунова была универсальной — вращала вал, то уже практически построенная по второму проекту, вдесятеро более мощная и предназначенная для дутья (для нагнетания мехами воздуха в плавильные печи), уже не являлась машиной универсальной. В построенной машине были простейшие балансиры: вверх — вниз, вверх — вниз...
Накануне решающего дня испытаний под котлом развели огонь. На следующий день Ползунов собственноручно повернул кран, пустив пар в цилиндры, и дрогнув, пришли в движение поршни и балансиры, закачались на цепях и стали мерно двигаться тяжёлые брёвна, навешанные вместо непостроенных воздуходувных мехов. Машина работала!
Ползунов настаивает, чтобы как можно скорее построили воздуходувные меха. А также просит средства и материалы, чтобы построить новый котел из более толстых листов, поскольку построенный котёл рассчитан только на пробный пуск машины, но не на постоянную работу.
Изобретатель пытается устранить обнаруженные в ходе испытаний недоделки и дефекты — в первую очередь нужны новые уплотнители поршней в цилиндрах.
Но с каждым днём силы Ползунова убывали, у него открылась скоротечная чахотка. Он всё же пытается работать, но всё чаще у него горлом идет кровь. 27 мая 1766 г. Ивана Ивановича Ползунова не стало.
Незадолго до смерти он написал донесение в Петербург о том, что двигатель готов, и просил дальнейшие работы над машиной возложить на своих учеников Д. Левзина и И. Черницына.
Через неделю после смерти Ползунова начались новые испытания машины и устранение недоделок: неточной обработки цилиндров, раковин и неровностей, а также уже построенных воздушных мехов.
В журнале испытаний машины Ползунова за 1766 г. можно прочесть:
«Мая 23-го пополудни в 2-м часу вода из систерна в верхний ларь поднята была... и машина начала действовать, мехи движение имели нарочитое, из прикреплённого к меховым трубам, или соплам ларя во все двенадцать трубок воздух идет довольный, и примечено, что того воздуха на 10 или все 12 печей будет...
(Для лучшей апробации машины решено было построить три плавильные печи и сделать пробные рудные проплавки.)
Августа 4-го. По построении плавиленной фабрики... поутру в 7-м часу машина пущена в действие, которое продолжалось по полудни до 2-го часа, а наконец, не знамо от чего, вдруг у левого цилиндра эмвол на низу остановился...
Августа 7-го. По исправлении регулятора оная машина до полудни в 6-м часу, а плавильные печи после полудни во 2-м часу пущены в действо благополучно...»
Но 10 ноября 1766 г. произошла течь котла, прогоревшего из-за недосмотра (обвалился в печи защитный свод). Казалось, следовало бы исправить котёл или сделать новый, как и просил при жизни Ползунов, затем пустить машину. Но этого не произошло.
Однако, как доносила Канцелярия, «через устроение оной машины не токмо расходы все возвратились, но и прибыли немало осталось...»
Летом 1778 г. новый начальник Колывано-Воскресенских заводов Ирман написал её величеству:
«...а как ныне та машина уже более десяти годов состоит без всякого действия праздно... строение весьма обветшало, опасно, чтоб совсем не развалилось и тем собранные в нём цилиндры, трубы и прочие многочисленные члены, особливо годные к будущему заводскому действию, не повредило, и через то чтоб не последовало казённого убытка...»
Через год пришёл ответ: «Огненную махину, по прописанным причинам, разобрать, находящуюся при оной фабрику разломать и лес употребить, на что годен, члены же хранить на будущую иногда впредь надобность...»
Несмотря на непродолжительный срок работы, ползуновская «огненная машина» — это первая паровая русская машина непрерывного действия, благодаря чему имя Ивана Ивановича Ползунова навсегда останется в истории мировой техники.