Статья: Русские изобретатели Черепановы
Наибольшую известность Ефиму Алексеевичу (1774–1842) и Мирону Ефимовичу (1803–1849) Черепановым принесли работы в области паровой техники и создания первых в России паровозов. Вся жизнь талантливых изобретателей связана с Уралом, становлением и развитием Нижнего Тагила — одного из главных промышленных центров региона.
Черепановы были крепостными известных промышленников Демидовых, владевших не только Нижне-Тагильскими заводами, но и Верхотурскими, Лайскими, Салдинскими, Усть-Уткинскими, Черноисточинскими и другими машинно-фабричными производствами Урала. Важное место в системе Нижне-Тагильского промышленного региона принадлежало Выйскому железо- и медеплавильному заводу. Основное сырье в цеха поставлялось с Медного рудника, расположенного у подножия горы Высокой. И на заводе, и на руднике работали крепостные — выходцы из уральских и тульских вотчин Демидовых. Такими приписными крестьянами Выйского производства были Петр и Алексей Черепановы — дед и отец будущего механика.
С детских лет Ефим Черепанов помогал деду в колесном, сундучном, кожевенном и других ремеслах. В отроческие годы, трудясь рядом с отцом на заводе, он осваивает процессы выплавки железа в кричных горнах на древесном угле, наблюдает работу воздуходувных мехов, приводимых в движение водяными колесами. Благодаря трудолюбию, расторопности, уму в 20 с небольшим лет Е. А. Черепанов становится мастером, а через несколько лет, в 1807 г., назначается "главным плотинным" Выйского завода. В новой должности он отвечал за устройство и работу всех гидротехнических сооружений и водяных двигателей на производстве.
Помимо гидроэнергетики Ефим Черепанов занимался строительством промышленных и жилых зданий, разработкой и сооружением прокатных станов, усовершенствованием процессов металлообработки, изготовлением различных машин, механизмов и инструментов. По его предложению при Выйском заводе создается специальное механическое заведение, изготавливавшее технические средства, детали, запасные части, приборы для всей группы Нижне-Тагильских заводов.
Одним из главных направлений деятельности Черепанова в этот период было улучшение и развитие чугунолитейного и железоделательного производств. Весной 1821 г., находясь в Петербурге, он получает предписание от Н. Н. Демидова отправиться в Англию для ознакомления с металлургической промышленностью. Причиной поездки стала обеспокоенность заводовладельца снижением экспорта отечественного железа в Западную Европу, в том числе в Англию. Если в 1780-е гг. сбыт произведенного в России железа составлял 3,8 млн. пудов, то к началу XIX в. он снизился до 1,5–2 млн. пудов, а через два десятилетия не достигал и 1 млн. пудов.
При ознакомлении промышленности Англии Черепанов испытывал немалые трудности. Металлургические и машиностроительные фирмы ревниво охраняли свои секреты, и посланец Демидова при посещении фабрик и заводов мог видеть лишь внешнюю сторону производства. Ему не показывали техническую документацию и не объясняли сущность технологических процессов. Тем не менее Черепанов вынес из поездки ряд ценных наблюдений. Важнейшие из них касались перехода английского доменного производства на минеральное топливо (кокс) вытеснения процесса изготовления металла в кричных горнах пудлингованием, при котором железо получали на поду пламенной отражательной печи; топливом служил каменный уголь. Наибольшее впечатление на изобретателя произвели рельсовая дорога, проложенная от угольных копий Миддлтона до города Лидса, и использование паровых машин в металлургическом и горнорудном производствах.
По возвращении в Нижний Тагил в 1822 г. Черепанов представил подробный отчет о поездке. Детальное изложение увиденного и предложения о путях производственного развития региона произвели на руководство Горного округа благоприятное впечатление, и вскоре по распоряжению Н. Н. Демидова он был назначен главным механиком Нижне-Тагильских заводов. На новой должности Черепанов смог реализовать ряд своих давно вынашиваемых идей. Важнейшей из них была постройка серии паровых машин и замена водяного колеса как основы энергетической базы заводов на паровой привод. После поездки в Англию Е. А. Черепанов окончательно утвердился в прогрессивности и необходимости внедрения в металлургическое и горнорудное производства теплосиловых двигателей.
Паровые машины были более эффективны, надежны и, главное, универсальны. Они исключали наличие в одном месте и производства, и водного источника как энергоносителя. В случае тепловых двигателей топливо можно было подвозить на гужевом транспорте и отсутствие или нехватка гидроресурсов более не являлись факторами, ограничивающими технологические процессы. Именно о недостатке воды, "малости воды", "глубинах заводских рукотворных трудов в вершок" чуть ли не в каждом письме с тревогой писал директор заводов Н. Д. Данилов Демидову. Ситуация стала критической после вспыхнувшего в октябре 1825 г. на Медном руднике пожара, в котором сгорела водоотливная конная машина. Необходимость оснащения производства паровыми машинами стала еще более очевидной. Тем не менее развитие тепловых двигателей шло намного медленнее, чем того требовала производственная ситуация. Причин тому было несколько.
Неизвестность и новизна "огненных машин" вызывали в отношении их у Н. Н. Демидова, администрации заводов и мастеровых сдержанность и даже настороженность. Им была ближе и понятнее существовавшая энергетическая база производства. Таким настроениям способствовали также избыточность и дешевизна конных и людских ресурсов.
Аргументом против форсированного внедрения в производство паровых машин было быстрое истребление лесов, поскольку практически единственным топливом для тепловых установок в первой трети XIX в. являлась древесина. Минеральное топливо еще не применялось, хотя угольные месторождения на Урале были уже известны. Бесконтрольная вырубка лесов вызывала естественную тревогу властей. В октябре 1841 г. вышел даже специальный указ Николая I Уральскому горному правлению, направленный на сдерживание развития паровой техники и предписывавший "впредь без разрешения горного правления никаких перемен в заводских и горных устройствах не делать".
Развитие новой энергетической базы производства сдерживалось и монополией иностранцев на изготовление и размещение теплосиловых установок. В таких непростых условиях начиналась работа Е. А. Черепанова по постройке паровых двигателей.
Первая паровая машина была создана Черепановым в 1820 г. Это был маломощный двигатель, в постройке которого принял участие и 17-летний сын изобретателя Мирон. Двигатель еще не выполнял постоянных производственных функций, но опыт его изготовления заложил основы для сооружения более мощных установок. Именно эту машину имел в виду механик, когда, находясь в Англии, в отчете на имя Н. Н. Демидова писал: "Также я видел при угольных ямах паровые машины различной величины, коими вытаскивается уголь и отливается вода… таковую можно будет сделать и у нас при Медном руднике для отливки воды, каковую я могу сделать, видевши многие здесь и зная оное на практике, так как я делал одну в заводе в своей фабрике, которая вертела токарный станок противу силы двух человек; а для меня все равно сделать как большую, так и маленькую".
По возвращении из Англии в 1822 г. Ефим Черепанов приступил к постройке парового двигателя мощностью 4 л. с. В служебной записке изобретатель отмечал, что "огненная машина пригодна может быть и на подъеме руды или из некоторых шахт воды, разумеется, в таком случае, где она может быть полезнее и где по действию своему удобнее окажется".Сооружение машины было завершено весной 1824 г. Однако в силу различных мнений в заводском руководстве о том, как использовать установку, ее первоначально смонтировали на мукомольной мельнице и лишь в 1831 г. переместили в Выйское механическое заведение, где "оная с отменной пользой была приспособлена к токарным станкам".
Для ознакомления с развитием паросиловой техники горнометаллургического производства Н. Н. Демидов в 1825 г. отправляет Черепановых вместе с группой мастеров нижнетагильских заводов в Швецию. Посетив заводы, рудники, шахты, русские мастеровые утвердились во мнении о примерно равном уровне технического развития двух стран. Возвратившись на родину, Е. А. Черепанов сразу же предложил построить для Анатольевской шахты Медного рудника новую, более мощную паровую машину.
На сооружение установки мощностью 30 л. с. ушло менее двух лет. В декабре 1827 г. она прошла испытания, а в феврале 1828 г. была подсоединена к насосной системе шахты и введена в эксплуатацию. В конструктивном плане установка представляла собой балансирную паровую машину двойного действия с вертикально расположенным цилиндром и отделенным конденсатором.
С 1828 по 1830 гг. сооружается еще один двигатель мощностью 40 л. с. для Владимирской шахты; в 1837 г. изготавливается установка мощностью 35 л. с. для Сак-Элинского медеплавильного завода. Мощность наиболее крупной из всех черепановских машин достигала 60 л. с. Всего уральскими изобретателями было изготовлено более 25 паросиловых установок мощностью от 5 до 60 л. с. За успехи в этой области Кабинет министров наградил Е. А. Черепанова серебряной медалью на аннинской ленте. Высокая оценка заслуг механика была поддержана Николаем I.
Одновременно с созданием паросиловых установок Черепановы, по распоряжению Н. Н. Демидова, все больше сил и времени уделяют развитию производства меди. С ростом добычи руды на Медном руднике вводятся в строй новые медеплавильные, отделительные и медеочистительные печи. В заводской лаборатории разворачиваются работы по анализу проб медных руд.
Черепановы занимались и вопросами развитиями развития золотых и платиновых приисков. Они построили промывочную машину, заменившую на золотых приисках ручные промывочные верстаки и повысившую производительность труда более, чем в три раза. Совершенствуя технологию добычи платины, Мирон Черепанов разработал способ извлечения металла из руды посредством ее растворения.
Создание силовых установок, медеплавильных и доменных печей, технических средств, обеспечивавших работу рудников и приисков, требовали собственного и быстрого изготовления машин, механизмов, приборов, различных деталей и орудий труда. Этим успешно занимались на Выйском механическом заведении, штат которого в середине 30-х гг. XIX в. включал: мастера, 7 кузнецов, 17 слесарей, 16 плотников, 5 молотобойцев, 4 машиниста (так называли специалистов по паровым двигателям) и несколько десятков разнорабочих. Заведение располагало машинным парком, включавшим паровой двигатель, кузнечно-прессовое оборудование, токарные, строгальные, сверлильные, винторезные, штамповальные, зуборезные и иные станки, изготовленные по чертежам и под руководством Черепановых. Именно на этих станках создавались узлы и детали первых отечественных паровозов, принесших уральским изобретателям всемирную известность.
На рубеже XVIII и XIX в период бурного развития производительных сил России остро встает вопрос о качестве дорог и способах транспортировки по ним все увеличивающихся грузовых потоков. Сухопутные перевозки осуществлялись или в порядке подводно-гужевой повинности, или с помощью наемных ямщиков. Такие малоэффективные средства перемещения и плохое состояние дорог входили во все большее противоречие с развивающимся производством. Появление первых ростков капитализма на транспорте — создание в 1820 г. акционерного общества дилижансовых сообщений между Москвой и Петербургом и организация частных предприятий извозопромышленников по товарно-грузовым перевозкам — качественно не меняло ситуацию. Единственной тягловой силой оставалась по-прежнему конная; гужевой транспорт становился все менее эффективным и выгодным.
Не лучше обстояли дела и с речными перевозками. Ограниченный из-за длительных зим на многих водных путях срок навигации, недостаточная летняя пропускная способность средних и малых рек, низкая производительность бурлацкого труда, опасность и длительность доставки грузов путем весеннего сплава судов-коломенок делали малоэффективным и ненадежным использование водных путей в промышленно-транспортных целях. Складывалась необходимость перехода на принципиально новый вид транспорта.
Первые опыты по внедрению новых способов перевозки грузов соединяли в себе традиционное использование конной тягловой силы и транспортных телег и фургонов, перемещавшихся по рельсам и путям. Следующим шагом была замена конной тяги на канатный привод от водяного колеса. Такая схема была применена в 1826 г. на пути от Медного рудника к нижнетагильским заводам. Однако ни энергия водного потока, ни тягловая сила животных не могли обеспечить все возраставшие транспортные потребности производства. Необходим был переход к использованию нового вида энергоносителя — "его величества пара".
Родиной парового транспорта является Англия. Е. Черепанов наблюдал паровоз на дороге от угольных копий Мидлтона до города Лидса. Позже М. Черепанов знакомится с работой построенного одним из пионеров паровозостроения Дж. Стефенсоном паровоза "Ракета", курсировавшего по дороге Манчестер — Ливерпуль, протяженностью 40 км. Стифенсоном впервые были применены вместо чугунных рельсов железные, на паровозах установлены гладкие ведущие колеса; значительно повышена производительность котла за счет увеличения суммарной поверхности нагрева путем использования так называемой трубчатой конструкции, имевшей 25 дымогарных трубок.
По итогам поездки в Англию Мирон подготовил отчет, в котором ратовал за скорейшее развитие парового транспорта на Урале. Петербургская контора Нижне-Тагильских заводов решила, что М. Е. Черепанов "по пристрастию своему, как и отец его, к паровым машинам, надеется быть в состоянии устроить паровые телеги для перевозки тяжести. А потому и дать ему способ таковые из-за нужнейших работ приготовить: одну для употребления при заводах, а другую для присылки сюда на показ…".
В октябре 1833 г. на Выйском заводе начались работы по сооружению первой в России "паровой телеги"; в феврале 1834 г. состоялись ее испытания. Основу паровоза составлял горизонтально расположенный котел цилиндрической формы длиной 1,7 м диаметром 0,9 м, имевший 80 дымогарных трубок. Два паровых цилиндра также располагались горизонтально. Первый паровоз Черепановых, или как его тогда называли "сухопутный пароход", перевозил состав весом более 3 т со скоростью около 15 км/час. Состав включал фургон, или тендер, для хранения топлива и воды и "приличную повозку для всякой поклажи и пассажиров, в числе 40 человек". Рельсы, выполненные из чугуна, имели в длину 2 м и укреплялись впритык на металлических подставках, располагавшихся на деревянных шпалах. Ширина колеи составляла 1645 мм. Протяженность пути, проложенного по Выйскому полю, не превышала 900 м.
Осенью 1834 г. началась постройка второго паровоза. Он был более мощным, чем первый и мог перевозить до 16 т груза. По специально построенной от Медного рудника к Выйскому заводу чугунной дороге перевозились медная руда и подрудок. Во время посещения Нижнего Тагила в 1837 г. будущий император Александр II с нескрываемым интересом знакомился с "диковинной машинной премудростью Черепановых".
Опыт создания парового наземного транспорта был применен в судоходстве. Группа мастеровых во главе с Мироном Черепановым разработала проект постройки парохода. "Водная паровая телега" была в короткие сроки изготовлена и опробована на заводском пруду. Однако дальнейшая деятельность изобретателей в области парового транспорта осложнялась большим объемом текущих работ по обслуживанию действующего металлургического и горнорудного производств.
Сдержанные на поощрения, благодарность и похвалу заводчики Демидовы неоднократно отмечали заслуги Е. А. и М. Е. Черепановых. Им и их семьям были дарованы вольные. Они получали высокое по тем временам жалование и имели собственный двухэтажный каменный дом. Труд Ефима Алексеевича и Мирона Ефимовича неоднократно отмечался крупными вознаграждениями, им были преподнесены именная серебряная ваза, дорогой перстень, другие ценные подарки. На родине, в Нижнем Тагиле замечательным изобретателям установлен оригинальный запоминающийся памятник. В жизни и деятельности Черепановых воплощены лучшие качества русского народа: талант, ум, трудолюбие, любовь к Отечеству.