В 1834 г. профессором Дерптского университета Морисом Германом фон Якоби был создан первый в мире пригодный для практического применения электродвигателя. Из всей европейской научной общественности реальный интерес к этому новому техническому устройству был проявлен только Российской академией наук.
Министр народного просвещения и президент Императорской академии наук граф С.С. Уваров встретился с Якоби, обсудил его предложение по практическому применению его изобретения. Профессор Якоби предложил использовать электродвигатель в качестве приводного механизма на морских судах. 28 июня 1837 г. С.С. Уваров представил императору Николаю I доклад «О наблюдениях профессора Якоби по части электро-магнетизма». Получив согласие императора на организацию временного комитета, Уваров пригласил Якоби в Петербург для разработки оборудования для первого в мире электрохода. С этого времени и до конца жизни научная деятельность Якоби оказывается связанной с Петербургом и Петербургской академией наук.
«Движение по способу профессора Якоби»
Во главе «Комиссии, учрежденной для применения электромагнитной силы к движению по способу проф. Якоби», был назначен выдающийся путешественник вице-адмирал И.Ф. Крузенштерн. В ее состав вошли: секретарь Императорской академии наук П.Н. Фус, академики Э.X. Ленц, А.Я. Купфер, М.В. Остроградский, член-корреспондент П.Л. Шиллинг, полковник корпуса горных инженеров П.Г. Соболевский и капитан корпуса корабельных инженеров С.А. Бурачек. Цель работы Комиссии — испытания на практике электродвигателя Якоби, проведение необходимых теоретических и экспериментальных исследований для его усовершенствования и использования в практических целях. Предполагалось электродвигатель установить на судне, причем общая сумма затрат на проведение всех работ не должна превышать 50 тысяч рублей.
В 1837 г. Якоби навсегда переезжает в Россию, поселяется в Петербурге на Николаевской набережной, д. 1, принимает российское подданство и до конца жизни считает Россию своей второй родиной. Теперь он – Борис Семёнович Якоби.
Начальный этап работы Комиссии был связан с организацией мастерской и оснащением ее всем необходимым оборудованием. Почти все приборы были изготовлены по чертежам самого Якоби, часть из них (различные гальванометры, реохорды, регулятор сопротивления и др.) надолго вошла в практику электрических измерений. Эта небольшая петербургская мастерская стала центром исследований по созданию первого в мире электрохода. Якоби лично руководил всеми работами по изготовлению и сборке электрической машины, большую помощь на всех этапах работы ему оказал академик Э.X. Ленц.
С января 1838 г. Якоби занимался проектированием, сборкой двигателя и исследованием его характеристик. На начальном этапе исследований электродвигатель приходилось создавать методом проб и ошибок, букваль¬но отыскивать на ощупь верные конструкторские решения, поскольку законы, определяющие построение двигателя такого типа, были абсолютно не изучены. Якоби и Ленцем был получен целый ряд теоретических результатов и инженерных решений, которые во многом определили конструкцию современных электродвигателей. В 1838 г. Якоби разработал несколько новых моделей электрических двигателей, при этом основные особенности конструкции двигателя 1834 г. сохранились. С целью увеличения мощности Якоби пытался создать сборную конструкцию, объединявшую несколько двигателей на одном валу. Для двигателя 1838 г. Якоби разработал новую модель коммутатора, но она оказалась неудачной и Комиссия рекомендовала ему вернуться к прежней модели.
Первый электроход
К лету 1838 г. морское ведомство предоставило Комиссии восьми-вёсельное судно, на котором планировалось устанавливать попеременно две машины различной конструкции. Первые испытания электродвигателя вселяли большие надежды, хотя скорость судна была невелика. В течение нескольких месяцев члены комиссии совершали плавание на электроходе не только по каналам, но и по самой Неве даже против течения. 13 сентября 1838 г. произошло знаменательное событие: на Неве прошли первые официальные испытания электрохода. Его длина составляла около 8 м, ширина 2.3 м. Судно могло принять на борт 14 пассажиров. Мощность каждого двигателя, входящего в сборную конструкцию двигателя, колебалась в пределах 117.5 — 470 Вт. В качестве движителя использовали гребные колеса. Источник энергии — 320 установленных вдоль бортов медно-цинковых гальванических элементов. При этом груз оказался неудачно размещен, в результате чего лодка чрезмерно погрузилась носом, что уменьшило ее скорость. Недочеты, допущенные при изготовлении двигателя, также препятствовали использованию мощности батареи в полной мере.
Несмотря на все недостатки, члены Комиссии с воодушевлением восприняли результаты первых испытаний электрохода. С.А. Бурачек писал по этому поводу:
«В летописях практической механики не было еще примера, чтобы какой-нибудь движитель, только что придуманный, едва измеримый, был сразу же удовлетворительно применен к движению машин. Самые грубые осязательные движители требовали несколько десятилетий для постепенных попыток, требовали тысячи умов теоретических и практических для решения вопроса удовлетворительно со всех сторон. Если ко всему этому взять еще в рассуждение, что природа и законы электромагнетизма до сих пор так мало известны, что эта невидимая сила едва уловима в ее действиях и путях, то по всей справедливости можно сказать, что труды Комиссии, Высочайше утвержденной для приложения электромагнетизма к движению машин, при первом опыте увенчались успехом слишком достаточным».
Испытания в 1838 г. повторяли неоднократно до окончания навигации на Неве и возобновили в августе 1839 г. после некоторого усовершенствования установки. В ноябре 1838 г. на заседании Комиссии Якоби предложил в течение зимы устранить все недостатки, собрать более мощную машину и продолжить опыты в следующее лето. Комиссия приняла предложение Якоби, отметив, что даже если опыты не принесут желаемого результата, работа Комиссии будет не напрасной, так как многие научные факты, открытые в ходе ее работы, будут способствовать дальнейшему развитию как самой электротехники, так и ее приложений. Решено было продолжать работу Комиссии в 1839 г. Император 10 декабря 1839 г. на донесении Комиссии написал резолюцию: «Опыты необходимо продолжать с должным тщанием». Работа Комиссии должна была дать ответ на вопрос о перспективности дальнейшей разработки электроходов в сравнении с паровыми судами.
Организационные и технические сложности создания электрохода
Парусный флот доживал свой век, однако паровой двигатель с большим трудом пробивал себе дорогу. В истории техники известны многочисленные препятствия, чинимые судовладельцами изобретателям и строителям паровых судов для нужд водного транспорта. Недоверие российских военных моряков к паровому двигателю объяснялось в основном недостатками конструкций кораблей: громоздкостью, незащищенностью и несовершенством использовавшихся в то время движителей — гребных колес. В результате внедрение парового двигателя на военном флоте осуществлялось медленно. К 1838 г. недостатки парового двигателя были известны всем, а трудности, которые возникали при использовании гальванической батареи, казались не столь существенными, их надеялись преодолеть в ходе дальнейших изысканий. Успех казался очень близким. В одном из писем Фарадею Якоби говорил о том, что за один год сможет построить корабль с двигателем в 40-50л.с., «если небо сохранит ему расстроенное здоровье».
Важность проводимых экспериментов была неоспорима, но очевидные недостатки электрохода ставили под вопрос возможность продолжения опытов. Главными из них была низкая скорость (не более 2.8 км/ч против течения Невы) и высокая стоимость используемых материалов. Выявился ряд дефектов как в самом двигателе, так и в генераторе. Основными недостатками стали громоздкость и большой вес. Малая мощность электромагнитной машины не могла обеспечить электроходу приемлемую скорость.
Вскоре, за счет использования 64-х платино-цинковых элементов Грове, удалось снизить вес гальванической батареи. Площадь платиновой поверхности достигала почти 3 м2. Разрешение на выдачу Комиссии одного пуда очищенной платины для замены цинковых пластинок платиновыми дал лично император Николай I, а Департамент горных и соляных дел сделал распоряжение о приготовлении в лаборатории одного пуда очищенной платины под расписку о ее возвращении в том же количестве после проведения опытов.
На заседании Комиссии 18 мая 1839 г. Якоби сообщил, что замена медных пластинок на платиновые приведет, по его мнению, к уменьшению объема механизма примерно в 18 раз. Еще одним средством увеличения скорости считалась замена малоэффективных гребных колес движителем гидрореактивного типа со сквозными водопротоками. Этот проект был одобрен на заседании Комиссии 7 декабря 1838 г., но так и не был осуществлен на электроходе.
Летом 1839 г. Якоби удалось усовершенствовать свой двигатель, упростив конструкцию гальванических батарей. Он поставил на прежнее судно новую батарею с платиновыми пластинами, которая заняла не более 1/6 места, занимаемого прежней батареей. Скорость судна при этом значительно увеличилась: на этом же гребном судне с 11 пассажирами удалось развить скорость до 4 верст в час (4.3 км/ч).
В конце 1838 г. Якоби удалось провести очередную модернизацию конструкции своего электродвигателя, благодаря чему на испытаниях 1839 г. мощность одного двигателя достигала 700 Вт. Этот результат вселял надежду. Якоби объединил 40 таких двигателей в две группы по 20 штук, каждая из которых имела общий вал (3) и коммутатор (4). Неподвижная часть каждого одинарного двигателя, входящего в группу, представляла собой кольцо, образованное двумя электромагнитами (5) и (6), соединенными скобами (7) и (8) из немагнитного материала. Подвижная часть состояла из четырех электромагнитов (9), закрепленных крестообразно на втулке (10).
8 августа 1839 г. состоялось публичное испытание электрохода, в котором принимали участие глава флота великий князь Константин Николаевич и С.С. Уваров. Лодка плавала в течение 7 часов с 14 пассажирами (даже против течения и ветра) со скоростью около 4.2 км/ч. Испытания дали лучшие результаты, но и они были еще далеки от желаемых. Гальваническая батарея оставалась слишком неэкономичным источником тока. Тем не менее опыты Якоби получили благоприятный отклик во всем ученом мире. М. Фарадей прислал Якоби восторженное письмо: «Я душевнейшим образом желаю, чтобы Ваши большие труды получили большую награду, которую они заслуживают. Как подумаю только об электромагнитной машине на «Great Western» или «British Queen» и отправке в плавание по Атлантическому океану или даже в Ост-Индию! Какое это было бы славное дело!».
21 августа 1839 г. с разрешения императора были отпущены дополнительные средства для работы Комиссии. Весной 1840 г. И.Ф.Крузенштерн, находя, что старое судно «тяжело в ходу», и, учитывая то обстоятельство, что на судне будут размещены дополнительные двигатели, предложил на деньги Комиссии построить новое. 7 мая Комиссия приняла судно, а 8 июня был готов новый электродвигатель. Летом 1840 г. Б.С. Якоби находился за границей, а опыты в Петербурге проводил академик Ленц. На судне установили электродвигатель, состоящий из трех групп двигателей (трех машин) вместо запланированных четырех. При этом мощность оказалась лишь немногим больше прежней. На заседании Комиссии 21 августа Ленц отметил, что опыты «не имели надлежащего успеха». Ленц отчетливо понимал, что время электродвигателей еще не настало, и сам Якоби все больше убеждался, что дальнейшие изменения разработанной им конструкции не могут привести к существенным результатам, мощность электродвигателя недостаточна для применения его на флоте. Это подтвердили и испытания, проводившиеся на Малой Невке с июня по сентябрь 1841 г. Перед Комиссией все острее вставал вопрос о целесообразности продолжения опытов.
На заседании Комиссии 16 сентября 1841 г. И.Ф. Крузенштерн высказал свои сомнения относительно возможности увеличения мощности электродвигателя. Все члены Комиссии, кроме Якоби, поддержали председателя. Адмирал Крузенштерн в записке министру народного просвещения 4 декабря 1841 г. сообщил о решении членов Комиссии, высказав при этом надежду на возобновление ее работы, когда будут сделаны открытия, позволяющие усовершенствовать приложения электромагнетизма к движению судов. С.С. Уваров довел решение Комиссии до сведения императора. Однако Николай I приказал продолжить финансирование опытов адъюнкта Якоби — 500 рублей серебром единовременно и по 600 рублей ежемесячно в течение 1842 г. «Желательно, — сообщает решение императора С.С. Уваров, — чтобы Комиссия оставалась в прежних отношениях к г. Якоби», то есть продолжала свою деятельность.
Дальнейшие работы над созданием электрохода прекратить…
Надежды высшего руководства страны на возможный успех исследований, проводимых Комиссией, не оправдались. После безуспешных попыток увеличения мощности электрического двигателя Якоби пришел к выводу, что основная проблема заключается не в конструкции двигателя, а в необходимости создания экономичного и мощного генератора электрического тока. В докладе, сделанном в 1841 г., Якоби отметил: «Я считаю работу над механической частью, в частности над механизмом передачи движения, почти законченной. Правда, усовершенствования в этом направлении еще возможны, но, по самой своей сущности, они могут развиваться лишь постепенно, и не думаю, чтобы они могли послужить к решению поставленного вопроса. Иначе дело обстоит с возбуждением гальванической деятельности, являющейся источником этой силы».
Серьезно говорить о применении электродвигателя на флоте до создания необходимого генератора было преждевременно. 28 ноября 1842 г. избранный академиком Петербургской академии наук Якоби отчитался о проделанной работе за год. Все члены Комиссии признали его отчет неудовлетворительным. В 1842 г. ученый стал в гораздо большей степени заниматься другими вопросами, а не проведением запланированных Комиссией опытов с электроходом. На этот раз решение государя было твердым: работу Комиссии прекратить, а средства для дальнейших изысканий академика Якоби, выполнявшего заказы других ведомств, в частности лично великого князя Михаила Павловича, «отпускать из тех ведомств, которые ему эти поручения дают».
Академик Якоби в течение своей жизни неоднократно обращался к работе над усовершенствованием электродвигателя и, несмотря на все трудности, вызванные технической неразработанностью вопроса и дороговизной приборов, никогда не сомневался в целесообразности проводимых исследований. «На одном пункте, — писал он, — необходимо стоять твердо и неуклонно — я имею в виду дальнейшее развитие науки. Дайте нам только время». Комиссия по исследованию электромагнетизма оказалась причастной не только к такому знаменательному событию, как создание первого в мире электрохода, в ходе ее работы были проведены исследования, оказавшие значительное влияние на развитие науки и техники в целом.
Двигатель будущего
Разработка приложений электротехники на производстве, на транспорте и в военном деле являлась одним из важных направлений деятельности Академии наук в XIX в. Работа над перспективными проектами, такими как электродвигатель, как правило, не останавливалась окончательно в связи с прекращением финансирования. Исследователи терпеливо дожидались удобного случая для возобновления работ, часто в рамках других проектов. Например, в январе 1840 г. приступил к работе созданный по ходатайству известного военного инженера К.А. Шильдера «Временный комитет о подводных лодках», одним из членов которого был Б.С. Якоби. На подводной лодке Шильдера предполагалось использовать электродвигатель с батареей гальванических элементов, однако недостаток средств не позволил изготовить дорогостоящую электромагнитную машину.
Определенным толчком для возобновления работ по созданию электрохода послужила русско-турецкая война 1877-1878 гг. Многие отечественные изобретатели направили свои усилия на разработку новых видов вооружений для укрепления Черноморского флота. Среди представленных проектов были подводные лодки с электродвигателями, питающимися от батареи гальванических элементов. Правительством был поддержан проект С.К. Джевецкого, и в 1885 г. были построены две первые подводные лодки с электродвигателями, питающимися от батареи аккумуляторов.
К опытам по электродвижению надводных кораблей в России обратились лишь в самом конце XIX в. К тому времени идеи Якоби получили довольно широкое распространение за границей. Хотя за полвека многое изменилось в конструкции судов-электроходов: вместо гребных колес использовался винт, усовершенствовалась конструкция электродвигателя, в качестве источника электроэнергии использовали батареи аккумуляторов, тем не менее суда нового типа унаследовали основные недостатки электрохода Якоби. Такие суда использовались как прогулочные катера и лишь в отдельных случаях для незначительных пассажирских перевозок на небольшое расстояние. В России, казалось, на какое-то время потеряли интерес к судам такого типа. Лишь в конце XIX в. было принято решение о строительстве нескольких катеров с гребным электроприводом для нужд морского ведомства и для царской семьи. Россия отставала в области строительства судов с электродвигателями, однако сохранила свои позиции в отношении передовых научно-технических разработок.
Новая страница в истории электродвижения судов была открыта также в Петербурге. Отечественные изобретатели предложили совсем иное техническое решение. В 1903 г. было спущено на воду нефтеналивное судно «Вандал» — первый в мире дизель-электроход, построенный на заводе Сормова в Нижнем Новгороде и оснащенный дизель-электрической установкой в 1904 г. на заводе Нобеля в Петербурге (ныне «Дизель»). И в этой области судостроения тоже приоритет за Россией.
Литература:
1. Наука Санкт-Петербурга и морская мощь России. Том 1. Автор-составитель доктор технических наук профессор А.А.Родионов.- СПб, Наука, 2001.
2. В.И.Татаренков. История судовых средств движения.- СПб: «Галея Принт», 2006.
