2015-10-22
2481
Электроэнергетика как основа нового этапа развития промышленности. Большие сдвиги в развитии техники на рубеже ХІХ–ХХ вв. были связаны с развитием физико-математических и естественных наук. Успехи органической и неорганической химии, механики, термодинамики, учение об электричестве стали основой изменений в технике и создании новых ее отраслей.
Паровая энергетика переживала кризис вследствие увеличения непроизводственных расходов на доставку топлива от мест его естественного расположения к силовых установкам. Главным недостатком парового двигателя оказались, прежде всего, трудности передачи полученной от него энергии. Это тормозило концентрацию и интенсификацию промышленного производства. Именно в это время начал развиваться электрический способ передачи и распространения механической энергии. Ключевым на этом пути стало решение проблемы передачи электроэнергии на расстояние. Актуализации проблемы способствовало появление в последней четверти ХІХ в. крупных промышленных предприятий.
В 1880 г. французский ученый Марсель Депре математическим анализом сущности физических процессов в системе генератор-линия-двигатель доказали, что эффективность электропередачи может быть достигнута при увеличении напряжения в линии. Но проблема заключалась в невозможности передачи постоянного тока на большие расстояния и могла быть решена, как показали дальнейшие исследования, путем использования переменного тока и трансформаторов. В 1880-х гг. над их созданием работали ученые разных стран – Д. и Э. Гопкинсоны (Великобритания), А. Кеннеди (США) и др. В создании надежных, мощных силовых трансформаторов существенное значение получило предложенное Д. Свинберном масляное охлаждение.
Первые электростанции однофазного тока были построены около Лондона (1885) и в Одессе (1887). Их эксплуатация показала большие возможности переменного тока для передачи на расстояние, но и обнаружила основные его недостатки – ограниченность использования для освещения. Победа переменного тока началась с освоения нового физического принципа работы электродвигателей – вращаемого магнитного поля. Американский изобретатель сербского происхождения Никола Тесла создал двухфазный генератор и асинхронный двигатель, хотя эта система оказалась менее совершенной по сравнению с трехфазной системой тока, изобретенной в Европе.
В 1889 г. российский инженер Михаил Доливо-Добровольский предложил конструкцию трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, который имел существенные преимущества: самостоятельно начинал вращаться при включении напряжения, не нуждался в дополнительном двигателе для разгона (как двухфазные).
Возникновение техники трехфазных токов решило не только задачи использования электроэнергии, но и передачи ее на значительные расстояния. Оно ознаменовало собой переход к широкой электрификации. Практическое внедрение трехфазного тока в промышленность быстро нашло применение в Германии, Швейцарии, США и России. В частности, в 1893 г. на Новороссийском элеваторе была построена самая мощная электростанция трехфазного тока XIX в. (1200 кВт). Система трехфазного тока способствовала быстрому внедрению в производство относительно дешевых, а главное надежных асинхронных двигателей. Процесс электрификации промышленности сопровождался вытеснением паровой машины из системы привода и ограничением ее применения в качестве первичного двигателя. Иными словами, паровая машина из цехов переместилась в машинные залы электростанций.
В конце XIX в. возникает новая отрасль производства – электрическая промышленность, к которой в то время принадлежали электроэнергетика и электротехнические предприятия. Электрическая энергия решила проблему ликвидации разрыва между местонахождением природных ресурсов (водных источников, месторождений топлива) и расположением ее потребителей. В процессе ее передачи и распределения электричество играет роль вторичной энергии. Природные первичные виды энергии (гидравлическая, тепловая, химическая, ветряная) могут быть преобразованы на вторичную – электрическую. Только ее гибкость, транспортабельность и способность к легкой трансформации позволили успешно решить проблему энергообеспечения крупной промышленности, транспорта и быта.
Применение новых технологий в металлургической, химической, машиностроительной отраслях. В металлургической отрасли в начале ХХ в. значительно расширилась область применения цветных металлов: машиностроение, электротехническая промышленность, техника связи, приборостроение нуждались во все большем количестве меди, цинка, олова, свинца, благородных металлов. Началось промышленное использование нового цветного металла – никеля, который применялся в производстве специальных сталей. К концу XIX в. сырьем для получения тяжелых цветных металлов были монометаллические окисленные, карбидные и силикатные природные руды. Единственным способом получения цветных и черных металлов была пирометаллургия – совокупность металлургических процессов, которые происходили при высоких температурах.
Истощение запасов богатых окисленных руд выдвинуло проблему использования более распространенных на планете сульфидных руд, содержащих серу. Для перевода минералов с высоким содержанием серы в окислы металлов был использован процесс окислительного обжига, сконструированы специальные печи.
Были созданы комплексные химико-металлургические схемы полиметаллических руд: разработаны флотационные методы обогащения, основанные на различии физико-химических свойств поверхности мелких частиц руды, содержащих металл, и пустой породы. При таких методах порода вымывалась водой и опускалась вниз, а плохо смоченные (гидрофобные) частицы руды поднимались на поверхность, образуя богатую рудой пену. Посредством введения в пульпу специальных реагентов в виде селективных концентратов обеспечивалась возможность преимущественного выделения из полиметаллических руд одного из металлов. Широкое использование флотации значительно расширило сырьевую базу цветной металлургии, но требовало коренных изменений в технике и технологии производства цветных металлов. Для их получения из руд начали применять также методы гидрометаллургии, при которых металлы, содержавшиеся в руде, растворялись специальными химическими реагентами, а затем добывались из растворов.
Химический способ получения алюминия требовал больших энергетических затрат. Поэтому к 1890 г. в мире было получено всего 200 т этого металла. В 1886 г. Поль Эру во Франции и Чарльз Холл в США независимо друг от друга получили одинаковые патенты на производство алюминия методом электролиза из глинозема, растворенного в расплавленном криолите. Этим было положено начало электролитическому способу производства алюминия и созданию алюминиевой промышленности.
Появление редких элементов, тугоплавких металлов, совершенствование технологических методов создания материалов со специальными свойствами вызвало к жизни еще одну прогрессивную отрасль металлургии – порошковую (металлокерамику), суть которой заключается в изготовлении изделий путем прессования заготовок металлических порошков с их последующей обработкой.
Основой металлокерамических твердых сплавов являются, прежде всего, тугоплавкие карбиды вольфрама и титана. Смеси металлических порошков с углеродом (карбиды), спрессованные под определенным давлением в полуфабрикаты (заготовки), близкие по размерам и форме к готовым изделиям, подвергаемым затем термообработке – спеканию – при высокой температуре (до 1550°С). В начале ХХ в. из тугоплавких металлов начали изготавливать нити накаливания электрических ламп. Сначала их делали из осмия, а впоследствии – из тантала. В тот же период из вольфрама начали изготавливать в США медно-графитовые щетки для электродвигателей.
Развитие металлургии повлияло на горное дело. Потребности в руде и топливе заставили перейти к новым методам их добычи. В горном деле в последней четверти XIX в. совершенствуются все процессы и операции извлечения полезных ископаемых. Но самым важным было то, что на шахтах индустриально развитых стран мира, прежде всего, в США появляются и все интенсивнее используются врубовые машины. Их конструкция постоянно совершенствуется, повышается надежность и технологические показатели.
В начале ХХ в. усовершенствовались технологии производства соды, серной кислоты (контактный метод), была решена проблема фиксации азота воздуха, изобретен каталитический синтез аммиака, открыт метод получения азотной кислоты каталитическим окислением аммиака, усовершенствованы различные способы получения хлора, открыт синтез соляной кислоты.
В 1870-х гг. началось использование керосина для освещения. Он стал главным продуктом переработки нефти. Другие составляющие этого процесса (бензин, мазут) сначала сжигали или выливали в реки. Но впоследствии нефтью начали заменять традиционное топливо – уголь. С изобретением двигателя внутреннего сгорания нефть приобрела важное значение в промышленности и на транспорте. Вместе с керосином начали производить во все больших объемах бензин. Постепенно химики открывали новые качества нефти и нефтепродуктов.
Большой вклад в развитие технологии переработки нефти сделал российский ученый Владимир Шухов, который в 1880-х гг. вместе с инженером Иваном Елиним сконструировал кубовую батарею для непрерывного процесса перегонки нефти, которая с 1883 г. начала работать на заводе Нобеля в Баку. В 1890 г. Шухов вместе с инженером Сергеем Гавриловым разработал аппаратуру для крекинг-процесса, а в следующем – ему был выдан соответствующий патент. Изобретатели вместо куба применили для крекинг-процесса систему труб, которые подвергались воздействию горячих газов. Для улучшения теплопередачи было предусмотрено принудительную циркуляцию. Именно это изобретение стало основой современной схемы термического крекинга.
Интенсивно развивалась также техника переработки каменного угля, который служил не только одним из основных видов топлива, но также стал необходимым сырьем для химической промышленности. Именно на основе продуктов переработки нефти и угля начало развиваться производство синтетических органических веществ и материалов. Они получили широкое распространение в качестве сырья и полуфабрикатов в различных отраслях химической промышленности.
Достижения химии и химической технологии создали предпосылки для получения искусственных материалов и зарождения их промышленного производства. Появление искусственных материалов – показатель качественно нового и более высокого развития химии. Для их получения сначала почти всегда служили известные и проверенные на практике природные материалы. Первые исследователи лишь воспроизводили искусственные материалы, аналогичные естественным, которые по своим свойствам и качествам уступали последним. В процессе совершенствования химических технологий начали создаваться искусственные материалы, которые не уступали, а иногда и превосходили по качеству природные.
В химических технологиях начала ХХ в. использовались 14 основных элементов, которые составляют 99,5% земной коры. Именно в это время начинают использовать фтор, титан, хлор, магний, алюминий, а водород стал основой современной химии. Синтез аммиака, синтез спиртов, синтез жидкого топлива ежегодно требуют производства миллиардов кубических метров водорода.
Таким образом, характерной чертой химических технологий в начале ХХ в. было применение распространенных элементов, которые раньше почти не использовались в промышленных масштабах, а также широкое использование в качестве химического сырья твердого топлива, жидких и газообразных углеводородов.
Расширение применения электричества внесло свои коррективы и в обработку металлов. В 1867 г. американский электротехник Томсон изобрел электрическую сварку. Он пропускал ток большой силы, но малого напряжения через два соприкасающихся в месте сварки куска металла. Сопротивление прохождению тока в месте стыка приводило к выделению такого количества тепла, которое было достаточным для сварки обоих кусков.
К началу ХХ в. этот метод был значительно усовершенствован и получил распространение во многих странах мира. В Российской империи был внедрен свой, оригинальный метод электросварки, изобретенный инженерами Николаем Бенардосом и Николаем Славяновым, но после их смерти он был забыт. Создание практически заново отечественной школы электросварки было связано с именем профессора Евгения Патона и произошло уже в новых исторических условиях.
Машиностроение в рассматриваемый период характеризуется развитием электрического двигателя, который становится основой машинного производства. Применение электрического привода позволило разработать много типов металлорежущих станков, перейти к их выпуску, обеспечить изготовление сложных энергетических, транспортных, горных, металлургических, сельскохозяйственных машин, изделий и оборудования для коммунальной и бытовой техники. Все эти факторы определили характер развития машиностроения на рубеже ХIХ–ХХ вв.
Простая кооперация однородных или разнородных рабочих машин середины XIX в. в машиностроении постепенно в начале ХХ в. была заменена расчлененной системой машин. Она была сложной совокупностью разнородных, но действующих одновременно машин, получавших движение не от одного общего двигателя, а от индивидуальных двигателей при каждой машине.
Рост выпуска машин, расширение фабрик и заводов сопровождались все большей специализацией производства. Специализация позволила значительно усовершенствовать технику, технологию и организацию производства и в конечном счете намного увеличить выпуск машин и оборудования. Машиностроение распадается на отдельные узкоспециализированные отрасли.
Расширение предприятий требовало все большей специализации металлообрабатывающего оборудования. На узкоспециализированных станках обрабатывалась одна деталь или выполнялась только одна производственная операция. Такое сужение функций станка при значительном росте его производственных мощностей создавало новые возможности для массового выпуска продукции, а также для дальнейшей автоматизации самого процесса производства.
В металлообработке в начале ХХ в. определяется направление на повышение качества и скорости работы станков. Увеличение скоростей резки металла достигалось введением резцов из легированных сталей, а впоследствии применялись резцы, изготовленные из особых сверхтвердых сплавов. Совершенствование режущих инструментов, экспериментальные и теоретические исследования процессов металлообработки способствовали значительному улучшению конструкции станков, росту их мощности. Это заставляло совершенствовать привод станков и способы управления ими.
Важной особенностью техники машиностроения на рубеже ХIХ–ХХ вв. было повышение точности производства машин, что в значительной мере было связано с работами известного английского станкостроителя Джозефа Витворта. Калибры Витворта, которые допускали точность подгонки деталей порядка одной десятитысячной части дюйма уже в 1890-х гг. стали неотъемлемой частью каждого машиностроительного завода в Европе и Америке.
В этот период мировое станкостроение использовало 5 основных типов металлообрабатывающих станков: токарные, сверлильные, строгальные, фрезерные, шлифовальные. Применение специализированных и высокопроизводительных металлорежущих станков, соблюдение методов точных измерений, внедрение стандартов и принципов взаимозаменяемости деталей подготовило техническую базу для перехода машиностроения к серийному и массовому производству.
Транспорт и строительство. Качественные изменения в рассматриваемый период произошли на железнодорожном транспорте. В последней трети XIX в. дороги в Европе и Северной Америке связали крупные города, что резко сократило транспортные расходы и способствовало увеличению объемов торговли. Строительство новых магистралей сопровождалось техническим совершенствованием паровозного и вагонного парков.
Вместе с тем, уже накануне Первой мировой войны паровоз в своем конструктивном решении достиг предела, что стимулировало исследования в области создания принципиально новых средств тяги. Уже в последней четверти XIX в. определились контуры новых направлений локомотивостроения: электровозо- и тепловозостроения. Первое практическое воплощение электрификации железных дорог было осуществлено немецким инженером Вернером фон Симменсом в 1881 г.
В течение значительного времени инженерная мысль работала над совершенствованием техники подачи тока к электровозу. В 1883 г. американский инженер Лео Дафт построил первый магистральный электровоз Amper для железной дороге Саратога – Мак-Грегор. В 1885 г. бельгийский инженер Шарль Ван де Пуль в Торонто (Канада) построил первый трамвай с одним воздушным рабочим проводом. В его схеме обратным проводом служили ходовые рельсы. По линии были установлены столбы с консолями, к которым прикреплялись изоляторы с рабочим проводом. Именно эта схема подвески оказалась очень рациональной. После технического усовершенствования она была принята во многих странах. Уже в 1897 г. в США находилось в эксплуатации 25 тыс. км электрифицированных дорог. В 1890 г. воздушный провод появился впервые в Европе на трамвайной линии в г. Галле (Германия).
Электрификация железных дорог натолкнулось на трудности, связанные с потерями энергии, которые были вызваны передачей постоянного тока на большие расстояния. Эта проблема была решена с появлением в 1880-х гг. трансформаторов переменного тока. Они были введены в схемы питания электроэнергией железнодорожных магистралей. Центральная электростанция производила трехфазный ток, который трансформировался на высокое напряжение, которое подавалось к соответствующим участкам линии. На каждом из участков существовала своя понижающая подстанция, от которой переменный ток передавался к электровозу, на котором проходило питание рабочего привода. В результате внедрения в середине 1890-х гг. на железнодорожном транспорте трехфазного тока значительно упростилась вся система его передачи. В 1893 г. в США был построен электровоз весом 30 т и мощностью 240 л.с., а уже в период Первой мировой войны были созданы мощные электровозы весом до 275 т.
В 1880-х гг. конструкторы железнодорожных локомотивов заинтересовались идеей использования двигателя внутреннего сгорания для построения мотодрезин, первый из которых мощностью 4 л.с. был построен Готлибом Даймлером в 1888 г. в Штутгарте.
В результате внедрения двигателя внутреннего сгорания на железнодорожном транспорте начало формироваться новое направление – тепловозостроение. Уже в начале ХХ в. начинается строительство тепловозов с электрической системой передачи крутящего момента от вала двигателя внутреннего сгорания подвижным осям локомотива. В 1909 г. на Коломенском заводе разработали проект тепловоза с электрической передачей, использовав разработки инженеров Кузнецова и Одинцова. Энергетическая установка состояла из двух трехцилиндровых дизелей общей мощностью 1000 л.с., которые приводили в движение один генератор. Ток подавался к четырем электродвигателям тепловоза.
Развитие железнодорожного транспорта сделало актуальным решение проблемы строительства мостов, которая заключалась в увеличении их проезжей части, возрастании веса локомотивов и скорости движения поездов. Это заставило инженеров заняться разработкой научно обоснованного расчета конструирования мостов, а также принципиально новых методов их строительства.
Одним из направлений ускоренного строительства мостов было создание сборно-разборных конструкций в мостостроении. Наиболее совершенными оказались решения строителя парижской башни, инженера Гюстава Ейфеля, который использовал ферму с треугольной решеткой. Однако инженер Евгений Патон разработал более легкую, дешевую двухрешетчатую конструкцию. По сравнению с фермой Эйфеля она давала экономию на количество основных компонентов в 2,3 раза, на малых соединительных частях в 7,2 раза, на болтах – 25%. Вес конструкции, предложенной Патоном, составлял 52% от конструкции Эйфеля.
Развитие железнодорожного, водного и городского транспорта привело к необходимости строительства тоннелей. По назначению их можно разделить на три основные группы: железнодорожные, судоходные, метрополитен. Первый тоннель был построен в Англии в 1830 г. на железнодорожной линии Ливерпуль – Манчестер. В последней четверти XIX в. в швейцарских Альпах был сооружен Сен-Готардский тоннель длиной 14894 м. Во время его строительства приходилось преодолевать значительные технические трудности: откачку грунтовых вод, вентиляцию, высокую температуру.
Урбанизация конца XIX в. выявила еще одну большую проблему городов – развитие транспорта, которая в значительной мере была решена путем строительства метрополитена. В 1863 г. в Лондоне была построена первая подземная дорога длиной 3,6 км, которая обслуживалась специальными паровозами. На европейском континенте первое метро появилось в 1896 г. в Будапеште, в 1900 г. – в Париже, в 1902 г. – в Берлине. С развитием электротранспорта состоялось техническое переоснащение метрополитена. К 1905 г. электрическая тяга полностью вытеснила паровую на подземных дорогах.
Как и в железнодорожном транспорте, в последней четверти XIX в. паровой двигатель для морских судов исчерпал возможности совершенствования. Дальнейшее развитие морского флота зависело от принципиально новых видов двигателей, новых движителей, совершенствования судовых винтов и форм корпуса кораблей. Установка на кораблях мощных турбин привела к изменениям во всей системе «двигатель – движитель – корабль». Увеличение скорости вращения винта требовало перестройки форм движителя, а изменения формы винта в совокупности с возрастанием скорости его вращения вызвали рост скорости судна, что привело к существенной модернизации всей конструкции кораблей.
Реализацией проблемы использования турбины как двигателя в 1884 г. занялся инженер Чарльз Парсонс. Ему пришлось преодолевать появление эффекта кавитации (разрушение винта при увеличении скорости вращения). Только в 1897 г., после внедрения винтов новых форм проблема была решена. 44-тонная Turbinia, построенная Парсонсом, развивала скорость 34,5 узла. В начале ХХ в. турбины распространились на скоростных, особенно военных судах.
Параллельно с внедрением турбин в качестве корабельных двигателей началось использование дизельных двигателей на флоте. Малые габариты, низкий расход топлива, уменьшение количества обслуживающего персонала, отсутствие дыма говорили в пользу двигателя внутреннего сгорания. Проблема их широкого использования заключалась в создании реверса. Окончательно эта задача была решена в 1908 г. с построением реверсивного четырехтактного дизеля на петербургском заводе Л.Нобеля. Такими двигателями мощностью 120 л.с. были оснащены подводная лодка «Минога», канонерские лодки «Карс» и «Ардаган».
Успехи эксплуатации дизельных двигателей на небольших судах привели к строительству больших морских кораблей с такими двигателями. Первым был построен теплоход «Дело» грузоподъемностью 5 тыс. тонн, оснащенный двумя дизелями мощностью 1 тыс. л.с., что позволяло ему развивать скорость 9,5 узлов. Всего к 1913 г. во всех странах в эксплуатации находилось 80 теплоходов.
В начале ХХ в. произошли значительные сдвиги в проектировании корпусов кораблей. Совершенствовалась не только форма судна, но и внедрялись важные конструктивные элементы, обеспечивающие безопасность кораблей. Адмирал Степан Макаров предложил разделять судно на ряд отсеков водонепроницаемыми переборками. При повреждении обшивки корабля и затоплении отсека с одной стороны противоположный отсек также мог быть заполнен водой, что позволяло избежать крена и дифферента корабля. Работы в этом направлении в 1902 г. завершил академик Александр Крылов, который разработал таблицы непотопляемости корабля. Он создал также теорию использования гироскопов для успокоения качки судна.
В конце XIX в. с участием С. Макарова был построен ледокол «Ермак» (мощность двигателей 9,4 тыс. л.с.). С него, а также с вступивших в строй в 1909 г. ледоколов «Таймыр» и «Вайгач» началось освоение Северного ледовитого океана.
На судоходство и структуру морского флота в целом существенное влияние оказало строительство каналов между морями, океанами и проливами. В 1869 г. был открыт Суэцкий канал, который соединил Средиземное и Красное моря (длина 173 км). Важное экономическое и военно-стратегическое значение имел открытый в 1914 г. Панамский канал, соединивший Атлантический и Тихий океаны. Его общая длина составила 81,6 км. Водоразделительный участок находится на высоте 25,9 м над уровнем океана. Суда поднимаются на эту высоту при помощи шести шлюзов. Каналы существенно повлияли на процесс сокращения парусного флота, поскольку маневр судов в таких условиях был очень сложным.
В начале ХХ в. значительно расширилась техническая база строительной отрасли в связи с использованием новых материалов. Среди них наибольший удельный вес принадлежал металлам и сплавам, что давало возможность создавать разнообразные строительные сооружения, конструировать для них новые механизмы. Значительное распространение в это время получили сталь, цемент и железобетон.
Строительство портовых сооружений из бетона, которое стимулировалось быстрым развитием морской торговли, выявило существенный недостаток этого материала – медленное увеличение его эксплуатационной прочности. В 1908 г. американский инженер Г.С. Шпекман и француз М. Бид создали новый цемент, получивший название глиноземного. Его использование позволило достигать эксплуатационной прочности сооружений менее чем за сутки.
В строительной технике постепенно начинает распространяться железобетон. Его изобретателем был француз Жозеф Монье, который в 1873 г. получил патент на сооружение мостов из этого материала. Через два года он построил пешеходный мост длиной 16 м и шириной 4 м. Первые промышленные мосты появились в 1887 г. в Германии и Австро-Венгрии. За последующие 12 лет было построено 320 таких сооружений.
Большое значение в развитии железобетонного строительства сыграла военная фортификация. Прочность армированного бетона в 4 раза превышала неармированный. Значительный интерес к использованию железобетона заключался в его высокой огнестойкости по сравнению с конструкциями, созданными из металла, которые теряли сопротивление растяжению на 50% при нагревании до 500°С. Железобетонные сооружения при таких и более высоких температурах не теряли своих свойств. Они были также почти лишены воздействия коррозии.
Урбанизация и постоянное увеличения цены на землю в городах делали необходимым повышение высотности зданий. К середине 1880-х гг. существовала практика строительства домов максимум в 6 этажей (толщина стен составляла 1/6 их высоты). Рост веса стены требовал уменьшения размеров окон. Американский инженер Уильям Ле Барон Дженни сумел разгрузить массу стены при помощи металлических стоек, проходивших внутри строения через всю его высоту. В 1890 г. его соотечественник Луис Генри Салливен разрезал стену на поверхностные пояса, превратив ее таким образом в каркасную металлическую этажерку. Это позволило уже накануне Первой мировой войны превысить 40-этажный рубеж.
Военная техника в годы Первой мировой войны. Особенностью развития технических наук накануне мировой войны была их нацеленность на создание новых видов вооружения и военной техники. Военно-политические круги ведущих стран мира основной упор делали на милитаризацию промышленности и вооружения своих армий современной военной техникой. Ее прогресс в этот период базировался на достижениях естественных и технических наук, и он имел свои особенности. С одной стороны, военное дело, которое превратилось в отдельную отрасль промышленности, не могло развиваться без науки, без специальных теоретических научных исследований. Естественные науки широко использовались для разработки принципиально новых технических устройств военного назначения. Более того, ряд образцов военной техники вообще невозможно было создать без предварительных научных исследований.
С другой стороны, необходимость решения новых научных проблем в различных областях военного дела была важной предпосылкой для проведения специализированных теоретических и экспериментальных исследований и тем самым стимулировала форсированное развитие уже существующих и зарождение новых технических наук, а также для возникновения новых направлений исследований в фундаментальных науках. Например, переход к нарезному оружию, бездымному пороху, развитие работ по внутренней баллистике стимулировали успехи физико-химических наук и термодинамики.
В 1870-х гг. во многих странах мира на вооружение были приняты магазинные винтовки. Но их боевые качества терялись из-за применения в патронах дымного пороха. В 1884 г. французский ученый Поль Вьель смог изготовить бездымный пироксилиновый порох. Это открытие сделало изобретенный за год до этого американским инженером Хайремом Максимом станковый пулемет с водяным охлаждением ствола грозным оружием. Пулемет был принят на вооружение во многих армиях мира. В частности, в Германии это – «Maxim-Nordenfelt» (его дальнейшее развитие – MG 08).
В России, независимо от Вьеля, бездымный порох изобрел Дмитрий Менделеев, вместе с Л. Федотовым и И. Чельцовым, получивший название пироколоидного. С 1891 г. начался его промышленный выпуск. В том же году на вооружение армии была принята трехлинейная магазинная винтовка конструкции капитана Сергея Мосина под патрон калибра 7,62 мм. Выдержав несколько модернизаций, она находилась на вооружении около 60 лет.
К началу ХХ в. во всех промышленно развитых странах было налажено производство бездымного пороха. Это дало возможность перейти к модернизации уже принятых на вооружение образцов стрелкового оружия и к созданию новых. Так, в армиях стран Антанты был принят на вооружение легкий (ручной) пулемет конструкции Льюиса.
К началу войны во многих странах были созданы несколько типов автоматических винтовок. Однако их внедрение не было осуществлено ни одним из государств, главным образом, из-за финансовых соображений. Автоматические винтовки появились в войсках лишь в конце войны. Так, русский конструктор Владимир Федоров в 1916 г. создал тип оружия, которое впоследствии получило название автомат (штурмовая винтовка). В Германии в 1918 г. было выпущено около 10 тыс. автоматов МР-18, созданных под 9-мм пистолетный патрон.
Постоянно совершенствовалось оружие пехоты ближнего боя: были созданы гранаты разных типов, гранатометы, минометы. К 1914 г. только немецкая армия имела на вооружении минометы в достаточном количестве, а все другие страны увеличивали их выпуск уже во время войны.
Артиллерия к началу ХХ в. составляла во всех армиях мира самый мощный род войск, что было связано с принятием на вооружение современных артиллерийских систем и применением новых взрывчатых веществ. В 1887 г. французский химик Эжен Тюрпен открыл мелинит – взрывчатое вещество, которое получали на основе пикриновой кислоты. Основным сырьем для производства взрывчатых веществ были азотистые соединения – нитраты, которые производились в европейских странах из ввозимой из Чили селитры или побочных продуктов коксохимических заводов.
Накануне Первой мировой войны конструкторы создавали новые артсистемы и совершенствовали уже существующие. Основное внимание уделялось точности, дальности и скорострельности стрельбы, а также надежности артиллерии и удобству транспортировки. Так, в русской армии на вооружение были приняты 42-линейная тяжелая и 3-дюймовая (76,2-мм) полевая пушка образца 1902 г. С 1906 г. она выпускалась с панорамным дуговым прицелом и щитовым прикрытием. Австро-Венгрия во время боев в Карпатах в годы войны применяла 9-см пушки М 75-96 и 7-см горные – М-9. На всех фронтах в 1914–1918 гг. использовались гаубицы и мортиры, которые были способны вести навесной огонь и поражать врага за обратными скатами высот, разрушать инженерные сооружения на поле боя. Прежде всего, следует выделить германскую тяжелую 15-см гаубицу и австро-венгерскую 30,5-см мортиру.
В годы войны артиллерия вела огонь на расстояниях 18–22 км, а специальные дальнобойные орудия – до 39 км. К началу 1918 г. в Германии было создано 6 пушек «Kolossal», стволы которых имели длину 34 м. Они устанавливались на специальных бетонных платформах и весили около 750 т. Из них немцы обстреливали Париж с расстояния в 120 км.
Применение на поле боя в массовых масштабах тяжелой артиллерии требовало механической тяги – гусеничных и колесных тракторов. Сверхтяжелые артсистемы перевозились на специальных железнодорожных платформах.
Появление военной авиации привело к созданию зенитной артиллерии. Так, в России в 1914 г. была принята на вооружение 76,2-мм зенитная пушка с клиновым полуавтоматическим затвором конструкции Ф. Лендера. Всего же в армиях воюющих стран количество артиллерийских систем всех типов выросло с 20 тыс. в 1914 г. до 85 тыс. в 1918 г.
В войне 1914–1918 гг. было применено новое оружие – химическое. Первыми боевыми отравляющими веществами были хлор, хлорпикрин, фосген, иприт. 22 апреля 1915 г. около г. Ипр немецкое командование на фронте 6 км приказало выпустить 180 т хлора. За 5 мин. газовой атаки из строя было выведено 15 тыс. французских и английских солдат и офицеров, из них 5 тыс. погибли. Автором немецкого химического оружия был Фриц Габер. В том же году русский химик Николай Зелинский создал противогаз. Вскоре противогазы различных конструкций были приняты как средство защиты в армиях всех воюющих государств.
Во время Первой мировой войны было применено более 50 токсичных соединений. Всего за 1915–1918 гг. армии всех стран использовали более 125 тыс. т отравляющих веществ, общие потери от применения которых составили около 1 млн. человек.
На начало мировой войны авиация выполняла вспомогательные разведывательные функции. К 1914 г. в армиях всех стран насчитывалось около 600 самолетов в строю и 1000 в запасе. Их качество было низким, они не были вооружены. Но уже в ходе войны авиация начала довольно быстро совершенствоваться. К лету 1915 г. сформировались три ее основных вида: наряду с разведывательной появились истребительная и бомбардировочная.
Французские и английские инженеры летом 1915 г. начали устанавливать на самолеты пулеметы. Осенью того же года в Германии был построен одноместный истребитель-моноплан Fokker с двигателем мощность 80 л.с. и специальным синхронизирующим устройством, которое позволило вести огонь через винт. В ответ союзники создали Nieuport – одноместный истребитель-биплан с синхронизированным пулеметом Льюиса.
В ходе войны прогресс истребительной авиации был очень быстрым. Уже к 1918 г. англичане создали Bristol F.2 Fighter, S-5, французы – SPAD S.XIII, вооруженные несколькими синхронизированными пулеметами каждый, на что немецкие конструкторы ответили, создав Albatros D.I и Helberstadt D.II. Мощность двигателей этих самолетов составляла уже 220–300 л.с., скорость достигала 190–220 км/ч, а высота полета превышала 7 тыс. метров. Во время войны истребители сбили 85% всех самолетов и дирижаблей, а зенитная артиллерия – 15%. Наряду с массовыми воздушными операциями целых эскадрилий истребителей распространилась практика индивидуальных рейдов лучших пилотов-асов.
Наряду с истребительной авиацией быстро развивалась и бомбардировочная. Большой вклад в ее создание сделал выпускник КПИ Игорь Сикорский. Он начал свои исследования с изучения проблем несущего винта будучи еще студентом, которые продолжил затем в США. Но накануне Первой мировой войны Сикорский сосредоточился на создании многомоторных самолетов. Сконструированный им в 1913 г. самолет «Гранд» стал прототипом 5-тонного бомбардировщика «Ильи Муромца», над созданием которого трудился возглавляемый И. Сикорским авиационный отдел завода «Руссо-Балт» в Петербурге, в котором работали конструкторы К. Эргант, М. Климикеев, В. Панасюк, князь А. Кудашев, Г. Адлер и др. Самолеты первых серий А и Б снаряжались четырьмя 140-сильными двигателями Argus немецкого производства. 16–17 июня 1914 г. второй самолет серии Б, пилотируемый Сикорским, совершил перелет из Петербурга в Киев с одной посадкой. В честь этого события вся серия получила название «Киевской».
Союзники пошли тем же путем в развитии бомбардировочной авиации – начали создавать многомоторные самолеты специальной постройки. Так, во Франции был принят на вооружение двухмоторный FarmanF-50 с двигателями мощностью 440 л.с. и скоростью 146 км/час.
В 1914 г. в Германии было подготовлено несколько эскадрилий жестких (системы Цеппелина и Шотт-Ланца) и мягких (системы Парсеваля) дирижаблей. Немецкое командование тщательно скрывало технологию изготовления дюралюминия – основного материала, из которого были сделаны каркасы жестких дирижаблей. Во время войны Германия использовала в боевых действиях 123 дирижабля. Объем крупнейших из них составлял 68,5 тыс. м3. Они совершили около 800 вылетов. Самым массированным среди них был налет на Лондон 12 цеппелинов 2 сентября 1916 г.
Не имея технических возможностей для постройки дирижаблей, союзники искали способы борьбы с ними. В 1916 г. изобретатель Бакенгем создал фосфорную зажигательную пулю, а майор Брок – разрывную. Очереди британских и французских истребителей, сделанные такими пулями, пробивали жесткую оболочку цеппелинов и поджигали водород, которым она была наполнена. В конце войны большая часть немецких дирижаблей была уничтожена истребителями, зенитным огнем или бомбардировщиками союзников прямо в эллингах.
Во время Первой мировой войны появились танки – бронированные, вооруженные пушками и пулеметами боевые машины. Проекты боевых сухопутных машин разрабатывались в разных странах накануне войны: в 1903 г. капитаном французской армии Левассаром; в 1911 г. русским инженером В. Менделеевим (сыном известного ученого); в 1912 г. лейтенантом австро-венгерской армии Бурштыном. Но все они были отклонены. Только в Великобритании в 1914 г. идея «сухопутного крейсера» встретила поддержку Первого лорда Адмиралтейства Уинстона Черчилля. По его настоянию военное министерство выделило 70 тыс. ф.ст. на изготовление 18 опытных образцов, проекты которых были созданы полковником Эрнстом Суинтоном и независимо от него инженерами Уильямом Триттоном и Уолтером Уилсоном. С целью сохранения секретности было принято кодовое название «tank» (англ. «цистерна»). Это ввело германский генеральный штаб в заблуждение. Он отверг все сообщения своих разведчиков о новой военной технике как британскую дезинформацию. Все изменилось после 15 сентября 1916 г., когда союзное командование впервые применило 32 танка в битве на р. Сомме во Франции. Несмотря на то, что непосредственно в бою участвовали только 18 машин, а остальные вышли из строя по техническим причинам, военным специалистам уже было совершенно ясно, что танки теперь будут доминировать на поле боя.
Битва у г. Камбре 20 ноября 1917 г. показала, на что способны бронированные машины. Союзники бросили в атаку 378 танков. Они прорвали укрепленные позиции немецкой армии и продвинулись в глубину ее обороны на 8 км. Было захвачено 8 тыс. пленных и 100 орудий.
Британский тяжелый танк Mark I весили около 30 т и развивал скорость 5 км/час. Следующие модификации (особенно М-5), а также Mk A «Whippet» имели мощные двигатели и улучшенную ходовую часть, прочную броню. Во Франции пошли по пути создания легких 7-тонных танков Renault со скоростью 8 км/час и средних (весом свыше 10 т) Saint Chamond, Schneider CA1. Несколько десятков немецких А-7-V, появившихся под конец войны, хотя и имели надежные двигатели, но были недостаточно бронированы и вооружены и не могли существенно повлиять на ход событий на Западном фронте.
В время войны армии всех воюющих стран широко использовали бронированные автомобили (броневики), созданные как на базе серийных автомобилей, так и специально сконструированные. Кроме того, автомобили начали применять как средство быстрой перевозки войск на поле боя (парижские такси в битве на р. Марне 6–9 сентября 1914 г.).
Подготовка к мировой войне странами-участницами военных блоков оказала большое влияние на развитие военных флотов. Успехи металлургической и металлообрабатывающей промышленности, судостроения, появление паровых турбин позволили перейти к созданию новых и модернизации уже существующих типов кораблей. Появление в 1892 г. броневых плит, легированных никелем, освоение в 1894 г. способа изготовления цементированной односторонне закаленной брони с хромоникелемолибденовой стали и мощных паровых турбин позволило создать качественно новые типы кораблей – линкоры (главные в серии Dreadnought, Великобритания, «Севастополь», Россия); линейные крейсеры (Invincible, Великобритания); эскадренные миноносцы («Новик», Россия; «S», Германия). Крейсеры, несколько уступая линкорам в мощности вооружения, но значительно превосходили их в скорости (свыше 32 узлов). Эсминцы типа «Новик» развивали скорость 37 узлов (более 60 км/час) и были вооружены 533-мм торпедными аппаратами и четырьмя 100-мм универсальными пушками.
Особое место среди технических средств военно-морского флота занимали подводные лодки. К началу ХХ в. их строительство находилось в экспериментальной стадии и только после русско-японской войны они стали поступать на вооружение флотов Германии, Англии, Италии, России, Австро-Венгрии и США. По проекту инженера Ивана Бубнова в 1912 г. были созданы подводные лодки «Барс» с дизельным двигателем (водоизмещением 650/750 т).
Начав мировую войну с 30 подводными лодками, Германия до ноября 1918 г. построила еще 300. Они потопили 5408 судов союзников и нейтральных стран общим тоннажем 19,4 млн. т. В ответ в странах Антанты были созданы специальные противолодочные бомбы и сети, мины заграждения, артиллерийские снаряды. После капитуляции Германия передала союзникам 138 лодок, которые остались в строю.
В ходе Первой мировой войны подводные лодки показали себя мощным средством борьбы на морских коммуникациях (73% общего потопленного тоннажа). В частности, в Германии появились подводные лодки водоизмещением до 2,5 тыс. т, скоростью 18/10 узлов, вооруженные восемью 533-мм торпедными аппаратами, с дальностью автономного плавания до 5 тыс. миль. В общем, состав военных флотов воюющих стран насчитывал все классы современных боевых кораблей, включая авианосцы, которые появились в конце Первой мировой войны.
На рубеже ХIХ–ХХ вв. бурное развитие электроэнергетики, металлургии, машиностроения, химической промышленности, транспорта привело к качественно новому этапу развития человечества. Но социальные и экономические проблемы, которые накопились в течение предыдущих десятилетий, способствовали тому, что достижения науки и техники были направлены не на улучшение жизни людей, а использовались прежде всего в производстве вооружений.
Вопросы для самоконтроля
1. Почему на рубеже ХIХ–ХХ вв. значительно возросло производство и использование цветных металлов?
2. С чем связано внедрение в производство новых химических технологий в последние десятилетия XIX в.?
3. Какие технические изобретения привели к изменениям в строительном деле?
4. Какие изменения произошли в развитии морского транспорта в начале ХХ в.?
5. Какие основные технические изобретения были вызваны военными потребностями?
Основные понятия
Искусственные синтетические материалы начали изготавливать из низкомолекулярных веществ (фенолэтилен, этанол), которые получали при переработке нефти и каменного угля.
Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором решил задачу промышленного использования электроэнергии.
