До использования пара

ГИДРОТЕХНИКА XVIII – НАЧАЛА XX ВЕКОВ

За два с половиной столетия нового времени (XVIII, XIX и начало XX века) наука и техника, и в том числе гидротехника, прошли огромный путь развития. В процессе развития гидротехники произошло дальнейшее разделение ее на ряд специальных дисциплин, о которых упоминалось в начале курса. Каждая из дисциплин имеет свою историю, которая детально рассматривается в процессе ее изучения.

Мы здесь рассмотрим некоторые из этих историй.

Водный транспорт

Развитие водного транспорта за эти три века можно условно разделить на два периода:

· до использования парового судоходства – XVIII – начало XIX веков;

· с начала XIX века, когда для движения судов начала использоваться паровая тяга.

До использования пара

В первый период (XVIII – начало XIX веков) движение судов по водным путям происходило примерно так же, как и в предыдущие века. Хотя появились и некоторые особенности. В эпоху, предшествующую паровому судоходству, движение судов могло осуществляться с использованием сил ветра и течения или при помощи живой силы человека и животных. На практике применялись такие способы движения судов:

· самосплав,

· движение на веслах,

· движение под парусами,

· тяга судов людьми или лошадьми.

Наиболее распространенными способами движения судов в речном судоходстве были самосплав и людская или конная тяга судов. Передвижение на веслах применялось на судах небольшого размера, выполнявших преимущественно перевозки людей. Гребные весельные суда, как правило, имели парусное вооружение, которым пользовались при наличии попутного ветра. В качестве гребных судов использовались легкие на ходу струги, ушкуи и т. п. На перевозках грузов весельные гребные суда не получили развития, но в качестве дополнительного средства для ускорения движения судов, следовавших самосплавом, или для местного передвижения в пределах рейда и маневрирования весла применялись во многих случаях.

Парусным вооружением оснащались и крупные грузовые суда. В этом случае в зависимости от конкретных условий применялись различные способы движения: оснащенное парусами судно, двигаясь вниз по реке, использовало как силу течения, так и силу ветра, а при движении вверх при слабом или встречном ветре переходило на людскую тягу. Парусным вооружением продолжали оснащать суда не только до возникновения или в начальном периоде парового судоходства, но и на более поздних этапах его развития.

Однако зависимость от погодных условий была уязвимым местом парусных судов, и плавание под парусами в русском речном судоходстве не стало основным способом движения. Более широко использовался самосплав.

Способ движения судов с использованием течения наряду с общими принципами имел много особенностей, зависящих от характера речного потока. Судно, следующее самосплавом, обычно имело для управления движением длинные рулевые весла – «потеси», или «поносные», устанавливаемые в корме, а на реках с быстрым течением – и в носовой части судна. Кроме того, на судне имелся рысковый якорь, предназначенный для того, чтобы в соответствующих местах сдерживать скорость и частично изменять направление движения судна (он применяется и поныне при сплаве леса в плотах).

Самосплавом суда двигались только днем. На Волге путь от Твери до Рыбинска занимал обычно 6 дней, от Рыбинска до Нижнего Новгорода 8 дней, от Москвы до Нижнего Новгорода по Москве-реке и Оке около 11 дней. Путь от Нижнего Новгорода до Астрахани в среднем занимал месяц, но при неблагоприятных погодных и путевых условиях и более того.

Наиболее типичной формой движения судов самосплавом по течению был, например, сплав в белянах, которые строились на притоках Волги, главным образом на Ветлуге, загружались лесными материалами на местах постройки и группами по 5 – 10 судов сплавлялись на Волгу. На каждой беляне было занято 300 – 400 рабочих, которым зачастую приходилось трудиться с большим напряжением, направляя судно по фарватеру тяжелыми потесями и длинными шестами. Рабочих набирали в зависимости от длины судна. При сплаве по притокам полагался один человек на метр длины беляны, а при выходе на Волгу – один человек на два метра плюс пять человек независимо от длины. Таким образом, на беляне длиной 80 м работали 45 чел. По выходе на Волгу, например с Ветлуги в Козьмодемьянск, происходила замена судовых рабочих. Ветлужане возвращались, а вместо них нанимались волжские бурлаки.

Своеобразно и в то же время характерно был организован сплав по реке Цне (приток Мокши, впадающей в Оку) – извилистой равнинной реке. По ней сплавлялись караваны с хлебом, ежегодно до 800 – 900 мокшан. В путь весь караван отправлялся сразу после ледохода. Суда следовали одно за другим, в порядке очереди, причем обгон разрешался только мелким судам. Извилистая и неширокая Цна могла пропустить такой караван только при строгом соблюдении порядка движения. В случае аварии на аварийном судне поднимался черный флаг, весь караван останавливался, и на помощь потерпевшему судну спешили рабочие со всех других судов. При этом такая помощь оказывалась бесплатно. Движение при слабом течении на Цне проходило медленно. Переход от Моршанска до устья Цны (около 190 км) занимал от 8 до 12 суток. По Мокше (50 км) суда следовали 5 – 8, а по Оке до Нижнего Новгорода (около 340 км) – 10 – 15 суток. По прибытии в Нижний Новгород происходило перевооружение судов. Все сплавные снасти и вооружение сдавались на склад и вместо них устанавливались мачты или другая оснастка в зависимости от дальнейшего способа движения. Здесь же нанимали дополнительных бурлаков, и на Рыбинск каждое судно выходило уже в отдельности. Этот переход занимал 25 – 30, а при плохой погоде и до 40 дней. Весь рейс от Моршанска до Рыбинска (около 1050 км) выполнялся в среднем за 55 – 60 суток. Разгруженные в Рыбинске мокшаны отправлялись обратно. В Нижнем Новгороде они частично загружались грузом, снова меняли вооружение для следования по Оке и уже конной тягой поднимались на Цну.

Свои особенности имел сплав уральских караванов по реке Чусовой. Беря начало с отрогов Урала, Чусовая в верхнем своем течении пробивается среди высоких скалистых гор. На этом участке скалистые берега, возвышаясь над водой на 100 – 140 м, иногда шатром нависают над рекой, образуя своеобразные каменные тоннели. Скорость течения Чусовой весной даже при средних горизонтах воды составляет около 7 – 8 км/ч, при высоких увеличивается до 10 и более, а в отдельных порожистых местах груженые суда идут со скоростью 15 – 20 км/ч. Особую опасность представляют выдвинувшиеся от берегов в самый стрежень реки отдельные скалы, имеющие местное название «бойцов», которых на горном участке Чусовой протяженностью 420 км насчитывалось тогда около сотни. Вывоз продукции уральских заводов, расположенных по берегам Чусовой, происходил весной, когда подъем воды позволял груженым судам выходить на Каму. В межень судоходство по реке осложнялось чрезвычайно и имело только местный характер. Движение по Чусовой с ее сложными путевыми условиями было трудным и опасным. Ни один весенний сплав не проходил без аварий и несчастий. В отдельные годы потери были очень велики. Так, в 1872 году из 597 судов были разбиты 22 и сели на мель 129, а в 1873 году из 600 вышедших судов 64 разбились и 37 сели на мель. С судами гибли и люди, потери которых иногда достигали 100 человек за навигацию.

Определенные особенности имел сплав судов и по другим рекам. Они определялись путевыми условиями и характером течения, но общие черты этого способа движения судов были одинаковы. Трудность при плавании вниз по течению заключалась в том, что реки находились в естественном состоянии и препятствия на судовом ходу, конечно, затрудняли судоходство.

При всех трудностях сплавного судоходства вниз по течению это был все же более легкий способ движения судов, несравненно более трудоемкой была доставка грузов вверх, против течения. Суда в этом случае могли продвигаться на веслах, при помощи парусов или бурлацкой тяги.

Например, во Франции применялась людская тяга и конная тяга с подставами. При использовании людской тяги на малых реках судно тянули два человека, идущих по разным берегам реки. При этом судно двигалось по оси судового хода, и не было необходимости в рулевом управлении, что снижало стоимость судов и перевозок. Скорость движения при этом составляла 8 – 10 км в сутки.

При использовании конной тяги с подставами вдоль водного пути располагались станции для смены лошадей. Это позволяло установить более высокую скорость движения судов – до 20 км в сутки. На судах при этом поправляли движение с помощью шестов.

В порожистых местах для прохода трудных участков использовали туеры. Туер – это судно, двигающееся вдоль цепи, закрепленной на берегу или на дне реки выше опасного места, пропущенной мимо порога и закрепленной в нижнем течении. Буксирное судно брало на прицеп несколько (до 15 – 20) буксируемых судов и, опираясь на цепь, проходило опасный участок.

Туерная тяга была придумана в качестве замены ручной (бурлацкой) или конной тяги, при которой несамоходное судно передвигалось, вытягиваемое людьми или конными упряжками, движущимися по берегу реки.
В процессе использования выяснилось, что туерная тяга удобна только на реках и каналах, имеющих длинное, прямое русло. На реках с извилистым руслом она значительно уступала конной тяге.

Существовало два основных типа туеров – туеры, двигавшиеся вдоль цепи, и туеры, двигавшиеся вдоль троса. Общий принцип действия у них был одинаков (судно движется вдоль цепи или троса, перематывая его), но более детальная конструкция этих двух типов туеров различалась. В начале XX века туерами называли только суда с тросом, суда с цепью называли цепными пароходами. Цепь подхватывается на туере барабаном с горизонтальною осью. Она удерживается на барабане простым трением, и тогда она бывает намотана на него в несколько оборотов. Цепь поднимается из воды впереди движущегося туера, а сзади него, сматываясь с барабана, снова погружается. Цепь подводится к барабану по направляющим роликам или каткам, что содействует поворотливости туера. С этою же целью туеры строятся сравнительно короткими, а именно: длина такого судна превышает ширину не более чем в 6 – 7 раз.

Цепными туерами были суда, работавшие на канале Сен-Кантен.

Для туеров с тросом взамен цепи прокладываются стальные канаты, начальная стоимость которых меньше, чем цепи, но зато эксплуатация обходится дороже. Канат перекидывается через блок, устройство которого должно способствовать образованию достаточного трения между его ободом и канатом. Канатные туеры обыкновенно сидят глубже цепных пароходов и менее поворотливы. Притом длину каната не так легко приспособить к форме русла, так как нельзя канат произвольно удлинять или укорачивать, как это можно сделать с цепью, прибавляя и убавляя звенья.

Туер с караваном барж на Сене (Франция)

Туер канала Кантен. На заднем плане – баржа

Туер с баржами на Мариинской системе (река Шексна). 1909 год

По принципу туера действуют некоторые паромы.

Позднее туеры прежде всего использовались для проводки барж и самоходных судов в районах с сильным течением, которые были непреодолимы для буксиров с гребным винтом или гребными колёсами. В России туера работали на Шексне, на Верхней Волге (от Твери до Рыбинска) и на Свири. В XIX веке на Волге и Шексне работало 14 туеров – пароходов. Для них по дну реки была проложена цепь длиною в 395 км (370 вёрст), от Рыбинска до Твери. Интересно, что именно эта цепь была самой дорогой частью туерного хозяйства: в 1869 году стоимость цепи была оценена в 1 миллион рублей, в то время как суммарная стоимость 14 судов-туеров и остального оборудования была оценена в 700 тысяч рублей. Туеры использовались и на других водных путях России.

Еще один способ движения против течения нами уже описан ранее – это завоз сменных якорей вверх по течению и движение «подачами». При этом канат, прикрепленный к завезенному якорю, выбирали либо вручную, либо с помощью вращающегося устройства, называемого кабестан – это вертикально установленный вал, на который при вращении наматывается канат.

Применение лошадей на тяге судов привело к мысли о возможности использовать их для выбирания каната от завезенного якоря при движении судов «подачами». Попытки вращать ворот или шпиль, на который навивается якорный канат, с помощью лошадей были предприняты еще в XVIII веке. В 1753 году на Нижегородской верфи по моделям и сметам, присланным из Москвы, были построены «два судна с машинами» для перевозки по Волге соли, добываемой из озера Эльтон.

В 1756 году Нижегородской и Казанской верфям было заказано уже 40 таких судов, причем указ Сената от 18 апреля 1757 года предписывал конструкцию этих судов и их грузоподъемность: «чтобы в оных судах грузу было не менее 5000 пудов, и построены б были во всем порядочно и прочно...». Все заказанные суда были построены в течение 1758 – 1766 годов и работали до 70-х годов XVIII века.

Машина, выбиравшая канат на этих судах, приводилась в действие волами, но, видимо, по причине неудачной конструкции широкого применения она не нашла. Во всяком случае, академик И. И. Лепехин, совершивший в 1769 году путешествие по Волге, оставил такую запись: «Тяжелый груз и стремительное течение Волги великих требует издержек, чтобы поднять такое судно вверх, почему тщательные общего добра искатели старались облегчить сие затруднение новым изобретением. Они выдумали махину, состоящую из колеса и вала, в которой ходили быки; но это механическое облегчение вскорости было оставлено, по-видимому, за неудобством».

Работавшие по такому же принципу, но более совершенные машины появились на Каме в 1811 году. Построены они были на Пожвинском заводе уральского промышленника В. А. Всеволожского под руководством служившего там механика Жана Батиста Пуадбара (в русской транскрипции Пуадебарда). Три таких машины были изготовлены и установлены на бархотах – судах, построенных для перевозки соли.

Вышедшие 27 мая 1811 года из Пожвы две коноводки 10 июля прибыли в Нижний Новгород, опередив другие суда, ведомые бурлаками, которые покинули Пожву пятью днями раньше. Скорость коноводок на Волге достигала 20 верст в сутки, то есть они двигались в два раза быстрее, чем суда за бечевой.

Конструктивно коноводная машина, построенная на Пожвинском заводе, состояла из вертикального деревянного вала с четырехаршинным барабаном (шкивом) для выбирания завезенного якорного каната на верхнем конце и восемью врезанными в него рычагами («вымбовками»), расположенными под палубой, для запряжки лошадей. На шкиве для удержания выбираемого из воды якорного каната были устроены особой конструкции зажимные храпы («собаки»), исключавшие проскальзывание каната на барабане, а для освобождения каната – специальная скамья (кулачки).

В 1816 году крепостной графа Шереметева, крестьянин села Кадницы Нижегородской губернии Михаил Сутырин построил коноводную машину своей, более простой конструкции, выгодно отличавшуюся от машины Пуадбара и более удобную в эксплуатации. Машины этого типа получили широкое распространение в практике речного судоходства.

Основное отличие машины Сутырина от машины Пуадбара заключалось в том, что здесь лошади, оставаясь на одном месте, вращали круглую платформу, которая приводила в действие шпиль. В машине Пуадбара лошади ходили по кругу, вращая шпиль. Круговое движение крайне утомляло их, животные слепли.

Успешное применение коноводных машин на Волге и Каме дало толчок к их дальнейшему совершенствованию и созданию новых конструкций. Коноводные машины стали водить составы общей грузоподъемностью до 2,5 тысяч тонн, а их последние типы – до 6 – 7, а иногда и 8 тысяч тонн. Число одновременно работающих лошадей на волжских коноводках колебалось от 40 до 60. При смене их через 3 – 4 часа на судне находилось 100 – 120 лошадей, а порой и до 200. Работало также 50 – 60 бурлаков.

В 1816 году количество коноводных судов на Волге составляло 36, в 1846 году их было двести.

На других реках коноводные суда не получили такого распространения, как на Волге и Каме. В Сибири два коноводных судна использовались на Оби и Иртыше. Они использовались до 1854 – 55 года, пока их не заменили пароходами.

Основными преимуществами коноводок были: большое количество доставлявшихся грузов; более высокая, чем за бечевой, скорость движения, которая составляла от 20 до 30 км в сутки; сокращение числа рабочих в 5 – 6 раз; снижалась и стоимость доставки грузов. Существенный недостаток коноводок заключался в их крайне низкой маневренности, особенно с крупными составами, насчитывавшими по 15 и даже 20 судов. Такому каравану трудно было разойтись со встречными судами. В случае же посадки на мель река становилась непроходимой на продолжительное время, что очень мешало развитию судоходства. Отчасти поэтому, а главным образом в результате появления паровых машин, достигших к 40-м годам XIX века широкого распространения, коноводные машины (на Волге их было до 200) стали вытесняться паровыми судами, а вскоре и вообще прекратили свое существование. Конно-машинный привод, просуществовавший полстолетия, отступил перед более совершенными машинами; в судоходстве наступал век пара.

Говоря о машинах, создававшихся для «взводной» (то есть против течения) буксировки судов, нельзя не упомянуть об изобретенном И. П. Кулибиным первом в России самоходном судне. Известно оно как «водоходное», потому что приводилось в движение течением реки, вращавшей бортовые колеса. Схема движения судна была такова: оно становилось носом против течения, под действием силы течения колеса приходили в движение, вместе с ними вращался вал, покоящийся на подшипниках, расположенных по бортам судна и вращавший посредством зубчатой передачи другой вал. Вращение последнего приводило в действие барабаны, на которые выбирался канат, пропущенный через ролики от завезенного вперед якоря. Судно двигалось против течения до тех пор, пока весь завезенный канат не выбирался на него. В это время завозился второй якорь с канатом, и операция повторялась. Судно шло «подачами» так же, как коноводные машины.

Первое такое судно было испытано на Неве в 1782 году. Оно двигалось против течения, обгоняя гребные суда. Второе судно, построенное в Нижнем Новгороде, прошло официальное испытание 27 сентября 1804 года. С грузом 8500 пудов оно за час прошло 409 саженей против течения, то есть за обычный в то время 16-ти часовой рабочий день в аналогичных условиях такое судно могло пройти до 13 верст (на завозном якоре с помощью бурлаков за сутки суда делали против течения до 10 – 15 верст). По расчетам Кулибина, его судно могло проходить до 20 верст в сутки при уменьшенном на треть количестве работников. В прошении к царю Кулибин доказывал экономическую целесообразность строительства и эксплуатации изобретенного им судна для перевозки грузов по Волге. Однако Департамент водяных коммуникаций, отметив в своем заключении недостатки предложенного Кулибиным судна (необходимость постоянного присутствия механика; сильное влияние встречных ветров на скорость судна; высокую стоимость изготовления машины; медленный и ненадежный ход), пришел к выводу, что нужды в этом судне не имеет. Никаких попыток устранить недостатки первого самоходного судна предпринято не было.

Появление конно-машинных судов несколько опередило по времени появление пароходов. Поначалу они успешно конкурировали с технически несовершенными первыми пароходами и явились своего рода переходной формой организации судоходства на пути от самосплава и бурлацкой тяги к паровому флоту. В истории речного судоходства их роль была невелика, но все же это был шаг вперед в технике судоходства.