ТЕПЛОВОЗ ПОЧТИ НЕ ВИДЕН

Вообще-то история отечественного тепловозостроения началась за шесть лет до начала двадцатого столетия и... за три года до изобретения дизеля. Нет, здесь нет никакой ошибки: первый русский проект тепловоза (или, как его тогда называли, "нефтевоза"), был разработан еще в 1894 году, а рождение дизеля произошло лишь в 1897. На локомотиве Кирпичева предполагалось применить предшественники дизелей - калоризаторные двигатели.

Кирпичев, как многие из изобретателей того времени, пытался связать цилиндры двигателя и ведущие колеса локомотива непосредственно. В таких проектах предполагалось для трогания с места подавать в цилиндры пар или сжатый воздух, а после набора скорости - дизельное топливо. Естественно, что эффективность подобной силовой установки принципиально зависела от диапазона устойчивой работы в дизельном режиме, поэтому одним из первых направлений работ инженеров и ученых стали смелые попытки создать ДВС, который был бы таким же приемистым, как и паровая машина.

Весьма интересный проект в этом плане был выдвинут в 1906 году профессором МВТУ В.И. Гриневецким. В то время это был наиболее талантливый ученый в области дизелестроения, создатель теории двигателей внутреннего сгорания, во многом способствовавший развитию отечественного дизелестроения.
13 октября 1906 года Гриневецким был запатентован двигатель, в котором рабочий цикл осуществлялся последовательно в трех цилиндрах: в одном из них производилось предварительное сжатие воздуха, в другом - сгорание топлива, а в третьем - газы расширялись, производя полезную работу. При испытаниях двигатель показал устойчивую работу при достаточно низком числе оборотов - 120 в минуту.

В 1914-1916 годах профессор Гриневецкий вместе с инженером Ошурковым разработали проекты товарного и пассажирского локомотива с этим двигателем.

Хотя двигатель Гриневецкого все же не позволял полностью решить проблему дизельного локомотива непосредственного действия?поскольку был неспособен самостоятельно развивать момент при нулевой скорости - он мог быть интересен для других отраслей промышленности, где требуется силовые установки с мягкой внешней характеристикой. К сожалению, профессор Гриневецкий скончался в 1919 году и его работа осталась незаконченной.

ПО ПРИНЦИПУ АВТОМОБИЛЯ

Идея разгонять с места состав за счет ограниченного запаса сжатого воздуха или пара имела и другой существенный недостаток. При вынужденных остановках состава на перегоне этот запас мог истощиться, и тогда для вытягивания состава потребовалось бы высылать паровоз, а график движения на участке был бы сорван, что в принципе недопустимо. Это наводило на мысль, что дизель должен запускаться еще на стоянке тепловоза и момент от него должен каким-то образом передаваться на неподвижные колеса. Наиболее изученным в то время видом передачи была механическая.

...Примерно в одно время с Гриневецким, в далеком Ташкенте о создании дизельного локомотива стал задумываться начальник тяги Ташкентской железной дороги Юрий Владимирович Ломоносов. Выходец из дворянской семьи, он успел поучиться в кадетском корпусе... но вскоре оказался в институте путей сообщения. По собственному признанию, пришел к идее дизельной тяги не сразу, и не с точки зрения грядущих топливных кризисов; основным недостатком паровой тяги, с которым ему пришлось столкнуться, в первую очередь была огромная потребность паровоза в воде, причем в воде "мягкой", что в условиях Ташкенской дороги было весьма тяжелой проблемой.

В 1909 году Ломоносов начал заниматься разработкой проекта тепловоза вместе с инженером, А.И. Липецем и техником Тутышкиным, но довести свои задумки до конкретного воплощения в то время не смог - в 1910 году его переводят на Николаевскую дорогу в Петербург, а затем назначают помощником начальника Управления тяги всех русских дорог. Над проектом продолжает работать Липец и завершает его уже в Оренбурге. Для обеспечения пуска дизеля при нулевой скорости локомотива в проекте была предусмотрена "пневматическая сцепка" - фрикционная передача со скольжением. Макетный образец "пневматической сцепки" был испытан на паровозе.

Именно по этому пути в те годы пошло развитие автомобилестроения. Попытки применить готовые агрегаты автомобилей на железнодорожном подвижном составе в принципе увенчались успехом. Так, в 1912 году Мытищинским заводом был начат серийный выпуск маломощных автомотрис (см.рис.). Легкие вагоны удавалось двигать с помощью ДВС и механической передачи без принципиальных трудностей и проблема первоначально виделась только в том, чтобы создать достаточно мощную и надежную передачу для тяги целого состава.

Дальнейшим развитием этой идеи был разработанный в 1913 году Е.Е. Лонткевичем проект магистрального тепловоза с трехскоростной механической передачей (рис. слева). Тепловоз малой мощности с механической передачей (позднее такие тепловозы называли мотовозами) в 1913 году также проектировался на Коломенском заводе.

СОЮЗ ОГНЯ И МОЛНИИ

Однако к тому времени существовал и другой, более проверенный способ связи дизеля с колесами локомотива - электрическая передача. Уже в самом начале века электропередача для дизеля была применена на отечественных судах - кстати, впервые в мире. Во Франции Гельманом был построен паротурбинный локомотив с электропередачей. Был накоплен существенный опыт эксплуатации электрического привода для тяги электровозов - первые эксперименты с электрической тягой в России проводились еще в 1876 году В.А. Пироцким.
Важным моментом было и то, что при использовании электропередачи появлялась возможность использовать уже освоенные в производстве двигатели, что сокращало сроки доводки и освоения в производстве новых локомотивов.

В 1905 году инженером Н.Г. Кузнецовым и полковником А.И. Одинцовым впервые в мире была завершена работа по созданию поездного тепловоза с электрической передачей и индивидуальными тяговыми электродвигателями (согласно (2), эта работа была начата ими с 90-х годов 19 века). В разработанном ими проекте "автономного электровоза" предполагалось использовать два судовых калоризаторных двигателя мощностью по 180 л.с. каждый, соединенных с трехфазными тяговыми генераторами. Четыре электродвигателя специальной конструкции размещались на двух двухосных тележках. Авторы намечали в дальнейшем разработать проект тепловоза по аналогичной схеме с установкой на нем двигателей общей мощностью до 1000 л.с.

Нетрудно заметить, что компоновка "автономного электровоза" Кузнецова и Одинцова весьма близка современной компоновке односекционных тепловозов. Это тележечный локомотив с двумя кабинами управления в торцах кузова позволяющими обойтись без разворота машины в оборотном депо. Симметричная схема расположения двух силовых агрегатов использовалась на французских локомотивах 60-х годов.

8 декабря 1905 года авторы сделали сообщение о своих проектах на заседании Русского технического общества в Петербурге, которое одобрительно отнеслось к данной разработке. Однако ни одного тепловоза по предложениям Кузнецова и Одинцова построено не было.

Дальнейшее развитие эта компоновка получила в проекте, созданном инженером Коломенского завода Ф.Х. Мейнеке. Это тепловоз с электропередачей, тележечного типа (осевая формула 1-2-1+1-2-1), мощностью 1000 л.с. (согласно (2) - 1600 л.с.). Он разрабатывался с 1909 по 1913 год в составе мощностного ряда тепловозов (!) и по техническому уровню - безо всякого преувеличения - "был впереди планеты всей".
Феликс Мейнеке (Felix Meineke), родившийся. 9 апреля 1877 в Оберланштейне, и скончавшийся 10. июня1955 г. в Берлине, с 1909 по 1914 г. занимал ответственные посты на Коломенском заводе, а в последствии стал советником Ломоносова, когда тот работал над своим тепловозом; но об этом позже.

К великому сожалению, в связи с началом первой мировой войны разработка Коломзавода была остановлена - производственные мощности завода на две трети были загружены изготовлением военно-полевого узкоколейного паровоза тип 86 и аналогичных, а в целом военные заказы к 1916г. заняли в продукции Коломзавода свыше 93%. Как пел Булат Окуджава, "...на германской войне только пушки в цене..."

А ЧТО ЖЕ В ЕВРОПЕ?

В начале 20 столетия машиностроение в Европе находилось на уровне, позволяющем без особых технологических затруднений начать серийный выпуск магистральных тепловозов. В ряде стран - например, в Швейцарии - на дорогах уже внедрялась электрическая тяга. Работу над созданием дизельного локомотива возглавил сам изобретатель нового двигателя - Рудольф Дизель.
По предложению Дизеля постройку опытного образца начал завод братьев Зульцер. Владелец этого завода, вместе с Дизелем и инженером Клозе организовали в Швейцарии "Общество термолокомотивов", которое занималось осуществлением проекта с 1906 по 1912год.

Столь длительный срок разработки был вызван тем, что авторы проекта попытались создать локомотив непосредственного действия, а это требовало создания нового, нестандартного двигателя.
Этот двигатель был напрямую связан с ведущими колесами при помощи шатунной передачи, мощность его достигала 700 л.с. Вспомогательный дизель мощностью 250 л.с. служил для подачи сжатого воздуха при трогании с места.

Построенный экипаж мог передвигаться самостоятельно, однако для тяги поездов оказался принципиально непригоден, и даже породил определенное недоверие к самой идее использования дизелей - и поэтому не стал первым в мире тепловозом, как не стал первым паровозом локомотив Брунтона с "ногами".

"ГИПЕРБОЛОИД" ИНЖЕНЕРА ШЕЛЕСТА

Но вернемся к событиям в России. К тому времени в промышленности, помимо механической трансмиссии и электрического привода, был широко распространен пневматический.
В 1910 году начальником Ташкентской ж.д. В. А. Штукенбергом был разработан проект конверсии паровозов в тепловозы. На тендере паровоза устанавливался дизель - компрессор, откуда сжатый до 12 атмосфер воздух поступал в цилиндры. Конструктивным недостатком проекта было то, что не предусматривалось подогрева сжатого воздуха, поэтому температура его при расширении падала ниже нуля, что должно было приводить к замерзанию конденсата в цилиндрах.
Хотя решение этой проблемы в принципе не вызывало особых трудностей - можно было подогревать сжатый воздух выхлопными газами дизеля - до такого варианта, к сожалению, не додумались. Тепловоз по данной схеме был построен в Германии в тридцатых годах - он хоть и уступал в экономичности дизельным локомотивам с электропередачей, но был вполне работоспособен и пригоден для тяги поездов. Рождение тепловоза не состоялось в 1910 году только из-за отсутствия теоретической базы. Заложить ее основы довелось также нашему соотечественнику, А. Н. Шелесту.

...Студентом МВТУ Алексей Нестерович Шелест стал по нынешним меркам поздно - к тридцати годам. Уже за плечами была солидная трудовая биография, путь от слесаря Конотопских железнодорожных мастерских до начальника технического отдела Люберецкого завода. Студенческая скамья на выбранной специальности также не относилась к числу "не пыльных" мест - в 1910 году, проходя практику на Московско - Киевской железной дороге, работал на паровозе. То, что у Шелеста давно возникали мысли заменить паровую машину на ДВС - не удивительно.
В 1912 году, перед дипломным проектом, Шелест натолкнулся на статью с описанием тепловоза братьев Зульцер. И... решил взять этот тепловоз в качестве темы для диплома. Ну, казалось бы, зачем усложнять жизнь? Взять для диплома паровоз - там есть многолетний опыт конструирования, теория, методики расчета. А здесь еще неизвестно что получится... Шелест рискнул.
И действительно, поначалу расчеты показывали, что дело вроде бы безнадежное. Например, скорость в 75 км/ч тепловоз должен был достичь за 8 минут, проходя при этом путь более 6 километров. Для практической эксплуатации это было недопустимым - паровозы тех лет на малых скоростях развивали силу тяги втрое больше.

Студенты в таких случаях меняют тему. Но Шелест подошел не как студент, а как ученый, для которого негативный результат - путь к открытию. Всесторонний анализ экипажа с дизельным двигателем Зульцер - Клозе - Дизеля показал, что необходимо создать такую передачу между двигателем и колесами, которая изменяла бы силу тяги по закону гиперболы - при этом силовая установка при любой скорости может работать с постоянной мощностью, максимально используя возможности своей конструкции.
Статья Шелеста "Исследование тепловоза "Братьев Зульцер" в Швейцарии", опубликованная в журнале "Вестник Инженеров", стала первой научной работой по этой теме не только у нас в стране, но и во всем мире. И не удивительно, что в 1916 году в МВТУ из министерства народного образования, от попечителя Московского учебного округа пришло распоряжение:
"Поручаю преподавателю училища А.Н. Шелесту руководство специальным проектированием тепловозов в размере 1 годового часа, имеющегося по плану 1916/1917 учебного года, с уплатой соответствующего вознаграждения".
Обратите внимание, что учебный курс по проектированию вводился, когда в мире еще не было НИ ОДНОГО работоспособного тепловоза!

А.Н. Шелест не ограничился чисто теоретическими изысканиями, а решил выразить их в конкретном инженерном решении, в машине, на которую 22 ноября 1913 года получил русский патент, а 13 июля 1914 года - английский.
Изобретение Шелеста объединяло идею Гриневецкого осуществлять рабочий цикл в нескольких последовательных машинах с идеей воздушной передачи Штукенберга. В передаче Шелеста силовая установка передавала энергию "тяговой" поршневой машине или турбине не путем сжатия воздуха в отдельном компрессоре, а за счет энергии собственных выхлопных газов.

Итак, к началу первой мировой войны в России определились все возможные направления поиска. Предыстория кончилась - начиналось рождение тепловоза...