Артилерія як рушій гірничо-металургійних технологій
Раннє Середньовіччя Європейське виробництво міді та заліза в епоху раннього середньовіччя зазнало суттєвого спаду, характерного для загального зменшення товарної продукції порівняно з періодом пізньої античності. Пожвавлення гірничодобувної діяльності спостерігається лише з часів політичного об'єднання германських племен у Франкській Імперії Карла Великого (з 800 р.), а пізніше — у Священній Римській імперії (з 962 р.). Широко знані гірничі укази Оттона I, якого завдяки відкритим на німецьких землях рудним родовищам прозвали Багатим. Залізо залишалося основною сировиною для холодної зброї та сільськогосподарських знарядь, мідь — продуктом для відливання численних церковних дзвонів (деякі з них мали величезні розміри), а також скульптур, прикрас, побутового начиння.
Істотні зміни в структурі споживання виробничих металів, які позначилися на помітному збільшенні видобутку руд і розвитку нових металургійних технологій, були пов'язані з винаходом і розвитком вогнепальної зброї, зокрема артилерії, яка з часом стає головним споживачем бронзи та заліза. Порох, вогнепальна зброя та безпосередньо гармати прийшли в Європу зі Сходу, де їх було створено зусиллями китайських і арабських винахідників.
Певних даних щодо часу отримання пороху немає. Відома версія про винахід пороху в середині I тис. до Р. Х. у Китаї, проте, навіть у разі її достовірності, таємниця виготовлення пороху була швидко втрачена. Першим, хто описав процес виробництва пороху, вважається Вей Боян — китайський алхімік ІІ ст., автор тритомного трактату з алхімії «Цаньтунці» (142 р.). Трактати китайських алхіміків раннього середньовіччя свідчать про наближення до відкриття вибухової суміші на основі сірки, селітри та деревного вугілля.
Найбільш повний опис вибухової речовини міститься у «Безцінних рецептах» алхіміка Сунь Симяо (682 р.). Писемні свідчення застосування пороху у військових діях походять з китайських джерел на межі I та II тисячоліть нашої ери. 1044 р. вийшов трактат Цинь Кунлі «Основи військової справи», що містив рекомендації до застосування пороху.
XI ст У XI ст. в столиці сунського Китаю місті Кайфин було збудовано перший великий арсенал, що виробляв порох, вибухові пакети, запалювальні стріли, а трохи пізніше — чавунні гранати (два спарені чавунні циліндри, начинені порохом і оснащені запалювальним ґнотом), які катапультами закидалися в осаджене місто. Поворотним пунктом у розвитку вогнепальної зброї став винахід збройового ствола, що задавав напрямок руху кулі. Писемні джерела свідчать, що цей винахід було зроблено Чень Гуєм 1132 р. і успішно використано під час захисту міста Деань (нинішній Аньлу в провінції Хубей). Прототип пищалі («хоцян») мав бамбуковий ствол, заряджався порохом і діяв як вогнемет, пізніше в заряд почали додавати дрібну картеч («тухоцян»). Згадка про перші гармати («грім, що здригає небеса») належить до 1232 р. (оборона Кайфиня від військ монгольського хана Хубілая). У другій половині XIII ст. стволи вогнепальної зброї відливали в Китаї з міді та заліза, тобто була створена артилерійська зброя в сучасному розумінні. Успішне виробництво й розповсюдження гармат у Китаї ґрунтувалось на сталих успіхах металургії та гірництва, особливо у сфері технологій заліза. Розробляли як родовища бурих залізняків (круглясті зерна або пласкі диски діаметром 5—10 мм, які черпали з дна озер та боліт), так і корінні поклади залізистих кварцитів у гірських масивах. Поряд із кричним металом китайці ще в середині I тис. до Р. Х. (майже на два тисячоліття раніше за європейців) оволоділи методами отримання й лиття чавуну. Перша згадка про чавун є в літописі «Цзочжуань» у записі, що належить до 513 р. до Р. Х. Там зокрема повідомляється, що чиновник царства Цзинь (сучасна провінція Шансі) на ім'я Чжао Ян за допомогою міхів виплавив чавун і відлив з нього триножник, на якому відобразив приписи карного кодексу. Ще одним технологічним проривом китайських металургів було відкриття в II ст. до Р. Х. технології виробництва сталі з чавуну. Цей працемісткий спосіб дістав назву «сто очищувань». Він полягав у багаторазовому інтенсивному обдуванні повітрям розплавленого чавуну під час його перемішування. Це забезпечувало сполуку вуглецю чавуну й кисню повітря, що приводило до зменшення частки вуглецю в металі й наближення його до властивостей сталі. Про цей винахід згадується в трактаті «Хайнань-цзи» (122 р. до Р. Х.) . Важливий для продукування чавуну винахід повітродуву, що приводився у дію енергією води, був зроблений інженером Ду Ші в 31 р. нашої ери. Опис подібного пристрою зберігся в енциклопедії Ван Чженя «Нун шу» (1313 р.). З рисунка видно, що нижнє колесо, яке оберталося течією води, передавало зусилля на верхнє приводне колесо, що кріпилося на одній осі з першим; ексцентрикова передача приводила в рух систему проміжних важелів, поєднаних з міхами, які подавали дуття в горно.
Використання для дуття гідроенергії суттєво сприяло прогресу металургійного виробництва, оскільки забезпечило можливість збільшення габаритів плавильних печей (зокрема їх висоти) і підвищення температури плавки. Це, своєю чергою, змінило хід металургійного процесу в горні та вможливило виробництво чавуну великими кількостями. Технологія чавунного литва була дуже розвиненою в Китаї, про що свідчать унікальні монументи й пам'ятники. Важливою віхою розвитку металургійного мистецтва стало виробництво гарматних стволів із чавуну зі зменшеним вмістом вуглецю. Характерною особливістю металургійного виробництва були печі малих розмірів, що споруджувались у великих кількостях. Цікаво, що в Китаї та Японії такі печі були поширені майже до самого XX ст.
Ще одним помітним кроком на шляху вдосконалення металургійних процесів було застосування в плавильних печах кам'яного вугілля. Можливість його використання у вигляді палива була відкрита китайцями в епоху Хань (імовірно у II ст. до Р. Х.) . У «Літописі династії Хань» про кам'яне вугілля записано: «Камені, знайдені в області Юйчжанцзюнь (сучасна провінція Цзянсі), можуть слугувати паливом». Вже у II ст. нашої ери викопне вугілля стає в Центральному Китаї загальновідомим типом палива, а з III ст. застосовується для витоплення заліза. Професія вуглекопа стає знаною й шанованою. З епохи раннього середньовіччя дійшов канон «Про води», в якому зокрема відзначається: «У двостах лі на північ від Цюйлі (сучасний повіт Кучар у Синьцзяні) є велика гора. Над нею вогняна заграва вночі й клуби диму вдень. Люди беруть кам'яне вугілля з цієї гори та плавлять його вогнем залізну руду з цієї ж гори. І так на 36 ділянках». Видатний китайський поет Су Ши (XI ст.), який займав посаду державного сановника династії Сун, був організатором пошуків кам'яного вугілля в районі Сюйчжоу для витоплення заліза. Розвідувальна експедиція була увічнена ним у вірші «Похід за кам'яним вугіллям» (1078 р.). У енциклопедії Сун Ін-сіна «Тянь гун кай у» (1637 р.) подано ілюстрований опис середньовічного видобутку вугілля. Максимальна глибина вугільних шахт сягала 80 — 100 м.
Крім витоплення заліза, вугілля застосовували для обпалення порцеляни, виварювання солі, а також для побутових потреб. Відомий венеційський мандрівник Марко Поло, який прожив у Китаї майже сімнадцять років, згадує у своїй «Книзі чудес» (1298 р.) про горючі «чорні камені», які видобувають у горах Північного Китаю. Він відзначав, що завдяки цим каменям: «Майже немає нікого, хто б не купався в теплій воді, принаймні, тричі на тиждень, а взимку навіть щоденно, якщо дозволяли статки… Дров у них багато, але палять вони каміння, тому що дешевше і дерева зберігаються». Таким чином, розвиток вугільного промислу в Китаї, технології виробництва заліза та артилерійські досягнення на кілька століть випередили європейський досвід.
Китайські артилерійські досягнення доволі швидко стали відомі в Японії, причому основним металом гарматних стволів тут була мідь. Середньовічна Японія була одним із азійських лідерів видобутку міді, експорт якої здійснювався в країни Азії (в першу чергу в Китай), а з XVII ст. — також в Європу (Голландію). Старовинні японські гравюри дають уявлення про особливості місцевої розробки й збагачення мідних руд. Основним способом руйнування порід була відбійка за допомогою долота й молотка. Кріплення виробок здійснювали лише на окремих, найбільш небезпечних ділянках. Використовували рамне кріплення, виготовлене з бамбука. Руду виносили в мішках або кошиках похилими виробками. Світильниками правили великі черепашки (мушлі) морських тварин. Вибійник носив ззаду мату, сплетену з соломи (аналог шкіряної мати європейського гірника). Для збагачення руди широко застосовували водний метод, причому ручне промивання руд велося на решетах, вироблених з волокон бамбука.
Перший гірничий кодекс «Тайхоре» з'явився в Японії 701 р., що свідчить про значний розвиток гірництва вже в ранньому середньовіччі. Згідно з цим кодексом населення дістало право на вільний пошук і розробку руд в тих місцевостях, де цим не займалася держава.
708 р. в Тітібу (провінція Мусасі) було відкрите величезне родовище мідних руд. У зв'язку з цією нагодою в'язням була дарована загальна амністія, а населення звільнено на рік від сплати податків. У тому ж VIII ст. завдяки мистецтву японських ливарників була створена унікальна 400-тонна скульптура Будди, яку розмістили в храмі Тодайдзі. На початку XVII ст. перші сьогуни з дому Токугава заснували спеціальне управління гірничими промислами, що сприяло відкриттю й освоєнню потужних родовищ міді в Асіо, Ані, Бессі (Беші). У цей період в Японії розроблялися 34 великих мідних рудники, у яких щороку видобували близько 6 тис. т міді.
Сусідня з Китаєм Індія, яка славилася майстрами залізного промислу, також доволі швидко підхопила ідеї китайських зброярів. Писемні джерела від 1258 р. свідчать про вогнепальні прилади на возах, які належали володарю Делі. Вже в першій половині XIV ст. гармати стають розповсюдженою зброєю в арміях індійських державців. Коли 1498 р. в Індію прибули португальці, вони не без здивування зауважили, що місцева артилерія перебуває на тому ж рівні, що й у них (португальці не могли повірити, що майже ту саму артилерію індуси мали й тоді, коли в Португалії про гармати ще й не чули). З численних гігантських гармат Індії середини XVI ст. збереглася «Малик-і-Майдан», довжина ствола якої становила 8,5 м, зовнішній діаметр — 1,5 м, а вага — 55 т. Серед видатних досягнень індійських майстрів металу, секрети яких повною мірою не розкриті й нині, слід відзначити неперевершену сталь для холодної зброї — «вутц» або «булат». Навіть для виробництва славетної дамаської сталі первинне залізо надходило з Індії, причому в ньому містилося до 1 % глинозему, кремнезему та вуглецю. На початку XIX ст. англійський учений Майкл Фарадей встановив склад індійських булатів, підтвердивши наявність домішок алюмінію та високий вміст вуглецю (1,3—1,7 %), але опанувати технологію створення подібної сталі він не зміг. Ближче за інших підійшов до секретів булату видатний російській металург Павло Аносов. Його досліди, проведені в Златоусті 1828 р., довели, що властивості булату залежать від кількісного складу та способу введення вуглецю в залізо, а також від режимів охолоджування, загартування та відпуску металу. Поставивши сотні дослідів, Аносов винайшов спосіб отримання булату в тиглях, зброя з якого не поступалася індійським, перським та сирійським аналогам. За праці з удосконалення гірничозаводської техніки і допомогу Луганському та Керченському металургійним заводам рада Харківського університету обрала П. Аносова почесним членом (1846 р.).