В 1720 году распоряжением царя Петра «тулянину Никите Демидову», хозяину Невьянского и целого ряда Уральских железоделательных заводов, было разрешено основать новое предприятие «за рекой Выею, где нашел он медную руду». Вскоре возле заброшенных мансийских мастерских была сооружена плотина и заложен Выйский завод. Первая плавка меди состоялась уже в конце 1722 года. Спустя короткое время неподалеку вырос Нижнетагильский завод, а на Выйском были построены две домны, предназначенные для выплавки чугуна.
Семья Черепановых жила в Выйском поселке, расположенном рядом с заводским прудом. Большинство жителей селения работали заводскими крестьянами — чернорабочими, дровосеками, возчиками. Глава семьи, Петр Черепанов, был углежогом. Его месячный доход, даже учитывая приработки от сбыта угля и разломки угольных куч, не превышал двух рублей. На такой заработок прожить с семьей было невозможно. Руководство предприятия также понимало это и позволяло приписным заводским крестьянам трудиться на них только семь месяцев в году. Остальное время отдавалось работам в их собственных хозяйствах — в огородах, на сенокосе, на пашне.
Алексей Черепанов — отец будущего изобретателя — появился на свет в 1750 году. Он с малых лет помогал отцу, а, возмужав, стал выполнять строительные и земляные работы на заводе. Алексею было двадцать лет, когда ему приглянулась семнадцатилетняя крестьянская дочь Мария. Молодой рабочий посватался к ней, после получения родительского благословения священник обвенчал их, и в 1774 году у молодых родился первый ребенок — мальчик Ефим.
Выйские приказчики с охотой брали на работу уже семилетних детей, и Алексей Черепанов хорошо представлял себе будущую жизнь сына. Сначала Ефим должен был собирать остывшие кусочки окалины и шлака в цехах, затем он мог попасть на перевозку руды или медных чушек, а позднее при проявленном усердии его должны были перевести в число постоянных цеховых работников. О том, чтобы мальчик выбился в мастера, Черепанов-старший не мог и мечтать. С давних времен каждый мастер, дорожа выгодами, связанными со своим положением, к ремеслу приобщал лишь сыновей и племянников. Искусство кузнечного, слесарного, доменного мастеров из поколения в поколение передавалось в рамках одной и той же семьи, и немало выйских «умельцев» хвалилось своими родословными, идущими от легендарных тульских оружейников.
Но Ефима Черепанова с ранних лет влекло к изобретательству. Целыми днями он мог из досок выпиливать затейливые игрушечные конструкции или ремонтировать сложные замки. Часто он пропадал у соседей, занимавшихся столярным или слесарным делом. Ремесленники мальчугана не прогоняли — Ефим вовсе не был праздным гостем, он помогал точить инструменты, обстругивал доски, работал у ручных мехов. Как только Ефим подрос, Алексей Петрович стал брать его с собой выполнять заводскую поденщину. Вместе с другими работными людьми парень послушно трудился, однако все его внимание было приковано к тому, что происходило в заводских цехах. Он внимательно следил за ловкой и слаженной деятельностью мастеровых у огромных молотов и горнов, за тем, как покорно воле человека, действовали огромные заводские механизмы. К тому времени Ефим уже прекрасно знал, как много тагильских и выйских мастеровых отравляется удушливыми испарениями, слепнет от яркого пламени, калечится на «огненной работе», и все-таки его влекло к этому делу, восхищало искусство «умельцев» создавать из кусочков руды лист или полосу превосходного железа.
Следующие десять лет стали для Ефима временем упорной «самоохотной выучки». Дома он совершенствовал свои знания в столярном и слесарном мастерстве, сам освоил грамоту. Впоследствии изобретатель на вопрос: «Какого звания, где обучался?» — отвечал всегда: «Из рабочего штата, обучен при доме». Отец сумел устроить способного юношу в мастерскую, занимавшуюся выделкой воздуходувных мехов и имевшую своеобразное название: «Меховая фабрика». Работал Ефим на славу, смастеренные им мехи для домен, медеплавильных и кричных горнов всегда оказывались наилучшего качества. При этом Ефим был сдержан, скромен и честен. К начальству никогда не подлизывался и ни перед кем не заискивал, редко принимал участие в забавах заводской молодежи, распределяя редкие часы досуга между самообразованием, домашними работами и охотой. Вот как описывали его современники: «Росту среднего, весноват лицом, борода и волосы на голове рыжие, глаза серые…».
Когда Ефиму Черепанову исполнился двадцать один год, осуществилась его давняя мечта — он стал мастером по производству воздуходувных мехов. К тому времени семья Алексея Петровича насчитывала уже одиннадцать человек. Любимцем отца являлся младший сын — восьмилетний Алеша — росший живым и необычайно сметливым мальчуганом, совершенно не похожим по характеру на серьезного и замкнутого Ефима.
В это же время перемены произошли и в судьбе демидовских заводов. Скончался грозный Никита Акинфиевич, а его место занял сын Николай. Как то раз заводчику поступило прошение от знатной помещицы Дарьи Салтыковой об оказании содействия в деле строительства нового железоделательного завода на Карельском перешейке. Молодой Николай дал ей согласие, и тагильские приказчики с разных заводов отобрали для графини Салтыковой опытных и искусных мастеров. В числе прочих в Петербург отправился и «меховой мастер» Выйского завода 24-летний Ефим Черепанов.
На Карельском перешейке Ефиму Алексеевичу довелось участвовать в основании нового завода. Жить ему пришлось в сыром, наспех сколоченном бараке. Кормили прескверно, но особенно тяжело было в зимнюю пору. Первыми приступили к делу плотинные мастера, Ефим внимательно следил за возведением заводской плотины. После образования заводского пруда, заложения фундамента и строительства доменных печей наступила очередь Черепанова. Все работы заняли более трех лет. В 1801 году срок его «командировки» истек, и демидовский мастер вернулся домой.
После поездки положение Черепанова на заводе в Выйске упрочилось. За годы, проведенные вне дома, его кругозор расширился, он приобрел множество дополнительных навыков и знаний в самых разных сферах заводского производства. Несмотря на это, он еще довольно долго занимал самые скромные должности, что было связано с его натурой — исключительно замкнутой, молчаливой, обладающей большим чувством независимости и собственного достоинства. Только в 1806 Ефим Алексеевич был назначен в плотинные ученики, а спустя год стал плотинным Выйского завода. К слову, в то время в зону ответственности плотинных входило не только сооружение и использование плотин и вододействующих колес, но и строительство самых разнообразных заводских механизмов.
К тому времени 33-летний мастер уже несколько лет состоял в браке с молодой крестьянкой Евдокией. В 1803 у них родился первый сын, нареченный Мироном. Жил Ефим по-прежнему с родителями и младшим братом Алексеем в общем домике. Любопытной и яркой оказалась жизнь молодого Алексея Черепанова. Бойкий и веселый он, в отличие от Ефима, прилежностью не отличался, за книгами сидеть не любил и плохо понимал арифметику, но зато с легкостью овладел черчением и рисованием, а все порученные дела выполнял быстро и качественно, с лету понимая, что от него требуется. Приказчики Выйского завода неоднократно докладывали управляющему Михаилу Данилову о поразительной расторопности и сметливости младшего брата плотинного, о его способности делать толковые чертежи и зарисовки оборудования с натуры. Весной 1813 Данилов отправился в Петербург и взял с собою Алексея Алексеевича.
По прибытии в Северную столицу управляющий представил молодого парня самому Демидову. Алексей произвел на заводчика самое благоприятное впечатление. Одним из первых его заданий стала поездка в июне 1813 в Кронштадт с целью ознакомления с оборудованием местного чугунолитейного завода. Затем до марта 1814 года Алексей Алексеевич находился в Архангельске, где проверял отчетные документы торговой конторы Демидовых, руководитель которой обвинялся в растратах. Из Архангельска уральский мастер отправился прямиком в Москву, чтобы лично доложить Демидову о результатах своего расследования. Во время разговоров с заводовладельцем он, первым из Черепановых, затронул вопросы использования на уральских предприятиях силы пара. К сожалению, Николай Демидов отнесся к этой идее недоброжелательно, сообщив, что вопрос устройства паровых машин на Нижнетагильских заводах требует всестороннего анализа и является преждевременным.
Спустя некоторое время после возвращения Алексея Черепанова в Нижний Тагил умер его пятилетний сын. Однако мастер не упал духом, найдя утешение в работе. За выдающиеся заслуги выходец из «рабочего штата» был введен в «служительский штат», его, подобно старшему брату, назначили плотинным. Алексей выстроил себе просторный дом, куда, как человек отзывчивый и добрый, переселил своих родителей, тетку и знакомую бездомную вдову. А в 1816 году у него родился сын Аммос.
Известно, что самой заветной мечтой Алексея Алексеевича было получить вольную и стать свободным. Вольнонаемный работник уже не мог по произволу приказчиков (или «господ правящих», как их язвительно называл Ефим Черепанов) быть выпорот, закован в цепи, сослан в рудник. Такса для выкупа на волю составляла у Демидовых пять тысяч рублей и была недоступна для большинства мастеров и рабочих. Алексей Черепанов же предложил все шесть, однако заводчик, полагая, что мастер, находясь в крепостном состоянии, принесет ему еще больший доход, отказал ему. Но ровно через год, в 1817, 31-летний Алексей Алексеевич внезапно скончался. Предположительно причиной смерти стало воспаление лёгких. Короткая жизнь уральского мастера не прошла напрасно. Хотя Алексей Черепанов не являлся создателем новых механизмов, его поездки по России способствовали обмену опытом между изобретателями и умельцами Нижнего Тагила и других промышленных областей.
В конце 10-х годов девятнадцатого века Ефим Черепанов принял решение организовать при Выйском заводе специальный цех для ремонта и изготовления разнообразных механизмов для всех тагильских заводов. Тщательно он подобрал лучшие металлообрабатывающие станки, а в помощники себе взял опытных и прилежных мастеровых — плотников, кузнецов, столяров, слесарей. Главным подручным выйского плотинного по механическому цеху стал его сын Мирон.
Мирон Черепанов был коренастым и невысоким рыжеволосым юношей упрямого и сурового нрава, с детских лет проявляющим такое же любопытство к технике, как и его отец. Его работоспособность и сметливость была поразительна. Не посещая скромную заводскую школу, обучаясь лишь под руководством отца черчению, арифметике и грамоте, Мирон так овладел этими науками, что уже в двенадцать лет был определен на Выйский завод писцом с окладом в пять рублей в месяц. К слову, его отец получал в то время восемь рублей. Ефим обожал сына и гордился успехами. Мирон же почитал родителя и не только в силу господствовавших в кругу уральских умельцев традиций, но и как учителя и наставника.
В конце 10-х — начале 20-х годов девятнадцатого века Ефим и Мирон совместно выполнили разнообразные работы по строительству плотин, лесопилок, мельниц, водяных колес, конных водоотливных машин, насосных установок, а также внесли различные усовершенствования в медеплавильное, кричное, доменное и другие отрасли производства. Любопытно, но никогда Черепановы, в отличие от Кулибина и многих иных известных механиков, не интересовались проблемами создания «вечного двигателя». Первоначально все работы на Выйской «фабрике» Черепановых велись вручную или с помощью водяного двигателя. Однако в 1820 году Ефим Алексеевич построил свою первую, небольшую по размерам паровую машину, приводившую в движение станки механического цеха. О достижениях плотинного узнал и проживающий за границей Демидов. Вспомнив свои разговоры с Алексеем Черепановым, с восхищением рассказывающем о своем старшем брате, заводчик дал Ефиму важное поручение. Черепанов, как знаток металлообработки и металлургии, человек умный, наблюдательный и неподкупный, несмотря на отсутствие инженерного образования и незнание языка, получил задание отправиться в Англию и выяснить, почему там резко упал сбыт демидовского железа.
В июле 1821 года Ефим прибыл в английский город Гулль. Измученный перенесенной морской болезнью, он, тем не менее, уже на следующий день начал осмотр предприятий. На местном литейном заводе сибирский механик наблюдал работу пудлинговых печей и вагранок, а также чугунных цилиндрических воздуходувок, приводимых паровой машиной в движение. После этого он отправился в Лидс, где посетил фарфоровые и текстильные предприятия, а также угольные копи. Здесь же Ефим Алексеевич в первый раз увидел рельсовую дорогу и паровоз, тянущий за собой нескольких вагонеток, наполненных углем. Никаких подробных технических чертежей делать ему, разумеется, не позволяли, однако все, что казалось Черепанову особенно важным, он детально описывал в записной книжке. Про «подвижную паровую машину», показавшуюся ему неудачной по конструкции, он отметил: «…Возит каменного угля 4 000 пуд в один раз, расстоянием четыре версты; в день за углем ездит по три раза… Машины сии для медных и железных заводов не нужны». В августе Черепанов посетил металлургические заводы в Брэтфорде, затем побывал в Галифаксе и Манчестере на местных текстильных фабриках, а затем отправился в Шеффилд — известный производством различных металлических изделий. Посетив заводы Лондона и Бирмингема, Ефим Алексеевич в конце сентября вернулся в Гулль и вскоре отплыл на родину.
16 октября 1821 Черепанов прибыл в Петербург, где сразу же засел за составление докладной записки об итогах путешествия в Англию. В ней он сделал совершенно правильные выводы — чтобы уральское железо покупали оно должно по себестоимости и качеству успешно конкурировать с заграничными образцами (особенно шведским железом), для чего, в свою очередь, требовалась реорганизация производства на Урале.
После возвращения Ефима Алексеевича на завод Демидов отдал приказ включить талантливого механика в число приказчиков Главной заводской конторы и назначить его «по Нижнетагильским предприятиям главным механиком». Крайне неохотно члены Главной конторы в мае 1822 года вынесли «определение» о включении мастера в свой состав. Постоянным помощником его при этом стал восемнадцатилетний Мирон.
Распорядок дня Черепанова сильно изменился. Рано утром он выезжал на заводы и занимался «обозрением машин», внося свои советы по улучшению производства. Только в конце рабочего дня он появлялся в здании Главной конторы, где изучал и подписывал бумаги, «относящиеся до механической части», принимал участие в решении проблем по другим «частям». А уже поздно вечером дома механик со своим сыном занимался разработкой и расчетами новых механизмов. Также Черепанов успевал руководить работами по постройке новых машин в своем механическом цеху.
Спустя некоторое время мастер поднял вопрос о строительстве нового парового двигателя, более мощного, чем его первая машина образца 1820 года. Демидов, хотя и не верил в возможность удачного осуществления замысла, в конце концов, дал разрешение Ефиму Алексеевичу изготовить паровую машину мощностью в четыре лошадиных силы. Всю зиму на Выйской «фабрике» слесари, плотники, кузнецы и чернорабочие под руководством Черепановых строили агрегат. 28 марта 1824 Черепанов сообщил в донесении: «Паровая машина кончена. 2-го числа сего марта была перепускана (подвергнута испытательному пуску) и действовала весьма легко». Управляющие также подтвердили, что «машина действует успешно» и, будучи использованная в качестве паровой мельницы, «в каждые сутки может перемолоть около 90 пудов ржи». Она обошлась немногим более тысячи рублей, в то время как известный русский заводчик Чарльз Берд строил паровые машины из расчета одна тысяча рублей за одну лошадиную силу.
