书城科普走向未来的现代工业(新编科技大博览·A卷)
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第24章 交通运输(1)

最早的汽船最早发明汽船的人,是美国工程师菲奇。菲奇在发明第一艘汽船之后,他没有申请发明专利,当然更没有向人们公布他的发明,因而他的汽船并未引起关注。

真正产生重大影响,取得建树的是美国另一位工程师——富尔顿,因而他被人们认为是发明汽船的先驱。富尔顿早年曾在英国和其他一些造船比较发达的西欧国家进行过技术考察。1803年,他在巴黎发明了第一艘以瓦特蒸汽机为动力,以浆轮为推进方式的船,并于同年在塞纳河下水试航。这艘汽船在逆水航行时,其速度已超过在河岸上快步前进的行人。但是由于瓦特蒸汽机刚刚被引上船,因此使得它的推进系统还不够完善,航速和稳性方面都还不够理想。同时,由于当时的拿破仑政府实行疯狂的对外扩张政策,只对军事科学技术的发明怀有兴趣,而对其他发明毫不重视,这使拿破仑错过了一个赶超英国海军的绝佳机会。由于在法国试制的第一艘汽船未取得应有的成功,而富尔顿却已由于试制这条汽船而濒于破产。由于无法继续在法国进行汽船的研制工作,富尔顿只得回到美国。在回到美国之后,他得到了美国另一发明家利文斯顿(1746—1813年)的资助。这使得富尔顿得以继续进行汽船的研制工作。利文斯顿不仅是个出色的发明家,同时也是一个外交家与国务活动家。他看到富尔顿的研究具有重要的价值和远大的前途。因此在资金、材料、人力方面给予富尔顿极大的资助,使富尔顿能比较顺利地进行他的汽船的研究和制造工作。

1806年,富尔顿正式开始他的第二艘汽船的建造工程。经过一年多的紧张施工,一艘被命为“克勒蒙号”的汽船终于建成了。1807年,“克勒蒙号”在哈得逊河上试船成功。它不但稳性较好,而且速度较快。其航速要比一般帆船快三分之一。这艘以瓦特蒸汽机为主要动力,以螺旋桨为推进系统,采用铁板为造船材料的新汽船,开创了造船业的新纪元。

自富尔顿的“克勒蒙号”试航成功以后,汽船制造业即在美国和欧洲许多沿海国家迅速发展起来。1819年,美国汽船“萨纳号”横渡大西洋到达英国。“萨纳号”兼用风帆与蒸汽机两种动力,还不是完全的海上汽船。1838年,完全以蒸汽机为动力的汽船“天狼星号”和“大西方号”胜利地横渡大西洋,完全证明了汽船用于海上远航的安全可靠性。自此之后,风帆就彻底从船上降下来。

人们总觉得船航行的速度太慢,速度越快,水的阻力就越大,为了消除水的阻力影响,英国发明家科克莱尔发明了气垫船。船底密布许多高压喷气嘴,喷出的气体形成一个气垫,把船托离水平,行驶速度就大大提高。实际上,在陆地上同样可以行驶,上山下坡,如履平地。

客轮

世界上最古老的大客船出在中国隋朝。隋炀帝从运河南下扬州看琼花时,坐的那艘大龙船,就有四层宫殿式建筑,有一百几十间房子,长100米,高20多米。

现代客船设有较多的居住舱室和公共舱室,上层建筑物的层数较多。客船的船身一般较瘦长,航速较快。

豪华的客船就像高级宾馆一样,设备齐全而先进。除有舒适的客舱外,客船上还设有餐厅、电影院、商店、舞厅、游泳池、日光浴室、健身房、邮电所,有的还设置观景台、观景走廊等。

豪华客船在不平静的海面上行驶也很平稳,旅客在船上生活如同陆地一样,没有丝毫颠簸感觉。大型客船还有完善的救生保护系统,如两套发动机,良好的通风设备、抽水设备,多只小型救生艇等,以保证一旦发生意外险情,能及时发出呼救,并能迅速使旅客脱离危险,甚至可用救生艇将旅客转送到安全的地方。

水翼艇

水翼艇的特点是行驶在空气跟海水的界面上,以尽量克服水的阻力。最先想到水翼艇并前苏联的拉基塔级水翼船,在前苏联内河航行中起到了重要作用。前苏联曾开辟150多条航线,有300多艘水翼船,年输送2000万人次进行研究的发明家,是19世纪中期的一个叫拉米斯的法国牧师。俄国血统的法国人德朗贝尔,开始用当时刚发明的汽油发动机为他的“水上飞机”提供动力。19世纪90年代,他在塞纳河上用模型水翼艇进行了试验,但是它不能从水里抬起头来。飞艇设计师意大利人福拉尼尼1905年建造了一艘小水翼艇,并在专利说明书上阐明了水翼艇的科学技术原理。1911年,他用最新的模型水翼艇在马乔列湖为来访的美国贵宾贝尔做了表演。贝尔根据福拉尼尼的专利,开始建造他自己设计的水翼艇。这艘水翼艇于1918年创造了每小时1143千米的航行纪录。这些水翼船靠潜在水中的水翼支持而行。船底的薄片水翼在船停泊时完全没入水中,船开始运动时,水流经过弯曲的水翼,产生上举力,船走得越快,产生的升力越大,当水翼在水中升起时,把船体完全推离水面。由于阻碍消除,船的速度大大提高,行驶更为平稳。在第二次世界大战期间,一些德国发明家改进了水翼艇。战后,英国风琴师胡克又作了进一步的改进。意大利50年代开始大量建造水翼艇,美国和苏联设计出了自己的大型军用和客运水翼艇。苏联的航运线上有数百艘这种船,最大的可载旅客300人,速度达40节。美国海军已成功地在风浪水域试验了几艘水翼船。其中一艘“平景”号1968年由洛克希德公司建成,在平静的水中速度超过40节,是世界上最大的水翼船。

气垫船

在美国罗得岛纳雷肯锡特海湾,帆船上的水手们看到一个蝙蝠状的“怪物”,高出水面4米左右。当它以130千米的时速从船舷旁掠过时,一下子让人们惊呆了。

你自然会意识到,这“怪物”肯定不是船;像飞机,但严格讲,也不是飞机,因为它不能腾空而起。人们为它起了一个新名字叫“会飞的船”。

这种具有短翼的“会飞的船”紧贴水面飞行时,在其与水面之间便产生一个空气压力,使升力增加,阻力减小,便产生出奇异的效果。所以,形象地说,它是一种“骑在空气垫上飞行的船”,又称“气垫船”。

实际上,我们所说的是一种“地面效应飞行器”。所谓地面效应,是一种类似于飞机起飞或着陆时产生的现象,即在较低高度上飞行时,机翼贴近地面,使机翼下方的气流减速,压力上升,从而产生较大的升力。

从理论上来说,完全利用地面效应飞行的飞机,在运载旅客和货物时,比自由飞行的飞机要省油。但是,要让普通飞机紧贴地面或水面作长距离飞行,简直是天方夜谭。

美国学者比尔·拉塞尔对地面效应飞行器的研究已经有9年。他说,制造有使用价值的地面效应飞行器的竞争,现在已处于最后关头。

俄罗斯人推出的类似飞行器已可能横渡大西洋。

澳大利亚人也在研制这种地效飞行器,其5架样机现处于领先地位,其中一架去年秋天进行了海上试飞。

地效飞行器的设计在某些方面类似于气垫船,它采用一个底部中空的船体,用风扇来压缩那儿的空气,使船身升高两三米。但是,气垫船必须采用大功率的发动机,因此前进的速度受限制。这种飞行器也不同于水翼艇,水翼艇是把艇翼浸入水中,将艇身抬出水面。这种飞行器飞行于水面上,根本不接触水。

这类飞行器的诱人之处,就在于它们具有穿梭于海洋、河流、湖泊之间,作为客运和货运的高速交通工具的潜力。

例如,在非洲的一些国家里,就可以利用地面效应飞行器来运载旅客,而不需要特别筹建机场、公路、铁路。在加勒比海,它可以穿梭往来于各岛屿之间。

由于地面效应飞行器不需要像飞机那样在较高处飞行,因而没有必要花费高昂的代价来满足飞机的性能要求,它们的认证及许可花费也不会太多。这也许是受人青睐的独特魅力之所在。

破冰船

两极地区的冬季十分寒冷,由于海面结冰,船只无法通行,因此对极地的探测也难以进在极地航行的破冰船行。为了在冰封的海面上航行,俄国人布里特涅夫将一艘普通船进行了改装。他将船头做成有斜度的,这样船头便不会直接碰撞冰块,而是像铁锹一样,滑到冰面上去,然后利用船身的重量将冰压碎,如此反复进行,就可以开出一条航道了。这是世界上最早的破冰船——“驾驶员号”。

1959年,苏联又建成了采用原子核能动力装置的“列宁号”破冰船。这个船可以连续航行两三年而不用加“燃料”。原子破冰船的动力大,还增加了船体钢板的厚度,以增强破冰的能力。

还有些比较新颖的破冰船在船头下方,加装了一个螺旋桨和一种可以抽取冰层下面海水的装置,使破冰的速度增加很多。

车的历史是悠久的。在中国,传说车子是黄帝发明的。《古文史考》记载:“黄帝常作车,引重致远;少昊代加牛;禹时奚中加马。”在欧洲,生活于15世纪时的达·芬奇设想了一种用发条作动力的自行车,并留下了图纸。1649年,德国钟表匠赫丘按照达·芬奇留下的设计图纸,试制出了世界上第一辆真正的自行车,它像摆钟一样,以发条为动力,时速只有1.5公里。赫丘的成果,引起了法国军事当局的密切关注。他们看到,如果能够制出一种高速自行车代替马匹牵引火炮,可以大大增加炮兵的机动性能。于是他们当即命令陆军炮兵大尉丘尼约进行研制。丘尼约于1771年制成了一辆以蒸汽机为动力的自行车。丘尼约的蒸汽自行车长7.2米,宽2.3米,是一种木质结构的三轮车,时速9.5公里,可同时乘坐4人。这是人类第一次把蒸汽机用到车子上,从此公路运输革命蓬蓬勃勃地发展起来。

高速公路及海底隧道

如今,高速公路已经不再是什么新鲜事了,我们经常乘车在高速公路上行驶。

高速公路是20世纪70年代开始兴起的。随着交通运输业的急剧发展,普通的公路已经不能满足汽车大流量的需要,于是工程师开始思考着建立高速公路。它与普通公路相比,具有四通八达的城市高速公路路平整、弯道少、可并排行驶车辆多的优点。

高速公路可以让驾驶员轻松地驾驶车辆,来往的车辆由于中间有一道护栏隔开,彼此互不相干。在同一个方向上行驶,公路也分为好几个车道,每辆汽车在固定的车道上行驶不能越界。如果想超车,那必须开向超车道,这是专门为超车而设计的。通过这样的设计,车辆在此公路上行驶一般都能获得比较高的速度,因而被称为高速公路。

高速公路极大地推动了国民经济的发展,完全可以称为是国民经济发展的一条动脉,可将大量的物资迅速地从一个地方运送到另一个地方。

海底隧道不如高速公路那样普及。我们大多见过陆上的隧道,往往是在一座山中挖一个通过整座山的山洞,列车或汽车就可以直接从山的肚子里横穿而过,缩短了路程。海底隧道与陆上隧道相似,所不同的是,它是在海底挖洞造路。与水中的轮船相比,海底隧道可以极大地缩短运输所需的时间。

世界上最有名的海底隧道要算英吉利海峡隧道。英吉利海底隧道横穿英吉利海峡,连接英、法两国,是一个工程杰作。它把庞大的空调系统、现代化的自动控制系统和先进的安全设施巧妙地结合在一起。

实质上,这条海底隧道是一个庞大的、耗资130亿美元的铁路穿梭系统,除了地下通道外,还包括延伸的终点站,特殊设计的各种铁路车辆、空调、排水、照明、安全、信息和信号系统。穿梭列车以每小时87英里(1英里=1.61千米)的速度疾驶过这条隧道,每天约有八百五十万吨货物通过隧道转送。

整个英吉利海峡隧道有三条并行隧道,是由11部隧道机带着庞大的刀具群开挖出来的筒形隧道。开挖时,要穿过英吉利海峡下面半硬半软的底层,然后使用输送机皮带系统和一些其在松软土和含水量大的地基中使用环形加筋的现代化隧道建筑技术他机械将挖出来的湿润的泥土送到隧道外面。开挖三条隧道共挖出245亿立方英尺(1英尺=0.3048米)的泥土,这些泥土一部分用于营造在多佛尔附近著名的白色莎士比亚崖山脚隧道出口,法国则利用这些泥土在一条132英尺高的堤坝后面建造了一座公园。

隧道坚固异常,呈拱形,有五英尺厚的混凝土。三条隧道大体上是平行的,其中,两条主隧道在一个大洞室会合。这个洞室长515英尺,宽60英尺,高30英尺,由巨大的99英尺长的滑动大铁门隔开。这个交会站能将列车从一条隧道转到另一条隧道。

在一台计算机指挥列车运行的同时,另一台同样功能的计算机系统监视着隧道内的大量机械和电气系统的运转。两台计算机处于协同工作状态,共同使用三条光缆。控制中心和技术支持中心都用计算机网络连接在一起。

于是,现在从英国的伦敦前往法国的巴黎时,要走最便捷的路径,就是乘坐海底穿梭列车横穿英吉利海峡了。实际上,只需420美元就可以买一张往返车票。

有些人主张,在台湾海峡也可挖海底隧道,不过暂时还只是一个设想。

铁路的诞生

现代铁路的发祥地在英国。

1765年,寻求新动力的先驱者,英国人詹姆斯·瓦特,总结前人的经验,研制出世界上第一台具有独创性的动力机械——蒸气发动机,为新型交通工具的出现奠定了基础。

1814年,著名的设计工程师斯蒂芬森设计创造了新型蒸汽机车,成为现代火车的发明者。1822年,英国建成了世界上第一条标准轨铁路。