1764年,瓦特修理某一纽科门蒸汽机时发现它严重浪费蒸汽。于是他就在机身之外加装一个凝汽器,结果显著地降低了能耗。1781年,他又发明了连杆和曲轴机构,把往复运动变为旋转运动。随后,他继续改善机器并发明调速器等,使机器配套齐全,成为切合实用的蒸汽动力机。现在国际上均用他的名字瓦特作为公制功率的单位,l千瓦特(千瓦)等于英制单位1.34马力。1768年,瓦特与波顿合作在英国伯明翰市建立一个工厂专造蒸汽机。瓦特蒸汽机在当时的造纸、面粉、纺织、制铁、酿酒等工厂和为城市供水的自来水厂中得到广泛的应用。当然,后来也用以推进船舶。
用蒸汽机推进船舶的最早设想是用蒸汽机驱动桨轮以代替人力划桨。欧洲早在罗马时代就出现过人力和兽力(马和牛)驱动桨轮的船。我国唐、宋时期也多次造过以桨轮作为推进器的船,称为“车船”。这些“车船”的效果并不理想,因为人力和兽力都很有限,不能远航,因而未能推广应用。
18世纪末期,在欧洲,帕潘和赫尔斯等人分别在德国和英国试验过用蒸汽机驱动桨轮,推进船舶的蒸汽机船,但都未获成功。在大西洋彼岸的美国却有几个人成功地造出了蒸汽机轮船。1785~1788年菲奇造过2艘汽船,第一艘长18.3米,宽2.44米,蒸汽机缸直径46厘米,桨轮在船尾。该船在美国费城的特拉华河上航行多次,航速每小时5.0~6.5千米。1790年,他造了一艘更大的客船,在特拉华河上,共航行了约4000千米,未发生过严重事故,但他未能获利,也得不到有关方面的支持,他于1798年愤而自杀。
这时在欧洲,蒸汽机发源地的英国也在积极建造蒸汽机船。1801年,英国人赛明顿造了一艘长17.7米、宽5.5米、吃水2.4米的蒸汽机和桨轮驱动的木船。该船装有功率仅9千瓦的水平式单缸蒸汽机,桨轮装在船尾部。该船在连接英国苏格兰爱丁堡和格拉斯哥两大城市的运河上拖带2只载重70吨的驳船逆风前进,6小时走了32千米。该船在运河上来往航行了4个星期,后来由于船航行时兴起的波浪会冲坏运河堤岸,被迫停航。1812年,苏格兰工程师贝尔造成很小的蒸汽机船“彗星”号,船长12米,宽3.2米,重28吨,在格拉斯哥市中心与河口的格里诺克和海伦斯堡之间的克莱德河上运输旅客和货物。后来,还把航线延长到苏格兰西海岸的奥本和320千米之外的威廉堡。这艘船虽小,但航速却可达6.7节(12.4千米/时),被认为是欧洲第一艘商业化营运的蒸汽机船。
此后,蒸汽机船得到较快的发展。
蒸汽机船横越大西洋
1819年,美国装有辅助蒸汽机的帆船萨凡纳号于5月24日从美国萨凡纳港开往英国利物浦,全程航行时间29天11小时,全程几乎都驶帆,仅在出入港时用蒸汽机,开动蒸汽机时间约80小时。该船用蒸汽机驶入利物浦的梅西河时引起了轰动。
最早全航程用蒸汽机推进,横越大西洋的船是“天狼星”号和“大西方”号。“天狼星”号是一艘2桅船,船长54.3米,宽7.8米,深5.6米,703总吨。它于1838年3月28日从伦敦起航,4月22日晚到达纽约,在航行途中遇到风暴,但船长罗伯特上尉处事若定。该船每天耗煤24吨,根据一些叙述,它不仅耗尽了船上煤仓中的燃料,而且把船上一切可燃的物品全都烧掉了,才能抵达目的地。船上没有装货,搭载了旅客40~94人(根据不同说法)。
“大西方”号是当时英国著名工程师布律内尔为英国大西方汽船公司设计的。该船全长80.2米,总宽(包括桨轮罩)18.2米,1321总吨,主机功率336千瓦。这船是英国布里斯托尔的Patterson工厂建造的,于1838年4月7日搭载了7名旅客开往纽约。当月23日到达,燃耗了船上所载煤炭的3/4,它比“天狼星”号晚几小时进港。这两艘船到达港口时,引起纽约人的热烈欢迎。“大西方”号回程时载了68名旅客,航程14天,比当时的飞剪型帆船还要快一些。此后该船在布里斯托尔和纽约间正常航行了8年。该船于1847年卖给经营西印度群岛航线的皇家邮政汽船公司。
1843年,英国布里斯托尔的大西方汽船公司新造了一艘汽船大不列颠号。这船也是著名工程师布律内尔设计的。它是一艘铁质汽船,推进器是一只4吨重的螺旋桨,船长98米,宽15.6米,3500吨。这船原计划用木建造,后改为铁造,用1.8米长,0.8米宽的小铁板制成。这确实是一项大胆的尝试。1845年7月26日,大不列颠号载着60名旅客和600吨货物从利物浦首航纽约,以14天21小时的时间完成了3300海里的航程,平均航速9.24节(1节=1海里/小时=1.852千米/小时)。主机功率1120千瓦,可能由于锅炉供汽不足和螺旋桨不匹配的原因,主机只发出450千瓦功率。回程时螺旋桨断了一只叶片,当时海上风浪很大,它利用上船上的帆装,以18天的时间驶返英国,随后该船换了一个新螺旋桨并对锅炉作了改进,顺利在大西洋上营运。
§§§第四节船舶发展进入新时期
现当代船舶的发展
中国现代造船业始于20世纪初。柴油机、燃气轮机、蒸汽轮机、核动力装置在船舶上的广泛使用,使得船舶可以获得空前巨大的功率,从而大大提高了船舶的航速和载重能力。随着冶炼技术和钢材加工技术水平的提高,使得钢制船舶成为现在舰船的主体,现代造船工业的序幕从此而拉开。目前现代造船技术正朝着高度自动化、集成化、大型化、多功能化的方向发展。
1894年,英国人查尔斯·帕森斯(1854~1931)用他发明的反动式汽轮机作为主机,安装在快艇“透平尼亚”号上,在泰晤士河上试航成功,航速超过了60千米/时。1889年瑞典人拉瓦尔(1845~1913)制造了冲击式高速汽轮机。由于蒸汽轮机较之蒸汽机具有明显的高速、强力、高效等优点,因此蒸汽轮机成为更加理想的热机,具有运转平稳、无噪声、检修起来工作量小的优点。
1903年,俄国建造的柴油机船“万达尔”号下水,船上装有3台200马力的柴油机,省去了笨重的锅炉和高大的烟囱,因而结构紧凑、体积小、操纵方便,从而开辟了柴油机在船舶上应用的先河。
1910年,出现了齿轮减速、电力传动减速和液力传动减速装置。由于早期汽轮机船的汽轮机与螺旋桨是同转速的,使得螺旋桨很难获得高效率的转速。船舶汽轮机采用减速传动方式后,大大提高了螺旋桨的推进效率,从而大大提高了船舶航行的速度。
1947年,英国将航空用的燃气轮机改型装在海岸快艇“加特利克”号上。1872年,德国人斯托兹第一个制造出具有现代特征的燃气轮机,因其热效率很低,并未获得应用。进入20世纪后,几经改进后燃气轮机才达到实用阶段。1960年,出现了用燃气轮机和蒸汽轮机联合动力装置的大、中型水面军舰。在民用船舶中,燃气轮机因效率比柴油机低,用得很少。
1954年,美国建造的核潜艇“鹦鹉螺”号下水,功率为11025千瓦,航速33千米/时。原子能的发现和利用又为船舶动力开辟了一个新的途径。现有的核动力装置都是采用压水型核反应堆汽轮机,主要用在潜艇和航空母舰上,而在民用船舶中,由于经济上的原因没有得到发展。
柴油机、燃气轮机、蒸汽轮机、核动力装置的发明奠定了现代和当代世界船舶工业发展的基础,使得中国船舶工业经历了由无到有、由小到大、由粗到精的巨大发展和进步。
新中国成立后,我国新的船舶工业得到国家的高度重视。实现了由修理到制造、由船体建造总装到船用配套生产、由技术引进到自行设计的转变。1955年,中国第一艘自行设计建造的第一代沿海小港客货轮“民主10”号下水。1959年,建国后第一艘完全自行设计建造的万吨级远洋货轮“东风”号下水,这在我国船舶制造史上是一个重要的里程碑。
1972年,中国第一艘自行设计建造的海上自升式钻井平台——“渤海一号”由大连造船厂建造;1979年,我国第一条自行设计建造的远洋科学测量船——“远望1”号由江南造船厂完成建造,这是我国第一代综合性航天远洋测控船。
2002年,中国第一艘30万吨超大型油轮“伊朗·德尔瓦”号是由大连新船重工有限责任公司为伊朗国家油轮公司(NITC)建造的,实现了几代中国造船人的梦想,也打破了世界造船强国在该领域的垄断。2008年,中国第一艘自行建造的14.7万立方米薄膜型LNG船在沪东中华造船(集团)有限公司顺利交付船东,中国乃至世界造船史就此揭开了崭新的一页。LNG船是为运输6.5万吨、-163℃极低温液化天然气而设计建造的专用船舶。上述的一个个里程碑记录了中国船舶工业发展的进步。目前,我国的船舶修造能力开始在世界市场上崭露头角,市场份额逐年上升,并且所接单的船舶也由普通货轮向以超大型集装箱船、液化天然气船等为代表的高附加值船舶乃至海洋工程平台扩展,在提高吨位份额的同时,也提高了船舶业的商业利润。
运输船的演变与发展
综观运输船舶的发展史,运输船舶的发展大致经历了舟筏、木帆船和蒸汽机船三个阶段,现在处于柴油机为基本动力的钢船时代。早在史前时期,人类已经利用舟筏作为水路运输工具。从古埃及时代到19世纪初叶的漫长历史时期内,木帆船一直是主要的水路运输工具。蒸汽机发明后,运输船舶于19世纪初进入以蒸汽机为动力的新时期,造船材料也逐渐以铁和钢代木。早期的蒸汽机船,是靠安装在两舷的巨大明轮推进的,因此称为轮船。19世纪中叶以后,螺旋桨逐渐代替了明轮,造船材料已发展到用钢,船舶的吨位不断增大。19世纪末,汽轮机和柴油机相继问世,又为船舶提供了新的动力。第二次世界大战以后,柴油机动力渐居主导地位。现在,几乎所有的运输船舶都以柴油机为动力。
19世纪70年代,英国在大西洋上开辟专门从事客运的定期航线。在此以前,运输船舶是客货混装的。从那以后,航运发达国家竞相建造设备齐全、豪华舒适的大型客船。20世纪60年代起,海上长途客运逐渐为远程喷气客机取代,但吨位较小、以旅游为目的的旅游船以及能同时载运私人汽车的汽车客船等相继发展起来。早期的蒸汽机货船都是杂货船。20世纪初开始出现油船。40年代,散货船又从杂货船中分离出来。油船和散货船从吨位计算上,在世界商船队中占有很大比重;传统的杂货船在艘数上仍居首位。从60年代起,运输船舶进一步专业化,出现了一系列新的船种,如集装箱船、液化气船、滚装船、载驳船等。集装箱船发展最为迅速,发达国家的散件杂货运输已基本。
运输船舶为能在水上安全航行,并担负载运旅客和货物的任务,必须具有以下性能:在满载旅客、货物后能漂浮于水面并具有一定储备浮力的浮性;在风力或其他外力作用下而不倾覆的稳性;因碰撞、搁浅或发生其他海损而局部进水时仍能漂浮于水面而不沉没的抗沉性;能按照驾驶人员的意图改变或保持船舶航向和速度的操纵性;在一定主机功率的推动下能以较快速度前进的快速性;遇到风浪,仍能以一定速度平稳航行的耐波性。
面向未来的核动力船舶
核能发明后,人们很快就把它应用到船舶的推进上。这样,就出现了新型的原子能船,即核动力船。原子能船和一般的轮船在外表上差别不大,它用小型原子能反应堆把水加热成蒸汽来驱动涡轮机,实际上属于汽轮机轮船的一种。它最突出的优点是需要的燃料量很少,可以连续航行两三年。另外,由于可以采用大功率的汽轮机或燃气轮机作为主发动机,因而速度很快。
1958年,美国的实验性商船“萨瓦纳”号首先采用核动力。1959年,1.6万吨的苏联破冰船“列宁”号下水,在每年有3/4时间冰封的新地岛与白令海之间的航线上行驶。后来,前苏联人又建造了它的一艘姐妹船“北极”号。至于别的国家,由于公众担心放射性物质泄漏,造成伤害,因此商用原子能船迟迟未能得到推广。
而在军用船舶方面,核动力日益受到青睐,使用核动力的潜艇和航空母舰越建越多。核能发动机体积小,铀燃料经久耐用,这样军舰就可以大大延长航程而不必补充燃料,尽量减少对岸上基地及供应船的依赖。1955年,美国建成了第一艘核动力潜艇“鹦鹉螺”号。它在投入服役的最初两年内一共航行了6.2万海里而没有添加燃料。1961年,第一艘核子动力航空母舰美国的“勇往”号下水。它是世界上最大的战舰,排水量8.6万吨,航速超过35海里,只有美国的“尼米兹”级核动力航空母舰可以与之相媲美。“勇往”号的建造费用高达4.5亿美元,舰上官兵共4600人。可载战机约84架,每15秒钟就可弹射一架飞机升空,效率极高。
核动力船最受重视的时候是20世纪的50年代和60年代。当时,美国有一大批坚信核技术时代已经来临的工程师。他们宣称,核动力火箭将超越前苏联的化学动力火箭,一旦开发成功,就可以使美国率先进入核太空时代。他们的游说赢得了美国国会的支持,批准了20亿美元的资金,用于设计和建造核能火箭,利用核弹爆炸的反推力推进太空船,代号为“奥利安计划”。从1958年到1965年的7年间,在花费了l000万美元后,这个计划不了了之。
唯一成为现实的是海洋核动力技术。除了核潜艇之外,美国人还制造出了一艘“无树平原”号核动力船。它于1964年建成,长181米,宽23.8米,吃水8.8米,头等客舱可载客64人,7个货舱载货9400吨,平均航速21节。船上的核反应堆可保证汽轮机在1.6万个小时内连续运行,航行距离达33.6万海里。这艘在“原子能和平利用”的口号下建造起来的客货两用船造价高达l亿美元,运营了8年才盈利l100万美元。这时候人们才意识到,轮船在装卸货物时可以补充燃料,造一艘不停靠任何码头的轮船,让它成年地在海上漫游,其实并没有任何实际意义。最后,“无树平原”号被勒令退役并永久封存。
尽管遭遇了许多挫折,但原子能船的优势还是显而易见的,而且前景非常广阔。目前,美国、俄罗斯、日本等国家都在研制原子能商船,至于原子能破冰船、原子能潜水舰等,经过半个世纪的使用,已经成为很成熟的船舶类型了。