中华学生百科全书-第127章
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自德国人鲁道夫·狄塞尔于 1892 年发明柴油机后，德国人首先于 1894
年造出了世界上第一台内燃机车。而内燃机车真正地进入实用则是本世纪 20
年代以后的事了。
柴油机车具有先天的优越性。它的造价虽然比蒸汽机车贵了一倍，但运
行费用却是蒸汽机车的 40％，重要的是：它既节能又可将功率做得很大。比
如美国通用汽车公司在 1969 年造的 DDA40X 型内燃机车，牵引功率达到 6600
马力。而且我们还知道：携带柴油机比携带同等重量的煤方便而且行驶的距
离要长得多。同时，烧柴油比烧煤的工作环境干净得多。正是由于这些先天
的优越性，所以内燃机车一旦投入使用，便显示出强大的生命力和明显的优
势。世界各国竞相使铁路牵引动力内燃机化。在这方面走在前面而且做得最
好的是美国。美国在 1925 年出现了第一台正式使用的内燃机车，这辆车直到
1957 年才进博物馆。二战后，由于油价低，而且战争使得内燃机工业得到空
前的发展，美国人利用这个机会迅速实现了内燃机化。到 60 年代初，蒸汽机
车已被淘汰。还出现了一种用柴油机驱动发电机使机车运行的机车。在美国，
这种长途列车是最经济的。与此同时，英国等国也积极实现内燃机化，到 1962
年，英国便停止生产蒸汽机车了。
我国自 1881 年制造出第一台蒸汽机车“龙”号后，铁路运输虽然有不小
的发展，但与其他国家相比，差得太远了。到 1958 年才由大连机车车辆厂制
造出第一台“东风”型内燃机车。直到前几年，才将最后一台蒸汽机车开进
博物馆。而我国的第一台在铁路干线上运行的电力机车是 1958 年制造的“韶
山—Ⅰ”型。
今天在世界各地的铁路上基本上看不到那种冒着浓浓的黑烟的蒸汽机车
了。常见的有内燃机车、电力机车和高速列车等。
高速列车
史蒂芬逊父子在 1830 年制造的“火箭”号空载以接近 50 千米的时速行
驶，就已使当时的人们感到惊讶了，与今天世界上一些发达国家的高速列车
相比，时速 50 千米简直不值一提。今天，著名的高速列车如法国的 TGV、日
本的“子弹”火车，以及德国从 1991 年 6 月 2 日正式投入营运的 ICE，速度
都在每小时 250 千米以上。而正在发展中的高速列车特别是磁悬浮列车，时
速将超过 400 千米。
但是，我们说过，速度的提高并不是件轻易而举的事。从“火箭”号到
今天的高速列车，速度提高了好几倍，营运的安全性和舒适性也大大提高了。
所有这些提高都是建立在许多人的冥思苦想和勤奋工作的基础上的。正是这
些人的不懈的努力改进了从铁轨到机车制造的每一部分，并积极探索全新的
铁路和机车，才有了今天的高速、舒适的高速列车和处于实验阶段的磁悬浮
列车。回顾这个过程，人们往往会情不自禁地对那些杰出的科学家和工程师
们表示钦佩。
首先，铁轨的建造就不容易。钢轨做成什么样的形状好？两条钢轨间的
距离多大？是否整条铁路就用两条完整的钢轨？
摩托车手在比赛转弯时，会将车身向弯道内侧大幅度倾斜，几乎贴着地
面。我们知道：这样做是因为车速太快，转弯时离心力太大，如果不倾斜，
会连人带车都冲出跑道。高速行驶的列车也会碰到同样的问题。常见的解决
办法是将弯道外轨垫高。据计算：当转弯半径为 250 米时，外轨道超过内轨
150 毫米，对通过该处的列车的时速限制为 95～103 千米。列车时速不能低
于下限，否则会压坏内轨。103 千米的时速显然不能算高速，但如果外轨继
续垫高，则下限速度变大，某些速度慢的车在此不能通过。为了解决这个矛
盾，科学家和工程师将高速列车的车身设计成可自动倾斜的。其倾斜程度由
一套灵敏的控制系统根据转弯半径和车速而定。有了这种自动调节装置，乘
客在转弯处就不再有要被甩出去的感觉了。当从转弯处进入直线段时会自动
恢复，看起来整个车身在摆动。常被称为摇摆式列车。
以上那些改进，都是为了提高机车的速度和安全性。但如果想继续提高
列车的速度就会遇到严重的障碍：一般有车轮的机车是借助轮轨间的粘着力
运行。当车速不断提高时，粘着力会减少，而车身受到的空气阻力越来越大。
当车速达到一定值时，空气阻力会大于粘着力。这样，无论怎样增大牵引力
也不能提高车速了。但科学家和工程师干脆将车轮去掉。这样的想法可能一
般人难以想象，没车轮的列车怎么行驶？但无轮的列车不仅可以行驶，而且
行驶的速度更快、更平稳。当然，要做到这一点并不容易。
去掉车轮，使机车悬浮在轨道上，这就成了所谓悬浮列车。通常有两种
办法做到这点：一种是利用压缩空气在车底面与导轨之间形成空气层（又称
气垫）。这种机车用燃气轮机车或线性感应电动机来驱动。法国在 60 年代曾
多次试验过气垫车，其中有的时速达到 422 千米（指最高时速）。英美等国
也都进行过这方面的努力。
另一种使列车悬浮起来的办法就是利用电磁铁的相吸和相斥的原理。若
用的是常导电磁铁，则将导轨做成 T 形。利用磁铁吸引钢板的原理，通过控
制电磁铁中的电流来调节电磁铁和导轨间的距离为 10～15 毫米。机车的运行
是靠感应线性电动机来驱动的。
自从 1911 年昂尼斯发现超导现象以来，人们对超导的研究越来越深入。
同时，将超导体用于磁悬浮列车的研究也越来越受到人们的重视。因为利用
超导体可以获得极强的磁场，而消耗的电能却极少。其基本原理是这样的：
在列车的相当于车轮的部分安装上超导磁体，这个磁体产生很强的磁场。而
轨道用金属做成许多闭合回路。当用线性电动机驱动列车运行时，回路切割
磁力线产生感生电流从而产生与上面所说的磁场极性相反的磁场，因而形成
极大的排斥力将列车浮起来。通常悬浮的高度是 10～20 毫米。所谓直线电动
机是这样的：在轨道上装上两排线圈相当于同步电机的“定子”，而列车上
对应的线圈则相当于“转子”。轨道上“定子”中的输入电流可通过计数控
制来调节列车的速度。车体两旁装有如同飞机的起落架一样的辅助橡皮车
轮，用于列车的启动和停车。这样的列车速度高，稳定性好，噪音小，所以
许多国家都在积极研制。特别是德国。早在 1979 年，在汉堡国际交通运输博
览会上，德国首次展出了磁悬浮列车并做了运行表演，人们第一次领略到了
磁悬浮列车的快速、低噪、平稳的优点。最近，为发展高速磁悬浮列车，德
国高速交通财团已着手成立新的联合公司，公司的近期目标是在汉堡—柏林
间修建时速达 400 千米的磁悬浮铁路，并计划在未来 10 年内投入商业运营，
届时两地之间的旅行时间将仅为 55 分钟。其他国家的高速列车的研制也没停
止。日本的新干线正向时速 350 千米进军。而法国正发展时速 300 千米的第
三代 TGV 双层客车，到 1998 年末预订的 100 列可全部投入使用。而且，法国
还正考虑 TGV 的高速货运。
地铁
今天，列车也可在城市内作为公共交通工具使用。这就是我们熟知的地
铁。地铁一方面可以方便地选择修建线路，同时列车也不用挤占本来很紧张
的城市地皮。
世界上最早的地铁是 1863 年在伦敦建成的，当时还是用蒸汽机车牵引
的，现在的地铁列车都用电力机车来牵引了。在上个世纪，世界上还有芝加
哥（1892）、布达佩斯（1896）、格拉斯哥（1896）、维也纳（1898）等几
个大城市修建了地铁。现在，世界上很多大城市都有地铁了。其中最发达的
要属莫斯科的地铁了。在那儿乘地铁可以很方便地到城市的各个角落去。
在我国，虽然早在 1887 年在台湾就修建了第一条隧道，但地铁的修建却
是很晚的事了。北京到 1965 年 7 月才开始修建地铁，第一期工程到 1965 年
9 月完成，第二期工程到 1984 年才完成，通常认为：一个城市人口如果超过
了百万，就应考虑修地铁了。但我国到目前为止，还只有北京和上海有地铁
运行，而且线路很短。同时天津、广州等城市也正在修建地铁。
地铁的修建并不是一件容易的事，它耗资惊人，而且根据地下条件的不
同，挖掘方法也有多种。但是，一个人口众多的城市，特别是像我国的大城
市，要想真正提高城市公共交通的效率，还是应该重点发展地铁而不是小汽
车的出租业。
未来列车
生活在史蒂芬逊时代的人们，恐怕不可能想象到今天的安全、舒适、安
静的高速列车。同样，生活在今天的人们，要想很准确地说出未来的列车是
什么样子，也不太可能。但我们可以设想：按已有的科学原理，我们可以通
过努力造出什么样的列车来。
总的看来，列车的发展无非是改进牵引和改善列车的运行条件。前者包
括能源形式和牵引功率的提高。比如：从蒸汽机车到正在发展的磁悬浮列车，
能源从煤变成了电，动力装置从简单的蒸汽机变成了线性电动机。轨道从本
身的制造到铺设技术都有了很大的提高。其目的是提高运行的速度和安全
性。那么未来的列车在这些方面会有什么提高呢？
自奥托·哈恩发现核裂变以来，核能的利用已广为人知。是否能将原子
能用于列车的牵引呢？科学家们正做这种设想。目前，轻元素的聚变还无法
人工控制，核能的利用通常是指利用重元素的裂变释放出来的能量。常用的
重元素如铀 235 等。一克铀 235 裂变释放的能量相当于两吨半优质煤完全燃
烧所产生的能量。利用原子能机车来拉 3000 吨重的负载，只需 50 克铀 235
即可从北京到上海再到广州。如果用内燃机牵引，则要带上 30 吨的油作为燃
料，若用蒸汽机车就要带上 100 多吨煤。差别不能说不大。
原子能机车的动力部分除了原子反应堆外，还要有蒸汽锅炉、汽轮机、
发电机、配电设备和电动机，总的结构非常复杂，简直就是带着一个小的核
电厂在运行。它的原理是将核裂变的热能经蒸汽锅炉、汽轮机、发电机变成
电能供电动机来牵引机车。这种车的结构虽然复杂，但我们可以设想：其控
制全由计算机自动完成，包括发出减速和停车的指令等。这种车预计时速可
达到 300 千米以上。
除了改进能源，富于想象力的美国人还设想了一种未来的列车。美国科
学家设想在纽约与洛杉矶之间横贯美国大陆修一条地下铁路（这恐怕不是一
件轻易而举的事），用闸门将轨道分成若干段，每段叫闸室。每个闸室的大
气压力略有差异。设想的运行情况是这样的：当列车进入第一闸室时，这里
的气压只有大气压力的 1／4，其后每个闸室递减 1／4，整个线路的气压相当于
距地球 50 千米处的气压。由于气压低，几乎没有空气阻力，所以可以高速行
驶。但是，由于气压低，列车得密封。这种列车可以在很短的时间内将速度
提高到惊人的程度。但是加速度不能过大，这是很显然的。应把加速度控制
在 0．6g 以下。为了减轻加速度给乘客造成的不适，科学家们还设计了一种特
殊的座椅，它可随着加速度的变化改变倾斜度。
美国人还设想了一种风动列车。它不需要发动机。其行驶原理是这样的，
在两座城市的地下建一密封管道，管道一端气压远高于另一端。靠气压差产
生强大的推力。但是，必须还要考虑如何使车停下来。当然，这种没有发动
机的车并不是不消耗能量，因为形成气压差是要消耗能量的。很显然，这种
设想不如前面的一种，但比较一下，最现实的还是磁悬浮列车。估计在不久
的将来即可进入实用。
水路运输
帆船
人类与生俱来的好奇心使得人们总有越过江河、湖泊甚至大海去探索新
天地的愿望。正是这些原因促使人类的祖先发明了木筏、独木舟等水上交通
工具，并借助帆来利用丰富的风力资源。当然，仅仅靠风驱动是不够的。所
以人们还发明了桨。至于帆和桨哪个先出现，现在人们无法确知。不过，从
一些古迹上看，桨的出现似乎早些。如果把帆、�
