汽船汽船是什么…

轮船的历史很长,我国唐代就出现了人力驱动的车船,宋代有了更多发展。欧洲也出现过兽力驱动的轮船。人力和兽力非常有限，难于远航。只有蒸汽机发明以后，轮船才得到飞速的发展。轮船这个名称来自“明轮”船，即以露出水面的、明白可见的“桨轮”为推进器的船。当代船舶基本上都以没入水中的螺旋桨(当时曾称为“暗轮”)推进。但“轮船”这个名称仍在广泛使用，例如“远洋货轮”、“定期班轮”等等。

英国工业革命中蒸汽机的诞生和发展为船舶航行提供了新的动力。在工业革命以前，风力和人力曾被广泛地作为动力以推动船舶的运动，但只有利用机械动力推船前进，人类才能在河中、海上操驾船舶获得主动权。为了实现这一革命性的转变，人类在工业革命之前实际上已经开始了机械动力推进船舶的研究活动，但有效的研究活动往往待到瓦特蒸汽机发明后才开始。

世界钢铁工业和机械工业几乎与蒸汽机同步发展。19世纪中叶，几千吨的大船可以借蒸汽机发出的动力驱动和操纵。轮船不受风力和风向的制约，在许多航线上都显示出它的绝对优势。很快地，轮船在军舰中也占了优势。过去，西方列强就是利用它们的“船坚炮利”的优势来侵略中国。当时的中国维新派人士也说：“自强之道在于造船制炮。”

蒸汽机船的诞生

用蒸汽机推进船舶的最早设想是用蒸汽机驱动浆轮(Paddle Wheel)以代替人力划浆。欧洲早在罗马时代就出现过人力和兽力(马和牛)驱动浆轮的船。我国唐、宋时期也多次造过以浆轮作为推进器的船，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。

美国富尔顿设计并建造的汽船

美国发明家富尔顿(Robert Ful-ton)。1802年，他在法国巴黎居住时，曾专程去苏格兰，参观在运河上航行的蒸汽机船CharlotteDundas号，并于1803年造了一艘蒸汽机轮船在巴黎塞纳(Seine)河上表演过。他于1806年向英国Boulton&Watt工厂定造了一台新式蒸汽机，回到美国。他于1807造了一艘长40.5米、宽5.5米、深2.75米、排水量400吨、桨轮装在两舷的木质蒸汽机船。该船在哈得孙(Hudson)河上试航,从纽约到奥尔巴尼(Albany)航程390公里，平均航速7.22公里/时，最快达到8.7公里/时。该船定名为克莱蒙特(Clermont)号。这是在行政和财务上支持他创业的社会名人Robert Livingston故乡的名称。这船试航成功后，富尔顿在纽约和奥尔巴尼两城市间开辟了一条旅客班轮航线。汽船不受天气风向的影响，准时到达，受到乘客欢迎，在商业上很成功。

世界第一艘投入运输的木壳明轮船“克莱蒙特”号

蒸汽机船成功地横跨大西洋

最早全航程用蒸汽机推进，横越大西洋的天狼星(Sirius)号和大西方(GreatWestern)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Robert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。

世界第一艘投入运营的横渡大西洋的定期铁壳汽船班轮——“大西方”号

大西方号是当时英国著名工程师布律内尔(Isambard Kingdom Brunel)为英国大西方汽船公司设计的。该船全长80.2米，总宽(包括桨轮罩米，1321总吨，主机功率336千瓦。这船是英国布里斯托尔(Bristol)的Patterson工厂建造的。

蒸汽机推进装置的进步

1蒸汽机和锅炉

“克莱蒙特”号的明轮动力系统

1853年，苏格兰工程师埃尔德(John Elder)申请了新型船用蒸汽机的专利。该机可在一个循环过程中使蒸汽作2次功。蒸汽在高压缸做功后，再到容积更大的低压缸，消耗热能产生动能，然后到冷凝器冷却凝结成热水，再回到锅炉。这就是两次膨胀的往复式蒸汽机(Compound Steam Engine)。这种双膨胀式蒸汽机比过去的单膨胀机可节省燃料30%，而且机器可发出更大的功率。要使这种机器发挥作用必须有高压蒸汽。19世纪中期的船用锅炉仅能生产1.75kg/cm2压力的蒸汽。1860年前后新设的锅炉可产生压力为3.5~4.2kg/cm2的蒸汽，复式蒸汽机也就进入了实用阶段了。

2螺旋桨的推广应用

菲奇螺旋桨推进船

虽然早就有人提出用螺旋桨推进船舶的设想，19世纪以来人们也不断进行试验，但直到1839年英国才造出阿基米德(Archimedes)号，这是一艘真正用螺旋桨推进的船。这船的船长38.1米，宽6.9米，主机功率60千瓦。

英国F萨瓦奇船用螺旋桨专利

大型铁壳螺旋桨蒸汽动力商船“大不列颠”号

螺旋桨的采用，需要在船的尾拄上开一个孔洞使驱动螺旋桨的船尾轴穿出。但该处很难保证水密性，使海水不致侵入船内。在螺旋桨转动时产生振动的情况下，这里的船体结构件也较易产生裂缝，导致海水侵入，使船处于险境。1854年，造船师John Penn发现了西印度群岛上生长的铁力木(LignumVitae)。这种木材质地坚硬，有自润滑性，作为尾轴套衬十分理想。这种铁力木套衬一直应用到现代。

装甲战舰

西方铁甲舰簇

古往今来，造船基本材料一直是用木材，利用其良好的浮性和强度，可以建造大到几千吨的船舶。可是随着军舰上装备火炮的数量与日俱增，再加上笨重的蒸汽机动力设备的使用，使军舰的吨位猛增；到达了木制军舰的吨位极限。

世界上第一艘铁壳铁甲战列舰“勇士”号（Warrior）

即使是经精细处理的橡木，由于其要承载的物体愈来愈重，已达到其固有的强度极限，更大的火炮、特别是巨型蒸汽发动机造成局部重负荷不均匀地分布在船体上，致使船只木结构的受力超过其耐力强度，另外巨型木船的木料强度也难以承受纵向弯曲产生的应力。而铁的抗张强度则大大高于木材，当时的钢铁工业水平已能为造船提供必需的铁板或构件，这就为船舶进一步大型化提供了可能条件，船用材料以铁代木的革命是不可避免的事。

战列舰“勇士”号内部铁结构剖视

19世纪中叶英国人採用了铁甲铁壳船的设计方案，完全摒弃了木壳船体，使军舰设计进入了一个新的阶段。其标准的产品是铁壳铁甲船"勇士"号（Warrior）。这艘军舰的船壳换成铁结构，该舰长128米，水线间长115.8米，宽17 .7米，长宽比7.23，深7.9米，排水量9210吨，帆面积4497平方米。军舰两舷各有一条装甲带，这两条装甲带从船首部和船尾部用一座115毫米厚的横向舱壁装甲与舷侧厚达115毫米的铁装甲（内衬柚木厚达46厘米）封闭起来，形成一个装甲堡垒，舰上所有的火炮装在这个堡垒里面。该舰配有26门68磅(约30.8千克)前装式大炮，10门100磅(约45.4千克)和4门40磅(约18千克)的后装式大炮。这艘战舰的首尾都没有装甲，在装甲堡垒之外向外突出26米，只包了一层船壳铁板，没有柚木衬垫。该舰在蒸汽机推动下有15节的航速，另外在3根大桅上还配备了一整套帆具。"勇士"号是世界上第一艘有铁装甲的铁壳船，它虽只有一层炮甲板，但仍被公认为世界上第一艘战列舰。

蒸汽动力推进使人们开始对船的稳性和航行阻力研究

1870年，Cowper Coles设计的装甲战舰Captain号在西班牙以北的比斯开(Biscay)湾试航时，在中等强度的风浪中，3分钟内倾覆，全舰仅18人生还。

该舰致命的缺点是稳性不足。该舰有蒸汽机和螺旋桨推进装置，但还准备了和其他驾帆战舰一样多的帆装，何况甲板上还装有重甲的可转动的炮塔，这样船的重心更有所提高。人们早已知道降低重心和加大船宽是提高船舶稳性的主要措施。Captain事件发生后，造船者更知道了船的干舷对船的大倾角稳性和动稳性有重要关系。

流体力学中重要的现象：冯卡门漩涡

依靠蒸汽动力推进的轮船问世以后，人们对船航行时的阻力问题更加重视，因为这不仅影响船的航行速度，更影响燃料消耗量。19世纪上半叶，英国弗劳德(William Froude)对船航行时摩擦阻力和涡流的形成作了很多观察和研究。

他建设了船摸试验地，把船的阻力分为摩擦阻力和剩余阻力(包括旋涡和兴波阻力)两部分，后者与船体形状有着密切关系。他导出了根据船摸试验结果估算船的航行阻力的方法，以便选取最佳船型。1871~1873年间，他还制作了精确的测阻力仪、为船舶稳性研究用的横摇自动记录仪和测量模型螺旋桨推力用的动力仪等3种重要船模试验用仪器。此后，许多海洋国家都建设类似的船模试验池，船舶流体力学也成为造船学的一个重要分学科。