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蒸汽机技术进步:革命还是累积?

来源:《科技中国》2017年第五期p38-42

日期:2017-06-06

文/张九庆(中国科学技术发展战略研究院)

关于技术进步的模式,存在着两种不同的观点。一种是技术革命论,技术进步来自于少数几个发明家天才的重大发明。在技术的局部改善与原理性的重大突破中,革命性的技术更为重要,因此技术进步的历史往往是少数几个人的辉煌自传史:瓦特发明了蒸汽机,爱迪生发明了电灯,贝尔发明了电话。另一种是技术进步的连续论,任何一项技术是是由多个小发明、小改进逐渐累积起来的,是一个从简单到复杂、从单一到多样、从量变到质变的过程,著名发明家不过是众多发明家中的几个突出代表。
我的观点是,技术在不同领域和发展的不同阶段表现是不同的,但只考察某一个时间点或者某个发明物最初形态,会掩盖许多事实。例如,近代技术的起点源于蒸汽机的发明。当人们谈到蒸汽机发明时,往往只会把它与瓦特联系起来。有一种神话般的传说,夸大了瓦特(James Watt)在蒸汽机发明中的地位:年轻的瓦特在观察到水蒸气从茶壶盖边喷出的景象中突然得到了灵感,从而发明了蒸汽机,从此导致了工业革命的产生。
事实上,蒸汽机技术的发明和发展远不是这样简单和神奇,到瓦特时代,技术发明家已经在蒸汽机发明的这条道路上跋涉了很多年。瓦特之后二三十年,蒸汽机技术与瓦特时代相比也是大为不同了。
本文以蒸汽机技术的发展为例,来说明技术进步的过程。
一、瓦特以前的发明人:巴本、萨弗里、纽可门
瓦特之前的几个重要发明家是巴本(DenisPapin)、萨弗里(Thomas Savery)、纽可门(Thomas Newcomen)。
巴本曾师从著名的荷兰科学家惠更斯和英国科学家玻义耳学习物理学。他的第一个发明是现在在厨房普遍使用的压力锅,当时的名字是“骨头消化器”,其原理是当水被加热在一个封闭容器内无法溢出时,容器内压力增加提高水的沸点,从而快速煮熟食品。巴本把这项发明作为迈向蒸汽机的第一步。由于政治气候的变化,巴本不能回到法国做他的试验,便接受了一个德国贵族的帮助,在马伯格大学获得一个席位。他在这里建造了一个实验模型,对后来的蒸汽机的主要贡献就是在设计中首次使用了活塞和气缸。在实验时,他先将汽缸的底部注入少量的水,再把汽缸放到火上加热。当汽缸内的水沸腾后,蒸汽即推动活塞慢慢上升;然后,又把火从汽缸下抽掉,汽缸内的蒸汽即慢慢冷凝。由于蒸汽的冷凝,汽缸内产生真空,在大气压力的推动之下,活塞又慢慢下降。通过这一实验,使巴本认识到,利用蒸汽压力、大气压力、真空的交互作用,完全可以推动汽缸内的活塞及其活塞杆作往返的直线运动,而这种运动所产生的机械动力可以带动其他机械的运动。在发明带有活塞的蒸汽泵之后,考虑到蒸汽压力大可能会使汽缸爆炸,巴本又发明了安全阀。1690年,巴本的发明印在一本小册子上发表,希望更多的人来使用。但是很少人注意到他的发明,连他的赞助人也失去了兴趣,他的这个实验装置最初用在面粉磨上,他把装置用于轮船的设想没有得到支持。
继巴本之后,在近代蒸汽动力技术的发展中做出重要贡献的是英国皇家工程部队的机械工程师萨弗里。他把自己发明的蒸汽泵称为“矿工之友”,其目的是帮助矿井提水。他对一个单独的锅炉加热,并交替向两个独立的容器送入有压力的蒸汽。当蒸汽通过汽管进入汽缸后使这部分蒸汽冷却,而冷却后造成的真空就把矿井中的水从吸水管中吸进来,此时再将蒸汽注入汽缸,这部分进入汽缸的蒸汽所产生的压力就把水从排水管中排放出来。后来,萨弗里研究了巴本的蒸汽泵,在他的蒸汽泵中也采用了安全阀。1698年萨弗里取得了自己的发明专利。
纽可门研究了萨弗里的蒸汽泵,他认为萨弗里蒸汽泵存在着明显的缺点。首先是热效率太低,其次是缺乏自动性和足够的压力。为了避免蒸汽和水的直接接触,纽可门在设计上作了重要革新:他不让冷却水直接进入汽缸,而是把冷却水通过一个细小的龙头向汽缸内进行喷溅;他在萨弗里蒸汽泵中引入了巴本的活塞装置,这样蒸汽压力、大气压力和真空即可在交互作用下推动活塞作往复式的机械运动。而这种机械运动一旦传递出去蒸汽泵也就成为了蒸汽机。1705年,纽可门和萨弗里合作,试制出了第一台真正算得上是动力机的蒸汽机。这种机器的用途也是矿井排水,不过笨重、耗煤是仍它最大的缺陷。
二、瓦特的蒸汽机发明与资本
瓦特自1763年冬天开始改进纽可门蒸汽机的工作。当年格拉斯哥大学把修理一台纽可门蒸汽机的任务交给了瓦特。在修理的过程中,瓦特深感它的不足,所以决心动手研制一种性能较好的蒸汽机。经过一番努力,瓦特发现了纽可门蒸汽机效率低的原因与解决方法:既然蒸汽具有压缩性,只要把汽缸和另一个容器相连接,让蒸汽接入其中,就不需一再冷却汽缸,浪费许多热量了。瓦特紧接着设计了一个与汽缸分离的冷凝器,并在汽缸外面加了绝热套,使汽缸保持在高温工作状态。1765年,一台带有独立冷凝器、运作正常的蒸汽机终于诞生了。
1768年,瓦特提出了他的第一份专利申请。瓦特在新设计的蒸汽机上安装曲轴、连杆等器件,使它更为自动化。这些重大的改进,使工厂和交通运输等方面都能使用蒸汽机。因此蒸汽动力的巨大潜能被逐渐地发掘了出来。
在缺乏资金的情况下,瓦特找到了第一个合伙人罗巴克。但由于瓦特精益求精,机器需要不断地完善,不到一年里罗克经济状况恶化,瓦特的发明研制暂时中断。幸好瓦特及时得到企业家博尔顿的赏识,出资与他成立了博尔顿-瓦特公司,让他在无后顾之忧的情况下,专心从事蒸汽机的实验和生产。
瓦特天性懦弱、悲观,在蒸汽机发明过程中经常出现迟疑犹豫,甚至由于接连失败而失去信心,这两位投资人不仅给予经济上支持,而且给他热情的鼓励、激励和安慰。瓦特不喜欢生意经,像很多发明人一样只关心发明的最新改良和发展而不是发明的商业应用。正是他们对于蒸汽机的应用,对商业和工业的深邃认识,积极和自信平衡了瓦特悲观、沮丧和胆怯性格,度过了一次次因为失败带来的资金困难,推动着蒸汽机的发明。博尔顿不仅帮助瓦特完成了专利,而且通过向议会游说并施加压力,把瓦特1765年的那一份专利的有效期延长到了1800年,从中获取了大量的专利税。
三、蒸汽机的发展与机械加工技术
在发生第一次技术革命的英国,机床作为加工机械的主要工具,对蒸汽机、纺织机械和其他各类机械设备的发展具有巨大的推动作用。
机床技术的发展史在很大程度上依赖于少数几位具有非凡技术能力的技师,对科学的依赖则很少。这些伟大的技师中最突出的有镗床的发明者威尔金森(John wilkinson)、制造了生产防盗锁的专用机床的布拉默(Braman)、最有才华的机床制造者莫兹利(Maudslay)、刨床制造者罗伯茨(Richard Roberts)、蒸汽锤的发明者内史密斯(Nasmyth)和精密机床的制造者惠特沃斯(White Worth)。
威尔金森1728年出生,他的父亲是一名铸工,发明过用砂子做铸型的工艺,也经营过金属加工厂,但一直未能成功。在父亲的熏陶下,威尔金森成为了一名机械技师。1774年,威尔金森取得了制造铸铁大炮和在大炮上钻孔新工艺的专利。威尔金森以前的镗床是英国人斯米顿设计了为蒸汽机汽缸镗孔的水力机械,但因加工工程中长轴容易弯曲而精度不够,导致加工的汽缸内孔变形为不规则的圆。1775年,威尔金森制造了一台卧式镗床。这种新式镗床在与加工工件无关系的支承两端的一根轴上装有刀具,刀具转动进行镗削加工。该轴可贯通汽缸的内部,镗削其内圆。通过解决了长轴变形的难题,威尔金森使得汽缸加工精细,使活塞与汽缸能严密合缝,明显提高了瓦特蒸汽机的热效率。威尔金森还提出了在镗孔内刻来福线的新方法。1789年,他取得了在枪膛内刻有来福线步枪的专利,1790年又取得了在铅管上刻线条方法的专利。
布拉默1749年出生于约克郡,学习过木工,29岁获得了自己的第一个水洗便器的专利,从制造安全锁开始踏上了真正的发明之路。为了改进当时的铁锁,他绞尽脑汁,设计并制作出一种当时任何地方都没有使用过的性能优异的最新式的锁——圆形暗锁,并在1784年取得了这种安全锁的专利。布拉默的锁非常畅销,便雇用有熟练技术的机械工,18岁的机械工亨利·莫兹利来到了布拉默的工厂。
莫兹利1771年出生在考文垂,12岁开始做工,做过木工和锻工。由于布拉默技术超群,要求严格,并言传身教,使莫兹利很快就成为一名优秀的技师,被誉为布拉默工厂里最有才能的机械工。
莫兹利对机械技术的新事物具有十分正确、敏锐的眼光。在制锁时,莫兹利就注意到了,为了满足需要量,如果再采用手工制锁方式的话,其产量就满足不了需要,只有借助机械,才能进行大批量生产。因此,他认为需要改进过去已有的机床。按照这一设想,莫兹利开始了车床的研制。1794年,他制作了刀具的自动进给装置——进给箱。不过这时的车床是安装在桌子上的小型车床。
莫兹利26岁的时候,因为结婚后家庭成员的增加,要求布拉默增加工资,但遭到拒绝。于是他离开了工作8年之久的布拉默工厂,自己开办了一个新工厂。莫兹利的工厂接受了第一批订货,他小心谨慎地制作了尺寸正确的优质产品。而且,取得了信誉,接着订货接踵而来。由于他技艺高强,小厂很快兴旺起来,后来雇工达80名,厂越办越大。
1797年莫兹利制造了全金属大型车床,其目的在于用它车制尺寸准确的螺丝。这种机床通过进给箱和安装在车床上的丝杠相啮合而自动进给,可以加工出十分精确的螺纹。用几个齿轮把主轴与丝杆连接起来,机器起动后,齿轮的转动带动了丝杆转动,只更换大小不同的齿轮,便可改变丝杆的转速,这样就能自动加工出不同螺距的螺丝。因采用了齿轮的组合体,这种螺纹加工机可以多级改变丝杠的转速,加工不同螺距的螺纹。莫兹利的高明之处在于,他发明了刀架。刀架是机床的核心,后来相继出现的刨床、钻床、镗床等各种机床,都离不开刀架。所以,人们称莫兹利为“车床之父”。
莫兹利不仅是一位优秀的机械技师,还培养了几位优秀的机械技师,罗伯茨、内思密斯、惠特沃斯等人就是他的优秀弟子。这些人对英国机械工业的发展做出了贡献。
四、蒸汽机技术的众多竞争者:霍恩布洛尔、布尔、特利维西克和瓦特
瓦特的蒸汽机自然形成了垄断,这是当时的矿主们不情愿看到的,他们鼓励与瓦特同时代的发明家制造出新的蒸汽机。
霍恩布洛尔1778年制造了有两个闭式气缸的蒸汽机,第一个气缸接受直接来自锅炉的蒸汽,第二个气缸容量比第一个大一倍,接受第一个气缸排出的蒸汽。霍恩布洛尔获得了这种复式蒸汽机的专利,1781年投入实际使用。布尔设计了可以直接提升活塞杆的泵用蒸汽机,也投入了使用。不过因为这些装备都应用了瓦特的单独凝汽器,用户们不得不付给瓦特专利税。
为了摆脱瓦特的专利税(特里维西克和布尔制造的蒸汽机,受到博尔顿的指控,一直逃税),特里维西克把注意力转向高压锅炉,发展出高压蒸汽机。考虑到高压的安全性,瓦特不去提升蒸汽压力。1802年,特里维西克取得了高压蒸汽机的专利权。1815年,特里维西克取得了柱塞杆蒸汽机的发明专利。这种蒸汽机把功率和效率都提高了很多。
与此同时,伊文思在美国,开始设计出和特里维西克类似的高压蒸汽机。1801年伊文思在美国获得高压蒸汽机的发明专利。
五、科学对蒸汽机技术的作用
在蒸汽机技术的进化过程中,研究气体的欧洲科学家已经走在了前面。当时的科学家有托里拆利、波义耳、盖吕萨克、居里克和惠更斯等。例如,托里拆利测定了大气压力,波义耳、盖吕萨克考察了大气压力和体积、温度与体积的关系,居里克和惠更斯研究了大气压力可以用来做功的问题。
虽然瓦特没有上过正规的大学,但他得到了不少大学教师和朋友的帮助。进入格拉斯哥大学以后,瓦特结识了不少学者,接触了不少科学的仪器,他的知识领域大大丰富,他的眼界也大大开拓了。当他分析纽可门蒸汽机缺陷的时候,求教于格拉斯哥大学的布莱克教授。
布莱克教授在当时最著名的发现是“潜热”理论,而对瓦特思想难题最大的理论启发,也正是来自潜热理论。潜热理论指出:当物质从一种状态转到另一种状态的过程中,需要吸收或放出热量。比如说,当100℃水转变为100℃的蒸汽,虽然同是100℃的温度,但100℃的水必需再吸收足够的热量才能转变为100℃的蒸汽,而当100℃的蒸汽重新冷凝为100℃的水时,又需要将在汽化时所吸收的热重新释放出去,为了使蒸汽放热就需要在汽缸外面浇泼很多的冷水。水变成蒸汽所需吸收的热和蒸汽冷凝所需释放的热,都被称作“潜热”。
布莱克和瓦特用潜热的理论找出了纽可门蒸汽机费燃料多而做功少的根本的原因,提高纽可门蒸汽机的热效率就是设计减少潜热消耗的具体方法和设备。这就导致了瓦特蒸汽机的核心突破——独立冷凝器的发明。
1824年,卡诺提出了著名的卡诺原理:蒸汽机的效率取决于工作介质和汽缸与冷凝器之间的温差。科学理论开始在蒸汽机技术改造中发挥更大的作用。
六、结语:蒸汽机技术进步的综合因素
对于蒸汽机技术发明为什么产生于英国,更一般地,为什么近代工业革命产生于英国,许多学者都做过研究。各种观点理论五花八门,除了分析技术发明本身以外,考察集中在特定的社会结构、法律制度、产权观念、科技水平、传统文化等一些外在的共生因素。现在多数学者的结论是,蒸汽机技术进步是多种要素综合作用的结果。
劳动力要素。英国早期经济的发展,提高了高收入的人群数量。这个高收入人群通过投入教育,增加了有知识的劳动力储备,这些劳动力对工资有着较高的期待,使得企业劳动力成本增高,会迫使企业业主渴望新机器取代劳动力;同时这些接受过教育的人也能发明出更多新工艺新产品。
能源要素。英国煤炭资源的发现和大幅度开采,产生了低廉的能源,使得企业能在早期蒸汽机燃烧效率不高的情况也能够消耗得起煤炭,在支付劳动力成本后仍然有利可图。
科技要素。经过文艺复兴后近200年的发展,英国在基础科学、关键领域技术发明(纺织机、水力机、风力机和煤炭开采技术)、共性技术(如机械加工)发明等方面,为蒸汽机技术的发展奠定了坚实的科技基础。科学家和发明家群体的贡献进一步完善和发展了蒸汽机技术。
制度要素。从宗教束缚中解脱之后,英国公民变得更加世俗,发财、赚钱等已是人们的口头禅,个人对财富的渴望也得到了专利制度、产权制度等的保障。
市场要素。农业生产条件改善、纺织业集中、贸易和商业活动频繁使得英国城市化发展迅猛,商品和人员流通大幅度增加,导致以蒸汽机为动力的火车、轮船把蒸汽机技术推上了发展巅峰。