3.1　“活塞”動力登堂入室（1885年）

重于空氣的航空器飛上天空，必須要有航空動力。自世界第一次工業革命發生、蒸汽機誕生以來，航空先驅們為研制使飛機得以升空的發動機做出了艱苦的探索，經歷許多挫折和失敗，一步一步前進，終現曙光，活塞發動機噴薄而出。

詹姆斯·瓦特（James Watt，見圖3-1）是英國著名的發明家，是工業革命時期的重要人物。他對當時已出現的蒸汽機原始雛形做了一系列的重大改進，發明了單缸單動式和單缸雙動式蒸汽機，提高了蒸汽機的熱效率和運行可靠性，對社會生產力的發展作出了杰出貢獻。他研制的實用型的蒸汽機（見圖3-2）開啟了動力之門，也為后來航空動力的問世打下了基礎。

瓦特1736年1月19日生于英國格拉斯哥。瓦特從小就表現出了精巧的動手能力以及數學天分。1757年瓦特到格拉斯哥大學工作，修理教學儀器。在大學里他經常和教授討論理論和技術問題。瓦特在朋友的引導下，開始了對蒸汽機的實驗。經過大量實驗，瓦特發現效率低的原因是由于活塞每推動一次，氣缸里的蒸汽都要先冷凝，然后再加熱進行下一次推動，從而使得蒸汽80%的熱量都耗費在維持氣缸的溫度上面。1765年，瓦特取得了關鍵性的進展，他想到將冷凝器與氣缸分離開來，使得氣缸溫度可以持續維持在注入蒸汽的溫度，并在此基礎上很快建造了一個可以運轉的模型。終于在1776年，第一批新型蒸汽機制造成功并應用于實際生產。

瓦特開始繼續研究如何將蒸汽機的直線往復運動轉化為圓周運動，以便使得蒸汽機能為絕大多數機器提供動力。之后瓦特又對蒸汽機做了改進并取得了一系列專利：所有這些革新結合到一起，使得瓦特的新型蒸汽機的效率是過去的紐科門蒸汽機的5倍。

蒸汽機經紐科門和瓦特發明和改進后，技術日趨成熟。這個被譽為“萬能的原始動力”被人們寄予厚望。但它能在海陸空的交通工具中扮演最關鍵的角色──發動機嗎？經科學家、發明家和工程師的不懈努力，歷史給出了答案。

1807年，一艘名為“克拉蒙特”號的輪船出現在紐約港，該船以每小時8千米的速度溯哈得遜河而上，用32小時抵達距紐約240千米的上游奧爾巴尼，這次試航拉開汽船時代的序幕。

原來，“克拉蒙特”號是世界上第一艘以蒸汽機為動力的輪船。它的發明人是美國工程師羅伯特·富爾頓（Robert Fulton，見圖3-3）。

羅伯特·富爾頓出生于美國一個貧苦的農民家庭，小富爾頓從小就愛幻想。他后來發明蒸汽機輪船和他童年的一次經歷有關。

有一天，小富爾頓和鄰居大叔一起駕著小船到河的上游去找活干。他們開始悠閑地撐著篙，逆流而上。突然，水流湍急，小船在河中打轉，富爾頓和鄰居大叔拼命地撐篙，汗水濕透了他們的衣服，但船僅能艱難地移動。富爾頓心想：撐篙太費力了，假如有一種東西能讓船自動行走，該多么好啊！他把這個想法和鄰居大叔說了。鄰居大叔一面用力撐著篙，一面笑著說：“假如有一種東西能讓船自動行走，那這樣東西是什么呢？”

自此以后，“怎樣使船自動行走？”就成了藏在富爾頓心中的重大問題。1793～1807年的十多年間，他進行了艱苦的攻關，終于研制出以蒸汽機為動力的新輪船，并于1807年8月17日在哈得遜河試航成功（見圖3-4）。

無獨有偶，蒸汽機用于火車，也得益于一位自學成才的工程師堅韌不拔的努力。

1814年7月25日，世界上首臺火車“布魯克”號在英國一個煤礦的軌道上運行。它拉著礦車，以每小時6.4千米的速度前進。以前在礦區運煤是用馬拉車，在軌道上運行，速度慢，運量少。人們從未見這樣的機器怪物跑得這么快，上面的煙囪還噴著火，人們不禁驚呼：“火車！”這樣“火車”就成了正式名字。而蒸汽機車則被稱為“火車頭”。這個名稱一直沿用至今。

研制“布魯克”號火車的人是喬治·斯蒂芬森（George Stephenson，見圖3-5）。

喬治·斯蒂芬森1781年生于英國一個礦工家庭，由于家境貧窮，斯蒂芬森上不起學，直到18歲還是文盲。他不顧人們的嘲笑，和七八歲的孩子坐在一個課堂里，從認字母開始學起，并刻苦學習技術知識，很快成長為一名工程師。為改變礦區運煤落后狀況，他從1810年開始著手制造蒸汽機。1814年7月25日運行“布魯克”號（見圖3-6）的蒸汽機有兩個汽缸、一只2.5米長的鍋爐。

在以后的10年中，斯蒂芬森制造了12輛與“布魯克”號相似的火車頭，1825年研制了“動力”號機車。同年9月29日，在修建完成的達靈頓至斯托克頓全長32千米的鐵路上，該車滿載著550名乘客，從達靈頓出發，以每小時24千米的速度駛向斯托克頓，成為人類歷史上第一輛旅客列車。

蒸汽機轉動了輪船和火車之輪，但是蒸汽機用于飛機卻不給力。在近半個世紀的歲月里，航空先驅為使蒸汽機飛起來屢試屢敗。

繼蒸汽機之后被千呼萬喚始出來的新的動力裝置是以汽油為燃料的內燃機，正是由于內燃機的出現，誕生了汽車，也為飛機升空帶來曙光。

德國人卡爾·費里特立奇·本茨（Carl Friedrich Benz）和戈特利布·威廉·戴姆勒（Gottlieb Wilhelm Daimler）各自獨立地發明了汽車。

卡爾·本茨1844年出生于德國。從中學時期，本茨就對自然科學產生了濃厚的興趣，1860年本茨進入綜合科技學校學習。他當過學徒工、服過兵役，于1879年12月31日制造出第一臺單缸煤氣發動機，轉速為200轉/分，功率約為0.7千瓦。1885年，他終于研制成單缸汽油發動機，轉速為250轉/分，并將它安裝在自己設計的三輪車架上，制成世界上第一輛三輪汽車。圖3-7為其仿制品。

戈特利布·戴姆勒1834年出生于德國。1852年，他就讀于斯圖加特工程學院。少年時代的戴姆勒就對燃氣發動機產生了濃厚的興趣，并開始學習研制奧托式燃氣發動機。1872年，戴姆勒設計出四沖程發動機。

1883年，他與邁巴赫合作，成功研制出使用汽油的發動機，并于1885年將此發動機安裝于木制雙輪車上，從而發明了摩托車。1886年，戴姆勒把這種發動機安裝在他為妻子43歲生日而購買的馬車上，創造了第一輛戴姆勒汽車（見圖3-8）。

由于汽油發動機成功地用于汽車，航空先驅曼利、泰勒分別設計出裝于飛機的活塞發動機，前者試飛失敗，后者試飛成功。

從此，飛機的“活塞時代”揭開了帷幕。圖3-9為飛機上用的星形活塞發動機。