3.1　“活塞”动力登堂入室（1885年）

重于空气的航空器飞上天空，必须要有航空动力。自世界第一次工业革命发生、蒸汽机诞生以来，航空先驱们为研制使飞机得以升空的发动机做出了艰苦的探索，经历许多挫折和失败，一步一步前进，终现曙光，活塞发动机喷薄而出。

詹姆斯·瓦特（James Watt，见图3-1）是英国著名的发明家，是工业革命时期的重要人物。他对当时已出现的蒸汽机原始雏形做了一系列的重大改进，发明了单缸单动式和单缸双动式蒸汽机，提高了蒸汽机的热效率和运行可靠性，对社会生产力的发展作出了杰出贡献。他研制的实用型的蒸汽机（见图3-2）开启了动力之门，也为后来航空动力的问世打下了基础。

瓦特1736年1月19日生于英国格拉斯哥。瓦特从小就表现出了精巧的动手能力以及数学天分。1757年瓦特到格拉斯哥大学工作，修理教学仪器。在大学里他经常和教授讨论理论和技术问题。瓦特在朋友的引导下，开始了对蒸汽机的实验。经过大量实验，瓦特发现效率低的原因是由于活塞每推动一次，气缸里的蒸汽都要先冷凝，然后再加热进行下一次推动，从而使得蒸汽80%的热量都耗费在维持气缸的温度上面。1765年，瓦特取得了关键性的进展，他想到将冷凝器与气缸分离开来，使得气缸温度可以持续维持在注入蒸汽的温度，并在此基础上很快建造了一个可以运转的模型。终于在1776年，第一批新型蒸汽机制造成功并应用于实际生产。

瓦特开始继续研究如何将蒸汽机的直线往复运动转化为圆周运动，以便使得蒸汽机能为绝大多数机器提供动力。之后瓦特又对蒸汽机做了改进并取得了一系列专利：所有这些革新结合到一起，使得瓦特的新型蒸汽机的效率是过去的纽科门蒸汽机的5倍。

蒸汽机经纽科门和瓦特发明和改进后，技术日趋成熟。这个被誉为“万能的原始动力”被人们寄予厚望。但它能在海陆空的交通工具中扮演最关键的角色──发动机吗？经科学家、发明家和工程师的不懈努力，历史给出了答案。

1807年，一艘名为“克拉蒙特”号的轮船出现在纽约港，该船以每小时8千米的速度溯哈得逊河而上，用32小时抵达距纽约240千米的上游奥尔巴尼，这次试航拉开汽船时代的序幕。

原来，“克拉蒙特”号是世界上第一艘以蒸汽机为动力的轮船。它的发明人是美国工程师罗伯特·富尔顿（Robert Fulton，见图3-3）。

罗伯特·富尔顿出生于美国一个贫苦的农民家庭，小富尔顿从小就爱幻想。他后来发明蒸汽机轮船和他童年的一次经历有关。

有一天，小富尔顿和邻居大叔一起驾着小船到河的上游去找活干。他们开始悠闲地撑着篙，逆流而上。突然，水流湍急，小船在河中打转，富尔顿和邻居大叔拼命地撑篙，汗水湿透了他们的衣服，但船仅能艰难地移动。富尔顿心想：撑篙太费力了，假如有一种东西能让船自动行走，该多么好啊！他把这个想法和邻居大叔说了。邻居大叔一面用力撑着篙，一面笑着说：“假如有一种东西能让船自动行走，那这样东西是什么呢？”

自此以后，“怎样使船自动行走？”就成了藏在富尔顿心中的重大问题。1793～1807年的十多年间，他进行了艰苦的攻关，终于研制出以蒸汽机为动力的新轮船，并于1807年8月17日在哈得逊河试航成功（见图3-4）。

无独有偶，蒸汽机用于火车，也得益于一位自学成才的工程师坚韧不拔的努力。

1814年7月25日，世界上首台火车“布鲁克”号在英国一个煤矿的轨道上运行。它拉着矿车，以每小时6.4千米的速度前进。以前在矿区运煤是用马拉车，在轨道上运行，速度慢，运量少。人们从未见这样的机器怪物跑得这么快，上面的烟囱还喷着火，人们不禁惊呼：“火车！”这样“火车”就成了正式名字。而蒸汽机车则被称为“火车头”。这个名称一直沿用至今。

研制“布鲁克”号火车的人是乔治·斯蒂芬森（George Stephenson，见图3-5）。

乔治·斯蒂芬森1781年生于英国一个矿工家庭，由于家境贫穷，斯蒂芬森上不起学，直到18岁还是文盲。他不顾人们的嘲笑，和七八岁的孩子坐在一个课堂里，从认字母开始学起，并刻苦学习技术知识，很快成长为一名工程师。为改变矿区运煤落后状况，他从1810年开始着手制造蒸汽机。1814年7月25日运行“布鲁克”号（见图3-6）的蒸汽机有两个汽缸、一只2.5米长的锅炉。

在以后的10年中，斯蒂芬森制造了12辆与“布鲁克”号相似的火车头，1825年研制了“动力”号机车。同年9月29日，在修建完成的达灵顿至斯托克顿全长32千米的铁路上，该车满载着550名乘客，从达灵顿出发，以每小时24千米的速度驶向斯托克顿，成为人类历史上第一辆旅客列车。

蒸汽机转动了轮船和火车之轮，但是蒸汽机用于飞机却不给力。在近半个世纪的岁月里，航空先驱为使蒸汽机飞起来屡试屡败。

继蒸汽机之后被千呼万唤始出来的新的动力装置是以汽油为燃料的内燃机，正是由于内燃机的出现，诞生了汽车，也为飞机升空带来曙光。

德国人卡尔·费里特立奇·本茨（Carl Friedrich Benz）和戈特利布·威廉·戴姆勒（Gottlieb Wilhelm Daimler）各自独立地发明了汽车。

卡尔·本茨1844年出生于德国。从中学时期，本茨就对自然科学产生了浓厚的兴趣，1860年本茨进入综合科技学校学习。他当过学徒工、服过兵役，于1879年12月31日制造出第一台单缸煤气发动机，转速为200转/分，功率约为0.7千瓦。1885年，他终于研制成单缸汽油发动机，转速为250转/分，并将它安装在自己设计的三轮车架上，制成世界上第一辆三轮汽车。图3-7为其仿制品。

戈特利布·戴姆勒1834年出生于德国。1852年，他就读于斯图加特工程学院。少年时代的戴姆勒就对燃气发动机产生了浓厚的兴趣，并开始学习研制奥托式燃气发动机。1872年，戴姆勒设计出四冲程发动机。

1883年，他与迈巴赫合作，成功研制出使用汽油的发动机，并于1885年将此发动机安装于木制双轮车上，从而发明了摩托车。1886年，戴姆勒把这种发动机安装在他为妻子43岁生日而购买的马车上，创造了第一辆戴姆勒汽车（见图3-8）。

由于汽油发动机成功地用于汽车，航空先驱曼利、泰勒分别设计出装于飞机的活塞发动机，前者试飞失败，后者试飞成功。

从此，飞机的“活塞时代”揭开了帷幕。图3-9为飞机上用的星形活塞发动机。