书城科普读物未来世界的科技
20950900000006

第6章 称霸海上(1)

人类能在海底穿越而过吗?人类能在地面行,能在天上飞,但是,能在海底穿越而过吗?回答是肯定的。现在不少国家已经开凿了海底隧道。开凿海底隧道,是人类利用高新工程技术开发利用海洋空间的大胆实践。

与修建陆上隧道相比,铺设水底铁路在勘探、设计、施工等各个方面的难度都大大增加。目前,全世界已建成和筹划建造的海底隧道有20多条,主要分布在日本、美国、西欧等技术发达的国家。

海底隧道都有一个共同的特点,它们大多是铁路交通的组成部分,也有的是城市地铁和汽车的通道。

美国的曼哈顿岛和长岛、新泽西州之间,开挖了5条海底隧道,用于汽车通行。日本修建的青函隧道是世界上最长的海底隧道。

青函隧道自1964年正式开工,由于受地形和火山活动的影响,施工地段地质复杂,再加上特殊的海底地下作业,施工中遇到了许多料想不到的困难。不过,工程技术人员并没灰心,他们采用了先进的掘进技术,从海峡南北两岸同时并进,到1987年通车时,总共挖出砂石上千万立方米,总投资数十亿美元。

青函隧道凿成后,成为贯穿日本南北的大动脉。北海道与本州之间的交通将不再受恶劣气候的影响,运输能力大大提高,使日本首都与北海道首府之间的直快列车缩短了好几个小时。

意大利到西西里岛的海底隧道是一条悬浮式海底隧道。整个建筑采用钢筋混凝土结构,巨大的管道置于水中30米深处,混凝土管道既不下沉也不会上浮。

为防止车辆通行中所引起的隧道摆动,运行车辆全部采用计算机控制。隧道上下两层是汽车路线,每层有3条行车道,火车铁路位于隧道左右两侧。采用这种技术建造的海底隧道,要比普通的桥梁隧道造价低二分之一,而且具有理想的抗震功能。

此外,香港与九龙之间的海底隧道、英法两国合建的英吉利海峡海底隧道也是杰出的海底工程。

海底隧道将分隔海洋两岸的人民连接在一起,使铁路运输业走出陆地、伸向海洋,标志着人类交通科技发展的新水平。21世纪列车有何发展趋势?新世纪,人们总有说不完的话题,列车的发展趋向便是其中之一。

人们在乘坐火车时,总希望能安全、舒适、迅速、准时地到达目的。因此,提高列车的速度和自动化,就是今后火车发展的主要趋向。

现在,德国已投入大量资金建立了一座巨大的火车试验台,以便更快地研制和改进新型高速火车。

这座现代化的试验台,应用大型电子计算机和几百个精密探测器、模拟试验了机车各个部位的运行情况、车轮承受的压力,车厢的振动、摩擦力,钢轨磨损等,从而试制出了超高速的新型机车。

未来的列车车厢将采用经过宇宙飞行试验的轻金属材料制成,以减轻列车重量,提高火车的行驶速度。另外,高速铁路需要新的管理技术和能源输送装置,以及与铁路有关的环境保护措施等。在这些方面,各国都进行了研究试验,并取得了一定的成果。

法国研制成功了一种轻便自动火车、这种无人驾驶设在远处的指挥中心计算机操纵的新型火车,能以时速800千米的速度沿着地下圆型水泥隧道向前飞驰。它将是未来火车的有力竞争者之一。

日本的东日本铁路公司提出了短寿命的“一次性”设计概念。

这个概念把原来列车设计的30年使用寿命一下子缩短到13年。

首批按“短寿命”原则设计而成的两个列车组,已于1995年初正式投入商业运行。该列车采用了在使用寿命周期内几乎无须保养的零部件,确保13年内列车不大修。采纳该设计原则的专家们认为,过长的使用寿命反而会增加列车的制造成本和维修费用。

这种新的设计原则是否能如愿以偿,人们将拭目以待。

此外,奥地利铁路公司首次运用全模块式的结构设计技术,生产出模块式列车。日本九州铁路新添置的一种被称为“充满欢乐气氛游乐场”的仙境快车。这些车型都代表着未来列车高速化、自动化、多样化的发展新趋势。独木舟是谁发明的?关于船舶,我们对它可能没有车辆那样熟悉。不过我们都知道,它是历史悠久的交通运输工具之一。

其实,无论是翩翩的一叶扁舟,还是风浪中的蹈海巨轮,都在人类历史发展的长河中做出了不可磨灭的贡献。对船舶的出现,世上流传着许多美丽的神话,这些神话为我们描述了船舶奇妙的诞生过程。

据考古发现,最早的独木舟距今约有1万年的历史。古书中说的“刳木为舟”,就是原始人类最早的制造独木舟的方法。当时,由于木质坚韧,只用石斧削砍木材极难完成船的制作。

我们的祖先根据生活中用火的经验,把火也用作造船的手段,同石斧等配合使用。一根树干除了要挖掉的地方外,将其他表面都涂上了一层厚厚的泥巴,然后用火烧烤要挖掉的部分。这样,有泥巴的地方木材烧不掉,就被保存下来,而没有泥巴的地方被火烧成一层炭,然后再用石斧来砍。这样将火和斧轮番使用,终于独木成舟,浑然一体,造出了最原始的船。

独木舟的制造成功,是人类历史上的一件大事。有了独木舟,人类的活动范围就扩大到了江河湖泊以及海洋,为开拓新的天地创造了条件。

在我国流传最广、记载较详细的造船故事,要数大禹造舟治水的神话。

尧舜时代,洪水不断泛滥,严重影响着人们的生命和财产安全。

舜让禹负责治水,禹领命后,为了更好地指挥治水工程,决定制造一只独木舟。禹听说四川某地有棵大梓树,直径有一丈之多,于是带领木匠前去砍伐。

此时,树神化为童子阻止砍伐,以人民生命为重的禹愤怒的指责他,砍下了这棵大树,让木匠们造了一只轻巧的独木舟。禹乘坐这只独木舟,辗转来去,指挥治水,最后取得了成功。

此外,西方流传的“诺亚方舟”的故事,中国古代伯益、番禺等造舟的故事,都反映了人们对船所产生的美好想象。神话毕竟是神话。独木舟绝非古代某一个人的发明,更不是圣人的创造,它是人类祖先集体智慧的结晶。

明轮指的是明朝时期的轮船吗?早期的轮船,在两舷装有类似水车的装备,称为明轮。

明轮由蒸汽机驱动。

明轮在轮缘安装的桨片设在水中,转动时把河水向后推,靠着河水的反作用力,船就前进了。而现代的轮船,则是用螺旋桨在水中推动的,它一般安装在船尾中部水线以下,就像一个巨大的电风扇。电风扇可以在转动时把空气推向前方,而船的螺旋桨则由发动机带动,把水向后方推出,水作用于船体,把船向前推进了。

明轮式轮船比用人划桨的船要优越得多,它可以在内海和内河中航行。

另一方面,它也存在着严重的不足。由于轮子大部分在水面以上,当海面、河面因风而吹起波浪时,船体就会颠簸得厉害,轮子也随之上下波动,一会儿大半没入水中,一会儿又几乎脱离水面,因此搅水的力量减弱了,轮船的速度也会下降。

同时,明轮也容易受狂风恶浪的袭击而损坏,因而需要改进。

1802年,美国人史蒂文斯制成第一艘用螺旋桨推进的汽船。一年后,经改进的螺旋桨汽船制造成功,并在哈德逊河上顺利航行,但这种船真正应用到航运却是40年以后。

1843年,英国人建成了全部是铁制的、螺旋桨作动力的“大不列颠号”轮船,从利物浦航行到纽约,首次横渡了大西洋,取得了完全成功。当时,还有很多人不相信,船尾用小小的螺旋桨所产生的动力会超过巨大明轮的动力。

为此,英国海军于1845年做了一次实验来验证。人们用粗绳将两艘马力相等、排水量相当的船尾部系好,其中一艘是明轮式船,另一艘是螺旋桨式船,然后让两艘船全力进行“拔河比赛”。

比赛结果证实,螺旋桨式船更省力,它可以把拼命扑腾水花的明轮式船每小时拉出2.5海里(1海里=1852米)。为此,英国海军以及全世界都开始采用铁制螺旋桨作蒸汽机轮船的推进器了。

这是具有深远意义的一场动力革命,为造船业的现代化奠定了基础。

为什么只有中国船舶在触礁后仍能继续航行?宋元时期,海上交通异常繁荣,东来西往的船只不断穿梭于茫茫大海上。说来奇怪,同是海船,在触礁后船体破裂的情况下,外国船舶很快就进水沉没,唯独中国船舶虽也进水,但不多,仍能继续航行,驶抵口岸卸货后,加以修复,仍能继续使用。

其中的奥妙在哪里呢?就在于中国的船舶中设置了水密隔舱。它为各国造船家和航海家所赞叹,闻名世界。所谓水密隔舱,就是用水密隔舱板把船体分隔成互不相通的一个一个舱区,这是中国古代造船工艺上的一项重大发明。

中国船舶设置水密隔舱的传统,最早可上溯到殷商的甲骨时代。专家们解释说,甲骨文的象形文字“舟”字,就是用横舱壁将船体分隔成几个舱,它足以证明当时人们对船这一交通工具已有一定的了解。

到了晋代,则有水师用的“八槽舰”。人们将船体沿长分隔成8个舱。

从出土的唐代古船上也可看到唐代水密隔舱的技术。宋代出土的泉州古船,水密隔舱工艺又较前进了一步。

船上的横舱壁,在底部和两舷的肋骨以及甲板下的横梁予以环围,这样既有利于水密性,又增加了结构的强度,真是一举两得。隔舱舱板与船壳板用扁铁和钩钉钉联,隙缝用桐油灰填实,具有严密的隔水作用。

1982年,在泉州法石发现另一艘南宋海船,也是采用水密隔舱结构,它的隔舱舱板同船壳板之间用铁方钉和木钩钉钉合在一起。水密隔舱的设置具有多方面的优越性。首先,由于舱同舱之间是严密分隔开的,在航行中,特别是在远洋航行中,就是有一二个船舱破损进水,水不会流到其他船舱,从而不至于使整个船沉没。

对于没有设置水密隔舱的船舶,情况就完全不一样了,只要船底外壳撞破了一个洞,水就会涌进船舶并漫流到全船。因此,水密隔舱的设置提高了船舶的抗沉性能,增强了人员和货物在远洋航行中的安全性。

其次,船上分舱,对货物的装卸和管理比较方便。不同的货物主和不同的货物都可以分别放装到各个不同的货舱内,不至于将不同货主的不同的货物放混,即便于装卸货物,又便于管理。

第三,由于隔舱板同船壳板紧密钉合,按船舶的大小长短,少则有五六道隔舱板,多则有一二十道隔舱板,这样就增加了船体的横向强度,提高了船体结构的坚固性。由于水密隔舱具有上述的优越性,因此问世以后不但在国内长期推广,而且还流传到国外,被各国陆续推广。

在现代造船业中,它仍被普遍应用。

你知道轮船速度之争吗?在19世纪末期,一个叫帕森斯的英国人,打破了用蒸汽机活塞作往复运动把动力传给螺旋桨的传统,发明了直接用高压蒸汽喷射叶轮使其转动,再把动力传给螺旋桨的蒸汽涡轮推进系统。

这种新型蒸汽涡轮机比往复蒸汽机体积小、重量轻、力量大,而且高速运行更经济,有很大的优越性。到1874年,远洋定期客轮的船速每小时达16海里,横渡大西洋只需7天。1881年,万吨船舶的航速达到每小时20海里。

1907年,英国人制造了一艘以蒸汽涡轮机为动力的豪华客轮--毛里塔尼亚号,时速达每小时27.4海里,从利物浦港横渡大西洋到纽约,只航行了4天多,打破了德国平均时速为23海里的记录。1935年,法国制造出诺曼底号客船,其时速达30海里,横渡大西洋的时间更短。正是各国船运公司争创横渡大西洋的航行纪录,推动了造船技术的发展,使很多新技术应用到实践中。

在第二次世界大战以前,客船进入了鼎盛时期,前面提到的“诺曼底号”和英国的“女王玛丽号”、“女王伊丽莎白号”等大型客船,都以30海里以上的高速航行在浩瀚的大海上。第二次世界大战以后,核动力推进和水翼技术在船舶上的应用具有突破性意义。核动力船的航速,远远超过较先进的蒸汽涡轮机船,且多用于军用大型舰艇,如航空母舰、巡洋舰、潜艇等。

前苏联还建造了核动力破冰船。水翼船最早是法国人制造的。

它在低速航行时,由浮力支撑着船身的重量,与一般船舶一样;但随着航速的增大,在水线下的水翼形成越来越大的升力,使船身上抬,最终船体离开水面,只有水翼留在水中,这时整个船只受到水的阻力要比一般的船只小得多,航速达到每小时60海里,简直像在飞一样。有些试验性水翼船,航速甚至超过每小时80海里。

为适应社会经济发展的需要,航船运输速度的竞争将是永无止境的。

导航系统是如何实现“近视眼”到“千里眼”的飞跃的?从古至今,导航系统主要经历了天文导航、指南针导航、无线电导航、雷达导航、卫星导航等发展过程,实现了由“近视眼”到“千里眼”的飞跃。我们都知道,夜空中的北极星基本恒定在北方的方位,而北斗星一直在北极星附近,指示着北极星的方位,夜间可用它来判断东西南北。

这样,我们的祖先发明了借助日月星辰判断海上航行方向的“牵星过洋术”。

在航海中,人们使用一种测角仪,测量从水天线到星星的仰角,将测量的结果和早已测定好的“过洋牵星图”比较,就可以知道船只在海中的大略位置了。指南针应用于航海是世界航海史上的一项划时代的创举。

如果没有指南针,就不会有近代航海事业的大发展,就不会有地理大发现,就不会有各国间大规模的经济贸易和文化交流。但天文导航和指南针是有局限的,它们虽使人们摆脱了海岸,但在雾天、阴天和复杂的海区仍可能出现误差而造成人间悲剧。直到20世纪,无线电导航、雷达导航和卫星导航诞生,人类才真正做到了“海阔任船行,天高任机飞”。

我们对于无线电导航并不陌生,它是通过接收沿岸放置的导航台中较近的两户导航台同时发来的无线电信号,根据这两个导航台发出信号到达舰艇的时间差计算出这两个导航台与船只之间距离差,从而测出船位。

这是无线电导航的基本原理。后来,人们又将测时差改为测信号电磁波的相位差,提高了导航精确度和导航距离。雷达导航是依靠雷达荧光屏上目标显示的变化情况来引导航行的。雷达由天线、发射机、接收机、显示器、电源所组成,也是用无线电来测定目标方位和距离的。当雷达的发射机发射出的电波遇到障碍后,就被反射回来,接收机接收到信号后,便在显示器的荧光屏上显示出来。然后,通过一系列复杂的计算便可测出目标的方位和距离。目前,卫星导航已经广泛应用,它的导航精度能够精确到几米,有了卫星导航,海上航行已经完全能做到自由自在了。

轮船有鼻子吗?轮船有鼻子吗?没有。但它有一种装在船艏、用以减少阻力的装置,我们一般称之为“球鼻艏”。