06.18 飛馳的蒸汽車:沒有黑科技,卻比想像的更先進丨檔案

編者自序

各位機械粉兒們大家好,莫要奇怪,你沒點錯鏈接,這是自由機械的一個全新嘗試。

全新新欄目的主題是發掘與汽車、摩托車等機械產品有關的文化及歷史,因為自由機械認為,正是那些隱藏又體現在理性數據背後的人文賦予了車輛無盡的魅力。小編作為一名輕微強迫症的短腿考據黨,希望呈現的文字和數據能如同檔案一樣真實可信,力求做到多圖高清不拖更~

By the way,自由機械本來也是汽車媒體來的。

飛馳的蒸汽車:沒有黑科技,卻比想像的更先進丨檔案

“蒸汽”一詞在日常中的使用並不多,但20世紀初的街頭你可能會聽到人們這樣打招呼:

"What are you getting all steamed up about?"

“冒這麼多汽兒去哪兒啊?”

"Full steam ahead!"

“全汽前進!”

"I'm running out of steam."

“我快沒汽了。”

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在蒸氣車聚會中,一輛正在冒汽的Stanley Steamer斯坦利蒸汽車。

蒸汽車,一種陌生又充滿科幻色彩的存在。很多人對它的理解來自蒸汽朋克風格的遊戲、動漫、影視作品:一輛緩慢的蒸汽車霸道地行駛在維多利亞時期陰冷泥濘的街道上,人群來來往往,它正是暗流湧動的社會交織點。

真正生活中的蒸汽車雖然不這麼具有戲劇性,但依舊是帶著前衛叛逆色彩的。作為汽車整個行業的先鋒者,它率先挑戰了人們對出行方式的認識——儘管這一過程並不算順利。即使現在我們已經放棄這種車輛半個多世紀了,許多人對於蒸汽車從應用技術到復古文化的熱忱只有更甚。

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1905年美國Whtie Steamer的15號車型海報,清晰地表現了老式汽車的車身結構以及蒸汽車的傳動形式。位於車頭的是蒸汽發動機,車身下為傳動桿直接傳動到輪胎。

圖源Oliver, George A.繪本《Early Motor-Cars: 1904-1915》“早期自動車:1904-1915”

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早期蒸汽車:混亂的製造者

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1770年法國人居紐Nicolas-Joseph Cugnot在軍方的要求下為運輸大炮製作的“蒸汽車”,可搭載4噸貨物以時速7.8公里的速度行進。是第一輛蒸汽驅動的小型車,然在試車中不受控制撞毀,大概也是第一起車禍了。

在19世紀,也就是小型蒸汽車的嬰兒時期,它並不受到紳士淑女的歡迎。除了外貌怪異並排出濃煙外,外燃機“存儲動力”的做功模式具備著較強的不穩定性,加裝在馬車上的鍋爐增加了整體車重導致其操控與制動能力差,經常造成交通混亂。鮮有人願意使用這種交通工具——危險、不好控制、需要消耗燃料、在夏季十分炎熱在冬季又難以驅動,而餵飽一匹聰明伶俐的馬兒只需要幾捆青草。

【注】“存儲動力”:區別於內燃機是根據動力輸出的需求做功,外燃機做功幾乎是穩定的,多餘的能量保存在鍋爐內,等到需要再釋放。

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1857年美國Dudgeon公司製造的蒸汽馬車。據發明者說可以僅用一桶無煙煤就能搭載10人以每小時14英里的速度運行,然卻因為太過超前而不被當時的民眾所買賬。

在1851年水晶宮舉辦的萬國工業博覽會上,各國也並未著重向世界展示蒸汽機在小型車上應用,這裡仍是華麗精美的馬車的天下。為了保護道路上的行人與馬車,1865年英國甚至頒佈了“紅旗法規The Locomotive Act 1865 (Red Flag Act)”來進一步限制自動車的使用。這一法規在英國本土沿用了34年且被歐洲各國爭相效仿,雖然一定程度上對“穩定”了交通狀況,卻英國的汽車製造業造成了相當大的阻礙。

【注】1861年英國限速為郊區不超過10英里每小時,市區內不超過5英里每小時。1865年紅旗法案The Locomotive Act 1865 (Red Flag Act)規定,自動車在郊區行進的速度不超過4英里每小時,市區行進的速度不超過2英里每小時,蒸汽車在街道不可鳴汽笛亦不可隨意排放蒸汽。且每輛車須由3人共同駕駛,其中一人在車前約55米的位置舉紅旗警示人群並避讓、協助過往馬車先行。

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1875年法國人Amédée Bollée製造的蒸汽公交車L'Obéissante“順從號”,從法國勒芒到巴黎僅需要18小時。這輛車可以搭載12人以30公里每小時的時速巡航,急速為40公里每小時。由兩個V2蒸汽引擎發動,每個引擎帶動一側後輪。現存於巴黎藝術與交通博物館。

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1896年6月2日的波士頓全球日報Boston Daily Globe刊登了這樣一條消息,Sylvester H. Roper在騎蒸汽摩托車時發生車禍死亡。Roper是第一輛摩托車的發明者,這種兩輪蒸汽車的最高時速可以到達64公里每小時。他並非直接死於車禍,而是死於心臟病突發,這很可能是因為發生車禍時蒸汽引擎中存儲的大量能量爆炸導致的。

若是深究早期蒸汽車的窘境根源,一部分是因為它作為新鮮事物對當時人原本出行方式的衝擊,更是因為蒸汽發動機與馬車車廂這種不對等的組合難以讓乘客獲得愉快的乘坐體驗。而隨著先驅者們不斷地探索與積累,當1886年卡爾本茨Carl Benz將相對嬌小的內燃機放在三輪車上後,人們對改進汽車車身的熱情終於爆發了——儘管彼時仍有許多關於“汽車屬於魔鬼”呼籲人們乘坐馬車的宣傳——更優質的橡膠輪胎、充氣輪胎,更安全的夾層玻璃和更便於操作的轉向盤,後視鏡、安全帶紛紛依次登場。

【注】橡膠輪胎源自橡膠塊失手落入火中變軟;充氣輪胎的靈感來源於水管,首先應用於自行車;轉向盤原本為90度垂直與水平,不利於操作,後在汽車安裝過程中車身掉落不慎將轉向盤砸成有傾角的結構;後視鏡最初是德國女車手在比賽時為了能夠觀察到後面的車而把自己的化妝鏡放在車門旁;安全帶則是某次賽車比賽前車手發現車輛座椅有問題但為了繼續比賽將自己用皮帶捆在了車上,而後比賽中車輛發生翻車事故,車手卻因此倖存。


外燃機引擎,究竟是什麼概念?

在19世紀末20世紀初汽車探索的早期熱潮中,內燃機車、電動機車剛剛問世不久,而外燃機車已經有近百年的歷史。相對成熟的外燃機引擎技術在應用中得到了充分地發揮,這讓外燃機車有著不少優勢。

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Stanley Steamer的蒸汽引擎,可以輸出6馬力的動力。

首先,外燃機的結構十分簡單,最少只需要13個零件就能完成組裝,這意味著更便宜便捷的製造與維護成本。其次,蒸汽機的做功模式屬於“存儲動力”型,不像內燃機一樣擁有“最大扭矩@rpm”的概念。因此一輛外燃機車不需要變速箱的離合或檔位保證引擎的轉速,存儲的動力根據需要通過曲軸直接傳動到後輪即可行駛。

外燃機通過“燒開水”做功的方式也決定了它不需要燃料限制、冷卻系統和複雜的點火系統。從無煙煤到汽油柴油再到核反應,只要能產生熱量就都能有效做功;將水加熱成水蒸氣只需攝氏100度,燃料燃燒時的產生的熱量遠低於內燃機通過爆炸做功時產生的熱量,在缸體材料應用合適的情況下,幾乎不會有發動機過熱的情況發生;點火系統更好理解,在電打火發明之前,駕駛內燃機車的人們只能使用不安全的搖桿打火(這種情況直到20世紀末期國內的大街上仍能見到),外燃機則只需點燃燃料就能啟動。

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三缸蒸汽引擎的運行原理。增加缸體是提高蒸汽機能效的主要方式之一,紅色為最高壓狀態的熱氣從左側進入,連續通過高壓缸與多個較低壓缸後排出藍色低壓狀態氣體完成一次循環。

當然,這也不是說外燃機車毫無缺點了,不然它怎麼會消失呢。除了外燃機車要同時加水加燃料(和由此增加的車重)外,蒸汽機有著非常低的熱能效率——斯特林循環的熱能效率最高只能達到50%,應用在車上的外燃機則要更低,大約只有5%-20%左右,未做功的熱能量在車輛發生碰撞時也成為了重大安全隱患。

同時,不論外燃機的“鍋爐”如何進化,它始終是個龐大的物件。因此外燃機因其功率平穩常被應用於大型器械諸如採煤機、潛水艇中,在注重體積的小型車輛上卻非常吃虧。


Gardner-Serpollet的第一次世界紀錄與“熱得快”

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1896年法國人Léon Serpollet發明的Flash Boiler,可以迅速加熱水產生蒸汽。水從管道中通過並在鍋爐內加熱。這項技術被應用在許多19世紀和20世紀早期的蒸汽車上。

我知道提到蒸汽機車肯定要有人詬病其啟動時間,從著車到能走,不得等上半個多小時?其實這個問題早在1896年就得到了解決:38歲的法國中年人里昂Léon Serpollet憑著對蒸汽機的知識與一腔熱情發明並完善了Flash Boiler(我覺得應該翻成“熱得快”),使用燃油加熱管道,“環保高效”。他自己的蒸汽車公司Gardner-Serpollet也正是應用的這項技術。

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Serpollet公司1902年的比賽車型Racing two-seater,四缸蒸汽引擎,應用Flash Boiler技術。

1902年4月13號,在薰衣草遍地的法國尼斯,他駕駛著名為Œuf de Pâques-Easter Egg“復活節彩蛋”的兩座蒸汽車打破了電動汽車霸榜人類陸地速度紀錄的局面——沒錯,從1898年有正式的Landspeed Record以來,電動車、也只有電動車6次刷新了速度紀錄。

當里昂以尾速120公里每小時衝線時,蒸汽車(相對電動車和內燃機車來說)幾乎同時成為了穩定、快速、環保的代名詞。

【注】Landspeed Record陸地速度紀錄:數據為車輛加速1公里後的尾速,具體數據參考Wikipedia詞條LandspeedRecord

當你看到街上有人試圖通過轉動搖桿啟動內燃機車卻因為躲避不及時被搖桿打傷手臂、亦或因為修理突然拋錨的內燃機車而不得不弄得滿身油汙時,你九成會發自肺腑地想要奉勸他,為什麼不買一輛蒸汽車呢?

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Serpollet公司1905年蒸汽車型phaéton tulipée1905


the Flying Teapot“飛行的茶壺”——

Stanley Motor Carriage Company斯坦利摩托馬車製造公司

英國汽車作家尼基Nick Georgano在1985年發表的“Cars: Early and Vintage,1886-1930”《汽車:早期與復古,1886-1930》中寫到:從1898年到1905年中有許多汽車工廠出現,在1902年的美國共有909輛新車登記,而其中485輛都是蒸汽車。

提到蒸汽車不得不提的美國製造商Stanley Motor Carriage Company斯坦利摩托馬車製造公司,正是1902年正式成立的。

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美國蒸汽車製造商Stanley Steamer的海報。他們的宣傳語是“Power,Correctly generated,Correctly controlled,Correctly applied to the rear axle.”(動力,完美的做功,完美的控制,完美的傳動到後輪)。這個標語多次出現在斯坦利公司的廣告中,也表現了斯坦利兄弟製造車輛的理念。

這家最最經典的蒸汽車製造廠商由斯坦利兄弟創辦,活躍於1902年到1924年之間。有著名為“飛行的茶壺”the flying teapot的暱稱,他們不僅再次打破了世界陸地速度紀錄,還成功的融入了大眾文化:曾多次出現在電影中,即便是在今天,有關Stanley Steamer的網站、拍賣和俱樂部也是相當活躍。

【注】1948年美國電影Summer Holiday《夏季假日》,1965年電影the Great Race《偉大的比賽》以及2003年電影Seabiscuit《奔騰年代》中都出現了斯坦利蒸汽車的身影。

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斯坦利蒸汽車1900-1906車型

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斯坦利1908年車型Model K Raceabout

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斯坦利1918年Model 735B,7座旅行蒸汽車,私人收藏

雙缸蒸汽引擎搭配純鋁製的手工車身,StanleySteamer的蒸汽車有著輕便、光鮮且耐久(至少斯坦利公司是這麼認為的)的車身設計與相當於內燃機八缸的充足動力。一臺Stanley Steamer的蒸汽引擎保持56公里的時速時只需要300-400rpm,而橫向對比內燃機引擎保持同樣的時速則需要大概1500-2500rpm。在20世紀初的美國,不管你是追求速度還是精緻品味黨,甚至是矛盾的既愛車又環保主義者,這樣一臺蒸汽車都不會讓你失望。

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1903年在美國Daytone Beach Road Course參加比賽的斯坦利車。

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1906年創世界陸地速度世界紀錄的“Stanley Rocket”斯坦利火箭號,1907年因事故撞毀。

在里昂的蒸汽車“復活節彩蛋”打破速度紀錄4年之後,蒸汽車再一次回到人們的視線中。1906年1月25日在美國弗羅裡達州的代託納海岸賽道上,來自馬薩諸塞州的賽車手弗雷德Fred Marriott駕駛著Stanley Rocket“斯坦利火箭”衝線以尾速205公里每小時刷新了僅有176公里每小時的速度紀錄。進30公里每小時的巨大速度差則讓這個陸地速度紀錄保持了4年之久;至於作為“蒸汽車”的速度紀錄,該記錄直到2009年8月25日才被由英國團隊設計並製造的蒸汽車Inspiration所打破。

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由BSCC (British Steam Car Challenge)英國蒸汽車挑戰隊打造的蒸汽車Inspiration,2009年8月26日與美國愛德華空軍基地以239公里每小時的時速打破了斯坦利火箭1906年的蒸汽車速度紀錄。這輛車長7.6米,寬1.7米,重3噸,擁有一個12缸蒸汽引擎,可以提供360批馬力,每分鐘消耗40升水。

這輛蒸汽車現存於英國National Motor Museum國家機車博物館

想擁有一臺象徵實力與品位的斯坦利蒸汽車?

前提是你也要有充足的預算,畢竟在1924年的一輛Stanley Steamer 740D要花費3950美元(相當於現在的56400美元)——同樣的花銷能買到一棟心儀的房子,而不到500美元(相當於現在的7140美元)就可以買到一輛快時尚的“黑盒子”Ford Model T。

同年,叱吒一時的Stanley Steamer工廠永遠地關上了大門。

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蒸汽車的出局

斯坦利蒸汽車製造公司的倒閉不過是大時代下的一個縮影。事實上,儘管在1923年美國蒸汽車製造廠商Doble已經可以製造出從冷車到啟動用時不到40秒的Model E,幾乎沒有哪家蒸汽車製造廠商活到了戰後的世界。

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美國Doble蒸汽車製造公司1924年生產的車型Model E,在車重為5000多磅約2.2噸的情況下,每百公里消耗18.8升煤油。但其優異的質量並沒有扭轉蒸汽車的命運,Doble是最後一個商業蒸汽車製造廠商,於1930年因經營不當關閉。

此車輛先存於Henry Ford Museum亨利福特博物館。

導致蒸汽車出局的原因非常複雜,包括內燃機的不斷進步、進口油稅的降低、政府的傾向、養路稅對於車輛的嚴格要求和外燃機自身的短板等等。

1912年內燃機電打火的發明不僅彌補了內燃機的啟動劣勢,更凸顯了蒸汽機的諸多不足;

一二戰期間,曾在18、19世紀青睞蒸汽機的軍事力量將他們的財力投向了內燃機的製造與升級——各國軍方考慮到使用需求與維護成本幾乎統一傾向於任用內燃機;

從20年代開始,蒸汽機車車主為公路付出的稅費就要更多,包括一筆名為Wetted Tax(潮溼稅)的款項,和相比內燃機車主幾乎翻倍的養路稅。

相對應的,另一方面,陷入赤字循環的蒸汽車公司無力再改善升級外燃機引擎的諸多缺陷。

最終,蒸汽車製造廠商與購買客戶越來越少,曾經與內燃機車在市場上平分秋色的蒸汽車在鉅變的時代中被淘汰了。

【注】1925年蒸汽車Doble Model E的重量是5000多lb約2200+kg,著名的Ford Model T只有540kg-740kg。


下一波蒸汽熱潮在……

雖然蒸汽車已經暫別了舞臺,但蒸汽動力的狂熱愛好者、環保主義者和被燃油危機恐嚇著的人們始終不能忘卻它的存在。20世紀後半葉美國政府出於對內燃機車輛尾氣排放和燃油資源的考量曾多次提出重啟蒸汽車的計劃,不過這些計劃卻因為各種奇葩原因無疾而終了。

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1958年福特公司設計的概念車Ford Nucleon,由核反應放熱驅動蒸汽引擎。

系列遊戲Fallout《輻射》中的核動力車就是受此啟發的。

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1969年9月17日美國記者Don C Woodward在報紙The Deseret News上報到,政府計劃將蒸汽引擎放入兩輛道奇Polaras中進行測試。

圖為Dodge Polaras

然而相似的是,直到二十一世紀電動車重新回到人們的視野,這種早期車輛的雛形也因為諸多原因封存了近一個世紀。

那麼,下一個蒸汽車的時代會以什麼樣的姿態來臨呢?

Ummm……

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1.Wikipedia維基百科英文詞條:steamcar/steam engine/Stanley Steamer/Doble Steam Car/Landspeed Record/Red FlagTraffic law等(https://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page)

2.StanleySteamer資料網頁(非官方)Stanley Motor Carriage(http://www.stanleymotorcarriage.com/)

3.現存StanleySteamer復古車輛註冊俱樂部網站Stanley Register Online(http://stanleyregister.net/index.html)

4.StanleySteamer 735修復全過程圖片記錄(http://www.stanleymotorcarriage.com/735restoration/RestorationHome.htm)

5.英國蒸汽車俱樂部theSteam Car Club of Great Britain(http://www.steamcar.net/)

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