有轨电车技术发展中的风流人物（上）

在进入20世纪之前，欧美城市的有轨马车就车粼粼马萧萧奔走了一百年，整个西方世界，也可以很形象的称之为在马力和蒸汽的双重牵引下前进了一百年。其中蒸汽机车雄霸了整个长途运输市场，有轨马车承载了城市内部及其近郊的短途运输。

虽然第一次工业革命在18世纪末就形成燎原之势，在19世纪上半叶蒸汽机车又横空出世，然而，伟大的工业革命和运输革命都没有给有轨马车这类城轨交通带来明显冲击。至于原因，在前面几节已经有详细分析和总结。不得不承认，存在的就是合理的，有轨马车虽然成本昂贵，牲畜作为牵引动力不好伺候，但确实是当时快捷环保的交通工具。即使有城轨缆车虎口抢食，但有轨马车的霸主地位从未被撼动过。

为了降低成本，用更加先进的技术手段解决城轨交通问题，改良后的轻型蒸汽机车、燃油机车、燃气机车、压缩空气作动力的机车均先后登场，但是都没有形成气候。直到一种革命性的牵引动力异军突起，这才彻底终结了有轨马车，并且在几十年后，又再次终结了蒸汽机车，这就是如今世界各国普遍采用的电气化牵引技术。

而这项技术的普及应用是在1880年代，在欧洲和北美，分别有两个旗舰人物同时推动电气化技术的进步，一个在德国艰难破冰，另一个在美国雄鹰展翅。德国那位电气化技术的开拓者名叫维尔纳·冯·西门子，而美国的那位天才人物叫弗兰克·朱利安·史伯格。西门子创建了一个百年商业帝国，而史伯格被誉为“美国电力牵引之父”。

【直流发电机之父——耶德利克·阿纽什】

在铁路电气化应用的早期，无一例外都是以城轨交通领域作为试验田，在此基础上继续扩展到了普通铁路上面。这个也不难理解，因为发电机和电动机发明之初，功率都不大，并且还经过了一段不算短的用蓄电池作为牵引动力的年代。最初的电气化技术用在城市轨道交通领域非常合适，一来牵引功率不需要太大，二来城轨交通的车辆行车速度也不高，能够满足市民的通勤和出行要求。

但是要将电气化技术推向城市远郊铁路、或者跨地区的长途铁路运输，没有功率强大的发电机和电动机是万万不行的。但即使有了这些发电机和电动机等设备，还要想办法将其与机车完美结合，使之能够作为牵引动力驱动机车车轮，而这种机车牵引传动技术的进步，也让科研人员付出了年复一年的艰辛劳动，时间长达半个世纪。除此之外，要想将电力低损耗地传送到几百上千公里的远方，也需要更加先进的技术手段才行，长途输送电力也是一大技术难题，这个问题不解决，电力牵引用于铁路长途运输只是空谈。大家别看早在1881年德国就开通了世界上最早的商业运营的电气化城轨铁路，但是电气化技术真正用在铁路长途运输领域，又经过50多年的技术发展过程，其中的酸甜苦辣，成功与挫折自不必多言。那么，还是让我们将目光转向19世纪的上半叶，继续深入探讨一下城轨电气化技术的起源与发展吧。

人类进入电气化时代都要感谢一个人，那就是英国科学家迈克尔·法拉第，他在1821年发现了电磁感应现象，由此开启了全新的电力时代。法拉第的伟大发现如何美誉都不为过，如果说第一次工业革命以瓦特蒸汽机的大规模应用为标志，那么第二次工业革命的引擎非电力技术莫属。

耶德利克·阿纽什

从法拉第发现电磁感应现象之后，仅仅过了8年时间，匈牙利发明家、工程师、物理学家耶德利克·阿纽什就研制完成世界上第一台直流电动机，还制造了一台与之配套的迷你车辆，电动机驱动车辆运行。这台电动机通过旋转的电磁铁产生电能，还属于玩具性质，然而却是世界上首次对电力的使用，意义重大。

耶德利克·阿纽什在布达佩斯大学工作了40年，在此期间，他做出了很多重要成就。历史并没有遗忘这位发明家，虽然他还兼任罗马天主教的牧师，却因为在电气化领域的突出贡献而被选为匈牙利科学院院士，被公认为是“直流发电机之父”。

【世界首台电池驱动机车的发明人——托马斯·达文波特】

耶德利克·阿纽什开启了电力应用的先河，后继的发明家纷纷投身到电力技术领域，使得19世纪末到20世纪上半叶，电力技术突飞猛进，彻底改变了人类文明的进程。到了1831年，美国科学家约瑟夫·亨利在研究电磁感应现象的时候，制造了一台直流电动机，将其在实用化之路上更推进了一步，而约瑟夫·亨利也是电铃的最早发明人。

亨利发明的电动机虽然还未能投入实用，却给了另外一个美国发明家以灵感，让他在电动机的实用中更前进了一步，发明了全世界第一台电池驱动的小型铁路机车，这个人是美国佛蒙特州的一名铁匠，名叫托马斯·达文波特。他在1834年制造了一台通过蓄电池驱动的电力模型机车，还修建了一条迷你的环形试验铁路。不过他的发明并不太成功，因为电动机的功率太小，牵引自身重量都勉为其难。达文波特的成就很快便被遗忘了，一直到美国内战之后，他在电气化领域的地位才被重新认知，获得了应有的尊重，不过那时候他已经英年早逝很多年了。达文波特在电力机车研制中的首创虽然失败了，但是也给了后继者一个重要启示：通过蓄电池作为动力源是没有前途的，发展外部供电技术才是硬道理。

【交流发电机技术的革新者——齐纳布·格拉姆】

既然要发展外部供电，对大功率发电机的研发提上了日程。追根溯源，世界上第一台发电机的发明人是一个法国能工巧匠，名叫希波吕忒·皮克西，他是一个工业设备制造商，在1832年根据法拉第的电磁感应现象制造了一台交流发电机，通过手柄旋转线圈，进而产生交流电。不过在当时，人们还没有深入了解交流电的好处，感觉直流电比交流电更有用，所以后来者根据皮克西的发明做了改进，研制成功直流发电机，随着技术的不断提高，直流电机也变得越来越复杂，越来越实用。1844年，英国工程师约翰·斯蒂芬·伍尔奇设计出第一台能够商业应用的发电机，用于工厂电镀作业。

到了1860年，意大利比萨大学的物理学家安东尼奥·帕奇诺蒂对直流发电机进行了改良，使得机器产生的直流电更加连续平稳。此后，基于安东尼奥的发明，有三个人几乎同时对发电机完成了技术升级，发明了自供电的电磁铁，并引发了专利权之争，他们分别是英国的科学家和发明家查尔斯·惠特斯通、英国的电气工程师塞缪尔·阿尔弗雷德·瓦利和德国发明家维尔纳·冯·西门子。不过，上述发电机都存在一个很大的缺点，那就是发出的电流太弱，不足以投入工业应用。那些发电机发出的电流或者只能驱动玩具运转，或者用于电镀，或者只是实验室里的摆设，如果不能在发电机技术上取得突破，发出更强劲稳定的电流，电力时代只能是水中月镜中花。幸运的是，这个问题在1873年的举办的维也纳世界博览会上被偶然解决了，解决这个问题的人叫齐纳布·格拉姆，这是一位没受过多少高等教育的比利时电气工程师。他在维也纳的世界博览会上安放展品的时候，将自己发明的直流发电机的接线弄错了，将别的发电机的电流错误的接入了自己的发电机，结果发现发电机竟然高速旋转起来，眨眼之间变成了电动机。这个发现意义极为重大，为何？因为之前的电动机大都是手摇发电，这才是电力不足的根本原因，如今发电机竟然能变成电动机，那么大规模的发电岂不是手到擒来？而齐纳布·格拉姆的偶然突破，让全世界真正进入了电力时代，后世所有的发电工业都是基于他这个发现而建立的。

除了这个发现之外，格拉姆还改进了发电机的电磁铁，减小气隙，产生的磁通量更大。从此之后，性能良好、功率强大的发电机成星火燎原之势，为电力机车的研发铺平了道路。

【电池驱动机车技术的先驱——查尔斯·葛拉芙顿·佩奇】

在讲述有轨电车在俄罗斯、欧美等地区展开争霸赛之前，还要介绍另外两位电力机车研发领域的先驱，一位是英国的发明家罗伯特·戴维森，还有一位是美国的发明家查尔斯·葛拉芙顿·佩奇。之所以将戴维森和佩奇放在这里讲述，是因为他们两个都是让电池驱动的电力机车成功载货运行的发明家。1837年，罗伯特·戴维森继美国发明家托马斯·达文波特之后，研制成功全世界首台通过电池驱动且能够投入实用的电力机车。随后在1842年，他对电池驱动的电力机车进行改良，起名“伽尔伐尼”号，这台机车有4个轮子，以锌酸电池作为动力源。1842年9月，“伽尔伐尼”号电力机车在爱丁堡至格拉斯哥铁路上开展行车试验，载重6吨，以时速6.4公里/小时的速度运行了2.4公里。有了这项成就，在19世纪末期有轨电车真正兴起之后，罗伯特·戴维森在很多公共场合都宣称自己是“电力机车之父”。实活实说，他的炫耀虽然让很多人摇头，但也谈不上有多夸张。

罗伯特·戴维森

而查尔斯·佩奇和戴维森一样，具有深厚的名校教育背景。戴维森1804年出生于苏格兰亚伯丁郡，1821年毕业于该郡的马歇尔工学院，而佩奇1812年出生于美国的马萨诸塞州的赛伦，1832年毕业于哈佛大学，他虽然在大学里选择的专业是化学，却从小就对电气知识情有独钟，最终取得的成就也不在罗伯特·戴维森之下，甚至有的文献声称，佩奇发明的电池驱动的电力机车比戴维森更早，当然并没有更多的史料佐证这个结论。然而，和戴维森不同的是，查尔斯·佩奇发明之路却很坎坷，他一生中遭遇的那次最大失败，给电池驱动的电力机车敲响了丧钟。

佩奇在1840年代发明了一种新型的电动机，并成功应用在电锯和水泵上面，有了这些成绩，他就向美国参议院申请了一笔研发资金，准备利用该项技术制造实用的电力机车。佩奇的运气不错，参议院批准了他的资金申请，既然连参议院都看好佩奇的发明，大量私人资金也纷纷加入，资金问题圆满解决，佩奇终于可以放手一搏了。经过多年研发，佩奇取得了系列科研成果，还研制成功多种不同类型的电动机，都是通过蓄电池提供电力，并制造了相应的电力机车的样车。1850年，佩奇在美国科学促进会上介绍了他的研究进展，引起了不小的轰动，这对电力领域的其他顶尖的科学家是个很大的启发。

到了1851年4月29日，佩奇一鼓作气将电动机的功率从8马力提升到了20马力，用两台20马力的电动机驱动一台重达10吨的机车运行，速度达到了30公里/小时。佩奇亲自驾驶着这台机车从华盛顿开往布兰登堡，耗时19分钟，行程非常顺利。有了这个成功先例，佩奇更加信心百倍，就计划将这台10吨重的机车从华盛顿开往巴尔迪摩，返回的时候，顺便带上一批乘客。如果试验成功，佩奇的成就将一枝独秀，会将世界铁路运输进入电力时代的时间提前三十年，这个成绩可是划时代的。

从美国华盛顿特区到巴尔迪摩的距离是63公里，按照佩奇电力机车的运行速度为25公里/小时计算，跑完全程也需要2个半小时以上，这是一个巨大挑战，蕴含着很大的风险。这个挑战已经远远超过了城市轨道交通的范畴，是在向电气化铁路长途运输领域进军。而其中的风险更是显而易见，比如机车的性能如何？蓄电池的续航能力到底有多大？应急措施准备是否充分？每一环节的失误，都会让试验功亏一篑。不幸的是，历史没有给查尔斯·佩奇扬名立万的机会，他在这次史无前例的电气化铁路运载试验中遭遇了重大挫折，严重一点说是遭遇了一场事故，虽然没有人受伤，但是也为他的彪悍人生抹上了一层悲剧色彩。

佩奇和他的一位技工阿里·戴维斯一起驾驶这台电力机车朝着目的地前进，但是开行了没有多久，高压电火花就击穿了蓄电池的绝缘线圈，造成了短路，很快，蓄电池里面用易碎粘土做成的分配器在启动时发生破裂，蓄电池土崩瓦解，紧接着其他的电池也接连损坏。这场技术故障可忙坏了佩奇和戴维斯，他们开始竭尽全力维修机车，以保证其继续平稳运行。机车大约行驶了8公里左右，已经路过了布兰登堡和马里兰，行驶速度维持在了19公里/小时，但是要想成功开行到63公里之外的巴尔迪摩是不可能了。佩奇只好掉头返回，费了九牛二虎之力，才勉强将机车开回了华盛顿。

佩奇的这次失败为其他的发明家敲响了警钟，让他们放弃蓄电池电力牵引技术，去寻找更好的解决办法。其实早在查尔斯·佩奇信心满满地试验他的电力机车之前，英国物理学家詹姆斯·普莱斯考特·焦耳就在一次科学会议上为电池牵引技术做出了如下评价：“用电池作为动力的机器是没有实用前途的。”佩奇没理会焦耳的结论，自信心爆棚，却遭遇了失败。其实这也不能怪佩奇技不如人，在那个群星璀璨的年代，各类新思想和新发明令人目不暇接，光凭理论研究怎么能直接给一项创新判死刑？实践是检验真理的唯一标准，即使失败，也无怨无悔。

罗伯特·戴维森和查尔斯·佩奇的发明，证明了蓄电池的小容量、不稳定、安全性能不高与不断需要充电的缺点，使之根本无法满足电力机车牵引的需要，哪怕戴维森和佩奇的电力机车比达文波特的更加先进，动力更足，也无济于事，被淘汰是历史的必然。当然了，在21世纪的今天，通过蓄电池牵引的电力机车也在研发之中，即将投入实际运营。现在的蓄电池技术与1850年代的技术相比，早已经天上地下，大容量长续航电池的出现，让这种最早出现的电力机车有了咸鱼翻身的机会。