科普利獎章得主的物理學家群像(四) 蒸汽渦輪機之父 (下):大英帝國的餘暉

  • 阿文開講
  • 撰文者:高崇文
  • 發文日期:2023-05-24
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前兩回阿文介紹了英國工程師帕森斯發明的蒸汽渦輪機在發電以及航海兩項事業的偉大成就,這一回要來介紹他的其他較不出名,但是以科學眼光來看,毫不遜色的幾項工程成就。由此可以一窺帕森斯身為工程師的多才多藝到了什麼程度。

首先值得一提的是帕森斯在改良高效能探照燈的成就。帕森斯在開發高效能探照燈所發揮的作用,雖然一般大眾無感,但是卻深得海軍和軍事技術人員的認可。當然,探照燈早在帕森斯的工程生涯開始時,就已經被廣泛使用了。它們於 1876 年開始被英國海軍使用,在 1882 年的埃及戰役中,探照燈在戰場上大大地出了一陣風頭。(1882年的這場戰爭是由當時統治的穆罕默德·拉里王朝的內閣中反西方的閣員艾哈邁德·阿拉比領導的民族解放勢力發動對英國與法國的戰爭,戰爭的遠因是因為埃及政府開鑿蘇伊士運河而負債累累,不得不將運河賣給英國政府。英國轟炸了亞歷山大港,並在 Tel el-Kebir 戰役中擊潰了埃及軍隊。從此之後埃及實質上成了英國的保護國。),但是當時的探照燈有一些缺點讓它無法充分發揮,雖然大家都知道使用精確拋物面反射器從弧形投射光束,理論上是最有效率的設計,但是由於從工程的角度來考量,要形成真正的拋物線形狀其實是相當的困難,所以最早的探照燈反射器都是用球面製成的。光線從鍍在鏡子背面的銀塗層反射,玻璃從中心到邊緣的厚度逐漸增加,因此光線所經歷的折射差異足以使它們變成相當平行的光束而被投射出去。這種設計的大型反射鏡非常重,而且造價昂貴,並且它們在使用中,由於受到電弧熱量的不同產生不均勻的膨脹影響,還相當容易破裂。這些缺點在軍事行動中尤其不利。而這就是工程師可以發揮的地方了。

帕森斯為自己設定的目標,是以合理成本生產鍍銀反射器,該反射器應該是均勻薄的玻璃和理想的拋物線曲率。這樣就不會容易破裂而且能長時間使用。當帕森斯還是蓋茨黑德的克拉克查普曼公司的合夥人時,他就制定了製造這種反射器的過程。等到他在1889 年,在希頓建立了自己的工廠以後,他為此特地組織了一個專門的生產部門。就這樣,他實際上創立了一個新的產業,這個產業不僅能夠充分滿足國防的需要,而且也在和平時期可以滿足了商業的需要。第一個探照燈拋物面反射器的直徑不超過 30英寸,但為了滿足海軍和軍事當局日益增長的需求,希頓的工廠成功生產了直徑超過 7 英尺的拋物面反射器。在這些發展更大規模的探照燈的同時,帕森斯引入了許多改進。像是他將玻璃的鍍銀面加一層電沉積的銅保護,後來通過金屬絲網加固的鉛板的附加背襯提供了進一步的保護。這使得反射器免受因暴露於油煙、鹽水的破壞性影響而造成損壞。它還大大降低了破損的風險。事實上,以這種方式保護的鏡子在被步槍子彈或砲彈碎片刺穿後,仍然可以使用。

除此之外,出於某些目的,例如要照亮像是港口或機場的停機坪這類的大區域時,需要的是能發出平坦發散光束的探照燈。為了產生這樣的光束,帕森斯發明了一種非常巧妙的方法來製作反射器,在垂直平面上彎曲成拋物線形,在水平面彎曲成橢圓形,兩條曲線具有共同的焦點。拋物線曲率導致光線以均勻深度的光束發出,而橫向橢圓曲率的作用是使光線首先在橢圓的次焦點處會聚成一條垂直線,然後在預定的位置發散角度。因此,配備這種反射器的探照燈,不僅投射出所需類型的扇形光束,而且整個光束能夠通過位於次焦點處的狹窄垂直槽。因此,探照燈可以在一個漏洞後面操作,在那裡,它被步槍射擊損壞的機會,就變得非常的小。在軍事行動中非常耐用。

 帕森斯還有一項與探照燈有關的發明,是可分離的拋物面橢圓反射器。這項發明在航行中被證明具有最大價值,特別是對通過蘇伊士運河的船舶而言,更是如此。它被垂直分成兩半,相互鉸接。通常,該組合充當單個反射器,將一束略微發散的光束從船正前方投射。這樣的光束使運河能夠在夜間安全穿越,但它會對可能接近的任何其他船隻的引航員產生致盲效應。為了避免這種危險,帕森斯設計了分離式反射器。一旦看到另一艘船駛來,鏡子的鉸接的兩半就會通過操縱後面的小槓桿擺動開來,結果光束被分成兩部分,它們之間有一個黑暗的不亮空間。運河的兩側因此被明亮地照亮,而接近的領航員絲毫不會因燈光而感到不便。帕森斯建造了這種類型的完整探照燈裝置,早期被租用在運河入口處的船隻上,然後在另一端返回岸上供船隻使用反向通道。這項服務使船隻能夠在夜幕降臨時通過運河航行,從而節省時間和港口費用。這項發明對於在1882年後控制蘇伊士運河的大英帝國政府而言,簡直是如獲至寶。在此又印證了「需要是發明之母」這個道理。

 帕森斯另一項成就也與國防息息相關。原來在 1914 年之前,英國使用的光學玻璃的重要組成部分,都是從歐洲大陸進口的。由於第一次世界大戰爆發,這種供應來源不再可行,缺貨的情況變得很嚴重,因為除了工業的普通需求外,軍事行動所需要的測距儀、潛望鏡、場鏡 (Field Lens) 和其他戰爭所需的光學儀器所用的玻璃,沒有足夠的特殊種類玻璃的供應的話,後勤補給就無法維持,這會形成阻礙軍事行動的嚴重問題。因此,英國政府馬上採取行動,在德比附近建立了一家光學玻璃工廠,從而確保為服務提供充足的供應。不僅如此,還證明了英國專家可以製造出在許多方面都優於德國工廠出產的光學玻璃。

第一次世界大戰結束後,光學玻璃需求量隨著大幅減少,德比工廠一蹶不振,儘管收到了關於依賴國外供應會造成的危險警告,在缺乏必要的戰爭要求下,這些工廠似乎很可能不得不關閉。就在此時,帕森斯出現了,他在出於公益的動機和出於科學興趣的啟發比任何賺錢都重要的想法引導下,帕森斯於 1921 年購買了整個工廠。同一年他還收購倫敦克拉珀姆的羅斯有限公司的控股權,該公司以製造雙筒望遠鏡和其他頂級小型光學設備而聞名。由於他充滿活力的指導,這家工廠在帕森斯光學玻璃公司的名義下,獲得了新的生機。一開始他引進了改進玻璃研磨的各種方法,但很快地,他就把注意力轉向了製造光學玻璃本身這個更重要的問題。光學玻璃的製造一直是一個非常秘密的過程,很少有人了解,並且或多或少地按照傳統路線進行。這種情況不可避免地導致製造技術的停滯,並導致一些原始的製造方法持續被採用。帕森斯不受這些陋習的束縛,立即將他出色的機械和科學知識應用於改進所採用的工藝。他設計了更好的方法來熔化玻璃,並在熔化時將其攪拌,同時他還介紹了將熔化的玻璃直接放入模具中,便立即轉移到退火爐的做法。通過這些改進,他能夠製造出非常好的光學玻璃光盤,可以生產出任何尺寸,並具有客戶所需要的特殊性能的各式玻璃。在他的管理下,工廠生產了大約一百種不同種類的光學玻璃,每一種都最適合對於某些特定的任務。帕森斯確實做了很多工作來建立英國光學玻璃現在在全世界所享有的良好聲譽,但根據他的朋友和同事,也是英國皇家學會的會員的 Gerald Stoney 博士所說,帕森斯在這項任務中虧了一大筆錢,據說他的企業花了他大約 60,000 英鎊。 在他去世後,該工廠被伯明翰的老牌 Chance Brothers 公司收購。由此也可見帕森斯身為科學人的堅持。

 除了光學玻璃之外,帕森斯對光學儀器也很有興趣,別忘了,他本來就來自天文世家。第一次世界大戰期間,原本以愛爾蘭為根據地的霍華德·格魯布爵士與帕森斯公司 (Howard Grubb and Sons, Ltd) 將他們的光學產品轉移到英格蘭,在赫特福德郡的 St Albans 建立了一家工廠,但戰後他們工廠面臨倒閉。帕森斯決心挽救這家歷史悠久的企業,並於 1925 年購買了該公司的資產,以霍華德·格魯布爵士與帕森斯公司 (Sir Howard Grubb, Parsons and Co) 的名義繼續其活動。這是因為帕森斯家族與格魯布家族是世交,帕森斯從小就熟悉都柏林的格魯布家族,而且這個家族曾製造出著名的天文儀器,帕森斯還為他們的一些望遠鏡的鏡頭製作過玻璃。帕森斯在沃克蓋特 (Walkergate) 為其建造了新工廠,毗鄰他在希頓的渦輪機工廠,這間老牌公司在帕森斯的指導下重拾繁榮。它建造了許多著名的儀器,包括用於格林威治天文台的 36 英寸反射望遠鏡和兩個 74 英寸反射鏡,一個用於多倫多大學的鄧拉普天文台,另一個用於比勒陀利亞的拉德克利夫天文台。最後一個儀器還是大英帝國境內最大的儀器。它成功地為天文望遠鏡的物鏡生產了大型光學玻璃圓盤,這使帕森斯對望遠鏡本身產生了越來越大的興趣,因為它的結構吸引了他的科學直覺,也吸引了他的機械直覺。霍華德·格魯布爵士與帕森斯公司在帕森斯過世之後,仍然持續製造精良的天文儀器,比較著名的是艾薩克·牛頓望遠鏡(Isaac Newton Telescope;縮寫:INT),它是一架 2.54 米(100 英寸)的光學望遠鏡,自 1984 年以來一直由位於加那利群島拉帕爾馬島拉帕爾馬島 Roque de los Muchachos 天文台的艾薩克牛頓望遠鏡組運行。INT 最初位於英國蘇塞克斯的 Herstmonceux 城堡,這是皇家格林威治天文台因光污染而離開格林威治後的所在地。 它於 1967 年由英國女王伊麗莎白二世主持開幕。後來由於 Herstmonceux 城堡附近天氣時常很惡劣,而且航班頻繁出現在附近,所以1979 年,INT 被運往拉帕爾馬,此後就一直放在那裡。這家公司製造的最後一個望遠鏡是威廉·赫歇爾望遠鏡(William Herschel Telescope,WHT)是一架口徑 4.20 米(165 英寸)的光學/近紅外線反射望遠鏡,座落在西班牙加那利群島的拉帕爾馬島的穆查丘斯羅克天文台。製作工作於1983 年在紐卡索 (Newcastle-upon-Tyne) 開始,於1985年運到拉帕爾馬。當時它還是世界第三大的光學望遠鏡呢。

除了探照燈與光學玻璃以及天文儀器之外,帕森斯還有一個終生都感到興趣的夢想,就是通過碳結晶來製造鑽石。他以他一貫的精力和聰明才智嘗試解決了這個問題。為了獲得可能使碳液化的壓力和溫度,他使用了一台 2,500 噸的液壓機和一個能夠提供 50,000 安培電流的電池。他設計的另一種獲得極端壓力和溫度的方法是將子彈從服務步槍射入固定在槍口前幾英寸的鋼塊上的孔中。待試驗的碳質物質被放置在孔的底部。通過這些和其他方式,他獲得了高達每平方英寸 5000 噸的壓力和超過 15,000°C 的溫度。他還重複了莫桑 (Moissan ) 聲稱已經生產出微觀鑽石的實驗。莫桑利用凝固時鐵水的收縮來獲得壓力,但帕森斯得出的結論是莫桑錯了,由此獲得的微小晶體只是某種形式的碳化物。帕森斯斷斷續續地繼續他的研究大約 25 年,最後只能承認他在這些研究上花費了大約 20,000 英鎊。但是他從來沒有成功過。人工合成鑽石的夢想,要等到 1954 年聖誕節前,美國通用電器公司才終於運用高壓高溫法 (High Pressure and High Temperature, HPHT) 在 70,000 大氣壓及攝氏 1,600 度的環境之下將石墨轉化為鑽石,合成出第一顆人造鑽石。但是做出來的鑽石很小,只有 0.15 mm而已,所以到了1960 年代,科學家又發展出化學氣相沉積法 (Chemical Vapor Deposition, CVD)。先將一顆小小的鑽石「核心」放入真空環境去除雜質,然後科學家往裡注入溫度高達攝氏 3,000 度的甲烷和氫氣,這些高溫氣體會裂解生成帶電荷離子體,而從甲烷裂解物中釋放出碳原子。碳離子會沉積在「核心」表面,並且複製原來放進去的天然小鑽石核心的結構繼續成長,以每小時 0.006 公厘的速度生長,一顆 1 克拉鑽石可以在幾天內生長完成。這些技術顯然是帕森斯在他當時的條件下無法達成的。

帕森斯也堅信機械飛行的可能性,當時連大科學家開爾文勳爵都不相信人類能夠飛行呢。早在 1893 年,他就建造了一架蒸汽驅動的直升機,能夠將自己升到幾碼高的空中。然後,他通過為其安裝 11 英尺跨度的機翼將其改裝為單翼飛機,在這種形式下,它能夠上升到約 20 英尺的高度並飛行 80 碼的距離。一些歷史學家將帕森斯模型確定為第一架噴氣式飛機,但這是不正確的。 雖然帕森斯在渦輪機方面的工作最終導致了噴氣式飛機發動機,但帕森斯模型中的小型 1/4 馬力發動機是標準的單活塞往復式蒸汽發動機。

帕森斯還設計過輔助音器 (Auxetophone),這是一種早期的壓縮空氣留聲機,可以用於放大音樂和人聲的設備。它的原理是通過適當地控制通過閥門的壓縮空氣的流動來產生聲音,以模仿人類喉嚨中聲帶的動作。該閥可以通過在留聲機唱片上移動的針或通過任何其他方便的方式來操作。所以沒有任何與機械振膜再現密不可分的音調失真。1906 年,在女王大廳的交響音樂會上,輔助音器成功地增強了亨利伍德爵士管弦樂隊的大提琴和低音提琴的聲音,並得到了這位偉大指揮家的熱情認可。輔助音器的機械完美性與其產生的聲音的音量和純度一樣顯著,遺憾的是,銷量極低,原因是該機器不適合家庭使用,因為它音量非常大——對於留聲機來說是驚人的——並且會壓倒普通的家庭聽眾。 儘管 Auxetophone 的銷售宣傳促進了它在“大型住宅”中的使用,但市場主要局限於商業應用,例如舞廳、劇院和餐廳,這些應用通常會聘請小型樂隊來招待食客。再加上隨著通過電子方式放大聲音的發明之後,大眾對它就失去興趣了。所以現在還留著的輔助音器大多成為博物館的珍藏。

帕森斯可以算得上是二十世紀最重要的工程師之一,所以得獎無數。他於 1898 年 6 月當選為皇家學會會員,於 1902 年獲得拉姆福德獎章,1911 年被授予騎士勳章,他於 1916 年至 1919 年擔任英國科學促進協會 (British Association) 的主席,並於 1918 年成為貝克里安講座講員。1928 年獲得科普利獎章時他已經是七十三高齡,得獎理由則是對工程科學的貢獻。隔年他還得到鋼鐵學會授予他貝塞麥金獎獎章。他與妻子在里士滿公爵夫人號輪船上於牙買加渡假的時候,卻在 1931 年 2 月 11 日在郵輪上驟逝。死因是神經炎。享年七十六。

帕森斯無疑是打造現代工業世界的重要推手之一。所以愛爾蘭工程學院每年都會頒發以帕森斯命名的帕森斯獎章,以表彰對工程實踐做出傑出貢獻的工程師。倫敦著名的西敏寺中殿的北通道中,有一扇紀念帕森斯爵士的窗戶。 這扇由 J. Ninian Comper 爵士設計的窗戶於 1950 年 10 月 5 日揭幕。窗戶上的人物代表亨利三世和西敏寺方丈理查德韋爾。 底部是銘文:

為了紀念 Charles Algernon Parsons O.M. K.C.B. F.R.S. 海洋工程師。 出生於 主後1854 年死於 主後1931年。

各位看官下次有機會到西敏寺一遊,記得參觀一下喔!

 

參考資料:

  1. 中文 英文維基相關條目
  2. Steinberg, D., & Parsons, R. (1942). The Steam Turbine and Other Inventions of Sir Charles Parsons,see http://www.houseofdavid.ca/parsons.htm
  3. https://blog.softinway.com/charles-par ... ntribution-to-engineering