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从英国走向全球的蒸汽火车
作者：姜森     时间：2025-06-24

2025年是全球首条公共铁路投用200周年。据英国《观察家报》报道，因矿业发展的需要而兴起的铁路运输，在几位杰出机械师和工程师的努力下实现了与蒸汽动力设备的有效结合。1825年全球第一条铁路在英国投入运营后，蒸汽火车沿着铁路线走向全球。

从石轨到铁轨的变迁

铁路起源于“有轨马车”。16世纪，欧洲采矿业兴起，随着运输量的增加，泥土路面难以负荷。德国人学习古罗马的经验，率先在哈兹煤矿铺设石质路面，使得马车摆脱了泥泞的土路，得以将大量煤炭从矿区运至码头。但是，铺设石质路面施工量很大，于是后来改为在土路上铺设两行石板供马车车轮碾轧——这就是石轨。

1660年，英国纽卡斯尔附近的煤矿开始铺设木轨，其施工更加便利，而且马车在上面行驶平稳快捷。然而，木轨的耐磨性显然不如石轨。到100多年后的1763年，英法七年战争结束，由于军需锐减，英国铁价大跌。英国的矿主们就此迎来了解决木轨易磨损问题的契机——将铁皮包裹在木轨上，这便是世界上最早的铁轨。  

随着矿产运输量的增加，包裹铁皮的木轨也不堪重负。1768年，英国什罗普郡煤溪谷一家铁厂的老板，眼见堆积如山的生铁卖不出去还很占地方，一气之下便命人把生铁烧铸成铁板，铺在厂区的路上，准备等铁价上涨后再销售。没想到这种铁板路面在矿区得到推广应用。

后来，有矿区把铁板改制成两根“L”型角铁铁轨（低于地面），可供马车的车轮嵌入其中行驶。但角铁铁轨容易被煤屑和垃圾填塞。1789年，英国土木工程师威廉·杰索普设计出凸型铁轨（高于地面）和外轮缘凸出的铸铁车轮，在从拉夫堡到莱斯特的马车铁路上投入应用——这便是现代铁路的雏形。

杰索普后来又发明了内轮缘凸出的铸铁车轮（外轮缘凸出须用紧固件锁紧，而内轮缘凸出靠铁轨就能约束）和铁路道岔。现代铁路的轮轨保留了这种230多年前的设计。

饱受挫折的发明家

18世纪是英国工业革命的黄金时期，出现了众多影响人类发展的重要发明，其中首推蒸汽机。1804年2月，英国人理查·特里维西克利用蒸汽机制成了世界上第一辆蒸汽火车机车，人类由此真正迈入了铁路时代。

特里维西克于1771年生于英国康沃尔郡一个矿主家庭，有5个姐姐，他是家里唯一的儿子。受家庭影响，他少年时期经常接触矿井中的抽水蒸汽机，激发了设计应用机械的兴趣。19岁时，特里维西克当上了矿区的技术主管。当时瓦特蒸汽机大行其道，但这种低压蒸汽机的一大劣势是体积过于庞大。特里维西克认为，如果在汽缸内使用高压蒸汽，就能设计开发出体积较小的蒸汽机。他的这种想法主要受到一位邻居的影响——蒸汽机工程师威廉·默多克。默多克在瓦特公司工作，曾于1784年研制出英国第一辆三轮蒸汽汽车，配备高压蒸汽机。但出于商业利益考虑，瓦特公司抵制高压蒸汽机，所以默多克的创新未能得到改进和应用。

1797年，特里维西克成为煤矿工程师，并与一位铁匠的女儿结了婚。这一年他启动了高压蒸汽机研制工作，在铸造厂的协助下制造出一部高压蒸汽装置。为避开瓦特公司的专利，他对锅炉和传动结构进行了改进，圆柱体锅炉能承受0.34兆帕的高压，体积则比瓦特蒸汽机小得多，能安装到车体上。

特里维西克在矿区试用的一台固定式高压蒸汽机，由于锅炉爆炸造成4人受伤。为了解决安全问题，他在锅炉上设置了铅铆钉式安全阀，当温度过高时，铅阀熔化便能释放压力。

特里维西克原本希望用高压蒸汽机取代煤矿中使用的瓦特蒸汽机，但瓦特公司让当时的媒体和公众相信，“高压蒸汽机不安全”，而且矿主们更新设备的意愿不强。在饱受挫折后，特里维西克转而将高压蒸汽机应用到车辆上。

1801年，特里维西克制造出英国第一辆四轮蒸汽汽车，绰号“吹气的家伙”，这比德国人卡尔·本茨研制出汽油发动机汽车早了78年。

1801年平安夜，特里维西克与表弟安德鲁·维维安开着“吹气的家伙”出去兜风，行驶8公里后，他们到一家饭店吃饭。结果，停在店外的这辆蒸汽汽车在锅炉里的水烧干后起火燃烧，车体完全烧毁。

1802年，特里维西克和维维安共同获得高压蒸汽机专利，并在什罗普郡煤溪谷铸造厂制造了第二台车用高压蒸汽机。1803年，他们制造出第二辆蒸汽汽车，引起公众关注。然而，这辆车在一次表演中因驾驶失误撞到了砖墙上，最终报废。

由于接连遭遇失败，特里维西克知道人们出于安全考虑不会接受蒸汽汽车，于是把重点转向铁路机车。1804年，特里维西克在英国南威尔士的本·达伦铸造厂制成第三辆蒸汽车辆，它便是世界上第一辆轮轨式蒸汽机车“新城堡号”。该机车重4.5吨，能牵引总重10吨的车厢。其锅炉蒸汽压力为0.294兆帕，顶部装有一个平放的汽缸，旁边安装一个大飞轮，借助它的旋转保持汽缸活塞的往复运动，活塞带动连杆和齿轮，驱动机车的两组动轮。

1804年2月21日，在梅瑟蒂德菲尔的一条运河旁，特里维西克亲自驾驶着新出厂的蒸汽机车，牵引着5节车厢，满载10吨货物和70名乘客，沿着16公里长的铸铁轨道以时速3.9公里跑完了全程——这就是世界上第一次火车运行，用时4小时，比马车慢得多。由于未能大幅提升速度以形成竞争优势，特里维西克的蒸汽火车最终在商业上一败涂地。

作为一位发明家，特里维西克的一生饱受挫折。1810年，他由于承包的隧道工程发生事故而破产。当15年后运行蒸汽火车的铁路在英国兴起时，他眼睁睁地看着“火车之父”的桂冠被戴到其后辈乔治·斯蒂芬孙的头上。

1833年4月22日，特里维西克在贫病交加中去世，连丧葬费都是朋友帮忙支付的。

从机械师到铁路工程师

乔治·斯蒂芬孙比特里维西克小10岁，于1781年出生在英国诺森伯兰郡一个矿区家庭，父亲是煤矿上的抽水蒸汽机司炉工，一家8口全靠其微薄收入生活。斯蒂芬孙自幼未受过良好的教育，14岁就到矿上当了一名见习司炉工。但他勤于学习技术，用一部分工资支付夜校学费，很快就成长为一名熟练的机械师。

1812年，斯蒂芬孙当上了基林沃思煤矿的总机械师，负责维护蒸汽机械，这让他有机会摸透了瓦特蒸汽机的特性。1814年，斯蒂芬孙为煤矿制成第一辆蒸汽机车，以一位普鲁士元帅的名字命名为“布吕歇尔”，并于当年7月25日进行了首次试运行。“布吕歇尔”有一个8英尺长的锅炉和两个卧式汽缸，能牵引8节车厢（总重30吨）以时速6.4公里行驶。在此后的五六年间，斯蒂芬孙先后为几家煤矿制造了16辆蒸汽机车。

当时的铸铁轨道性脆易裂，不够结实，火车经常轧断轨道。为此，斯蒂芬孙开始与纽卡斯尔的铸造厂合作改进铸铁轨道的性能。1820年，斯蒂芬孙为桑德兰的一个煤矿修建了一条长13公里的新型矿区铁路，全程采用新型铁轨。斯蒂芬孙由此实现了身份上的转变——从机械师到铁路工程师，从而为蒸汽火车的推广作出了更大的贡献。

1821年，凭借丰富的矿区铁路施工和运营经验，斯蒂芬孙接受达林顿富商爱德华·皮斯的委托，着手修建世界上第一条公共铁路——从达勒姆郡斯托克顿至达林顿，全长27公里。他与助手们完成了勘探和设计工作，并选用了伯灵顿铁厂研制的新型锻铁轨道（每根长4.6米，韧性较好）。

1823年6月，斯蒂芬孙父子在纽卡斯尔开设了机车工厂，这是世界上第一家专业火车制造厂。经过4年的施工，1825年9月，达林顿铁路举行隆重的通车仪式。斯蒂芬孙亲自驾驶他为这条铁路制造的机车“旅行号”，拉着12节货车车厢和22节客车车厢，装载50吨煤炭和450多名乘客，以时速24公里从达林顿驶到斯托克顿，接着又从斯托克顿返回达林顿。全球第一条公共铁路就此通车，引起轰动。

1826年5月5日，英国议会通过了修建利物浦—曼彻斯特铁路的计划，斯蒂芬孙受聘为总工程师。这条总长56公里的铁路耗资多达40万英镑，把英国纺织业之都曼彻斯特与最大港口城市利物浦连接起来。

工程在反对声中和资金短缺的情况下艰难推进。为了回应反对者对蒸汽机车性能的质疑，1829年4月，英国铁路公司宣布将举行一场蒸汽机车大赛，为新铁路选择最优秀的动力设备。1829年10月8日，这场世人瞩目的比赛在莱茵希里城的铁路线上举行。原本有10辆蒸汽机车报名参赛，但最终只有5辆出现在赛场上。它们分别是：伦敦赖斯怀特·艾立逊工厂制造的“新奇号”，重2.76吨；达林顿赫克华斯工厂制造的“无双号”，重4.4吨；纽卡斯尔斯蒂芬孙工厂制造的“火箭号”，重4.1吨；利物浦布蓝屈斯工厂制造的“环球号”，重3吨；爱丁堡百士托工厂制造的“坚忍号”，重2.4吨。

最终，斯蒂芬孙研制的“火箭号”赢得了这场比赛。在1.5万名观众面前，“火箭号”击败了故障频发的4个对手，赢得了500英镑奖金。

1830年9月15日，利物浦—曼彻斯特铁路举行盛大的通车仪式。时任英国首相威灵顿公爵亲自出席。斯蒂芬孙驾驶“火箭号”牵引着30节车厢，载着700多名英国政要显贵，以时速46公里驶达终点。现场的数万名观众脱帽致敬，一片欢腾。到1830年底，利物浦—曼彻斯特铁路共载客7万人次。1831年，这条铁路一年的运输总收入高达50万英镑，获利颇丰。

1832年，英国已拥有24条商用铁路，每年可运载35万人次以及70万吨货物。到1836年，英国建有724公里铁路，将主要工业区连为一体。铁路极大地推动了英国商业和钢铁、机械、建筑、地产等行业的发展，并降低了物流成本，成为真正的“经济大动脉”。

铁路运输系统走向全球

19世纪后半叶，在英国的示范下，欧美国家掀起了铁路工程竞赛。在1866—1870年间，德国社会投资的70%被用于修建铁路，总里程达到2443公里。铁路工程带动了德国钢铁、机械和金融业的发展，帮助它迅速成为欧洲工业强国。到第一次世界大战前，美、英、法、德、意、比、西等国先后建成了覆盖全国的铁路网。铁路建设奠定了这些国家的工业化基础。

蒸汽火车和铁路从欧洲大陆迅速扩散到世界各地。在1840年至1913年间，全世界平均每年修建铁路1.5万公里。1840年，世界铁路总里程仅8000公里，到1913年（第一次世界大战前），这个数字已达到110万公里，其中绝大部分集中在英、美、德、法、俄五国。铁路运输几乎垄断了陆上运输，承担的运输量高达80%。