船舶动力发展历史「船舶导航的发展史」

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船舶的推进是将各种形式的能源转化为船舶向前航行的动能，其形式大致可以分为三类：人力推进（Human Propulsion）、风帆（Sailing）和机械推进（Mechanical Propulsion）。人力推进包括使用杆（Pole）、桨或橹（Oar）、桨轮（Paddle Wheel，或称明轮，“轮船”一词即来源于此）和纤绳等。风帆推进通常是布篷挂在船桅上，利用风力使船前进。

机械推进方式在实现上通常分为两个阶段：第一阶段是将其他形式的能源转化为机械能，第二阶段是将机械能转化为船舶的动能。第二阶段机械能向船舶动能的转化是依据动量守恒定律，通过反作用的方式向船舶行进方向的反方向排水，将机械动能转化为推力，使用的装置为推进器，包括早期的明轮和后期的螺旋桨（Screw Propeller）以及喷水推进器（Waterjet）等。

但第一阶段其他能源形式向机械能的转化才是对机械推进方式进行划分的关键，历史上不同推进形式的出现都是以实现其他形式能源向机械能转化的机械来划分的。

机械推进方式有多种分类方式，发动机有内燃机、外燃机之分，有活塞式和涡轮式之分等等，其燃料也有木材、矿物燃料（煤、重油、柴油、天然气等）和核燃料等。

1. 往复式蒸汽机

在相当长的时间里，船舶都是以人力、风力作为航行的动力。风帆在十九世纪前主宰着人类的航行。直到1704年法国发明家巴本（Denis Papin）建成了世界上第一艘由蒸汽机驱动的船舶，开创了汽船（Steamship）的时代。不过商业上成功的汽船则是一百年后美国人罗伯特·富尔顿（Robert Fulton）在美国纽约建成的“北河汽船”（North River Steamboat），1807年“北河汽船”开始了从纽约市到纽约州首府奥尔巴尼（Albany）的定期客运服务。其后，汽船逐步取代帆船，成为船舶动力的主流。以往复式蒸汽机（Reciprocating Steam Engine）为动力的船舶吨位数在1865年超过了帆船。

往复式蒸汽机是将蒸汽的能量转换为机械功的活塞往复式外燃机。蒸汽机的出现引起了18世纪的工业革命。直到20世纪初，它仍然是世界上最重要的原动机，后来才逐渐让位于内燃机和汽轮机等。

蒸汽机按蒸汽在活塞一侧或两侧工作，可分为单作用和双作用式；按汽缸布置方式，可分为立式和卧式；按蒸汽是在一个汽缸中膨胀或依次连续在多个汽缸中膨胀，可分为单胀式和多胀式；按蒸汽在汽缸中的流向，可分为回流式和单流式；按排汽方式和排汽压力可分为凝汽式、大气式和背压式等。

早期的蒸汽机燃烧木材，后来改为烧煤或燃料油。最初的时候蒸汽机推动明轮，后来效率更高的螺旋桨取代了明轮。蒸汽机在19世纪有很大的改进，蒸汽压力、蒸汽温度、单机功率和效率都有很大提高。由于结构简单、运转可靠、管理方便和噪音小等优点，往复式蒸汽机在过去很长时间内占据着主导地位，后来逐渐被蒸汽轮机和柴油机取代。而蒸汽机直到20世纪仍主宰着铁路运输，到二次大战结束时蒸汽机车仍是最常见的机车，直到二十世纪后期才被内燃机车和电力机车取代。

蒸汽机的缺点是离不开锅炉，整个装置既笨重又庞大；新蒸汽的压力和温度不能过高，排气压力不能过低，热效率难以提高；它是一种往复式机器，惯性力限制了转速的提高；工作过程是不连续的，蒸汽的流量受到限制，也就限制了功率的提高。

2. 蒸汽轮机

1884年英国人帕森斯爵士（Sir Charles Algernon Parsons）发明了蒸汽轮机。1894年帕森斯开始用蒸汽轮机装备舰船。1897年在英国的战舰比赛中，蒸汽轮机驱动的“塔比尼亚”号（Turbinia）创造了34.5节的航速，从而开创了用蒸汽轮机推进船舶的时代。

蒸汽轮机（Steam Turbine Engine）是将蒸汽的能量转换为机械功的旋转式动力机械，又称为汽轮机、蒸汽透平发动机或蒸汽涡轮发动机。由于热效率和功率重量比（Power-to-weight Ratio）比往复式蒸汽机有很大的改进，出现后逐渐在军船和商船上取代了往复式蒸汽机。二十世纪早期，重油逐渐取代煤，成为蒸汽轮机的主要燃料。二十世纪上半页横跨大西洋往来欧洲和北美的高速定期班轮多数是采用蒸汽轮机作为动力的。二十世纪六十年代后，蒸汽轮机逐渐被热效率更高的柴油机取代。目前，蒸汽轮机在商船领域的应用主要是在LNG船上，在军船上的应用主要是核动力航空母舰和核动力潜艇。此外，蒸汽轮机是全球发电系统的关键装置，燃烧矿石燃料的发电站和核电站主要采用蒸汽轮机发电。

3. 活塞往复式柴油机

1897年，德国工程师鲁道夫·狄塞尔（Rudolph Diesel）发明了世界上第一台柴油机。1910年后开始出现以柴油机为动力的船舶。自1960年，多数新建船舶都采用了柴油机，柴油机全面取代往复式蒸汽机和蒸汽轮机，成为船舶动力的绝对主力。

活塞往复式柴油机（Reciprocating Diesel Engine）不仅是热效率最高的一种热机，而且还具有启动迅速、部分负荷运转性能好、安全可靠、重量轻、功率范围大等优点。此外柴油具有能量密度高、成本低、安全性好和便携性等优点。因此船舶主机和发电机多采用柴油机，现在以柴油机为动力的船舶（包括柴油机直接驱动和柴油机齿轮传动）占世界船队的95%以上。

4. 燃气轮机

1791年，英国人巴伯（John Barber）首次描述了燃气轮机的工作过程。1947年，英国制造的第一艘装备燃气轮机的舰艇下水，它以1.86兆瓦的燃气轮机作加力动力。

燃气轮机（Gas Turbine Engine），又称燃气透平发动机或燃气涡轮发动机，与上述蒸汽轮机（Steam Turbine）以及水轮机（Water Turbine）、风力发电机（Wind Turbine）同属于透平机械（Turbine）。燃气轮机的优点是单位重量和尺寸小、单机功率大、机动性能高；但它的经济性差，进排气管道大、机舱布置困难，低负荷运转性能差。

燃气轮机于二十世纪五十年代开始在商船上作为主机，不过从来没有大规模应用，目前主要应用在对速度要求高的军船上，在一些海洋工程船舶或平台、军船和商船上也有以燃气轮机作为发电机的原动机。此外，燃气轮机在航空领用应用广泛，是航空发动机的核心；在以柴油为燃料的陆用发电设备中也广泛使用燃气轮机；在一些军用和民用车辆上如坦克也有采用燃气轮机作为发动机的；工业领域中，部分大型泵和压缩机的驱动也有采用燃气轮机。

5. 电力推进

上世纪80-90年代，电力推进技术开始在船舶领域得以应用。除军用船舶外，这种推进系统主要应用于豪华游船、渡船、动力定位钻井平台和采油平台、穿梭油轮、铺缆船、铺管船、平台供应船和三用工作船、破冰船等商用领域。

虽然目前采用电力推进的船舶比例很小，而且多为小型船舶，虽然电力推进的原动力仍主要来自柴油机，但是电力推进的前景却非常广阔，应用上不仅在往大型船舶上发展，而且其原动机在未来也很可能不局限于柴油机，向着纯电池、燃料电池或其他动力的方向发展。