特斯拉：电气时代的开创者

当特斯拉1906年从精神崩溃中康复回来时，他希望能继续沃登克里弗的工作。为了筹集必要的资金，他把他的创造努力从电转移到了机械工程。在此过程中，他重拾起了有关飞行的旧时梦想。

特斯拉还是个孩子时就梦想过飞行，而他打算一旦完善了无线电力系统，接下去追求的应用便是向飞行器传输电力。正如他在1911年解释的：“二十年前我相信我将是第一个飞行的人；我相信我正在完成其他人没有完成的事……我的想法是用电动机驱动飞行器，而电动机的动力来自地面电力站。”²

2Frank Parker Stockbridge, “Will Tesla's New Monarch of Machines Revolutionize the World?” New York Herald , 15 October 1911, in Jeffrey A. Hayes, ed., Tesla's Engine: A New Dimension for Power (N.p.: Tesla Engine Builders Association, 1994), 22–36, on 35. 在20世纪80年代末，加拿大研究人员放飞了一个由电子束提供动力的模型飞机；参见：William J. Broad, “New Kind of Aircraft Is on Horizon as Designers Try Microwave Power,” New York Times , 21 July 1987.

由于特斯拉太过专注于电力驱动的飞行器，他很少关注像莱特兄弟这样的发明者是如何利用轻型汽油发动机的，而后者部分帮助了莱特兄弟在1903年首次让飞机飞上蓝天。³ 特斯拉意识到汽车和飞机都需要更轻便更强大的发动机，于是他转向了无叶片涡轮机的研究。

3Tom Crouch, The Bishop's Boys: A Life of Wilbur and Orville Wright (New York: W. W. Norton, 1989), 244–245.

通过与其交流电动机中的旋转磁场作类比，特斯拉构思了无叶片涡轮机的想法。就像旋转磁场在电动机中“拖动”转子，特斯拉认为应当有可能用像蒸汽或压缩空气这样的流体来拖动固定在涡轮机主轴上的一系列圆盘（图16.1）。通过紧密堆叠圆盘以及使它们与流体的流向形成适当的角度，特斯拉发现可以利用流体的黏性使圆盘堆栈旋转。所有流体都有黏性，像糖浆这样的液体具有很高的黏性，而像空气这样的气体的黏性则很低。但不管黏度如何，所有的流体都会“粘”在固体表面，即直接接触固体表面的流体分子与固体表面的移动速度一致。同时，远离表面的分子会被靠近表面分子的黏性干扰拖慢。这导致在“无滑移”表面与“自由流”速层之间形成了一个被称为边界层的过渡层。

特斯拉发现可以利用边界层的“黏性剪力”（自由流动分子与粘在表面的分子之间的张力）来把流体的能量传送给圆盘堆栈，从而不再需要复杂的叶片。相反，通过仔细调节圆盘之间的缝隙从而使之与所有流体的黏度特性和速度相适配，特斯拉希望能创建出一台高效的发动机。在特斯拉的设计中，流体从涡轮机的边缘流入而从中心轴流出。当流体涡旋着流向中心时，流体流动中的能量会拖动圆盘并导致主轴旋转。特斯拉进一步发现，通过反转流动方向，即流体从中心进入而从边缘流出，其涡轮机也能当泵或风机用。⁴

4对特斯拉涡轮机的这种解释是基于我与我的工程同事罗伯特·里班多（Robert Ribando）的讨论。也可参见：William Harris, “How the Tesla Turbine Works,” http://auto.howstuffworks.com/tesla-turbine.htm/printable .

就像特斯拉的其他发明一样，无叶片涡轮机是基于一个理念：可以利用流体的两个基本属性（黏度和黏附性）来创建完美的发动机。特斯拉的涡轮机只使用简单的圆盘，而不是查尔斯·帕森斯（Charles Parsons）和古斯塔夫·德拉瓦尔（Gustaf de Laval）发明的轴流式涡轮机中所用的复杂的叶片，他相信其建造和维护都会更廉价。但更为重要的是，他相信在他的设计中机器每磅重量所产生的马力数会更高，因而使之能被广泛用于汽车和飞机。特斯拉在1911年发出捷报：“我已经完成了自蒸汽动力发明以来机械工程师们一直梦想的东西，那就是完美的旋转发动机。”⁵

5Stockbridge, “Tesla's New Monarch of Machines,” 27.

但正如从旋转磁场理念的获得到可用的交流电动机的完成花费了特斯拉数年时间，无叶片涡轮机的完善也涉及大量仔细的工程工作。特斯拉很快发现要为涡轮机圆盘的不同配置和材料进行测试。朱利叶斯·C. 思泽图（Julius C. Czito，特斯拉长期助理柯尔曼·思泽图的儿子）在1906年用8个直径6英寸（约15.2厘米）的圆盘建造了第一个原型。机器不到4.5公斤重，发出的动力有30马力。特斯拉很快发现，转子达到极高速度（最高35 000转每分钟）时，金属圆盘会被拉伸变形。1910年思泽图用12英寸（约30.5厘米）的圆盘为特斯拉建造了一个更大的模型，当转速被限定为10 000转每分钟时，它发出了100马力的动力。1911年他们用直径9.75英寸（约24.8厘米）的圆盘建造了第三个原型。他们又把转速降低到9000转每分钟，并发现动力增加到了110马力。产生的动能与原型大小之间的关系令特斯拉印象深刻，他告诉记者说，他的涡轮机相当于是“把动力房装在了帽子里”。⁶

6O'Neill, Prodigal Genius , 218–221.

按照其常用的“专利–推介–出售”策略，特斯拉最初希望他能把涡轮机专利卖给制造商并把收入用来完成沃登克里弗的工作。1909年3月，特斯拉向约翰·雅各布·阿斯特兜售了其涡轮机，但阿斯特再一次拒绝投资。因此，他与约瑟夫·霍德利（Joseph Hoadley）和沃尔特·H. 奈特（Walter H. Knight）成立了特斯拉推进器公司。霍德利与阿拉巴马煤铁联合公司有关联，该公司打算安装特斯拉的泵或风机以用于高炉。然后特斯拉在1909年10月提交了两个专利申请——一个是泵的，另一个是涡轮机的。自信于这个发明的成功潜力，特斯拉在时为世界上最高建筑的麦迪逊广场新大都会人寿大楼租了一个办公室套间。⁷

7NT to JJA, 22 March 1909, in Seifer, Wizard , 336; “Tesla Says He Has New Power Secret,” New York Herald , 20 May 1909 in TC 18:146; “Southern Iron Merger Plan,” New York Times , 2 April 1911; NT, “Fluid Propulsion,” U.S. Patent No. 1,061,142 (filed 21 October 1909, granted 6 May 1913) and “Turbine,” U.S. Patent No. 1,061,206 (filed 21 October 1909, granted 6 May 1913).

为展示这个新发明的潜力，特斯拉于1911—1912年间在纽约爱迪生公司的沃特赛德发电站安排演示了他的涡轮机。为做这些测试，特斯拉用18英寸（约45.7厘米）的圆盘建造了两个涡轮机，每台在9000转每分钟时输出了200马力。这两个涡轮机被安装在同一个基座上，它们的轴以扭力弹簧相连（图16.2）。当蒸汽被输入涡轮机时，两台涡轮机向相反的方向旋转，扭力弹簧就会测量两台涡轮机对抗所输出的动力。在这里，证明理念的幻象是两台发动机在进行一场拔河。然而，观看测试的工程师不理解特斯拉在用扭力弹簧做什么，他们本期望看到的是涡轮机在转动；当他们看不到发动机的轴转动时，他们得出的结论是测试失败了。这一次，幻象适得其反。⁸

8O'Neill, Prodigal Genius , 222–224.

J. P. 摩根于1913年去世时，特斯拉参加了这位伟人的葬礼，并于两个月后开始寻求摩根的儿子杰克的支持。特斯拉仍然梦想着沃登克里弗的实验，他希望杰克会在无线电力中投资；然而，当杰克表示对那个项目不感兴趣时，特斯拉就兜售了他的涡轮机计划。杰克愿意冒一点风险，借给了特斯拉20 000美元，分四期，每期5000美元。特斯拉利用这笔钱，试图把涡轮机的想法卖给爱迪生的老同事西格蒙德·伯格曼（Sigmund Bergmann），伯格曼在德国有一个大型制造工厂。特斯拉决定维持门面，搬到了位于已取代大都会人寿大楼成为世界最高建筑的伍尔沃思大厦的新办公室（图16.3）。不幸的是，第一次世界大战于1914年爆发，特斯拉无法完成与在德国的伯格曼的交易。与此同时，杰克对这个项目失去了兴趣，并深度参与到为法国和英国的战争筹款当中去了。⁹

9Seifer, Wizard , 362–366.

在接下来的十年里，特斯拉与芝加哥的派尔公司、密尔沃基的阿里斯–查尔莫斯公司以及费城的巴德公司的工程师继续工作于涡轮机。但他们无法克服特斯拉早期就注意到的问题：超过10 000转每分钟的转速会施予涡轮机的薄圆盘难以置信的压力，从而使之变形。虽然特斯拉已在寻找更好的钢合金以用于其设计，但他从未能找到足够强的材料。

此外，特斯拉的涡轮机设计似乎是落在了两个分开的工业领域之间。一方面，为开发得当，特斯拉需要像阿里斯–查尔莫斯或通用电气这样的公司的工程师协助，他们专业于制造旋转机械，但他们的专长主要是在轴轮式涡轮机领域，不一定与建造像特斯拉的那种更好的边界层涡轮机相关。另一方面，轻型特斯拉涡轮机的主要市场将会是汽车和航空工业，但这些公司专注在高性能活塞式发动机的开发上，几乎没有兴趣纠葛于涡轮发动机。

然而，当被当成泵来用时，特斯拉的设计运作得非常棒，今天加利福尼亚州桑蒂的DiscFlo公司生产的泵就是基于特斯拉的想法。此外，密歇根州缪尼辛的凤凰导航与制导公司正在实验在圆盘中采用诸如碳纤维、钛浸渍塑料和凯夫拉纤维之类先进材料的圆盘涡轮机。还有一群忠实的业余爱好者在继续探究特斯拉的想法并通过特斯拉发动机建造者协会来分享他们取得的结果。¹⁰

10 See http://www.discflo.com/ ; http://www.phoenixnavigation.com/ and http://www.teslaengine.org/ .