沧州、登州、青州等地的工坊区,一座座高大的风车林立,巨大的叶片在风力带动下缓缓旋转,通过一系列齿轮和传动轴,将力量输送到工坊内部,驱动着那些日益精密的机床。
车床旋转,铣刀飞溅出金属碎屑,刨床往复运动,削切着坚硬的钢铁,还有锻锤起落,研磨机嗡鸣……这些由刘体纯指导设计、在宋应星和薄珏等人主持下不断改进的“母机”,正以前所未有的效率,生产出更多、更精良的火帽枪零件、火炮构件和各种工具。
然而,风力,这取自自然的动力,却有着天然的缺陷。
它时强时弱,时而呼啸奔腾,时而悄无声息。
工坊的生产不得不看老天的脸色,风起时全力开动,风停时只能陷入半停滞,工匠们眼巴巴地望着静止的风车叶片,徒叹奈何。
这种不稳定的生产节奏,严重制约了军工产能的进一步提升,尤其是在面临清军和郑家双重压力的当下,稳定的动力来源成为了亟待解决的瓶颈。
刘体纯深知,要想实现质的飞跃,必须跨越自然动力的局限。
他的目光,投向了那蕴藏在煤炭与水中的、更加强大且可控的力量——蒸汽机。
“原理很简单,就是烧开水。”在青州工坊的核心实验区内,刘体纯对聚集在一起的宋应星、薄珏以及几位顶尖的工匠解释道。
他拿着一根炭笔,在一块打磨光滑的黑板上画着示意图:“锅炉里的水被加热,产生大量蒸汽。蒸汽通过管道进入这个汽缸,推动里面的活塞做往复运动。再通过这个连杆和曲轴,把往复运动变成旋转运动,就可以输出稳定的、强大的动力了!”
图纸上的结构看起来确实不算复杂,一个锅炉,一个汽缸,一套传动机构。工匠们看着图纸,眼中既有对未知的好奇,也有一丝疑虑。
“将军,此物若成,真能替代风车、水排,提供源源不断的动力?”一位老工匠忍不住问道。
“不仅能替代,其力量将远超风力和水力,而且不分昼夜,不论晴雨,皆可运转!”刘体纯肯定地回答。
但他随即话锋一转,手指着汽缸与活塞的连接处说:“然而,此物成败之关键,不在于能否造出来,而在于能否‘关得住’这股力量!难点,就在这里——密封!”
他环视众人,神色凝重说道:“蒸汽乃高温高压之气,无孔不入。若汽缸与活塞之间缝隙稍大,蒸汽便会泄漏,压力骤降,机器便无力可用,甚至可能因压力不稳而炸裂,伤人伤物。
我们需要一种材料,或者一种结构,能够耐受高温高压,紧密填充活塞与汽缸壁之间的缝隙,阻止蒸汽逃逸。”
没有橡胶,这个看似简单的密封问题,在这个时代却成了横亘在蒸汽机面前的一座大山。
哪里有橡胶,刘体纯知道,也知道硫化工艺,这对于他并不难。
可是,他现在没有远洋跨海能力,只能是让橡胶树在南美洲自由自在地生长。
若是委托欧洲人运输,怕是机密难保,提前触发欧洲的工业革命。
一场艰巨的攻关战就此拉开序幕。由博学广闻的宋应星挂帅统筹,负责理论支持和资源调配;由精于机械制造、心思缜密的薄珏主管具体设计和试验。
实验场被安排在远离主要工坊区的河边,以防万一发生爆炸。
大的机体很快就造出来了,现在需要实验的就是密封材料。
第一次尝试:金属薄片
薄珏首先想到的是利用金属本身的加工精度。
他亲自监督工匠,选用上好的黄铜,精心铸造并锉磨出一个汽缸和一个匹配的活塞,力求间隙最小。然后,他让人用韧性极好的紫铜捶打成薄片,裁剪成圆环,垫在活塞的凹槽内。
“点火!”薄珏下令。
炉火熊熊,锅炉内的水开始沸腾。压力表的指针缓缓上升……当压力达到约莫一个半大气压时,一阵尖锐的“嗤嗤”声从汽缸处传来,白色的蒸汽如同顽皮的精灵,从活塞杆与汽缸盖的连接处、从活塞与汽缸壁的缝隙中猛烈地喷射出来,瞬间弥漫了整个工棚。
压力再也无法上升,活塞只是在汽缸内微微颤动,根本无法输出有效的功。
“失败。”薄珏面无表情地记录下数据。
“紫铜片虽软,但无法完全填充微观不平整处,且在高温下易变形。金属与金属之间的硬接触,难以做到绝对密封。”
第二次尝试:麻绳与油脂
一位老工匠提议道:“主管,船上有些地方用浸了油脂的麻绳填塞,也能防漏,可否一试?”
薄珏觉得可以一试。他们选取了最上等的苎麻绳,用牛油和松香混合熬制的油脂反复浸泡,使其变得柔韧且充满粘性。然后将这油浸麻绳紧密地缠绕在活塞的凹槽内,再次组装进行测试。
这一次,情况稍好一些。蒸汽泄漏的声音小了很多,压力能够上升到两个大气压左右。活塞开始缓慢地做往复运动,带动着连杆和飞轮笨重地转了几圈。围观的工匠们发出一阵低低的欢呼。
然而,好景不长。高温的蒸汽很快将麻绳中的油脂烤干、冲刷掉,失去油脂的麻绳变得干硬、脆弱。
运行了不到一炷香的时间,泄漏声再次变大,压力下降,机器又停了下来。
拆卸检查,发现麻绳已经碳化、断裂。
“麻绳不耐高温,油脂易被冲刷蒸发,无法持久。”薄珏在实验记录上写道,语气中带着失望。
第三次尝试:多层牛皮
皮革具有一定的弹性和耐热性,似乎是个不错的选择。
薄珏让人选用厚实坚韧的公牛皮,削磨成均匀的薄片,然后像叠千层饼一样,将多层牛皮圈叠加在一起,中间涂抹上耐热的鱼油和石墨粉混合物,然后压入活塞的凹槽。
重新点火升压。牛皮密封圈的表现比麻绳要好,蒸汽泄漏得到了较好的控制,压力稳稳地升到了三个大气压!活塞有力地往复运动,通过连杆和曲轴,带动飞轮越转越快,发出呼呼的风声。
“成了!成了!”年轻的助手小胡忍不住跳了起来,连一向沉稳的宋应星也抚须点头,眼中露出欣慰之色。
薄珏紧盯着运行中的机器,脸上却没有太多喜色。
他吩咐道:“持续运行,记录时间。”
机器轰鸣着,输出着稳定的力量,仿佛一个不知疲倦的巨人。
一个时辰,两个时辰……就在大家以为成功在望时,一阵焦糊味传来。紧接着,活塞的运动开始变得滞涩,噪音增大,蒸汽泄漏再次出现。
停机拆卸。只见那多层牛皮圈在持续的高温和摩擦下,已经严重变形、硬化,边缘甚至出现了碳化的迹象,失去了弹性,无法再有效密封。
“牛皮……还是不行。”薄珏疲惫地揉了揉眉心,看着那堆报废的牛皮圈,心中涌起一股强烈的挫败感。
连续的努力,似乎总是差那么一点。
实验陷入了僵局。铜片、铁片、麻绳、牛皮……能想到的材料几乎都试了一遍,却都无法解决高温高压下的持久密封问题。
工棚里的气氛有些压抑,工匠们脸上都带着迷茫和焦虑。
没有合适的密封材料,这神奇的蒸汽机,难道终究只是一个无法实现的空中楼阁吗?
宋应星翻看着连日来的实验记录,眉头紧锁。
薄珏则常常对着那台沉默的试验机发呆,手指无意识地在沙地上画着各种可能的密封结构图。
刘体纯再次来到实验场,了解了所有失败细节后,沉默良久。
他看着那些报废的密封件,又看了看炉膛中熊熊燃烧的煤炭,以及那因为密封不住而白白浪费掉的蒸汽动力,心中亦是焦急,但他知道,此刻绝不能表现出动摇。
“失败是成功之母。”刘体纯的声音打破了沉寂,“每一次失败,都告诉我们一条走不通的路。我们离成功,更近了。”
他走到试验机旁,用手抚摸着尚有余温的汽缸说:“我们缺的,或许不是某种单一的材料,而是一种组合,一种结构,或者……一种我们尚未想到的思路。
他的话,像一道微光,再次点亮了众人心中的希望。
薄珏抬起头,眼中重新燃起斗志,坚定地说:“将军,我想再试试!或许,我们可以尝试用薄金属片与某种软质材料复合……”
“尽管去试!……”
刘体纯斩钉截铁地说道:“需要什么,尽管开口!我相信,办法总比困难多!”
蒸汽机的怒吼,暂时被“密封”这道枷锁困住了!