空氣動力鐵路

空氣動力鐵路（Atmospheric railway）指的是以氣壓差推動列車運行的鐵路。靜態電源可以透過這種方式將動力傳輸給車輛，無需攜帶行動發電設備。氣壓或部分真空（即相對負壓）可以透過一根連續的管道輸送到車輛，車輛內部裝有在管道中運行的活塞。需要某種可重複密封的槽口，以便將活塞連接到車輛上。或者，整個車輛也可以充當大型管道中的活塞，或透過電磁耦合連接到活塞。

19世紀初，人們提出了該原理的幾種變體，並實施了許多實用形式，但都因不可預見的缺點而失敗，並在幾年內停止運作。19世紀曾建成多條空氣動力鐵路，但現在均已不存。

一套現代化的專有系統已被開發出來，並應用於短程路線。2013年開通、位於巴西阿雷格里港的阿雷格里港地鐵機場連接系統就是其中之一。

## 歷史

在鐵路發展早期，鐵路車輛是由人力或馬匹驅動。隨著對機械動力的理解逐漸加深，人們開發出了機車發動機。這些發動機有嚴重的限制；尤其是，它們比當時使用的貨車重得多，經常會使路軌斷裂。此外，鐵與鐵輪軌接觸面缺乏附著力（即滑移）也是一個限制因素，例如在基爾馬諾克和特倫鐵路的試驗中就出現過這種情況。

許多工程師將注意力轉向如何將電力從靜態電源（固定引擎）傳輸到行駛的列車。這樣的引擎可能更堅固，擁有更多可用空間，從而可能擁有更強大的動力。在電力實用化之前，電力傳輸的解決方案是使用電纜系統或氣壓。

### 麥德赫斯特

1799年，倫敦的喬治·麥德赫斯特（George Medhurst）討論了透過鑄鐵管道氣動運輸貨物的想法，並於1812年提出透過隧道吹動客車的想法。

麥德赫斯特提出了兩種替代系統：要麼車輛本身就是活塞，要麼管道相對較小，並配備一個單獨的活塞。他從未為自己的想法申請專利，也沒有進一步發展。

## 19世紀

### 瓦蘭斯

1824年，一位名叫瓦蘭斯（Vallance）的人申請了專利，並建造了一條短的示範線路；他的系統由一根直徑6英尺（1.8米）的鑄鐵管組成，管子下部鑄有軌道；車輛與管子等大，並用熊皮密封環形空間。煞車是透過打開車輛兩端的車門來實現的。瓦蘭斯的系統雖然有效，但並未投入商業使用。

### 平庫斯

<image>

1835年，亨利·平庫斯（Henry Pinkus）獲得了一項專利，該系統採用9平方英尺（0.84平方米）的方形截面管，低度真空，以減少洩漏損失。後來，他改用小口徑真空管。他建議用一根連續的繩索密封活塞與車輛連接的槽口；車輛上的滾輪將繩索在活塞連接處前抬起，然後再將其拉回。

他在肯辛頓運河旁建造了一條示範線路，並為他的全國氣動鐵路協會發布了一份招股說明書。他的系統未能引起投資者的興趣，而且當繩索拉伸時，系統也失效了。然而，他的概念——一種帶有可重複密封槽的小口徑管道——卻成為了許多後續系統的原型。

### 薩穆達和克萊格

#### 沃姆伍德灌木叢計劃

雅各和約瑟夫·薩穆達（Jacob and Joseph Samuda）是造船師和工程師，擁有南華克鐵廠；他們都是英國土木工程師學會的成員。塞繆爾·克萊格（Samuel Clegg）是一位燃氣工程師，他們合作開發了氣動系統。大約在1835年，他們閱讀了麥德赫斯特的著作，並開發了一種小口徑真空管道系統。克萊格研究了一種縱向瓣閥，用於密封管道中的縫隙。

1838年，他們申請了一項「閥門新改進」的專利，並在南華克建造了一個全尺寸模型。1840年，雅各布·薩穆達和克萊格在沃姆伍德灌木叢（Wormwood Scrubs）租用了西倫敦鐵路半英里長的鐵路線，當時這條鐵路尚未向公眾開放。同年，克萊格前往葡萄牙，繼續他在天然氣行業的職業生涯。

薩穆達的系統涉及一根鋪設在鐵軌之間的連續（有接頭）鑄鐵管；管道頂部有一個槽。火車的領頭車廂是活塞車廂，上面載著一個插入管道的活塞。活塞由穿過槽的支架系統固定，活塞本身位於支架離開槽的點前方的一根桿子上。槽用一個連續的皮革蓋板與氣動隔絕，皮革蓋板在活塞支架前方立即打開，在活塞支架後方立即關閉。火車前方的抽氣站會從管道中抽出空氣，活塞後的氣動壓力會將其向前推。

沃姆伍德灌木叢示範計畫持續了兩年。牽引管道直徑為9英寸，由一台16馬力的固定式發動機提供動力。線路坡度穩定在1:115。薩穆達在其下文所述的論文中暗示，該管道將僅用於單向運行，而只建造了一個泵站的事實表明，列車在上升至氣動層後會被引力拉迴線路的低端，就像後來在多爾基線（見下文）所做的那樣。許多線路都是公共線路。薩穆達引用了一些線路的負載、真空度和速度數據，例如：

- 1840年6月11日：11噸10英擔；最高速度22.5英哩/小時；15吋真空
- 1840年8月10日：5噸0英擔；最高速度30英哩/小時；20吋真空。

#### 競爭解決方案

公眾對氣動鐵路的想法非常感興趣，當薩穆達制定他的計劃時，其他人也提出了其他想法。

- 尼克爾斯和基恩通過將空氣泵入一根連續的帆布管來推動火車。火車上有一對壓輪擠壓帆布管的外部，氣壓壓迫使車輛前進。其效果與擠壓牙膏管的效果相反。他們聲稱在滑鐵盧路的一個木材場進行了一次成功的演示。
- 詹姆斯·皮爾布羅（James Pilbrow）提出了一個鬆散的活塞，活塞上裝有齒條。齒輪會由活塞帶動，並經由軸套穿過壓蓋到達管外。列車的領先車廂也配有相應的齒條，並透過齒輪的旋轉向前推進。這樣，列車就能與活塞精確同步，無需任何直接連接。
- 亨利·萊西 (Henry Lacey) 設想了一種木管，由製桶匠製作成一個長而連續的桶，帶有開口槽和由印度橡膠鉸鏈固定的木質蓋板。
- 克拉克和瓦利提出了一種連續縱向縫隙的鐵皮管。如果這些管子按照精密標準製造，真空會保持縫隙閉合，但列車上的活塞支架會將縫隙彈開到足以通過的程度。管子的彈性會在活塞滑架後再次將其閉合。
- 約瑟夫·沙烏地爾沃思建議採用液壓管道，利用水壓而非部分氣動真空來推動火車。在水源充足的山區，無需抽水站，可直接利用水。管道內不再使用擋板密封管道槽口，而是使用浸有橡膠的布料製成的連續密封繩。活塞上的導軌會將其提升到位，水壓會將其固定在火車後方。使用正壓可以實現比真空系統更大的壓力差。但是，每次列車運行結束後，管道內的積水都必須由沿途的工作人員手動排出。

#### 薩穆達的論文

<image>

1841年，約瑟夫·薩穆達發表了《關於氣動壓力適應鐵路機車運動的論文》。

這份報告長達 50 頁，薩穆達描述了他的系統；首先是牽引管：

移動動力透過鋪設在鐵軌之間的連續管道或主管道傳遞給火車，這些管道或主管道由固定在路邊的固定蒸汽機驅動的氣泵排氣，氣泵之間的距離根據道路的性質和交通情況從一英里到三英里不等。一個插入該管道的活塞通過一個側開口連接到每列火車的領先車廂，並藉助其前方產生的排氣向前移動。連續管道固定在鐵軌之間，並用螺栓固定在承載鐵軌的枕木上；管道內部未鑽孔，但襯有或塗有1/10英寸厚的牛脂，以平衡表面並防止活塞通過時產生不必要的摩擦。

截止閥的操作至關重要：

管道上表面有一條約兩英吋寬的連續狹縫或凹槽。凹槽上蓋著一個閥門，閥門延伸至整個軌道長度，閥門由鉚接在鐵板之間的一條皮革製成，頂部鐵板比凹槽寬，用於在管道內形成真空時防止外部空氣將皮革壓入管道；閥門關閉時，下部鐵板嵌入凹槽，形成管道的圓形，防止空氣通過活塞；閥門的一端被；鐵條牢牢壓住，並用螺栓固定在管道上鑄造的縱向肋條上，使鐵板和鐵條之間的皮革充當鉸鏈，類似於普通的泵閥；閥門的另一端落入一個凹槽中，凹槽內裝有蜂蠟和牛脂的混合物：這種混合物在氣動溫度下為固體，加熱到高於氣動溫度幾度時會變成液體溫度。閥門上方有一個保護蓋，用於保護閥門免受雪或雨的侵襲，保護蓋由長約五英尺的薄鐵板製成，並用皮革鉸接，每塊鐵板的末端都沿著活塞運動的方向與下一塊鐵板重疊，從而確保每塊鐵板相繼升起。

活塞托架將打開然後關閉閥門：

每列活塞的第一節車廂底部連接著活塞及其附屬裝置；一根水平穿過活塞的桿連接到連接臂上，該連接臂位於活塞後方約六英尺處。此連接臂穿過管道上的連續凹槽，並固定在車廂上，當管道內的氣體耗盡時，連接臂便會驅動活塞列；活塞桿上還連接著四個鋼輪（兩個在連接臂前方，兩個在連接臂後方），用於提升閥門，並為連接臂的通過和活塞後部的進氣輪一根約十英尺長的銅管或加熱器也固定在車廂底部，由一個小爐子持續加熱，銅管或加熱器從銅管上通過並熔化（因提升閥門而破裂的）表面，冷卻後凝固，並將閥門密封。這樣，當每列火車經過時，管道都會處於適當的狀態，以便接收下一列火車。

進入和離開管道的描述如下：

連續管道由分隔閥（根據固定蒸汽機的距離）分隔成適當的段，列車在行駛過程中會打開這些閥：這些閥門的結構設計使得列車在從一個段過渡到另一個段時無需停車或減速。出口分隔閥（即位於最靠近蒸汽機的段末端的分隔閥）由活塞前方的空氣壓縮打開，這必然發生在活塞通過與氣泵連通的分支後；入口分隔閥（位於下一段管道起始處附近）是一個平衡閥，活塞進入管道後會立即打開。主管採用深承插接頭連接，每個接頭在填料中部留有一個環形空間，並填充半流體：這樣可以防止任何可能的空氣洩漏到管道中。

當時鐵路發展迅速，人們迫切地尋求突破當時技術限制的解決方案，但評估起來往往不夠理性。薩穆達的論文闡述了他的系統的優點：

- 從靜態（氣動）發電廠向火車傳輸電力；靜態機械可以更節省燃料。
- 火車將不再需要攜帶電源和燃料。
- 列車可用的功率將會更大，以便能夠通過更陡的坡度；在建設新線路時，這將透過減少土方工程和隧道而大大降低建設成本。
- 取消火車上的重型機車將可以使用更輕、更便宜的軌道材料。
- 乘客和沿線居民將免受列車過境產生的煙霧的滋擾；這在隧道中尤其有用。
- 火車之間不可能發生碰撞，因為兩個泵站之間的任何路段每次只能處理一列火車；在現代信號系統出現之前的那些日子裡，碰撞是公眾最關心的問題，當時一列火車被允許在規定的時間間隔後跟隨前面的火車，而沒有辦法檢測該火車是否在前方線路的某個地方停了下來。
- 薩穆達聲稱，在管道中移動的活塞會將活塞托架壓住，從而防止脫軌，使列車能夠高速安全地通過彎道。
- 鐵路上的人員不會面臨蒸汽機鍋爐爆炸的風險（這在當時是非常有可能的）。

薩穆達也駁斥了對他的體系的廣泛批評：

- 如果一個泵站發生故障，整條線路都會關閉，因為沒有火車可以通過該點；薩穆達解釋說，管道佈置將使下一個泵站能夠為該區段供氣；如果壓力降低，火車仍然能夠通過，儘管會損失一點時間。
- 擋板或管道接頭處的空氣洩漏會嚴重削弱真空效果；薩穆達指出，根據他在演示線上的經驗和測試結果，這顯然不是問題。
- 機車房的資本成本是一個巨大的負擔；薩穆達觀察到，蒸汽機車的資本成本被消除了，燃料和維護的運行成本預計會更低。

#### 專利

1844年4月，薩穆達兄弟為他們的系統申請了專利。不久之後，約瑟夫·薩穆達去世，他的兄弟雅各布繼續了這項工作。專利分為三部分：第一部分描述了氣動管道和活塞系統；第二部分描述了在水源充足的地區，如何利用不同高度的水箱來產生真空；第三部分涉及氣動鐵路的平交道口。

### 多爾基氣動鐵路

愛爾蘭的都柏林和金斯敦鐵路於1834年開通，連接鄧萊里港（當時稱為金斯敦）和都柏林；這是一條標準軌距鐵路。1840年，公司希望將鐵路延伸至多爾基（Dalkey），距離約兩英里。公司購買並改造了一條馬拉電車軌道：它曾被用來從採石場運送石頭用於建造港口。這條鐵路坡度陡峭（坡度為1:115，其中440碼的路段坡度為1:57），彎道很大，最急的彎道半徑為570碼。這給當時使用的機車帶來了很大困難。公司的財務主管詹姆斯·皮姆正在倫敦訪問，聽說了薩穆達的項目後便對其進行了查看。他認為這個計畫非常適合公司的需要，在向政府申請26,000英鎊的貸款後，公司同意在多爾基線上鋪設這條鐵路。因此成為了多爾基氣動鐵路。

這條牽引管道使用了15英吋（約38公分）的管道，並在2400碼（約2400碼）線路的上端，在多爾基設有一個泵站。泵站的引擎功率為110馬力，飛輪直徑為36英尺（約10公尺）。在金斯敦列車預定出發時間前五分鐘，泵站啟動，在兩分鐘內形成了15英寸（約38厘米）的真空。列車由人工推至活塞進入管道的位置，並保持煞車直到準備啟動。啟動時間到後，放開煞車，列車開動。（後來安裝了電報，從此不再依賴時刻表來判斷列車的運行。）

1843年8月17日，鐵路首次通車，並於隔天進行試運行。8月19日，星期六，線路正式對外開放。營運期間，列車典型時速可達30英哩（約48公里）；返回金斯敦則仰賴重力沿坡度下降，速度較慢。到1844年3月，每天有35趟列車運行，每周有4500名乘客乘坐這條線路，其中大多數人只是為了尋求新鮮感。

根據記載，一位名叫弗蘭克·埃爾林頓的年輕人曾經乘坐過一節未與火車連接的活塞車廂。他鬆開煞車後，這節輕型車廂便高速行駛，僅用了75秒就跑完了全程，平均時速達到105公里/小時。

由於這是第一條商業運營的氣動鐵路，它吸引了當時許多傑出工程師的注意，包括伊桑巴德·金德姆·布魯內爾、羅伯特·史蒂芬生和威廉·庫比特（William Cubitt）。

這條線路繼續成功運作了十年，比英格蘭的氣動系統壽命更長，儘管巴黎 - 聖日耳曼線一直持續到1860年。

1855年鐵路系統廢除後，一輛名為「公主號」的2-2-2蒸汽機車投入使用。順便提一句，這是愛爾蘭製造的第一台蒸汽機車。雖然是一輛小型機器，但它在陡坡鐵路上成功運行了數年。

### 巴黎 – 聖日耳曼線

<image>

1835年，佩雷爾兄弟從巴黎聖日耳曼鐵路公司（Compagnie du Chemin de fer de Paris à Saint-Germain）獲得了特許經營權。他們在1837年開通了19公里的鐵路線，但只到塞納河左岸的勒佩克，因為要到達聖日耳曼昂萊，需要爬一段令人望而生畏的坡度，而當時的機車被認為無法爬上必要的坡度，附著力被認為是限制因素。

在得知多爾基鐵路的成功後，法國時任公共工程部長和副國務卿派遣法國橋梁和道路榮譽監察長前往多爾基。他對那裡安裝的系統及其潛力撰寫了一份詳盡的技術評估報告，其中包括與約瑟夫·薩穆達合作進行的測量結果。

正是因為該報告，佩雷爾兄弟決定採用該系統興建聖日耳曼延線。工程於1845年開始，首先在塞納河上建造一座木橋，然後是一座二十拱石砌高架橋，並在城堡下方建造兩條隧道。擴建工程於1847年4月15日通車；全長1.5公里，坡度為1比28（35毫米/公尺）。

牽引管鋪設在鐵軌之間，直徑63公分（25吋），頂部有一個槽口。槽口用兩片皮革封蓋封閉。泵浦由兩台位於聖日耳曼兩條隧道之間的200馬力蒸氣機驅動。列車上行速度為35公里/小時（22英哩/小時）。下行時，列車依靠重力行駛至佩克，在那裡由蒸汽機車接管，前往巴黎。

該系統在技術上取得了成功，但隨著更強大蒸汽機車的發展，它於1860年7月3日起被廢棄。當時，蒸汽機車從巴黎開往聖日耳曼們，並在坡度上由一輛推車機車輔助行駛。這種安排持續了60多年，直到線路電氣化。

《俄亥俄州日報》的一名記者描述了一些細節；管道似乎分為兩部分：

鐵軌中央鋪設了一根鐵管，直徑約三分之一處沉入路基。5500碼長的鐵管直徑僅1.75英尺（即21英寸），此處坡度平緩，無需像通往聖日耳曼的陡坡那樣費力。在聖日耳曼，3800碼長的鐵管直徑僅2英尺1英寸（即25英寸）。

蒸汽機有蓄能器：

每具引擎配備兩個氣動缸，每秒可排出14立方英尺的空氣。排氣機上的空氣罐（克勞迪埃）內的壓力相當於六個絕對氣動壓力。

他描述了該閥門：

管子的整個長度上，頂部都切出一個部分，留出約五英吋的開口。每個切開的邊緣都有一個偏移，以便卡住安裝在其上的閥門的邊緣。閥門由一塊半英寸厚的鞋底皮革製成，其上下兩側都附有鐵板以增強強度……鐵板厚度約為四分之一英寸……鐵板長約九英寸，其上下兩端相距四分之三英寸，形成接縫，使皮革閥門既柔韌又堅固。

克萊頓記錄了這位工程師的名字，馬利特（Mallet），他曾擔任公共工程總監，並給出了略有不同的解釋：克萊頓說馬利特用一條編織繩封住了縫隙。他還說，真空是透過在兩次運行之間在真空室中冷凝蒸汽產生的，但這可能是對壓力蓄能器的誤解。

### 倫敦和克羅伊登鐵路

#### 蒸氣鐵路

<image>

倫敦和克羅伊登鐵路公司 (L&CR) 獲得議會授權法案《1835年倫敦和克羅伊登鐵路法案》（5&6 Will. 4. c. x），修建從與倫敦和格林威治鐵路公司 (L&GR) 的交匯處到克羅伊登的線路。當時L&GR路線正在建設中，議會反對在倫敦同一區建造兩個鐵路終點站，因為這樣L&CR就必須共用L&GR的倫敦橋車站。該線路是為普通機車運行而建造的。第三家公司倫敦和布萊頓鐵路公司 (L&BR) 成立，它也必須透過L&CR來共享通往倫敦的路線。

1839 年線路開通時，發現克羅伊登地方線頻繁停車導致交通擁堵；在從新十字站到森林山站的1/100上坡路段，這個問題尤為嚴重。L&CR工程師威廉·庫比特提出了一個解決方案：在現有雙軌主線的東側鋪設第三條軌道，所有雙向地方列車都將使用這條軌道。速度更快的布萊頓列車將不會因列車停車而延誤。庫比特在參觀多爾基線時對此印象深刻，新的L&CR第三條軌道將使用氣動動力。地方線也將延伸至埃普索姆，也是一條單軌氣動線路。這些安排被採納，並於 1843年7月4日獲得《1843年倫敦和克羅伊登鐵路法》，該法案賦予了必要的權力，並授權修建一條通往磚匠章站終點站的線路。也與L&GR達成協議，在其線路的公共區段增設一條軌道。1844年5月1日，磚匠章站啟用，除倫敦橋列車外，還增設了從該站發車的頻繁班次。

#### 採用氣動技術

L&CR線在諾伍德交匯站向西南岔開，需要與L&BR線交叉。由於地面平坦，氣動管道的存在使得這一過程無法進行，因此建造了一座立體交叉以實現跨越：這是鐵路界的首例。這座立體交叉為木質高架橋，引橋坡度為1:50。L&CR 附加線原計劃在科貝茨巷交匯站（Corbetts Lane Junction）位於現有線路東北側，也計劃在此建造一座類似的立交橋，但這座立交橋最終未能建成。

在森林山站和西克羅伊登站（時稱克羅伊登站）之間安裝了一根直徑為15英寸的牽引管。雖然薩穆達監督了氣動裝置的安裝，但省略了一個擋風雨板，即一個鉸鏈鐵板，用於覆蓋 Dalkey 裝置中的皮革槽閥。L&CR有一位氣動工程師，James Pearson。Maudslay, Son and Field為森林山、諾伍德交匯和克羅伊登提供了三台100馬力的蒸汽機和氣泵，並為它們建造了精緻的機房。它們由 WH Brakespear 以哥德式風格設計，並有高高的煙囪，也可以將抽出的空氣排出高空。

線路上安裝了雙針電報系統，使車站工作人員能夠向遠端機車房發出火車已準備啟動的信號。

列車於1846年1月開始在森林山至克羅伊登間的氣動系統上運行。

牽引管槽和活塞支架採用手動操作；也就是說，槽口閉合擋板始終鉸接在一側，活塞支架則採用曲柄轉動，以盡量減少擋板的開啟。這意味著活塞車廂在行程結束時不能簡單地在轉盤上轉動。相反，活塞車廂是雙端的，需要手動將活塞轉移到新的前端。活塞車廂本身必須手動（或透過馬力）移動到列車的前端。森林山站的月台就像兩條蒸氣線之間的一個島嶼。庫比特設計了一套特殊的道岔系統，使氣動活塞車廂能夠進入普通軌道。

1845年11月1日，貿易委員會督察帕斯利將軍視察了該線路，批准全線通車。《泰晤士報》報導了此事。一列由蒸汽機車牽引的專列從倫敦橋出發；在森林山，機車被拆卸下來，然後：

取而代之的是活塞車廂，列車從此由氣動壓力驅動。這列火車由十節車廂組成（包括連接活塞的車廂），重量超過五十噸。兩點七分半，火車駛離了達特茅斯章站 (森林山站原稱）的停靠點，八點四十五分，活塞進入閥門，我們立刻意識到，該系統的一個顯著優勢就是啟動時運動平緩，幾乎難以察覺。在機車線路上，我們經常會遇到一種「顛簸」，有時甚至會造成絕對的「衝擊」，足以讓緊張膽怯的乘客感到驚慌。然而，這次並沒有出現這種情況。活塞進入管道後一分一刻鐘內，迎著強勁的逆風，速度達到了每小時十二英里；在接下來的一分鐘，也就是兩點十一分，速度達到了每小時二十五英里；兩點十三分，速度達到了每小時三十四英里；兩點十四分，時速四十英里；兩點十五分，時速五十二英里。這速度一直維持到兩點十六分，之後速度開始減慢。兩點十七分半，火車抵達克羅伊登終點站，從達特茅斯章站出發，行駛五英里，耗時八分四十五分鐘。活塞車廂的氣壓計顯示真空度為25英寸，機車室的氣壓計顯示真空度為28英寸。

這次正式公開運行的成功得到了廣泛報道，氣動長途鐵路的新方案隨即得到推廣；南德文郡鐵路的股價一夜之間飆升。

#### 開幕

帕斯利11月8日的報告是利多消息，鐵路線已準備就緒，可以開通。但鐵路主管們猶豫不決，希望累積再多一些經驗後才通車。1845年12月19日，森林山站固定式引擎的曲軸斷裂，引擎無法運作。不過，零件很快就被更換，鐵路線於1846年1月16日正式開通。

當天上午11點，其中一輛克羅伊登機機車的曲軸斷裂。由於配備了兩台機車，因此交通得以繼續使用另一台機車，直到晚上7點20分，另一台機車也遭遇同樣的命運。之後，機車再次進行維修，直到1846年2月10日，兩台克羅伊登機機車都發生故障。

這對氣動系統的擁護者來說是一個沉重的打擊；從信譽良好的發動機製造商處採購的固定發動機在製造過程中存在缺陷，但這並不能說明氣動系統本身的實用性，但正如薩穆達對董事會所說：

「大眾無法辨別（因為他們無法知道）中斷的原因，並且所有異常現像都歸咎於氣動系統。」

兩個月後，森林山的一台發動機橫梁斷裂。當時，董事們正在製定埃普索姆延線計劃；他們迅速修改了從莫茲利（Maudslay）採購發動機的計劃，並邀請投標。伯明罕的博爾頓和瓦特（Boulton and Watt）公司贏得了合同，他們的報價遠低於競爭對手。

#### 合併

1846年7月6日，L&BR與L&CR合併，成立倫敦、布萊頓及南海岸鐵路公司（LB&SCR）。當時，這家大公司的董事們仍沿用L&CR的計劃，使用常壓供水系統。

#### 技術難題

1846年的夏天異常炎熱乾燥，牽引管瓣閥開始出現嚴重問題。皮革瓣閥關閉時必須確保良好的密封性，而惡劣的天氣條件使皮革變得僵硬。至於每趟列車結束後用於密封接頭的牛脂蜂蠟混合物，薩穆達最初的說法是「這種混合物在氣動溫度下呈固態，加熱到高於氣動溫度幾度時會變成液態」，而炎熱的天氣也導致了這種現象。薩穆達最初對其係統的描述中包括一個覆蓋瓣閥的金屬防風閥，但L&CR列車上卻省略了這一裝置，導致閥門暴露在惡劣天氣中，也容易吸入碎屑，據一位觀察員報告，其中一位女士掉落在軌道上的手帕就是其中之一。任何碎屑卡在瓣閥座中都會降低其效能。

此外，牛脂——也就是提煉出來的動物脂肪——對老鼠很有吸引力。一份1859年的資料顯示，老鼠會在夜間進入鐵管吃牛脂，每天早晨，當第一列火車啟動抽水泵時，都會有「數百隻」老鼠被殺死。由於無法產生足夠的真空來移動火車，列車經常晚點，立交橋陡峭的引道上也經常發生列車停運，這些都被媒體廣泛報道。

董事們開始對氣動系統感到不安，尤其是埃普索姆延線部分，因為該部分將配備三台引擎。1846年12月，他們向博爾頓和瓦特詢問取消該計畫的可能性，並被告知暫停一年的供應合約將花費2,300英鎊。董事們同意了。

1846/7年的冬天帶來了新的氣象難題：異常寒冷的天氣使皮革擋板僵硬，雪也進入了管內，導致更多列車取消了氣動服務。1847年2月，一名鐵路工人在蒸汽替代運行期間喪生。這無疑是一個悲劇，但它也引發了廣泛報道，並表示氣動服務再次停止運作。

#### 突然結束

在這段漫長的時間裡，董事們對推進氣動系統的決心肯定越來越小，即便投入了大量資金將其延伸至倫敦橋。（1847年1月，氣動系統從森林山站延伸至新十字站，北行利用重力提供動力，南行使用森林山站泵氣站。）在公眾信任至關重要的情況下，董事們至少在最終決定做出之前不能公開表達他們的疑慮。1847年5月4日，董事們宣布「拆除克羅伊登氣動管道，放棄該計畫」。

原因似乎並未立即公開，但導火線似乎是貿易局檢查員堅持要在布萊頓線和埃普索姆線的分岔處設立第二個交叉口。目前尚不清楚這究竟指的是什麼，可能只是對一個痛苦決定的時機進行了合理化解釋。無論原因是什麼，LB&SCR上都不再進行氣動作業了。

### 南德文郡鐵路

#### 取得授權

<image>

大西部鐵路與布里斯托和埃克塞特鐵路公司合作建造了一條連接埃克塞特和倫敦的寬軌鐵路，該鐵路於1844年5月1日抵達埃克塞特。德文郡的相關人士認為，將這條鐵路延伸至普利茅斯至關重要，但地形複雜，難以通行：那裡地勢較高，沒有便捷的路線。

經過相當大的爭議，南德文郡鐵路公司 (SDR) 於1844年7月4日獲得了議會法案，授權建造一條鐵路線。

#### 確定路線

該公司的工程師是富有創新精神的伊桑巴德·金德姆·布魯內爾。他曾視察過多爾基線，對該線氣動系統的性能印象深刻。薩穆達一直強調其係統的優勢，他聲稱該系統的優勢包括爬坡能力更強、軌道重量更輕。這使得在丘陵地帶規劃比常規線路坡度更大的線路成為可能，從而大幅節省建設成本。

如果布魯內爾在規劃階段就明確決定使用氣動牽引系統，他就能開闢出一條當時的機車技術無法實現的路線。至今仍在使用的南德文郡鐵路線坡度陡峭，通常被認為「難度較大」。評論家們常常將此歸咎於該線路的設計採用了氣動牽引方式；例如：

塞孔在描述這條路線的地形時說，在牛頓阿伯特以外。

該地區的地形非常不適合修建坡度良好的鐵路。當時，南德文郡鐵路公司的工程師布魯內爾先生並不介意這個缺點，因為他提議採用氣動法修建鐵路，而該系統的優點之一是，陡峭的河岸和平整的鐵路一樣容易施工。

- 這條線路「留下了一條為氣動作業而建的線路的遺產，因此坡度較大、曲線較急」。
- 布魯內爾「嚴重懷疑任何引擎是否有能力應對南德文郡所需的坡度」。

事實上，考慮採用氣動系統的決定是在獲得議會授權之後做出的，而且路線必須在提交給議會之前定案。

該法案通過八週後，股東們獲悉：「自該法案通過以來，已收到…來自薩穆達兄弟公司…的提案，擬將其牽引系統應用於南德文線。」布魯內爾和董事代表團已被邀請前往多爾基線視察。報告也指出，結果如下：

鑑於線路上許多點的坡度和曲線都將使這項原則的應用特別有利，貴方董事已決定在南德文郡鐵路全線採用包括電報在內的氣動系統。

#### 建設與開放

<image>

從埃克塞特到牛頓阿伯特的路段立即開工；這段大致平坦：牛頓阿伯特之後的路段則是丘陵地帶。45馬力（34千瓦）泵送發動機和機械的供應合約於1845年1月18日簽訂，並要求同年7月1日前交付。牽引管的製造遇到了困難：它們需要在已成型的槽口內鑄造，變形起初是一個嚴重的問題。

機械設備的交付和管道的鋪設工作被大大推遲，但在1846年8月11日，儘管這些工作仍在進行中，一份合約還是簽訂了，用於購買牛頓阿伯特以外山區所需的發動機。這些引擎的功率需求更高，分別為64馬力（48千瓦）和82馬力（61千瓦），牽引管路的直徑也更大。

1846年5月30日，埃克塞特和廷茅斯之間開通了火車服務，但當時使用的是從大西部鐵路公司租來的蒸汽機車。最終，1847年9月13日，首批常壓鐵路客運列車開始運行。常壓鐵路貨運列車可能在幾天前就已投入營運。

除了廣告宣傳的蒸汽列車服務外，每天還有四列常壓列車運行，但一段時間後，它們取代了蒸汽列車。起初，常壓列車系統只運行至廷茅斯，在那裡，蒸汽機車將列車（包括活塞車廂）牽引至牛頓阿伯特，在那裡，活塞車廂被拆除，列車繼續行駛。自11月9日起，部分開往牛頓阿伯特的列車開始運行常壓列車；1848年3月2日起，該路段所有列車均使用常壓列車。

這段時期，氣動系統的兩個重大缺陷得到了克服。首先，車站配備了輔助牽引管道；它鋪設在軌道外，因此不會妨礙道岔工作。活塞車廂透過繩索連接到管道上——管道本身肯定有活塞——這樣列車就可以被牽引進站，並繼續前進到主管道的起點。其次，管道的平交道設計也得到了改進：一個鉸鏈蓋板橫放在管道上，供道路使用。當牽引管道耗盡時，支管會驅動一個小活塞，抬起蓋子，使活塞車廂安全通過，並向道路使用者發出警告。當時的技術圖顯示，牽引管道比正常情況下低得多，其頂部與軌頭大致齊平，其中心與橫梁的中心齊平。沒有關於軌距如何維護的說明。

#### 牽引系統動力不足

<image>

儘管列車運行表面上令人滿意，但實際上存在技術計算錯誤。布魯內爾最初似乎指定在通往牛頓阿伯特的平坦路段使用12吋（300毫米）管道，在線路的丘陵路段使用15吋（380毫米）管道。在指定固定式引擎動力和真空幫浦時，他大大降低了它們的功率。12吋（300毫米）管道似乎已被廢棄，取而代之的是15吋（380毫米）管道，並在丘陵路段開始安裝22吋（560毫米）管道。對引擎控制調速器進行了改進，使其運轉速度比設計速度快50%。據報道，煤炭消耗量遠超預期，每列火車行駛一英里需耗費3先令1.5便士，而非1先令0便士（租用大西部鐵路蒸汽機車的租金也為2先令6便士）。這可能部分是由於當時尚未安裝電報系統，即使火車延誤，也需要按照時刻表進行抽氣。8月2日，當電報系統安裝完畢後，接下來幾週的煤炭消耗量下降了25%。

#### 插槽關閉問題

1847年至1848年的冬天，密封牽引管槽的皮革瓣閥開始故障。在寒冷的冬日裡，皮革在雨水中浸泡後凍得堅硬，導致火車通過後無法正確安裝，空氣進入管道，降低了泵送效率。接下來的春夏兩季，天氣炎熱乾燥，皮革瓣閥也乾涸了，同樣出現了同樣的問題。布魯內爾用鯨油處理皮革，試圖保持其柔韌性。據說管道上的氧化鐵和皮革中的鞣質之間發生了化學反應。活塞上的皮革杯形密封圈也出現了問題。

評論員指出，南德文郡系統省略了多爾基線路上用於覆蓋擋板閥的鐵製擋風板。在那條線路上，鐵板在活塞支架前方立即被翻開。南德文郡省略此設計的原因尚不清楚，但考慮到速度，這種佈置必然會產生相當大的機械力，並產生環境噪音。

五月和六月，更嚴重的問題出現了：部分擋板從固定裝置上脫落，必須迅速更換。薩穆達與該公司簽訂了系統維護合同，他建議安裝防風雨罩，但該公司並未採納。這並不能解決眼前的問題，還需要徹底更換皮革擋板；這筆費用估計為3.2萬英鎊——在當時是一筆巨款——但薩穆達拒絕採取行動。

#### 放棄

在為維持這個有缺陷的系統而進行的鬥爭中，由於合約僵局，鐵路系統走向終結已是不可避免的。在1848年8月29日的股東大會上，董事們被迫報告所有困難，並報告布魯內爾已建議放棄氣動系統；大西部鐵路公司正在安排提供蒸汽機車，氣動系統將於1848年9月9日起廢棄。

布魯內爾提交給董事們的報告（現已提交會議）內容詳盡，他也深知自身微妙的處境以及薩穆達的合約義務。他描述了從三家供應商獲得的固定式發動機：「這些發動機總體上並不成功；迄今為止，它們都運行得不太經濟，有些發動機的燃料消耗非常高。」至於皮革閥門在極端天氣（高溫、霜凍和暴雨）下遇到的困難。

相同的補救措施適用於這三種情況：保持閥門皮革上油並塗清漆，使其不透水，否則在潮濕的天氣裡，水會浸透皮革，在寒冷的天氣裡，皮革會結冰，使其變得僵硬而無法關閉；同樣的預防措施還可以防止皮革因高溫而乾燥和皺縮；因為高溫乾燥和皺縮的是皮革；在非常乾燥的天氣裡，用活塞托架上的水箱向閥門上噴灑少量水也被發現是有效的，這表明乾燥而不是高溫是造成洩漏的原因。

但還有一個更嚴重的問題：「縱向閥門的很大一部分因板片接縫處的皮革撕裂而失效。皮革首先在這些點處部分破裂，導致嚴重的洩漏，尤其是在乾燥的天氣裡。一段時間後，它會完全撕裂。」

牽引管路和閥門的維護是薩穆達的合約責任，但布魯內爾指責該公司儲存不當，而且閥門在火車使用前已經安裝了一段時間；布魯內爾拒絕深入探討責任問題，暗示可能採取緩和措施，但得出結論：

建造成本遠遠超出了我們的預期，而且事實證明，運行一個與每個人（無論是旅行者還是工人）都習慣的系統完全不同的系統，難度實在太大了；因此，儘管毫無疑問，經過進一步的試驗，目前鋪設的部分的施工成本可能會大幅降低，但我無法預期在牛頓阿伯特之後，還會有任何動力繼續運行該系統。

一些股東之間產生了巨大的敵意，尤其是薩穆達和布魯內爾受到了嚴厲的批評，但生產線上的氣動系統已經完蛋了。

#### 終結

托馬斯·吉爾曾任南德文郡董事會主席，希望繼續使用氣動系統。為了推動這一進程，他辭去了職務，並於1848年11月出版了一本小冊子，呼籲保留該系統。他為此爭取到了足夠的支持，以至於公司在1849年1月6日召開了一次特別股東大會。大會進行了長時間的技術討論，吉爾表示，克拉克和瓦利準備簽訂合同，完成氣動系統並在部分線路上進行維護。吉爾說，還有25位其他發明家渴望在線上試用他們的發明。會議持續了8個小時，最終進行了投票：出席股東的多數票贊成繼續使用該系統，投票結果為645票贊成，567票反對。然而，大量股東持有代理權，他們不願出席會議，最終以5324票反對，1230票贊成的結果確認了放棄氣動系統。

這就是南德文郡鐵路氣動系統的終結。

#### 大鼠

愛好者團體經常聲稱，皮革擋板失效的原因之一是老鼠被牛脂吸引，啃咬了它。雖然據說早期牽引管中確實有老鼠被吸入，但在上述危機會議上並未提及此事。歷史學家科林·迪瓦爾認為，「沒有任何文獻證據」證明老鼠在鐵路上造成了此類問題。

### 技術細節

#### 沃姆伍德灌木叢示範線

示範線上的活塞托架是一條開放式四輪履帶。圖紙上沒有顯示任何控制裝置。承載活塞的橫梁被稱為「支撐桿」，它直接連接到車軸上，並以中心點為樞軸旋轉；在連接支架的後部有一個配重塊（稱為「犁刀」）。

#### 多爾基線

常規列車由兩節車廂組成：活塞車廂，包含一個警衛室和三等艙；以及二等車廂，車尾設有觀察窗。沒有一等車廂。警衛室配有螺旋制動器，但沒有其他控制裝置。返回（下降）依靠重力，警衛室有一個槓桿，可以將活塞組件擺動到一側，這樣下降時活塞就會在管外。

#### 聖日耳曼線

投入營運的勒佩克至聖日耳曼段，其長度幾乎與多爾基線完全相同，運作方式也類似，只是重力下降是透過管道中的活塞來實現的，這樣氣壓就能幫助減速。上部終點站設有側線，並透過繩索切換。

#### 倫敦和克羅伊登線

活塞車廂是六輪廂型車，由於是雙頭車，因此兩端各有一個駕駛台。駕駛員位於車廂內，而不是露天。中軸無彈簧，活塞組件直接與其相連。駕駛員有一個真空計（水銀壓力計），透過金屬管連接到活塞頭。有些車輛裝有速度計，這是摩西李嘉圖的發明。除了煞車之外，駕駛還有一個旁通閥，可以讓空氣進入活塞前方部分排氣的牽引管，從而減少施加的牽引力。這似乎在從立體交叉以1：50的速度下降時使用過。薩穆達的《論語》 （Treatise) 中有一張圖表展示了槓桿和閥門的安排。

#### 可變尺寸活塞

薩穆達的專利部分包含可變直徑活塞，使同一活塞車廂適應不同尺寸牽引管的路段。克萊頓對此進行了描述：這種變化可以由駕駛員在行駛過程中控制；一個槓桿操作活塞頭後部一個類似雨傘的裝置；該裝置帶有鉸鍊式鋼肋。為了容納活塞支架，無論管道直徑如何，牽引管槽（以及管道頂部）都必須處於同一水平，這樣所有需要密封的額外空間都位於下方和側面；這種「雨傘」式結構是不對稱的。事實上，這種結構從未在南德文郡鐵路上使用過，因為那裡的22英寸管道從未被打開過；而森林山的這種變化只持續了四個月，那裡的氣動系統就結束了。聖日耳曼線也計畫使用可變直徑的活塞。該鐵路從楠泰爾到勒佩克，原計劃使用15英寸的管道，然後在3.5%的坡度上，再到聖日耳曼，則使用25英寸的管道。由於只完成了25英寸的路段，因此只使用了一個簡單的活塞。

#### 南德文郡鐵路發動機房位置

- 埃克塞特；聖戴維斯站南端，線路上方
- Countess Wear；Turnpike橋南側，海拔197.22米，下側
- Turf；Turf平交道南側，下方
- Starcross；車站南側，上側
- 道利什；車站東側，上側
- 廷茅斯；毗鄰車站，上側
- 夏墅（Summer House）；海拔212.38米，下側
- 牛頓阿伯特；車站東側，下方
- 定頓（Dainton）；隧道西側，下側
- 托特尼斯；毗鄰車站，上側
- 拉特里；50.43156,-3.78313；機房從未完工
- 托基；托雷車站（原終點站，時稱托基）以北 1 英里，上側

在定頓機房，氣泵的入氣管裡原本會安裝真空接收器。這顯然是為了攔截可能被吸入牽引管的碎屑；它有一個可打開的門，方便工作人員不時清理碎屑。

### 氣動鐵路管道展示

<image>

- 牛津郡迪德科特的迪德科特鐵路中心：1993年在佩恩頓附近的古德靈頓沙灘（Goodrington Sands）的沙子下發現了三根完整的未使用的南德文郡22英寸管道。自2000年以來，它與從其他地方找到的GWR軌道一起於該中心展出。
- 「成為布魯內爾」展覽於2018年在布里斯托的大不列顛號蒸汽船開幕：當中包含一整根未使用的南德文郡22英寸管道。
- STEAM－斯溫頓大西部鐵路博物館：一小段未使用的南德文郡22英寸管道，很可能就是1912年描述的在帕丁頓大西部鐵路公司博物館展出的那段。
- 德文郡牛頓阿伯特鎮和大西部鐵路博物館：另一個未使用的南德文郡22英寸管道的極短部分。
- 克羅伊登博物館，克羅伊登：1933年在西克羅伊登站地下發現的一條全長的倫敦和克羅伊登15英寸管道。

### 其他早期應用

兩條示範鐵路的建造方式是將整節車廂（而非僅有一個活塞）置於地下。兩種方案中，車廂都由氣動壓力朝一個方向推動，並由增壓朝另一個方向推動。這兩種方案的目標都是讓車廂在地下運行，避免蒸汽機車產生的煙霧和廢氣。

- 托馬斯·韋伯斯特·拉梅爾（Thomas Webster Rammell）於1864年建造的水晶宮氣動鐵路旨在提高人們對他提出的滑鐵盧和白廳鐵路的興趣。該鐵路原本將從倫敦滑鐵盧車站延伸至大蘇格蘭場，中途下穿泰晤士河。後者的建設始於1865年和1866年，但並未繼續進行。
- 阿爾弗雷德·E·比奇（Alfred E. Beach）發明的比奇氣動運輸系統（Beach Pneumatic Transit）於1870年至1873年間在紐約市百老匯大道地下運行了一個街區，不僅展示了氣動操作，還展示了一種不會擾動路面的隧道掘進方法。氣壓由一個大型葉輪——羅茨鼓風機——控制，而不是之前所有裝置中使用的圓盤風扇。此後再無更先進的系統。

## Aeromovel

<image>

雖然19世紀製造實用氣動系統的嘗試皆因為技術缺陷而失敗（如上所述），但是如今，現代材料已經使一個實用的系統得以實現。

二十世紀末，巴西的Aeromovel公司開發了一種以空氣為動力的自動旅客捷運系統。輕型列車行駛在架設在高架空心混凝土箱梁上的軌道上，箱樑構成了空氣管道。每節車廂都固定在管道內的一塊方形板上（活塞），活塞透過一根穿過縱向槽的桅杆連接，該槽用橡膠擋板密封。沿線設有固定電動氣泵，用於向管道內吹入空氣以產生正壓，或從管道中排出空氣以形成部分真空。作用在活塞板上的壓力差使車輛移動。

列車照明和煞車所需的電力由車輛行駛軌道上的低壓（50 V）電流提供，用於為車載電池充電。列車配備常規制動器，以便在車站準確停車；如果制動板上沒有壓力差，制動器會自動啟動。滿載車輛的酬載與自重之比約為1:1，比傳統車輛好三倍。車輛無人駕駛，由線路旁的控制裝置控制車輛行駛。Aeromovel由巴西人Oskar HW Coester於1970年代末期設計。

該系統於1989年在印尼雅加達的美麗的印度尼西亞縮影公園首次投入營運。它最初是為一個主題公園而建；它是一個2英里（3.22公里）長的環線，設有六個車站和三列火車。2010年代末，此系統關閉。隨後，它被改造成柴油機驅動，僅使用一列火車，並於2019年重新開放。

<image>

第二條路線－地鐵機場連接線於2013年8月開通。該線路連接阿雷格里港地鐵的機場站和薩爾加多·菲柳阿雷格里港國際機場1號航站樓。單線長1公里（0.6英哩），車程為90秒。首列可載150名乘客的車輛於2013年4月交付，第二列可載300名乘客的車輛隨後交付。

2018年12月，中國揭幕了由Aeromovel和中國鐵路工程集團合作開發的氣動鐵路研發中心。兩家公司自2017年初以來一直在合作開展項目，其中包括曾啟動但現已停滯、為卡諾阿斯建造氣動列車系統的項目。

擬建的阿克拉輕軌（Accra Skytrain） ——一條位於加納首都、全長194公里（121英里）的五條線路高架輕軌網路——也將採用該技術。2019年，加納政府與南非財團簽署了一項建設-營運-移交特許協議，以開發該項目，預計耗資26億美元。由於法律問題和新冠疫情，該項目尚未開工，且已被推遲。2021年2月，加納政府宣布計劃繼續推進，但在向國會提交立法之前，仍需等待總檢察長的報告。同年11月，最終消息透露此計畫不會實施。

2020年12月，擁有Aeromovel技術的巴西公司Aerom已被選中，將在聖保羅/瓜魯柳斯國際機場建造GRU機場旅客捷運系統。該線長2.6公里（1.6英里），將設有4個車站，以連接聖保羅都市圈鐵路13號線的瓜魯柳斯機場站和聖保羅/瓜魯柳斯國際機場的三座航站樓。該線的建造工程已於2022年6月展開，並預計於2025年通車。

## 高速概念

美國的飛行軌道公司（Flight Rail Corporation）開發了一種高速氣動列車的概念，該列車利用真空和氣壓沿著高架導軌移動乘客艙。固定動力系統在位於桁架組件內軌道下方中央的連續氣動管內產生真空（活塞前方）和壓力（活塞後方）。自由活塞透過磁耦合連接到上方的乘客艙；這種佈置使動力管保持關閉狀態，避免洩漏。運輸單元在動力管路上方的一對平行鋼軌上運行。

該公司目前擁有1/6比例的試點模型，正在一條室外測試導軌上運行。該導軌長2095英尺（639公尺），坡度分別為2%、6%和10%。試點模型的運行速度最高可達40公里/小時。該公司表示，全面投入使用後，速度將超過320公里/小時。

## 參見

- 地面纜車－一種更成功但更緩慢的克服陡坡的方法
- 往復式地面纜車－一種利用向下車廂的重力來提升向上車廂以克服陡坡的系統
- 超迴路列車
- 氣動管
- 蒸汽彈射器－用於從船上發射飛機：密封件和滑行器的佈置類似，但使用正壓。
- 真空管道高速交通－一種未來概念，車輛在真空管道中行駛，以最大限度地減少空氣阻力；建議的推進系統不是氣動推進系統。