空气动力铁路

空气动力铁路（Atmospheric railway）指的是以气压差推动列车运行的铁路。静态电源可以透过这种方式将动力传输给车辆，无需携带行动发电设备。气压或部分真空（即相对负压）可以透过一根连续的管道输送到车辆，车辆内部装有在管道中运行的活塞。需要某种可重复密封的槽口，以便将活塞连接到车辆上。或者，整个车辆也可以充当大型管道中的活塞，或透过电磁耦合连接到活塞。

19世纪初，人们提出了该原理的几种变体，并实施了许多实用形式，但都因不可预见的缺点而失败，并在几年内停止运作。19世纪曾建成多条空气动力铁路，但现在均已不存。

一套现代化的专有系统已被开发出来，并应用于短程路线。2013年开通、位于巴西阿雷格里港的阿雷格里港地铁机场连接系统就是其中之一。

## 历史

在铁路发展早期，铁路车辆是由人力或马匹驱动。随着对机械动力的理解逐渐加深，人们开发出了机车发动机。这些发动机有严重的限制；尤其是，它们比当时使用的货车重得多，经常会使路轨断裂。此外，铁与铁轮轨接触面缺乏附着力（即滑移）也是一个限制因素，例如在基尔马诺克和特伦铁路的试验中就出现过这种情况。

许多工程师将注意力转向如何将电力从静态电源（固定引擎）传输到行驶的列车。这样的引擎可能更坚固，拥有更多可用空间，从而可能拥有更强大的动力。在电力实用化之前，电力传输的解决方案是使用电缆系统或气压。

### 麦德赫斯特

1799年，伦敦的乔治·麦德赫斯特（George Medhurst）讨论了透过铸铁管道气动运输货物的想法，并于1812年提出透过隧道吹动客车的想法。

麦德赫斯特提出了两种替代系统：要么车辆本身就是活塞，要么管道相对较小，并配备一个单独的活塞。他从未为自己的想法申请专利，也没有进一步发展。

## 19世纪

### 瓦兰斯

1824年，一位名叫瓦兰斯（Vallance）的人申请了专利，并建造了一条短的示范线路；他的系统由一根直径6英尺（1.8米）的铸铁管组成，管子下部铸有轨道；车辆与管子等大，并用熊皮密封环形空间。刹车是透过打开车辆两端的车门来实现的。瓦兰斯的系统虽然有效，但并未投入商业使用。

### 平库斯

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1835年，亨利·平库斯（Henry Pinkus）获得了一项专利，该系统采用9平方英尺（0.84平方米）的方形截面管，低度真空，以减少泄漏损失。后来，他改用小口径真空管。他建议用一根连续的绳索密封活塞与车辆连接的槽口；车辆上的滚轮将绳索在活塞连接处前抬起，然后再将其拉回。

他在肯辛顿运河旁建造了一条示范线路，并为他的全国气动铁路协会发布了一份招股说明书。他的系统未能引起投资者的兴趣，而且当绳索拉伸时，系统也失效了。然而，他的概念——一种带有可重复密封槽的小口径管道——却成为了许多后续系统的原型。

### 萨穆达和克莱格

#### 沃姆伍德灌木丛计划

雅各和约瑟夫·萨穆达（Jacob and Joseph Samuda）是造船师和工程师，拥有南华克铁厂；他们都是英国土木工程师学会的成员。塞缪尔·克莱格（Samuel Clegg）是一位燃气工程师，他们合作开发了气动系统。大约在1835年，他们阅读了麦德赫斯特的著作，并开发了一种小口径真空管道系统。克莱格研究了一种纵向瓣阀，用于密封管道中的缝隙。

1838年，他们申请了一项“阀门新改进”的专利，并在南华克建造了一个全尺寸模型。1840年，雅各布·萨穆达和克莱格在沃姆伍德灌木丛（Wormwood Scrubs）租用了西伦敦铁路半英里长的铁路线，当时这条铁路尚未向公众开放。同年，克莱格前往葡萄牙，继续他在天然气行业的职业生涯。

萨穆达的系统涉及一根铺设在铁轨之间的连续（有接头）铸铁管；管道顶部有一个槽。火车的领头车厢是活塞车厢，上面载着一个插入管道的活塞。活塞由穿过槽的支架系统固定，活塞本身位于支架离开槽的点前方的一根杆子上。槽用一个连续的皮革盖板与气动隔绝，皮革盖板在活塞支架前方立即打开，在活塞支架后方立即关闭。火车前方的抽气站会从管道中抽出空气，活塞后的气动压力会将其向前推。

沃姆伍德灌木丛示范计划持续了两年。牵引管道直径为9英寸，由一台16马力的固定式发动机提供动力。线路坡度稳定在1:115。萨穆达在其下文所述的论文中暗示，该管道将仅用于单向运行，而只建造了一个泵站的事实表明，列车在上升至气动层后会被引力拉回线路的低端，就像后来在多尔基线（见下文）所做的那样。许多线路都是公共线路。萨穆达引用了一些线路的负载、真空度和速度数据，例如：

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

#### 竞争解决方案

公众对气动铁路的想法非常感兴趣，当萨穆达制定他的计划时，其他人也提出了其他想法。

- 尼克尔斯和基恩通过将空气泵入一根连续的帆布管来推动火车。火车上有一对压轮挤压帆布管的外部，气压压迫使车辆前进。其效果与挤压牙膏管的效果相反。他们声称在滑铁卢路的一个木材场进行了一次成功的演示。
- 詹姆斯·皮尔布罗（James Pilbrow）提出了一个松散的活塞，活塞上装有齿条。齿轮会由活塞带动，并经由轴套穿过压盖到达管外。列车的领先车厢也配有相应的齿条，并透过齿轮的旋转向前推进。这样，列车就能与活塞精确同步，无需任何直接连接。
- 亨利·莱西 (Henry Lacey) 设想了一种木管，由制桶匠制作成一个长而连续的桶，带有开口槽和由印度橡胶铰链固定的木质盖板。
- 克拉克和瓦利提出了一种连续纵向缝隙的铁皮管。如果这些管子按照精密标准制造，真空会保持缝隙闭合，但列车上的活塞支架会将缝隙弹开到足以通过的程度。管子的弹性会在活塞滑架后再次将其闭合。
- 约瑟夫·沙特尔沃思建议采用液压管道，利用水压而非部分气动真空来推动火车。在水源充足的山区，无需抽水站，可直接利用水。管道内不再使用挡板密封管道槽口，而是使用浸有橡胶的布料制成的连续密封绳。活塞上的导轨会将其提升到位，水压会将其固定在火车后方。使用正压可以实现比真空系统更大的压力差。但是，每次列车运行结束后，管道内的积水都必须由沿途的工作人员手动排出。

#### 萨穆达的论文

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1841年，约瑟夫·萨穆达发表了《关于气动压力适应铁路机车运动的论文》。

这份报告长达 50 页，萨穆达描述了他的系统；首先是牵引管：

移动动力透过铺设在铁轨之间的连续管道或主管道传递给火车，这些管道或主管道由固定在路边的固定蒸汽机驱动的气泵排气，气泵之间的距离根据道路的性质和交通情况从一英里到三英里不等。一个插入该管道的活塞通过一个侧开口连接到每列火车的领先车厢，并借助其前方产生的排气向前移动。连续管道固定在铁轨之间，并用螺栓固定在承载铁轨的枕木上；管道内部未钻孔，但衬有或涂有1/10英寸厚的牛脂，以平衡表面并防止活塞通过时产生不必要的摩擦。

截止阀的操作至关重要：

管道上表面有一条约两英寸宽的连续狭缝或凹槽。凹槽上盖着一个阀门，阀门延伸至整个轨道长度，阀门由铆接在铁板之间的一条皮革制成，顶部铁板比凹槽宽，用于在管道内形成真空时防止外部空气将皮革压入管道；阀门关闭时，下部铁板嵌入凹槽，形成管道的圆形，防止空气通过活塞；阀门的一端被；铁条牢牢压住，并用螺栓固定在管道上铸造的纵向肋条上，使铁板和铁条之间的皮革充当铰链，类似于普通的泵阀；阀门的另一端落入一个凹槽中，凹槽内装有蜂蜡和牛脂的混合物：这种混合物在气动温度下为固体，加热到高于气动温度几度时会变成液体温度。阀门上方有一个保护盖，用于保护阀门免受雪或雨的侵袭，保护盖由长约五英尺的薄铁板制成，并用皮革铰接，每块铁板的末端都沿着活塞运动的方向与下一块铁板重叠，从而确保每块铁板相继升起。

活塞托架将打开然后关闭阀门：

每列活塞的第一节车厢底部连接着活塞及其附属装置；一根水平穿过活塞的杆连接到连接臂上，该连接臂位于活塞后方约六英尺处。此连接臂穿过管道上的连续凹槽，并固定在车厢上，当管道内的气体耗尽时，连接臂便会驱动活塞列；活塞杆上还连接着四个钢轮（两个在连接臂前方，两个在连接臂后方），用于提升阀门，并为连接臂的通过和活塞后部的进气轮一根约十英尺长的铜管或加热器也固定在车厢底部，由一个小炉子持续加热，铜管或加热器从铜管上通过并熔化（因提升阀门而破裂的）表面，冷却后凝固，并将阀门密封。这样，当每列火车经过时，管道都会处于适当的状态，以便接收下一列火车。

进入和离开管道的描述如下：

连续管道由分隔阀（根据固定蒸汽机的距离）分隔成适当的段，列车在行驶过程中会打开这些阀：这些阀门的结构设计使得列车在从一个段过渡到另一个段时无需停车或减速。出口分隔阀（即位于最靠近蒸汽机的段末端的分隔阀）由活塞前方的空气压缩打开，这必然发生在活塞通过与气泵连通的分支后；入口分隔阀（位于下一段管道起始处附近）是一个平衡阀，活塞进入管道后会立即打开。主管采用深承插接头连接，每个接头在填料中部留有一个环形空间，并填充半流体：这样可以防止任何可能的空气泄漏到管道中。

当时铁路发展迅速，人们迫切地寻求突破当时技术限制的解决方案，但评估起来往往不够理性。萨穆达的论文阐述了他的系统的优点：

- 从静态（气动）发电厂向火车传输电力；静态机械可以更节省燃料。
- 火车将不再需要携带电源和燃料。
- 列车可用的功率将会更大，以便能够通过更陡的坡度；在建设新线路时，这将透过减少土方工程和隧道而大大降低建设成本。
- 取消火车上的重型机车将可以使用更轻、更便宜的轨道材料。
- 乘客和沿线居民将免受列车过境产生的烟雾的滋扰；这在隧道中尤其有用。
- 火车之间不可能发生碰撞，因为两个泵站之间的任何路段每次只能处理一列火车；在现代信号系统出现之前的那些日子里，碰撞是公众最关心的问题，当时一列火车被允许在规定的时间间隔后跟随前面的火车，而没有办法检测该火车是否在前方线路的某个地方停了下来。
- 萨穆达声称，在管道中移动的活塞会将活塞托架压住，从而防止脱轨，使列车能够高速安全地通过弯道。
- 铁路上的人员不会面临蒸汽机锅炉爆炸的风险（这在当时是非常有可能的）。

萨穆达也驳斥了对他的体系的广泛批评：

- 如果一个泵站发生故障，整条线路都会关闭，因为没有火车可以通过该点；萨穆达解释说，管道布置将使下一个泵站能够为该区段供气；如果压力降低，火车仍然能够通过，尽管会损失一点时间。
- 挡板或管道接头处的空气泄漏会严重削弱真空效果；萨穆达指出，根据他在演示线上的经验和测试结果，这显然不是问题。
- 机车房的资本成本是一个巨大的负担；萨穆达观察到，蒸汽机车的资本成本被消除了，燃料和维护的运行成本预计会更低。

#### 专利

1844年4月，萨穆达兄弟为他们的系统申请了专利。不久之后，约瑟夫·萨穆达去世，他的兄弟雅各布继续了这项工作。专利分为三部分：第一部分描述了气动管道和活塞系统；第二部分描述了在水源充足的地区，如何利用不同高度的水箱来产生真空；第三部分涉及气动铁路的平交道口。

### 多尔基气动铁路

爱尔兰的都柏林和金斯敦铁路于1834年开通，连接邓莱里港（当时称为金斯敦）和都柏林；这是一条标准轨距铁路。1840年，公司希望将铁路延伸至多尔基（Dalkey），距离约两英里。公司购买并改造了一条马拉电车轨道：它曾被用来从采石场运送石头用于建造港口。这条铁路坡度陡峭（坡度为1:115，其中440码的路段坡度为1:57），弯道很大，最急的弯道半径为570码。这给当时使用的机车带来了很大困难。公司的财务主管詹姆斯·皮姆正在伦敦访问，听说了萨穆达的项目后便对其进行了查看。他认为这个计划非常适合公司的需要，在向政府申请26,000英镑的贷款后，公司同意在多尔基线上铺设这条铁路。因此成为了多尔基气动铁路。

这条牵引管道使用了15英寸（约38公分）的管道，并在2400码（约2400码）线路的上端，在多尔基设有一个泵站。泵站的引擎功率为110马力，飞轮直径为36英尺（约10米）。在金斯敦列车预定出发时间前五分钟，泵站启动，在两分钟内形成了15英寸（约38厘米）的真空。列车由人工推至活塞进入管道的位置，并保持刹车直到准备启动。启动时间到后，放开刹车，列车开动。（后来安装了电报，从此不再依赖时刻表来判断列车的运行。）

1843年8月17日，铁路首次通车，并于隔天进行试运行。8月19日，星期六，线路正式对外开放。营运期间，列车典型时速可达30英哩（约48公里）；返回金斯敦则仰赖重力沿坡度下降，速度较慢。到1844年3月，每天有35趟列车运行，每周有4500名乘客乘坐这条线路，其中大多数人只是为了寻求新鲜感。

根据记载，一位名叫弗兰克·埃尔林顿的年轻人曾经乘坐过一节未与火车连接的活塞车厢。他松开刹车后，这节轻型车厢便高速行驶，仅用了75秒就跑完了全程，平均时速达到105公里/小时。

由于这是第一条商业运营的气动铁路，它吸引了当时许多杰出工程师的注意，包括伊桑巴德·金德姆·布鲁内尔、罗伯特·史蒂芬生和威廉·库比特（William Cubitt）。

这条线路继续成功运作了十年，比英格兰的气动系统寿命更长，尽管巴黎 - 圣日耳曼线一直持续到1860年。

1855年铁路系统废除后，一辆名为“公主号”的2-2-2蒸汽机车投入使用。顺便提一句，这是爱尔兰制造的第一台蒸汽机车。虽然是一辆小型机器，但它在陡坡铁路上成功运行了数年。

### 巴黎 – 圣日耳曼线

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1835年，佩雷尔兄弟从巴黎圣日耳曼铁路公司（Compagnie du Chemin de fer de Paris à Saint-Germain）获得了特许经营权。他们在1837年开通了19公里的铁路线，但只到塞纳河左岸的勒佩克，因为要到达圣日耳曼昂莱，需要爬一段令人望而生畏的坡度，而当时的机车被认为无法爬上必要的坡度，附着力被认为是限制因素。

在得知多尔基铁路的成功后，法国时任公共工程部长和副国务卿派遣法国桥梁和道路荣誉监察长前往多尔基。他对那里安装的系统及其潜力撰写了一份详尽的技术评估报告，其中包括与约瑟夫·萨穆达合作进行的测量结果。

正是因为该报告，佩雷尔兄弟决定采用该系统兴建圣日耳曼延线。工程于1845年开始，首先在塞纳河上建造一座木桥，然后是一座二十拱石砌高架桥，并在城堡下方建造两条隧道。扩建工程于1847年4月15日通车；全长1.5公里，坡度为1比28（35毫米/米）。

牵引管铺设在铁轨之间，直径63公分（25吋），顶部有一个槽口。槽口用两片皮革封盖封闭。泵浦由两台位于圣日耳曼两条隧道之间的200马力蒸气机驱动。列车上行速度为35公里/小时（22英哩/小时）。下行时，列车依靠重力行驶至佩克，在那里由蒸汽机车接管，前往巴黎。

该系统在技术上取得了成功，但随着更强大蒸汽机车的发展，它于1860年7月3日起被废弃。当时，蒸汽机车从巴黎开往圣日耳曼们，并在坡度上由一辆推车机车辅助行驶。这种安排持续了60多年，直到线路电气化。

《俄亥俄州日报》的一名记者描述了一些细节；管道似乎分为两部分：

铁轨中央铺设了一根铁管，直径约三分之一处沉入路基。5500码长的铁管直径仅1.75英尺（即21英寸），此处坡度平缓，无需像通往圣日耳曼的陡坡那样费力。在圣日耳曼，3800码长的铁管直径仅2英尺1英寸（即25英寸）。

蒸汽机有蓄能器：

每具引擎配备两个气动缸，每秒可排出14立方英尺的空气。排气机上的空气罐（克劳迪埃）内的压力相当于六个绝对气动压力。

他描述了该阀门：

管子的整个长度上，顶部都切出一个部分，留出约五英寸的开口。每个切开的边缘都有一个偏移，以便卡住安装在其上的阀门的边缘。阀门由一块半英寸厚的鞋底皮革制成，其上下两侧都附有铁板以增强强度……铁板厚度约为四分之一英寸……铁板长约九英寸，其上下两端相距四分之三英寸，形成接缝，使皮革阀门既柔韧又坚固。

克莱顿记录了这位工程师的名字，马利特（Mallet），他曾担任公共工程总监，并给出了略有不同的解释：克莱顿说马利特用一条编织绳封住了缝隙。他还说，真空是透过在两次运行之间在真空室中冷凝蒸汽产生的，但这可能是对压力蓄能器的误解。

### 伦敦和克罗伊登铁路

#### 蒸气铁路

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伦敦和克罗伊登铁路公司 (L&CR) 获得议会授权法案《1835年伦敦和克罗伊登铁路法案》（5&6 Will. 4. c. x），修建从与伦敦和格林威治铁路公司 (L&GR) 的交汇处到克罗伊登的线路。当时L&GR路线正在建设中，议会反对在伦敦同一区建造两个铁路终点站，因为这样L&CR就必须共用L&GR的伦敦桥车站。该线路是为普通机车运行而建造的。第三家公司伦敦和布莱顿铁路公司 (L&BR) 成立，它也必须透过L&CR来共享通往伦敦的路线。

1839 年线路开通时，发现克罗伊登地方线频繁停车导致交通拥堵；在从新十字站到森林山站的1/100上坡路段，这个问题尤为严重。L&CR工程师威廉·库比特提出了一个解决方案：在现有双轨主线的东侧铺设第三条轨道，所有双向地方列车都将使用这条轨道。速度更快的布莱顿列车将不会因列车停车而延误。库比特在参观多尔基线时对此印象深刻，新的L&CR第三条轨道将使用气动动力。地方线也将延伸至埃普索姆，也是一条单轨气动线路。这些安排被采纳，并于 1843年7月4日获得《1843年伦敦和克罗伊登铁路法》，该法案赋予了必要的权力，并授权修建一条通往砖匠章站终点站的线路。也与L&GR达成协议，在其线路的公共区段增设一条轨道。1844年5月1日，砖匠章站启用，除伦敦桥列车外，还增设了从该站发车的频繁班次。

#### 采用气动技术

L&CR线在诺伍德交汇站向西南岔开，需要与L&BR线交叉。由于地面平坦，气动管道的存在使得这一过程无法进行，因此建造了一座立体交叉以实现跨越：这是铁路界的首例。这座立体交叉为木质高架桥，引桥坡度为1:50。L&CR 附加线原计划在科贝茨巷交汇站（Corbetts Lane Junction）位于现有线路东北侧，也计划在此建造一座类似的立交桥，但这座立交桥最终未能建成。

在森林山站和西克罗伊登站（时称克罗伊登站）之间安装了一根直径为15英寸的牵引管。虽然萨穆达监督了气动装置的安装，但省略了一个挡风雨板，即一个铰链铁板，用于覆盖 Dalkey 装置中的皮革槽阀。L&CR有一位气动工程师，James Pearson。Maudslay, Son and Field为森林山、诺伍德交汇和克罗伊登提供了三台100马力的蒸汽机和气泵，并为它们建造了精致的机房。它们由 WH Brakespear 以哥特式风格设计，并有高高的烟囱，也可以将抽出的空气排出高空。

线路上安装了双针电报系统，使车站工作人员能够向远端机车房发出火车已准备启动的信号。

列车于1846年1月开始在森林山至克罗伊登间的气动系统上运行。

牵引管槽和活塞支架采用手动操作；也就是说，槽口闭合挡板始终铰接在一侧，活塞支架则采用曲柄转动，以尽量减少挡板的开启。这意味着活塞车厢在行程结束时不能简单地在转盘上转动。相反，活塞车厢是双端的，需要手动将活塞转移到新的前端。活塞车厢本身必须手动（或透过马力）移动到列车的前端。森林山站的月台就像两条蒸气线之间的一个岛屿。库比特设计了一套特殊的道岔系统，使气动活塞车厢能够进入普通轨道。

1845年11月1日，贸易委员会督察帕斯利将军视察了该线路，批准全线通车。《泰晤士报》报导了此事。一列由蒸汽机车牵引的专列从伦敦桥出发；在森林山，机车被拆卸下来，然后：

取而代之的是活塞车厢，列车从此由气动压力驱动。这列火车由十节车厢组成（包括连接活塞的车厢），重量超过五十吨。两点七分半，火车驶离了达特茅斯章站 (森林山站原称）的停靠点，八点四十五分，活塞进入阀门，我们立刻意识到，该系统的一个显著优势就是启动时运动平缓，几乎难以察觉。在机车线路上，我们经常会遇到一种“颠簸”，有时甚至会造成绝对的“冲击”，足以让紧张胆怯的乘客感到惊慌。然而，这次并没有出现这种情况。活塞进入管道后一分一刻钟内，迎着强劲的逆风，速度达到了每小时十二英里；在接下来的一分钟，也就是两点十一分，速度达到了每小时二十五英里；两点十三分，速度达到了每小时三十四英里；两点十四分，时速四十英里；两点十五分，时速五十二英里。这速度一直维持到两点十六分，之后速度开始减慢。两点十七分半，火车抵达克罗伊登终点站，从达特茅斯章站出发，行驶五英里，耗时八分四十五分钟。活塞车厢的气压计显示真空度为25英寸，机车室的气压计显示真空度为28英寸。

这次正式公开运行的成功得到了广泛报道，气动长途铁路的新方案随即得到推广；南德文郡铁路的股价一夜之间飙升。

#### 开幕

帕斯利11月8日的报告是利多消息，铁路线已准备就绪，可以开通。但铁路主管们犹豫不决，希望累积再多一些经验后才通车。1845年12月19日，森林山站固定式引擎的曲轴断裂，引擎无法运作。不过，零件很快就被更换，铁路线于1846年1月16日正式开通。

当天上午11点，其中一辆克罗伊登机机车的曲轴断裂。由于配备了两台机车，因此交通得以继续使用另一台机车，直到晚上7点20分，另一台机车也遭遇同样的命运。之后，机车再次进行维修，直到1846年2月10日，两台克罗伊登机机车都发生故障。

这对气动系统的拥护者来说是一个沉重的打击；从信誉良好的发动机制造商处采购的固定发动机在制造过程中存在缺陷，但这并不能说明气动系统本身的实用性，但正如萨穆达对董事会所说：

“大众无法辨别（因为他们无法知道）中断的原因，并且所有异常现像都归咎于气动系统。”

两个月后，森林山的一台发动机横梁断裂。当时，董事们正在制定埃普索姆延线计划；他们迅速修改了从莫兹利（Maudslay）采购发动机的计划，并邀请投标。伯明翰的博尔顿和瓦特（Boulton and Watt）公司赢得了合同，他们的报价远低于竞争对手。

#### 合并

1846年7月6日，L&BR与L&CR合并，成立伦敦、布莱顿及南海岸铁路公司（LB&SCR）。当时，这家大公司的董事们仍沿用L&CR的计划，使用常压供水系统。

#### 技术难题

1846年的夏天异常炎热干燥，牵引管瓣阀开始出现严重问题。皮革瓣阀关闭时必须确保良好的密封性，而恶劣的天气条件使皮革变得僵硬。至于每趟列车结束后用于密封接头的牛脂蜂蜡混合物，萨穆达最初的说法是“这种混合物在气动温度下呈固态，加热到高于气动温度几度时会变成液态”，而炎热的天气也导致了这种现象。萨穆达最初对其系统的描述中包括一个覆盖瓣阀的金属防风阀，但L&CR列车上却省略了这一装置，导致阀门暴露在恶劣天气中，也容易吸入碎屑，据一位观察员报告，其中一位女士掉落在轨道上的手帕就是其中之一。任何碎屑卡在瓣阀座中都会降低其效能。

此外，牛脂——也就是提炼出来的动物脂肪——对老鼠很有吸引力。一份1859年的资料显示，老鼠会在夜间进入铁管吃牛脂，每天早晨，当第一列火车启动抽水泵时，都会有“数百只”老鼠被杀死。由于无法产生足够的真空来移动火车，列车经常晚点，立交桥陡峭的引道上也经常发生列车停运，这些都被媒体广泛报道。

董事们开始对气动系统感到不安，尤其是埃普索姆延线部分，因为该部分将配备三台引擎。1846年12月，他们向博尔顿和瓦特询问取消该计划的可能性，并被告知暂停一年的供应合约将花费2,300英镑。董事们同意了。

1846/7年的冬天带来了新的气象难题：异常寒冷的天气使皮革挡板僵硬，雪也进入了管内，导致更多列车取消了气动服务。1847年2月，一名铁路工人在蒸汽替代运行期间丧生。这无疑是一个悲剧，但它也引发了广泛报道，并表示气动服务再次停止运作。

#### 突然结束

在这段漫长的时间里，董事们对推进气动系统的决心肯定越来越小，即便投入了大量资金将其延伸至伦敦桥。（1847年1月，气动系统从森林山站延伸至新十字站，北行利用重力提供动力，南行使用森林山站泵气站。）在公众信任至关重要的情况下，董事们至少在最终决定做出之前不能公开表达他们的疑虑。1847年5月4日，董事们宣布“拆除克罗伊登气动管道，放弃该计划”。

原因似乎并未立即公开，但导火线似乎是贸易局检查员坚持要在布莱顿线和埃普索姆线的分岔处设立第二个交叉口。目前尚不清楚这究竟指的是什么，可能只是对一个痛苦决定的时机进行了合理化解释。无论原因是什么，LB&SCR上都不再进行气动作业了。

### 南德文郡铁路

#### 取得授权

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大西部铁路与布里斯托和埃克塞特铁路公司合作建造了一条连接埃克塞特和伦敦的宽轨铁路，该铁路于1844年5月1日抵达埃克塞特。德文郡的相关人士认为，将这条铁路延伸至普利茅斯至关重要，但地形复杂，难以通行：那里地势较高，没有便捷的路线。

经过相当大的争议，南德文郡铁路公司 (SDR) 于1844年7月4日获得了议会法案，授权建造一条铁路线。

#### 确定路线

该公司的工程师是富有创新精神的伊桑巴德·金德姆·布鲁内尔。他曾视察过多尔基线，对该线气动系统的性能印象深刻。萨穆达一直强调其系统的优势，他声称该系统的优势包括爬坡能力更强、轨道重量更轻。这使得在丘陵地带规划比常规线路坡度更大的线路成为可能，从而大幅节省建设成本。

如果布鲁内尔在规划阶段就明确决定使用气动牵引系统，他就能开辟出一条当时的机车技术无法实现的路线。至今仍在使用的南德文郡铁路线坡度陡峭，通常被认为“难度较大”。评论家们常常将此归咎于该线路的设计采用了气动牵引方式；例如：

塞孔在描述这条路线的地形时说，在牛顿阿伯特以外。

该地区的地形非常不适合修建坡度良好的铁路。当时，南德文郡铁路公司的工程师布鲁内尔先生并不介意这个缺点，因为他提议采用气动法修建铁路，而该系统的优点之一是，陡峭的河岸和平整的铁路一样容易施工。

- 这条线路“留下了一条为气动作业而建的线路的遗产，因此坡度较大、曲线较急”。
- 布鲁内尔“严重怀疑任何引擎是否有能力应对南德文郡所需的坡度”。

事实上，考虑采用气动系统的决定是在获得议会授权之后做出的，而且路线必须在提交给议会之前定案。

该法案通过八周后，股东们获悉：“自该法案通过以来，已收到…来自萨穆达兄弟公司…的提案，拟将其牵引系统应用于南德文线。”布鲁内尔和董事代表团已被邀请前往多尔基线视察。报告也指出，结果如下：

鉴于线路上许多点的坡度和曲线都将使这项原则的应用特别有利，贵方董事已决定在南德文郡铁路全线采用包括电报在内的气动系统。

#### 建设与开放

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从埃克塞特到牛顿阿伯特的路段立即开工；这段大致平坦：牛顿阿伯特之后的路段则是丘陵地带。45马力（34千瓦）泵送发动机和机械的供应合约于1845年1月18日签订，并要求同年7月1日前交付。牵引管的制造遇到了困难：它们需要在已成型的槽口内铸造，变形起初是一个严重的问题。

机械设备的交付和管道的铺设工作被大大推迟，但在1846年8月11日，尽管这些工作仍在进行中，一份合约还是签订了，用于购买牛顿阿伯特以外山区所需的发动机。这些引擎的功率需求更高，分别为64马力（48千瓦）和82马力（61千瓦），牵引管路的直径也更大。

1846年5月30日，埃克塞特和廷茅斯之间开通了火车服务，但当时使用的是从大西部铁路公司租来的蒸汽机车。最终，1847年9月13日，首批常压铁路客运列车开始运行。常压铁路货运列车可能在几天前就已投入营运。

除了广告宣传的蒸汽列车服务外，每天还有四列常压列车运行，但一段时间后，它们取代了蒸汽列车。起初，常压列车系统只运行至廷茅斯，在那里，蒸汽机车将列车（包括活塞车厢）牵引至牛顿阿伯特，在那里，活塞车厢被拆除，列车继续行驶。自11月9日起，部分开往牛顿阿伯特的列车开始运行常压列车；1848年3月2日起，该路段所有列车均使用常压列车。

这段时期，气动系统的两个重大缺陷得到了克服。首先，车站配备了辅助牵引管道；它铺设在轨道外，因此不会妨碍道岔工作。活塞车厢透过绳索连接到管道上——管道本身肯定有活塞——这样列车就可以被牵引进站，并继续前进到主管道的起点。其次，管道的平交道设计也得到了改进：一个铰链盖板横放在管道上，供道路使用。当牵引管道耗尽时，支管会驱动一个小活塞，抬起盖子，使活塞车厢安全通过，并向道路使用者发出警告。当时的技术图显示，牵引管道比正常情况下低得多，其顶部与轨头大致齐平，其中心与横梁的中心齐平。没有关于轨距如何维护的说明。

#### 牵引系统动力不足

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尽管列车运行表面上令人满意，但实际上存在技术计算错误。布鲁内尔最初似乎指定在通往牛顿阿伯特的平坦路段使用12吋（300毫米）管道，在线路的丘陵路段使用15吋（380毫米）管道。在指定固定式引擎动力和真空泵时，他大大降低了它们的功率。12吋（300毫米）管道似乎已被废弃，取而代之的是15吋（380毫米）管道，并在丘陵路段开始安装22吋（560毫米）管道。对引擎控制调速器进行了改进，使其运转速度比设计速度快50%。据报道，煤炭消耗量远超预期，每列火车行驶一英里需耗费3先令1.5便士，而非1先令0便士（租用大西部铁路蒸汽机车的租金也为2先令6便士）。这可能部分是由于当时尚未安装电报系统，即使火车延误，也需要按照时刻表进行抽气。8月2日，当电报系统安装完毕后，接下来几周的煤炭消耗量下降了25%。

#### 插槽关闭问题

1847年至1848年的冬天，密封牵引管槽的皮革瓣阀开始故障。在寒冷的冬日里，皮革在雨水中浸泡后冻得坚硬，导致火车通过后无法正确安装，空气进入管道，降低了泵送效率。接下来的春夏两季，天气炎热干燥，皮革瓣阀也干涸了，同样出现了同样的问题。布鲁内尔用鲸油处理皮革，试图保持其柔韧性。据说管道上的氧化铁和皮革中的鞣质之间发生了化学反应。活塞上的皮革杯形密封圈也出现了问题。

评论员指出，南德文郡系统省略了多尔基线路上用于覆盖挡板阀的铁制挡风板。在那条线路上，铁板在活塞支架前方立即被翻开。南德文郡省略此设计的原因尚不清楚，但考虑到速度，这种布置必然会产生相当大的机械力，并产生环境噪音。

五月和六月，更严重的问题出现了：部分挡板从固定装置上脱落，必须迅速更换。萨穆达与该公司签订了系统维护合同，他建议安装防风雨罩，但该公司并未采纳。这并不能解决眼前的问题，还需要彻底更换皮革挡板；这笔费用估计为3.2万英镑——在当时是一笔巨款——但萨穆达拒绝采取行动。

#### 放弃

在为维持这个有缺陷的系统而进行的斗争中，由于合约僵局，铁路系统走向终结已是不可避免的。在1848年8月29日的股东大会上，董事们被迫报告所有困难，并报告布鲁内尔已建议放弃气动系统；大西部铁路公司正在安排提供蒸汽机车，气动系统将于1848年9月9日起废弃。

布鲁内尔提交给董事们的报告（现已提交会议）内容详尽，他也深知自身微妙的处境以及萨穆达的合约义务。他描述了从三家供应商获得的固定式发动机：“这些发动机总体上并不成功；迄今为止，它们都运行得不太经济，有些发动机的燃料消耗非常高。”至于皮革阀门在极端天气（高温、霜冻和暴雨）下遇到的困难。

相同的补救措施适用于这三种情况：保持阀门皮革上油并涂清漆，使其不透水，否则在潮湿的天气里，水会浸透皮革，在寒冷的天气里，皮革会结冰，使其变得僵硬而无法关闭；同样的预防措施还可以防止皮革因高温而干燥和皱缩；因为高温干燥和皱缩的是皮革；在非常干燥的天气里，用活塞托架上的水箱向阀门上喷洒少量水也被发现是有效的，这表明干燥而不是高温是造成泄漏的原因。

但还有一个更严重的问题：“纵向阀门的很大一部分因板片接缝处的皮革撕裂而失效。皮革首先在这些点处部分破裂，导致严重的泄漏，尤其是在干燥的天气里。一段时间后，它会完全撕裂。”

牵引管路和阀门的维护是萨穆达的合约责任，但布鲁内尔指责该公司储存不当，而且阀门在火车使用前已经安装了一段时间；布鲁内尔拒绝深入探讨责任问题，暗示可能采取缓和措施，但得出结论：

建造成本远远超出了我们的预期，而且事实证明，运行一个与每个人（无论是旅行者还是工人）都习惯的系统完全不同的系统，难度实在太大了；因此，尽管毫无疑问，经过进一步的试验，目前铺设的部分的施工成本可能会大幅降低，但我无法预期在牛顿阿伯特之后，还会有任何动力继续运行该系统。

一些股东之间产生了巨大的敌意，尤其是萨穆达和布鲁内尔受到了严厉的批评，但生产线上的气动系统已经完蛋了。

#### 终结

托马斯·吉尔曾任南德文郡董事会主席，希望继续使用气动系统。为了推动这一进程，他辞去了职务，并于1848年11月出版了一本小册子，呼吁保留该系统。他为此争取到了足够的支持，以至于公司在1849年1月6日召开了一次特别股东大会。大会进行了长时间的技术讨论，吉尔表示，克拉克和瓦利准备签订合同，完成气动系统并在部分线路上进行维护。吉尔说，还有25位其他发明家渴望在线上试用他们的发明。会议持续了8个小时，最终进行了投票：出席股东的多数票赞成继续使用该系统，投票结果为645票赞成，567票反对。然而，大量股东持有代理权，他们不愿出席会议，最终以5324票反对，1230票赞成的结果确认了放弃气动系统。

这就是南德文郡铁路气动系统的终结。

#### 大鼠

爱好者团体经常声称，皮革挡板失效的原因之一是老鼠被牛脂吸引，啃咬了它。虽然据说早期牵引管中确实有老鼠被吸入，但在上述危机会议上并未提及此事。历史学家科林·迪瓦尔认为，“没有任何文献证据”证明老鼠在铁路上造成了此类问题。

### 技术细节

#### 沃姆伍德灌木丛示范线

示范线上的活塞托架是一条开放式四轮履带。图纸上没有显示任何控制装置。承载活塞的横梁被称为“支撑杆”，它直接连接到车轴上，并以中心点为枢轴旋转；在连接支架的后部有一个配重块（称为“犁刀”）。

#### 多尔基线

常规列车由两节车厢组成：活塞车厢，包含一个警卫室和三等舱；以及二等车厢，车尾设有观察窗。没有一等车厢。警卫室配有螺旋制动器，但没有其他控制装置。返回（下降）依靠重力，警卫室有一个杠杆，可以将活塞组件摆动到一侧，这样下降时活塞就会在管外。

#### 圣日耳曼线

投入营运的勒佩克至圣日耳曼段，其长度几乎与多尔基线完全相同，运作方式也类似，只是重力下降是透过管道中的活塞来实现的，这样气压就能帮助减速。上部终点站设有侧线，并透过绳索切换。

#### 伦敦和克罗伊登线

活塞车厢是六轮厢型车，由于是双头车，因此两端各有一个驾驶台。驾驶员位于车厢内，而不是露天。中轴无弹簧，活塞组件直接与其相连。驾驶员有一个真空计（水银压力计），透过金属管连接到活塞头。有些车辆装有速度计，这是摩西李嘉图的发明。除了刹车之外，驾驶还有一个旁通阀，可以让空气进入活塞前方部分排气的牵引管，从而减少施加的牵引力。这似乎在从立体交叉以1：50的速度下降时使用过。萨穆达的《论语》 （Treatise) 中有一张图表展示了杠杆和阀门的安排。

#### 可变尺寸活塞

萨穆达的专利部分包含可变直径活塞，使同一活塞车厢适应不同尺寸牵引管的路段。克莱顿对此进行了描述：这种变化可以由驾驶员在行驶过程中控制；一个杠杆操作活塞头后部一个类似雨伞的装置；该装置带有铰链式钢肋。为了容纳活塞支架，无论管道直径如何，牵引管槽（以及管道顶部）都必须处于同一水平，这样所有需要密封的额外空间都位于下方和侧面；这种“雨伞”式结构是不对称的。事实上，这种结构从未在南德文郡铁路上使用过，因为那里的22英寸管道从未被打开过；而森林山的这种变化只持续了四个月，那里的气动系统就结束了。圣日耳曼线也计划使用可变直径的活塞。该铁路从楠泰尔到勒佩克，原计划使用15英寸的管道，然后在3.5%的坡度上，再到圣日耳曼，则使用25英寸的管道。由于只完成了25英寸的路段，因此只使用了一个简单的活塞。

#### 南德文郡铁路发动机房位置

- 埃克塞特；圣戴维斯站南端，线路上方
- Countess Wear；Turnpike桥南侧，海拔197.22米，下侧
- Turf；Turf平交道南侧，下方
- Starcross；车站南侧，上侧
- 道利什；车站东侧，上侧
- 廷茅斯；毗邻车站，上侧
- 夏墅（Summer House）；海拔212.38米，下侧
- 牛顿阿伯特；车站东侧，下方
- 定顿（Dainton）；隧道西侧，下侧
- 托特尼斯；毗邻车站，上侧
- 拉特里；50.43156,-3.78313；机房从未完工
- 托基；托雷车站（原终点站，时称托基）以北 1 英里，上侧

在定顿机房，气泵的入气管里原本会安装真空接收器。这显然是为了拦截可能被吸入牵引管的碎屑；它有一个可打开的门，方便工作人员不时清理碎屑。

### 气动铁路管道展示

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- 牛津郡迪德科特的迪德科特铁路中心：1993年在佩恩顿附近的古德灵顿沙滩（Goodrington Sands）的沙子下发现了三根完整的未使用的南德文郡22英寸管道。自2000年以来，它与从其他地方找到的GWR轨道一起于该中心展出。
- “成为布鲁内尔”展览于2018年在布里斯托的大不列颠号蒸汽船开幕：当中包含一整根未使用的南德文郡22英寸管道。
- STEAM－斯温顿大西部铁路博物馆：一小段未使用的南德文郡22英寸管道，很可能就是1912年描述的在帕丁顿大西部铁路公司博物馆展出的那段。
- 德文郡牛顿阿伯特镇和大西部铁路博物馆：另一个未使用的南德文郡22英寸管道的极短部分。
- 克罗伊登博物馆，克罗伊登：1933年在西克罗伊登站地下发现的一条全长的伦敦和克罗伊登15英寸管道。

### 其他早期应用

两条示范铁路的建造方式是将整节车厢（而非仅有一个活塞）置于地下。两种方案中，车厢都由气动压力朝一个方向推动，并由增压朝另一个方向推动。这两种方案的目标都是让车厢在地下运行，避免蒸汽机车产生的烟雾和废气。

- 托马斯·韦伯斯特·拉梅尔（Thomas Webster Rammell）于1864年建造的水晶宫气动铁路旨在提高人们对他提出的滑铁卢和白厅铁路的兴趣。该铁路原本将从伦敦滑铁卢车站延伸至大苏格兰场，中途下穿泰晤士河。后者的建设始于1865年和1866年，但并未继续进行。
- 阿尔弗雷德·E·比奇（Alfred E. Beach）发明的比奇气动运输系统（Beach Pneumatic Transit）于1870年至1873年间在纽约市百老汇大道地下运行了一个街区，不仅展示了气动操作，还展示了一种不会扰动路面的隧道掘进方法。气压由一个大型叶轮——罗茨鼓风机——控制，而不是之前所有装置中使用的圆盘风扇。此后再无更先进的系统。

## Aeromovel

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虽然19世纪制造实用气动系统的尝试皆因为技术缺陷而失败（如上所述），但是如今，现代材料已经使一个实用的系统得以实现。

二十世纪末，巴西的Aeromovel公司开发了一种以空气为动力的自动旅客捷运系统。轻型列车行驶在架设在高架空心混凝土箱梁上的轨道上，箱梁构成了空气管道。每节车厢都固定在管道内的一块方形板上（活塞），活塞透过一根穿过纵向槽的桅杆连接，该槽用橡胶挡板密封。沿线设有固定电动气泵，用于向管道内吹入空气以产生正压，或从管道中排出空气以形成部分真空。作用在活塞板上的压力差使车辆移动。

列车照明和刹车所需的电力由车辆行驶轨道上的低压（50 V）电流提供，用于为车载电池充电。列车配备常规制动器，以便在车站准确停车；如果制动板上没有压力差，制动器会自动启动。满载车辆的酬载与自重之比约为1:1，比传统车辆好三倍。车辆无人驾驶，由线路旁的控制装置控制车辆行驶。Aeromovel由巴西人Oskar HW Coester于1970年代末期设计。

该系统于1989年在印尼雅加达的美丽的印度尼西亚缩影公园首次投入营运。它最初是为一个主题公园而建；它是一个2英里（3.22公里）长的环线，设有六个车站和三列火车。2010年代末，此系统关闭。随后，它被改造成柴油机驱动，仅使用一列火车，并于2019年重新开放。

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第二条路线－地铁机场连接线于2013年8月开通。该线路连接阿雷格里港地铁的机场站和萨尔加多·菲柳阿雷格里港国际机场1号航站楼。单线长1公里（0.6英哩），车程为90秒。首列可载150名乘客的车辆于2013年4月交付，第二列可载300名乘客的车辆随后交付。

2018年12月，中国揭幕了由Aeromovel和中国铁路工程集团合作开发的气动铁路研发中心。两家公司自2017年初以来一直在合作开展项目，其中包括曾启动但现已停滞、为卡诺阿斯建造气动列车系统的项目。

拟建的阿克拉轻轨（Accra Skytrain） ——一条位于加纳首都、全长194公里（121英里）的五条线路高架轻轨网络——也将采用该技术。2019年，加纳政府与南非财团签署了一项建设-营运-移交特许协议，以开发该项目，预计耗资26亿美元。由于法律问题和新冠疫情，该项目尚未开工，且已被推迟。2021年2月，加纳政府宣布计划继续推进，但在向国会提交立法之前，仍需等待总检察长的报告。同年11月，最终消息透露此计划不会实施。

2020年12月，拥有Aeromovel技术的巴西公司Aerom已被选中，将在圣保罗/瓜鲁柳斯国际机场建造GRU机场旅客捷运系统。该线长2.6公里（1.6英里），将设有4个车站，以连接圣保罗都市圈铁路13号线的瓜鲁柳斯机场站和圣保罗/瓜鲁柳斯国际机场的三座航站楼。该线的建造工程已于2022年6月展开，并预计于2025年通车。

## 高速概念

美国的飞行轨道公司（Flight Rail Corporation）开发了一种高速气动列车的概念，该列车利用真空和气压沿着高架导轨移动乘客舱。固定动力系统在位于桁架组件内轨道下方中央的连续气动管内产生真空（活塞前方）和压力（活塞后方）。自由活塞透过磁耦合连接到上方的乘客舱；这种布置使动力管保持关闭状态，避免泄漏。运输单元在动力管路上方的一对平行钢轨上运行。

该公司目前拥有1/6比例的试点模型，正在一条室外测试导轨上运行。该导轨长2095英尺（639米），坡度分别为2%、6%和10%。试点模型的运行速度最高可达40公里/小时。该公司表示，全面投入使用后，速度将超过320公里/小时。

## 参见

- 地面缆车－一种更成功但更缓慢的克服陡坡的方法
- 往复式地面缆车－一种利用向下车厢的重力来提升向上车厢以克服陡坡的系统
- 超回路列车
- 气动管
- 蒸汽弹射器－用于从船上发射飞机：密封件和滑行器的布置类似，但使用正压。
- 真空管道高速交通－一种未来概念，车辆在真空管道中行驶，以最大限度地减少空气阻力；建议的推进系统不是气动推进系统。