机械工程师的命运：来自E.Yantovsky教授的思考

当我第一次访问爱尔兰时，该国的人均收入说起来比较羞涩，比其他欧洲国家都低。如今2003年，我很荣幸在欧洲最富裕的国家发表演说。这并不表示一个人特别勤奋，但这表明你们拥有开明的政府。

讲座或电影

我想先从一件半个世纪前发生在莫斯科大学的事件开始。在那个时候，有名气的教授通常不愿意给新生开讲座，极少数教授有过。他们需要在庞大的礼堂里讲座，不是仅能容纳20人的礼堂，而是要能够容纳200个学生，甚至500个学生的礼堂。更有甚者，礼堂大到学生们都看不到他，听不见他的声音为止。

一个聪明的家伙突然冒出一个想法：把讲座录制成电影，然后在暗室里播放。首先，所有人对这个提议欣然接受。部长也很高兴因为能够节约开销，雇人播放电影比请教授要省钱。学生们同样很高兴，因为在暗室里睡觉或者和女生亲热比在亮堂的地方更方便。但是这个创意没有实施。为什么不呢？谁在阻拦？答案是：英明的教授。对于每一位聪明的演讲者，明显有必要看到学生们关注的眼神和听到听众们好奇的问题。我强调好奇。俗话说：好奇害死猫，我相信你们知道这一点。但是我认为：不会害死学生。心怀好奇的学生将能改变世界。

好奇的年轻人

让我们回顾那些学习机械工程或者相近学科的好奇的年轻人。其中有个液压工程师的儿子，他告诉他儿子关于古时候的水轮和有水势能差做功的水轮机。通过建造水坝和控制水的流速就可以发出电能。

那个好奇的小孩联想到热机。他明白水的高度与温度计里水银的高度是一个道理。并且很难找到能和水流量相提并论的事物。他接受了无质量流体的观点：热流体、热流率和温度差的乘积即为热机的功率。不久之后，他意识到理想热机的效率是功率与热流率与绝对温度乘积的比值。

在他随后1824年发表的论文：《ReflectionsOntheMovingForceofFire》（关于火的动力的思考），他出版的惟一一本书，创立了经典热力学。他于1832年死于霍乱，他所有的物品都被焚毁，但是幸运的是，他的哥哥保存了他的笔记和很多重要的思想。

这个人被人们熟知的机械工程师就是SadiCarnot。他杰出的父亲，LazarCarnot，是法国拿破仑时代的著名人物；SadiCarnot的孙子，同样名为Sadi，是法国19世纪末的总统。

另一个好奇男孩在苏黎世理工学院学习机械工程。但是在此之前，在他的童年时代，谦虚地来说可以算是物理学，他认为镜子能反射东西，当镜子以超过众所周知的电磁波的速度（光速）移动时，就是如果镜子移动得足够快，它将反射出我们先辈们的影像和过去的事情。这是多么奇妙和有趣的事情！20年后，1905年他在波恩当了个专利管理员，检测发明，而且大部分是关于机械工程的。那个时候，他明白超越光速是不能的，并且写了一篇论文，《ToElectrodynamicsofMovingBodies》（论动体的电动力学）。该论文成为了相对论力学的基础，这个好奇的小孩名为阿尔伯特·爱因斯坦。

为什么总是男孩？这里当然也有好奇的女孩。其中一个杰出的女孩，刚开始先是一个保姆然后成为一个大家庭里的家庭教师，最后和其中年纪最大的孩子恋爱。他们准备结婚，但是男方的父母反对这桩婚事，她伤心地离开了原来的城市来到巴黎。在那里，她进入了大学然后和一个年轻的教授结婚，并且发现探求放射物质的物理本质是极其有趣的事。物理上的变化都不会影响元素的放射性质。她从数吨放射性原料中提炼出了一小部分，发现了之前不为人知的元素——镭——原料具有放射性的原因。她的名字叫MariaSklodovska，后来我们将她称为居里夫人。

这份名单包含了几位伟大的机械工程师：

詹姆斯·瓦特（JamesWatt）——蒸汽活塞发动机

查尔斯·帕森斯（CharlesParsons）——蒸汽轮机

鲁道夫·狄赛尔（RudolfDiesel）——压缩式活塞发动机

莱特兄弟（WrightBrothers）——飞机（1903）

谢尔盖·科洛廖夫（SergeyKoroliov）——太空火箭（1957）

S.Koroliov

我相信前四个名字对你们和你们的老师来说应该非常熟悉。第五位可能知道的并不多。这位机械工程师的信念就如同他本人一样耀眼；他值得我用更多的时间来详细介绍。

SergeyKoroliov出生于1906年，1930年毕业于莫斯科高等技术学校航空机械工程专业，白天工作于一个设计局。所有晚上和假期他都投入到学习飞行火箭和液体燃料火箭的设计和测试中。

他的小组全称为火箭飞行研究组。一些怀疑论者将他的小组称为毫无进展的工程组。

1933年，他制造的火箭能够飞到600m的高度。1938年，基于该小组成立了火箭设计研究所。1948年，Koroliov被安排到德国的Peenemünde去负责德国Ver-nervonBraun火箭中心。他得到政府的全力支持，目标是创立一个庞大的设计局和有强大制造能力的工厂。该设计局制造的大型弹道火箭，在1957年利用它发射了第一科人造卫星Sputnik；在1961年，将第一个人送入太空（加加林）。

直到1966年他死于手术事故，SergeyKoroliov完全没有被世人所知晓。他的工作一直是最高机密。Koroliov领导了总数大约10万人的设计局和工厂，还有不少其他研究所。他有着总设计师的称号。诺贝尔奖励了第一个人造卫星，没有奖励到Koroliov，所以我特意将讲座一部分时间留给了他和他的成就。

关于我自己

我的命运可不能和上面提到的几位前辈相提并论。总体来说，我没有成功。有个比较良好的开端，随后是很一般的结果。不过我的命运作为反面教材来教育当今好奇的小孩来说还是有实际意义的。

我1929年出生于乌克兰的Kharkov，那是个大工业城市，里面有很多科学基础设施。我一开始喜欢航空专业，1951年我通过Kharkov航空研究院的选拔，在那里我进行航空机械工程师的培训。在当地的航空俱乐部，本人试驾了小型飞机。距今为止，我的飞行时间是120h，其中有80h是我单独驾驶或者至少有一个乘客。我绘制了所有高空飞行的导航线路图。

我的毕业设计是自导巡航导弹，相当于安装了红外线眼的小型无人驾驶飞机，引导导弹飞向空中敌机。这些红外线接收装置不是我发明的：它们是从德国的导弹上学来的。

在我们完成了毕业设计考核后（类似于颁奖仪式），我和另外两个做了相似工作的同伴被我们的导师推荐到Koroliov那里工作，我的导师是Koroliov在保管部门工作的同伴。Koroliov对我们的工作倍加赞许，但是拒绝收留我们。他告诉我们，“我还没有权力取消由部委给你们的委任书。”那时候是1951年的夏天，在第一个人造卫星和加加林飞行之前。所以我不得不根据我的委任书，去了Azov（亚述）海边的Taganrog（塔甘罗斯城）的一个制造大型反潜飞行船工厂当了一个技师。

这确实是我的第一个爱好，然而我对航空的爱好终结了，但将永远存在我的记忆里。非常偶然的机会，我被邀请去一个大型电力机械工厂工作，该工厂专门制造大中型电力设备。在该制造厂的设计局里，有许多出色的工程师，他们熟知磁流和电流方面的知识，但是不知道怎样计算与热量和气流相关的问题，他们需要机械工程师配合完成这项工作。大型回转机械的滑动轴承，转动轴部分是在润滑油中的运行，这正好是我熟知和掌握的范围。

我设计了一种算法来计算封闭式异步电动机的热流量。相当于现在的一个计算机程序，但是在那个时候，我们的计算机就是一个对数线性（一个计算尺）计算器而已（仅有计算功能）。(www.xing528.com)

我还记得一台用于驱动灌溉水泵的大型机器，其垂直转子的推力轴承出现了问题。该垂直转子与通常的工程设备一样，是六瓣倾斜的米切尔型。

它们用于承受推力。通常情况下，圆柱轴承是用于承受径向推力的。我决定使用一个球面轴承来替换这两个圆柱轴承，球面轴承可以同时分担径向和轴向的压力。我准备好了设计图，我的上司，既是设计组的领导同时也是个经验丰富的工程师，极力反对这个创新，因为使用球面轴承的方法之前从来没有被证明过。

这项任务是由他负责并且他有理由怀疑我的做法。不过他不通晓任何外国语言（那个时候俄罗斯的工程师基本都是这样），所以我将一本德国期刊上球面轴承的图片给他看，让他确信那是个轴承。对于我的上司来说，允许使用球形轴承要冒很大的风险，但是他在我的鼓动下决定冒这个险。我给他看期刊的图片并不是在炫耀我的学识，但当时我确实是个愤青，年轻且好奇。不少机器设备使用的是我建议的球面轴承。后来，我在现场还看到不少仍在运行的设备。

1959年，我被派遣到北纬69°，位于冻土层上的诺里尔斯克城。当时距关闭可恶的古拉格集中营系统刚刚3年，仍然遗留着之前的痕迹，但是这个城市出奇的和谐，有些地方甚至和圣彼得堡相似。

在那里，一台用于支援生产纯镍的大型直流发电机发生故障，机器容易发生过热。我在其继电器下方安装了一个新的风机并调试好。那时候是3月。我们的车从城市返回机场的时候，我们车子经过一个由十多米高的浓密的雪墙的峡谷。如果当时来场雪崩，那汽车就会完全被雪埋住不能前行。幸运的是这事情并没有发生。

磁流体动力学（MHD）发电机

我职业生涯提出的最主要的概念是在1955年，当时我每晚都在调试封闭式异步电动机，测量笼型转子的温度。我曾见过710℃熔点的金属达到500℃。如果它融化了……会有什么效果？液态金属的导电性与固态金属一样，意味着传导的电流一样，但是流体可以到处流动！

这表明了电磁泵是可行的。不久，我找到了一个于1929年由L.Szilard和A.Einstein关于该类型泵的专利。然后我又得知在一些核反应堆里使用过这类型的泵（钠冷却快中子增值反应堆）。

如果对于泵可行（对应于发动机），那么对于发电机（对应于汽轮机）也是可行的。我们能否可以使气体也实现相同的导电性呢（将其转变成类似等离子体一类的状态）？这种形式的发电机可能可以替代当前的汽轮机。后者的不足之处是在高温气流下其叶片容易损坏，但是对于磁场来说，高温流体的危害性没那么大。在同一年，即1955年，A.Kantrovitz和E.Resler发表了一个至关重要的观察结果，在极端环境下惰性气体受到冲击波后具有超导的性质。他们将产生这个结果的原因归结为：激波管管壁蒸发汽化和金属蒸汽的低电离势。

在一本手册上，我找到了一些具有最低电离势能的金属（铯和钾），其混合物的导电性估计与添加了少量钾和铯的氩或者氖（具有最小电子碰撞截面）相似。导电性足以适应流动气体的变化强烈的内部磁场。在1959年，我由于发现了最适合电磁气体动力和交流电磁流体动力（MHD）发电机的工质，获得了前苏联创作证（相当于西方国家的专利）。在同一年，A.Kantrovitz发表了一篇关于测试直流MHD发电机的文章，发表在美国的AVCO-Everette公司的刊物上。幸运的是，在同一年，一家研究所在Kharkov厂成立。MHD的实验室于1959年成立，之后的10年一直由我负责管理。该实验室在磁流体动力发电应用方面一直活跃至今。

之后不久，在实验室里，我们已经制造和安装了试验台，一个重达5t的电磁系统和1000kW的等离子管，用于制造4000K的等离子体流。在1961年，我们在磁场中示范了由在一个磁场中的等离子流激励的小电灯泡。一些年之后，开始开发和设计能发出高电压的MHD发电机。在莫斯科，一个经济和科研实力强大的高温研究所已经建立了一个容量为20MW的MHD发电机示范电站。在媒体眼里，该机组被描述为“21世纪的火电厂”。该电磁流动力发电机在流体通道完全损坏前只能运行不到0.5h。不幸的是，对于我们而言，从工程上来说，修复MHD流动通道基本上是不可能的。世界上没有人能够为带有电弧的等离子流体制造稳定的流动通道。世界上包括美国和英国的，都已经取消任何相关的研究。

另一种导电流体，熔融状金属，其运行要求没有那么苛刻。1961年，当S.Koroliov决定开始进行火星载人计划时，我接到命令制造液态金属MHD交流发电机，将一个小型快中子增殖反应堆的核能转化为电能用于电气推进器。该推进器以600℃下钠和钾的混合物作为工质，设计寿命要达到几年。我们（I.Tolmach、L.Dronnik和我）在MHD实验室的一个真空室里对在600℃下能持续运行数小时的5kW发电机进行设计、制造和测试。Baikonur火箭发射中心的首席工程师用手拿起这台机器，要我们相信这台机器足够轻。但是，火星计划被推迟了很长时间。在1966年S.Koroliov去世了，我们梦想的机器只能用于提高拆分技术。

热泵

1970年，我搬到了莫斯科，为一家名为Krjijanovski的研究能量机械的权威研究机构工作。在那里，我得到了全日制博士学位。我试着去分析新型能量技术，包括可再生能源和热核方面的技术。1974年，工业能量研究院邀请我去领导热泵实验室。

当时，世界上有上百万台热泵在运行，特别是在日本。我明白经济性的魅力，合理运用低品位热源非常重要。我们找到了一个在一月份能够维持在15℃的热源——来自于莫斯科通风站的洁净水蒸气。

我们试着用热泵来取代老式低效率、高污染的锅炉房，但是热泵的容量需要从1～3kW提高到10～30MW。在1978年9月，我们组织了一个国际工作室，有10名来自欧洲的主要国家的参加者，我共享了我们关于使用水流作为低温热源的热泵电站（HPS）的计算步骤细节。一些年之后，瑞典大量建造类似的HPS的热泵电站，并带来巨大的经济效益。他们使用价格便宜的水电采暖替代了火电采暖，比消耗一单位电能发出3倍多的热能。在前苏联，我们建造了两座3MW的HPS电站，都在Krimea，在Yalta附近，使用黑海里冬季温度为10℃的水作为冷源。

热经济学

我逐渐意识到定律对于热泵的优势，开始使用概念来检查电力系统。1989年，我获得了国家认证委员会颁发的能源系统及复合的教授资格。从那个时候起，我在前苏联科学院能源研究中心工作。在这个研究所，没有学生，只有科研。我请教了一些权威，作为教授，我应该怎么做。他们告诉我：“你应该给大学的学者讲课。”所以我开了一门课程“能源工程的物理背景”。主要教授矢量流，并开始在大学开了一个研讨会。第一次演讲，我看了下，大概有100个听众，第二次30人，第三次10人。

我向一位经验丰富的同事请教听课人数减少的原因。他解释：“他们更喜欢说教，那比学习容易多了。学习时，你需要听和理解，而说教的时候，你只需要说。”我访问美国杜克大学时，我找到了FrederickSoddy写于1926年的书《财富、虚拟财富和债务》，书里记载了他的平生传记。他试图使用货币来评估货物和服务的物理价值：包括能量。我认为，“能量保存于绝热流中不会被破坏；更是如此。”在Soddy的时代，的概率并没有为世人知晓。1994年，在美国我出版了一本图书名为《能量和成本》（阐述了经济学）。我打算做一个能量经济学计算的模板，同时用来替代货币价值。对于决策者来说，最有趣的处理方法应该是-资本-污染三维结构的最优化配置（帕累托优化法），该书于2000年出版。

零排放技术

在过去几十年里，我试图寻找最好的能源供应方式。我很早就意识到核电的缺陷，切尔诺贝利核电站的事故印证了我的忧虑。

纵观所有的可再生能源，比如太阳能、风能和潮汐能，我知道它们在某些方面有它们的优势，但是，就算全部考虑在内，也不能满足下个世纪世界能源的需求。使用化石燃料依旧是最现实的途径。罗马俱乐部在1972年预计世界范围内，石油的消耗将在1995年达到峰值然后下降，很显然是错误的，现在所有的预测都认为化石燃料的使用量会直线上升，尤其是天然气。最现实的问题是使用化石燃料排放二氧化碳引起的温室效应。

在争论了若干年后，全球变暖是一个现实存在的问题，洪水和干旱也印证了这些问题。在明确了问题之后，就要考虑怎样解决这些问题。我准备用我余下的生命时间来研究这个问题。在1991年，我被特许在日内瓦世界洁净能源大会上做了题为《无废气排放的燃烧化石燃料电厂热力学分析》的报告。我研究了一些新的方法：入口空气分离、气体燃料与氧气和蒸汽混燃、三级膨胀蒸汽轮机、冷却水再循环、二氧化碳分离与封存。5年后，一个设在美国的隶属于德国的火箭工程小组的部分成员申请了一项专利，他们建立了洁净能源系统股份有限公司。现在在美国的萨克拉门托洲，他们准备一个小型试验单元用于证实这个系统。

该电站有个很重要的问题，哪一部分属于零排放技术，答案是生产氧气的部分。我和三个小组的同事开始对这些能量循环进行计算。这个概念电站明显的缺点是需要一个深冷的空气分离单元。而空气分离是一项很成熟的技术，但是需要很高的成本并且消耗大量能量。

最近，我和我的同事J.Gorski、B.Smyth和J.tenElshof发展了一个新的可能性方式：使用离子分离膜生产氧气。这个新的循环命名为ZEITMOP。一篇关于该方面的论文已经发表在柏林的ECOS2002大会和在美国华盛顿的碳捕获会议上。这是一种很有前景的循环：其进一步的发展和在膜式管内的相关燃烧试验将会是DIT研究所等较合适的研究课题。

移民

从1990年以来，我经常应邀到美国和欧洲讲学（麻省理工学院、田纳西科学大学、迈阿密大学、佛罗里达大学、杜克大学、维斯特大学、特隆赫姆大学、南希大学、乌德勒支大学），主要是有关经济学和零排放电站的讲座。

1994年，位于莫斯科的实验室因为缺少资金发放薪水而产生了一次危机事件。对于我有很多谣传：我在外国赚来的美元中游泳，可以不用领工资生活。我被迫申请休假，1995年，我不等进行下一步研究就带着我的妻子移民到德国。在德国，我靠一点退休金也能过得相当安逸。有时候，我兼任客座教授（列日大学，1997～1998）。

现在我的讲座要结束了。从我的教学实践过程中，我领悟到：学生不应该是被填充的水壶而应该是被点燃的火炬。我尊敬的同行们，未来的机械工程师们，还有未来其他学科的工程师们，我会尽我的全力来点燃你们。你们可千万别太湿了以致点不着。