19世纪风帆战舰的结构难题（一）

木料造船的难题

题图：十八世纪中叶皇家乔治号船体模型油画。皇家乔治号是胜利号之前最后一代因循造船章程的“旧”一等战舰。

接前文：http://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404019551896504193&mod=zwenzhang

19世纪初，战舰向大型化发展。同样数量的火炮，放在越长、层数越少的甲板上，战舰综合性能越高。18世纪末三层甲板的90炮二等战列舰，最高一层炮只能是12磅炮；19世纪中期两层甲板的90炮二等战列舰，相当于把最高第三层甲板的12磅轻炮全换成了两层甲板上的32磅主炮（炮管长度不同）；这更大更长的战舰快速性、适航性更是18世纪末战舰不能比拟的，当然造价也不能同日而语。发展到极致就是类似下图。

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上图是法兰西蒸汽辅助动力战列舰拿破仑号，舷侧炮门20个，也就是两层甲板的100+炮战列舰。这是蒸汽动力首次运用于海军主力舰，在此之前只有图中右侧中景的明轮蒸汽巡航舰，带有试验性质。这就是19世纪50年代法国占得技术先机并希望以此挑战乃至颠覆英国海上霸权的一次尝试，此后10年1860年代的铁甲舰、1870到1880年代的撞击舰与鱼雷艇等等，都是法国最先提倡，希望以新技术优势挑战英国完备工业技术体系整体效率的例子，当然最后都不幸归于失败。

为了能将木头战舰造到上图拿破仑号那样60多米的“极限”程度，19世纪英法两国发展出新的造船技术，以最大限度利用木材的特性，几乎将木材这种材料的能力发挥到极致。

那么木头用于建造船舶，有哪些缺点限制了舰体的加长，必须克服呢？

和钢铁比起来木材自然是差劲得多的结构材料，1）强度低，2）构件之间不容易连接。这两个因素合起来让木头战舰不能造得太长。

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上图是1665年英国斯图尔特复辟时期的一等战列舰全肋骨“海军部”模型，短粗的三层舰体与前面纤瘦的拿破仑号形成对比。

木头强度远不如钢铁，这似乎是日常经验，筷子可以撅断，不锈钢勺子只能通过不停快速摩挲勺子的把来让它升温变软后再反复弯折、金属疲劳而弯曲（这种魔术甚至“气功”表演比比皆是）。

首先，在受力的时候，譬如船舶摇摆、升沉、大浪拍击船体侧，木造船舶的木头结构更容易发生形变。任何材料，受力不大，就只是暂时形变，外力撤去后还能弹回去，这就是弹性形变，比如大雪压弯松枝；如果突然很大的受力，或者长期不撤去的“荷载”，材料变形回不去了，甚至材料抵抗不住外力而产生裂痕。前者就是”塑性形变”，比如交通事故汽车外壳变形，后者材料就算完全废了，比如泰坦尼克号最后断成两截。和钢筋铁骨的现代船舶相比，帆船船体受力形变的程度明显得多。举个例子，比如在大浪中使船，舰面大舱口的舱口盖都必须用木楔子甚至钉子固定好，否则，当大浪拍击船体，特别是拍击舷侧的时候，船就像被一只大手捏紧的气球，里面的空气只能循着大舱口往外冲，能够把没有固定的舱盖冲飞。

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上图是19世纪30年代末代英国东印度商船（英国东印度公司这个垄断企业在1835年终于解散），舰面可见三个舱口盖，在大浪里遭受拍击的时候，就像刚装了开水的暖壶，盖子必须盖严，否则被空气冲开。（本图感谢一位香港网友拍摄当地某博物馆照片）

木头强度低还意味着，承载越大的载重，木料就需要越粗大。然而，首先，到19世纪初，英法已经造了150多年的大型帆船，天然大型木料很难找到；其次，粗大的木料自重也更大，于是越粗大的木头承重效率也越低，最后单纯自己的重量恐怕就把自己压弯了。比如1860年到1870年间的英国铁甲舰，有全新打造的铸铁铁甲舰（钢要等到1880年代），和旧木头战列舰改装的木体铁甲舰。后者木头结构的船体自重和载重几乎一样，而前者铁船体的自重比载重轻数百吨，这差值就能更好地分配在装甲防护和蒸汽动力系统中。

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胖达我喜爱的旧帆船改造木体铁甲舰，1862年的皇家橡树号。

木头构件之间彼此不易连接，所谓“连接”就是需要一个木头构件的受力能够传递到另一个上面，这样船体结构才能成为真正连贯的一个整体，所有应力都能尽量平均，不至于让局部某些结构快速疲劳、断裂。直到二战前，人类主要的钢铁造船技术都还是用铆钉，如下图。

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铁甲舰上的铁船壳的铆接（刘煊赫先生的图，甲图是铆接铁板的捻缝防水。）

这样虽然不能完全水密，比不了焊接，但是两张船壳板就像变成一个结构一样，能够传递应力，在钢材的脆变温度以下，甚至裂痕都能跨过铆接部位传递到相邻钢板上去——泰坦尼克号断成两截就是因为水温太低，船体脆变的裂痕又能够能过铆接的界面长距离传递。

钢铁的船体风浪中受力形变又小、各个构件又能连贯成受力的整体。这两点上木头都做不到。木头根本没法像钢铁那样彼此连接。

钢铁是金属碳合金物质的一种结晶样的状态，它里面在宏观上是完全连贯的，只有显微视野下才能看到各种不同形态的生长结构，这些结构决定钢铁的宏观机械、传导性能等等。比如形成“奥氏体”这种胖达根本不知道是啥玩意的微观结构的钢材就不会像泰坦尼克号的钢板一样低温下突然变脆，产生宏观裂痕。木头就不同了，肉眼可见贯通材料的纹理——“年轮”。木头就像牛肉一样，是许多木质部纤维平行排列成的，这些纤维彼此之间的连接强度，远远赶不上一根纤维内部，所以说“劈柴不照着纹，累死劈柴人”。这样钉子钉进木料里，原本就是破坏了木材结构的连贯性，而钉子对木料的紧固压力，也只能波及钉子附近小范围内的木质纤维，更远处的只好旁观，因为它们彼此之间没有钢铁显微结构那样的紧密连接。

钉子如何固定木料呢？

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固定办法就像这张让人瞧着头皮发麻的图片一样。这是一幅战舰舰首结构纵剖图。各种拼接在一起的木料都用实线勾勒出轮廓，许多大通条，从大致垂直于木料走向的方向，把好几层木料打穿，这就是木料的固定。所用的就是锻铁打造的铆钉。跟今天一提“铆钉”想到的螺纹钉不同，当时虽然也能手工攻丝，但是成本太高，所以铆钉就是大通条。

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上图，手工攻丝，左边是两个握把，中间插入需要攻丝的铁棍，转动握把，似乎就可以把铁棍搞成右边样子。

具体木材铆接工艺不久之后介绍。总之两个木构件、甚至数个木构件被一根铆钉紧固在一起。这时如果战舰是在风浪中航行，那么船体就会承受应力，各个构件受力就会发生弹性扭转、弯曲。比如像下图，战舰在风浪中横倾，右侧那边的大炮和上层结构件全部都要压到水线下的船体上去，左侧迎风一边的大炮和上层船体构件却有相互间拉散开的趋势。

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这样，受力形变的木头构件之间，就把紧固它们的铆钉来回拉扯、错动。木料很粗大，铆钉为了不破坏木料整体结构只能细很多，这样整个木料拉扯铆钉产生的压力，全部集中在铆钉附近的木料中，很快这些木质纤维就被铆钉压迫变形，铆钉的钉子孔就疏松、扩大了。这样木料之间就能够相互错动。这种海上波涛中承受应力、木材形变、钉子活动导致的木料松动和相互错动，英语里学名“working”。胖达我就叫错动吧，很好理解。

这错动有多大呢？一个19世纪后期累积资历官至上将的英国老头回忆，他年轻的时候当海军侍应生，那还是在帆船上。船在海里摇晃，比如左舷摇到上图迎风的位置、高高扬起，甲板横梁和甲板下支撑肘之间“张开大嘴”，他们趁机塞进去许多榛子，等到摇晃到上图背风位置，甲板横梁和支撑肘“闭嘴”就能磕碎坚果。下图是胜利号上的甲板下结构，都漆成白色增加室内亮度。黑色大炮左手边就是甲板过梁下面支撑肘，头顶可见各种纵横梁。

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可以说，木料构造的整个战舰（如下图），就是数百个结构件在有限的上千个点上做了局部固定。

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这样看起来不太牢靠的结构，首先会在风浪中各种松动；其次整体上存在一个很大的问题，也就是整个船体变形的问题，这是始终困扰风帆时代工匠与设计师的问题，限制了风帆战舰的最大长度。下回结合风帆战舰的总体结构布局，追忆下风帆战舰船体结构会受到的种种磨难。