转载：19世纪风帆战舰上的“新技术”（七）
此文转载自核动力爱胖达老师的微博，近期我们会推出一系列核动力爱胖达老师微博里关于帆船的系列文章，在此特别感谢胖达老师的无私奉献！！
螺旋桨蒸汽风帆战列舰
题图：法国蒸汽风帆战列舰，不认识是啥，船尾两个天使可能有辨识度。。。
接前文：http://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404025344070938117
对待蒸汽这件事情上，今天看来，当时英国海军决策部门的态度是保守甚至倒退的。比如当时民间已经可以建造“大不列颠”（SS Great Britain）、“大西方”（SS Great Western）、“大东方”（SS Great Eastern）这样的巨型蒸汽动力铁船；但是海军就是拒绝接受铁造船体，也不尝试建造如此巨大的蒸汽动力战舰——当然了大不意味着性能就高，前文的介绍也看得出来当时技术还很不成熟。
上图：1840到1850年代英国民用造船的宏伟大作、布鲁诺的三艘大铁船，自上而下是大不列颠、大西方、大东方。
今人眼中，英国海军部的这种态度简直令人发指，因为我们知道这蒸汽技术未来将改变世界，尤其将改变海战与海军的形态，而英国完全是一个依赖世界海洋霸权攫取商业利益的岛国；在这样事关国运的大事上，竟然作壁上观，这似乎是文恬武嬉，坐等被对手超越——毕竟在今天人们的印象里，“两弹一星”、航空航天工业这些事关国家战略的重要技术，都是在国家全力支撑下才能够发展的。
不过当年的实际情况跟二战以后的核工业、空天宇航事业有很大不同。这些二战以后的超级系统工程，极其复杂，所以必须国家有序地组织大量人力物力才能在合理的时间、金钱成本范围内完成整个技术体系的发展；而19世纪方兴未艾的“科学技术”还很简易，大学实验室里的物理化学生物实验，一个人就能完成，工作间里的各种活计，一个工程师带着徒弟就能搞定——直到20世纪初动力飞机还是卖自行车的莱特兄弟俩完成的（当然当时自行车行就相当于今天的4S店）。所以19世纪初的蒸汽动力探索，在工程师个人的努力和民间资本的支持下完全可以进行。
作为理智和负责人的政治决策者，一般都会选择最稳健、经济的发展途径，既然民间能来官方当然乐得省钱了。第一：花钱太多但事倍功半就会被政敌抓住小辫子。当时英国是代议制政治游戏，辉格-托利两党轮流坐庄，执政党时刻在在野党的恶意监督下被鸡蛋里挑骨头，如履薄冰。而资本主义社会市场经济之下，任何管理者，包括海军部的决策者，都明白私人项目更省钱——因为他花的是自个的钱，等私人发展差不多了国家跳出来收买，花最少的钱、办最漂亮的事，政敌还抓不住破绽，岂不美哉？第二：私人项目虽然省钱，但可能都筹措不到足够基金支持，结果造成技术发展缓慢，不过这对英国海军并不是一件坏事。首先，当时英国霸主地位已定，没有危险的国际战略环境，对于新技术的要求没有时间紧迫性。其次，新技术发展，英国恐成最大输家，因为英国霸权完全建立在过去150年的风帆战舰之上。当时蒸汽技术工业水平最高的就是英国自己，法国和欧陆各国都很大程度上依赖英国的蒸汽机、锅炉来发展本国蒸汽船舶。如果海军部再热情昂扬，大力推进蒸汽机的发展，倘若发展成功，那么英国所保有的世界最大风帆舰队就将过时——搬起石头砸自己的脚；发展不成功，徒费国帑，朝野上下连带泰晤士报一波高过一波口诛笔伐。因此从全局考虑当时英国海军部一不做第一个吃螃蟹的，二不希望蒸汽发展起来，他们一致看法“蒸汽取代不了风帆，只是补充”，而前一节介绍的明轮印证了这一点，老爷子们很开心。
从技术上讲，民用船舶先试验蒸汽机也比较合理。刚开始蒸汽机的锅炉、飞轮等等组件很不可靠，航线比较固定的民用船舶适合作为技术实践的平台。民船一出航，锅炉烧起来、一路开着蒸汽机即可，利于稳定工作；但战舰没有航线，遇到不良天候可能还不能够进港规避，蒸汽机总需要依照天候、海况时开时关，很快就坏了。
对于蒸汽明轮海军是三心二意，但对于螺旋桨，态度就好很多——因为在海军部的老爷子们看来，螺旋桨有潜力作为风帆战列舰的补充：
布置在水下的螺旋桨，不干扰舷侧火力的发扬。海军老人们抱残守缺的心中，蒸汽螺旋桨是理想的辅助动力。到1850年，螺旋桨推进实质上已经发展成熟，即可以单独将战舰推进到“很高”的航速，在当时看就是10节以上，只是因为蒸汽机耗煤量大，英国战舰又全都需要全球部署，所以才离不开风帆。但直到此时，海军部内对于螺旋桨“辅助”的预期还只有5、6节，他们就满意了，不能抢了风帆的台，老爷子们就要不开心啦。于是当1739年，天才的瑞典工程师约翰·埃里克森用“阿基米德”号首次验证螺旋桨的时候，虽然这船航速才七节半，远低于当时明轮的10节+，但是海军部表示了接洽的兴趣。
埃里克森的内河铁甲炮舰“Monitor”，在设计上显示出一些革命性，被美国人尊为世界现代战舰的鼻祖——战舰是在海里战，浅水炮艇算哪门子战舰？而且工艺完全不能和英国比。
海军部对并不出色的阿基米德号作正面评价，也因为这船的船体不是为了螺旋桨而优化的细长、流线型船体。当时风帆战舰都是长宽比不到4:1的肥硕身躯，阿基米德号在海军眼中正体现了为了战舰战斗力而稍稍牺牲螺旋桨机动性这种复合他们口味做法——战舰不是明轮快船。
不过海军内部还是有专业人士对于螺旋桨发难，这就是时任海军造舰总监（Surveyor of the Navy）的威廉·席梦思（William Symonds），前文赛宾斯（http://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404021717294016537&mod=zwenzhang）的继任者。
Sir William Symonds
说他是“专业”也是亏心，因为他本不是赛宾斯那样从小船厂学徒科班出身，而是半路出家的游艇设计爱好者，设计了几艘快速性较好的游艇，在高层获得了赏识并通过这种裙带关系上任，于是立志用游艇的风格设计战舰。在那个还没有水动力试验的年代，离经叛道、藐视既往经验教训，往往意味着设计出的战舰性能可能存在很大问题，于是饱受诟病。
上图是席梦思的“前卫”级三等战列舰，非常前卫，水下采用游艇般的纤瘦船体，虽然顺风航速很快，但是侧风不稳定，大幅度摇晃，摇晃消耗了风推力，所以侧风航速慢，而且摇晃令操炮困难。
但这个总算有设计经验的总设计师要站在传统帆船的立场上，对螺旋桨发难了。
上图是埃里克森“阿基米德”号的螺旋桨，可见在船艉舵（红色标注）的后面。西蒙斯指出这样会干扰艉舵附近的水流，操舵不灵，因为当时明轮船上，大轮子比较靠近船后部的时候就出现了这种尾流干扰的问题。阿基米德号果然印证了这一点。这是因为阿基米德号仍然是帆船的操舵模式，席梦思和时人也只认识帆船，自然觉得螺旋桨是一种干扰。
如图是胖达我的灵魂手绘，一艘帆船的船体和她的艉舵，就相当于飞机的机翼和襟翼的关系。当打舵时，从船体流向尾部的水流（蓝色）在“襟翼”两面流速不同，产生侧压力（红箭头），于是船头跟着转动。螺旋桨搅扰了这水流当然就破坏了操舵性能。
针对这个问题，埃里克森等工程师很快开发出了下图这样今天很常见的布局。
法国铁甲护卫舰（Armored Corvette）船尾。这种从埃里克森那个时代延续至今，螺旋桨艉舵前后串列的布局一般叫“桨后舵”。这样螺旋桨主动制造水流，艉舵就成了一个独立的翼面。所以，今天的船舶航速为零，螺旋桨制造水流，舵就可以使用，但是帆船航速为零，艉舵附近没有水流，舵失效。
不过由于那个时代蒸汽机耗煤量吞江吸海，战舰还离不开风帆，所以都是机帆并用，于是设计了可提升收折的螺旋桨，如下图（模型缺少艉舵，胖达我手绘补充）。
风帆航行时把螺旋桨提到水面上，减少阻力，英美特别喜欢这样搞。于是问题就来了，这时候作为一艘帆船，艉舵前有一个贯通左右的打开口，对照前面手绘示意图，可见水流将左右交流，破坏操舵性能——到了第一代铁甲舰上这个问题仍然很突出。
螺旋桨必然破坏风帆船操作性。
螺旋桨要工作，就要加长船体，船尾更加纤细，以让水流更加流畅地到达螺旋桨。对于加长船体席梦思也极力反对，越长的船转弯半径越大——这还是风帆时代的老思路。
为什么帆船特别强调转向性呢？因为帆船不能顶风航行，要想朝上风航行（Working to Windward）就必须连续“之航”——风帆战舰除了顺风航行，最小能和风向夹60多度角“逆风”航行，于是风帆战舰想要朝上风某个目标靠近，就要像下图灵魂手绘一样：
显然红色的直航部分速度没法提高，只有蓝色转向部分转向速度快，战舰朝上风航行能力才能更强。当时长宽比不到4:1、航速不足10节的风帆战舰，跟今天7:1以上、航速20节+的船舶相比，转向性能要好很多。
但这就是席梦思脑子固住了——风帆船强调转向性能是为了应对逆风航行，可是现在有螺旋桨了，可以动力逆风航行了！所以战舰尽可以加长船体，逆风靠螺旋桨行进，而加长的船体也提高了顺风时候风力推进的快速性，顺风逆风都没问题，于是1850年后的风帆蒸汽战列舰都比之前的战列舰长7到10米，从60米上下长到至少70米长。
1839年埃里克森“阿基米德”号的螺旋桨首试水之后，海军和民间同时开始了放大尝试，海军建造了“响尾蛇”号，该舰和明轮炮舰别开生面的“拔河赛”在儿童读物如《中国少年儿童百科全书》就出现过，When I was young…
可见海军的初期测试舰还是很小、很节制的，不能浪费经费。
民间这边对“阿基米德”号就不太满意了，因为他们眼中螺旋桨和明轮一样，必将替代风帆，阿基米德号动力不足、船体造型不合理。
于是民间的试验品就大得惊人了，这就是“大不列颠”号（SS Great Britain），如下图。
1840年开工建造的大不列颠号排水量3600多吨，长近百米，航速10到11节，象征那个时代英国遥遥领先世界的民用钢铁、蒸汽技术。（舷侧炮门都是画上去的，18世纪商船是为了唬人，19世纪当时就是承袭传统，作为一种“涂装”，今天的现代帆船也常常效仿。）
除了前文的桨后舵和加长船体，螺旋桨推进另一个重要进步也可以就着上图品味。上面这张剖视图可见蒸汽机与飞轮，如下面放大局部：
可见大不列颠号上原始的蒸汽机就是把前一节介绍的明轮蒸汽机转90度横过来装，让大飞轮间接驱动螺旋桨轴，这样的“立式”蒸汽机就仍然很高大，放在战舰上还是干扰炮甲板操作、影响蒸汽机生存性。于是1844年当时的民用螺旋桨推进领域开发出了卧式蒸汽机，如下图1848年的英国蒸汽螺旋桨巡航舰内构所示：
HMS Amphion，蒸汽机和锅炉完全在底舱里，一前一后，中间是大烟囱。
这是因为取消了飞轮，让蒸汽机活塞气缸直接驱动曲轴。瓦特那么天才的工程师，会想不到么？当然不是因为想不到，而是做不到，早年的铁材料还没那么高强度，制造的曲轴不能直接承受活塞气缸的往复推拉。
卧式蒸汽机、螺旋桨-艉舵前后布置、加长船体，到了1847年，万事俱备只欠东风，谁去给英国发展新装备的一个战略需要呢？当然是宿敌法国，到1845年，拿破仑III染指北非，吞并阿尔及利亚，勾勒出谋求近东的战略新构图，顿时英吉利海峡战云密布，英法双方都开始建造蒸汽风帆战舰，即只靠蒸汽就能在静水中跑出10节以上航速的战舰，而不是海军部一直构想的螺旋桨辅助动力。当时无论风帆、明轮还是螺旋桨12、13节就是大小船只的最高航速了，所以这些战舰在当时，完全是“蒸汽风帆战舰”（Steam ship-of-the-line），而不是蒸汽辅助。
第一口吃螃蟹的是法国人，拿破仑级大型蒸汽风帆战列舰，统共造了10艘，法国人说能跑到13节，但是英国人表示怀疑，一来因为法国机器没有英国好，甚至还用英国货，而来因为英国人后来建造的大型巡航舰也刚刚能挑战这一航速。
拿破仑号雄姿，1847年开始计划，1851年服役。
同期，英国设计制造了阿伽门农级蒸汽风帆战列舰，如下面的珍贵历史照片
HMS Agamemnon，排水量4600吨，蒸汽航速11节。
阿伽门农级“詹姆斯·瓦特”号。
这蒸汽风帆战舰的军备竞赛，赢家还是英国。从巡航舰到三层甲板战列舰，英国建造了18艘、改装了41艘战舰；法国10，28。欧洲其它二流海军都没有尝试过建造蒸汽舰队挑战这两个老牌海军强国。它们的机械主要靠从英国进口，兼顾本国自主研发，沙俄则完全没有自主发展，完全靠进口。美国坚持独立自主发展，但主要在民用，海军极其萎缩，因为没有大海军的战略形势。
这样就结束了1815~1860年，最后的风帆舰队。大型化的船体、统一大口径的主炮群和如虎添翼的螺旋桨推进，但为了榨干风帆战列舰这成熟体系的最后一点资源，人们绞尽了脑汁。且看19世纪风帆战舰“新技术”最后一回：炮座（Gun Mounting）的改良。