转载：19世纪风帆战舰上的“新技术”（二）
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！！
火力倍增的新战舰。
题图：现存法国凡尔赛宫的一艘胖达我也不认识、两层甲板战舰的场景模型——模型背后有一副油画从网上可以找到现存凡尔赛宫。这战舰是典型的19世纪30~50年代造型。
接前文：http://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404022838192421533#_0 第一次工业革命近水楼台先得月的就是欧美各国最重要的国家战略装备，即主力舰们，在19世纪上半叶，她们就是多层甲板的风帆战列舰。
冰冻三尺非一日之寒，19世纪初工业革命的勃兴，也不是旱地拔葱一蹦3丈高。蒸汽机其实从17世纪康熙年间就开始研究了，瓦特也是在17世纪末、18世纪初的纽可门蒸汽机这种只能矿井抽水的“概念机”上发展出来的。同样，19世纪60年代以后铁甲舰上的线膛炮、后膛装填、锥形炮弹等等，也不是当时突然就出现的，它们的理论和实践基础也是从18世纪，也就是乾隆年间就开始了积累：
18世纪中叶，现代弹道学初步建立；
18世纪后期，钻膛技术使火炮的炮管与弹丸更加严丝合缝，于是诞生了近战大杀器“卡隆炮（Carronade）”，并被英国人发挥到极致；
到1830年，卡隆炮的发展最终导致了风帆战舰火炮口径的统一；
1830年代末到1840年，比传统32磅加农炮更重型的68磅海军加农炮开始列装，其中有的型号能发射爆破弹（Shell）。最后既能发射实心弹丸又能发射爆破弹的8in/68磅加农炮在1850年代成为蒸汽风帆战列舰的主炮。
首先，英国的本杰明·罗宾斯（Benjamin Robins）“现代弹道学之父”总结他前半生的研究结果，于1742年出版了《炮术新说》（New Principle of Gunnery）。
这本科学原典的1805年再版
罗宾的研究方法简单而巧妙。
为了研究弹丸在空气中如何飞行，他就竖立一排纸屏风，步枪朝着屏风射击，铅弹穿过每个屏风的位置和纸撕裂的方向就能记录弹丸飞行的轨迹，他把这叫做“外弹道”（External Trajectory）；
同时，通过截短和砸弯步枪的枪管，又能够推测弹丸在枪膛内如何运动，他称这为“内弹道”（Internal Trajectory）；
为了测量弹丸的出膛速度，他发明了“冲击摆”（Ballistic Pendulum），如下图。
他的研究得到以下几点主要结论：
1）因为前膛炮从炮口装填的需要，弹丸比炮膛内径小，两者之间存在“游隙（windage）”，于是弹丸发射时在炮膛内一边乱撞着一边前进，出膛时到底朝哪边飞是很没准的事；
2）球形弹丸在空气中飞行会受到空气阻力，结果是在不停地翻滚着前进，结果炮弹飞得又近、又不准。
以他的研究为基础，当时的铸炮和炮术人员通过实验找到了未来火炮发展的方向：1）炮弹与内膛之间更加严丝合缝，减少“游隙”，这样既能减少火药爆燃气体的泄露，提高射程，又能提高准确性；2）锥形炮弹空气动力学远比当时圆形的合理，不容易翻滚于是飞得就会更远；3）内膛刻上膛线，使炮弹自旋，射击准确度将大大提高。4）后膛装填必将取代前膛装填。后三项在成本和技术上受到限制，直到19世纪中叶才开始现实，前一项则和钻膛技术（http://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404018836851529820&mod=zwenzhang ）结合起来促成了18世纪后期大口径短重炮“卡隆炮”（Carronade）的出现、英国的海上战术制霸。
上图，一门典型的卡隆炮及炮架。炮尾环里应该插一个调节俯仰的大螺杆，胖达我自己手绘上了。
卡隆炮也有大小不同的各种型号，发射18、24、32、68磅各种大小的弹丸。最大号的就是如下图胜利号的艏楼（Fore Castle）露天炮位上68磅大卡隆炮，近战中横扫一切。
上图这种大口径（8英寸，206毫米）实际列装还是很少，当时海军普遍列装的最大号卡隆炮还是32磅卡隆炮。于是，当1815年战争终于结束，四海归于和平，英国海军上下总结战时的经验，就自然开始意识到如下的情况：
1）32磅卡隆炮 （Carronade） 可以在几十米的近战距离内发射一颗32磅球形弹丸，这是当时最重型海军32磅加农炮的弹丸。
2）3吨多重的32磅加农炮（Cannon，当时海军就简单称为'Gun'——因为英国海军不用陆军那样的榴弹炮'Howitzer'）则可以在200到300米的、当时的“远程”炮战中发射32磅弹丸；这弹丸携带的动能，使它足以击穿对方战舰水线处的、全船厚度最大的船壳。
于是问题来了——其它火炮还有什么用？
胜利号下层甲板32磅（前景大管子就是独立展示的32磅），中、24，上、12
24磅加农炮，32磅跟它比起来大不了太多——长度一样
上图，胜利号上甲板（Upper Deck）上的12磅炮，甲板层高不足两米，约可以看出这炮比前面24磅炮小很多。炮前方是病床（Sick Berth），专门用于隔离看护生病的水手，他们可以喝开水，其他人只有生水勾兑朗姆酒（为了消毒杀菌）伺候。。。
这些24、12磅炮，经过罗宾斯的弹道学研究，缺点暴露无遗：
1）这些弹丸比32磅弹丸小，本身打击力就差，所以近战的时候跟32磅卡隆炮发射的低速重弹相比没有明显优势——卡隆炮的低速弹丸因为速度低，甚至更容易制造破片杀伤敌方船员（http://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404018836851529820&mod=zwenzhang）。
2）射程赶不上32磅加农炮，且弹丸“存速性”也差，能够有效打击敌舰的“末端动能”不足。这是因为弹丸都受到空气阻力，损耗其出膛时的动能，即弹丸的打击能力。空气阻力跟弹丸迎风面积成正比，也就是球形弹丸直径的平方；它的动能则和弹丸重量成正比，也就是球形弹直径的立方。所以炮弹越重，动能越大，飞得越远；击中敌舰时不仅弹丸重量大、打击力大，而且飞行时被空气阻力损耗的打击力也小。
于是早在1805年，拿破仑战争还剩10年的时候，当时英国海军就有军官提出了统一口径火炮的概念，铸造了比卡隆炮长而沉重，但是比标准加农炮短而轻的中短炮。这种短24磅加农炮长度只有一米九（加农炮长度的具体含义留待胖达日后分解），重1.6吨；而标准的24磅炮长近3米，重近2.4吨。这样，很多老旧的、1860年代建造的64炮战列舰就可以将上层甲板的12磅炮换成24磅，但是不至于超重和重心过高，成为统一24磅炮的战舰。
伦敦科学博物馆里的1775年的64炮三等战列舰，下层炮甲板24磅、上层12磅。
到了战争结束后，1820年代开始，新老战舰陆续按照类似的思路进行换装，主要是换装成统一的32磅炮。当时英国32磅加农炮大致有长、中、短三大类；中、短炮各有2到3种不同规格。最短的短炮也比卡隆炮长，所以分类上仍然称为'Gun'，即加农炮（Cannon），而不是卡隆炮（Carronade）。
原本的长炮：长2.9米，重2.8吨（似乎有一种稍微轻量化的压型）；
中炮：长2.4米，重约2吨——但有很多规格，重量各有不同；
短炮：长1.8米，重约1.3吨（同中炮）。
换装情况超复杂，大体上：
1）74炮改50炮重型巡航舰，长-中32磅
1805年特拉法尔加大战法国失败后开始重建，英国为了对抗，开始建造总共40多艘的“无敌舰队”级（Armada Class）74炮战列舰——绝对是人类历史上同级姊妹舰数量最多的一级主力舰，不让今天美帝的伯克级防空驱逐舰，如果今天的驱逐舰算主力舰的话。然而过了10年，74炮战列舰这种18世纪末兴盛的主力舰，在1815的英国海军里年已经落伍。英国在1815年后几乎可以说没再新设计和建造过74炮，只是将1805年开始的无敌舰队级继续建造下去而已。这些战舰中有的仍然按照18世纪的32-18-9磅炮混搭，比如第一次鸦片战争时来华的东印度孟买建造的卫斯理（威利士里HMS Wellesley）和皋华丽（HMS Cornwallis）两艘战舰74炮战列舰。
这破模型除了转桁索（Brace）不符合1830年代以后的形制外，其他都还不错。这船还按照18世纪末的安排，下层甲板32磅长加农炮，上层甲板18磅长炮，露天卡隆炮。
而很多老74则削甲板（Razee）成50炮重型巡航舰（Heavy Frigate），这种船炮甲板搭载32磅长炮，露天32磅短炮。
2）80~90炮两层甲板二级舰，长-中-短32磅
这些船代替了18世纪末的74炮战列舰成了19世纪初舰队的“生力军”，根据胖达之前的分析（http://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404019551896504193&mod=zwenzhang ），这种大型双层甲板舰具有最合理的船体比例，所以综合性能最高。这些船的来源构成极其复杂，有的是1780年代仿照法国建造的大型80炮战舰，也有1820年代以来采用赛宾斯体系建造的两层甲板、重火力、高航速的“超级战舰”——这正说明了这种设计的合理性和巨大改装潜力。这种80炮两层甲板长船的概念是法国人于18世纪60年代最先提出和实践的。
上图，1803年法国布森陶（Bucentaure）80炮，拿破仑全战、Naval Action等游戏当中都是最棒的两层甲板战列舰。
HMS Albion，1830年代、终极的两层甲板90炮纯风帆战列舰。
不管是1780年代设计的还是1830年代设计的，这些船到了1820年代以后，都是统一的32磅炮，下层炮甲板长炮，上层中炮，露天短炮，这些炮群中间搭配少量8英寸/68磅炮，如下面一级舰的情况。
3）110~130炮一级舰，新人新办法，老人老办法
18世纪末到1815年前建造的大量110炮、120炮一级舰，总数有10多艘之多，大部分都保留了过去32-24-12-12/9（下甲板、中甲板、上甲板、露天）的旧模式。只有少数在1830、1840年代换装成统一32磅——因为这些船基本不再活跃服役，大部分改了医院船、接兵站等杂役趸船（Hulk）。
1815年以后新造的战舰，直到最后的1850年代蒸汽风帆战舰，基本上都是下层甲板和中层甲板搭载长炮、上层甲板中炮、上层甲板短炮。这些32磅炮群中间夹杂少数68磅8英寸的大口径炮，开始是68磅卡隆炮——即前文胜利号艏楼上的卡隆炮。
上图，1817年之后设计，1841年才造好、下水的特拉法尔加号，这种早期型设计，三层炮甲板每层都带一对68磅卡隆炮，我猜是在船头第二个炮门——第一个空着。其它都是长中短32磅炮。
1830年后的新设计，32磅炮群夹杂8寸爆破弹/68磅实弹通用加农炮。
1830年代设计、1850年代加装蒸汽动力的“威灵顿公爵”号，下层、中层炮甲板的首尾附近的炮位为1~2门8寸爆破弹/68磅实弹通用加农炮。其它全是长中短32磅炮。
到了1850年蒸汽辅助动力时代，这种通用加农炮取代32磅长炮成了一级舰的主炮。
1850年代设计的蒸汽风帆战列舰维多利亚号和哈维号，下面两层炮甲板全是8寸爆破弹/68磅实弹通用加农炮，上层炮甲板是32磅中炮、露天32磅短炮。
这就是英国统一口径32磅炮的大体情况，关于法国与美国的情况，以来胖达我又懒得翻美国的目录年鉴，二来胖达我又不认识法文，所以就没啥讲得了，只是有一下两宗情况：
1）统一32磅是从美国开始，美国的俄亥俄号访问英国让英国人精神受了刺激；
2）1830年前后英国情报人员搞到一份法国海军内部材料，是一个军官上书建言，倡议制造全30磅、全36磅大型巡航舰，碾压英国战列舰，全球破交战——100年前路易十四时代的敦刻尔克私掠船好像又要付出水面，正像100年后两次差点扼杀英格兰孤岛的潜艇狼群。
这些海外新动向似乎也是促使英国32磅统一炮的重要因素。