19世纪风帆战舰的结构难题（二）

核动力爱胖达09.16 10:53阅读7502船体结构遭受的种种磨难题图：1765年胜利号预备下水（看不清首像，也可能是18世纪70、80年代的其它一等战列舰。）。接前文：http://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404019924652660408&mod=zwenzhang木头结构在风浪中受力变形、钉子松动，最后船体的木头构件相互错动（Working）。这种现象再加上战舰总体结构的特点，最后导致了船体整个的变形。这就成了始终困扰工匠、让战舰无法造得长度很长的原因。首先，战舰的总体结构是什么样的？imgLoading

战舰肋骨结构（右舷），为了显示肋骨排列，每隔一副肋骨就锯掉一副肋骨。如上图，战舰就是一根笔直的龙骨上横向固定很多很多副肋骨，肋骨内外再纵向固定很多很多条内外壳，如下图。imgLoading

上图，战舰肋骨-船壳结构（左舷），上层可见还没包裹船壳的密距肋骨，下方是一条条粗细不一的各色船壳。imgLoading

没有铺设甲板条的中层炮甲板，可见粗细甲板横梁之间，逐段拼接的纵向甲板梁。除了外壳，战舰内部还有1到3层搭载火炮的甲板，战列舰和大型巡航舰的炮甲板以下还有一层堆码物资的最下甲板（Orlop）。这些甲板由纵横甲板梁搭建而成，上面铺设甲板条供人员通行、布置火炮和舱室。上图的模型胜利号就有四层甲板，这些甲板的纵梁、甲板与船体侧壁相接处的纵向支撑材、甲板梁上铺设的甲板条，都是加强战舰纵向强度的构件。imgLoading

17世纪80年代的一等战列舰布里塔尼亚号上下分体模型，所有甲板都没有铺设甲板条，露出下面的支撑结构。取下上半部，可见下半部分展示出炮甲板上粗大的纵横梁材。所以风帆战舰的船体就像一个木桶，桶底是龙骨，肋骨是拼成侧壁的一根根竖条，船壳则是箍紧竖条的环箍。这样的一个整体结构，龙骨是许多片拼成、每一副肋骨也是，船壳更是砌砖一样的一片片，而且所有构件之间只是在有限的点上相互连接。这数百构件在数千个有限点上相互固定的结构在大风大浪中能坚持几年？坚持不了几年。一艘战列舰，如果服役期间一多半时间在港内撤去大炮、帆装而定泊封存（Laid up），一小半时间在海上服役，每次任务几个月到一年，然后入干船坞“小修”（Minor Repair），即更换局部疲劳磨损以及发霉腐坏的构件，那么整个船体结构大约可以维持10~15年，英国有很多服役数十年甚至上百年的战舰，那其实是前文（http://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404017384330544098&mod=zwenzhang）所说的、执政党的花名册手脚，以“重建”（Re-built RB）的明义建造新战舰，规避在野党的攻击。比如1737年的第三代胜利号，她名义上是第二代胜利号的重建，可是“重建”之前10年，第二代胜利号已经拆毁，尚堪使用的木料保存在库房里了。imgLoading

上图，带有高大四层尾游廊的第三代胜利号。这四层尾游廊是她的辨识特征，她最后在风暴中失事，跟高大的尾游廊不无干系——尾部过于沉重影响侧风位时的操纵性。根本原因则在于该舰舰体的各个构件已经疲劳松动，最后舰体风暴中解体了。造成这一惨祸的根源则是：一方面，传统英式造船习惯已经不适应18世纪上半叶这样大型化的战舰，需要引入更新的造舰技术，比如当时法国的造舰工艺（当时法国罗切斯特一位总工程师化妆侦察，深深体会英国拘泥传统，许多设计和工艺并不合理。）；另一方面，这样考验英国造船工艺极限的船体还要承担28门42磅炮每尊三吨多的重量，在詹金斯耳朵战争中频繁穿行风波里，实在不堪重负。根据这位法国间谍的记述，胜利号刚造好时在船台上船体结构就显出疲劳磨损以及发霉腐坏的迹象。此后几次大修都不解决问题，该舰搭载的倒数第二任舰队司令更是坚信该舰不久后就会不堪重负，愣是讨要到退休令逃过一死。（17世纪传统英国造船技术和18世纪以来法国较为更加合理的造船技术，不是一朝一夕、在这里可以详细描绘的，待到遥远的将来。。。）如果战舰因为战事紧急，去往美洲加勒比殖民地长期连续服役一年以上，因为那里干船坞基础设施缺乏，热带水域多海洋生物破坏船底船壳、多飓风天气，这些船回航西欧后就像从小踏上奥运征途多年的退役老运动员，浑身伤病。此时只好入坞大修“Major Repair”，许多地方需要扒掉内外船壳和甲板条，露出下面的结构材料，大段大段地更换材料。这样如果还能算是原来那艘战舰的话，船体寿命也是十来年。如果是战时应急建造的战舰，使用了采伐后不久，尚没有充分干燥的木料，木料含水量在20%至50%之间，当战舰内部层层甲板封闭起来不见太阳光，木头战舰又并不水密，那么船壳木料缝隙里积存水分、造成潮湿环境，就开始让霉菌阴滋暗长，真菌一方面分泌消化酶降解木制纤维的木质素高聚糖，一方面真菌菌丝积存盐分形成高渗透压而吸干木料水分，最后木料就化作齑粉，这种腐朽当时人称为“Dry rot”，因为不是木料泡在水里朽坏的——实际上泡在水里隔绝氧气，真菌无法滋生，再加上海水，就可以杀死其它陆上寄生生物，所以英法船厂都有大水池用海水浸泡保存船体的橡木材料。未干透的新木料造的船体寿命超不过5年，带有部分腐朽的木料更抵抗不住风浪的拍击，迅速松动。风浪中错动（Working）与甲板下阴暗处的霉腐（Dry rot），最后整个船变得不堪使用。曾经有记载一艘长期海上服役的轻型巡航舰回到港内后进入干船坞，水排掉后船体就解体了！因为失去了水体对水下船体的侧面支撑，肋骨就像环箍不管用的木桶一样散开了。同样，17世纪70年代也有一个记录，维修时已经拆除了一部分水线以上的船壳、甲板条。这个时候放掉干船坞里的水，因为船体结构件之间已然松动，少了水线以上船壳、甲板条提供的纵向连结，肋骨也开始散了。只好把船底凿穿放水进来挽救船底结构的整体变形。同样，风暴中船底开裂进水的例子也很多，也留下了一路保持水泵人力排水而免于沉没、逃回港口的记录。imgLoading

胜利号纵剖视图，可见三根桅杆都是直插到龙骨的。当大风大浪中，风鼓起帆，帆就拉扯着桅杆，于是桅杆就成了一根撬杠，如上图，可以撬开船底的船壳造成漏水——其实风吹帆，帆带动桅杆，桅杆撬动船底，这就是帆船推进的原理，只不过日常没有这么明显的撬开船底船壳。比如当年五月花号预备带着清教徒开往北美，其实这帮来自英国内陆的乡巴佬清教徒之前出航过一次，可是因为他们寓居地荷兰的商人心眼坏，就借着他们乡巴佬不懂航海的机会，骗他们买更高的桅杆，推力大说不定去得快，结果桅杆过高，漏水太多根本没法横渡大西洋就只好回来了。以上多是各个局部的问题，只要小修、局部替换损害的构件即可。还有一类严重的、除非大修或重建不能解决的整体问题，这就是战舰整体变形，也就是龙骨变形。龙骨上弯、下弯、侧弯，就好比人的脊椎畸形，无论是鸡胸驼背还是脊柱侧弯都严重影响内脏等的正常定位和功能。比如美国的宪法号重型巡航舰，该舰于18世纪末计划、建造，19世纪初造好入役。到了1812年英美之间爆发冲突的时候该舰已经服役了快10年（以上数字都是胖达的记忆，应该不准确，请看帖的朋友指正），这时候宪法号来了一次“大修”，其实这样不一定比每年如无小修省钱。这时候宪法号的龙骨已经变形，这种变形有多大呢？不到50米长的龙骨的中腰部分，可以比首位部分拱起来数十厘米，也就是形变达到总长度的百分之一以上。这样原本密集排列的肋骨之间就开了缝、张了嘴；原本留下来的、比较小的肋骨间距也拉大了。各个甲板条、内外船壳之间的缝隙也错动、张开了，里面为了防止漏水而填埋的松树胶油裹着麻絮也跑出来了。imgLoading

上图，美国纪念1812年战争200年，于2012年发行的宪法号邮票。油画来自某个博物馆藏的某位画家系列作品。就是这个龙骨变形问题限制了帆船船体的长度。而且设计师和工匠们分析，这是因为木料强度有限，战舰纵向强度不足。所以只有三层炮甲板的一等战列舰，因为甲板层数多，纵向加强件多，所以才能造得最长；像宪法号这样一层炮甲板却比英国74炮战列舰还长（胖达我的记忆，数据未现场核实），是一定要龙骨变形的。要解决这个问题，打开通向大型化的大道，就要先分析这个问题的具体原因，当然了当时18世纪末、19世纪初的造船老司机可不是爱丁堡大学帮助瓦特改进蒸汽机的教授，他们只会按照自己的经验与感受提出解决方案。那么，他们的理解从今天的科学角度看，对么？当代的帆船研究者是接受并发展还是有所扬弃？且看下回介绍：龙骨变形的物理学。