转载：19世纪风帆战舰上的“新技术”（六）
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！！
蒸汽动力
题图：彰显19世纪50年代英国钢铁、蒸汽和造船工业实力的“大东方”号明轮-螺旋桨船，蒸汽朋克般的魔幻现实造型，排水量3万多吨，相当于5艘120+炮的一等战列舰，长210多米，相当于三艘战列舰首尾相接。
接前文：http://weibo.com/p/1005055821648249/wenzhang
首先对于裴克桑炮来一点补遗——爆破弹加农炮和传统实心弹加农炮相比到底有多烂？
前文谈到种种技术因素限制了大口径的爆破弹加农炮的射程，不过没有量化。于是查阅了19世纪的数据，在美国达伦格尔所著的“Shells & Shell Guns”这部书里，他罗列了当时32磅炮发射实弹和68磅加农炮发射8英寸爆破弹的射程。前文（http://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404023186793563304&mod=zwenzhang ）介绍了当时统一口径的32磅战列舰主炮，分成长、中、短，即重型、中性、轻型三种型号，分别布置在战列舰高低各层甲板上，其中：
32磅炮发射实心弹、炮管在仰角一度时的“直射距离”（炮弹首次落到水面时）；
长32磅炮，近八百米；
中32磅炮，六百米冒头；
短32磅炮，接近六百米；
而炮弹击中水面还“打水漂”——长炮弹丸可以在水上跳5次，打到2000米外，而中型可跳弹五次达1700多米，短炮也能跳弹两次打到1000米。
可见当时32磅炮水平射击，有效距离可达1000到2000米。
反观英国最初的55英担（不大到三吨）8英寸爆破弹加农炮，也是炮管仰角一度，直射距离跟短32磅一样，也只有五百八十多米，能够跳弹两次打到1000米——即8英寸爆破弹加农炮的弹道性能=战列舰露天甲板上的轻型短32磅炮，只相当于战列舰搭载的最小号实弹的性能，全靠弹丸爆炸威力。
裴克桑原计划利用这样的火炮搭配小型铁造蒸汽船组成未来舰队，击杀、取代英国的巨大木头船。但在裴克桑宣传他宏论的19世纪30、40年代，这种条件基本上不具备。而等到19世纪50年代这些条件已经具备了的时候，人们发现，火炮、装甲、蒸汽动力装置都是如此沉重，只有大型铁甲舰才能兼顾攻防机动三方面属性，小型铁甲舰总要牺牲三者中某一项才能造成，结果成了省钱但是存在重要缺陷的“鸡肋”设计。于是裴克桑元帅设想的又经济、火力又猛、机动性又高的“小铁船”就化为泡影。
在19世纪20到40年代，可以说只有裴克桑元帅的大威力“木料粉碎机”成了现实，铁结构和蒸汽动力都还不行。铁结构造船虽然逐渐成熟、应用于商业造船，但是在32磅海军加农炮面前，如前文所说（http://weibo.com/p/1005055821648249/wenzhang），立刻化为破片。这就很尴尬了，这搭载“木料粉碎机”的小炮艇用铁造吧？可是爆破弹加农炮射程感人，这铁船能轰到战列舰的时候自己也粉身碎骨了。用木头造，那战列舰也搭载了这种爆破弹加农炮，而且数量还更多，这是形式上更加纯粹的作死。。。
但更大的限制因素是蒸汽动力的不成熟，简单概括，铁甲舰（1860）时代之前的19世纪上半叶，船舶蒸汽推进的发展是这样的：
1820年代前，纯工程技术摸索，不具有军事实用性。
1820~1840年，明轮的时代，但明轮生存力差，没法当战舰用，从一开始军事上就把她们当作拖船、通报舰（当时还没无线电、海底电缆）、登陆滩头的运输船等辅助船。进入1830年代，明轮“战舰”开始搭载火炮，但终归不能和一线战舰对抗。
1830年代后期到1840年代后期，螺旋桨历经10年发展成熟，1850年代英法建立了一只“蒸汽风帆舰队”。
螺旋桨的高效运用需要船体和桨叶水动力学研究、试验，这要等到1860年代以后，结果当时速度最快的蒸汽船都是明轮推进。
让我们看看这50年蒸汽船舶发展史，不过首先简单瞧瞧蒸汽机。
蒸汽机不是平地一声雷地在18世纪末、19世纪初突然诞生。蒸汽机是一种古老的机械，西欧对它的探索研究始于清康熙年间——在17世纪后期，随着牛顿现代力学体系等近代科学的萌芽，欧陆各国的贵族，以法国为代表，附庸风雅。日常生活上追求华丽、奇幻的洛可可风尚，而在精神上，新诞生的“科学”就成了最好的消遣品，比如做实验测量万有引力常数的英国贵族卡文迪什。这些人自己研究，或者赞助研究，其中重要的课题就是如何控制蒸汽、压缩空气、火药爆炸燃气做机械功。在17世纪70年代以来，英法很多贵族都初步试验成功了“蒸汽泵”——将管道里的蒸汽冷凝造成负压来抽水。在此基础上，英国的纽可门（Newcommon）在17世纪末发明了第一种实用蒸汽机——纽可门人力蒸汽机，如下图所示。
通过炉子做水产生玫红色的蒸汽喷进汽缸里，再通过向汽缸里喷凉水让蒸汽冷凝。冷凝负压就能让巨大杠杆往复摆动。这蒸汽机喷蒸汽、喷水的两个阀门全要人力控制开关。这蒸汽机在1712年正式申请专利，作用是在全英国各地矿井里抽水——上图左边吊个水桶就能提水了，整个18世纪卖出去近200套。
天才的工程师瓦特，当然还有他在爱丁堡大学的热力学教授“顾问”，还有他的合伙人，从18世纪中叶开始，陆续改进这个简陋的装置，终于在18世纪后期将蒸汽机的效率提高了一倍——煤耗下降50%。于是瓦特最开始的生意就是到处改装纽可门蒸汽机，按照省煤量收取一定差额作为收益。
上图就是瓦特蒸汽机，相当于纽可门蒸汽机的那部分用红色标注，可见没啥变化，还是气缸拉着一根大杠杆摆动。
瓦特最重要的、提高蒸汽机效率的两个发明在图上不显眼。首先是“冷凝器”(Condenser)。原本的纽可门蒸汽机是朝气缸里面喷水，造成气缸温度下降，于是新喷入气缸的蒸汽不仅仅膨胀做功，还要消耗一部分能量加热气缸——于是瓦特想到将膨胀做功结束的蒸汽疏导到气缸外的地方，与对流的冷水交换热量，这就是冷凝器。但这样气缸还是变温工作的——向大气散热，那么蒸汽就还要加热气缸、浪费能量，于是图上黄色标注的就是气缸被包裹在蒸汽包（Steam Pack）里面，被蒸汽保持恒高温的气缸，蒸汽就在里面“等温膨胀”，传热损失的能量就小了。这两样是瓦特蒸汽机“实用”的根本原因。
纽可门蒸汽机需要人力开关气阀，在瓦特之前就已经有人设计出了初步的自反馈（Feed back）控制阀，瓦特只是设计得特别灵巧，如图中粉蓝色标注。这在刘慈欣老师的《三体·死神永生》中仔细描述过。这个阀门被蒸汽动力驱动，转得太快了，上面的球体就腾空，牵动阀门、减少供气。
纽可门蒸汽机还只能驱动杠杆往复摆动，要变往复（Reciprocating）为旋转（Rotating）才能驱动更广泛的机械，如水泵、机床等等，于是瓦特利用“曲轴”（Crank shaft）让杠杆再驱动上图棕红色的飞轮（Gear Wheel），虽然效率低，但是实用简单。
除此之外瓦特还发明了蒸汽机功率计算装置等等各种灵巧精妙的蒸汽机配件，他是让蒸汽机实用化、当之无愧的“蒸汽机之父”；然而他出于安全考虑坚持采用低压蒸汽，可能也延迟了19世纪上半叶蒸汽动力系统的进步。
18世纪末，乾隆末年，这种装置一旦开发成功，全欧美的发明家就跃跃欲试，怎么用它代替以往的动力源——人力、水力、畜力。比如当时港口疏浚航道使用的挖泥船，就是马拉绞盘。
荷兰阿姆斯特丹博物馆挖泥船模型。
而当时把内陆的煤运到港口进行长途转运，也是靠铁轨，不过没有火车，当时的“车头”也是马。所以蒸汽机一出，它们的力量有多强大？都是跟马比较，所以叫“马力”（Horse power），后人为了纪念瓦特才把这功率单位重定义为“瓦特”。
在上图这样的挖泥船上，海军最先用上了蒸汽机，当时还是1805年，海上的特拉法尔加大战还依然依赖着人力操作的风帆战舰。这挖泥船一出，立竿见影，英国海军取消了建造军港的计划——18世纪以来砍光木头造船、铸铁，环境破坏严重，水土大量流失，泰晤士河和梅德韦河的河口，淤泥日盛一日，老港已然承载不了日益庞大、吃水越来越深的战舰。
随后船坞抽水等作业也就顺理成章——这时候蒸汽机的“功率密度”还是太低，几十吨的大机器只有上百马力。把它们自己装到船上，船吃水被压得更深了、阻力增加了，需要更大的功率才能开得更快，那就要更重的蒸汽机，船吃水又深了。。。这种面多加水、水多加面的循环是早期蒸汽动力船舶最大的困难。
早期船舶使用的推进装置是明轮（Paddle wheel），什么呢？下图一目了然
上图，英国格林威治博物馆藏明轮蒸汽机模型：活塞气缸带动杠杆（Side level，侧面底部的绿色大件），杠杆带动曲轴（Crank shaft，明轮那根大贯通轴上的突出物），曲轴带动明轮。这就是瓦特的“间接驱动”（Indirect drive）。
船用明轮蒸汽机就是瓦特蒸汽机飞轮换成了推进明轮——最简单直接的应用。从1805年开始明轮船的“概念船”就开始层出不穷，最著名的、小学就被当时的材料津津乐道的美国富尔顿（Fulton）【插话：经过胖达我讲解可见，什么瓦特研究蒸汽水壶、富尔顿泛舟湖上脚踩水面受启发等等，统统是“轶闻”，这些简单的道理在人类历史上古往今来不知多少脑袋都思考过，这两位工程师的可贵之处在于将其化为技术和成本上的可行方案。】，他致力于当时美国五大湖和大河上的内陆明轮航运。在军事方面也有建树，并且独树一帜：
富尔顿的海上“动力炮台”——太肥大了，航速只有5~6节。
这炮台的突出特点就是明轮被“三明治夹心”到船体中央，一侧船体布置蒸汽机，另一半布置锅炉。为什么要这样呢？
为了规避明轮的致命缺点：明轮推进器占据舷侧宝贵的、布置火炮的位置，这大轮子目标大，敌舰一轮齐射可以完全摧毁。
工程师就是带着镣铐跳舞——在约束条件下寻找最优解，富尔顿这个设计非常巧妙，但是这样的“大扁船”只适合内河风浪不大情况下使用，到了海上因为稳定性太好，导致摇晃过于迅速，而让乘员呕吐、无法操作。
所以当时英国海军部的大员们冰雪聪明：
1】概念验证阶段的技术需要密切关注，可适当由公家赞助——但当时资本主义市场经济的融资环境基本上不需要——但是绝不可头脑发热、大量投入、试图列装，结果“交学费”。
2】明轮从根本上就不适合当做作战舰艇，那时候还没有铁甲舰时代可以“壹发入魂”的少量主炮，战舰还是要靠多层炮甲板上大量小炮。要明轮就没有炮甲板。另外，瓦特蒸汽机靠大杠杆（Side level）“间接驱动”明轮（如前图），这套传动大架子十分高大，从底舱突出到甲板，生存力也十分值得怀疑，更别提明轮本身就十分脆弱、抵挡海水拍击已经不容易了。那么明轮船与风帆战舰相比只有一个优点——机动性。所以英国海军从一开始就把明轮船视为动力船舶，而不是动力辅助帆船。
所以在1820年代初以前，已经能在近海动力航行的明轮仍然不让海军满意，这种船马力还是“不足”，不能作为拖船拖带战列舰逆潮而行。1823年，英国海军终于采购了第一艘蒸汽动力船，如下图，作为拖船（Tug）使用，可以拖带战列舰达到8节航速。不仅仅是航道和港口内拖带，也可以伴随战列舰出航，在海上拖带——从此战列舰进出港口再也不看老天眼色。
闪电号，英国海军第一艘蒸汽船，纯拖船，最开始服役时甲板上并没有小炮。
土耳其战列舰在自家门口（君士坦丁堡）操作失误搁浅后，明轮拖船帮助脱离的场景。
这时候明轮可以达到10节航速，载煤量一般也就20天上下，并不够远涉重洋，但是从英国本土到地中海的明轮动力航渡基本可以实现——人类历史上第一次有“时刻表”的航线，虽然这时刻表是精确到天而不是时分秒。过去帆船无论商船还是战舰，什么时候到达什么地方，全看老天爷开不开眼，顺风顺水才成。这“通报舰”(Packet boat)就在本土和地中海舰队之间实现了每个月一次、规则的通信联络。拖船、战斗拖船，这是利用了明轮的战术机动性，通报舰就是她们的战略机动性。
到了1830年，明轮蒸汽机的效率进一步提高，终于可以有富裕的重量搭载几门象征性的火炮，如下图，第一艘搭载火炮的英国明轮“Rhadamanthus”号。
该船舷侧基本没有空间，所以在首尾中线炮位搭载少量主炮。所有明轮都基本如此，首尾搭载少量重炮，如当时的大杀器，前文的爆破弹加农炮。
从1830到1850年，明轮炮艇、巡航舰作为辅助快船以速度见长，一般帆装都是上面两个模型这样的“简装”，在那个时代可以认为是基本依靠动力航行的船舶。
火力最强大的明轮巡航舰是1845年的“Terrible”号，每舷侧搭载了当时最重型的68磅、56磅加农炮4门，露天也有4门，共计12门。但是排水量高达三千吨——当时排水量6000吨的三层甲板战列舰搭载120门火炮。。。相应的，这艘搭载重炮的巡航舰还能跑出10节以上的高速。
“Barque”帆装的HMS Terrible雄姿，战列舰只配当背景。
这些明轮海船的例子都可以看出来，她们的明轮全装在船体中部稍稍靠前。有什么流体力学讲究么？并没有。参照前文明轮蒸汽机的结构，明轮只能布置在蒸汽机两侧，蒸汽机本体重达数十吨，加上锅炉和厚重的木头底座等等，必须放在船体最肥硕、浮力最足的部分，也就是船体舯部。
排水量1000~2000吨，航速8~11节，时人看来“主要”依靠动力航行，这就是蒸汽时代第一种动力船舶，明轮。显然只有螺旋桨才能让蒸汽船真正成为战舰，且看下回。
【后话：康雍乾三代“盛世”，实乃“三百年来伤国步”（这么责备他们也挺冤）；英国人搞出了蒸汽机，虽然1840年蒸汽机还上不了战列舰，但小小的明轮炮艇已经让时人感叹“船坚炮利”，并且——
1841南京下关签署《江宁条约》，即现代历史课本上写的“南京条约”的“皋华丽”号（HMS Conwallis）74炮战列舰，是印度孟买柚木造战舰，前文一系列统一主炮、爆破弹、船体大型化等19世纪“新发展”，统统都没有。从技术上讲这艘船跟半个世纪前18世纪末的74炮三等战列舰毫无提高，然而就是这样，虐当时天朝海防已经戳戳有余，登舰参观的天朝士人惊叹“云帆垂天”。】