第十八节 神臂弩
作者:法拉第      更新:2017-12-19 12:26      字数:6840

这一天就这样过去了,迎来了姜海涛穿越到春秋后的第25天,九月二十四。

下午来到工场后,姜海涛立刻去查看昨天制造的“煎饼纸”,结果却让他非常失望。那些木浆确实干透了,但轻轻一揭就碎,根本成不了一片。轸老头他们昨天就看到过这盆木浆水,还有这块木板,但不明白姜海涛要干什么。今天看他和木板上结的薄壳较劲,不免感到很奇怪。

轸老头忍不住问:“公子,你这是要干什么?”“我要造纸?”“纸?”“对,一种能用笔在上面写字的东西,代替竹简,很轻。”“就是用这木头渣子做的?”“对。”姜海涛可不需要他们这样一直问下去,而是需要他们帮自己想办法,于是接着说:“我师父告诉我,这样肯定能造出纸,这么大一张,可以卷起来,折起来,在上面写字。你说,现在怎么稍微用点力,就碎呢?”轸老头和大家显然对姜海涛描述的这种好东西不相信,看看姜海涛,又看看木板上结的那层碎薄壳,要么一脸茫然,要么一脸怀疑。

最后在大家的围观和注视下,姜海涛开始感到有些不自在,只好暂时放弃搞“四大发明”的企图,去查看十弓车弩的改装。

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第一种木轮装置的防滑效果很好,但试验中发现了一个问题,就是在需要把绳索松开时,卡在<形木架中的小木轮很紧,需要很大力气才能拉开,这让它的总体实用效果有些差。姜海涛建议把<形架和小木轮改成青铜的,并增加一个杠杆来移动小轮。大家讨论之后,认为这种装置虽然只有防滑效果,但比较简单,制造起来用料、用时都比较少,值得保留。

而且通过这一机构的试验,他们决定放弃昨天设计的另外一种机构。它也用木轮防滑,唯一的区别是弩机不再固定在弩臂上,而是在弩臂中间的长槽里滑动。拉弦钩也不需要了,绳索直接拴在弩机上。使用时,把整个弩机向前滑动到弓弦处,照门被弓弦阻挡,结果旋牙旋转,升起的牙挂上弓弦。然后转动绞盘,绳索直接拖着弩机和弓弦一起向后滑动。到达预定位置后,木轮卡住绳索,弩机就被固定住了。扣动扳机射箭后,松开木轮,弩机又可以前后移动,再次挂弦。当然,这套设计上的<形架和小木轮被固定在弩臂后端,而不是车架上。这样能节省掉挂钩,操作中也能减少摘钩、挂钩等几个步骤,提高点射速。

刚才的试验中,大家发现木轮虽然可以卡住绳索,但位置并不精确,因为绳索需要向前滑动一点,才能带动小木轮卡进去。这就像一个弓手射箭,每次拉开的长度都不是固定的,而是有点波动。这个波动距离虽然只有1寸左右,但已经会对箭的速度产生不小影响,进而影响准确性。因此这种滑动弩机、木轮防滑的结构,弊大于利,只能放弃。

第二种防滑装置取消了绞盘,因此变化很大。在车的后部,固定了一个类似弩机的全铜机构,方方的廓很大,中间横插了一根铜轴,轴上固定有一个直径半尺的棘轮,棘轮的圆周上分布了32个棘齿。旁边套着一根摇杆,摇杆上有一个可以摆动的小拨齿。向后转动摇杆,拨齿就能顶住棘轮转动;向前转动,拨齿能沿着棘轮上的斜面滑动,不带动棘轮转动。廓内还有一个可以转动的小齿,被姜海涛称作“限动齿”,顶住棘轮后让它只能朝一个方向转动。转开这两个小齿,棘轮才能反向转动。廓外伸出的轴上,可以卷起拉弦的绳索。

轸老头告诉姜海涛,铸造这套机构消耗了不少青铜,赶上两个车弩弩机了。特别是那个棘轮,直径半尺,一圈32个齿,费了他们不少时间制造木模、打磨、铸造。要是没有那台新磨床,他们今天都不能完成。

随后的试验效果还不错。这套装置虽然比较重,但总体上还是比绞盘系统轻。而且青铜轴比原来绞盘的木轴还细,摇杆则有5尺多长,一个人就可以摇动它来拉弦。不过把弓弦拉到位后,先松开摇杆上的拨齿,再松开限动齿时有点费劲。姜海涛仔细一看,发现这是因为限动齿和棘轮接触面的角度有点不理想,造成压力指向限动齿下方,把它压得更紧。

姜海涛立刻让工匠们拆开这套棘轮装置,把棘轮、限动齿、摇杆、拨齿按照位置摆放在地上,确定了新的齿面接触角度。然后他们用磨床,把限动齿的下端磨去一点,棘轮齿的上端也磨去一些,改变它们俩的齿面角度。再次试验,松开限动齿的力就小多了。井利用滑轮测量后,发现它只有1.5石,基本上只有弓弦拉力的十分之一。井问姜海涛能不能再修一修齿面,进一步降低这个力。姜海涛只好给他和其他人讲了讲力的方向性、稳定性,告诉他们如果齿面再斜,就超过了平衡点的位置,限动齿就有可能被棘轮齿顶得自己打开,失去作用。讲解这点知识,虽然最后还是有几个人没明白,也已经耗费了他们一个多钟头。

姜海涛最后告诉工匠们,要把这套棘轮装置设计得更精致、更小巧,要求尺寸缩小到和踏张弩上的弩机差不多。大家一听他这要求,都有点惊讶。轸老头忍不住问:“公子,造那么小干什么?”

“我要造一把神臂弩。”

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“神……什么?”“神臂弩?”周围的人骚动起来。

“不错。豫,你能造出的最大拉力的弓,有多少石?”姜海涛转头问。豫回答说:“大概5石弓。不过这么强的弓,只有养敖将军能拉开。而且它很粗的,普通人的手根本握不住。”井插话说:“哎呀,这是准备用到弩上的,不怕粗。不过会不会太重?”“当然也挺重的。难道公子你想用这个棘轮,拉开这么强的弓?”

姜海涛指着十弓车弩上那个棘轮装置问:“现在这里绕绳的轴,有多粗?”一个金匠回答说2寸。姜海涛蹲在地上算起来。其实这套计算过程很简单,可他需要向工匠们讲解一下。尽量抓住机会让这些工匠理解、巩固一些物理、数学知识,可以让姜海涛自己在今后少操点心,也能让工匠们想出更多的好点子。

简单计算就可以知道,如果摇杆长2尺,那姜海涛只需要有50斤的力气(这只相当于现在的9.9公斤),就能搬动这根摇杆,转动铜轴,拉动弓弦。算上绳索缠绕后变粗,还有阻力,他最多只需要100斤的力,单手也可以完成。这和现在他用的2石踏张弩相比,可省不少劲。当然,上一次弦,他得让铜轴至少转5圈多,扳动摇杆20来次。

这么一算一讲解,大家立刻明白了姜海涛的“强悍”企图:他想一个人拉开一把5石的强弩!

豫张嘴啊了几声后,突然兴奋地说:“公子,要是用10石的弓呢?”这次反过来是姜海涛睁大眼睛看着他。“公子,你不是问过能不能把十弓车弩上那么多弓,换成一张弓吗?15石的太大了,不过10石的弓,没准可以。我听说过去楚国有人造过。”养敖就算神力了,再高一倍到10石,那绝对的神臂啊!姜海涛立刻问他:“那需要多少时间?”“哎呀!”豫突然皱起眉头:“这弓干、角、胶,恐怕都得准备特殊的,正常下来得四年了。用现在这些材料……”他停了停:“恐怕也得一年。”

姜海涛一听,那还是算了吧。然后他立刻问:“你刚才说5石弓,不会也要这么长时间吧?”豫已经明白他的要求:“嘿嘿,我刚才没想到你这么着急要。至少也需要半年。不过既然您是在弩上用,我可以先用三张弓改一改。”简单算了算后,姜海涛让他干脆用四张弓,豫估计能达到6石的拉力。随后他询问金匠,棘轮装置中间的铜轴到底能做多细。三个人讨论一会后,说1寸大概可以了。姜海涛从理论分析上认为,这个轴越细,自己就越省力,因此让他们先铸造几个1寸以下的铜轴,挂上8石重物试验一下,看铜轴会不会被压断或者压弯。

可是刚刚布置完,姜海涛就感觉似乎有点不对。

是材料配比吗?他已经从金匠们那里知道,现在铸造弩机、棘轮装置的青铜,成分和铸造箭头时不一样。铸造箭头的青铜中锡比较多,因此很硬,但容易断裂;铸造弩机、棘轮时,锡中等,因此柔韧性好一些,应该没有什么大问题。当然,要想得到最好的铜、锡配比,他得花一些时间试验,现在这几天来不及。那到底是哪的问题呢?

别费脑筋了。姜海涛让金匠们立刻开始工作。反正干到半截发现问题,也不是一次两次了,几乎每次都会这样,不在乎多一次。

井这时又提出了一个疑问:“公子,你准备用这把6石弩,射硬木重箭吗?”姜海涛看了看他:“当然不是。试完这根铜轴需要多粗,我再告诉你。说不定整个弩臂都要改一改。”

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晚饭前,铜轴造好了,1寸、0.75寸、0.5寸、0.25寸各一根。姜海涛让工匠们把铜轴架在两个木支架上,中间吊上重物。这时候他发现了自己先前感觉不对的地方:没有考虑铜轴的长度。0.25寸的铜轴,如果两个木支架的间隔只有1寸多,那没任何问题;但是支架间隔增大到2寸多以后,就可以看出铜轴有一点点弯曲了。虽然弯的程度很小,但姜海涛意识到这已经会影响铜轴和两旁轴孔的配合,大大增加旋转阻力。

0.5寸的铜轴没有问题。姜海涛不放心,还特意把重物从8石增加到10石。所有人都认为铜轴没有任何弯曲,姜海涛才放下心。随后在晚饭中,他和井、豫等人讨论起这把单臂强弩的具体结构。他首先告诉大家,自己设想了三种结构。

第一种和现在的踏张弩结构基本一样,但是弩臂后的青铜廓被加长,分为前后两部分:前面是弩机的各个零件,后面是棘轮、摇杆、限动齿等零件。这套结构最简单,可是挂弦射箭一整套循环下来,要进行不少动作:松开限动齿和拨齿;拉住挂钩向前拽,挂到弓弦上;扳回限动齿和拨齿;反复扳动摇杆,拉开弓弦;弓弦碰到照门,牙伸出后,先后松开拨齿、限动齿,让弓弦挂到牙上;摘下挂钩;放箭,瞄准射击。然后再如此循环。

第二种是采用活动弩机。弩臂由两片U形的木条对拼而成,弩机可以在中间前后滑动,扳机从下面的窄缝中伸下去。弩臂上方开口较大,但是由弩机前端固定的一长条竹片盖住。这条竹片,也是弓弦和箭滑动的平面。弩臂后端穿孔,固定棘轮、摇杆装置。弩机后端有环,直接拴在绳索上。这种结构要比第一种宽不少,但取消了挂钩,因此使用过程中减少很多动作。用它,只需要松开限动齿、拨齿;把弩机推向前,让照门顶上弓弦,牙自动升起挂弦;扳回限动齿、拨齿;反复扳动摇杆,向后拉动弩机和弓弦;弩机到达一定位置后,放箭,瞄准射击。

第三种则是在第二种的基础上变了一点:弩臂上刻出棘齿,代替后面的限动齿;弩机靠两侧的凸起卡在棘齿条上。而且在这种结构上,姜海涛计划采用青铜铸造弩臂。不过他感觉这个结构消耗青铜太多,自重也比较大,除非第二种结构的木弩臂太宽大,否则换成青铜的意义不大。

针对他的设想,豫和井等人提出了很多意见。首先就是这个绳索,不能再用麻绳,必须是细的丝绳。这几乎相当于增加了一条弓弦,不这并不算困难。工匠们提出的一个困难是:如果采用活动弩机,那铜轴的中间就得空出来绕丝绳,棘轮、摇杆、限动齿得安到廓的外面。最大的困难是棘轮要做小,上面的棘齿就难点了。讨论中井还提出,这个棘齿似乎不能太低、太薄,否则很容易顶弯,或者磨损。

随着这些提醒和建议,姜海涛想明白了晚饭前试验铜轴时的“问题”:当时他只考虑了铜轴在拉力下是否会断、会弯,没有考虑它在强大扭矩的作用下,是否会像麻花那样拧转、变形。想到这点,他差点惊出一身冷汗:0.5寸的铜轴在弓弦、丝绳的拉力下,确实不会断;但摇杆一转一拧,它会不会扭转变形,甚至被拧断,那可不一定。

姜海涛立刻把金匠们叫过来,告诉他们明天上午需要重新试验:在铜轴两侧套上铜杆,分别挂上重物拧它。为了更加保险,他还让井到时候把重物提起再松手,模拟扳动摇杆时的冲击力,做个至少上百次,再仔细观察铜轴是否有变形、裂纹。

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第二天的试验证明了姜海涛的担心。0.5寸的铜轴在重物的多次扭转、冲击下,果然有了点问题。铜轴本身的变化还不算厉害,上百次冲击后只有一点扭转变形。最大的问题是铜轴两侧套摇杆的四边形部分。这里相当于一个直径0.5寸圆的内接正方形,因此比0.5寸还细。摇杆多次经受重物的冲力后,四个角首先开始有明显变形。

下午姜海涛来到工场,井向他汇报了这些现象,并告诉他工匠们已经讨论出解决方法,设计了一个比较紧凑的棘轮装置。它的廓比较宽,中间有3寸的空间,一个一体化的轴穿在里面。它的两侧是插在廓中的短轴,仔细磨光,相当于两个滑动轴承。这部分直径0.5寸,可以尽量降低摩擦阻力的力矩。轴承和廓壁的厚度,他们认为0.5寸就够了。中间3寸宽的一段分成三个部分。左边是绕丝绳的部分,宽度近2寸,直径0.75寸,可以保证扭转强度。中间是一个铸造在一起的棘轮,宽度0.5寸,直径3寸,一圈24个齿。右边0.5寸宽也是磨光的轴,直径0.75寸,外面套着摇杆。这样,承受扭矩最大的绕绳轴和棘轮两部分,紧紧挨在一起,而且比较粗;最外侧的轴只需承担弓弦的拉力,直径小也能满足强度要求,而且降低了转动时的阻力力矩。金匠们还告诉他,这东西应该还能再细、再小点,但铸出的青铜件质量不稳定,尺寸变小后废品率可能会提高。

姜海涛对这个设计非常满意。特别是通过这个设计,他发现井他们已经比较熟练地理解了力的大小和方向、力臂、力矩、力的平衡、摩擦系数、强度等概念。这样今后自己再有什么想法,就更容易和他们交流,也更容易让他们帮助自己完成细节设计和制造。

他又询问这东西的重量大概多少,金匠们在地上算了一会告诉他,大概10斤多点。姜海涛心里一算:一把踏张弩的重量将近25斤,现在多加两张弓,还有这个棘轮装置,增加15斤左右,总重量达到40斤,应该还可以接受。实在不行,他可以架在战车栏杆上射。

这时姜海涛告诉他们,自己要在弩机前面做点小改动。他首先把牙从两个齿改成一个齿。豫立刻提醒他:“公子,这样箭尾就不能挨着弓弦了。”“我不需要它们挨着。这个牙,不是挂弓弦,而是挂一个铜环。”