第八节复合剑与抛石车
作者:法拉第      更新:2017-12-19 12:26      字数:7386

历史课上,还有军事杂志上都说过什么中国古代青铜的“六齐”。到这里后姜海涛终于听到了“六齐”的详细内容:

钟鼎之齐,六分其金而锡居一;斧斤之齐,五分其金而锡居一;戈戟之齐,四分其金而锡居一;大刃之齐,三分其金而锡居一;削杀矢之齐,五分其金而锡居二;鉴燧之齐,金锡半。

“鉴燧”就是铜镜。这六条口诀里,中间的四齐是指兵器。但“大刃”不是大刀,是指剑,“削”才是指刀,而且是小刀。因为现在并没有真正的大刀,普通青铜刀都不超过40厘米。

让姜海涛惊讶的是,春秋人很了解锡的比例对青铜器性能的影响。

总体来说,随着锡的含量增加,青铜器的硬度会明显提高,强度慢慢提高,韧性则很快下降。做兵器时,锡的含量最好在14%~20%之间。比如小刀和箭头,锡的含量就为20%左右,硬度比戈戟等高,但容易破裂。对于箭头来说,硬度也确实最重要,这样才容易穿透皮甲;韧性就无所谓了,反正是回收后可以再处理。斧钺等体积最大,主要靠分量杀敌,所以锋刃不必要很坚硬,但容易裂开就不行,结果它们的含锡量就只有14%。

让姜海涛奇怪的地方也非常多。

首先,是文字表述上的误解。刚听到“戈戟之齐,四分其金而锡居一”这句口诀时,他以为戈戟上,铜的比例占四分之一,锡占四分之一。后来才知道这“四分其金而锡居一”,是指四份铜加一份锡和铅,也即是说铜占五分之四。铜镜的“金锡半”,也不是铜锡各一半,而是铜占三分之二。或者可以说,“金锡半”这句话实际上是“一分其金而锡居半”的简略。

第二,就是口诀里没有区分锡和铅。这时已经有了单纯的锡锭和铅锭,铸造青铜器时也是把这三种金属混合。春秋人还很清楚锡和铅在青铜器里的作用:一个是调整强度、硬度和韧性,一个是增加熔化后的流动性,方便铸造。但是在口诀中,铅不知道什么原因而被“省略”了。所以在实际铸造中,三种金属的比例其实是这样的:

斧钺等大型劈砍兵器,五分其金而锡居一,铜占六分之五,83.33%,锡13%左右,铅4%左右;

戈戟等句兵,还有矛,四分其金而锡居一,铜占五分之四,80.00%,锡14%左右,铅6%左右;

剑,三分其金而锡居一,铜占四分之三,75%,锡18%,铅7%;

小刀、箭头,五分其金而锡居二,铜占七分之五,71.43%,锡20%左右,铅8%左右。小理

第三,是他发现这个“六齐”规律只在青铜兵器工匠们之间流传,真正造鼎、编钟等礼器的工匠们似乎有另外一套口诀。他曾想打听那个口诀,但发现胡国作为一个小诸侯国,没有善于铸造这类礼器的工匠。现在那个“六齐”,只是简单告诉钟鼎里铜占85.71%,锡占14.29%。其实随着礼器的大小不同,还有编钟对音色的要求不同,它们的合金比例更加细致复杂。

姜海涛作为科学的中学生,对这些“虚头巴脑”的迷信不太感兴趣,也就没再费劲去打听。[注030801]

了解“六齐”之后,姜海涛曾想过对青铜器中,铜、锡、铅三种金属的比例进行一系列试验,得到比“六齐”更精确的关系。但反复铸造的工作量确实太大,“六齐”的总结在兵器方面也已经足够细致。而且这其中的波动,或者说不精确之处,主要是因为三种金属原料的纯度本身就不算高。从各地买来的锡锭,也有参杂铅的,多少还没个准。所以工匠们铸造青铜器时,一般是根据原料的不同,尽量控制好铜、锡的比例。铅的波动往往有点大,取决于工匠的水平高低了。加铅是为了便于铸造,所以和铸造器物的形状大小也有很大关系。比如箭头,体积小,又经常是多范成批铸造,所以要求比较高的流动性。

中国青铜器的辉煌时期就是春秋战国。想到这一点后,姜海涛本打算放弃在这个非常成熟的“夕阳产业”中搞“发明”的想法。可是他后来突然想到了坦克上的复合装甲。

印象中,有一种复合装甲就是用陶瓷、钢板组成的:陶瓷硬度高,可以尽量碰碎穿甲弹,可是它的脆性大,一撞就成粉末了;钢板相对来说坚韧,可以弥补陶瓷的脆性。那么在这里,能否利用硬度不同的青铜,组成一把综合性能更好的兵器呢?

比如青铜剑,刃部当然是希望坚硬些,这样容易割砍目标。但如果太坚硬了,脆性大,整把剑又容易在碰撞中折断。于是姜海涛想到:可以用韧性好的青铜铸造剑脊,也就是中心部分,用硬度高的青铜铸造两侧的刃。这样,中心部位的含锡量可以尽量低,比如像斧钺那样的13%,甚至更低;刃部的含锡量则保持在过去的18%,甚至再高点,达到青铜小刀和箭头的20%。

姜海涛立刻把所有的金匠找来,告诉他们这个想法。大多数人都感觉眼睛一亮,纷纷赞同这个好主意。小理

具体的铸造方法也不难,因为现在高级青铜剑的柄、格上都有精美的花纹,就是采用分铸法造出来的。姜海涛提出的建议还提醒了几位工匠,说他们曾见过楚国使者佩戴的青铜剑,上面纹饰的颜色与剑身有点区别,现在看来,那就是因为采用不同合金比例的青铜分铸而成。只是不知道楚国工匠是否已经把这种工艺用到了剑身部位。

工匠们马上设计出了制造工艺:先铸造一个没有刃的剑脊,两刃部位变成了枣核状截面的长条;把这个剑脊插入一个剑范,浇入的青铜液在两侧的长条外凝固,形成剑刃;然后打磨砥砺。

他们很快就利用不同比例搭配,铸造了十来把新型的青铜复合剑。经过性能比较,大家觉得剑刃的含锡量还是保持在18%左右比较好,提高以后虽然可以更锋利,但容易崩口。刃部的铅倒是可以减少一些,降到2%左右。剑脊的含锡量可以降低不少,低到10%也可以,不至于让剑身显得柔软,碰撞中的韧性却大大提高了。过去甲士们基本上不用青铜剑砍杀,担心剑身折断。现在试用过后,他们发现在砍杀皮甲、戈柄时不必再担心这一点,于是纷纷要求换装这种复合剑。[注030802]

这种剑需要铸造两次,工序上复杂一点。但是归豹、养敖、养锜试用后都觉得多花的时间非常值。姜海涛立刻组织了一批金匠到大工场去领导其他工匠,批量制造这种复合剑,同时要求他们做好记录,寻找合金比例搭配与复合剑的性能、成品率、耐用度等方面的关系。还有一些金匠在工场里接着研究,用这种复合技术铸造戈、铍等兵器。

在工匠们改进青铜复合兵器时,姜海涛又去看了看他的抛石车,希望能把这种重武器再提高提高。

工场里现在有四种抛石车。

一型、三型是拉绳式,最大射程分别可以达到88米和134米,但抛掷10公斤石弹时射程就会降低一半多,每台需要50人拉绳;二型和四型是配重式,最大射程只有54米和79米,但它们需要的操作人员不到10人,而且抛掷10公斤石弹时射程降低不多。另外,三型、四型有点像一型、二型的简化版:把三根竹竿组成的抛杆换成了两根竹竿,使用寿命只有四五十次。井和姜海涛曾打算在一型、二型的基础上,用丝绳代替一根竹竿,看能不能既达到三型、四型那样的射程,又比较耐用。不过这想法看来得到秋蚕收获之后才能实现。

三型抛石车134米的最大射程还算不错,但这是1公斤的射弹,而且它需要50多个人操作。小理在姜海涛的记忆中,三国时用的抛石车就是用很多人拉绳的,但据说能把几十斤的大石头扔出很远。难道是小说中夸张了?还有宋元时期,好像有一种配重式抛石车,叫“襄阳砲”还是“回回砲”吧,就是在一头压块大石头。它的威力据说比以前的抛石车还大,射程应该不小。可是自己现在造出的配重式抛石车,怎么看起来那么差呢?79米的距离可不算远,用来攻城时肯定会受到城头弓箭的反击。

于是姜海涛一连两天在工场里试验三型、四型抛石车,寻找里面的问题。

不断总结、分析各种试验数据后,他终于找到了一个原因。

从能量转换效率看,拉绳式抛石车都在70%以上,而配重式就是无法超过50%。以前姜海涛对这不太理解,是因为他忽略了一个吸收能量的重要东西——配重本身。石弹飞出去需要速度、需要动能,抛杆转动需要动能,而配重本身落下也是有动能的。过去他只关注于减少抛杆占用的动能,忽视了配重本身。它的速度虽然不高,只有射弹的八分之一,但它的重量可是射弹加抛杆的十几倍。

比如在四型抛石车上,2000公斤配重,抛掷1公斤的射弹;抛杆自重16公斤,相当于10.67公斤的射弹。这样在1公斤射弹飞出时,配重的动能会有射弹和抛杆动能之和的2.6778倍,2000÷11.67÷8÷8,能量转换效率当然超不过27%。

可是得到这个结果后,姜海涛又发现实际中的能量转换效率好像要比这样算出来的高一点。再继续分析了配重的运动路线后,他发现自己没有考虑圆周运动和垂直运动的区别,把配重的速度估计高了。由于抛杆在48度角结束运动,因此重物下落的速度,实际上只有拉杆这一端圆周速度的0.707倍,也就是根号2的倒数。这样考虑后,上面那个配重的动能就减少了一半,是射弹和抛杆动能的1.3389倍,整个抛石车的能量转换效率不可能超过42.75%。再考虑到射弹和抛杆抬高的势能,还有各处转动的摩擦,配重式抛石车的效率当然没法高了。拉绳式抛石车上,人的胳膊虽然也在快速运动,但不像配重那么重,而且人提供的能量并没有包含消耗在胳膊上的,所以它的效率明显高多了。

发现配重动能太大后,姜海涛自然就想到了一个解决方法,那就是减小配重的运动速度。具体方法也很快想到了一个简单的:改变拉杆的角度,让射弹以48度角飞离时,拉杆接近垂直,这样重物的实际下落速度就会很小。

姜海涛立刻和井在二型抛石车的基础上作了点修改,造出新的抛石车试验。

配重的悬挂点被向下旋转,让它到旋转中心的连线与射弹到旋转中心的连线不再是一条直线,而是有一个小于48度的夹角。经过多次试验,它们发现这个夹角在32度左右最合适,抛掷1公斤射弹时的射程从54米增加到了71米。这时的能量转换效率也提高到了65%以上。

后来他们又改变抛杆的长度,结果发现它从4米缩短到2.2米后,由于抛杆自重大幅降低,1公斤射弹的射程可以达到97米,5公斤射弹也能抛79米。这两种家伙的威力就不错了。70多米的射程可以攻击城外的敌人。特别是10公斤的射弹,足以砸毁他们的过壕桥、云梯等工程器械。

按照惯例,两种完成的抛石车分别被称为五型和六型。

然后他们又在四型抛石车的基础上进行这样的角度改进,最大射程从79米提高到了135米。但仅仅上下两根竹竿组成的细长抛杆太不结实了,抛十来次1公斤射弹就出现损坏。把抛杆长度从4米缩短后,大家发现它的最大射程不仅没有减少,反倒有些提高。于是他们逐渐缩短,最后造出了两种新型抛石车:七型,抛杆长度2.2米,最大射程140米;八型,抛杆长度2.8米,最大射程150米。不过它们俩的使用寿命还是比较低。

这样到6月底时,工场里已经有了八种抛石车。其中拉绳式两种,各自需要50人拉动,最大射程88和134米;配重式六种,重物2000公斤,最大射程54~150米。

归豹刚刚得到性能提高的剑、铍、戈,组建的砲弩部队基本完成了训练,现在又突然得到几辆能用石头砸人的抛石车。结果他战胜楚军的信心迅速“膨胀”,月底时把薳书、养敖、姜海涛找去,问有没有办法重创甚至歼灭楚军。

这个要求把姜海涛吓了一跳。可是他还没提出反对意见,归豹就用他教的“战略”知识来说服大家。

既然现在的战略背景将确定为“胡楚战争”,一场为期几年甚至几十年的长期全面战争,那么“胡城战役”就一定要重创楚军,让楚国短期内无力再次出兵。否则他们下一次的报复可能来得更快更大。如果能像上次在蓼城那样,把楚国来犯的几千人甚至上万人都吃掉,把他们一下子打痛,痛得有点不敢来了,那自然是最好。

养敖觉得这个目标并非空想,因为他现在有了足够的信心在野外列阵对战中击败楚军。但楚军肯定会有兵力优势,所以胡军即便有踏张弩和砲弩的优势,也必然要承受一定的损失。而且那样的胜利,多半也是击溃战,大多数楚军人员还是有机会逃回楚国。思来想去,他告诉归豹:“公子,这样太冒险了。而且就算我们的兵力增加一倍,甚至比楚军还多,也不能肯定把大部分敌人消灭。蓼城之战中我们能消灭那么多楚军,是因为芈午不知道城下的情况,被我们一口一口吃掉的。先是弓箭手中了埋伏,然后是城下的楚军被前后夹击。等我们把这两口差不多吃完时,芈午才带着剩下的部队冲上来,结果又被十弓车弩和养锜他们打散。最后是他们的几十辆战车,在我们突袭营寨时被十弓车弩打退。这里面运气太好了。如果楚军不乱,当时慢慢撤退,我们就消灭不了那么多敌人。”

姜海涛却在养敖说话的这段时间里,根据记忆中的那些经典战例,包括《三国演义》中的一些著名故事,想出了一个让归豹和薳书惊讶的办法——把楚军放进城里,包围消灭。

[注030801]:这里有关“六齐”的解释和看法,是参照《中国古代军事工程技术史(上古至五代)丛书,“十五”国家出版规划重点图书,中国科学院高技术研究与发展“九五”重大项目)中第188~191页写的。学术界对于“六齐”中的比例划分有三种看法,但不论哪种划分法,都与考古出土文物的检测结果存在既相符又明显矛盾的地方。个人以为,钟少异先生对“六齐”的解释最合理,所以在这里主要以他的观点为基础来描写。

[注030802]:“复合剑”现在已是一个专门术语,特指春秋晚期到战国时期出现的,剑脊和剑刃采用不同配比的青铜合金,以分铸法制成之剑。其剑脊含锡量低而含铜量较高,故性柔韧,不易断折;剑刃含锡量高而含铜量较低,故性刚硬,尤为锋利。由于剑刃泛白色、剑脊呈黄色,因此俗称“双色剑”或“两色剑”。从剑体表面看,剑脊似镶嵌而成,故又称“铜镶剑”、“插心剑”、“嵌合铜剑”。

现在考古发现中的最早实物,是据说在山西浑源李峪村出土的少虞剑,又称“吉日剑”,有三件,分别藏于美国、法国、故宫博物院。它们是在1923年被盗掘出土的,年代大致为春秋晚期至战国早期,可能是燕、晋、赵国之器。现在能够确定年代的最早复合剑,是越王州句剑,州句在位时间是公元前448~前412年。出土青铜复合兵器最多的地区,是战国时期的楚国故地。湖南、湖北、江西、广东等地都屡有复合剑发现,长沙楚墓中还出土了复合戈。因此,青铜复合兵器技术以楚国最为发达,发明者多半也是楚或吴越。

姜海涛现在所处的时间点正好是春秋晚期,楚吴可能已经有了这项技术,他在一个小诸侯国中“发明”这种新技术也比较合理。

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