第十节蒸汽炮
作者:法拉第      更新:2017-12-19 12:26      字数:8843

归豹他们,包括归章、章通等人都对此感到很奇怪。小理适合作战的时间是5月到8月,可是他们从4月等到7月底了,楚军还是没有动静。不少人紧张的神经开始有点疲惫,栾元甚至提出楚国可能不想为去年的战败报仇了。

和薳书、养敖商量后,归豹决定还是集中起1000人的队伍,携带脱粒机等设备去蓼城周围收割粮食。这其中200人就是原计划的诱敌部队,但改由养锜代替养敖率领。其他800步卒将首先充当农民。

姜海涛也对楚军的按兵不动感到意外,而且心情开始有点烦躁。在自己的鼓动下,归豹、养敖他们作了那么多准备工作,现在却有可能是白忙活。从这点来说,他有点希望楚军早点来,既给个结果,也能证明自己的那些设计很厉害。另一方面,他又担心自己的计划中有什么纰漏,结果来个城破人亡。

在这种心态下,姜海涛又开始琢磨起“新武器”。钢铁、火药都还无从下嘴,那刀枪剑戟、火炮鸟枪自然也就没戏。还能发明什么呢?这时一个偶然的机会让他把目光转向了高压锅。

那东西本来是为改善饮食设计的,但蒸汽机作为工业革命的标志,姜海涛当然不可能忘记。利用高压锅里的蒸汽造一台蒸汽机,姜海涛以前曾经想到过,但立马就放弃了。蒸汽机里面到底是什么结构?好像有什么汽缸、气门之类的,自己可没有清晰的记忆。而且就算他当时琢磨出里面的结构,还要面临怎么造的问题。连造兵器的铜都不够,哪有材料造这没谱的大家伙?所以姜海涛当时没有再考虑下去。

现在铜的来源正在恢复和增加,姜海涛觉得可以重新想一想了。可是他马上就发现有一个重要问题自己还是无法解决:如何让蒸汽推动活塞持续运动。这恐怕得像汽车发动机一样,有一些放汽、排汽的阀门,让蒸气轮流进入汽缸的两侧,或者是两个汽缸。嗯,想一想都有点头疼。至于怎样把活塞来回的往复运动变成转动,应该没多大问题。磨床上的连杆传动机构已经用了一段时间,工匠们已经积累不少经验。把木制的连杆、飞轮换成青铜的,大概就可以实现。

往复结构的蒸汽机结构太复杂,于是姜海涛又想到了蒸汽轮机。可是再仔细一想,那玩意肯定是在往复式蒸汽机的后面发明的,技术难度恐怕更大。别的不说,蒸汽吹出来的速度就应该很快才行吧?

蒸汽轮机让姜海涛突然产生了灵感,把高压锅的发展方向从蒸汽机转向了更像武器的另外一个东西——蒸汽砲。

用石字旁的“砲”,是因为它暂时只能发射石头造的弹。而且火字旁的“炮”,肯定要留给今后用火药的武器当名字。那玩意肯定是要搞的,虽然现在还无从下口。

蒸汽砲的具体结构,姜海涛首先想到的是造一根铜管,后面和高压锅连着,中间一个阀门。

他简单算了算:现在高压锅里的内部压力都在2个大气压左右,和外界相比,就是压强高1公斤/平方厘米;如果这根铜管内径10厘米,那也只有78公斤推力,和踏张弩的拉力差不多;1米长的炮管,可以让蒸汽提供7**焦耳的能量,接近砲弩了;这些能量如果全部用来推石弹,1公斤的,可以让它达到39米/秒的速度,理论最大射程155米;再像弩那样,考虑能量利用效率,如果是50%,可以让石弹飞出78米。小理

这个结果看起来还不错,但蒸汽能量的利用效率能达到50%吗?姜海涛没有多大把握。他感觉应该比弩、弓的能量利用效率高。因为除了砲弹吸收后转化为动能的能量,剩下的大概只有蒸汽的动能,而这里蒸汽的重量,肯定要比弓弦、弓臂轻得多,所以浪费的能量肯定更少。不过就算效率能到50%,78米的射程也不算远,换成2公斤石弹就只能飞39米了。

看来有必要提高蒸汽砲里的推力,或者它的长度。增加砲管里的推力,一是增大高压锅里的压强,二是加大砲管的口径。这就好比后世的39倍口径身管105毫米榴弹炮,对52倍口径身管155毫米榴弹炮。

让高压锅增压,效果应该更好。现在这些高压锅的壁厚都有1厘米,根据试验得到的青铜抗拉强度数值,理论上能承受100个大气压的内部压力。考虑安全余量,也应该能承受10个大气压吧?

姜海涛从来没试过把高压锅烧到那么高,于是他立刻调了一台进行试验。

烧水前,他还在高压锅外贴了一个压针式温度计,打算测量一下水温,但很快就发现这样得到的数值很不准确,因为锅壁的温度要比水温高多了。在没有放任何安全阀的情况下,锅盖上的小眼里嗤嗤地冒蒸汽时,温度计上的温度就已经达到了150℃。对于姜海涛来说,水温并不重要,于是他拆下了这个温度计,放上标准小铜帽后继续烧水。

在0.2公斤的小铜帽被顶起,也就是锅内压力比外面高1个大气压后,他们给三个安全阀都换上了特制的0.3公斤小铜帽。等到它们被顶起时,表明锅内压力已经达到了2.5个大气压,比外面高1.5倍。随后是换0.4公斤小铜帽,锅内蒸汽压力继续上升,但速度慢了下来。好不容易到了0.8公斤的铜帽被顶起,表明锅内压力已经超过外面4个大气压了,时间已经又过去一个多小时。

虽然高压锅还没出现什么问题,但好几个理由促使姜海涛放弃了继续升温的打算。

第一是加热时间太长,在战场上不现实。第二是现在继续升温太慢了,应该是因为锅体本身已经很热,向外散热太快。负责照看柴火、监视安全阀的两名工匠都热得大汗淋漓,过几分钟就得换人。姜海涛决定今后给这高压锅的四周包一个保温层,然后再试一试。这也提醒他,应该给现在的高压锅都加一圈保温层,以节省燃料。保温材料,可以和垒筑炉窑的材料一样。

按照现在这个高压锅的压力,每平方厘米已经有4公斤。放到100毫米口径的蒸汽砲里,就有314公斤推力,可以把射程提高到先前的4倍,也就是314米。

井和豫听到这个结果后,都感觉难以置信。姜海涛也对这有点怀疑。小理到底能不能射那么远,只能造个砲管试看看。这时姜海涛遇到了一个难题——阀门。

把高压锅里的蒸汽放到汽缸里,速度肯定不能慢。像排汽阀那样的小眼,嗤嗤冒出的蒸汽虽然也很厉害,但显然不可能在砲管里产生314公斤的推力。开个大阀门口,又面临如何密封的问题。

姜海涛首先想到的是自来水龙头上的那种开关。可那是球形或圆形的,里面的具体结构他也不了解。似乎有一个球形的东西在里面,中间穿了一孔,顺过来后水就能流,横过来后水就断了。里面应该还有垫圈之类的密封件。现在要造一个球形的东西,还要封到另外一个东西里,表面光滑得不漏汽。嗯,想想都很困难。

然后是风箱上的活门,翻转着开关。不过活门是方的,这里难道要造一个方形的阀门?在小区、厂区里见过的锅炉,还有通水蒸汽的暖气片,上面的阀门可都是圆的,为什么没有方的呢?这方的圆的有什么关系吗?姜海涛想不明白,决定先直接设想一个方形的阀门:管道内一个翻板,有一根轴穿到外面,外面一根杠杆。翻板平时横在管道里,挡住蒸汽;转一个直角后,就可以让蒸汽通过。这根轴显然在中心最合适,可以让开关的力最小。这时姜海涛感觉到,工程师们把阀门设计成圆的,大概就是为了中间的翻板,因为圆形的似乎好加工一点。阀门的口径,他定在了120毫米,比砲管口径的100毫米大一点。因为翻板自己就有10毫米的厚度,就算阀门完全打开时也会挡住中间的位置,因此要想让蒸汽顺利流动,这里的孔径必须稍大一点。

这个阀门要尽量避免蒸汽泄露,还得考虑如何铸造,所以姜海涛和工匠们在细节上要费不少功夫。

首先,阀门得分成两部分,否则无法把翻板、轴弄进去。于是姜海涛把阀门设计成前后两段,之间有半圆形的轴孔,铸造在一体的翻板、转轴、杠杆会放到这里,然后两段拼合。两段拼合处的外面都有一圈凸出边,磨平了,中间有一圈沟槽放皮革条,像高压锅的锅盖一样,然后用青铜夹夹紧。青铜夹是u形的,里面比两个凸起相叠后的厚度要小一点,必须用锤子敲下去,这样就能保证紧密。

这种凸出边和铜夹,也将是蒸汽管道之间的连接方式。姜海涛回忆起这东西好像叫什么“法兰”,是用螺栓连接两段管子。想到这里时,他想了想自己能不能造螺栓,可发现螺纹的精度要求太高,现在很难达到。

整个阀门的铸造难度不大,因为春秋人已经掌握了多种铸造工艺。用比较费时的失蜡法,还有合铸法都可以完成这个青铜阀门的铸造。磨平法兰之间的结合面也不算多困难,因为它们也就相当于一个直径15厘米的高压锅。可是阀门中间那个翻板和阀门内壁的接合面,就有些难度,很费时间了。工匠们利用卡尺仔细测量、修整蜡模,打磨翻板的边缘和阀门的内壁,费了不少工夫,但这个阀门在第一次盛水试验中还是出现了滴水现象。而且这个现象不仅出现在翻板周围,还出现在转轴孔那里。

姜海涛对轴孔又改进了一下:在孔上开了两圈沟槽,轴上则套了两个皮圈,正好嵌到沟槽里。小理这虽然增加了一些旋转阻力,还有磨制的工作量,但轴孔那里基本不滴水了。翻板和阀门之间的缝隙,也采用皮圈进行了加强。那里也是阀门前后段的结合处,所以皮圈被夹在那里,固定在阀门内壁上,翻板横过来后可以与它紧紧贴合。

这第一个阀门被固定到一个新造的锅盖上。它和普通锅盖相比多了一个弧形的弯管,在锅顶上形成一个48度的接口,阀门就被夹在这个接口上。

可是在第一次试验中,高压锅的压力没能升到预定的5个大气压,因为刚到3个大气压,阀门上就开始漏汽了。虽然漏出的汽看起来不多,但高压锅本身体大壁厚,升温速度并不快。姜海涛看着嗤嗤冒出的热汽,焦急地等着锅内压力升高。声音越来越响,表明锅内压力还是在顽强地升高,但也让大家越来越焦急。最后升到4个大气压时,不仅阀门上漏气,锅盖周围也开始漏气了,姜海涛不得不马上命令熄火。他打算让人去扳动杠杆,利用阀门放汽,可是锅盖周围冒出的蒸汽让人无法靠近。最后他们用一根竹竿挑掉了安全阀、排汽阀上面的铜帽,释放蒸汽。

高压锅足足过了一个多钟头才冷却,这时他们拆下阀门、锅盖进行检查,发现里面的皮革密封圈都坏了,成了一条条烂泥!

这时几个生产高压锅的工匠不好意思地过来告诉姜海涛:以前他们就发现高压锅里的皮革密封圈用段时间后会软化,需要换成新的,但他们没有当作什么重要的事,也就没向姜海涛汇报;但是这一次这么快就坏,他们也实在没有想到。姜海涛没有批评他们,因为这个问题其实他应该想到的:高压锅本来就是为了更容易把肉煮烂而造,里面的高温高压蒸汽自然对皮革也有一定的“蒸煮”作用;过去锅内压力只有2个大气压,可能对皮革的破坏不算快,现在提高到5个大气压了,可能超过了皮革能够承受的温度、压力极限;锅盖的密封圈大概在上一次试验中就损坏了,只不过当时还没有漏汽。

想明白这点,姜海涛决定采用另外的材料代替皮革圈进行密封。能够承受更高温度和压力的,恐怕只能是金属了。

铅就比较软,姜海涛当初设计高压锅时曾经想到过它,但立刻否决了,因为铅有毒,可不能用到炊具上。现在这个锅与饮食无关,倒是可以试一试。锡也比较软,但似乎太软了,特别是超过100℃后。

然后姜海涛又想到了铜。后世中好像很多阀门、管道就是用黄铜造的,不知道和现在冶炼出的那种铜是不是一样。好像颜色有点区别。电线里用的铜,看起来发红发紫,也很软,倒是和现在冶炼出的铜锭很像。通电的好像就是纯铜,电的良导体嘛。不过先不管电了,反正铜应该也是一种比较软的金属,后世好像有很多铜垫圈、铜密封环之类的。

现在从霍运回了不少铜锭,姜海涛的高压锅、阀门、砲管也不需要高含量的锡,因此材料供应上没什么问题。整个蒸汽砲,算上高压锅、砲管、阀门等,基本相当于两个高压锅的金属用量。而且在归豹眼里,高压锅已经和鼎、爵、斛等器具一样成了一种礼器,可以给祭祀、占卜活动提供“独一无二”的肉食。现在姜海涛说这高压锅还能打仗,他自然更高兴了,立刻批下来一批铜料。

难点主要在精细加工上。打磨阀门、法兰,现在的磨床用处不大,主要还得靠工匠磨。为此,归豹已经把手头上手艺好的玉石工匠都调过来了。

从试验高压锅的压力,到现在发现阀门、锅盖的密封需要改进,已经过了半个月,到8月中旬了。可是让归豹、姜海涛奇怪的是,楚军还没有动向,似乎把胡国忘记了。于是姜海涛继续研制它的蒸汽砲,心想没准还能赶上胡城战役。

他让工匠们铸造了一个纯铜环和一个铅环,代替皮革圈放到高压锅里。锅壁周围已经被糊上了一层用粘土等材料做的保温层。

第一次试验中高压锅还有漏气现象,但是通过对漏气点附近的密封环进行检查,然后靠敲打、打磨等手段修整,几次试验后这个问题解决了。在第三次烧水试验中,保温层又出现裂缝,掉下一大块。姜海涛明白这是因为自己没有考虑到青铜锅的热胀冷缩,泥质的保温层和锅壁之间没有事先留点空隙。

第六次试验,高压锅顺利烧到了5个大气压,然后又往上升了1个。这时姜海涛不敢再提高了,怕青铜锅的铸造缺陷引起爆炸事故。万一出现那样的问题,很可能让自己的“发明”工作夭折。何况5个大气压已经不小了,先成功打一砲再说。

金属密封环看来很有效果。铅环要比铜环更方便些,靠锅盖的强力挤压就可以紧贴两侧,完成密封。这样锅盖、法兰那里都不再漏气了。然后要面对的就是如何用铜环、铅环密封阀门。

姜海涛曾想过用纯铜铸造那个翻板,包括转轴和杠杆。纯铜的强度不如青铜,有可能让杠杆、转轴扭曲,但他觉得只要加粗转轴就可以解决。工匠们则提出了另外一个问题:万一在加工翻板的边缘时出现失误,比如多磨掉了一些,划出了缺口,那整个翻板就报废了,得重新铸造、加工。姜海涛一听,也是啊,这样可很耽误时间,而且根据自己的考试经验,这样会让加工者有更多的心理负担,影响发挥。

不过这个问题没有难住姜海涛,他很快就想到了解决方法:铸造一个尺寸略小的翻板,然后在周围套金属密封环。这办法其实在战车上已经采用了,就是铜制的轴套、轴瓦。它们在磨损或损坏后可以取下来,然后换上新的,方便战车的维修。密封环的安装方法也可以参考轴套:把它加热,让金属环变大,然后套到车轴、翻板上。为此,翻板边缘增加了两圈凹槽,在转轴的两侧,准备用来容纳两个金属密封环。

密封环的截面是圆形,套上后会让翻板的直径比阀门内径大一点点。利用专门加长了卡头的卡尺,工匠们把阀门内壁的直径误差控制在0.5毫米以内,而翻板加上密封环后的尺寸在150.5毫米以上,确保翻板和阀门内壁之间不会有缝隙。至于多出的部分,姜海涛采用了一个最粗笨的办法:把阀门装好后转动翻板、关闭阀门,在一侧用锤子、木棍敲击翻板,让它挤向阀门内壁,然后打开阀门,再关闭敲击,直到翻板和内壁紧紧贴合。铅环很容易就贴合紧密了,纯铜则废了一点力气。

8月下旬,四个采用金属环密封的阀门进行了试验,结果比较成功。铜环虽然加工困难点,但密封性好。两个铅环密封的阀门则在开关几次后开始出现一点漏气现象。打开后检查发现,铅虽然容易变形,但不像铜那样有弹性,和阀门内壁接触、挤压几次后就变薄了,贴在翻板的边缘。高压锅的锅盖上用铅环倒是问题不大,因为可以在取下后把它重新敲打回原样。

最后,姜海涛决定在锅盖、阀门、翻板上都采用纯铜制的密封环。

蒸汽砲余下的部分就简单了。

砲管,就是一根内径100毫米、长1米多的铜管,壁厚1厘米,一头有和阀门连接的法兰盘。为了让砲管内部尽量光滑,工匠们首先是对泥范的内壁进行了仔细加工,让铸造出的铜管内壁尽量平整。但它的内径比100毫米小将近1毫米。材料中锡的含量只有8%,属于比较软的青铜。然后他们又铸造了五个10多厘米长的青铜柱,锡含量16%。它们一端直径95~99,另一端直径96~100毫米。这几个青铜柱被先后塞入砲管,然后用大锤、木干往下敲,强行挤压砲管内壁。这样虽然不能让砲管内壁完全光滑,但用来发射砲弹已经足够了。

砲弹则更简单。姜海涛可不打算用铜、铅等铸造金属砲弹,用不起。唯一好用的材料就是石头。可是让人把石头凿成圆球很费工夫,尺寸肯定不准,还会划伤砲管内壁。但这没有难倒大家。他们用竹筒制造杯子样的东西,把石弹放到里面发射。竹筒选择外径刚刚10厘米的竹子,截成10厘米长,一端留着竹节。这样石弹的加工也很容易了,只要能放到竹筒里就行。

为了加工这个竹石砲弹的外壁,工匠们参考制陶的转轮,造了一个石质转盘,中间有一个木柱。把竹节套紧在这个木柱上,然后旋转转盘,就可以用青铜锉对竹筒的外壁进行磨削,把它的外径加工到10厘米。为了保证砲弹顺利出膛,竹筒都要保证不超过10厘米,以放入砲管后可以顺利滑下为标准。

姜海涛还从真空式抽水机和阀门的密封上吸收了经验,在竹筒底部锉出一圈小槽,套上一个皮革圈。在他的记忆中,似乎迫击炮弹上也有类似的密封环,可以减少火药燃气的泄漏,保证炮弹的速度。

至于砲管的支撑,还有高压锅的加热和移动,两辆特制的双轮车给解决了。一个双轮车的车轴后面有一个铜座,下面吊着金属框,上面架着高压锅。另外一辆车用来运输砲管,上面有一个人字形支架,可以把砲管的前端用绳索吊起来,形成48度发射角。

整辆蒸汽砲到8月24日算是全部完成了。

高压锅加上阀门、砲管,还有下面加热的底座,一共达到了160多公斤。归豹和养敖兴奋地跑来看第一次发射试验,因为姜海涛说这东西叫“热兵器”,将是对剑、戈、矛、弓这些“冷兵器”的一次革命。

试验也确实如姜海涛所说,是“一次”革命。

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