19世紀風帆戰艦的結構難題（二）

船體結構遭受的種種磨難

題圖：1765年勝利號預備下水（看不清首像，也可能是18世紀70、80年代的其它一等戰列艦。）。

接前文：http://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404019924652660408&mod=zwenzhang

木頭結構在風浪中受力變形、釘子鬆動，最後船體的木頭構件相互錯動（Working）。這種現象再加上戰艦總體結構的特點，最後導致了船體整個的變形。這就成了始終困擾工匠、讓戰艦無法造得長度很長的原因。

首先，戰艦的總體結構是什麼樣的？

戰艦肋骨結構（右舷），為了顯示肋骨排列，每隔一副肋骨就鋸掉一副肋骨。

如上圖，戰艦就是一根筆直的龍骨上橫向固定很多很多副肋骨，肋骨內外再縱向固定很多很多條內外殼，如下圖。

上圖，戰艦肋骨-船殼結構（左舷），上層可見還沒包裹船殼的密距肋骨，下方是一條條粗細不一的各色船殼。

沒有鋪設甲板條的中層炮甲板，可見粗細甲板橫樑之間，逐段拼接的縱向甲板梁。

除了外殼，戰艦內部還有1到3層搭載火炮的甲板，戰列艦和大型巡航艦的炮甲板以下還有一層堆碼物資的最下甲板（Orlop）。這些甲板由縱橫甲板梁搭建而成，上面鋪設甲板條供人員通行、布置火炮和艙室。上圖的模型勝利號就有四層甲板，這些甲板的縱梁、甲板與船體側壁相接處的縱向支撐材、甲板樑上鋪設的甲板條，都是加強戰艦縱向強度的構件。

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17世紀80年代的一等戰列艦布里塔尼亞號上下分體模型，所有甲板都沒有鋪設甲板條，露出下面的支撐結構。取下上半部，可見下半部分展示出炮甲板上粗大的縱橫樑材。

所以風帆戰艦的船體就像一個木桶，桶底是龍骨，肋骨是拼成側壁的一根根豎條，船殼則是箍緊豎條的環箍。這樣的一個整體結構，龍骨是許多片拼成、每一副肋骨也是，船殼更是砌磚一樣的一片片，而且所有構件之間只是在有限的點上相互連接。這數百構件在數千個有限點上相互固定的結構在大風大浪中能堅持幾年？堅持不了幾年。

一艘戰列艦，如果服役期間一多半時間在港內撤去大炮、帆裝而定泊封存（Laid up），一小半時間在海上服役，每次任務幾個月到一年，然後入干船塢「小修」（Minor Repair），即更換局部疲勞磨損以及發霉腐壞的構件，那麼整個船體結構大約可以維持10~15年，英國有很多服役數十年甚至上百年的戰艦，那其實是前文（http://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404017384330544098&mod=zwenzhang）所說的、執政黨的花名冊手腳，以「重建」（Re-built RB）的明義建造新戰艦，規避在野黨的攻擊。比如1737年的第三代勝利號，她名義上是第二代勝利號的重建，可是「重建」之前10年，第二代勝利號已經拆毀，尚堪使用的木料保存在庫房裡了。

上圖，帶有高大四層尾游廊的第三代勝利號。這四層尾游廊是她的辨識特徵，她最後在風暴中失事，跟高大的尾游廊不無干係——尾部過於沉重影響側風位時的操縱性。根本原因則在於該艦艦體的各個構件已經疲勞鬆動，最後艦體風暴中解體了。造成這一慘禍的根源則是：一方面，傳統英式造船習慣已經不適應18世紀上半葉這樣大型化的戰艦，需要引入更新的造艦技術，比如當時法國的造艦工藝（當時法國羅切斯特一位總工程師化妝偵察，深深體會英國拘泥傳統，許多設計和工藝並不合理。）；另一方面，這樣考驗英國造船工藝極限的船體還要承擔28門42磅炮每尊三噸多的重量，在詹金斯耳朵戰爭中頻繁穿行風波里，實在不堪重負。根據這位法國間諜的記述，勝利號剛造好時在船台上船體結構就顯出疲勞磨損以及發霉腐壞的跡象。此後幾次大修都不解決問題，該艦搭載的倒數第二任艦隊司令更是堅信該艦不久後就會不堪重負，愣是討要到退休令逃過一死。（17世紀傳統英國造船技術和18世紀以來法國較為更加合理的造船技術，不是一朝一夕、在這裡可以詳細描繪的，待到遙遠的將來。。。）

如果戰艦因為戰事緊急，去往美洲加勒比殖民地長期連續服役一年以上，因為那裡干船塢基礎設施缺乏，熱帶水域多海洋生物破壞船底船殼、多颶風天氣，這些船回航西歐後就像從小踏上奧運征途多年的退役老運動員，渾身傷病。此時只好入塢大修「Major Repair」，許多地方需要扒掉內外船殼和甲板條，露出下面的結構材料，大段大段地更換材料。這樣如果還能算是原來那艘戰艦的話，船體壽命也是十來年。

如果是戰時應急建造的戰艦，使用了採伐後不久，尚沒有充分乾燥的木料，木料含水量在20%至50%之間，當戰艦內部層層甲板封閉起來不見太陽光，木頭戰艦又並不水密，那麼船殼木料縫隙里積存水分、造成潮濕環境，就開始讓黴菌陰滋暗長，真菌一方面分泌消化酶降解木製纖維的木質素高聚糖，一方面真菌菌絲積存鹽分形成高滲透壓而吸干木料水分，最後木料就化作齏粉，這種腐朽當時人稱為「Dry rot」，因為不是木料泡在水裡朽壞的——實際上泡在水裡隔絕氧氣，真菌無法滋生，再加上海水，就可以殺死其它陸上寄生生物，所以英法船廠都有大水池用海水浸泡保存船體的橡木材料。未乾透的新木料造的船體壽命超不過5年，帶有部分腐朽的木料更抵抗不住風浪的拍擊，迅速鬆動。

風浪中錯動（Working）與甲板下陰暗處的霉腐（Dry rot），最後整個船變得不堪使用。曾經有記載一艘長期海上服役的輕型巡航艦回到港內後進入干船塢，水排掉後船體就解體了！因為失去了水體對水下船體的側面支撐，肋骨就像環箍不管用的木桶一樣散開了。同樣，17世紀70年代也有一個記錄，維修時已經拆除了一部分水線以上的船殼、甲板條。這個時候放掉干船塢里的水，因為船體結構件之間已然鬆動，少了水線以上船殼、甲板條提供的縱向連結，肋骨也開始散了。只好把船底鑿穿放水進來挽救船底結構的整體變形。同樣，風暴中船底開裂進水的例子也很多，也留下了一路保持水泵人力排水而免於沉沒、逃回港口的記錄。

勝利號縱剖視圖，可見三根桅杆都是直插到龍骨的。

當大風大浪中，風鼓起帆，帆就拉扯著桅杆，於是桅杆就成了一根撬杠，如上圖，可以撬開船底的船殼造成漏水——其實風吹帆，帆帶動桅杆，桅杆撬動船底，這就是帆船推進的原理，只不過日常沒有這麼明顯的撬開船底船殼。比如當年五月花號預備帶著清教徒開往北美，其實這幫來自英國內陸的鄉巴佬清教徒之前出航過一次，可是因為他們寓居地荷蘭的商人心眼壞，就借著他們鄉巴佬不懂航海的機會，騙他們買更高的桅杆，推力大說不定去得快，結果桅杆過高，漏水太多根本沒法橫渡大西洋就只好回來了。

以上多是各個局部的問題，只要小修、局部替換損害的構件即可。還有一類嚴重的、除非大修或重建不能解決的整體問題，這就是戰艦整體變形，也就是龍骨變形。龍骨上彎、下彎、側彎，就好比人的脊椎畸形，無論是雞胸駝背還是脊柱側彎都嚴重影響內臟等的正常定位和功能。

比如美國的憲法號重型巡航艦，該艦於18世紀末計劃、建造，19世紀初造好入役。到了1812年英美之間爆發衝突的時候該艦已經服役了快10年（以上數字都是胖達的記憶，應該不準確，請看帖的朋友指正），這時候憲法號來了一次「大修」，其實這樣不一定比每年如無小修省錢。這時候憲法號的龍骨已經變形，這種變形有多大呢？不到50米長的龍骨的中腰部分，可以比首位部分拱起來數十厘米，也就是形變達到總長度的百分之一以上。這樣原本密集排列的肋骨之間就開了縫、張了嘴；原本留下來的、比較小的肋骨間距也拉大了。各個甲板條、內外船殼之間的縫隙也錯動、張開了，裡面為了防止漏水而填埋的松樹膠油裹著麻絮也跑出來了。

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上圖，美國紀念1812年戰爭200年，於2012年發行的憲法號郵票。油畫來自某個博物館藏的某位畫家系列作品。

就是這個龍骨變形問題限制了帆船船體的長度。而且設計師和工匠們分析，這是因為木料強度有限，戰艦縱向強度不足。所以只有三層炮甲板的一等戰列艦，因為甲板層數多，縱向加強件多，所以才能造得最長；像憲法號這樣一層炮甲板卻比英國74炮戰列艦還長（胖達我的記憶，數據未現場核實），是一定要龍骨變形的。

要解決這個問題，打開通向大型化的大道，就要先分析這個問題的具體原因，當然了當時18世紀末、19世紀初的造船老司機可不是愛丁堡大學幫助瓦特改進蒸汽機的教授，他們只會按照自己的經驗與感受提出解決方案。那麼，他們的理解從今天的科學角度看，對么？當代的帆船研究者是接受並發展還是有所揚棄？且看下回介紹：龍骨變形的物理學。