——近代军舰炮塔的发展
李玉生——
在整个十九世纪,工程学得到了前所未有的发展,有两类圆筒形的东西越造越大.一类是书生用的东西——天文望远镜.一类是杀人的东西——火炮.许多年以前,法国剧作家莫里哀就对巴黎天文台的折射式望远镜吃惊不已,形容它们“大得吓人”.其实和现在的望远镜比起来,它们的口径远称不上大.只不过是身子很长.因为当时消色差透镜还没发明,而长焦距的透镜被认为可以使色差影响小些.
天体的周日视运动的角速度很小,所以天文望远镜相对好办些.漫漫长夜里,天文学家们大可以耐心地等待心仪的天体慢慢进入他们望远镜的视野,然后再让望远镜跟上它慢慢地转.看看罗斯伯爵设置在英国乡村的2米口径反射式望远镜,尽管运动机构笨拙不已,左右可活动的范围很小(两侧是支承着望远镜的石头墙),可并不影响罗斯伯爵利用她目视证实了某些遥远的云雾状天体是星系,是与那些纯粹的星云有区别的.海军大炮可就不同了,战斗中射击的机会稍纵即逝,一般来说没有哪个傻子的军舰会老老实实地在那个无遮无掩的“流质平原”上静静地让人瞄准.常规的大炮炮架射击角度可调范围非常有限.所以当JohnErricson为美国北方政府设计新式铁甲舰时,想到的是要为她配备一个可以旋转的炮塔.
Erricson设计的炮塔的内径是20英尺,由8层1英寸厚的钢板铆接围成.炮塔压在一圈耐磨的铜质滑轨上,中心轴**炮塔基座中.中心轴上有一个大齿轮,两台简易蒸汽机械通过齿轮系统推动炮塔旋转,转速可达每分钟两圈半.
开始,Erricson曾打算将炮塔的地板做成格子状,方便人员进出和炮弹运输,后来发现,这样会导致火炮射击时的气浪通过格子地板进入舰体内,所以只好改变设计,把地板做成整体的一块,只留出人员和炮弹通过的开口.火炮的俯仰还是沿用老办法,一根螺柱顶着火炮的尾部,当转动螺柱上固连的手轮时,可以使火炮的尾部抬高降低,实现炮身的俯仰.
“Monitor”炮塔内景
那时还没有什么瞄准设备,全凭炮手的经验,通过炮塔的射击孔观察目标.后来为了观察目标方便,干脆将装甲指挥室设在了炮塔的顶部.对固定目标的射击可以通过炮身的调整来进行瞄准,而对运动目标,可以通过炮塔的旋转和舰身的移动来跟踪.
炮塔内设置两门11英寸滑膛炮,弹药库设在炮塔下方的舰体内.在炮塔的顶部设有手动滑车式吊钩和供它前后活动的滑轨.火炮射击后在后座力的作用下退入炮塔内,滑车式吊钩通过地板上的开口将炮弹吊上来,然后沿着滑轨平移到炮口的前方,由炮手将炮弹推入炮膛.同时,为了方便射击,一部分炮弹也可以先堆积在炮塔内,随时取用.
这样的装填方法和瞄准方法,射击速度可想而知,“Monitor”在历时四个半小时的战斗里,总计射击了41发炮弹.
Coles炮塔和Erricson炮塔的比较
统治着海洋的英国人不会放过任何一种对海军有用的技术.他们要维持对海洋的霸权,就必须使他们的海军与时俱进.差不多同一时间,英国人CowerColes也提出了自己的方案.1861年他在一艘小炮艇“Trusty”上进行了一系列实验后,于1864年将成熟的炮塔技术应用到比炮艇更大的军舰上.
秘鲁“Huascar”铁甲舰上的炮塔是典型的Coles炮塔.炮塔的一半露在舱面甲板上,一半藏在甲板下.露在甲板上的圆壁外侧是厚厚的钢板,内侧是柚木起缓冲的作用.在炮塔内的地板上,用木梁搭出一个斜坡,铺上钢轨,火炮放在炮架上,在火炮射击连同整个炮架后退沿斜坡上升,消耗掉后冲的能量,同时也就退入炮塔内进行装填作业.在每门炮的炮架下连着铁链,铁链绕在制退斜坡下的一组链轮上.当火炮射击后后退到斜坡高处时,卡死链轮,铁链便拉住炮架使之不能从斜坡高处滑下.当完成弹药装填后,放松链轮,炮架便可以从斜坡高处徐徐滑下到射击位置.
炮塔底盘的中央是转动立轴.从立轴上水平地沿炮塔的圆周径向放射状伸出一些轮轴,轮轴的外端尽头安装着炮塔的滚轮,这些滚轮压在一圈钢轨上,当炮塔转动时,滚轮可以沿钢轨滚动,显然,滚动摩擦力比Erricson炮塔直接压在铜轨上的滑动摩擦力小.
掀起的“Huascar”军舰炮塔,可见藏在甲板下部分的开口
炮塔藏在甲板下的部分,圆壁上有一些开口,这是人员和炮弹进入炮塔的通道.装填炮弹的方法与Erricson炮塔有一点区别.因为“Huascar”军舰比“Monitor”大了,型深也相应加大.不能只靠一台滑轮吊车直接将炮弹从弹药库吊进炮塔.所以,先用甲板下的一台吊车将炮弹从弹药库通过装甲防护的垂直通道吊入炮塔下部,然后用炮塔顶部的滑轮吊车通过火炮后部地板上的开口吊入炮塔上部,再平移到炮塔前部装入炮口.
Coles炮塔结构图
炮塔的顶部设有格子板通风口和炮长观察口,炮长可以通过观察口对外了望,指挥炮手瞄准.顶盖厚度较薄,因为当时火炮射击仰角不大,被对方炮弹大角度入射的可能性不大.炮塔的旋转由人力驱动,10个人在炮塔外的甲板下使劲转动手轮,使炮塔每15分钟转动一圈.可想而知,后来“Huascar”军舰被两艘智利军舰左右夹击时会狼狈成啥样子,结果是被俘.智利俘获“Huascar”军舰后,对舰体结构进行了改装,干的其中一件事情,就是给炮塔装上蒸汽驱动的旋转机构.
丹麦军舰“RolfKrake”模型的照片,注意Coles式炮塔顶部的格子状通风口.
通过一些文献,可以了解当时Coles炮塔是如何工作的.1877年英**舰“Cerbures”在参加舰队演习的时候,留下这样的记录:
“军舰舱面的杂物已清理干净以便火炮射击,炮塔也由人力转动起来.每个炮塔上都有一名军官在负责观察目标,他依靠他的经验决定炮塔在哪个位置停下来,哪一门火炮在哪一个时间开火.炮弹的提升和装填由炮手完成,并且转动炮塔去瞄准军舰侧面的目标.火炮退入炮塔进行装填,然后沿着斜坡再次滑到射击孔前,射击时的后坐力使它重新退后到装填位置.但在平时练习炮弹装填时,是由炮手把大炮推到后面去.实弹射击时,每个发射药包重50磅,炮弹重400磅.”
Coles炮塔也在不断的改进,后来的军舰上普遍配备了蒸汽驱动的炮塔旋转机构.炮塔内的火炮制退斜坡也变成全金属结构,不再用木料搭建.而且在斜坡下加上了液压阻尼制退设备,使炮架得到更好的制退效果.1868年,在“Bouledogue”撞击巡洋舰上出现了一种改进的Coles炮塔.它底盘上的中央旋转立轴做成空心的,炮弹通过立轴的空腔吊入炮塔.
但新的火炮技术的出现,迫使炮塔出现更大的变化.
慢燃火药的应用使火炮射程可以增大,但也使炮管必须做得很长,以便炮弹在炮膛内加速的时间更长,出膛速度更大.炮管的增长使前膛装填变得很麻烦,尤其在军舰上.炮塔不可能继续增大以让炮口完全退入到炮塔内进行装填.要继续使用前膛炮的话,只能将装填作业搬到炮塔外进行.1871年下水的英国战列舰“Devastation”和下水时间稍迟的同型舰“Thunderer”上首次安装了这样的装填设备.
我们用“英弗来息白”战列舰的炮塔来举例,她的炮塔和“Devastation”的炮塔相似.军舰的甲板在炮塔旁隆起,下面有一套蒸汽—液压系统来完成整个弹药装填工作.火炮炮架下的液压作动筒先将炮口降低到甲板下,机械驱动的滑轮吊车将炮弹和发射药一起从底舱的弹药库通过垂直通道吊到安放炮塔底座的那层甲板上.由人力将它们推到炮塔底座旁,在这里有一台液压扬升机.弹药放在扬升机的托盘上后升高到炮口前,一个液压推杆将其推入炮膛.完成装填作业后,火炮炮架下的液压作动筒重新将炮身抬起到发射角度.
“英弗来息白”军舰的炮塔
在随后的日子里,装备炮塔的军舰逐渐占据了各国海军的主力位置,“将主炮安装在旋转炮塔里”,直到今天的军舰依然是如此.可是Coles却没能看到这会令他觉得自豪的一天.1870年9月6日黄昏后,英国海峡舰队的11艘军舰在比斯开湾航行时遭遇猛烈风暴,排水量7,767吨的战列舰“Captain”——最早安装Coles炮塔的大型军舰之一——在风浪中倾覆,仅17人生还,475人遇难,其中包括CowperColes.他当时正在军舰上观察他设计的炮塔的实际使用效果.
后来调查的结果是,“Captain”在舱面安装了两个沉重的炮塔后,重心升高,在张挂风帆后这一危害性进一步扩大,而舰体在稳定性方面没有相应采取加强措施,使军舰在大风浪中抗浪能力严重恶劣.针对这次事故,建造中的战列舰“Devastation”,“Thunderer”和“Fury”立即停工,舰体设计进行了紧急修改.另一艘建造中的战列舰“Minin”甚至走了回头路,恢复了旧式的“船旁列炮”的火炮安装布局.但旋转炮塔受到的挫折仅是短暂的.
英国战列舰“Captain”在比斯开湾航行时遭遇猛烈风暴而倾覆
另一个意外的事件,预示着前膛炮将要走到尽头,同时也迫使炮塔的结构作出很大的改动.1879年1月2日,战列舰”Thunderer”上的一门12.5英寸38吨前膛炮发生爆炸,炸死9人炸伤35人.该炮在进行打靶时不发火,但没有引起舰员的注意,再次装填弹药射击时发生事故.很显然,如果是使用后膛装填技术,这样的事故是不会发生的.因为从后膛装填炮弹,就可以很方便地检查和清理炮膛内部残余的发射药.这门大炮的残骸后来被运回工厂,曾纪泽在担任驻英国大使时参观Amstrong的火炮工厂,看过这件残骸.他的日记中对工厂保留残骸的用意叙述得很清楚:
“旋观‘吞锋罗’兵船炸坏之炮,盖因复装子药致有所失.以铁条箍破处,庋置局中,绘图贴说以示大众.前口糜碎而后膛仍完好如初,亦可证炼熟铁之得法也”.
工厂是要向各国的火炮用户讲清楚,这次事故是操作失误引起,与制作质量无关.避免因为此次事故影响他们产品的声誉.
“Thunderer”火炮的残骸
顺便说一下,有的军舰,注定是吉星高照,运气好得很.如日本海军的航空母舰“瑞鹤”,历经袭击珍珠港,珊瑚海海战,圣克鲁斯海战和马里亚纳海战,居然没受过伤.荣膺“开战以来の武运舰”(日语原文)的称号.而有的军舰却从服役那天起就磕磕碰碰,麻烦不断.
战列舰“Thunderer”就是这种非常不走运的军舰,出的事故都是严重得名留海军史的.1876年7月14日,她在航行中锅炉发生猛烈爆炸,15人当场死亡,23人在当天午夜前死于医院,40余人受伤.
两次事故被许多海军史书籍提及,经验和教训都被应用到后来军舰技术的改进上.
“Thunderer”火炮的炮弹装填
随后,英国在1879年成立了一个委员会,研究是延用前膛火炮还是引入后膛火炮——这样的会议在1865年就开过!不过当时的后膛炮是使用连续螺纹炮栓.但是在这一次,是主张后膛炮的占了上风,他们手中甚至已经拿着一份新式重型火炮的介绍资料.但同时,也给维护前膛炮分子们留了些面子.因为许多前膛炮眼下还在许多军舰和要塞上继续使用.在遥远的新西兰,到了1900年才将最后一门前膛炮退役.
事情到了连最保守的人都觉得“后膛装填是明智”的地步.英国制炮总监在1873-1879年火炮技术的总结报告中提到,“继续增长炮管长度的关键是使用后膛装填技术.法国,德国以及其他国家早就在进行这方面的研究.建议使用法国创造的间断螺纹式炮栓”.
间断螺纹式炮栓
这里简单介绍一下间断螺纹式炮栓的结构.炮管的尾部带有螺纹,但不是整个内膛圆周方向上都有,在1877年的时候,螺纹部分只占整个内膛圆周的一半.同样炮栓上也有这样间断的螺纹.到了1890年,为了承受越来越大的发射药爆发时的膛压,螺纹部分增大到占整个圆周的2/3,而且螺纹段的长度也加长了,以加强炮栓和炮管之间的连接强度.炮管的尾部看上去很象铰制外螺纹用的丝攻,炮栓则象铰制内螺纹用的丝锥.炮管有螺纹的地方正好是炮栓没有螺纹的地方,互相错开.这样,当弹药装填完毕后,炮手抓着炮栓上的手柄(handletowithdrawscrew)转动90度将炮栓推入炮管尾部后,炮栓上有螺纹的地方正好楔入炮管没螺纹的地方.这样炮栓上的螺纹与炮管尾部的螺纹每一圈都一一对齐.此时只需将炮栓相对炮管转动不大的角度,就可以使两者的螺纹丝丝相扣.炮栓牢牢地拧紧在炮管上.
想象一下,如果是采用连续螺纹的话,那就要象拧瓶盖一样,将炮栓转动许多圈才能完全拧到炮管里.比前膛炮更麻烦.这也是在此之前尽管连续螺纹炮栓的后膛炮出现了多年,但仍没能将前膛炮赶尽杀绝的原因.
到了1886年,中国战列舰“定远”完工后的数年,在英国战列舰“Colossus”上出现了以下这种后膛装填炮塔.
“Colossus”炮塔结构图
炮架下的液压俯仰作动器将炮架下降,使炮身抬起至13.5度.此时炮管与炮塔下部侧壁上的装填口和炮塔外的延长滑架三者的轴线重合.弹药从弹药舱提升上来后,从扬弹机托盘上通过延长滑架和炮塔下部侧壁上的装填口,被推入炮膛.关闭炮栓后俯仰作动器再将炮身调整至发射角度.火炮射击后的制退完全由炮架上的液压阻尼机构来完成.制退用的斜坡不再出现了.
以Coles所首创的这类炮塔,由炮塔侧壁厚实的装甲为火炮和炮手提供防护,侧壁厚度由“Monitor”最初的8英寸发展到“英弗来息白”的装甲厚度是外层9英寸,内层7英寸,中间夹层是18英寸的柚木,炮塔全重750吨,非常沉重.在炮塔旋转时是整个装甲圆筒子一块转,可想而知旋转机构的功率要非常大.而且尽管炮塔顶部有通气口,火炮射击时产生的硝烟还是不容易很快排除.一旦敌方炮弹从炮塔与舱面甲板接缝处飞入,摧毁旋转机械,炮塔就转不动了.英国人对最后一个问题的解决办法是,如果是“铁甲堡”式军舰,由铁甲堡的装甲带为炮塔的旋转机构提供防护;如果是靠装甲甲板提供防护的军舰,则将装甲甲板的位置升高,以便将炮塔的旋转机构布置在装甲甲板下.
舾装中的英国战列舰“Collingwood”,正在吊装16英寸主炮
英国战列舰“Colinwood”配备的16英寸后膛炮露炮塔
针对以Coles炮塔为母本的炮塔存在的问题.同时代的军舰上,还存在另一种形式的旋转炮塔——“露炮塔”.
“露炮塔”,就是将火炮装在一个露天的转动底盘上.与其说是炮塔,更象是一个可以旋转的炮台.在底盘的四周是象一堵厚实的矮墙一样的装甲围壁,它是固定的,不随装载火炮的底盘旋转而旋转.当时的火炮射击仰角不大,炮弹弹道比较平直,入射角度不大,装甲围壁已能满足对火炮,底盘旋转和扬弹机构以及炮手的防护要求.旋转时,旋转机构仅需要将火炮和炮架(含制退装置)推动,不需要象coles炮塔那样把四周的整个防护装甲圆筒子也带动,旋转机械的功率可以小一些.炮手的视野也很开阔,火炮发射后的硝烟也容易散逸.
Amstrong生产的陆上用6英寸口径后膛地井炮
另一种火炮也以露炮塔的方式安装到一些军舰上,这就是“地井炮”.其炮身安装在起倒式炮架和液压制退/举升机构上.当火炮射击后,炮身在依靠后坐力和自重,并在液压液压制退/举升机构的液压/压缩气体阻尼作用下向后徐徐倒下,降低到装甲围壁里.在装甲围壁里完成弹药装填作业后,液压举升机构再将炮身抬起到高于装甲围壁的发射位置.同样地,平时不使用时,炮身也处于降低状态以便维护.以下是Amstrong公司生产的6英寸“地井炮”的俯仰工作原理介绍:
图中的炮架处于折倒装填弹药状态,在立起射击位置时缸体B充满液体,而缸体C充满压缩气体.在射击后坐时推杆K(RamK)后退迫使液体通过活门E和管子F进入缸体C,进而压缩缸体C中的气体.液体和气体被压缩对火炮的降下运动起缓冲作用.而当打开”升高活门”(RaisingValve)的时候,被压缩的气体冲出来将推杆K伸出,使火炮升起到射击位置.而手摇泵O(PumpO)是用来在平时进行装填练习时将火炮升起用的.
Amstrong生产的陆上用6英寸口径后膛地井炮线图
地井炮同样有前膛和后膛两种装填形式.这种火炮安装方法对炮手的保护较好,但缺点是机械较复杂.因此地井炮较多地见于安装在陆上要塞中,军舰上安装的较少.
经过使用,露炮塔也暴露出一些问题.在风浪较大时,海水经常飞溅入炮塔内;火炮射击时炮口的气浪会对炮手造成影响;战斗中,炮弹击中军舰爆炸后飞溅的弹片也会对炮手造成杀伤.看来还是要加个盖子,但这个盖子不需要太厚,能防弹片就行了;也不能太厚,否则原有的旋转机械就带不动.至于盖子的形状可就五花八门了,有半球形的,如中国“平远”舰艏主炮的炮罩和日本“三景舰”主炮的炮罩;也有圆筒形的,如中国的“定远”“镇远”主炮的炮罩;也有近似方形的,如中国“济远”舰艏主炮的炮罩.而“萨克森”后来改装后采用的炮罩是半开式的,也就是炮罩只盖住火炮的后半部分,炮罩的前部是开放的,所以炮罩很矮.看上去就象婴儿车的遮阳盖.这么一来,“萨克森”舰上原来在火炮后部用于装填炮弹用的吊杆太高,容不下,干脆在炮罩里安装了与早期Coles炮塔内相仿的滑轮吊车.由她来完成弹药装填的工作.
“萨克森”完工初期的舰艏露炮塔
“萨克森”炮塔改装后采用的半开式炮罩
奥地利军舰上的半开式炮罩
法国人为“三景舰”配备的露炮塔有这么一个要命的毛病,火炮俯仰机的转动轴(即炮耳)的位置很高,比装甲围壁高出许多,甚至露出球形炮罩外.结果在海战中装甲围壁不能为火炮俯仰机械提供有效的保护,被轻易地击毁.中国“济远”军舰在丰岛海战后也归结出露炮塔加炮罩后的会带来的另一个弊病:万一炮弹击中炮罩后,它又不象Coles炮塔的装甲筒子那么结实,肯定就被打穿.炮弹在炮罩里爆炸,弹片在里面飞溅,气浪又散逸不出去,炮手非死即伤.还不如不要炮罩,炮弹没准儿还能从大炮上方飞过就掉进海里了.结果是随后“定远”“镇远”主炮的炮罩都拆卸掉了.
对于直接命中的炮弹,德国人设计制造的坚实的装甲围壁在海战中经受住了考验.两艘中国战列舰中弹累累,但合共8门主炮中,除“定远”“镇远”各有1门发生故障外,其余6门自始至终坚持射击.不过爆炸气浪和弹片给炮手造成的伤亡也是严重的,洋员马吉芬回忆录中记叙道:“镇远的指挥塔是高高位于安置两门主炮炮塔的中间,战斗中无数敌弹打中,有的破碎,有的爆炸或反跳,炮位附近沛然如雨,因此,操纵**的三分之二的人员死伤”.
此后,旋转/扬弹机构带有固定装甲围壁的全封闭式旋转炮塔最终成为各**舰主炮塔的设计主流.这是“定远”以后的事情了.
德国人确实是精于装甲防护设计,后来他们设计的坦克装甲车辆同样让世人赞叹.也许是预示着此后二十年的什么,在1893年完工的德国战列舰“勃兰登堡”上,配备了一种这样的炮塔,它具备固定的300毫米炮塔基座装甲围壁,但已不能简单地称为露炮塔.因为它同时还装有一个前半部是弧形,后半部分是圆柱形的的“炮罩”,这个“炮罩”也已不能简单地称之为炮罩,因为其厚度已达到50至120毫米,不仅能防弹片和海水飞溅,也能抵挡一定口径的直接命中弹.前半部分的弧形外形使之防弹性能良好,后半部分的圆柱形外形能给炮手提供相对宽裕的工作空间.
1893年完工的德国战列舰“勃兰登堡”的炮塔
1893年完工的德国战列舰“勃兰登堡”的炮塔
但不论是Coles炮塔还是露炮塔,都存在一个共同的弊端,就是无论火炮转到哪个方向射击.在射击后都必须转回到一个固定的位置上进行弹药装填工作.因为那套把弹药从舰身底部提升上来的扬弹机构是设在炮塔外.只有当炮塔转动到使炮塔下部的弹药运输口与扬弹机构的提升出口对正的位置,才能进行弹药的扬升/装填作业.这严重阻碍火炮射击速度的提高.解决的办法是将整套弹药扬升机构和扬升通道安装到炮塔的中央立轴里,使扬升机构也随炮塔的转动而转动,以便炮塔转到任意一个方向都可以进行弹药装填作业.后来炮塔的发展也正是这样做的.
1894年的黄海海战将1886年以来的“战列舰过时论”一扫而空,1895年Brassy海军年鉴上充斥着大口径火炮和厚重装甲的议论,“中华帝国对外关系史”上写道,“如果说那天(技术上)的胜利,那是属于中国的两艘战列舰”.各国海军还在回味着黄海海战和美西海战的硝烟,二十世纪已经带着血雨腥风在布尔战争的炮声和义和团的呐喊声中来临,战列舰及其炮塔的发展也进入了一个更快的阶段.
海洋上正是磨刀霍霍杀气腾腾,Krupp和Amstrong车间里的各种口径圆筒子是产销两旺.另一类圆筒子的发展也没有停顿.1897年5月,一架口径102厘米,长度19米的折射望远镜在美国芝加哥以北100公里的日内瓦湖畔的叶凯士天文台竖立起来.这是克拉克父子透镜公司最后的杰作.老克拉克此时已经去世,小克拉克也将不久于世.他刚刚在几年前为里克天文台制造了一台91厘米口径的折射望远镜.在此之前的二十多年里,他们为美国海军天文台,洛韦尔天文台等制造了一系列大口径折射望远镜,书生们也利用她们创造了发现天狼星暗伴星,火星卫星,木星第五卫星和冥王星等壮举.而后来口径更大的望远镜都是制作省事很多的反射式望远镜.与制造海军火炮与炮塔的一再互相竞争不同.小克拉克死后,他们父子在消色差透镜制造方面达到的高峰至今无人能及.
叶凯士天文台的口径102厘米折射望远镜
从“Monitor”到“定远”——近代军舰炮塔的发展
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