笔趣阁 > 历史小说 > 明末大枭雄 > 简介:铁模铸炮与罗德曼铸炮
    (各位书友,新年快乐,东方祝大家羊年大吉大利,万事如意)

    自从明朝中后期以后,最早制造出火炮和管型发射兵器的中国(在宋朝就造出来)在火炮火枪工业上面已经落后于西方了,不过明朝大臣和皇帝是积极引进西方先进技术,所以基本上比西方没落后多少,往往是西方人刚刚发明出来没多久,明朝就拿来仿造出来,甚至还进行改进。如明朝仿造了很多大炮,有些崇祯时期制造的大炮一直到战争还在南方沿海城市使用,明朝还造出了燧发枪。但是到了清军入关后,清就差远了,出了在初年南下攻城需要以及平定三藩和台湾郑氏这一段初期时间让西洋人和戴梓等人制造了一批火炮之外,后来基本上就没有任何改进火炮技术的措施了,甚至有不少明朝有的技术都丢失了,如开花炮技术。而且满清上层好像不重视火枪,可能是明军装备前装滑膛火绳枪的士兵表现太差劲,以及前装滑膛火绳枪威力小、射速慢给八旗带来的错觉,认为火枪没用,但是雅克萨之战清军应该从沙俄手里吃够了苦头啊,看来也许是八旗兵不善于使用操作相对弓箭复杂而又可能炸膛伤人的火枪(当时技术导致质量不好),交给投降明军使用又不放心的原因吧。毕竟火枪可以人手一把,难以控制谁知道是否有人会突然反清了,而火炮是多个人操作的比较笨重,容易控制。总之,说清朝一点也不重视火器,也不完全正确,应该说是比较重视火炮但对火炮技术的升级出了康熙前期(处于平定三藩等需求)有些看重之外,基本上一直到战争使用的依然是明末的技术为主,而对于火枪基本上是忽视。所以在康熙到乾隆这一段时间恰恰是西方科技拉大与中国的差距的时期。

    但却在19世纪0年代,当时的清代的龚振麟却先一步出现了铁模铸炮技术,而西方这一项技术到20多年后才出现。铁模铸炮技术出来之前东西方都采用泥型铸造炮,而泥模不仅制造时间长(加上干燥至少要1个月),而且泥模虽然说经过烘干但里面依然有水分,而且铸炮灌入铁水后,高温必然让那些水分变成水蒸气,进而水汽进入铁内,从而造成铸造出来的火炮有蜂窝现象,这样的炮容易炸膛,所以为了减少炸膛的可能性,泥模制造的火炮通常都是壁非常厚,而孔径小(放的炮弹就小)威力小,所以往往战争时期清军的一门几千斤乃至上万斤的铁炮射程和威力比英国人轻便多的舰炮小。而且泥模造炮还有个特点就是一次性使用(铸造完毕后,将泥模打碎取出炮筒),没有重复使用,这样不仅工期长,而且还造成铸造出来的大炮口径不一,从而没法形成规模化生产炮弹。

    下面来讲讲之所以会出现这种造炮技术一直落后于西方的清代反而比西方早出现了铁模铸炮这种先进的技术这令人堪称奇迹的事情来,在我看来应该有如下原因。

    1,中国古代技术的积累和当时外来的压力

    其实这个铁模铸造法不是什么新东西,中国很早以前就用铁模制造工具,在战国时代就用铁模成批铸造生铁农具。而龚振麟铁模铸炮(见《铸炮铁模图说》)的铸造工艺就是借鉴了很早就有的铁模制造其他工具的工艺,当然了比起那些比较轻的工具,用铁模来铸造重达几千斤的火炮来确实做了不少技术和工艺上面的改进。

    而当时正在战争期间,满清的火炮已经多年没制造新的火炮了,尤其是南方很多炮台的炮都是几十年前乃至更早康熙、明末时期的,战争开打后,清廷才发现大炮缺乏,而北方用于拱卫京师的炮又不敢南下,所以就要下面的官员加快制造大炮,而泥模制造大炮周期太长了,所以龚振麟就想到了金属模制造工具和农具速度快的特点,于是乎经过一系列改进措施用来铸造大炮。显然铁模铸造大炮不仅具有建设周期短的优点,而且还具备重复利用的优点——这样不仅减少制造周期而且还能使得大炮尺寸一致,其工艺还可以减少出现蜂窝等缺陷的可能性。可惜的是龚振麟的铸炮新方法出来没多久,满清就投降了,没铸造几门大炮。

    2,当时西方已经将注意力转向更加先进的造炮工艺——锻造法

    西方在18世纪后期出现了小型液压机,他们发现经过液压机反复打压后的钢性能明显强多了,所以西方人大力发展吨位更高的液压机,但是进展比较缓慢,到了19世纪20年代左右才出现十几吨(也可能是几十吨,总之不到一百吨)的液压机,但是这样吨位的液压机足够他们用来制造用于铁路的钢轨了,也足够用来锻造枪管所用了,也足够用来锻造小口径火炮了。所以西方一直在进行这方面的研究,希望能造出更高吨位的液压机,用来锻造用于制造大口径的火炮。所以他们忽视了对现在铸炮技术的改进,即从泥模变成铁模,因为拿破仑失败后到战争之前的欧洲没有陷入大规模的战争,所以他们不需要加快生产大量火炮。再到后来,克里木战争失败后沙俄发现自己的火炮数量太少了,跟英法比吃了很大亏,于是乎要求改进铸炮工艺,使得铸炮价格等降低、生产周期减少,于是乎圣彼得堡的拉夫罗夫发明了铁模铸造工艺(不得不令人怀疑他是否看过龚振麟的《铸炮铁模图说》)。但没多久西方更大吨位的液压机出来了,此后完全采用了锻造方法制造大炮,铸造工艺被逐渐淘汰。

    3,双方铁矿石质量的差距

    中国的铁矿石大部分是贫铁,质量远远低于欧洲,所以冶炼出来的钢铁自然比西方差。所以同样是泥模铸造、采用同样的工艺技术,原材料的差距使得中国的火炮不如西方。这样铁模铸造显然就更有吸引力。

    所以说,与其说已经进入工业社会的欧洲比龚振麟(完全处于农业社会)晚了20多年出现铁模铸炮法是一个奇迹,倒不如说欧洲已经在积极探索更加先进的造炮工艺——锻造法,从而没有关注这个传统的制造工艺的改进。就像当17-19世纪欧洲大量改进不成熟的火枪技术而不多关注乃至放弃传统弓箭的改进,而当时的满清因为明军的拙劣表现和火枪技术的不成熟而不关注。正是欧洲人站在了更先进的角度,积累技术,到了后来的大喷发。也使得第一次战争期间英清双方武器差距没那么明显(显然清宫戏过大扩大了战争英国人的武器先进,据很多人说更多清兵不是死在大炮下死在英国人的刺刀下面,而且是逃跑过程中从背后被捅死),而到了10多年后的第二次战争,差距明显拉大。而清军大沽口炮台上一部分铁模铸造出的新炮,貌似也没有英法联军的舰炮强。

    这种方法可以大幅加快铸炮速度并降低废品率,更重要的是可以大幅提升炮管寿命。这就是让炮管由里往外冷却,称之为内模可控冷却技术,或者内模水冷技术。

    一般铸好的红热炮管在静置时的自然冷却,是由外往内,原因一是炮管外表面面积比内管大,其二是外面空气流通比内部快,这样自然外层比里层冷的快,最终形成层层膨胀的结果,强度降低。但是如果能同时让炮管里层冷却,甚至使之比外层先冷下来,不但可以提升整根炮管的冷却速度,更可以提高炮管性能。

    一种说法是里层冷却固定后,当外层逐渐冷却时,由于热胀冷缩的关系,炮管外层冷却时,就会箍住内层,往里面产生一个向内的应力。另一种说法是,炮管由内往外冷却,则同样由于热胀冷缩,炮管壁靠里的部份密度会较高,靠外则较低,可增加内管壁的强度。无论哪种原因结果是肯定的,那就是不仅炮管的寿命大幅度提升,大口径火炮的废品率也十分低。

    (★★★注:根据本人国内一流工科院校机类专业,且在铸造实习中的铸造应力分析上被老师表扬的水平来看,第一种说法是对的;第二种说法中,内层密度大,估计是因为外层箍紧的应力压缩形变导致)

    该铸造法在1860年美国南北战争时期,由美联邦陆军少校托马斯·J·罗德曼发明,故又称罗德曼法。当时据称一举将炮管寿命提升五倍之多。

    而其方法本身非常简单:大家都知道,水的比热容要比空气大得多,因此水冷比气冷也快的多,要让里层比外层先冷却,那就用水来冷却炮管。当然,若是真的直接往红热炮管内注水,结果只会让炮管破裂;实际上的方法是,把铸造炮管时,用来作炮管内模的模具换成空心的,中间加上冷却水管道,然后往里面注冷却水就行了。当然这冷却水管道必须要作成可循环样式来保证内膜温度稳定,譬如采用U型管模式从里面开始注水,这样持续循环冷却。

    唯一的问题是冷却速度,也就是水循环速度是有讲究的。太快冷却的话内管会破裂,必须有适当的速度进行才行。罗德曼从18年提出理论到实验论证出科学合理的技术参数用了10年时间。当然这种技术参数是有针对性的,都是基于当时的材料铸铁和机加工水平。

    此法可以大幅降低成本,并使铸造大口径火炮成为可能。原因就在于这种“内模水冷技术”可以大幅降低火炮尤其是大口径火炮铸造时的废品率。

    19世纪中期以前,不管东方或西方,火炮铸造的废品率相当高。这种情况在明末引进西方火炮制造技术时,《火攻挈要》中记载,由于当时铸造的品质尚不十分稳定,即使是在欧洲,“铸十铳能得二、三铳可用者,便称高手”。废品率高达70~80%以上。这样火炮的成本自然很高。

    而火炮铸造废品率如此之高的原因,最重要最根本的就是炮管内外的冷却速度差距问题。而且炮管的口径越大,炮管壁也越厚,炮管内外冷却速度的差距也越明显,由于这冷却速度的差距,许多材质不好,不够均匀的炮管,就会在冷却时因为热胀冷缩而在火炮身管产生裂痕。而身管出现裂痕的炮管,自然就是废品了。

    不只如此,由于炮管内外冷却速度的差异,有些裂痕外表上是看不见的,而是在管壁金属内部。所以当时造好的火炮,均需作第一次试放。就是在炮管内填满火药但不装炮弹,释放一次,以管壁无裂痕者为合格。如果管壁有内伤,这一放就会裂开来,可以立刻淘汰了。

    而内模水冷技术,可以保证内外管冷却速度相同,或者经过实验与调整,将速度差异控制在安全的范围下,如此身管就不会产生内伤了。这一来立刻把废品率降低到个位数百分比,甚至降低到零,从而使造一门炮的价格大幅下降。而炮本身也因为比较结实没有暗伤,因此平均寿命提升五倍。

    此外,在铸造超大口径炮时,由于口径越大,则内外冷却速度差距就越大。因此在自然冷却的时代,口径越大的炮铸造时的废品率也就越高,重量与价格因此也就越高——不成正比,几乎是指数性上升。到了一定程度以上,就是几乎百分之百的失败率了,而罗德曼的“内模水冷技术”解决了这个问题。

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