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明朝铸造的火炮为何一直没能解决炸膛的问题?

世界性的难题

其实在火炮炸膛这方面无需过分苛责明朝的军事家们,因为这一灾难性的事故曾困扰东西方的军事家、学者和火炮技师长达数百年之久,是难以攻克的技术性难关,不少士兵、炮手乃至于官员贵族都曾沦为火炮炸膛之下的亡魂。多弗城堡的首席炮师,与火炮打了六十多年交道的埃尔德雷德在1646年出版的书中回忆:在1612年的一次火炮操演中,一门1600磅重的铜制猎隼炮当场炸裂,致命的碎片四散飞溅,一名倒霉的炮手被一块重约1英担的大碎片直接劈为两段,立时毙命。惨烈的景象无疑给亲眼目睹这一悲剧的埃尔德雷德留下了深刻的印象。

即便是18世纪的英军也仍然受到火炮炸膛的困扰,1773年乌里治炮厂提交的监测报告显示,有3门大炮在测试中炸裂,罪魁祸首是炮管壁上没有及时清除的金属废渣。同样为此感到头疼的还有皇家海军,1799年在系统的检测了驻泊于普利茅斯港的军舰上搭载的火炮之后,康格里夫爵士发现竟然有多达496门火炮存在着或多或少的质量问题。铸造过程中的失误,变质的火药,清理不彻底的炮膛、平日疏于养护以及不合理的使用都是造成火炮质量下降的因素。

自16世纪下半叶就已成为火炮生产强国与主要火炮出口国的英国尚且被火炮质量问题搞得焦头烂额,我们也就不难理解为何明军的火炮质量会如此的不尽如人意了。与西方早期的火炮多以锻打拼接的制造技术不同,我国自元代起就大量使用铜为原材料铸造铳炮,明初出土的铳炮也以铜炮居多,夹杂少量铸铁炮。此时的火炮制造业尚处于初级阶段,火炮形制大多粗陋,设计方面亦颇多不合理之处。炮身往往较粗短,不少铳炮的炮管呈直筒型,多通过增厚药室壁或加横箍的方法来增强炮身强度。

彼时火炮各处炮管壁厚度的增减并不参照一定的比例,而是全凭工匠的经验来定,这就造成了每门火炮都有自己独特的“个性”。而单纯靠经验增减管壁厚度的方法存在相当的风险,增厚不足则有炸裂之险,此外这种单纯凭经验而不以科学理论为指导的制炮方法几乎贯穿了整个明王朝的跨度。只有在佛郎机炮传入之后才有些改观,但自产前装火炮的设计制造仍严重滞后。及至万历年间(1573-1620)的大将军炮虽然在长度和倍径比上虽然比正德年间的大炮有了长足的进步(万历大将军炮长1.43米,倍径约12.7),但其设计仍然非常粗糙,药室前方至炮口的炮膛仍旧是直筒状,主要靠炮身上的横箍增加强度。炮身的增长可能是受佛郎机炮的启发,药室和炮位部的厚度亦相应增大,然而这有限的提高并不足以扭转明军火炮制造技术方面的滞后,反倒因受药量的提高而增大了火炮炸裂的几率。

孤立封闭的发展环境

明廷对于火炮制造的技术保密甚严,永乐年间即颁布了“神枪、神炮,在外不许擅造。遇边官奏讨,工部奏行內府兵仗局铸给”的禁令。这一禁令的颁布无疑给民间及地方上的火器研发戴上了无形的枷锁,炮匠以及火炮的制造技术集中于京师一地,技术的交流被人为阻断,京师的匠户门陷于闭门造车的困境。此外,僵化的匠役世袭制度也领技术的革新趋于停滞。至正统十四年(1449),朝廷才开始逐渐有限度的开放地方上自造火器的权限。但古板的匠户制度没有丝毫改善,地位低下的匠户们也没有研发新技术的动力。

《火攻挈要》曾提到“铸造大铳 ,长短、大小、厚薄尺量之制,着实慎重,未敢徒恃聪明,创意妄造,以致误事。必依一定真传,比照度数 ,推例其法”。这段记载明确的提到了火炮(尤其是重型火炮)的制造必须依照一定的比例来制定炮管的长度和炮身各处管壁的厚度,而炮管壁的厚度需以火炮口径为参考,此外还需综合考量火炮的用途、铸炮的材料、炮弹的材质、火药类型和配方等各方面,方能保证产品的质量。《火攻挈要》中的记载深受西方火炮铸造理论的影响,而欧洲的火炮制造业长期处于竞争开放的环境中,各国之间的技术交流频繁,在你追我赶的竞争环境中,火器火药的制造技术突飞猛进,整体的大环境要远高于封闭的明朝。

施放无法

戚继光将军曾提到大小将军等炮“每遇试放,多炸破伤人者,放之无法也。因用药太多,土石筑之,将药筑实,内无转力,遂乃横攻”。火药的燃烧开始于颗粒的表面,在被点燃之前,颗粒的内部化学结构不会发生任何改变,因此为使火药充分燃烧,火药不能筑实,且药室内部应留有供空气流通的空间,如此火药堆内部的火药颗粒才有充分燃烧的条件。而古人可能不识此知识,而将火药填入过多,加之炮管被土石注满,管壁又单薄,一经点燃,难免不发生事故。经过长期的观察积累,明军也总结出了相应的解决措施,即在药室内留出一半的空间,使火药有充足的燃烧空间,此举不仅节省火药且使安全性大为提高。

铸造无法

由于明朝传统的铸炮技术缺乏科学理论思想的指导,匠户造炮多“创意妄造”,因此导致自产火炮质量低下,炮身短小、单薄,“头重无耳,则转动不活,尾薄体轻,裝药太紧,即颠倒炸裂”。而17世纪初传入明朝的西洋前装大炮的设计和铸造技术更为复杂,稍有不慎,即有炸损之虞。早在万历四十七年,黄克缵増雇佣一批善造火炮的福建籍工匠铸造西式大炮,但这批工匠很可能没有掌握铸炮的核心技术,因此铸炮的结果并不理想,铜炮外观呈直不隆冬的大烟囱状。投入辽东战场的三门大铜炮有两门当即炸裂,辽东经略袁应泰称“內府解发铜炮虽多,放辄炸裂”。

传统的空心泥模铸炮法自18世纪40年代起方才逐渐让位于更高效安全的新式铸炮法,在此之前的数个世纪中,泥模空心铸炮法都是铸造前装大炮的首选技术。而此项技术并非毫无缺点,事实上,它存在着诸多的限制因素以及人力难以掌控的不确定性:

  • 泥模本身的制造耗时较长,泥模内还需掺入诸如沙土、毛发、马粪以及亚麻纤维等物,因此泥模的品质不但取决于工匠的技术也深受制作材料的质量和比例的影响。

  • 泥模的渗透性亦严重影响火炮的品质,倘若多余的气泡和杂质无法渗出,则会在炮身上留下蜂窝结构,降低火炮的整体强度。

  • 另一项常见且易引发膛炸的因素则是炮膛不直。此现象的出现多是由于铸炮时炮芯没有放直或铜水在灌入炮模时将炮芯冲斜,而导致火炮铸成后炮膛歪斜,管壁厚薄不均。

铸炮材料

欧洲所产整体铸造的火炮多以青铜为原材料,因其质地坚韧,延展性高,熔点比铁低,易于熔炼,是比较理想的铸炮金属,因此也被西方人称为“炮金属”。青铜虽有种种优点,但因其具备良好的导热性,因此在连续施放后,易积聚大量的热量,造成炮管松垂,以至于炸膛。此外,作为一种合金,青铜中所含的锡熔点很低,在铜炮冷却的过程中,渗出的锡结成白色的“锡点”。锡点脱落后会在炮管上留下孔洞,降低火炮的整体强度。有鉴于此,埃尔德雷德建议炮手们在40轮射击后要让火炮冷却休息一个钟头,以免过度使用伤及火炮和周边人员。

早在16世纪初,部分经验丰富的炮手就根据不同的种类和特性的火炮做了总结,比如,装填20磅火药发射20磅重铁弹的使徒炮每天约可发射30次,而装填22磅火药击发20磅重铁弹的寇菲林长炮每天的施放次数约为36次。可见时间越早,火炮的性能越低下,发射的频率也相对较低。过度、不合理的使用火炮会大大提高炸膛的几率,这一点无论是在东西方都没有差别。

除铜炮外,火炮也可以用铁浇铸。与青铜相比,铸铁较硬而脆,经反射炉加热熔炼后,可直接浇灌成型。由于韧性不足,铁炮不得不加厚管壁来减少炸膛几率,但也由此导致火炮重量大增,不利于行军和操作。我国铸铁的历史极为悠久,自北宋之后,煤成为冶炼铁矿的主要燃料,而煤炭往往含硫量较高,这就导致炼出的铁质地太脆,难以承受火药爆炸的威力。当然,这种情况多见于北方,南方炼铁则以木炭或竹炭为主,而南方出产的铁品质也较好。赵士桢曾总结:“南方木炭,锻炼铳筒,不惟坚刚与北地大相悬绝,即色泽亦胜煤火成造之器”。明朝军事家们虽已注意到以木炭熔炼出的铁质量较高,但由于那个时代自然科学知识的匮乏,他们尚不能就此现象做出科学的解释,而仅能以阴阳五行理论中的五行全备之说来勉强解释这一现象,可见此时理论知识的发展尚未追上技术的进步。

此外,铁炮铸成后所得产物依金相分析可得白口铁、灰口铁及韧性介于两者之间的麻口铁。白口铁质硬而脆,无法承受较大的冲击力,以白口铁为主要成分的铁炮崩裂的几率较大。但以明清两朝所遗铁炮实物来看,以灰口和麻口铁者居多而白口铁较少,因此这一因素虽然也是引发火炮炸膛的原因之一,但因数量稀少,所以影响不大。

解决方法

对于火炮炸膛之事故,明军亦有相关之应对措施,最常见的两种方式为减少装药量和增厚炮管壁。此二者虽可在一定程度上减少炸膛的几率,但前者降低了火炮的威力和射程,后者则增大了火炮的重量和体积,不利行军和操作。

复合金属炮

最出名,技术含量最高的减少炸膛几率的应对措施则是制造复合金属炮。复合炮是指以熟铁打制炮膛,外壁则以生铁或铜浇铸而成。以熟铁打制而成的炮膛较铜炮更耐磨损,辅之以铜或生铁外壁则进一步增强了炮身强度。铁价远较铜价便宜,崇祯前期铜每斤约值八分银,而品质最佳达到闽铁则值一分二厘左右。但要取得品质上好的熟铁并不容易,需将生铁原料加稻草和黄土精炼,如此反复十数火放能练成。据记载,每练成一斤熟铁,需耗费生铁5-7斤,可见原料费极高,而人工费及所耗工时亦非小数。以熟铁锻造炮膛一来花费较多,二来由于技术的原因,所造火炮的口径往往不大,也许正是由于这两种限制,存世的复合炮并不多,可见产量较低

崇祯十五年,吴三桂造定辽大将军铁芯铜炮,炮长3.82米,口径10.2厘米,外径35厘米,重约2500公斤。此炮甚长大,以倍径比来看,当属寇菲林长炮。据同时代的英格兰炮师埃尔德雷德记载,铜铸15磅全寇菲林(whole culvering)长3.35米,口径12.7厘米,重2083公斤。而口径略大于定辽大将军的半寇菲林(口径11.4厘米),长则为3.05米,重仅1133公斤。作为一种野战炮,其重量不及大将军一半,弹重9磅(以大将军口径推算,其弹重至多在7.5磅左右)可见,设计的不合理是制约明代火炮发展的一大阻碍,即便是那些走在时代前列,积极引入西式新技术的开明士大夫们也往往由于相关知识的匮乏或翻译方面的误差而存在认识方面的不足。

结论

整体铸造的西式前装炮约产于15世纪后期,距传入大明已有一百余年的光阴,这百余年间的实践积累所造成的差距也绝非明末战乱迭起,国事残破的短短十余年即可抹平的。在不改变保守封闭且不重视科学技术理论的大环境的情况下,仅靠引入少数会念经的洋和尚只能缓解一时的困窘,而无法彻底改变火器生产制造落后的客观事实。何况即便在面临危局之时,部分高居庙堂之上,远离前线的士大夫仍抱着“华夷之辨”的陈腐思想盲目拒绝引入外国先进火器技术。种种的因素叠加起来,造成了明军火器制造使用技术落后,理论知识严重匮乏的现实。

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