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黄一农:在明末威名远扬的红夷大炮,为何在清朝被遗忘?


采写丨刘硕
全文7474共字,阅读大约需要19分钟

众所周知,火药是我国的四大发明之一。可大部分人的印象中,中国古代使用的炮弹,是从葡萄牙传入的佛郎机。诚然,最早相对成熟的炮弹,确实是舶来品。但实际上我国并不是一直被动的接受炮轰,也不是全然的拿来主义。除了大家较为熟知的徐光启、孙元化的等官员对西方炮学的积极引进外,还有许多不同的组织在炮弹引进中扮演了不同的角色。台湾中研院院士黄一农的新书《红夷大炮与明清战争》实地勘察了散在世界各地的数百门明清红夷大炮,并结合庞杂的史料记述,尝试勾勒出这些西式火器的“文化传记”,重现其在中国两百多年间的演变过程和多样性。人类的智慧和奇思是可以相通的,中国人当然不是武器草包,只是为什么到了清末炮弹的使用反而呈现出退步的态势。一个看似比古代的冷兵器只多了一味火药的大炮,里面到底有多大的学问,读者们可以从这本书里找到答案。


 

 

 

 黄一农教授是台湾著名科技史学者、中央研究院院士。1977年毕业于新竹清华大学物理学系,1985年获得哥伦比亚大学物理学博士学位,而后于马萨诸塞州立大学从事天文学研究,并于Nature 和Science 等权威期刊发表过论文,自1987年改行任职于新竹清华大学历史研究所至今。现任新竹清华大学人文社会研究中心主任。黄一农教授的研究领域遍及科学史、中西文明交流史、明末清初史、术数史、军事史、海洋探险史等,在2006年以自学的成果被选为中研院人文组院士。代表作有《两头蛇:明末清初的第一代天主教徒》、《社会天文学史十讲》等。

 

▌认识炮弹,排列组合

 
先来了解一下炮弹,简单来说,一架大炮的主要组成部分大概有三:炮身,炮弹和火药。炮弹是这三部分中相对来说最简单,但确实承担最终攻击效果的部件,十六、十七世纪炮弹主要以铅、铁或石制的实心圆球最为常见。可我们从扔铅球这件事中也能看出,同一个球,不同的人扔结果截然不同,发射炮弹也一样。这其中的复杂性我们可以通过排列组合来说明。
 
组合一,炮弹和火药。铅球有了,扔铅球的人胳膊上有多少肌肉呢?这就是火药的作用了,放一撮儿火药,也就是给炮弹烫了下屁股,那么炮弹连炮膛都出不去。可是又不能放太多了,打仗毕竟不是奥林匹克铅球比赛项目,不是逼谁扔的远的。战场上地形千变万化,战势也瞬息万变,打的准才是最关键的。所以这时候的问题就是,放多少火药能让你面前的这颗炮弹打到你想要的那个地方。冷兵器时代在铸造兵器时需要考虑金属配比,合适的比例才能制出最锋利耐用的兵器,热兵器时代也是一样。
 

《考工司南—中国古代科技名物论集》闻人军著

上海古籍出版社,2017年3月出版

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商周对青铜冶炼的合金比例,主要见于《周礼·考工记》有关“六齐”的记载:“金有六齐。六分其金而锡居一·谓之钟鼎之齐。五分其金而锡居一,谓之斧斤之齐。四分其金而锡居一,谓之戈戟之齐。参分其金而锡居一,谓之大刃之齐。五分其金而锡居二,谓之削杀矢之齐。金锡半,谓之鉴燧之齐。”

直接阅读《天工开物》《周礼·考工记》这类古籍可能对一般读者来说比较困难,也耗费时间。有兴趣可直接参看闻人军先生的这本《考工司南》,内容殷实但语言平易近人,提出、解决了中国科技史上的不少棘手问题。

 
于是一个重要的概念出现了——药弹比,即火药与炮弹重量的比例。当时的铸炮者根据实际的测试结果,发现每门炮所需装填的药弹重量比,常随其炮种的不同而变化甚大。1600年左右,西班牙炮兵即定义大蛇铳和半鸩铳的药弹重量比为1:1,半鸩铳为3:5,大鸩铳为1:2。炮术家并强调发炮必须讲求“药弹相称的”要领,因为如果用药过多,不仅浪费而且还有膛炸之虞;用药过好,则炮弹在收到最大的推力后,仍处于管内,其运动将会受到管壁的阻碍而威力衰减。
 
组合二已经出现,炮身与弹药
 
由于炮弹的材质(亦即重量)常受制于环境而无法划一,司铳者为求能以最经济的火药量将炮弹击出,并尽可能减少发射时的后坐力,故对较轻的炮弹,往往装填较少的火药,以使炮弹离开炮管的初速度维持定值,如此,各炮在新铸之初依不同仰角所作的射程测定表,即无须因所用炮弹的不同而做任何调整。
 
为帮助司铳者判断不同材质的圆弹所应填装的火药量,十六世纪欧洲的火炮制造者,即发明一种铳尺,让炮手无须复杂的计算,就可以简便地估计属于某一特定炮种之炮的装药量。这种铳尺通常刻有分别标明铁、铅或石的三条非线性尺,使用时先依炮弹的材质选取相应之尺,然后再将尺子的零点对准炮管的内壁,再沿着炮口某一直径方向独处内壁另一端与尺子相交之后的刻画,该值就是所应装填的火药重量。此类铳尺常可见于铳规(Squadra)等炮手常用的仪具之上。
 
那么如何计算呢?依照基本物理学和化学的常识,在炮弹初速度保持不变的情形下,火药量与炮管口径的三次方和跑单的额密度成正比,故各铳尺在某一点上所刻画的火药重量值,应该与铳规零点至该点距离的三次方成正比,而三条铳尺上刻画相同药重之点至零点的三分之一次方成反比。
 
这种高考数学题计算量,是绝对不适合战场临时作战的,作者估算,当时精通数学之人,尚且需要十几分钟时间。如果一样工具要求使用者的受教育程度过高,那么就不是一件好的工具,因为抛开工具本身的制作成本,还附加要求使用者的知识成本。所以,这时就需要一个桥梁把理论和实践联系起来。
 
于是伽利略从1597年起,雇请工匠制造发卖其所发明的比例规,如图:
 
图源本书
 
此器除在炮学上的应用外,还可方便地解决当时许多常遇的代数或几何问题。伽利略发明比例规的主要动机,原先是为了火炮上的应用,此故在其于1597年——1599年间为比例规所撰写的操作手册中,即将铳尺所欲解决的数学问题列在书首,命名为“装填问题”(Problem of Caliber)。值得反思的是,中国的伏羲女娲图也很早便出现了尺规,火药也是如此,最终都没有发展出工具理性,这个问题比较庞大,作者没有在书中直接说明,但读者可以在阅读过程中自己体会。
 
然而,即便如此,比例规的操作方法远比铳尺复杂,故而少有人能够玩转此物,比例尺在发明之处仅流于欧洲富有贵族或军官的赏玩之物。中文文献最早在耶稣会士雅谷于崇祯三年所撰的《比例规解》一书中提及比例规,但也由于不易操作,明代以来德中文文献完全不曾提及将比例规在炮学上的应用。
 
但是值得注意的是,大炮毕竟是冷兵器时代的新玩意,即便不能做到让大部分士兵都可以人手一台(大炮的操作必须由两人操作,会意即可)。马对于我国古代早期大部分政权,甚至希腊罗马来说,也同样是稀缺品,更不要提重装具骑兵,但这并不不影响骑兵作为一个方阵的侧翼来进行战术上的辅助攻击,即作为点睛之笔出现。徐光启在崇祯三年所上奏折就注意到了这一点:
 
教演大铳,……一切装放皆有秘传。如视远则用望远镜,量度则用度板,未可易学,亦不宜使人人能之,所谓国之利器,不可以示人也。臣尝深虑,以为独宜令世臣习之,自勋戚子弟以京卫武臣,择其志行可信、智勇足备者教之。
 
“度板”即是矩度之类的仪具,与弹道学相关。虽然这条奏折仍充满了天朝一切皆秘传的陈腔滥调。但徐光启的判断无疑是正确的,这其中有一点区别值得注意,欧洲的贵族可赏玩,但徐光启认为应挑选志行可嘉的子弟传习,这倒是充满了工具理性。
 
同样,李之藻在天启元年的奏折中也将矩度和铳规等仪具的使用法称之为“点放之术”,该术至关重要。“差之毫厘,失之千里,总亦无大裨益”。关于该矩度的具体原理,本文不再赘述,请有兴趣的读者翻阅该书。
 
下一个组合,火药和炮身,与上一个组合不同,更准去的说,是如何在炮身里装药。点烟尚且容易烧着眉毛,这个过程组合更是至关重要。
 
起初欧洲的炮手在估得应用的药量之后,通常使用装药锹来填火药,此锹前端乃为一以长方铜片鄄城的半圆筒形容其,其直径约与炮管的内径等同,容器上并由刻划以显示填装量。但是,紧急时刻,人的手多有摸不准的时候,并且每次发射都临时铲火药,未免太浪费时间。所以后来为了提高装药的速率,也逐渐发展出预先缝入特定药量的药包,据孙元化的《西法神机》中所称,其制法和用法如下:
 
预先以圆木范铳空径大小,用布与纸照样粘缝装药,仍封号名白,使用点放之时,先以铁钉如火门,破其包裹,乃用引药。
 
也就是说在塞入用薄布或厚纸缝成的圆柱形药包后,再从点火的火门处以铁钉刺破,即可使用。到这里,也并非万事大吉。再用撞药杖将火药塞实时,即不可过紧,否则会因缺氧产生闷烧的现象,这是就得将炮弹取出,再以装药锹将药粒弄松,但在弄松的时候,往往会因为火药正迅速燃烧,将药锹轰开,危险性极高。另外,在两次发射期间,炮手必须用洗铳帚将残留炮管的灰烬清理干净,因若余烬尚存,则易在装填新药时引发爆炸伤人的惨剧。吴桥之变中的莱城守军,就可能因为不熟悉操作技巧,导致三十多架大炮中有二十四架因过热而爆炸。所以《西法神机》中即记载了用醋给炮身降温的方法:
 
倘频放大热,则以羊皮毛帚浸醋,搅其中,润其外,醋性行火性敛,不待凉放,又可点放也。
 
并且指出大炮不可以连续发射,否则会导致过热。由于药弹的装放过程相当繁杂,每门大铳往往需配属二至五名炮手,且每次发射前均需花费相当时间重新调整炮的位置和仰角,此故在十七世纪中叶的欧洲,即使是一流炮手,每小时也只可能发射约十发炮弹,且每发射四十发后,更得暂停一小时,以冷却炮管。涂抹醋确实可以减少降温的间隙时间,但炮身主要由铜、铁组成,长时间用此方法,必定影响炮身厚度和寿命。
 
那么,如何优化一下装火药的这个过程呢?洋人的方法是——母子铳。
 
图源自微博:全球博物馆
 
使用小型后膛装填式火炮,每门母铳附数门子铳,事先装好弹药,发射后可立即抽换。这相对提高了效率和安全性。但是,用熟铁锻造子铳是一件非常麻烦的事,相比较直接装火药,这种成本的提高换来的优化性价比高不高就值得商榷了。并且铁炮在海船上还容易生锈,膛炸时还容易裂成碎片伤人,于是十六世纪出又出现较轻的青铜铸后膛装填式火炮。也就是把铁换成了铜。然而当时机械制造精度不高,导致堂内火药的爆炸力量经常从子母铳之间外泄,由此,铜铸的前装滑膛火炮在十六世纪前期逐渐引领风潮,(滑膛解决了能量丢失的问题)并在该世纪末叶另后膛装填的火炮开始从欧洲各国的海船淡出。然而后来铜价原高于铁,铸铁炮才日益普及。
 
问题终于探讨到了材料学。很多学者在研究十六、十七世纪欧洲火炮技术传华史时,常误以为中国一直只停留在模仿抄袭的层次上。事实上,明朝这次在材料上表现得非常优秀。擅长冶铁,故而创造出全世界品质最高的铁心铜体炮,只是此法并未能在明清中国得到足够认同,在学界也就没有引起重视。本书作者多次实地调查各种现存火炮,首度结合文物与文献,系统性地介绍了这类复合金属跑(composite-metal cannon),并追索其在华发展兴衰,与其他国家的技术做了比较,也是该书非常惊艳的一点。
 
在这里可以先请读者们思考一件事情,人们常争论四大发明有多伟大?为什么中国能有四大发明却没有诞生近代科学这样各种各样的李约瑟难题。但是,到底有没有绝对的独创性和绝对的抄袭呢?发明了火药之后但只用来炼丹,这种绝对独创性的价值几何?先借鉴了洋人大炮的器型但是却优化了炮身的结构,这样的“抄袭”似乎也不能算是绝对的抄袭。
 
青铜复合炮巧妙利用青铜熔点(约1000℃)低于铸铁(1150-1200℃)的现象,于铁胎冷却后再以泥范组造法或失蜡法制模,并在铁胎上浇铸铜液,即可透过外铜凝固冷却时的收缩(shrinkage)作用,而增加炮体的抗膛压强度。换言之,铁心铜体的设计拥有重量轻、韧性佳以及安全性高等优点,且比纯铜炮便宜、耐磨损,又较纯铁炮易散热,对炮兵们手不准,多放点火药进去的容忍度也就更高了。
 

《红夷大炮与明清战争》黄一农著

四川人民出版社,2022年7月出版

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▌水下考古不是新东西,明朝就有并借此师夷

 
一般来说,技术的引进都是政府牵头,正大光明,名媒正娶。但火炮引进情况却并不尽然。其实用常识也能思考出来,人家是坚船利炮打进来的,打完了还得教你做人不成,告诉你要好好学我的技术,下次不要被我打这么惨。本书第二章名为《欧洲沉船与明末传华的西洋大炮》,答案显而易见,捞人家的沉船以学习新知。天启年间共有出自三艘欧洲沉船的四十二门西方大炮被分批解运至北京,而西洋火炮的操作与铸造技术,也因此成为近代东方大陆文明向西方海洋文明学习的第一课。此事虽只是当时欧洲海权扩张在世界各地所引发的一则小插曲,但却在之后明清鼎革的战争中扮演着重要角色。
 
很多人小时候常顽皮拆掉家里的小钟表,玩具等,大多家长见到此也多迫于孩子的可爱说一句:“拆吧,拆了才能学会装东西”。故拆东西教学法成为我国家庭教育的常青树,然而,请各位读者扪心自问,有多少东西,最后拆完仅仅是喂了垃圾桶呢。明朝也一样,捞上来了,然后呢?
 
天启二年,徐光启在《与吴生白方伯一函》称:
 
近闻红毛聚众,欲劫取濠镜,若此夷得志,是东粤百年之患,亦恐祸不仅在越东也。颇闻当事发兵救援,此保境安民之长策,不烦再计。但恐兵力、舡器非红夷对,宜推嶴众为锋,而吾接济其粮糗军资,斯万全矣。仰借鼎力,所致西洋大炮四位,业已解到,此歼夷威虏第一神器,但其用法,尚须讲究耳。
 
徐氏意思,虽然四位大炮已经捞到了,但是怎么用,还得依靠传教士传播知识做技术指导。
南京教案之后,传教士纷遭驱逐或藏匿在教徒家中,而徐光启和李之藻则希望借助传教士的帮助。邓玉函、金尼阁、曾德昭等稍早潜入中国的教士,也因此能够走出地下,西洋大炮的引进,实际上为传教士提供了一个突破教禁的绝佳护身符。
 
第二种学习途径相对来说是由下至上的。因自天启二年起就持续侵扰东南沿海的荷人与海寇,均已广泛使用西炮,促使闽粤官员对此较先进武器相当重视,并利用该地区冠于全国的冶铸技术,开始大量仿铸。出身海寇但受明朝招抚的郑芝龙,亦因此能与荷兰舰队相抗衡,并次第平息东南海氛。清朝入主中原后,南明以郑成功家族为主的海上势力,也因拥有质量俱佳的船队和西炮,而得以将海上强权的荷兰自台湾驱逐,并对抗陆上强权的清朝达三十多年之久。这些官员和郑氏家族主要靠自雇工匠制造,这其中有些工匠因长于铸铁,很受西方在海外殖民地官员的喜欢,故多被聘用,故而也就掌握了较为前沿的制炮技术。再一次,中国的铸铁技术间接促进了制炮的发展,也多少说明了,一招鲜,吃遍天。技术的连续性比哭天抢地争专利更为重要,专利只是用来保护技术发展的衍生品。
 
也就是说,重要的大概不是所谓的名分。我们是发明了指南针,一直强调指南针发明很伟大的基础也是由于后来这一工具在别人近代文明中的其中一环里面发光发热。我们知道一些古代著名的文明有断裂,恐怕发明也有。逻辑思维的连贯性,健康的知识交换与循环,各种组织的支持与推动才能让一个发明具有真正的价值,否则就只能成为祖宗祠堂里牌位,外面的人用它创造了价值,里面的人就拍一拍这块牌位,毫无用处。
 

《两头蛇:明末清初的第一代天主教徒》,黄一农著

上海古籍出版社,2015年5月出版

 
 

▌超越物层面的火炮,最终命运如何?

 
上文内容主要来自于《红夷大炮与明清战争》这本书,关于炮弹技术层面上的讨论只是本书的一小部分。故我们有幸联系到了该书作者中研院学者黄一农教授,提出了相关问题,得到了黄教授的热心解答,以下为采访内容。
 
燕京书评:你在书中提到了大炮传入中国的两个途径,一个是沉船打捞之后,徐光启的推动,并倡导借助传教士的力量作为技术指导。第二就是东南沿海的工匠路径,以郑氏家族为代表的闽粤人对火炮的学习和使用。那么你认为,这两种途径,哪个更有利于之后火炮在中国本土的发展?
 
黄一农:前者虽有传教士的技术指导(别忘了传教士也多是纸上谈兵,他们的知识训练当中通常不可能包含铸造火器的部分),但若要在中土生根普及,则仍需要中国工匠的参与。而后者的模仿制造,有时在关键技术或细节上就无法掌握到位。两者都有不足之处,可实践还是更为重要的,我在书中也有谈到,对于技术的进步来说,最大的阻碍就是,设计理论和从事应用的是两批人,且无法顺畅的交流。
 
燕京书评:你在书中提到清朝有祭祀火炮之神的情况。这让我想到《周礼》中有类祭,禡祭,大陆一些学者认爲禡祭是向马祭祀的,但我们知道,中国的马匹资源并不是很充足,大部分时候要靠从匈奴等外部势力引进。那么这种将马/火炮封神的祭祀究竟是表达了对马或火炮的重视,还是因为这两样东西在当时中国比较匮乏稀少才能引起了崇拜?
 
黄一农: 红夷大炮曾在宁远大捷等战场上扮演传统武器难以企及的重要角色,所以受到了足够的重视。清帝御驾亲征及凯旋时,都要在教场祭火炮之神,每两年依例派遣八旗汉军的都统或副都统至卢沟桥祀炮神。而由官方赋予某些大炮如“捷胜飞空灭虏安边发煩神炮”“定辽大军”“神威大将军”“平夷靖寇将军”“振远将军”“耀威大将军”等名称,以及“武成永固大将军”炮身上的精美纹饰,亦可显示某些火器在时人心目中的地位,已不只是停留在物的层次,而是包蕴有礼器或神器的意涵。但物质文化史的角度深入理解明清火炮在历史长流中所扮演的角色,则仍有待进一步探索。
 
燕京书评:关于“两头蛇”困境,中国并不是只出现过一次两种宗教碰撞的情形,但可能佛教中不存在过多的器用,更多是思想上的差异。可西洋武器用来杀人,而我国又被西方坚船利炮攻击过,所以大多数士人特别的反抗,那么在李鸿章洋务运动的时候,这种两头蛇困境是否依然存在,与徐光启那时有何不同?
 
黄一农: 由于明清之际许多天主教传教士以历法和制砲作为向士大夫传教的工具,这些对西学感兴趣的士人在接受西教的过程,常会产生“两头蛇”困境(如娶妾传嗣违反十诫)。这些奉教士大夫出于救国的目的以己之力制造天主教教士人际关系网,更多的存在一种道德上的煎熬。而李鸿章洋务运动通过传教去换取知识的情况已经不是很明显,其焦点则主要放在西学体用上面,所以这种困境不是很明显。
 
燕京书评:你在书中提到明制火炮存在无耳导致转动不活的缺点,那么为什么不借鉴西洋火炮,这项改动应该并不算太过困难?
 
黄一农: 中国制的砲很快也拥有砲耳,但砲管通常铸造不精,容易膛炸,且不熟悉瞄准及发射技术。
 
燕京书评:明朝地方火炮的库存多少?财政是否是江阴之役中明军守军面对清军临时凑出来的炮轰几无反击之力的主要原因?
 
黄一农: 各地方的火炮数目不一,而铸造良好的火炮除了存在技术的瓶颈外,还有材料以及财务的考量。江阴城守所用的火炮,无论质与量都无法与清军相比拟。
 
燕京书评:您在书中对清朝的火铳技术也花了大量的篇幅进行考察,清朝的火铳技术并不是不存在本土的技术性进步,但制造往往粗糙,最后与西方差距甚大?
 
黄一农: 由于清政府制的砲在面对本土战事(规模通常不大)时已足够应付,故往往不再尝试精进,甚至技术倒退。但西方国家在过去三、四百年间因战争频仍,武器的发展随需要得以大幅进步。实际上就是一个生于忧患,而死于安乐的道理。
 

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