持续的工艺改良永久改变了世界欧洲火药变形记

文 王晓云

当我们谈及火药时,我们通常想说的是黑火药。火药虽然古老,却并不原始,在清末的几次对外战争中,敌对双方都还在使用同样“落后”的火药,甚至配方都相当接近。只是在色泽发灰的无烟火药这种新式化工产品出现以后,才开始有“黑火药”的提法。

火药出现于宋代,杜琪峰在83 版《射雕英雄传》中将震天雷设定在黄蓉所在的南宋有一定合理性。成吉思汗大军用火炮攻入高加索,将热兵器战火延烧到了中国以外。数百年间,火药的工艺不断改良,改变了全球战争的形态。

火药进入欧洲

最先从东方学会火药制造的是穆斯林。火药技术在埃及和叙利亚广泛传播,中亚地区曾经的大帝国:莫卧儿、奥斯曼和萨菲王朝,由于大量使用各种重火器征战,并称为三大火药王朝。阿拉伯人哈桑· 阿拉姆记录的火药配方主要供火箭使用,硝酸钾的比例接近75%,基本是最理想的火箭火药比例。

在欧洲,火药技术引进的准确时间无法得知,有可能是通过丝绸之路,也可能是蒙古西征或者蒙古与法兰克王国结盟时从蒙古军队学到。1262 年在穆斯林军队防守西班牙的涅夫拉要塞时,发射的铁球猛烈爆炸,被炸伤者动辄断手断脚,使基督教军队胆寒。

13 世纪英国科学家暨炼金术士罗杰· 培根在《大著作》一书中记载了他成功配制火药的配方,但此公又补充说,他还是认为钟是更好的驱魔武器。英式长弓在1346 年的克雷西之战重创了法国骑士,在这一仗中英国火炮也首次参战,而同一战役的法军也在用火枪。短短4 年后,各国大小战事中火炮已经成为屡见不鲜的角色。虽然教会认为火药是一种黑暗技术,但到了14 世纪中叶,连教皇本人的卫队也开始用火炮。

火药在几毫秒内一连串的剧烈氧化反应,释放出大量灼热的气体向四周膨胀,如果这个反应过程发生在密闭的容器内,它将不堪重压而爆裂为一颗炸弹。如果容器和外界贯通,气体将从这里喷出,容器变成一支火箭。如果贯通的通道是一个长管子,并用松动的圆球堵住通道,这就是一支火枪了。

从14 世纪起,工匠们尝试各种药剂配方,打造和改进新式的火器,火药出现井喷式的发展,成为欧洲的一大产业。意大利和纽伦堡开设了火药学校,火药被用于开矿、在中东开凿运河,在北美修筑铁路。

英国是当之无愧的欧洲火药帝国。14 世纪英国就在伦敦塔造火药,历时整整200 年。英国其他一些要塞也设有火药作坊,英国历史上大部分关键性的战役,如克雷西、英国革命、滑铁卢到特拉法尔加,无不与火药有关。

几百年后,进化了的火药以一种全新而令人震惊的面孔重返中国。1858 年,英军在中英第二次鸦片战争中投入了阿姆斯特朗后膛炮,这种大炮不仅有精确的膛线,而且可以从炮管尾部快速装炮弹,黑火药改用帆布整体封包,持续射击时弹如雨下。驻防大沽口的清军遭受惨重伤亡,北塘阵地的夯土炮垒完全不能抵抗猛烈的炮击,即使士兵再英勇亦无济于事。

同样是火药,在欧洲到底发生了哪些变迁?

湿式造粒火药

黑火药燃烧的效率一直是一个难题。工场需要将硫黄、硝石、木炭三种配方成分尽可能粉碎、尽可能充分混合以便共同燃烧。

早期的火药工艺只是三类原料的粗糙混合物。粗火药不仅燃烧不充分,储运和作战也不是很稳定。在中世纪粗陋的道路条件下,火药桶内的药粉经不住千里舟车颠簸,由于密度差异,轻质的木炭颗粒向上移动,而硫黄和硝石则下行,逐渐就出现了原料上下分层情况,同一桶火药上下部分的药粉打出的子弹力道有明显区别。因此13 世纪的粗火药在装炮之前必须重新翻倒混合,否则可能打不响。

除了在运输途中会分层,干式工艺的火药制造也非常危险,还容易受潮。潮湿环境下,火药性能降低,而配方中的硝酸钾又有吸水特性,需要经常晾晒火药,当士兵把火药倒出来干燥时,火药的粉尘弥散在空气中很容易失火。

1450 年,参照法国工匠的经验,一种湿式火药炮制方法在纽伦堡出现。在生产过程中将三种原料混合后喷水,就可以减少粉尘并降低爆炸事故的可能。注水后的火药原料糊状物磨碎更容易,且由于硝酸钾的水溶性使它在木炭的表面吸附,原料混合效果更好。

湿法造火药最初的做法很有黑暗料理色彩。一些工场用烈酒来淋湿火药,另外还有工匠收集主教神父们喝醉酒后的尿液来搅拌原料。但不管怎么加佐料,潮湿的火药最后总归要被慢慢干燥。意想不到的效果出现了,由于遇水结团,火药干结后变成颗粒,燃烧威力变大了。这是因为火药颗粒之间留出的空隙便于火焰扩散,其原理类似稻草堆或棉絮能够快速燃烧,而致密的锯末却只能缓燃一样。火焰在颗粒之间的缝隙延烧,形成猛烈的爆炸,而不像粉末火药那样有相当一部分还未被点燃就被喷出炮口。

造粒工艺一开始还是用手工搓出,很快就有工场开始用铜筛子来造粒。颗粒状的火药不像粉末火药那样容易受潮,装炮时也比粉末火药方便。一块1 厘米见方的火药的表面积是6平方厘米,但把8 块这样火药堆成一个立方体,表面积只增加了4 倍,重量却增加了8 倍,这样同等重量火药的燃烧速度就会降低一半,用控制火药颗粒大小的方式就可以控制燃烧的速度。

据此,火药工场开始根据不同的武器试制出大小不同的颗粒。如果火药颗粒的燃烧速度超出预期,火药压力的瞬间极限值也会破坏大炮。因而最初只在火枪上使用颗粒状火药,用新式火药提高膛压。而大炮作为昂贵的装备,一旦炸膛损失巨大,因此晚于火枪很多年才开始使用粒状火药。

造粒的火药威力超过粉末火药爆炸威力三成,有时候甚至两倍于后者。如果要将47 磅的炮弹发射出去需要34磅的普通火药,而用粒状火药则只需18 磅。同时,如若火药颗粒恰当,一些黑火药大炮发射时的膛压甚至能降低到普通大炮的两成,不仅增加了燃烧的效率,而且使大炮的发射寿命延长。火炮越大,火药颗粒可以越大。对小型火枪,火药的颗粒则小很多,在燧发枪上,用小颗粒火药推动子弹,用粉末状的速燃火药来引燃颗粒火药。

木炭硫黄硝石的战争

很多现代研究发现欧洲中世纪的早期火炮威力并不差,并非用火焰和巨响来吓唬敌人的样子货。但各国军队缺少的不是使用大炮的经验,而是火药原料缺乏稳定持续的供应。

火药工场开展生产,首先需要木炭。最好的木炭是柳木烧制,在各种木材中柳树木质更软,烧出的木炭更容易粉碎。鼠李木也不错,英国在长达400 年间一直用它制火药。北美火药生产中杨树用得更多,葡萄、榛子、接骨木、桂树,甚至含油量高容易燃烧的松果都曾经用来做火药木炭。除了木炭,还有一些地方用白糖配火药。

木炭的主要工艺进步是用干馏制炭而不是在炭窑中烧制。木材在专用的炭窑中加热到高温后切断空气供应,通过控制温度可以获得性能均匀的高品质木炭。军火作坊为了控制产品质量,通常自建炭窑来烧炭。木炭容易获得,但硫黄就要大费一番周折。硫黄通常在火山活跃地区存在,比如遥远的北欧和冰岛等地。所谓无利不起早,早在14 世纪,这里就有人开设作坊开采硫黄,供给欧洲各个国王的火枪队。西西里也有不少火山,这里每年能输出两千吨的硫黄石,是17世纪时欧洲主要的硫黄矿场,同时也成为垄断火药市场的巨头,英法为了争夺这一矿脉曾经多次谈判,最后英国政府拿下了独家经销的特权。1867 年,美国的路易斯安那和德州等地也探明了硫黄。

而硝酸钾则是火药中最关键的原料。早期发明和使用火药的地区或许富含此类矿产,比如印度的孟加拉地区就是著名的硝石产地。由于大英帝国在18 世纪中期后控制了印度的硝石出口,法国在一百多年间只能给硝矿工人特权,允许他们可以任意闯入私宅挖掘含有硝酸钾的土壤,甚至撬下牲畜圈的墙皮刮取生硝,而不用赔偿损失。对于其他一些缺少硝石矿的地区情况只能更糟。

这样获得的土硝其硝酸钾含量可想而知,为了国计民生,必须有提纯硝石的工艺。13 世纪的叙利亚化学家哈桑· 阿拉姆在他的军事著作中首次提到硝酸钾的提纯:先将粗硝石置于沸水中使之溶解,之后将热的盐液用草木灰(即碳酸钾)进行处理,令粗硝液中的钙和镁变成碳酸盐沉淀,所剩下的就是提纯的硝酸钾溶液,待其浓缩结晶后可以作为军用火药原料。欧洲进入火器时代后,火药工场不仅普遍用含有碳酸钾的草木灰来提纯硝石,析出其中的钙质,还加入牛血、明矾和郁金香花瓣等材料以图提高火药的质量。

没有英国硝石,南北战争打不起来美国早年的硝石大部分来自英属印度,火药原料牢牢控制在大英帝国手中,兹事对于美国性命攸关。英方几乎垄断了全球硝石市场,南北双方都对英国提供的印度硝石极其依赖。

1861 年4 月南北战争爆发初期,北方联邦军只有6 个月的火药量储备,而这些硝石还是上一场墨西哥战争时期的剩余物资,如果无法补充,北军将落入冷兵器作战的境地。不凑巧的是,在南北战争爆发之初,联邦海军一艘军舰扣押了两名英国外交官,造成双方关系紧张,英国对美实施了全面武器禁运,包括可以用于生产火药的印度硝石。

杜邦家族的年轻一辈拉莫特· 杜邦此时恰好在英国以私营企业主的身份为美国联邦军采购各类军需物资。杜邦了解此间的利害关系,游说美国国务卿西沃德释放两名英国外交官并书面致歉,不仅避免了一场战争,还购得了所需的硝石。

这个时期英国和欧洲其他国家遭遇了农作物减产,其中英国1862 年到1863 年小麦减产10%以上,联邦政府向欧洲出口了4000 万蒲式耳(一蒲式耳相当于35.238 升)的小麦和面粉,英国市场上6%的小麦来自美国,粮食价格甚至还下降了。美国小麦使英国免于饥荒,从而换来大量的军火原料。得益于英国进口硝石,联邦军在整个战争期间硝石供给非常丰富,在联邦军火库中储备了近400万磅的硝石(近2000 吨)。

在南军一方,情况恰好相反。开战之初,南军就从各地的杜邦公司联邦军械仓库扣押了大批的火药。内战爆发后不久,前西点军校化学教师乔治· 华盛顿· 瑞恩斯在佐治亚州的阿古斯塔为南军建立了一处优质火药工场。

南军还屡次突破北军的海上封锁运进火药,其印度硝石大部分来自突破北军封锁的走私渠道,实际仍然由英国供货,南军有220 万磅的硝石来自印度,占所需量的六成。如果英国对南北双方都进行武器禁运,这场死亡75 万人的战争也许就不会爆发了。

随着战况推进,南军的硝石紧缺情况日益恶化。火药的产能和经验在此时无济于事。发射一发炮弹需要几十磅火药,南军不仅缺少大炮,更缺火药,只能自己造硝酸钾。南部邦联的硝石来源主要是分布在田纳西、肯塔基、弗吉尼亚、阿拉巴马和阿肯色等各州的山洞,那里有相当数量的蝙蝠粪便,以及从牲口棚和熏肉棚泥土里挖出的土硝。岩洞中的沉淀物结晶以及蝙蝠和鸟类的粪便经年累月堆积,将其采掘后用水进行浸泡,浸出其中的矿物质,最后过滤和浓缩可以得到硝酸钾。

但这些硝石显然也是远远不够的,美国内战初期,支持南部邦联的法籍医生及地理学家约瑟夫· 莱肯特提出过一种硝酸钾的生产工艺,此公后来成为加州大学伯克利分校教授。莱肯特呼吁农场主们协助南方政府自力更生,用简单的方法来生产更多的土硝。

这种所谓的“法式工艺”是用动物粪便和灰泥混合,加入麦草后堆积成2 米宽、5 米长的堆肥,每隔两周淋一次尿液来保持内部潮湿,促进有机物分解为氮素。如此持续一年后将原料启封,用水溶出其中的硝酸钙等盐分,再用草灰反应得到硝酸钾。另外他还提出一种“瑞士工艺”,是在牲畜棚地面铺一层细沙来收集牛马的尿液,最后用水溶提取。

为了给南部邦联生产火药,莱肯特可谓殚精竭虑。他认为硝酸钾的自然形成需要五个条件:有机物,碱性土壤,潮气,氧份,以及避光。从偏远乡村蛛网错节的蝙蝠洞穴,到城市人口密集区尿液横流的肮脏后巷,哪里有硝他都心里有数,此公推荐抓一把土壤用嘴巴尝有没有硝的味道,因为他自己就是这么干的,如果硝石含量足够丰富,你一定能尝出来,不信可以试试!

在1863 年葛底斯堡战役之后,南方邦联火药最紧缺的时期也到来了。这一年的南方联邦报纸上刊出了如下广告:“塞尔玛市的女士们,敬请收集自家便桶中的尿碱,以备生产火硝之用。本市每日将派专人携带容器收集。南方邦联硝石及矿产局。”

杜邦时代

南北战争也催生了一大化工巨头——杜邦集团。

E.I. 杜邦在宾夕法尼亚南部的布兰迪河边办了一批工场,利用湍流的河水推动水车,来带动石磨粉碎硝石,并与其他成分配比后制出火药。杜邦火药工场不仅成为杜邦公司的基础,也是美国早期化学工业的鼻祖。

杜邦建立了火药作坊,但本地人却更喜欢英国火药,即使在美国独立之后。当时的火药只是枪药,民间人士偏好A工场或B工场的火药只是因为它在自己的步枪上射得更好,但换了别的一种步枪可能就效果不好。而军方的习惯则不同,他们只采购特定厂家的火药,主要因为这样价格更低廉或者产量更大。在质量、价格和产能三者之间周旋,杜邦公司1810 年成为美国最大的火药公司。

由于进口印度硝石,价格受制于人,为了打破垄断,杜邦公司开始用智利硝石(硝酸钙)来反应生产硝酸钾,降低军火成本。拉莫特· 杜邦1857 年申请了一项名为B爆破火药的专利,用廉价的秘鲁和智利硝酸钙来生产火药,实际上就是用碳酸钾(来自草木灰)和硝酸钙进行交换反应,生产出硝酸钾同时将钙质沉淀。廉价的硝酸钾仍然需要进口南美硝石。若干年后,英国火药公司也开始用这种办法造火药。

杜邦研究还发现如果将火药粒装在滚筒中旋转,将药粒的棱角磨掉,这样的球状火药更容易运输,不会因为产生粉末降低燃烧性能。杜邦还在火药块外面沾一层石墨,形成一个保护层,减少火药受潮结块的可能,以及静电火花导致的爆炸。涂有石墨的颗粒火药同时相当于进行了润滑,更容易装填进枪管。

美国内战中北方火药充足,杜邦赚了大把美金,一时成为“世界五百强”级的公司。19 世纪末,中国劳工又大批进入火药厂工作,进一步降低了火药造价。杜邦公司在一战和二战期间都是美国重要的炸药厂商,一战提供了150 亿磅的火工品,二战提供了450 亿磅。杜邦公司的黑火药车间在1970 年毁于一场爆炸事故,公司此后才决定不再保留这一传统产品。

火药的黄金岁月

火药和现代合成炸药不同,它只是混合物而不是化合物。欧洲火药的配方自1515 年巴蒂斯特·波特(BaptistaPorta)提出以来几乎没有改变过,但老式的黑火药只有粒状火药威力的75%,块状火药的57%。正是几百年间工艺的革新,才使火药的威力大大增加。

早期造火药原料需要碾碎,且不能用钢铁之类容易产生火花的容器,英国曾经用大理石或是石灰石的磙子来压制。在19 世纪湿式方法流行后才改为钢制或者铸铁碾压机,每批火药从投料到出品需要超过一天时间。

在美国,早期的火药工场类似磨坊,只不过要磨碎的不是小麦而是火药原料。北美最早的火药作坊位于麻省的密尔顿,距离波士顿不过很短的一段车程,当时选择这里是为了避开城区,一旦火药发生事故不会伤害居民。水力火药工场的新式碾磨机效率更高,生产一批火药只要四五个小时。

工业化时代之前,老式黑火药工艺落后,用火药装大炮需要很好的经验,如果火药压得不实,点火后会火药烧不完;如果火药压得过实,燃烧速度会很慢。这种微妙的平衡实在难以把握,所以炮兵最后将火药只装半个炮膛,在前面堵一个木塞起到压实的作用,最后才装炮弹。

1800 年前后,一些火药工场开始出现试验的做法,测量爆破的压力,并用摆锤测量枪弹的动能,用定量的数据代替臆测和设想。一个火药的新时代到来了。欧洲18 世纪末还出现了火药压实工艺,将潮湿的火药半成品先用模具压制成块状,挤出其中的水分并增加能量密度。在每平方米600吨的压力下,火药压制成不到半寸厚的火药块,以去除火药中的水分和孔隙并提高密度。等火药块干燥以后,再将其破碎过筛,筛选成大小不同的颗粒供火炮或火枪使用,最后的火药粉末留给火枪做引火药。块状火药燃烧效率至少是之前火药工艺的两倍,燃烧更干净,燃烧速度可以控制,残留物少,开枪时火枪后部火嘴的喷火情况也小。压实的块状火药在同体积情况下,比普通粉末火药威力大四成左右。

在这个基础上,拿破仑的化学家发现火药的颗粒如果呈六边形中央开孔,类似蜂窝煤,燃烧特性会更好,火药的压力曲线很平均,使用威力更大的配方而不会突破火炮的强度。1858年克里米亚战争,法国开始将有膛线的大炮投入战场,英国海军压力山大,但新式的有膛线火炮需要大颗粒火药。英国火药厂将块状黑火药切成长条,再加工成英寸大小的方块,火药燃烧的速度仍然太快,只能加厚大炮的炮管来防止炸膛。英国人开始效仿法式工艺,将火药用模具压成六棱柱,其中留有一厘米直径的通孔,火药燃烧越多面积越少,可以获得比较均匀的爆燃速度。这种结构的火药至今还在火箭发动机上采用。

火药配方开始定量化和标准化,性能也可以实现统一稳定。这样本国军队在战时也可以安全使用从多个国家进口的火药。步枪的精度得到提高,枪管上出现了瞄准装置。在那以前的火枪准头很差,准星完全没有存在的必要。由于火药装药量的量化,每一枪子弹的飞行轨迹也趋近,瞄准装置开始按照弹道设定远近不同距离的落点。甚至还能通过用量器精确装填火药,确保燧发火枪每一发子弹飞行速度相同。

19 世纪后期,火药的生产已经达到非常精确完善的地步,采用何种方式碾磨,颗粒大小,时间长短,不同成分的配方,以及最后的燃烧速度都可以调整。此时各国的火药品种繁多,有含硝石量略低的火箭,也有含硝石量六成五的马克七型火炮火药。硝石含量降低的目的是降低火药燃烧速度,令其在持续几秒钟的时间内持续推动火箭飞行,而火枪上用的火药则需要瞬间将子弹喷出枪膛,火药燃烧速度要高得多。这些现代意义上的黑火药燃烧温度超过2000 度,在枪管中的燃烧时间只有10 毫秒。在火炮上,火药能产生每平方英寸42 吨的压力,瞬时的冲击波更超出这个数字。只需要200 磅的火药就能将500 磅的炮弹发射到远处。

1894 年,美国开始使用无烟火药作为军用枪弹发射药,高射速、小口径的速射武器开始出现,发射后污染少的无烟火药成为首选,但使用黑火药的子弹仍然有大量库存供国民警卫队使用。

火药推动历史

火药可能是有史以来最伟大的发明,但火药的持续工艺改良才真正永久改变了世界。

突厥人用巨型火炮攻陷了君士坦丁堡,结束了城堡的防御,也结束了罗马历史。由于火药和火炮的出现,小型的城堡丧失了防御价值。奥斯曼帝国16 世纪就能造出重达18 吨的达达尼尔大炮。但在中世纪,冶金铸造工艺造不出强度高的炮管,有人戏称那时的火炮打死的敌人可能还没有炸膛炸死的炮手多。由于火药本身纯度低,这种问题也不是很突出。但到了硝酸钾提纯工艺出现后,火药的威力大幅度提高,火炮工艺也急需提高。

大炮的制造也带动了冶金和机械技术发展。19 世纪后期是黑火药和前装炮鼎盛时期,英国阿姆斯特朗工场生产过100 吨的巨型黑火药大炮,用吊车从炮口装入700 公斤重的炮弹,用液压机构控制大炮的俯仰和指向,发炮是用电火花击发。这种大炮能打穿400 毫米厚的铁甲舰装甲,可以看作后来艾奥瓦级等巨舰大炮的前身。

火枪则催生了步兵,使它成为一个独立兵种。将6 尺长的管子装入火药,即使最勇猛的土著武士也很容易被新兵的火枪撂倒,低等小兵成为致命的枪手。火枪用一只手就可以扣扳机点火,解放出另外一只手端枪瞄准,而射箭则需要双手全力张弓,训练火枪手比训练弓箭手要容易得多。

火药和火枪发明之前,武器的威力取决于使用者力量的大小,火药成熟以后,驾驭火药的能量大大拓展了人类的力量,使拓荒者能在大自然中生存。《最后的莫西干人》中英国通过租借法案将廉价的布朗· 贝斯火枪输送给印第安盟友,与法国殖民者作战。

而又是英国占领军,为了收缴莱克星顿定居者的火枪和火药,打响了美国独立战争的第一枪,令《爱国者》中的梅尔· 吉布森将儿子的锡兵玩具熔成子弹,用肯塔基火枪狙击英军。火药工场的建立使新大陆逐渐摆脱了对英国的依赖,有了宾夕法尼亚兰彻斯特县的几十家火枪作坊造出的肯塔基火枪,人们可以离开城镇深入西部荒野,远征阿巴拉契亚。

火枪是三个火枪手们的随身武器,也是刺杀林肯的凶器,还是杰克船长和巴博萨海盗团伙的近战法宝,直到第一次世界大战爆发时,比利时的一些要塞仍然在用黑火药大炮。

在导弹和航天技术主宰的今日,火药武器仍然有众多的拥护者,杀手在《通缉令》中用繁复雕花的火枪狙击猎物,现实的阿富汗战争中圣战者也仍然用百年前的黑火药步枪抵抗苏联入侵,甚至在未来题材的《疯狂麦克斯4》中,使用火药的肯塔基步枪仍然主宰着废土年代。

浏览次数:  更新时间:2016-09-14 10:50:57
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