紫禁城里的“灭火枪”

周  乾

（本文载于《科技日报》2021年3月19日第8版，有修改）

紫禁城建筑多为木结构承重，而木材为易燃材料，因而防火极其重要。明清时期，紫禁城的灭火工具除了云梯、钩子、水桶等传统工具外，还有一种借助机械作用的“灭火枪”，称为激桶。紫禁城里的激桶有两种形式：唧筒和水龙。其中，唧筒最迟在宋朝已得到应用。如北宋政治家曾公亮所撰《武经总要》之“制度十二”部分记录了唧筒的做法。水龙则是在晚明时期由西方引入。如德国传教士邓玉函（Johann Schreck）口授、明代官员王征笔译的《远西奇器图说》，其中介绍了包括水龙（水铳）在内的西方力学、机械学知识。唧筒和水龙在灭火方面有着异同点，以下进行解读。

唧筒在清宫档案中又被称为“岔子激桶”。故宫博物院现藏唧筒多为铜制，呈下粗上细的中空长筒状（图1），由内外套筒、喷水头、支脚、连杆、皮制活塞、阀门等部件组成。内筒被抽出后，整个唧筒的长度可达2米。最里层内筒的顶部固定了喷水头，最外层套筒底部有数十个小孔，用于汲水。支脚用于架立唧筒。连杆与活塞相连，位于底部套筒内，用于吸水及喷水。阀门一般有两个，为铜片或软皮，分别控制进水和出水。唧筒往往与水桶配合使用。建筑失火时，救火人员将唧筒支脚张开，立在水桶中，并将外套筒底部置于水中，将喷水头则对准火点，通过手动前后推拉底部内筒，使其带动活塞往复运动。活塞前行使得筒内的气体体积增大，气压小于水压，进水阀门开，水由底部套筒中的小孔吸入；活塞后行使得筒内的气体体积减小，气压大于大气压，出水阀门开，水由喷水头射出。唧筒每装一次水即可使用一次，射程可达20米，但出水量小。唧筒的优点是便于携带，单人即可操作。

图1  故宫博物院藏唧筒

水龙在清宫档案中被称为“西洋激桶”，且在清中期起，逐渐取代了唧筒。如中国第一历史档案馆藏《内务府堂呈稿》载有嘉庆二十年（1815）六月初五“宫内各等处安设西洋激桶三十一架，叉（岔）子激桶一架，共计三十二架”。故宫博物院现藏清宫内务府造处制作的水龙模型（图2），是当时成批制造水龙前的小样。水龙在构造上主要由水箱体、铜缸、活塞、阀门、铁杆、压梁、将军柱、出水管等构件组成。其中，水箱体相当于水龙的“外壳”，且底部有抬杠，便于搬运。铜缸为圆柱形，共四个，均位于水箱体内，相互间有软管及阀门相连；两个铜缸用于存水，另两个铜缸内有活塞，用于吸水。活塞由圆形铜块与数层软皮挤压而成。活塞被固定在一根竖向铁杆端部，而铁杆的另一端则与压梁固定。压梁为一根长木梁，功能相当于人力挤压活塞的杠杆。将军柱位于水箱体中部位置，底部与水箱体固定，顶部与压梁铰接连接，相当于杠杆的支点。出水管位于将军柱旁边，为竖向铜管，管底有软管与吸水缸相连，管顶可再接自由转动的水平管，以利于向各个方向喷水。

图2  清代造办处制作的水龙模型

水龙的出水原理与唧筒相同，即通过活塞产生往复运动来吸水与喷水。然而，水龙的便利性、科学性及机械化程度更高。唧筒活塞的受控的方向为前后向，救火人员反复操作后手部容易产生疲劳；而水龙活塞的受控方向为上下向，不仅便于救火人员操作，而且可借助人体重量产生更大的下压力。唧筒仅能单人操作，产生的出水力小；水龙可多人控制压梁两端操作，产生的出水力大。唧筒通过手动直接推拉活塞，操作范围小；水龙则通过杠杆间接控制活塞，操作范围大。唧筒的出水力为手动推拉力直接产生，仅与推拉力相关；水龙的出水力由杠杆的力矩平衡产生，不仅与手动力成正比，而且与力臂密切相关。手动力的作用位置位于压梁端部，距离支点长，因而作用力臂长；与活塞相连的铁杆位于支点附近，因而出水力臂很小。根据力矩平衡原理，手动力与作用力臂之积等于出水力与出水力臂之积。在这种条件下，产生的出水力巨大，因而出水管的射程可以达到数十米外。此外，唧筒仅能单向喷水，水龙则可以向各个方向喷水。《远西奇器图说》评价水龙（水铳）为“火力正胜，人不可近，但有此器，则五六人可代数百人之用，又不空费一滴之水，不拘多高、多远，皆可立到”，可说明其优越性。

紫禁城里的“灭火枪”不仅具有科学性，还是古代中外科学交流的反映。如上所述的《远西奇器图说》即为中西方古代消防机械交流的例证。另据中华书局1980年出版的《朝鲜李朝实录中的中国史料》记载，雍正元年（1723）五月二十五日，朝鲜使节许远向景宗李昀禀报，说看到了紫禁城里有灭火的“水铳器”，希望本国也能模仿制造。他的请求得到了李昀的批准。这可谓我国古代灭火工具走出国门的较早文献记载了。