关于军用烟火技术的注释
A.R.霍尔(A.R.HALL)
早在远古时代,火就被用于战争了,用来摧毁庄稼、房舍、栅栏等,后来也用于烧毁船只和攻城掠地。原始时代,人们手中的火把就是一种很厉害的武器,但要获得更复杂的烟火,就需要更多的矿物学方面的知识。在古代和中世纪时期人们所熟知的矿物中,燃烧性质最适于军事目的的,不外乎硫磺、硝石、沥青,以及一种强挥发性、低燃点的石油组分——古代作者都称之为“石脑油”。所有这些东西,古代近东地区都能得到,只是还不清楚是否会制备硝石,因此它作为辅助燃烧的添加剂的价值很小。在罗马时期,沥青大量地被树脂和从木材中蒸馏提取的焦油所取代。在西南亚的希特(Hit)和其他地方(第Ⅰ卷,边码250—254),从自然渗出的石油里可获取石油产品,非洲和西欧自然只有通过传说有所知晓。
关于这些原料的利用情况,后文将有论述。这里先说明在火药发明之前的以火为武器的三种战术手段。最简单的是火箭或火矛,由它发展而来的是用某种机械投射出去的火罐(边码700)。最复杂的是拜占庭时代早期出现的火罐,用管道甚至是火箭发射出去,火罐里装有猛烈的爆炸物。很明显,这三种方法都必须运用不同水平的烟火技术。
对于第一种,只需用粗麻纤维或者布、干燥植物之类的材料绑在箭头上,再涂上沥青或树脂,然后把它点着做成火把,并向敌人的木质工事或者船只上投掷。早在近东地区文明出现之前,这种装置可能就使用过,并在历史上一直沿用。至于火罐,要使它起作用,则需要设计出能够把它掷至足够远的机械,而且要研制出液体填充物,使得容器炸裂时能把可燃物散布到很大范围才行。或许人们在最初使用这种液体燃料时,就是简单地泼在进攻堡垒的敌人身上。近东地区所用的是石脑油,长期以来就充作“希腊烟火”的一种主要成分,对那些不知道其简单奥秘的人来说,这是非常神秘的东西[6]。毫无疑问,挥发性的油常常被有意无意地拿来和黏度较高的油、沥青或者其他东西混合使用。尽管根据古代作者们的描述来看,这些人造烟火非常难以扑灭,但我们仍然认为它们不可能经由外力碰撞或冲击作用而点燃。
在公元前第一个千年的后半段或甚至更早的时期,含有石脑油的火罐可能就被用于战争了。关于火罐成分的文字记载要比这晚一些。普罗科匹厄斯(Procopius,6世纪中叶)曾经这样写道:
波斯人发明了往容器中填充硫磺,以及一种米堤亚人叫作石脑油,希腊人叫作“米堤亚油”的药物,把它们点燃后,用力投掷到攻城槌的木构架中,并将它们点燃,烈焰会点燃任何与它接触的东西,除非敌方立即撤退[1]。
在中世纪时,类似的配方更是经常使用。在被迫击炮于16世纪取代之前,火罐曾经长期存在。
7世纪时发明的“希腊烟火”,显然是由液体燃料改良而成。正是依靠熟练地使用这种武器,拜占庭王朝才得以在673—678年间的穆斯林进攻中,以及其后数世纪内西欧人和俄罗斯人的攻击中生存下来。除了用于制作这些破坏性武器以外,希腊烟火还在拜占庭的敌人中引发过带有迷信色彩的恐惧,因为王朝的君主们始终小心翼翼地保守着身负重托的配方的秘密。其实,既不存在任何一种单纯的燃料叫作希腊烟火,也没有一成不变的用法。
拜占庭时期使用的一些方法很容易鉴别出来。在海上,据说他们常把磨得很细的生石灰与石油混和物进行混合,一旦石灰碰到海水就会发生反应燃烧起来[7]。加上硫磺,则能使烧出来的烟更浓也更有毒。这些液态燃料好像并不怎么使用硝石。
同样具有独创性的是用来把希腊烟火投向敌方的装置,例如安装在战船上的“喷管”(图341、图342)。它可能是一种青铜制的压力泵,通过喷嘴能将燃烧的液体喷射出去。据说,利奥六世(LeoⅥ,886—911)曾经让他的士兵在盾牌后面放上装了可燃物的小管子,点着后向敌人掷过去。一些作者曾经引用拜占庭公主安娜·康内娜(Anna Comnena)的记载,认为这种管子的推进装置就是火箭,不过这非常值得怀疑[2]。
用于充填这类管子的糊状物的配方可能更早就有了,朱利叶斯(Julius Africanus,主要活动于220—235)曾这样描述:把未燃烧的硫磺和从土里提取出来的盐、黄铁矿、硫化铁矿等量地放进一个黑色的研钵中研磨,再加上黑色无花果汁和黑色沥青(例如石脑油),制成糊状物[3]。一些对此感兴趣的人可能会认为,这些“灰土盐”“食盐”之类的东西就是硝石,但这种看法其实并没有什么根据。没有大量的纯硝酸钾、硝酸盐,制造火箭(或其他炸药)是不可能的。
这些令我们困惑的事情中,唯一能肯定的就是根本无须辨别中世纪作者所说的“盐类”究竟是现代化学家清楚区分的哪种物质,古代的作者们完全把硝酸钠和硝酸钾、碳酸钠和碳酸钾混淆起来了。
由于和拜占庭的密切联系,穆斯林国家应当能够控制伊拉克渗出的石油,加上他们对希腊技术文本和方法有所研究,自然会对烟火的战争用途有所了解,并凭借它成功地抵御了基督教入侵者。十字军的编年史作者们常常提及烟火。当时的人们为了阻止敌人过河,将路易九世(LouisⅨ)修建的用于掩护过河的木制大城堡用火焚毁,儒安维尔(Joinville,1224?—1317)记叙过这一情况(1249年):
希腊烟火的形状从前面看起来像一大桶酸果汁,拖着的尾巴像长矛一样长。它到达时声如雷鸣,看起来就像一条火龙划过天空。它发出的光芒也特别耀眼,使我们在营地能像白昼一样清晰地看到一切,这是由于火势极大而发出强光所致。那天夜里他们3次向我们投掷烟火,有4次则是用弓箭射过来的[4]。
有大量证据表明,穆斯林军队拥有大批火罐,配上缓燃引信并用军用投石机之类的机械投掷器投掷(图583)。但是,关于他们是否改进了烟火配方和发射方法,还缺乏有力的证据。
早在13世纪末之前,欧洲就已经开始制造烟火,作为中世纪时期最具戏剧性和深远影响力的技术发明之一,火药在枪炮方面的应用也早在14世纪早期就出现了。如果硝石—硫磺—木炭混合物的烟火配方是从远东传来,那么它不是通过拜占庭就是通过伊斯兰世界。诚然,欧洲人曾经和蒙古军队在波兰、俄罗斯以及波斯战场上有过一些直接的交锋,但火药是在西欧最早出现,蒙古人并不使用由中国人发明的烟火技术。
黑色火药由中国传到欧洲的路线尽管看起来不太明确(造纸及印刷术这两项发明的传入途径则很清晰),但可以肯定的是,中国发明炸药配方和使用方法的历史远早于欧洲[5].1044年编著的《武经总要》中曾记载了火药的配方:
将1斤14两硫磺、2.5斤硝石、5两木炭、2.5两沥青,以及等量的干燥清漆碾成粉末后混合,再加2两的干植物材料、5两桐油,以及2.5两蜡,搅成糊状,直到所有成分最后都混合均匀。然后,用5层纸将混合物包裹起来并用线绑紧,再涂上蜡或沥青[6]。
可以看出,这些物质中包含大量碳氢化合物,更适合制作猛烈燃烧的烟火而非炸药。当时的中国人已经熟知了火箭和其他一些燃烧弹武器,这些武器和近东的类似,都是像近东地区投射液体成分烟火那样,利用机械装置进行投射。长期以来被用作麻醉药的硝酸钾作为添加剂使用,显然是后来的事情了。
由于使用这些燃烧弹配方,很可能就在偶然之中发明了炸药。填充了火药的竹管很快就被应用于军事目的,它们是用手或机械投掷的手榴弹的前身(图343)。
最初,人们是把炸药连同石头、瓷片和弹丸一起装进空心竹筒里或者用纸筒包裹住。接下来它就自然而然地发展成为金属管火炮。这种更具威慑力的“罗马蜡烛”,很快演变成向管子里填充一定量的火药粉和投掷物,然后利用一排火门接连发射出去。13世纪中期,中国出现了这种形式的火炮。随后,很快就出现了文献记载的金属枪炮管,利用火药的力量把投射物向前推出,然后便发明了最原始的枪炮。存世的最早实物出自1356年[7]。
在此前后,枪已经在欧洲的战争中相当普遍地使用(边码726)。那时,欧洲和中国之间的交流没有实质性进展。事实上,欧洲在火炮方面的应用很快远远领先于中国人,硝石、硫磺和木炭的配方在1300年前后就已经出现了。据说培根(Roger Bacon,1214?—1294)发明了一种焰火,但是,与通常的记载相反的是,他并没有发明黑色火药。几乎与此同时,一名叙利亚的阿拉伯语作者哈桑(Al-Hasan al-Rammāh,约活跃于约1280—1290)在一篇军事论文中明确地指出,硝石是烟火配方的主要成分,并且详细描述了如何通过溶解和反复结晶从其他盐中分离出硝石的步骤[8]。不过,他显然并不知道黑色火药的推进力。同时代归于马库斯(Marcus Graecus)名下的《烟火篇之火攻》(Book of Fires for the Burning of Enemies)一书,汇集了许多相当古老的烟火配方,并在1300年前后增补了硝石提纯和火药制作等内容[9]。
马库斯写道:“硝石这种矿物在自然界以石头上的粉化物形态出现,可溶于开水中,然后将溶液倒出来过滤,加热一整天一整夜后,在容器底部就会出现一薄层透明的固体盐的结晶物。”他补充道,“有两种办法制作‘空中飞扬的烟火’”。一个配方是用1份树脂、1份硫磺和(6?)份硝石,完全磨碎后溶解于亚麻油或者月桂油(更佳)中。把上述混合物填充进芦笛或空心管子里,就可以点燃使用,能够射到预想的地方,点燃任何东西。另外一个配方是将1磅硫磺、2磅柳木或椴木木炭、6磅硝石,在大理石上研磨成很细的粉末,这种混合物可填充进火箭里(和前文一样),或作为炸药使用[10]。
在《烟火篇》一书中,仍然没有提示焰火可用来投射弹丸。因此,尽管关于这方面的烟火技术知识是从远东传入欧洲的,欧洲人却是自己重新发明了(正如传统所坚持认为的那样)使用黑色火药的大炮和其他兵器。
在火药所需的成分中,木炭在远古时代就为人们所熟知。直到18世纪末期为止,炭化方法也没有真正的改进。硫磺的使用历史比较模糊,尽管人们也是很早就知道了它。根据阿格里科拉(Agricola,1556年)的记载,硫磺是从含硫磺的矿石和泥土(如含天然硫磺的火山灰)中提取出来的,或者通过蒸馏黄铁矿获得。先把天然硫磺放到坩埚里加热,蒸发出来的气体在第二个坩埚里液化,然后在第三个坩埚里去掉液体后得到固体。或是将黄铁矿放在坩埚里加热,坩埚底部有洞,硫磺熔化成液体后从这个洞里流到另一个盛水的容器中(图344)[11]。升华后得到硫华,多用于制药。如要做炸药,可以把寻常的硫磺放在坩埚里“软化”,改善其性能,这样硫磺就会完全熔化。给1磅硫磺加入0.5盎司用水银降低了活性的硫磺,再将这些东西完全混合,最后把硫磺倒进上好的白兰地酒里,使它更干、更热,性能也更佳[12]。
根据烟火方面书籍的详细记载,硝石需要最仔细的处理,以使其凝固。对此,烟火书籍中录有多种制造方法。硝石最早的来源可能是起霜的湿墙(边码370),后来可以从马厩、鸽笼、猪圈等处的含氮泥土里滤取出来(图336、图337)。以下是15世纪叙述的一种从含有多种杂质的液体中提取硝酸钾的办法:
如果你要去除盐和明矾提纯硝石,可以取生石灰2磅、铜绿和白矾各1森特纳(英担),2森特纳盐,用酒或醋配出一份碱液。把碱液静置3天以使其净化。然后,根据需要把硝石放进铜制容器中,加入配好的碱液,使之刚好浸过固体表面。完全混合后煮沸,令其体积减半,然后倒出液体,你将看到明矾、盐和所有杂质都沉淀在铜制容器的底部。将液体(先前是碱液)冷却后,就得到水晶似的硝石。当硝石开始结晶时,就可以倒掉液体了,然后再把晶体放到太阳下干燥即可[13]。
另一种从食盐里分离硝石的办法是用冷水冲洗,在此温度下食盐的溶解度较高。据说,添加尿液能促进硝石结晶。16世纪又出现了一种广为人知的改进办法,即向石灰水中添加碳酸钾。把含硝石的泥土放进一个大桶里,交替分层放置木灰和石灰的混合物,最后加水浸没。过一段时间,溶液蒸发,加入更多的混合物加热,使之浓缩。作为最主要杂质的食盐首先沉淀。然后,把溶液放进另一个容器中冷却,以便让硝石结晶出来[14]。
除了正确制备上述3种成分外,制作好的火药还要求3种成分严格按比例混合。配比根据不同目的而有所变化,大炮跟手提枪械要求的火药并不相同。人们为了找出最佳火药,尝试过大量不同的配比,也尝试添加少许其他物质,例如氨盐、砒霜和锑等,以及研磨时加酒精而不是加水。15世纪早期,通常硫磺和木炭的重量比大约为2∶1,加进去的硝石的比例按最后预期的火力分别为4、5、6不等。现代的配比为硫磺占1,木炭占1.5,硝石大约占7.5。起初,人们用杵和研钵进行混合和研磨(图345、图346),后来逐渐被牲口或水力驱动的滚压机所代替。混合物须保持潮湿以避免处理过程中出现意外,发生爆炸的情况并非罕见。直到16世纪中期,火药仍像磨出来的面粉那样细,但是后来火药改为湿筛,使其相互蹭擦成颗粒状。起爆火药仍然要求用细火药,大量直接燃烧的颗粒状火药则能在相当程度上减少推进装药的体积。
相关文献
[1]Procopius Hist.bellorum,Ⅷ,ⅹⅰ,35-38.(Loeb ed.Vol.5,p.160,1928.)
[2]LeoⅥTactica,c.ⅹⅸ,58(p.347).Elzevir,Leyden.1613.Anna Comnena,ⅩⅢ,ⅲ,6.(‘Alexiade’,ed.and French trans.by B.Lieb,Vol.3,p.96.Les Belles Lettres,Paris.1945.Engl.trans.by Elizabeth A.S.Dawes,p.329.Kegan Paul,Trench,Trubner,London.1928.)
[3]Mercier,M.‘Le Feu Grégeois’,p.36.Geuthner,Paris.1952.
[4]Joinville,Jean de.‘The History of Saint Louis’,trans.by Joan Evans from the modernized French ed.by N.de Wailly,p.61.Oxford University Press,London.1938.
[5]Davis,T.L.J.ceem.Educ.,24,522,1947.Goodrich,L.C.and Fêng Chia-Shêng,Isis,36,114,1946.Wang Ling.Ibid.,37,160,1947.
[6]Idem.Ibid,37,162,1947.
[7]Goodrich,L.C.and Fêng Chia-Shêng,Ibid.36,122-3,1946.
[8]Sarton,G.‘Introduction to the History of Science’,Vol.2,ⅱ,pp.1039-40.Carnegie Instn Publ.no.376.Washington.1931.
[9]Berthelot,P.E.M.‘Histoire des Sciences.La chimie au moyen âge’,Vol.1,pp.89-135.Imprimerie Nationale,Paris.1893.
[10]Idem.Ibid.,Vol.1,pp.108-10.
[11]Agricola De re metallica,trans.by H.C.Hoover and Lou H.Hoover,pp.578-81.Mining Magazine,London.1912.
[12]Hassenstein,W.(Ed.and Trans.)‘Das Feuerwerkbuch von 1420’,p.60,col.2.Deutsche Technik,Munich.1941.
[13]Idem Ibid.,pp.53-54.
[14]Agricola.See ref.[11],pp.561-4.
参考书目
Sarton,G.‘Introduction to the History of Science’,Vol.1,p.495;Vol.2,ⅱ,p.1038.Carnegie Instn Publ.no.376.Washington.1927,1931.
Mercier,M.‘Le Feu Grégeois’,pp.151-8.Geuthner,Paris.1952.