“水冷時(shí)代”的典范：馬克沁機(jī)槍冷卻裝置

1884年，英籍美國(guó)人海勒姆·史蒂文森·馬克沁設(shè)計(jì)的世界上第一挺利用火藥燃?xì)馔瓿缮鋼粞h(huán)的機(jī)槍獲得發(fā)明專(zhuān)利，其標(biāo)志著自動(dòng)武器新紀(jì)元的開(kāi)啟。不過(guò)，這種新的原理也帶來(lái)了如何為武器散熱的問(wèn)題——即無(wú)論采用何種火藥作為動(dòng)力源，其能量將有很大一部分以熱的形式轉(zhuǎn)移到槍管等金屬零部件上。即便是早期以黑火藥為動(dòng)力的槍彈，在發(fā)射瞬間，槍膛內(nèi)部的最高溫度也將達(dá)到1500℃，而無(wú)煙發(fā)射藥燃燒時(shí)會(huì)超過(guò)3000℃。在這樣的瞬時(shí)高溫輪流沖擊下，槍管會(huì)迅速變熱，一般不間斷發(fā)射200發(fā)以上，口徑就會(huì)膨脹、射程變近，而射彈數(shù)超過(guò)400發(fā)，槍管溫度將超過(guò)800℃，槍管壁會(huì)逐漸發(fā)紅變軟，彈頭嵌入膛線時(shí)就會(huì)對(duì)膛線造成永久性損傷，此時(shí)如果繼續(xù)強(qiáng)行發(fā)射，槍管就會(huì)扭曲變形甚至出現(xiàn)炸膛，導(dǎo)致整根槍管報(bào)廢。

此前出現(xiàn)的機(jī)械式連發(fā)武器如加特林轉(zhuǎn)管機(jī)槍?zhuān)捎谏砉軘?shù)量多，過(guò)熱問(wèn)題尚不十分明顯；而馬克沁機(jī)槍的實(shí)際射速達(dá)到600發(fā)/分，射速相當(dāng)于加特林機(jī)槍的3倍以上，如果沒(méi)有可靠的散熱裝置，一根槍管支撐不到1分鐘就要更換。為此，馬克沁想出了一個(gè)絕妙的主意，那就是把槍管浸泡在一個(gè)盛滿水的容器之中，用水這種易得的資源作為給槍管降溫的介質(zhì)，只要水位不低于槍管，槍管的溫度就始終不會(huì)超過(guò)水的沸點(diǎn)即100℃，從而滿足長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)發(fā)射的要求。馬克沁設(shè)計(jì)的這種水冷裝置非常實(shí)用且具有獨(dú)創(chuàng)性，其不僅保證了馬克沁機(jī)槍日后在戰(zhàn)場(chǎng)上的卓越表現(xiàn)，并且成為各種早期水冷式重機(jī)槍冷卻裝置的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，是名副其實(shí)的“典范”。1899年，馬克沁機(jī)槍在美國(guó)進(jìn)行了連續(xù)射擊15000發(fā)槍彈的極限測(cè)試。正是由于功能完善的水冷筒設(shè)計(jì)，才最終保證了這次測(cè)試的圓滿成功。

水冷方式

對(duì)“三對(duì)矛盾”的巧妙解決

馬克沁機(jī)槍冷卻裝置的發(fā)明雖距今已百余年，但詳細(xì)解讀這種裝置，仍然讓我們感到意味精妙。為了更好地了解馬克沁冷卻裝置的設(shè)計(jì)精髓，本文選擇了結(jié)構(gòu)最為典型、使用最為廣泛、影響力也最大的一種馬克沁水冷機(jī)槍?zhuān)吹聡?guó)MG08重機(jī)槍作為講解的范例。

MG08重機(jī)槍是在早期馬克沁M(jìn)1889機(jī)槍基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的，以結(jié)構(gòu)成熟、性能可靠而享有聲望，在兩次世界大戰(zhàn)中曾被許多國(guó)家裝備。該槍套裝在槍管上的水冷筒由黃銅改為更為經(jīng)濟(jì)的鋼材制成，在降低全重的同時(shí)也提高了機(jī)械強(qiáng)度。水冷筒由筒體和前蓋、后支座組成，其中前蓋起到密封水冷筒前端以及連接水平排氣管和徑向排氣管的作用；后支座連接水冷筒和槍身，具有密封水冷筒后部和固定水平排氣管末端的作用，其上安裝有注水口座。從這些零部件的作用可以看出，水冷筒并不僅僅只是盛裝冷卻水那么簡(jiǎn)單，其經(jīng)過(guò)了精心的設(shè)計(jì)。這一冷卻裝置主要解決了三對(duì)主要矛盾，從而達(dá)到利用水為高速發(fā)射中的槍管散熱這樣一個(gè)看似簡(jiǎn)單的目的。

矛盾一：順利排出水蒸氣和防止冷卻水溢出

MG08重機(jī)槍的水冷筒裝滿時(shí)共有約4升冷卻水，當(dāng)連續(xù)射擊約400發(fā)以后，水被槍管加熱而逐步達(dá)到沸點(diǎn)，變成水蒸氣逸出簡(jiǎn)體，隨后每射擊1000發(fā)槍彈，就會(huì)蒸發(fā)掉約1.7升水。如何排出如此大量的水蒸氣，是冷卻裝置設(shè)計(jì)中必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

水冷筒后上方設(shè)有一個(gè)注水口，注水口可否兼作排氣口來(lái)排出水蒸氣呢？答案是否定的。其原因有二：如果注水口是敞開(kāi)的，那么機(jī)槍在戰(zhàn)斗中需要轉(zhuǎn)移陣地或安裝在車(chē)輛等不穩(wěn)定平臺(tái)上時(shí)，就很難保證在劇烈的晃動(dòng)中水不會(huì)從注水口溢出，若此時(shí)水正處于高溫狀態(tài)，有可能會(huì)造成燙傷射手的后果；如果注水口是封閉的，那么水冷筒就會(huì)成為一個(gè)小型蒸汽鍋爐，持續(xù)產(chǎn)生的水蒸氣在密閉環(huán)境下會(huì)形成很高的壓力，存在很大的安全隱患，因此注水口同時(shí)兼作排氣口的方案顯然是不可取的。

馬克沁的設(shè)計(jì)方法是，在水冷筒內(nèi)設(shè)計(jì)了一套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而又巧妙的水蒸氣排出裝置，恰到好處地解決了上述問(wèn)題。這一裝置由徑向排氣管和水平排氣管組成。徑向排氣管位于水冷筒前蓋內(nèi)，其呈斜置狀態(tài)，以便為槍管讓位；徑向排氣管的長(zhǎng)度比較短，末端為蒸氣排出口，排氣口突出于水冷筒下方，平時(shí)旋有保護(hù)蓋，防止異物將其堵塞。水平排氣管位于槍管上方，與槍管平行，其前端與徑向排氣管接通，末端旋緊固定在后支座上。水平排氣管的頂部前后兩處分別開(kāi)有小的泄氣孔。射擊過(guò)程中，水蒸氣由這兩個(gè)泄氣孔進(jìn)入水平排氣管，再經(jīng)徑向排氣管最終從排氣口排出。在這樣的巧妙設(shè)計(jì)下，冷卻筒里的冷卻水水位一般不會(huì)高過(guò)泄氣孔，即使在攜行轉(zhuǎn)移或車(chē)輛行駛等劇烈顛簸狀態(tài)下，水也很難進(jìn)入水平排氣管而造成泄漏。

還需要考慮一個(gè)問(wèn)題，水冷式機(jī)槍在冬季或寒帶使用時(shí)，排出的水蒸氣會(huì)在槍身上方凝成霧團(tuán)，不僅影響射手瞄準(zhǔn)，也會(huì)暴露機(jī)槍陣地的位置，而馬克沁機(jī)槍防止蒸氣結(jié)霧的辦法非常簡(jiǎn)單而巧妙，其是通過(guò)一根橡皮蒸氣導(dǎo)管來(lái)解決的，導(dǎo)管一頭接在排氣口上，另一頭則插入一個(gè)鐵皮冷卻水箱內(nèi)，這樣既防止水蒸氣冒出，又可以循環(huán)利用排出的水。

矛盾二：槍管前后運(yùn)動(dòng)和與冷卻筒之間保持密封

水冷式機(jī)槍的槍管都設(shè)置在水冷筒中心線下方，這種布局的好處是，即便筒內(nèi)水位因蒸發(fā)而逐步下降，仍可以保持槍管較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)浸沒(méi)在水中，繼續(xù)起到冷卻的作用。但馬克沁機(jī)槍采取管退式自動(dòng)原理，也就是說(shuō)，為了完成射擊自動(dòng)循環(huán)，槍管會(huì)前后運(yùn)動(dòng)，這樣就存在水冷筒與槍管接觸的前后兩處如何密封的問(wèn)題。如果在水冷筒內(nèi)單獨(dú)加上一根可以容納槍管運(yùn)動(dòng)的管子，一則使水冷筒的加工復(fù)雜化；二則冷卻水與槍管不能直接接觸，失去了水冷的本來(lái)意義。

馬克沁機(jī)槍解決這一問(wèn)題的辦法是，在槍管后部與后支座接觸的部位加工有一道環(huán)槽，槽內(nèi)纏繞浸過(guò)油的石棉線，以達(dá)到密封目的；槍管前部與前蓋接觸的部位雖然沒(méi)有環(huán)槽，但也設(shè)有類(lèi)似的石棉線圈，也能起到密封作用。當(dāng)然，這兩處的配合尺寸要求比較高，既要保證槍管前后運(yùn)動(dòng)自如，同時(shí)又要具備高度的密閉性，做到滴水不漏。使用石棉線而非棉線的原因是石棉既耐高溫，也耐油和水，不易腐蝕和霉?fàn)€；石棉線預(yù)先浸油的目的是利用油的憎水性，防止水緩慢滲透。不過(guò)，槍管長(zhǎng)期前后運(yùn)動(dòng)也會(huì)造成石棉線的磨損，所以必須隨時(shí)注意檢查槍管與水冷簡(jiǎn)的密封狀況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有滲水跡象時(shí)需要及時(shí)更換石棉線。

矛盾三：俯仰射擊和冷卻水溢出

機(jī)槍的使用環(huán)境復(fù)雜多變，有時(shí)需要以大仰角射擊高處目標(biāo)，而在山地作戰(zhàn)時(shí)又常常會(huì)向下進(jìn)行俯射。馬克沁機(jī)槍的注水口設(shè)在水冷筒后部右上方位置，為避免俯仰射擊時(shí)冷卻水從注水口處淌出，洼水口口部設(shè)有螺紋，注完水后需要擰上蓋帽，以保證注水口處于封閉狀態(tài)。注水口淌水的問(wèn)題解決了，但冷卻水也可能通過(guò)水平排氣管上的泄氣孔中流出，因?yàn)樗脚艢夤芮昂髢啥烁饔幸恍箽庑】?，無(wú)論俯角射擊或仰角射擊總會(huì)有一個(gè)泄氣孔低于水平面，造成水的流出。

馬克沁機(jī)槍的解決辦法是，在水平排氣管表面增設(shè)一根可以前后滑動(dòng)的套管，其長(zhǎng)度正好超過(guò)兩個(gè)泄氣孔之間的距離。當(dāng)機(jī)槍俯射時(shí)，套管會(huì)滑到排氣管前端，堵住前端的泄氣孔，因此水蒸氣只能從水平排氣管后端的泄氣孔排出，同時(shí)冷卻水卻因?yàn)樗脚艢夤芮岸说男箽饪妆粨踝《鵁o(wú)法流進(jìn)水平排氣管；反之，當(dāng)機(jī)槍處于仰射狀態(tài)時(shí)，套管會(huì)滑到水平排氣管的尾端，堵住尾端泄氣孔，此時(shí)水蒸氣只能從水平排氣管前端的泄氣孔排出，同時(shí)冷卻水不能從后端的泄氣孔中流出。

當(dāng)然，水冷筒中的水必須能夠放出來(lái)，如在武器入庫(kù)貯存前必須將水排空，另外在寒區(qū)使用時(shí)，也要防止加水過(guò)滿導(dǎo)致水冷筒凍裂或因槍管凍住而無(wú)法射擊的情況。因此在水冷筒前下端、排氣孔附近還設(shè)有一個(gè)放水閥門(mén)，將其擰開(kāi)可以將筒內(nèi)的水全部放出。

水冷裝置的模仿和改進(jìn)

由于M08重機(jī)槍的水冷卻裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、性能完善，因此早期水冷式重機(jī)槍都以其為藍(lán)本，不僅由馬克沁機(jī)槍衍生出的英國(guó)維克斯機(jī)槍系列和俄國(guó)索科洛夫機(jī)槍系列是這樣，就連美國(guó)勃朗寧M1917、意大利列維里M1914、奧地利施瓦茲勞斯M1907/M1912等機(jī)槍的水冷筒構(gòu)造也大同小異，只是尺寸大小和制造工藝有所區(qū)別，并根據(jù)各自使用條件進(jìn)行了一些改進(jìn)。我國(guó)的二四式重機(jī)槍是在MG08重機(jī)槍的基礎(chǔ)上仿制而成，水冷筒部分也保留了原型幾乎所有的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

MG08重機(jī)槍的水冷筒表面光滑，為了保證強(qiáng)度，筒壁較厚，因此自身質(zhì)量較大。而維克斯和素科洛夫等機(jī)槍為了減重，使用了較薄的鋼板來(lái)制造水冷筒，為確保筒體強(qiáng)度，沿筒體徑向四周都?jí)河邪疾郏鸬郊訌?qiáng)筋的作用。特別是后期型索科洛夫機(jī)槍根據(jù)實(shí)際使用需求，將原設(shè)計(jì)中位于水冷筒右后上方的小型注水口，改為位于筒體中部正上方的大型注水口，平時(shí)由一個(gè)帶有鉸鏈的蓋子密封，需要加水時(shí)打開(kāi)——這是因?yàn)槎韲?guó)大部分地區(qū)冬季氣溫極低，很難找到液態(tài)冷卻水，通過(guò)這一大型注水口，可以直接向筒內(nèi)添加雪團(tuán)或冰塊，顯著提高了機(jī)槍在高寒地帶使用時(shí)的方便性。

勃朗寧M1917重機(jī)槍是槍械設(shè)計(jì)大師勃朗寧為美軍專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的一款重機(jī)槍?zhuān)?jīng)歷了兩次世界大戰(zhàn)，亦是一代名槍。該槍的水冷簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)與MG08相仿，從前至后分別由前蓋、筒體和后連接座組成，三者通過(guò)螺紋相接并固定，但筒體長(zhǎng)度更短，設(shè)計(jì)也相對(duì)較為簡(jiǎn)化，工藝性更好。M1917重機(jī)槍水冷筒的水平排氣管上也裝有可滑動(dòng)的套管，其動(dòng)作原理和安裝方式均與MG08重機(jī)槍一致。

盡管美國(guó)早在二戰(zhàn)之前，就已經(jīng)在M1917A1機(jī)槍的基礎(chǔ)上研制出了更加輕便的M1919A4氣冷式機(jī)槍?zhuān)涫綑C(jī)槍超長(zhǎng)的持續(xù)射擊能力對(duì)于火力支援來(lái)說(shuō)仍是十分誘人的優(yōu)勢(shì)，因此美軍不論是在太平洋島嶼爭(zhēng)奪戰(zhàn)，還是1950年代初期的朝鮮戰(zhàn)爭(zhēng)中，都保留并使用了一定數(shù)量的M1917系列水冷式機(jī)槍。

水冷方式的沒(méi)落

水冷式機(jī)槍在持續(xù)射擊能力方面具有氣冷式機(jī)槍所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，理論上講，只要有持續(xù)不斷的冷卻水供應(yīng)，在機(jī)件強(qiáng)度允許和彈藥充分供給的條件下，其射擊過(guò)程幾乎可以無(wú)限制地持續(xù)下去。但隨著氣冷式機(jī)槍的不斷完善，在二戰(zhàn)結(jié)束后不久，水冷式機(jī)槍還是退出了步兵武器的舞臺(tái)，完全被氣冷式機(jī)槍所取代。氣冷式機(jī)槍主要靠加大槍管外徑、增加槍管質(zhì)量和散熱面積來(lái)提高持續(xù)射擊能力。

導(dǎo)致這一結(jié)果的原因，正所謂“成也蕭何，敗也蕭何”，決定水冷式機(jī)槍最終命運(yùn)的正是水冷方式本身。作為一種步兵武器，必須要考慮攜行、使用、維護(hù)等多方面的因素，水冷式機(jī)槍盡管持續(xù)射擊能力很強(qiáng)，但這一優(yōu)點(diǎn)在很大程度上已經(jīng)被由此帶來(lái)的弊端抵銷(xiāo)了。

首先，整個(gè)冷卻裝置相對(duì)于槍械本身來(lái)說(shuō)是附加的，增加了武器系統(tǒng)的體積、質(zhì)量和維護(hù)工作量。戰(zhàn)時(shí)為了確保機(jī)槍架設(shè)完畢就能立即射擊，即便是攜行時(shí)水冷筒內(nèi)也事先要裝入冷卻水；同時(shí)為保證持續(xù)射擊能力，還要帶上一定量的備用水（一般與水冷筒內(nèi)的水相當(dāng)，就MG08重機(jī)槍來(lái)說(shuō)總共需要攜帶約8kg的水），這些額外質(zhì)量成為機(jī)槍手的重大負(fù)擔(dān)。在激烈的戰(zhàn)斗中需要轉(zhuǎn)移陣地時(shí)，如何攜帶燙手的水冷筒也是棘手的問(wèn)題，盡管為此專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了帆布筒套和石棉手套，但還是有許多射手被燙傷。另一個(gè)問(wèn)題是水的來(lái)源，在沙漠等干旱地區(qū)作戰(zhàn)時(shí)，水冷式機(jī)槍要消耗更多寶貴的水資源，而一旦無(wú)法保證水的供給，整個(gè)武器就難以發(fā)揮作用，往往就此成為一堆廢鐵。但即使有了水，由于水冷式機(jī)槍復(fù)雜的冷卻裝置，需要更多的顧忌，比如為了保證水冷筒的使用壽命，冷卻水必需采用含鈣鎂及鹽類(lèi)較少的軟水，以免結(jié)成水垢；在低溫條件下使用時(shí)，冷卻水內(nèi)還要添加防凍劑，而對(duì)于采用管退式工作原理的機(jī)槍來(lái)說(shuō)，為了避免槍管被凍住無(wú)法完成自動(dòng)循環(huán)，一般射擊完畢時(shí)需要放光水冷筒內(nèi)的水，下次射擊前再加水，這就增加了射擊準(zhǔn)備的時(shí)間。還有一個(gè)問(wèn)題是，要使水冷裝置確實(shí)發(fā)揮作用，就必須要保持它的密封性，但水冷筒體積較大、殼體單薄，在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下極易損壞，只要被一粒小小的彈片打穿，冷卻水就會(huì)泄漏而導(dǎo)致無(wú)法持續(xù)射擊，必須送回后方維修。

淘汰水冷方式的另一個(gè)重要因素是機(jī)槍本身地位的變化。一戰(zhàn)是戰(zhàn)爭(zhēng)方式的一次重大革命，傳統(tǒng)的要塞堡壘在重炮、飛機(jī)的立體打擊下不再堅(jiān)不可摧，步兵的使命和戰(zhàn)術(shù)開(kāi)始發(fā)生變革，由于支援火力更加多樣化，機(jī)槍逐漸從一種半固定式的防御性武器向伴隨步兵的進(jìn)攻性武器轉(zhuǎn)變，步兵對(duì)機(jī)槍火力的依賴度有所降低，但對(duì)其質(zhì)量和機(jī)動(dòng)性能卻提出了新的要求。隨著這種戰(zhàn)術(shù)思想的轉(zhuǎn)變以及武器設(shè)計(jì)能力的進(jìn)步，一戰(zhàn)期間出現(xiàn)了早期的輕機(jī)槍?zhuān)蕉?zhàn)之前出現(xiàn)了通用機(jī)槍。它們雖然都由重機(jī)槍演化發(fā)展而來(lái)，但由于體積、質(zhì)量減小，加上不再需要長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)射擊，因此無(wú)需使用笨重的水冷裝置，改進(jìn)后的槍管鋼材依靠空氣冷卻就能支撐一定時(shí)間的連續(xù)發(fā)射，同時(shí)普遍采用可以快速更換槍管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從根本上解決了長(zhǎng)時(shí)間射擊后槍管過(guò)熱的問(wèn)題。這一時(shí)期的典型輕機(jī)槍如捷克斯洛伐克的ZB26，典型通用機(jī)槍如德國(guó)的MG34。對(duì)于它們來(lái)說(shuō)，僅僅需要額外攜帶一根備用槍管，就可以具有足夠的持續(xù)射擊能力，比起原先的水冷筒、冷卻水及一大堆附件不知要輕便多少倍，而武器系統(tǒng)的整體效能并未因此而降低，這也是二戰(zhàn)結(jié)束后這類(lèi)武器迅速崛起并廣泛使用的最主要原因。

水冷式機(jī)槍最終成為放置在博物館中的古董，水冷裝置在輕武器上也不再應(yīng)用，不過(guò)，馬克沁發(fā)明的水冷式機(jī)槍及水冷裝置作為一個(gè)里程碑永久記載在了輕武器史冊(cè)上。

編輯/鄭雙雁