故宫里的古代机械灭火器

（本文载于《知识就是力量》2022年第1期，原标题为：《故宫里的消防“神器”—激桶》，有修改）

故宫又名紫禁城，在明清时期是帝王执政和生活的场所。故宫现存世界上规模最大、保存最为完整的木结构古代宫殿建筑群。作为核心承重材料，木材具有弹性好、抗震能力强、加工安装方便等诸多优点。然而，木材亦存在材性缺陷，易燃则为其中之一。研究表明：紫禁城建筑群自明永乐十八年（1420）建成至今，遭受火灾至少58起。以故宫里最重要的宫殿太和殿为例，其在历史上曾经五遭焚毁，并历经五次重建，而今天我们所见的太和殿（图1）则为清康熙三十六年（1697）第五次复建的建筑形制。防火是紫禁城建筑保护的重要内容。明清时期，紫禁城内用于建筑的灭火工除了云梯、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。以下对故宫里的古代机械灭火器进行解读。

图1 太和殿南立面

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2），由内外套筒、喷水头、支脚、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。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，即可产生喷水效果。

图2 故宫博物院藏唧筒

图3为套筒式唧筒工作原理示意图，使用过程可由左、中、右三个小图表示。由图3左可知，唧筒通过支脚立放在盛有水的桶内，与内套筒相连的上阀门、与外套筒相连的下阀门均处于闭合状态，外套筒底部有若干小孔。由图3中可知，将内套筒手动上拉时，由于套筒内的气体体积增大，气压小于大气压，因而上阀门在大气压作用下闭合；同理，由于外套筒内气压此时小于水压，因而下阀门被桶里的水挤开，水通过小孔注入外套筒内。由图3右可知，将内套筒手动下压时，由于筒内的气体体积减小，气压大于大气压，上阀门开，水由喷水头射出；同理，由于外套筒气压此时大于底部水压，因而下阀门在套筒内气压作用下闭合。反复拉压内套筒，即可产生吸水、喷水的效果。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。上述工作原理在民国学者包明芳所编《中国消防警察》（商务印书馆发行，1935年）中有较为细致的记载。

图3 唧筒工作原理示意图

水龙是一种利用拉压杠杆方式取水及喷水的灭火装置，《远西奇器图说》展示了其灭火示意图（图4）。在清中期起，水龙逐渐取代了唧筒。水龙在清宫档案中被称为“西洋激桶”，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5），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，位于水箱体内，数量可达四个，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4 《远西奇器图说》中的水龙示意图

图5 清代造办处制作的水龙模型

上述水龙的具体工作原理可由图6-图7表示。

图6中，I、III为吸水铜缸，缸内分别有活塞A、B，缸底分别有阀门E、F；II为存水铜缸，缸底左右两侧分别有阀门C、D，缸壁有出水口H，可外接出水管；E、F下方有水流通道，通道正中位置有入水口G，可外接入水管。水箱上方有压杆K，其左、中、右方有连杆分别与活塞A、将军柱顶部支点J（将军柱未绘出）、活塞B相连。

图6 水龙平衡状态示意图

图7中，压杆左侧下压时，对于缸I而言，活塞A下降，缸内气体压力变大，C阀门打开、E阀门关闭，缸I内的水通过C进入缸II（排水过程）；对于缸III而言，活塞B上升，缸内气体压力变小，D阀门关闭，F阀门打开，水由入水管进入G，再通过F进入缸内（吸水过程）；对于缸II而言，且当A下降尺寸较大时，产生的压力足以使缸中的水由H喷出（喷水过程），且缸内含有部分密闭空气，有利于形成一定的喷水压力。基于上述相同原理，当压杆右侧下压时，C、F闭合，E、D开启，缸I吸水、缸III排水、缸II喷水。如此反复操作压杆，可产生源源不断地喷水效果。

图7 水龙工作状态示意图

易知，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。

故宫里的古代机械灭火器不仅具有科学性，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。

（作者信息：周乾，故宫博物院故宫学研究所）