“水冷时代”的典范:马克沁机枪冷却装置

1884年，英籍美国人海勒姆·史蒂文森·马克沁设计的世界上第一挺利用火药燃气完成射击循环的机枪获得发明专利，其标志着自动武器新纪元的开启。不过，这种新的原理也带来了如何为武器散热的问题——即无论采用何种火药作为动力源，其能量将有很大一部分以热的形式转移到枪管等金属零部件上。即便是早期以黑火药为动力的枪弹，在发射瞬间，枪膛内部的最高温度也将达到1500℃，而无烟发射药燃烧时会超过3000℃。在这样的瞬时高温轮流冲击下，枪管会迅速变热，一般不间断发射200发以上，口径就会膨胀、射程变近，而射弹数超过400发，枪管温度将超过800℃，枪管壁会逐渐发红变软，弹头嵌入膛线时就会对膛线造成永久性损伤，此时如果继续强行发射，枪管就会扭曲变形甚至出现炸膛，导致整根枪管报废。

此前出现的机械式连发武器如加特林转管机枪，由于身管数量多，过热问题尚不十分明显；而马克沁机枪的实际射速达到600发/分，射速相当于加特林机枪的3倍以上，如果没有可靠的散热装置，一根枪管支撑不到1分钟就要更换。为此，马克沁想出了一个绝妙的主意，那就是把枪管浸泡在一个盛满水的容器之中，用水这种易得的资源作为给枪管降温的介质，只要水位不低于枪管，枪管的温度就始终不会超过水的沸点即100℃，从而满足长时间持续发射的要求。马克沁设计的这种水冷装置非常实用且具有独创性，其不仅保证了马克沁机枪日后在战场上的卓越表现，并且成为各种早期水冷式重机枪冷却装置的设计基础，是名副其实的“典范”。1899年，马克沁机枪在美国进行了连续射击15000发枪弹的极限测试。正是由于功能完善的水冷筒设计，才最终保证了这次测试的圆满成功。

水冷方式

对“三对矛盾”的巧妙解决

马克沁机枪冷却装置的发明虽距今已百余年，但详细解读这种装置，仍然让我们感到意味精妙。为了更好地了解马克沁冷却装置的设计精髓，本文选择了结构最为典型、使用最为广泛、影响力也最大的一种马克沁水冷机枪，即德国MG08重机枪作为讲解的范例。

MG08重机枪是在早期马克沁M1889机枪基础上改进而成的，以结构成熟、性能可靠而享有声望，在两次世界大战中曾被许多国家装备。该枪套装在枪管上的水冷筒由黄铜改为更为经济的钢材制成，在降低全重的同时也提高了机械强度。水冷筒由筒体和前盖、后支座组成，其中前盖起到密封水冷筒前端以及连接水平排气管和径向排气管的作用；后支座连接水冷筒和枪身，具有密封水冷筒后部和固定水平排气管末端的作用，其上安装有注水口座。从这些零部件的作用可以看出，水冷筒并不仅仅只是盛装冷却水那么简单，其经过了精心的设计。这一冷却装置主要解决了三对主要矛盾，从而达到利用水为高速发射中的枪管散热这样一个看似简单的目的。

矛盾一：顺利排出水蒸气和防止冷却水溢出

MG08重机枪的水冷筒装满时共有约4升冷却水，当连续射击约400发以后，水被枪管加热而逐步达到沸点，变成水蒸气逸出简体，随后每射击1000发枪弹，就会蒸发掉约1.7升水。如何排出如此大量的水蒸气，是冷却装置设计中必须解决的关键问题之一。

水冷筒后上方设有一个注水口，注水口可否兼作排气口来排出水蒸气呢？答案是否定的。其原因有二：如果注水口是敞开的，那么机枪在战斗中需要转移阵地或安装在车辆等不稳定平台上时，就很难保证在剧烈的晃动中水不会从注水口溢出，若此时水正处于高温状态，有可能会造成烫伤射手的后果；如果注水口是封闭的，那么水冷筒就会成为一个小型蒸汽锅炉，持续产生的水蒸气在密闭环境下会形成很高的压力，存在很大的安全隐患，因此注水口同时兼作排气口的方案显然是不可取的。

马克沁的设计方法是，在水冷筒内设计了一套结构简单而又巧妙的水蒸气排出装置，恰到好处地解决了上述问题。这一装置由径向排气管和水平排气管组成。径向排气管位于水冷筒前盖内，其呈斜置状态，以便为枪管让位；径向排气管的长度比较短，末端为蒸气排出口，排气口突出于水冷筒下方，平时旋有保护盖，防止异物将其堵塞。水平排气管位于枪管上方，与枪管平行，其前端与径向排气管接通，末端旋紧固定在后支座上。水平排气管的顶部前后两处分别开有小的泄气孔。射击过程中，水蒸气由这两个泄气孔进入水平排气管，再经径向排气管最终从排气口排出。在这样的巧妙设计下，冷却筒里的冷却水水位一般不会高过泄气孔，即使在携行转移或车辆行驶等剧烈颠簸状态下，水也很难进入水平排气管而造成泄漏。

还需要考虑一个问题，水冷式机枪在冬季或寒带使用时，排出的水蒸气会在枪身上方凝成雾团，不仅影响射手瞄准，也会暴露机枪阵地的位置，而马克沁机枪防止蒸气结雾的办法非常简单而巧妙，其是通过一根橡皮蒸气导管来解决的，导管一头接在排气口上，另一头则插入一个铁皮冷却水箱内，这样既防止水蒸气冒出，又可以循环利用排出的水。

矛盾二：枪管前后运动和与冷却筒之间保持密封

水冷式机枪的枪管都设置在水冷筒中心线下方，这种布局的好处是，即便筒内水位因蒸发而逐步下降，仍可以保持枪管较长时间内浸没在水中，继续起到冷却的作用。但马克沁机枪采取管退式自动原理，也就是说，为了完成射击自动循环，枪管会前后运动，这样就存在水冷筒与枪管接触的前后两处如何密封的问题。如果在水冷筒内单独加上一根可以容纳枪管运动的管子，一则使水冷筒的加工复杂化；二则冷却水与枪管不能直接接触，失去了水冷的本来意义。

马克沁机枪解决这一问题的办法是，在枪管后部与后支座接触的部位加工有一道环槽，槽内缠绕浸过油的石棉线，以达到密封目的；枪管前部与前盖接触的部位虽然没有环槽，但也设有类似的石棉线圈，也能起到密封作用。当然，这两处的配合尺寸要求比较高，既要保证枪管前后运动自如，同时又要具备高度的密闭性，做到滴水不漏。使用石棉线而非棉线的原因是石棉既耐高温，也耐油和水，不易腐蚀和霉烂；石棉线预先浸油的目的是利用油的憎水性，防止水缓慢渗透。不过，枪管长期前后运动也会造成石棉线的磨损，所以必须随时注意检查枪管与水冷简的密封状况，当发现有渗水迹象时需要及时更换石棉线。

矛盾三：俯仰射击和冷却水溢出

机枪的使用环境复杂多变，有时需要以大仰角射击高处目标，而在山地作战时又常常会向下进行俯射。马克沁机枪的注水口设在水冷筒后部右上方位置，为避免俯仰射击时冷却水从注水口处淌出，洼水口口部设有螺纹，注完水后需要拧上盖帽，以保证注水口处于封闭状态。注水口淌水的问题解决了，但冷却水也可能通过水平排气管上的泄气孔中流出，因为水平排气管前后两端各有一泄气小孔，无论俯角射击或仰角射击总会有一个泄气孔低于水平面，造成水的流出。

马克沁机枪的解决办法是，在水平排气管表面增设一根可以前后滑动的套管，其长度正好超过两个泄气孔之间的距离。当机枪俯射时，套管会滑到排气管前端，堵住前端的泄气孔，因此水蒸气只能从水平排气管后端的泄气孔排出，同时冷却水却因为水平排气管前端的泄气孔被挡住而无法流进水平排气管；反之，当机枪处于仰射状态时，套管会滑到水平排气管的尾端，堵住尾端泄气孔，此时水蒸气只能从水平排气管前端的泄气孔排出，同时冷却水不能从后端的泄气孔中流出。

当然，水冷筒中的水必须能够放出来，如在武器入库贮存前必须将水排空，另外在寒区使用时，也要防止加水过满导致水冷筒冻裂或因枪管冻住而无法射击的情况。因此在水冷筒前下端、排气孔附近还设有一个放水阀门，将其拧开可以将筒内的水全部放出。

水冷装置的模仿和改进

由于M08重机枪的水冷却装置设计简单、性能完善，因此早期水冷式重机枪都以其为蓝本，不仅由马克沁机枪衍生出的英国维克斯机枪系列和俄国索科洛夫机枪系列是这样，就连美国勃朗宁M1917、意大利列维里M1914、奥地利施瓦兹劳斯M1907/M1912等机枪的水冷筒构造也大同小异，只是尺寸大小和制造工艺有所区别，并根据各自使用条件进行了一些改进。我国的二四式重机枪是在MG08重机枪的基础上仿制而成，水冷筒部分也保留了原型几乎所有的设计特点。

MG08重机枪的水冷筒表面光滑，为了保证强度，筒壁较厚，因此自身质量较大。而维克斯和素科洛夫等机枪为了减重，使用了较薄的钢板来制造水冷筒，为确保筒体强度，沿筒体径向四周都压有凹槽，起到加强筋的作用。特别是后期型索科洛夫机枪根据实际使用需求，将原设计中位于水冷筒右后上方的小型注水口，改为位于筒体中部正上方的大型注水口，平时由一个带有铰链的盖子密封，需要加水时打开——这是因为俄国大部分地区冬季气温极低，很难找到液态冷却水，通过这一大型注水口，可以直接向筒内添加雪团或冰块，显著提高了机枪在高寒地带使用时的方便性。

勃朗宁M1917重机枪是枪械设计大师勃朗宁为美军专门设计的一款重机枪，经历了两次世界大战，亦是一代名枪。该枪的水冷简结构与MG08相仿，从前至后分别由前盖、筒体和后连接座组成，三者通过螺纹相接并固定，但筒体长度更短，设计也相对较为简化，工艺性更好。M1917重机枪水冷筒的水平排气管上也装有可滑动的套管，其动作原理和安装方式均与MG08重机枪一致。

尽管美国早在二战之前，就已经在M1917A1机枪的基础上研制出了更加轻便的M1919A4气冷式机枪，但水冷式机枪超长的持续射击能力对于火力支援来说仍是十分诱人的优势，因此美军不论是在太平洋岛屿争夺战，还是1950年代初期的朝鲜战争中，都保留并使用了一定数量的M1917系列水冷式机枪。

水冷方式的没落

水冷式机枪在持续射击能力方面具有气冷式机枪所无法比拟的优势，理论上讲，只要有持续不断的冷却水供应，在机件强度允许和弹药充分供给的条件下，其射击过程几乎可以无限制地持续下去。但随着气冷式机枪的不断完善，在二战结束后不久，水冷式机枪还是退出了步兵武器的舞台，完全被气冷式机枪所取代。气冷式机枪主要靠加大枪管外径、增加枪管质量和散热面积来提高持续射击能力。

导致这一结果的原因，正所谓“成也萧何，败也萧何”，决定水冷式机枪最终命运的正是水冷方式本身。作为一种步兵武器，必须要考虑携行、使用、维护等多方面的因素，水冷式机枪尽管持续射击能力很强，但这一优点在很大程度上已经被由此带来的弊端抵销了。

首先，整个冷却装置相对于枪械本身来说是附加的，增加了武器系统的体积、质量和维护工作量。战时为了确保机枪架设完毕就能立即射击，即便是携行时水冷筒内也事先要装入冷却水；同时为保证持续射击能力，还要带上一定量的备用水（一般与水冷筒内的水相当，就MG08重机枪来说总共需要携带约8kg的水），这些额外质量成为机的重大负担。在激烈的战斗中需要转移阵地时，如何携带烫手的水冷筒也是棘手的问题，尽管为此专门设计了帆布筒套和石棉手套，但还是有许多射手被烫伤。另一个问题是水的来源，在沙漠等干旱地区作战时，水冷式机枪要消耗更多宝贵的水资源，而一旦无法保证水的供给，整个武器就难以发挥作用，往往就此成为一堆废铁。但即使有了水，由于水冷式机枪复杂的冷却装置，需要更多的顾忌，比如为了保证水冷筒的使用寿命，冷却水必需采用含钙镁及盐类较少的软水，以免结成水垢；在低温条件下使用时，冷却水内还要添加防冻剂，而对于采用管退式工作原理的机枪来说，为了避免枪管被冻住无法完成自动循环，一般射击完毕时需要放光水冷筒内的水，下次射击前再加水，这就增加了射击准备的时间。还有一个问题是，要使水冷装置确实发挥作用，就必须要保持它的密封性，但水冷筒体积较大、壳体单薄，在战场环境下极易损坏，只要被一粒小小的弹片打穿，冷却水就会泄漏而导致无法持续射击，必须送回后方维修。

淘汰水冷方式的另一个重要因素是机枪本身地位的变化。一战是战争方式的一次重大革命，传统的要塞堡垒在重炮、飞机的立体打击下不再坚不可摧，步兵的使命和战术开始发生变革，由于支援火力更加多样化，机枪逐渐从一种半固定式的防御性武器向伴随步兵的进攻性武器转变，步兵对机枪火力的依赖度有所降低，但对其质量和机动性能却提出了新的要求。随着这种战术思想的转变以及武器设计能力的进步，一战期间出现了早期的轻机枪，到二战之前出现了通用机枪。它们虽然都由重机枪演化发展而来，但由于体积、质量减小，加上不再需要长时间持续射击，因此无需使用笨重的水冷装置，改进后的枪管钢材依靠空气冷却就能支撑一定时间的连续发射，同时普遍采用可以快速更换枪管的结构设计，从根本上解决了长时间射击后枪管过热的问题。这一时期的典型轻机枪如捷克斯洛伐克的ZB26，典型通用机枪如德国的MG34。对于它们来说，仅仅需要额外携带一根备用枪管，就可以具有足够的持续射击能力，比起原先的水冷筒、冷却水及一大堆附件不知要轻便多少倍，而武器系统的整体效能并未因此而降低，这也是二战结束后这类武器迅速崛起并广泛使用的最主要原因。

水冷式机枪最终成为放置在博物馆中的古董，水冷装置在轻武器上也不再应用，不过，马克沁发明的水冷式机枪及水冷装置作为一个里程碑永久记载在了轻武器史册上。