1884年，英籍美國人海勒姆·史蒂文森·馬克沁設計的世界上第一挺利用火藥燃氣完成射擊循環(huán)的機槍獲得發(fā)明專利，其標志著自動武器新紀元的開啟。不過，這種新的原理也帶來了如何為武器散熱的問題——即無論采用何種火藥作為動力源，其能量將有很大一部分以熱的形式轉移到槍管等金屬零部件上。即便是早期以黑火藥為動力的槍彈，在發(fā)射瞬間，槍膛內部的最高溫度也將達到1500℃，而無煙發(fā)射藥燃燒時會超過3000℃。在這樣的瞬時高溫輪流沖擊下，槍管會迅速變熱，一般不間斷發(fā)射200發(fā)以上，口徑就會膨脹、射程變近，而射彈數(shù)超過400發(fā)，槍管溫度將超過800℃，槍管壁會逐漸發(fā)紅變軟，彈頭嵌入膛線時就會對膛線造成永久性損傷，此時如果繼續(xù)強行發(fā)射，槍管就會扭曲變形甚至出現(xiàn)炸膛，導致整根槍管報廢。

此前出現(xiàn)的機械式連發(fā)武器如加特林轉管機槍，由于身管數(shù)量多，過熱問題尚不十分明顯；而馬克沁機槍的實際射速達到600發(fā)/分，射速相當于加特林機槍的3倍以上，如果沒有可靠的散熱裝置，一根槍管支撐不到1分鐘就要更換。為此，馬克沁想出了一個絕妙的主意，那就是把槍管浸泡在一個盛滿水的容器之中，用水這種易得的資源作為給槍管降溫的介質，只要水位不低于槍管，槍管的溫度就始終不會超過水的沸點即100℃，從而滿足長時間持續(xù)發(fā)射的要求。馬克沁設計的這種水冷裝置非常實用且具有獨創(chuàng)性，其不僅保證了馬克沁機槍日后在戰(zhàn)場上的卓越表現(xiàn)，并且成為各種早期水冷式重機槍冷卻裝置的設計基礎，是名副其實的“典范”。1899年，馬克沁機槍在美國進行了連續(xù)射擊15000發(fā)槍彈的極限測試。正是由于功能完善的水冷筒設計，才最終保證了這次測試的圓滿成功。

水冷方式

對“三對矛盾”的巧妙解決

馬克沁機槍冷卻裝置的發(fā)明雖距今已百余年，但詳細解讀這種裝置，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計精髓，本文選擇了結構最為典型、使用最為廣泛、影響力也最大的一種馬克沁水冷機槍，即德國MG08重機槍作為講解的范例。

MG08重機槍是在早期馬克沁M1889機槍基礎上改進而成的，以結構成熟、性能可靠而享有聲望，在兩次世界大戰(zhàn)中曾被許多國家裝備。該槍套裝在槍管上的水冷筒由黃銅改為更為經濟的鋼材制成，在降低全重的同時也提高了機械強度。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單，其經過了精心的設計。這一冷卻裝置主要解決了三對主要矛盾，從而達到利用水為高速發(fā)射中的槍管散熱這樣一個看似簡單的目的。

矛盾一：順利排出水蒸氣和防止冷卻水溢出

MG08重機槍的水冷筒裝滿時共有約4升冷卻水，當連續(xù)射擊約400發(fā)以后，水被槍管加熱而逐步達到沸點，變成水蒸氣逸出簡體，隨后每射擊1000發(fā)槍彈，就會蒸發(fā)掉約1.7升水。如何排出如此大量的水蒸氣，是冷卻裝置設計中必須解決的關鍵問題之一。

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

馬克沁的設計方法是，在水冷筒內設計了一套結構簡單而又巧妙的水蒸氣排出裝置，恰到好處地解決了上述問題。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，其呈斜置狀態(tài)，以便為槍管讓位；徑向排氣管的長度比較短，末端為蒸氣排出口，排氣口突出于水冷筒下方，平時旋有保護蓋，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有小的泄氣孔。射擊過程中，水蒸氣由這兩個泄氣孔進入水平排氣管，再經徑向排氣管最終從排氣口排出。在這樣的巧妙設計下，冷卻筒里的冷卻水水位一般不會高過泄氣孔，即使在攜行轉移或車輛行駛等劇烈顛簸狀態(tài)下，水也很難進入水平排氣管而造成泄漏。

還需要考慮一個問題，水冷式機槍在冬季或寒帶使用時，排出的水蒸氣會在槍身上方凝成霧團，不僅影響射手瞄準，也會暴露機槍陣地的位置，而馬克沁機槍防止蒸氣結霧的辦法非常簡單而巧妙，其是通過一根橡皮蒸氣導管來解決的，導管一頭接在排氣口上，另一頭則插入一個鐵皮冷卻水箱內，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：槍管前后運動和與冷卻筒之間保持密封

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

馬克沁機槍解決這一問題的辦法是，在槍管后部與后支座接觸的部位加工有一道環(huán)槽，槽內纏繞浸過油的石棉線，以達到密封目的；槍管前部與前蓋接觸的部位雖然沒有環(huán)槽，但也設有類似的石棉線圈，也能起到密封作用。當然，這兩處的配合尺寸要求比較高，既要保證槍管前后運動自如，同時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，不易腐蝕和霉爛；石棉線預先浸油的目的是利用油的憎水性，防止水緩慢滲透。不過，槍管長期前后運動也會造成石棉線的磨損，所以必須隨時注意檢查槍管與水冷簡的密封狀況，當發(fā)現(xiàn)有滲水跡象時需要及時更換石棉線。

矛盾三：俯仰射擊和冷卻水溢出

機槍的使用環(huán)境復雜多變，有時需要以大仰角射擊高處目標，而在山地作戰(zhàn)時又常常會向下進行俯射。馬克沁機槍的注水口設在水冷筒后部右上方位置，為避免俯仰射擊時冷卻水從注水口處淌出，洼水口口部設有螺紋，注完水后需要擰上蓋帽，以保證注水口處于封閉狀態(tài)。注水口淌水的問題解決了，但冷卻水也可能通過水平排氣管上的泄氣孔中流出，因為水平排氣管前后兩端各有一泄氣小孔，無論俯角射擊或仰角射擊總會有一個泄氣孔低于水平面，造成水的流出。

馬克沁機槍的解決辦法是，在水平排氣管表面增設一根可以前后滑動的套管，其長度正好超過兩個泄氣孔之間的距離。當機槍俯射時，套管會滑到排氣管前端，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，同時冷卻水卻因為水平排氣管前端的泄氣孔被擋住而無法流進水平排氣管；反之，當機槍處于仰射狀態(tài)時，套管會滑到水平排氣管的尾端，堵住尾端泄氣孔，此時水蒸氣只能從水平排氣管前端的泄氣孔排出，同時冷卻水不能從后端的泄氣孔中流出。

當然，水冷筒中的水必須能夠放出來，如在武器入庫貯存前必須將水排空，另外在寒區(qū)使用時，也要防止加水過滿導致水冷筒凍裂或因槍管凍住而無法射擊的情況。因此在水冷筒前下端、排氣孔附近還設有一個放水閥門，將其擰開可以將筒內的水全部放出。

水冷裝置的模仿和改進

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

MG08重機槍的水冷筒表面光滑，為了保證強度，筒壁較厚，因此自身質量較大。而維克斯和素科洛夫等機槍為了減重，使用了較薄的鋼板來制造水冷筒，為確保筒體強度，沿筒體徑向四周都壓有凹槽，起到加強筋的作用。特別是后期型索科洛夫機槍根據(jù)實際使用需求，將原設計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，平時由一個帶有鉸鏈的蓋子密封，需要加水時打開——這是因為俄國大部分地區(qū)冬季氣溫極低，很難找到液態(tài)冷卻水，通過這一大型注水口，可以直接向筒內添加雪團或冰塊，顯著提高了機槍在高寒地帶使用時的方便性。

勃朗寧M1917重機槍是槍械設計大師勃朗寧為美軍專門設計的一款重機槍，經歷了兩次世界大戰(zhàn)，亦是一代名槍。該槍的水冷簡結構與MG08相仿，從前至后分別由前蓋、筒體和后連接座組成，三者通過螺紋相接并固定，但筒體長度更短，設計也相對較為簡化，工藝性更好。M1917重機槍水冷筒的水平排氣管上也裝有可滑動的套管，其動作原理和安裝方式均與MG08重機槍一致。

盡管美國早在二戰(zhàn)之前，就已經在M1917A1機槍的基礎上研制出了更加輕便的M1919A4氣冷式機槍，但水冷式機槍超長的持續(xù)射擊能力對于火力支援來說仍是十分誘人的優(yōu)勢，因此美軍不論是在太平洋島嶼爭奪戰(zhàn)，還是1950年代初期的朝鮮戰(zhàn)爭中，都保留并使用了一定數(shù)量的M1917系列水冷式機槍。

水冷方式的沒落

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

導致這一結果的原因，正所謂“成也蕭何，敗也蕭何”，決定水冷式機槍最終命運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、維護等多方面的因素，水冷式機槍盡管持續(xù)射擊能力很強，但這一優(yōu)點在很大程度上已經被由此帶來的弊端抵銷了。

首先，整個冷卻裝置相對于槍械本身來說是附加的，增加了武器系統(tǒng)的體積、質量和維護工作量。戰(zhàn)時為了確保機槍架設完畢就能立即射擊，即便是攜行時水冷筒內也事先要裝入冷卻水；同時為保證持續(xù)射擊能力，還要帶上一定量的備用水（一般與水冷筒內的水相當，就MG08重機槍來說總共需要攜帶約8kg的水），這些額外質量成為機槍手的重大負擔。在激烈的戰(zhàn)斗中需要轉移陣地時，如何攜帶燙手的水冷筒也是棘手的問題，盡管為此專門設計了帆布筒套和石棉手套，但還是有許多射手被燙傷。另一個問題是水的來源，在沙漠等干旱地區(qū)作戰(zhàn)時，水冷式機槍要消耗更多寶貴的水資源，而一旦無法保證水的供給，整個武器就難以發(fā)揮作用，往往就此成為一堆廢鐵。但即使有了水，由于水冷式機槍復雜的冷卻裝置，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較少的軟水，以免結成水垢；在低溫條件下使用時，冷卻水內還要添加防凍劑，而對于采用管退式工作原理的機槍來說，為了避免槍管被凍住無法完成自動循環(huán)，一般射擊完畢時需要放光水冷筒內的水，下次射擊前再加水，這就增加了射擊準備的時間。還有一個問題是，要使水冷裝置確實發(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，冷卻水就會泄漏而導致無法持續(xù)射擊，必須送回后方維修。

淘汰水冷方式的另一個重要因素是機槍本身地位的變化。一戰(zhàn)是戰(zhàn)爭方式的一次重大革命，傳統(tǒng)的要塞堡壘在重炮、飛機的立體打擊下不再堅不可摧，步兵的使命和戰(zhàn)術開始發(fā)生變革，由于支援火力更加多樣化，機槍逐漸從一種半固定式的防御性武器向伴隨步兵的進攻性武器轉變，步兵對機槍火力的依賴度有所降低，但對其質量和機動性能卻提出了新的要求。隨著這種戰(zhàn)術思想的轉變以及武器設計能力的進步，一戰(zhàn)期間出現(xiàn)了早期的輕機槍，到二戰(zhàn)之前出現(xiàn)了通用機槍。它們雖然都由重機槍演化發(fā)展而來，但由于體積、質量減小，加上不再需要長時間持續(xù)射擊，因此無需使用笨重的水冷裝置，改進后的槍管鋼材依靠空氣冷卻就能支撐一定時間的連續(xù)發(fā)射，同時普遍采用可以快速更換槍管的結構設計，從根本上解決了長時間射擊后槍管過熱的問題。這一時期的典型輕機槍如捷克斯洛伐克的ZB26，典型通用機槍如德國的MG34。對于它們來說，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)結束后這類武器迅速崛起并廣泛使用的最主要原因。

水冷式機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用，不過，馬克沁發(fā)明的水冷式機槍及水冷裝置作為一個里程碑永久記載在了輕武器史冊上。

編輯/鄭雙雁