3 讨论

晚清军工制造的发展，从产品结构上划分，大体可分为两个阶段：第一阶段，从19世纪60年代初至19世纪90年代末，主要特征是前装枪炮到早期后膛枪炮转变，所用发射药和炸药皆为黑火药或栗色火药。黑色火药是中国古代方士在炼丹时偶然发现的化学物质，主要成分是木炭和硫磺，在敞开环境下点燃产生浓烟，在封闭条件下点燃时才会爆炸，其最通俗的例子就是中国妇孺皆知的爆竹[10]。第二阶段，从19世纪90年代初至清亡，步枪发展为连发枪，开始制造轻重机枪，火炮已发展为管退炮，发射药为无烟药。两个阶段没有明显的时间界限，前装枪炮的制造并没有随着先进的后膛枪炮出现而退出历史舞台[7]。
北洋海军从创建开始，通过外购和自造等途径获得的开花弹装填的都是黑火药，用火药来充当炸药，其威力非常有限，只能通过爆炸时产生的冲击波和炸开的炮弹碎片来杀伤敌军、破坏敌舰。战争时为了达到破坏、损毁的目的，弹头内都填装有火药，弹头装药的威力直接影响到炮弹的爆炸效力。黄海大战时，北洋海军的大口径火炮曾多次命中日本军舰，但是未能直接对日本军舰造成大的损坏，甚至如排水量不足千吨的浅水炮舰“赤城”，在接连被“定远”舰305 mm口径巨炮炮弹击中后，都能侥幸逃脱，黑火药炮弹的破坏力之弱可见一斑[10]。
根据分析结果，1-3号样品含有的非金属元素C、S、O、Si、Cl以及金属元素Fe、Al、Mg、K、Na、Ca、Cu等是常见的烟火剂组分元素。除C和S外，金属元素主要以硅酸盐、硝酸盐、硫酸盐、氧化物和氯化物等形式存在，硝酸盐被广泛地用于烟火剂中作氧化剂，以供给燃烧时所需的氧。KNO3为黑火药中的氧化剂，是确定黑火药及其残留物的重要组分。硫磺作为易燃固体，一直是传统火药配方的重要原料之一[11]。3号样品检测到的KNO3、S单质和C，正是以硝石、硫磺、木炭为成分的三元体系火药。对1-3号火药样品的初步研究结果印证了19世纪中后期用来填装在弹壳内的火药大部分为黑火药。
甲午战争时，中国海军装备的鱼雷已经采用棉火药作为鱼雷战斗部的填充药，但并未普及至火炮的发射药使用[12]。日本联合舰队发射弹头的药包内，包装的是白色的棉火药，或称棉花药，将植物纤维素（棉花）沉浸到硝酸溶液中而生成的混合火药，是一种无烟药[10]。这类火药在制造过程中要将绝大部分溶剂从药柱内部驱逐出去，使松散的硝化纤维形成均匀致密的结构，因而多制成小尺寸的药型[13]。根据测量结果，4号样品为大量边长2 mm左右的立方体颗粒，5号样品为多段高约3.5 cm、直径约3.6 cm的圆柱状火药。“致远舰”沉船遗址出水哈乞开斯炮弹和鱼雷引信内部火药均是小尺寸药型，这也是印证该火药样品为棉火药的有力证据。硝化纤维素是发射药的主要能量物质，发射药的能量大小与硝化纤维素的氮含量息息相关，检测硝化纤维素的氮含量有助于了解发射药是否能正常使用[14]。4号样品硝化纤维素的含N量为13.08%，5号样品硝化纤维素的含N量为11.05%。含氮量在12.6%以上的硝化纤维属于爆炸物，常作为含能组分应用于火炸药、气体发生器、推进剂等领域[15-17]。根据样品含N量检测结果可知，4号样品属于爆炸物，有一定的爆炸威力。
火药样品经过了长时间的海水浸泡，海洋环境是否会导致火药含N量的降低？国内外学者研究表明，硝化纤维素对强碱性物质非常敏感，对微生物侵袭具有较强的抵抗力，然而高氮量硝化纤维素在硫酸盐脱硫弧菌存在下会发生生物转化，且紫外线作用会导致硝化纤维素的氧化分解[18-22]。海洋环境为弱碱性，火药提取后进行避光保存，以上条件对火药样品N含量的降低影响较小，虽然硝化纤维素对微生物侵袭具有较强的抵抗力，但是海洋微生物中包含脱硫孤菌，会对硝化纤维素有一定的影响，因此5号样品含N量11.05%未达到爆炸物范畴，可能发生了硝化纤维素的生物转化，具体原因还需要进一步分析研究。


4 结论

“致远舰”和“经远舰”沉船遗址出水文物中火药样品分析结果表明，哈乞开斯炮弹和哈乞开斯开花炮弹内部填充药为黑火药，炮弹头和鱼雷引信内部填充药为棉火药，棉火药多制成小尺寸药型装填在枪炮中。该研究结果印证了19世纪中后期用来填装在弹壳内的火药大部分为黑火药，也有部分为棉火药。其中黑火药的威力极其有限，而棉火药只有“致远舰”沉船遗址出水炮弹头内部火药（4号样品）有一定的爆炸效力。本次对火药样品的初步研究，可以为北洋水师在甲午海战时配备的武器装备提供实物证据，并且对火药史学的研究也具有重要意义。