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中国唐代炼丹家在公元9世纪初发明了火药。到北宋初期，火药便被兵器研制者与统兵将领制成火器，用于战争，开创了人类战争史上火器与冷兵器并用的时期。这个时期历经元、明到19世纪中叶，延续达九个世纪，其间共经历了三个发展阶段。
(1)初级火器的创制阶段
初级火器是北宋初的兵器研制者与统兵将领，因袭古代的火攻技术和战术而创制的，是古代火攻技术和战术的发展。但是古代火攻作战中所用的火攻器具，都是利用艾草、油脂、松脂等燃料和引火之物，绑附在飞禽、走兽、伪装的草人和弓箭上，作为运载和发射工具，将火源送至敌阵，纵火燃烧敌人的粮草，或者冲击敌军的防线，达到取胜的目的。由于这些火攻器具所附带的引火之物，要依靠空气中的氧气进行燃烧，既受天候的影响，又会在运行中耗散火源或被风吹灭，所以燃烧效率较低。而北宋初创制的燃烧性火器——火球(宋代写作毬)与火药箭，是以火药为燃烧源的火攻器具，它们不需要依靠空气中的氧气，因而可以在密闭的器皿中燃烧。使用时，只要先用烧红的烙锥，将火球壳或附于火药箭上的火药包燃着烙透，尔后借助抛石机和射远的弓弩，向敌方抛射和施放。
北宋初期的几代皇帝，都很重视火器制造。据《宋会要辑稿·职官三十七》记载，至迟在宋仁宗天圣元年(公元1023年)，东京开封已设立了专门制造攻城器械的广备攻城作。其下设有大木作、锯匠作、小木作、皮作、大炉作、小炉作、麻作、石作、砖作、泥作、井作、赤白作、桶作、瓦作、竹作、猛火油作、钉铰作、火药作、金火作、青窑作、窑子作等21作。各作都有严格的操作规程。火药作的设立，表明北宋的火药配制，已经从个体手工业的分散操作，发展为大型作坊作业，进行批量生产的阶段，使火药兵器的生产出现了一次飞跃。为了促进火器制造的发展，朝廷实行了奖励政策，奖励火器研制者的创造发明。据《宋史·兵十一》等史书的记载，仅自北宋开宝三年至咸平五年(公元970—1002年)，先后有兵部令使冯继升、神卫水军队长唐福、冀州团练使石普等人，向朝廷进献了火球、火药箭、火蒺藜等火器。每次进献时，朝廷都要组织文武官员观看试验。试验成功后，都要给研制者以重赏，并下令兵器作坊大量制造，发给京城、要邑和边关要地使用。由于火球、火药箭是北宋创制的初级火器，需要借助弓弩和抛石机等射远兵器，才能发挥其燃烧、发烟和散毒等作战作用，所以在一般情况下，只能配发步队中的小分队使用。
南宋时期，战争在宋军、金军和蒙古军之间进行，交战的各方，都力求研制新型火器，改善自己的装备，战胜对手，因而促进了火器的发展，于是铁火炮与火枪便应运而生。
铁火炮是一种用铸铁制造的铁壳爆炸性火球，由纸壳火球发展而来，最初为金军所用。金军在灭亡北宋后，利用北宋的火器制造设备和工匠，创制了铁火炮，进攻南宋。
火枪是用竹和纸做枪筒的管形火器，它的创制与发展，是南宋火器发展的又一重要成果，其制品有绍兴二年(公元1132年)陈规创制的长竹杆火枪，绍定五年(公元1232年)金军使用的飞火枪，以及开庆元年(公元1259)年)寿春府(今安徽寿县)地方创制的突火枪。火枪的创制，使火器在使用方式上发生了飞跃，它不再需要借助弓弩和抛石机而能独自发挥作用。长竹杆火枪可用于喷火燃烧，是火筒一类火器的前身。飞火枪可以装备单兵作战，并出现了由数百名士兵组成的飞火枪队。突火枪以巨竹为筒，能发射子窠〔ke科〕击杀敌兵，为元代金属管形射击火器——火铳的创制奠定了基础。
(2)火铳的创制与发展阶段
火铳是我国第一代金属管形射击火器，它是元代火器研制者，依照南宋时期的火枪尤其是突火枪的样式和原理制成的。现存的元至顺三年(公元1332年)制造的盏口铳、元至正辛卯年(元至正十一年，公元1351年)制造的手铳，分别是当时所创大型火铳与手铳的代表性制品。此外，在黑龙江省阿城县半拉城子、西安东关景龙池巷南口外、内蒙古托克托县原黑城公社、北京通县等地，也出土了一些制造年代相近的元手铳实物。同火枪相比，火铳具有能承受较大的膛压、装填较多的火药、使用寿命较长、杀伤威力较大等优越性。因此，火铳创制后不久，便成为元军和元末农民起义军竞相使用的火器，其中尤以朱元璋的部队使用最多。
元至正十五年(公元1355年)，朱元璋驻军和州(今安徽和县)，准备渡江。传说此时有一位火器研制者名焦玉，带着他研制的几十支火龙枪，献给朱元璋。朱元璋喜出望外，当即命大将徐达组织射击试验。只见弹丸出膛，如火龙经空，能穿透金属铠甲。朱元璋大为赞赏，答应在功成之后给予厚封。元至正二十三年八月，朱元璋率部在鄱阳湖同陈友谅率领的另一支农民起义军决战。结果朱元璋所部用安于战船上的碗口铳，发射大型弹丸，击碎陈友谅水军的战船，取得了胜利。明王朝建立后，由工部的铸钱机构宝源局和兵器制造机构军器局、内府的兵仗局，专门制造手铳和碗口铳等各种火器。朱元璋第四个儿子燕王朱棣夺取帝位后，为了进行战争和加强国防建设的需要，大力制造火铳，增加了数量和品种，改进了结构，使火铳得到了充分的发展，一直到嘉靖时期，都是明军的主要装备。
火铳的大量制造和装备，使中国古代军事的许多方面，发生了第一次大变革。先从编制装备方面说，过去军队的装备只是在冷兵器范围内进行改善，现在开始增加了火器。明洪武十三年(公元1370年)，明朝政府规定各地卫所驻军兵器装备的比例是：火铳10%、刀牌20%、弓箭30%、枪40%，军队的编制当然也按这一比例了。明永乐皇帝又在永乐八年(公元1410年)前后，创建了世界上最早的火器部队——神机营。与此同时，在云南的金齿(今云南保山)、楚雄、品甸(今云南祥云县东北10里)，以及北部的怀来(今属河北)、宣府(今河北宣化)、大同、朔县(今属山西)等边关要隘，也都增加了火铳。洪武八年(公元1375年)，明廷还在莱州卫等沿海要塞，增配大型铳炮，加强守备。永乐十七年(公元1419年)，辽东镇总兵刘江还利用望海埚〔guo郭〕等要塞增配的铳炮，取得了全歼来犯倭寇的“望海埚大捷”。如果说宋代初级火器的创制，催生了火器与冷兵器相结合战术的萌芽，那么元明时期火铳的创制与发展，则使火铳与冷兵器相结合的战术也随之得到创造与发展。朱元璋的大将徐达，创造了大规模使用火铳攻城的战术，大将沐英在野战中创造了多排火铳兵对敌实施轮番齐射的战术，永乐皇帝在北方同蒙古兵作战时，不但创造了用火铳兵齐射蒙古骑兵的战术，而且还提出了火铳兵在前，马队在后，作战时先用火铳齐射敌军前锋，再以密集骑兵冲击敌军主力的布阵作战的新原则。正统十四年(公元1449年)十月，明朝兵部尚书于谦，还利用火铳兵坚守北京城，取得了北京保卫战的胜利。这些创造性成果，有力地推动了古代军事学的发展。
(3)火绳枪炮与传统火器全面发展的阶段
我国发明的火药与创制的火器在14世纪前期经阿拉伯传入欧洲后，经过欧洲人改进，在15世纪后期制成了用火绳点火发射的枪炮。15世纪末至16世纪初，葡萄牙人携带这类枪炮来到印度、日本和中国沿海的一些地方。明嘉靖元年(公元1522年)，明军在广东新会的西草湾，对藐视中国主权和借口寻衅的葡萄牙舰船进行反击，缴获了三艘舰船及其舰炮。由于当时明廷官员称葡萄牙为佛郎机国，所以就把这种舰炮称作佛郎机。佛郎机是用子炮(相当于现在的炮弹)，装入母炮(即炮管)内点火发射的一种火炮，它的母炮比火铳的身管长，安有准星和照门等瞄准装具，配有五至九个子炮，装填弹药方便，射速快，射程远，命中精度高，杀伤威力大，很快被明廷军工部门所仿制，用于水陆作战中。
火绳枪是明军在嘉靖二十七年(公元1548年)于东南沿海剿倭作战中缴获的单兵枪，明军因其弯形的枪托形似鸟嘴而称为鸟铳，又称鸟嘴铳和鸟枪。由于鸟铳比手铳性能优越，所以明廷军工部门不久也大量制造，装备明军使用。
与明军使用的手铳与碗口铳相比，火绳枪炮的最大优点在于点火发射方式的改变。火铳是由士兵持点火之物，点燃火捻，进行发射，射速很慢。火绳枪是用板机夹钳慢燃烧的火绳，点燃药室中的火药，将弹丸射出，可以连扳连射而不致熄灭，因而提高了管形射击火器的发射速度。与此同时，明廷的军器局和兵仗局，改制了明代前期的手铳、碗口铳、盏口铳、将军炮等铳炮类火器，创制了快枪、多发铳、虎蹲炮，发展了利用火药燃气反冲力推进的火箭类火器，提高了火球类、喷筒类、火禽火兽类等各种燃烧性火器的燃烧效能，在革新爆炸性火球的基础上，发明了各种爆炸弹、地雷和水雷。从而出现了我国武器发展史上，外来火器与传统火器相促相长、并驾发展的新时期。
外来火器与传统火器的迅速发展，使中国古代军事在使用火器后发生了第二次大变革。这种变革首先表现在军队编制装备结构的变化上，这种变化，又明显地表现在抗倭名将戚继光在东南沿海进行的剿倭战争中，以及在蓟镇练兵时编练的车营、步营、骑营和辎重营上。这些营以装备新型的佛郎机炮和鸟枪为主，并配装各种传统火器，从而使这些营装备的火器占全营使用兵器的一半左右。以车营为例，全营编有官兵3109人，其中使用佛郎机炮和鸟铳的官兵有1280人，再加上火箭手和其他火器手，已超过编制总数的一半。全营装备128辆炮车，载256门佛郎机炮，说明车营实际上是一个车炮营，它装备的佛郎机炮，已经达到每12名士兵装备一门的高比例。这不但是中国军事史上的创举，而且也是当时欧洲各国不能相比的。这种车炮营已把火炮的杀伤威力和战车的快速机动能力结合在一起，大大提高了车营的战斗力。
以此类推，步兵营实际上是一个有一半以上士兵使用鸟铳与其他火器的火绳枪营。骑兵营实际上也是一个骑炮营，它的战马装备虎蹲炮后，更增强了骑兵快速突击的火力。它不但是中国骑兵史上最早的骑炮兵，而且要比瑞典国王阿道夫·古斯塔夫在1630年编制的骑炮兵早50—70年。军队的这种新的装备编制结构，不仅是中国军事史上的创举，而且在当时的世界上也是罕见的。
同这种装备编制相适应的是军队作战训练方式的更新。在戚继光编练的各营中，官兵增加了使用佛郎机炮和鸟枪进行作战训练的新内容。创造了由使用鸟枪和冷兵器的11名士兵组成的新的作战队形“鸳鸯阵”。管形射击火器的“三点一线”的射击原理得到了运用。车营、步营、骑营、辎重营进行协同作战方式的出现，使军事学的内容得到了全面的发展。
明朝万历年间，还出现了一位杰出的火绳枪研制专家，他就是赵士桢。赵士桢字常吉，号后湖，乐清(今属浙江)人，大约出生于明嘉靖三十二年(公元1553年)。他的祖父名叫赵性鲁，官至大理寺副，博学多才，工诗词，精书法，曾参加《明会典》的编纂。赵士桢自幼受祖父的熏陶，亦擅长书法。万历六年(公元1578年)，赵士桢因善长书法被授为鸿胪寺主簿，任职18年，后受召入直文华殿，至万历二十四年(公元1596年)晋升为中书舍人，任职10余年，大约在万历三十九年(公元1611年)去世。
赵士桢从小生长在海滨，家乡常受倭寇的袭击，备受其苦。他关心国家前途，注意研究军事及火器技术书籍，从戚继光和胡宗宪的部下了解倭寇所用火器的情况，从因进贡而留居北京的噜密国(又称鲁迷国，今土耳其境内)掌管火器的官员朵思麻处，见到了噜密铳，并于万历二十六年(公元1598年)向朝廷进献了他对该铳的仿制品。之后，他又历经艰难困苦，自己筹集钱财，先后制成10多种火绳枪及其他火器、战车。更为重要的是，他以多种文体，撰写成《神器谱》、《神器杂说》、《神器谱或问》、《防虏车铳议》等研制火器的论著。后来人们把这些论著合在一起，总称《神器谱》。
最早的《神器谱》为万历刊本，后来又有多种刊本。1974年，日本古典研究会在《和刻本明清资料集》第六集中，刊印了五卷本的《神器谱》，比较集中全面地搜集了赵士桢的主要著作。万历刊本《神器谱》共五卷，约六万多字，附图200多幅，集中反映了赵士桢在各种火器，尤其是在各种火绳枪的研制与使用方面所取得的成就。其中有噜密铳、西洋铳、掣电铳、鹰扬铳、旋机翼虎铳、三长铳、镢铳、锨铳、轩辕铳、九头鸟铳、连铳等单管火绳枪，以及迅雷铳、震叠铳等多管火绳枪。同时，书中还绘制了噜密铳、西洋铳和迅雷铳的各种射击姿势，便于士兵进行射击训练。为了控制火箭的发射方向，赵士桢还创制了一种形似短枪的“火箭溜”，其上刻有滑槽，以安放火箭，这种滑槽具有导轨的作用，保证火箭射出后能按预定方向飞行。此外，还有火器战车的研制及其使用方法的图形。
《神器谱》不但记载了赵士桢创制的各种火器，而且还反映了赵士桢发展火器制造的思想。他多次上奏朝廷，请求制造火器，把发展火器制造提到战略的高度。他指出，海中之国日本，祸胎已萌，在蚕食朝鲜之后，必然会“尽朝鲜之势窥我内地”；北方游牧民族与内地仅有长城一墙之隔，内犯之势必不可免，只有大力发展火器制造，才能“挫凶锋”，“张国威”；因此，制造火器不是一朝一夕之事，而是对国家有万世之利的大计。他主张研制火器“必须因时而创新”，出奇而制胜。他要求火器制造部门要选用技精艺熟的工匠，制造精利的枪炮，不可有丝毫差错。他极力反对浪造浪用火器，指责市井庸碌之徒粗制滥造，从中牟取暴利的丑恶行径。
《神器谱》还反映了赵士桢使用火器的思想。他认为火器要因时而用，要选择适当的战机，不可因浪战浪用而失去应有的作战效果。在使用火器时要因敌而变化，实施快速突击，使敌猝不及防；要虚虚实实，使敌人不知其奥妙；要注意奇正变换，使自己立于不败之地；当密集的敌人来至二三里内时，先以佛郎机炮、噜密铳、迅雷铳逐次射敌，挫其凶锋；待敌溃退时，持单兵火器与冷兵器的士兵要在近战中歼敌。赵士桢主张使用火器要与战车相结合，使“车凭神器以彰威，神器倚车而更准，或鼓行而前，或严阵待敌，或趋利远道，或露宿旷野，坚壁连营，治力治气，无不宜之”(《神器谱·神器杂说》)。如果车铳结合的战术运用得当，那么敌人就不能恃其凶悍，敌骑就难以随意纵横驰骋，弓箭就会失去其劲疾，坚利的刀甲也就无法发挥其作用了。如果制造战车的人也能了解它的用法，那么运用起来就会得心应手；再加上将帅善于指挥，士兵技巧熟练，那么就会充分发挥其自卫坚守和进攻破敌的作用了。赵士桢还建议编练车营，这样在防守时就能用战车作为壁垒，进攻时用战车实施冲击，遇到江河可用战车作为舟桥，在森林茂密之地可用战车防卫两翼，使战车在白天和黑夜，在旷野和险要之地，都能充分发挥其战斗作用。像赵士桢这样身无疆场之职，肩无三军之任的火器专家，能如此精通火器使用的战术是绝无仅有的。
(4)明末火器研制家及其对西洋大炮的引进、仿制和使用
16世纪末至17世纪初，聚居于我国东北的建州女真族迅速崛起，其杰出首领努尔哈赤，以军事进攻与政治瓦解相并举的策略，迅速统一了女真各部，并于明万历四十四年(公元1616年)建立后金政权，建元天命，自称金国汗，以赫图阿拉为都城，屯田积粮，积极备战，伺机攻明。明万历四十六年(公元1618年)，努尔哈赤以明廷杀其父、祖和援助其对手叶赫部等“七大恨”为借口，兴师攻明，于次年三四月间，以其所率部众六万余人，在萨尔浒(今辽宁抚顺东)大败辽东经略杨镐所率领的11万明军。之后，后金军以凌厉的攻势，突破关外明军的防线。至天启元年(公元1621年)，后金军已占领明朝关外70余城，兵锋直逼山海关。在努尔哈赤步步进逼，关外形势日益严峻的形势下，朝廷许多高级文武爱国官员，都力排阉党阻挠，纷纷献计献策，为抵御后金军的进攻而尽职尽力。其中以徐光启、李之藻、孙元化、张焘、焦勖为代表的科学家与火器研制专家，为引进、研制与使用西洋大炮(明朝称红夷炮，清朝改称红衣炮)，作出了重要贡献，成为明朝末期火器技术发生转折性变革的军事技术家群体。
徐光启 生于明嘉靖四十一年(公元1562年)，字子先，号玄扈，上海人。历任詹事府少詹事、礼部尚书兼东阁大学士等职，是明末杰出的科学家和军事技术家。他少年时代就胸怀大志，钻研科学，注重军事，关心国家的兴亡和人民的安危。他在明万历二十八年(公元1600年)于南京结识意大利传教士利玛窦(公元1552—1610年)后，便孜孜不倦地学习欧洲科学技术，钻研火器制造与使用的理论，并把这方面的书籍介绍给中国读者。他在学习和钻研的过程中，一方面结交了一批能够传播西方火器技术的传教士，另一方面又联络了一批有志报国的明廷官员与火器研制者，为学习和传播西方火器技术作出积极的贡献，其中主要有光禄寺少卿李之藻、兵部主事孙元化、加衔守备张焘等人。他们都先后成为引进、仿制和使用西洋火炮的骨干。
当明军在萨尔浒战败后，徐光启即于明万历四十七年(公元1619年)六月，奏请朝廷设险守固，建敌台、造大铳，以抵御后金军的进攻。不久，他又联络李之藻等人，以私人出面捐资方式，设法向澳门葡萄牙当局，进行试购西洋大炮的活动。朝廷采纳了他的建议，支持他的购炮行动。经过多方努力，先后购买了30门西洋大炮，除一门在试射中炸毁外，18门留在都城，11门运往山海关，后又转运至宁远(今辽宁兴城)，加强了宁远的守备能力。
明崇祯三年(公元1630年)二月，徐光启奉命监造西洋大炮。他以在仿制中力求超胜的思想为指导，设法访求和选拔懂得军事、心计智巧的人掌管军器局，让精通数理的人进行研制。他“除积弊，立成规，酌旧法，出新意”，使制成的火炮“精密坚致，锋利猛烈”，不合格者决不验收。为了发扬新型火炮的火力优势，他十分重视新型敌台的建造，把造炮与建台作为一个整体加以考虑，提出了著名的“以台护铳，以铳护城，以城护民”的原则。他还亲自设计和参加了一些敌台的建筑。这些敌台依城而筑，以大条石为基础，与城等高，内分三层，下层安大型火炮，中层和上层所安火炮依次渐小。台径可达数丈，墙壁设有火炮射孔，外墙为半圆形，内墙与城内相通，便于守城官兵出入。这种敌台可以从三面环射敌人，又能上下迭射，减少了死角，扩大了射界。同时，相邻各敌台之间还可进行火力支援，构成大型城郭绵密的火力防御系统。
徐光启还对火器的使用提出了独到的见解。他建议朝廷要选拔精兵，装备精良火器，尔后再任命良将统领，进行严格训练，使射手人人壮勇，技艺精熟，远射时能百发百中，近斗时能以一当十。他针对后金军长于骑射、善于驰突的作战特点，提出了坚壁清野、凭城坚守的战法，把过去放在城外的火炮移置于城内各要地，轰击攻城之敌，使敌无法接近城墙，待敌疲惫懈惰之后实施反击，将敌击退。为了收复辽东，他还提出了以车制骑的思想，主张建立装备众多火炮的车营，以阻挡和反击敌军骑兵的进攻。
徐光启为引进欧洲火炮技术奔波10多年，直到70岁高龄时仍为守城制器之事操心。虽然由于明廷政治腐败，国势日衰，军旅不振，他的主张并未被全部采纳，目的也没有全部达到，但是他的努力却对明末清初的火炮制造，产生了积极的影响。作为一位卓越的科学家，徐光启把自己的研究成果应用于国家的军事实践；作为一位杰出的军事家，徐光启把自己的军事理论建立在科学的基础上。这是徐光启不同于其他科学家和军事家的独到之处。明崇祯六年(公元1633年)，徐光启与世长辞。
李之藻 是明末著名科学家和军事技术家。明嘉靖四十五年(公元1566年)生，字振之，又字我存，仁和(今浙江杭州)人，明万历二十六年(公元1598年)进士。曾任光禄寺少卿、工部都水清吏司郎中和南京太仆寺少卿等职。他同徐光启一起，通过利玛窦学习欧洲的火器技术，推动了明末火器的发展。他在明天启元年(公元1621年)所上的《为制胜务须西铳乞敕速取疏》中，全面阐述了他对发展明末火器的全部主张，有力地配合了徐光启关于引进、仿制和使用西洋大炮的奏议，加速了朝廷对这些奏议的批准和引进、仿制西洋大炮的进程。他对西洋大炮的形制构造和作用有比较全面的了解。他认为，要仿制这些火炮，切不可只按外形依样画葫芦，而要讲求质量，坚持做到材料必须锻炼有法，铸造时不可差之毫厘，失之千里；使用时必须先严格训练炮手，使之明理识算和掌握使用技巧，再派智勇良将进行指挥，以收战必胜，攻必克，守必固的效果。为此，他建议朝廷要优待铸炮工匠和操炮射手，宁可裁减无能之将和无用之兵，也不可怠慢这些人。因为有效地使用一门优质火炮，能抵数千精兵之用。他一生对天文、历法、数学等自然科学多有研究，有《新法算书》、《天学初函》、《同文算指》、《容圆较义》等六部著作传世。后两部著作的成果，被孙元化应用于《西法神机》中，明崇祯三年(公元1630年)，李之藻去世。
孙元化 是明末研制西洋大炮的专家。字初阳，号火东，嘉定(今属上海)人。生年不详。《明史·徐从治传》中附其小传，称他擅长西洋炮法，是徐光启的门生。因上书陈述备京和防边二策，得以在辽东经略孙承宗麾下参与军事。明天启二年(公元1622年)九月，他任兵部司务，在山海关协助孙承宗修筑城防。天启三年，他随从宁前兵备道袁崇焕坚守宁远城，负责调运和管理山海关的11门西洋大炮，并主持造炮事宜，全力支持徐光启用西洋大炮抗击后金军的主张，在天启六年(公元1626年)的“宁远大捷”中立了战功。至明崇祯初年起，任兵部员外郎，不久迁郎中。崇祯三年(公元1630年)，经徐光启荐举，他出任登莱巡抚，按徐光启的意图，在登莱聘请葡萄牙炮师制造西洋大炮，训练使用西洋大炮的炮手。他把从利玛窦和徐光启处所学研制西洋大炮的技术，写入《西法神机》中。崇祯五年(公元1632年)，其部将孔有德、耿仲明叛明降清，攻陷登莱，他被执后自杀未遂，被叛军放归。次年九月，被明廷处死。著有《经武全书》和《西法神机》等。
《西法神机》是孙元化的代表作，著于崇祯五年前。原稿在战火中流失，幸有其表亲王式九留有副本。清康熙元年(公元1662年)四月，疁〔liu 流〕城(即嘉定)人金民誉据此副本刊印于古香草堂。全书分上下两册，约三万多字，附图19幅。书中记载了30多种火药配方及其原料的提炼与火药的配制方法，详尽地比较了各种火药配方的优劣。又以徐光启与利玛窦合译的《几何原本》、李之藻所著的《同文算指》和《容圆较义》为依据，采用科学的定量方法，以火炮的口径尺寸为基数，按照一定的比例倍数，设计火炮与炮车的各部分。提出了弹重、装药量与火炮口径成一定比例的关系。《西法神机》反映了孙元化关于火炮设计的思想。他认为，研制火器必须明理识性，“推物理之妙”，合乎事物之特性，才能制成合用的成品。
孙元化经过对火炮的射程与射角关系的一系列试验后指出，火炮的射击，若从平射位置即零度直射算起，射程随炮管仰角的增加而渐远，超过45度后，射程又逐渐变近。他经过研究后认为，炮弹射出炮膛后，既有向前直飞之势，又有受地球引力下坠之势，两者合成曲线轨迹，过曲线顶点后，飞行速度减慢，杀伤力削弱，最后飞行速度为零，杀伤力消失。他的论述虽不如伽利略对抛物线的论述透彻，但已相去不远。与此同时，他还在《铳台图说》一节中，对大型火炮发射后产生强烈震动的原因，作了初步的探讨。他认为发射火炮时，由于“铳气(即火药燃气)出口，空气相激，气之动也最捷，故山谷皆答(即回声)，其近而裂者，则能排墙，能撼石”。这是对大型炮弹射出后所生冲击波现象的一种朴素解释。孙元化对上述两种现象的探讨和阐述，是对火器技术的两大突出贡献。
张焘 是明末将领、著名火器研制家。钱塘(今浙江杭州)人。出生年月不详。成年后以李之藻为师，是孙元化的同僚，曾任加衔守备，官至登莱副总兵官。他全力支持徐光启的主张，亲自组织人员赴澳门，完成了第一批西洋大炮的购买、运输回京，以及聘请葡萄牙炮师来京协助造炮和训练炮手的任务。《明史·徐从治传》说他于崇祯五年(公元1632年)因部将孔有德兵变被逮。《明思宗实录》说他被叛军所俘，因拒降而自缢身亡。《明史·艺文志》和《千顷堂书目》，录有张焘和孙学诗合写的《西洋火攻图说》一卷，至今还没有发现这本书。
焦勖 是明末著名火器理论家。宁国(今安徽贵池)人。生卒年不详，其主要活动要晚于上述几位火器研制家。其时正值明末动乱之时，他目睹朝政腐败，武备松弛，人民遭受战乱之祸，于是潜心研究火器技术，以为救时之用。他在德国传教士汤若望(公元1591—1666年)口授造炮技术的基础上，编著成《火攻挈要》，刊于明崇祯十六年(公元1643年)。原书分上下两卷，附《火攻秘要》一卷，北京图书馆藏有原刊本的清抄本。清道光年间，军事技术家丁拱辰对书中疏漏之处作了修正。不久，军事技术家潘仕成在编辑《海山仙馆丛书》时，收录两书于其中，合称《火攻挈要》，又名《则克录》，分上中下三卷，约四万余字，附图27幅。全书以介绍火药、西洋大炮及各种火器的制造与使用方法为主，涉及金属冶炼、机械制造与数理化知识，反映了西方火器传入中国后，使中国火器技术开始从阴阳五行化生学说的旧窠，转向以定性与定量分析相结合新轨道的概况，是中国古代火器进入一个新的发展阶段的重要标志之一。
上述几位著名的火器研制家，除焦勖的活动年代稍晚和生平事迹不详外，徐光启、李之藻、孙元化和张焘，都直接和西洋大炮的引进、仿制和使用有关。他们向澳门葡萄牙当局购买的30门西洋大炮，实际上是一年前搁浅于澳门附近英国舰船上装备的30门舰炮，系英国在15世纪后期制造的一种加农炮，具有身管长、威力大、射程远等优越性。《明史》的作者张廷玉在《和兰(荷兰)传》中，把它误记为荷兰人所造。由于当时称荷兰人为“红夷”，所以称它为“红夷炮”。近些年来，一些学者经过对传世实物和文献的考证，认为它是从英国而不是从荷兰传来的，他们的论据比较充分可靠。明天启六年(公元1626年)正月，明宁前兵备道袁崇焕，在宁远城指挥明军使用这种火炮，打退了后金军的进攻，取得了宁远保卫战的胜利，创造了运用大型火炮进行守城战的战术。至今人们仍称道袁崇焕的战绩及其指挥的“宁远大捷”。武艺超群、足智多谋的努尔哈赤自起兵以来，从来没有吃过这么大的亏，自宁远一战被袁崇焕打败后，一直愤愤不平，咽不下这一口气，结果在当年就抑郁气愤而死。
“宁远大捷”以后，明廷更加倚重红夷炮，派徐光启等人组织工匠进行制造。崇祯三年(公元1630年)二至八月，共制造了400多门。崇祯五年后，明廷聘请德意志传教士汤若望主持造炮事宜，又造炮500多门。除朝廷组织工匠制造西洋火炮外，当时一些地方的军政要员，如两广大吏王尊德、总督卢象升、总督高起潜、总督洪承畴等人，还私人捐资制造了一部分西洋大炮，作为抗击后金军进攻之用。
(5)后金和清前期对火绳枪炮的仿制和使用
“宁远大捷”以后，不但明廷继续制造红夷炮，而且后金继努尔哈赤之后的皇太极，也想借助红夷炮提高后金军的战斗力，于是在后金天聪五年(明崇祯四年，公元1631年)制成第一门红衣炮，定名为“天佑助威大将军”。从此，长于骑射，善于在野战中驰突取胜的后金军如虎添翼。他们以红衣炮为攻城掠地的利器，向明军展开大规模的进攻，很快夺取了明廷在山海关外的全部领地。
明崇祯十七年(公元1644年)，清军入关，建立了我国历史上第二个由少数民族入主中原的统一政权清朝。清朝建立以后即增设八旗炮厂、濯灵厂，制造红衣炮与火药，使红衣炮成为清军装备的系列炮种。清军入关之初，南明政权、南方各地人民、民族英雄郑成功所部，也都制造和使用红衣炮，抗击清军的进攻。清顺治二年(公元1645年)四月十五至二十五日，史可法在扬州以大型火炮进行守城战，击杀攻城清军数千人。闰六月，江阴典史阎应元，以上千支鸟铳、上百门火炮，在江阴与清军相持80多天。郑成功在顺治三年兴师反清后，曾使用大量火炮突入长江口，先后克瓜州、下镇江、逼南京，转战江南和江北29城，清军屡受其挫。顺治十八年(公元1661年)初，郑成功在率领部下渡海进攻台湾岛上的荷兰人时，曾使用200多门火炮，进行渡海作战，并于当年三月，将荷兰殖民者逐出台湾，收复了我国的领土台湾岛，创造了从海上进攻岛屿的用炮战术。
清康熙年间，清廷曾任用在华供职的比利时人南怀仁(公元1623—1688年)，督造红衣炮等各种火炮，为平定三藩和收复被沙俄侵占的雅克萨城创造了条件。康熙十三年(公元1674年)，清廷着手组建火器营，使清军在全国范围内，形成了以火器营炮兵、京师八旗炮兵、各省驻防的八旗炮兵及绿营炮兵组成的炮兵力量，具有较强的威慑作用。康熙三十五年(公元1696年)，康熙帝亲率大军，携火炮100多门，前往新疆平定噶尔丹部的叛乱。在昭莫多之战中，清军使用冲天炮轰毁敌营，取得了平叛战争的胜利。总计康熙一朝，共制造大小铜炮900多门，濯灵厂每年产火药50万斤。
康熙年间，清朝曾出现过一位著名的火器研制家戴梓。戴梓字开文，钱塘(今浙江杭州)人。戴梓生于清顺治六年(公元1649年)，善诗画，晓天文，通算法，熟谙火器制造。清康熙十二年(公元1673年)，三藩叛乱，次年六月，康熙命康亲王杰书率军南征，途经杭州时，25岁的戴梓从军，并向康亲王进献了连珠火铳。之后，戴梓在作战中因功受奖，回师北京后，受到了康熙皇帝的召见和殿试，又授予翰林院侍讲。
据清朝乾嘉时期的著名学者纪昀，在《阅微草堂笔记》中记载，戴梓所研制的连珠火铳“形若琵琶，凡火药铅丸，皆贮于铳脊。以机轮开闭。其机有二，相衔如牡牝。扳一机则火药铅丸自落筒中，第二机随之并动，石激火出，而铳发矣，计二十八发。火药铅丸乃尽，始需重贮”。从这一描述中可知，扳动第一机是装填弹药，第二机随动是发射弹丸；依次再扳再射，可连续28次，发射28弹，可见这是一种连扳连射的燧发枪。这种枪的最大优越性在于简化了装填手续，每装填一次，可连续射击28发弹丸，提高了发射速度。因此，这是一种由单装、单发向多装、单发、连射过渡的一种新式单兵枪。可惜，这种枪在当时并未得到重视，也没有推广使用，不久便失传了。
戴梓还仿制过一种欧式“蟠肠鸟枪”。据说当时的欧洲传教士曾经向康熙进贡一支“蟠肠鸟枪”，以示其武器的精良。康熙即命戴梓仿制，戴梓很快仿制成功，并以10支仿制品返赠传教士。戴梓还为研制冲天炮作出了贡献。据说康熙曾命南怀仁制造冲天炮，但时过一年，却进展缓慢。戴梓只用了八天时间便创制成功。康熙非常高兴，亲自率领王公大臣，前往靶场观看射炮演习，果然性能良好，威力较大。演试后，康熙封此炮为“威远将军”炮，命工匠在炮身上镌刻戴梓之名，“以示其不朽”。此炮在康熙三十五年(公元1696年)的平定噶尔丹之战中，发挥了重要作用。乾隆时期的国子监博士金兆燕，对“威远将军”炮作了十分生动的描述。他说这种炮“子在母腹中，母送子出，从天而下，片片碎裂，锐不可当”。
清朝前期还有些火器研制者曾有过创造发明，如江苏吴县的薄玉，对地雷与火炮都有研究。康熙时期，武备院有一位名叫连登伍的铁匠，曾创制过子母炮式的爆炸弹，杀伤威力甚大，康熙也曾赐名此弹为“五子夺莲”，并给连登伍以奖励。但因后来战事减少，国内局势日趋平定，对枪炮的需要日渐减少，制造数量也随之削减，几乎有刀枪入库之势。加上历届朝廷实行闭关自守的政策，限制国内的火器研制，隔绝外国先进火器研制成果的传入，致使中国火器发展受到挫折，走向低谷，直到鸦片战争爆发时，清军依旧使用陈旧的火绳枪炮抵御西方侵略者，结果战败，这一沉痛的历史教训，是值得我们记取的。
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