晚清蒸汽機技術的傳入及有關問題*

陳 樸

（中國科學院 自然科學史研究所，北京 100190）

1 晚清蒸汽機技術知識的傳入

1792年，英國東印度公司購買了一批科學儀器，作為即將訪問清王朝的馬戛爾尼（Lord Macartney，1737-1806）使團送給乾隆皇帝的禮品，其中就有瓦特的蒸汽機模型。但是，由于乾隆皇帝沒有接見他們，該模型并沒有展示給乾隆皇帝，從而讓中國與當時最先進的技術失之交臂。[1]此后幾十年間，中國人對蒸汽機及其相關知識幾乎一無所知。

最早介紹蒸汽機及其原理的是郭實臘（Karl Friedrich August Gützlaff，1803?1851）所著的《東西洋考每月統記傳》（Eastern Western Monthly Maga?zine）。[2]郭實臘是著名的德國傳教士，他于道光癸巳年六月（1833年8月）創辦了該刊，內容以介紹西方科學技術知識為主。在甲午年（1834年）五月號上，該刊刊登了一篇簡要介紹瓦特的雙作用式蒸汽機的文章，該文以圖文并茂的方式對蒸汽機的結構及工作原理進行介紹，包括對冷凝器的說明。但是當時中國并沒有對應的技術術語，只是形象地稱鍋爐為大鐵罐，稱氣缸為筒。事實上當時僅有極少數的中國人有機會接觸到該書，而且清政府更重視的是外國的火炮等武器，因此這些知識并沒有產生普遍影響。

1831年，丁拱辰出國游歷時目睹了國外蒸汽技術的進步，回國后于1841年制成小蒸汽機和小輪船模型。1841年，他出版了《演炮圖說》，翌年8月，該書得到了清政府的關注，同意他的造炮、測試演放火炮之法。1843年，他將該書修訂成《演炮圖說輯要》，該書卷四中的《西洋火輪車火輪船圖說》一文共有兩千多字，主要介紹了蒸汽機的相關知識及其自制的蒸汽機車。[3]《演炮圖說輯要》將西方最新科學技術與中國人自制蒸汽機、火輪車、火輪船的經驗相結合，內容詳細，圖解清晰。然而由于當時生產設備及工人技術水平的限制，丁拱辰并沒有制造出可實用的蒸汽機，而且也沒有留下他所制造的蒸汽機模型的圖紙及設計資料，后人制造蒸汽機時仍需從頭做起。

1852年魏源出版了《海國圖志》，卷八十五《火輪船圖記》中有三篇文章，分別是鄭復光的《火輪船圖說》，西洋人的《火輪舟車圖說》和《火輪船說》。[4]西洋人的《火輪船說》正是《東西洋考每月統記傳》中那篇首次介紹蒸汽機的文章。《火輪舟車圖說》比較準確和詳細地說明了臥式雙作用非冷凝式蒸汽機的工作原理，其第一幅圖也與《東西洋考每月統記傳》上的圖完全一樣，圖中對蒸汽機的主要部件都標注了名稱。

梁廷柟在《海國四說》（初刊于1844年）里詳細介紹了輪船、火車及蒸汽機的工作原理。其述輪船、火車，“以或蒸水，作舟車輪機動，行駛如風。舟日火輪船……為驚人開路之用，火蒸車用以運載貨物，不假人馬之力，而馳行特速”[5]160。對于蒸汽機，梁廷楠對由水受熱成汽，汽缸、活塞工作，到如何發動、牽引舟車行駛，均做了詳細說明。

鄭復光于1846年撰寫出版了光學著作《鏡鏡詅癡》，其中卷五《火輪船圖說》曾參考了《東西洋考每月統記傳》中對蒸汽機的描述及其插圖，完整地講述了火輪船的構造和蒸汽機的原理，并附有他繪制的火輪船圖，與《演炮圖說輯要》中的火輪船圖極為相似。該文對火輪船各部分的結構，都做了比較詳細的敘述，包括輪船的輪、架、柱、傳動裝置、外軸、汽缸、鍋爐、桅、三角帆、舵等部分。[6]1853年，中文月刊《遐邇貫珍》創刊，在1853年9月出版的第2號上刊登了一篇《火船機制述略》，簡略介紹了船用蒸汽機的相關知識。[7]然而，該文在蒸汽機原理及其內容的詳盡程度上，都不如前述諸書刊。英國的傳教醫生合信（Benjamin Hobson，1816-1873），1855年在廣州出版了《博物新編》，[8]其中的熱論一節介紹了蒸汽機的結構和工作原理。該書相比前述諸書的特點是介紹了蒸汽的熱力學知識。雖然當時中國并沒有對應的科學技術詞匯，他還是用通俗易懂的語言從物理學角度說明了水蒸汽的成因、性質及應用。

李鴻章在同治三年（1864年）致總理衙門函中曾用簡練通俗的語言對蒸汽機的原理進行了描述，他寫道：“鏇木、打眼、鉸鏍旋、鑄彈諸機器，皆綰于汽爐，中盛水而下熾炭，水沸氣滿，開竅由銅喉達入氣筒，筒中絡一鐵柱，隨氣升降俯仰，撥動鐵輪，輪綰皮帶，系繞軸心，彼此連綴，輪轉則帶旋，帶旋則機動，僅資人力以發縱，不靠人力之運動。”[9]1086這表明當時洋務派領軍人物不但認識到蒸汽機的重要性，還十分關注其中的技術原理。

2 晚清中國對蒸汽機仿制的嘗試

從丁拱辰首次制作成功蒸汽機模型之后，中國人一直都對制造蒸汽機保持探索。直到1847年，當時的報紙還指出，仍有人在廣州進行小型汽船的試制，可惜均未能成功。

在鎮壓太平天國運動時期，由于湘軍對彈藥的需要，曾國藩在安慶創辦內軍械所，并聘用徐壽、華蘅芳等人修造槍炮彈藥并試制火輪船。1862年4月，曾國藩讓徐壽、華蘅芳制造火輪船，曾國藩最初接見徐壽時“又以仿造火輪船之事，不辭其繁地相質詢”[10]20。這是徐壽未曾想到的，雖然徐壽無造船和造蒸汽機的經驗，但他先就蒸汽機原理及船用裝配的概要，加以陳述。曾國藩對徐壽豐富的科學知識很是欣賞，鼓勵他“勿使畏怯，耐心試造”。徐壽隨即按照曾國藩的指示，于同治元年（1862年）開始試制蒸汽機模型。由于當時國內尚無成功的例子可以借鑒，徐壽、華蘅芳實地參觀了湘軍新購的外國輪船的蒸汽機，繪制出蒸汽機模型圖紙。當時安慶內軍械所并沒有西方的先進機器設備，徐壽等人就通過搜集和自制一些簡陋工具，經過3個月的努力，制成了一臺臥式雙作用蒸汽機模型，并在曾國藩面前做了成功的演示。這臺蒸汽機的汽缸直徑是1.3寸，汽缸是用鋼材制成，鍋爐是用類似鋅合金的材料制成，蒸汽機的轉速為240 r/min。曾國藩見后，在當天的日記中記載如下：

中飯后，華蘅芳、徐壽所作火輪船之機來此試演，其法以火蒸水氣貫入筒。筒中三竅，閉前兩竅，則氣入前竅。其機自退，而輪行上弦，閉后兩竅，則氣入后竅。其機自進，而輪行下弦。火愈大則氣愈盛，機之進退如飛，輪行亦如飛。約試演一時，竊喜洋人之智巧，我中國人亦能為之，彼不能傲我以其所不知矣。[11]765-766

曾國藩對該模型十分滿意，并下令制造一艘小型蒸汽船，他還鼓勵說，即使第一次、第二次都失敗了，也不要緊，試制工作仍要繼續下去。從同治元年七月（1862年8月）始，徐壽等人又依據模型機按比例放大，繼續研制火輪船所需的蒸汽機。從制造模型到制造實用的蒸汽機所面臨的困難相當大，曾國藩委派趙烈文購置有關器材，并雇用和抽調一批鐵工、鑄工來充實試制力量。徐壽、華蘅芳仍然是這支攻堅隊伍的核心人物，他們在蒸汽機的設計以及圖紙繪制完成之后，親自參與了蒸汽機的制造，不但要造主機，而且連螺絲釘、活塞等每一個零部件都需親自動手制造。蒸汽機的試制過程，涉及機械加工的各個方面，且對加工精度、光潔度的要求很高。他們除了借用安慶內軍械所的一些工具外，還制作了不少較為復雜的工具，[12]改進了生產組織形式，實行多工序、多工種的分工協作。在他們的帶領下，經過全體人員的艱苦探索，反復試驗，中國第一臺蒸汽機在安慶內軍械所試制成功。1866年，他們制成了“黃鵠”號輪船，這是中國人自制的第一艘大型輪船。根據《北華捷報》(The North?China Herald)的報道，黃鵠號排水量25噸，長25尺，蒸汽機汽缸直徑1尺、長2尺，活塞軸長14尺，直徑2.4寸；鍋爐長11尺，直徑2尺6寸，內有49支加熱管，每支長8尺，直徑2寸。[13]制造這臺蒸汽機所用的大部分材料出自中國本土，因徐壽認為國產鋼材質量不行，進口了制造汽缸活塞、煙囪與鍋爐所用的鋼材。徐壽與華蘅芳成功研制了蒸汽機，然而令人遺憾的是，至今仍未發現徐壽等人留下的設計圖紙或文字。目前學界大都認為徐壽等人制造第一臺船用蒸汽機的藍本，是墨海書館刊行、合信（B.Hobson）所著的《博物新編》中第一集《熱論》中有關蒸汽機的部分，其主要依據是傅蘭雅于光緒六年（1880）撰寫的《江南制造總局翻譯西書事略》，以及載于1868年8月31日《字林西報》中的《河伯司每日航運注冊報告》。錢志強認為，藍本應為《海國圖志》中的《火輪舟車圖說》。[14]王斌也認為《火輪舟車圖說》比《博物新編》更可能成為徐壽等人的藍本，[15]因為《博物新編》圖文所述為立式雙作用蒸汽機，不是曾國藩日記中所記載的模型機;而且《博物新編》中的蒸汽機為低壓蒸汽機，并非徐壽在火輪船上所用的高壓蒸汽機。

3 晚清蒸汽機技術引進中遇到的問題及應對策略

3.1 引進困境

蒸汽機技術傳入中國時，正值鴉片戰爭和太平天國運動，由于戰爭需要，清政府更注重對國外先進軍事技術的引入，而缺少對蒸汽機這個工業革命重要發明的重視。蒸汽機技術在中國的引入，還遇到了以下兩個非常突出的問題。

3.1.1 缺少有經驗的工匠

由于中西方技術傳統的不同，當時中國的技術人員雖然具有高度的獨立性與技術能力，但是他們對西方的技術標準與要求并不是太了解；同時中國傳統的技術所處理的對象以木質材料為主，而工業革命之后，所要加工處理的材料大都是金屬，當時中國的工匠缺乏金屬材料的加工經驗。此外，工業革命之后，社會需要的是近代技術體系下訓練出的大批工人與工程師，并且能以標準化的技術語言溝通和制造機器，而當時中國的技術人員，并不具備這方面的能力。

3.1.2 缺少制器之器

當時，雖然丁拱辰對蒸汽機的原理已經有了很深入的了解，也制造出了蒸汽機模型，但是由于加工工具的缺乏，不能制造出大尺寸且實用的蒸汽機。這種局面一直到太平天國運動的晚期才有所緩解。徐壽等人在試制蒸汽機的過程中也深受工具缺乏的困擾，雖然他們通過自制工具等措施制造出了實用的蒸汽機，但是如想進行大批量的蒸汽機生產，則必須得有制器之器。

3.2 應對策略

為了應對上述兩個問題，曾國藩等朝廷大員開始購買機器和引進國外技術人員。在蒸汽機的研制過程中，當時的官員及技術人員逐漸地認識到了制器之器的重要性。于是曾國藩接受了幕僚們關于建設“西式機器廠”的建議，容閎得知后，建議曾國藩從西方購買制器之器。通過與徐壽、華蘅芳的商議，曾國藩最終同意了容閎的建議，并給他撥付6.8萬銀元到美國購買機床。[16]這一批機床在1865年運抵上海，裝備到由曾國藩和李鴻章奏準設立的江南機器制造總局（以下簡稱江南制造局）。1866年，左宗棠成立了福州船政局。1868年與1869年，江南制造局與福州船政局分別建造了他們的第一艘蒸汽船。在接下來的三十年中，清朝官員陸續在中國多地成立了類似的制造局。

鑒于當時絕大多數工匠并不掌握西方技術的現實，清朝政府若要大量制造以蒸汽技術為基礎的蒸汽機以及西式槍炮船艦，必須要從根本開始訓練工程技術人員。洋務派在19世紀六七十年代興辦洋務企業的熱潮中漸漸發現了許多問題，諸如“制器之器，中國所作者，一時不能如法”；“非用外國全副機器，延請外國巧匠，不能入手。”[9]1082因而洋務派開始認識到“西人制器之法，無不由度數而生。中國欲講求制造輪船、機器諸法，茍不藉西士為先導，師心自用，無裨實際。”[17]1982李鴻章在指出西方制造為何精巧之極時也說：“西士制器，參以算學，彈精覃思，日有增變，故能月異而歲不同”[9]1087。洋務派認為必須培養具有科學知識的專門人才：“欲學習外國利器，則莫如覓制器之器，師其法而不必盡用其人。欲覓制器之器，與制器之人，則或專設一科取士，士終身懸以為富貴功名之鵠，則業可成，藝可精，而才亦可集。”[9]1089

此外，為了能讓當時的技術人員更系統地學習西方的蒸汽機知識，江南制造局自1871年開始，先后翻譯了《汽機發軔》《汽機必以》《汽機新制》《兵船汽機》以及《汽機中西名目表》等書籍，這批譯著較為系統地介紹了當時西方蒸汽機的最新知識，[18]為蒸汽機技術在中國的廣泛傳播提供了基礎。此后，蒸汽機傳入中國須面對的工具和技術人員問題，也逐漸得到解決。隨著洋務運動的深入，蒸汽機技術逐漸在中國傳播開來。

4 結語

蒸汽機技術的傳入過程，本身就是西方科技知識向中國傳播的過程。此外，由于缺乏科技人才和產業基礎，中國獨立仿造和制造蒸汽機技術也缺乏必要的條件，蒸汽機技術的傳入過程，同時也是西方技術向中國轉移的過程。對身處“三千年未有之變局”的晚清中國，蒸汽機技術的傳入對社會產生了積極的影響，是西方科技向中國技術轉移的一個重要樣本。蒸汽機技術的傳入經歷了早期的文獻傳播、實物啟蒙，以及早期進步人士的仿制、官方的仿制和蒸汽機技術大規模引進的過程，這個過程一直持續到清朝末年。對蒸汽機技術的知識傳播、仿制過程、專業人才的培養，大規模的引進和應用進行梳理研究，不僅是近代科學技術史的重要內容，同時也豐富了清史研究的相關內容。蒸汽機技術的傳入和應用，需要大批專業技術人才，對這個過程的研究也可以使我們從技術史的角度了解早期工程技術人才的培養方式以及科學技術知識的傳播過程。