明帝国的军事科技，徐光启的影响，红夷大炮与城防建筑
明帝国的军事科技，徐光启的影响，红夷大炮与城防建筑
进入17世纪，明帝国的统治面临着前所未有的危机。在东北部局势失控的背景下，明朝统治者开始寻求新的军事解决方案。本文将探讨明朝军事科技的演变，特别是徐光启等人引入西方军事技术的努力，以及这些技术对明朝军事防御体系的影响。
冷兵器与热兵器的较量
朱元璋时期，明朝军队就已经开始使用大量火器，但主要还是以冷兵器作战为主，热兵器为辅。朱元璋对明军弓箭的射程有严格要求：武将必须射出160步（约240米），士兵要求120步。同时，还要求射击精度，50步之内必须命中目标，弩则要求在40步内命中。因此，当时的明军不仅使用大量火器，冷兵器的作战要求也非常高。
明代中后期开始实行海禁政策，导致与其他民族及国家的军事交流停滞不前，这使得火枪火炮技术始终停留在开国时期的水平，甚至有所倒退。虽然明代中后期军队中火器兵的比例达到三分之一以上，有的步兵部队火器使用比例超过50%，但由于这些火器的技术落后、射程近、精度低，导致整体部队的冷兵器作战能力大幅下降。相反，满洲铁骑仍然使用成熟的冷兵器作战技能，通过长期艰苦训练和战场厮杀，锤炼出强悍的骑兵军。在萨尔浒等战役中，明军惨败后迅速失去了辽东的控制权，只有关锦一线尚在手中，最后的堡垒宁远城也岌岌可危。
徐光启与红夷大炮
虽然明代实行闭关锁国政策，但仍有许多欧洲人不远万里来到东方，无论是行商谋利还是传教，其中有些人将欧洲的先进火炮技术推荐给了明帝国。欧洲在16世纪开始科学革命，西欧各国纷纷建立起火器工厂，以工业形式生产制式枪炮。在宗教传播的背景下，一批具有普世爱人理想的宗教人士不远万里，不求回报地将西方的天文、数学、农学、水利等一些先进技术向东方传播，这些技术引起了明帝国高层的兴趣。士大夫如少詹士徐光启、光禄寺少卿李之藻、兵部尚书孙元化等人，从意大利教士那里学习到一些军事科技，并向朝廷倡议、引荐甚至是仿制。
最早的红夷大炮是英国的一种舰载加农炮。英国的炮舰在中国近海沉没后，葡萄牙人打捞出红夷大炮，经过适当维修后卖给明帝国，这就是最早一批红夷大炮的来历。天启年间，明帝国从澳门购入11门红夷大炮，并聘请20余名外籍炮师及一名翻译训练士兵使用。红夷大炮在战场上的出色表现，证明了当时英国火炮技术远超明帝国。
明代火炮与红夷大炮的生产方式对比
在红夷大炮出现之前，明朝的铳炮大多采用椎击打造及铸造而成。椎击是用钢钻在金属管上钻出铳口，由于纯人力操作，进展缓慢，一天只能完成一寸，且精度不高。一些小型火炮是先用熟铁制成铁板，然后将铁板弯成圆弧形进行拼合，再用铁钉固定，最后铣光炮膛并加装火门等部件，这种炮比生铁的要轻，但中间有缝，影响射击压力。
大型火炮采用铸造法，一般是分段铸造炮身，最后拼接，这种铸造炮因工艺问题存在炸膛风险。红夷大炮也是用铸造法，但是一体铸造成型，精度高，使用更安全，寿命更长。铸造红夷大炮时，先做外模和内模。外模用整木刨成炮身样式，涂抹掺有羊毛的胶黄泥和细黄沙，厚度为模型的1.6倍左右，涂抺过程中绑上粗铁丝、铁条等作为骨架，数月晾干后抽出木炮，形成外模。内模与火炮内膛一致，核心是一根铁柱，外面涂上泥层。有了内外模后，将外模竖立在铸炮台中，内模置入外模内，中间浇入铁水或铜水，形成粗坯。最后工匠们对粗坯进行复杂精细加工，制成红夷大炮成品。现在北京还有一门这样的大炮摆放于德胜门。
红夷大炮的射程与其炮管角度有关，炮管与地面水平时射程最近，45度角时最远。为了测量角度，大炮配备了“量铳规”，规上有刻度。明末《西法神机》罗列了用“量铳规”对火炮测试的数据：平度时射程约为268度，一度时为595步，二度时793步，三度时953步，五度为1039步，六度为1050步。炮手在开战前先进行测试射击，并与量铳规的数据进行对照，官方还制作数据册便于炮手计算。红夷大炮作为制式火炮，射程远大于明式火炮，精度更高。正是依靠这种火炮，明军在宁远城下第一次打败了冷兵器天下无敌的满州铁骑。虽然当时的红夷大炮还是实心弹，但这种实心弹从炮口高速出膛时爆发出的冲击力，对于进攻方的骑兵无疑是种恶梦，能轻易开出一条血路，呼啸而至的雷霆所造成的心理杀伤力比爆炸弹更加恐怖。
明帝国在军事失败的压力下，还从欧洲引进了多种型号的火炮，《兵录》记载，有半蛇铳、大铳、倍大蛇铳、飞虎铳等众多口径不一的小型火炮。明末孙化元的著作《西法神机》，焦勖的《火攻挈要》都是受利玛窦的影响，具有相当科学性。
徐光启的科技影响
徐光启生于嘉靖年间上海县，也许是一种预示，几百年后上海会成为东西方文化交流的窗口。早年科举不中，后在广州结识了西方传教士，并对宗教产生兴趣，自此之后，他的人生出现转机。1597年受到主考官焦竑赏识而中举，1603年在南京正式受洗加入天主教，次年高中进士，为翰林院庶吉士。徐光启与天主教有着不解之缘。1606年与利玛窦合作翻译编写《几何原理》，1608年，邀请天主教人士郭静居在上海开始传教。在其后若干年，其不断翻译并撰写大量科学著作。1620年，徐光启以同教人士的关系前往澳门，以优惠的价格购入四门红夷大炮，这些火炮成为之后明帝国自制火炮的基础。其学生孙化元，受徐光启影响，成为西洋火炮少有的专家，对火炮的制作与火药的配比经验丰富，手下有一大批火炮技师，这些人可以说是明帝国未来军火工业的基础。徐光启是明末最早接受西方科技的高级官员，在他的影响和带领下，促进了明末火炮技术的升级，深刻影响了辽东战局的发展。
明帝国的城防工事
早期的城池多是由砖石和土木筑成城墙，有条件的外围还有一圈护城河。到了明末，辽东战争的激烈程度前所未有，明军大量的火器部队参战，后金军在战争中不断缴获明军的火枪火炮，数以万计，同时大量明军炮手和火枪手投降加入后金部队，使得原本野心勃勃、雄心万丈的满清统治者如虎添翼。古代的城墙往往有角楼与敌台，角楼是城墙四个角，而敌台是城墙上间隔突出的若干方形高台，守兵在高台上可以彼此交叉射击，然而敌台多是方形，容易形成射击的死角，并且方形的敌台容易遭到对手炮击而损坏，鉴于此，设计者就不断的改良之。以西方城堡来说，他们也有敌台，只是经过改良后变成了圆形，意大利人处于欧洲战场的中心，他们发明了棱堡，将敌台建筑成棱形，这样对方的炮弹即便正中也容易偏滑，并且射击死角也减少许多。
徐光启在利玛窦的影响下，对西洋列国的城防建筑非常推崇，他在1621年上书，指出辽东守军一方面避免将重型火炮置于城外，应该架设在城上，并按西洋建筑方式，建造炮台敌台，以铳炮保卫城墙，炮台敌台以三角形、棱形或是圆形为主。在徐光启的影响下，浙江按察使陈亮采、兵部尚书崔景荣、刑部尚书黄克缵等人均赞同这种方式，在与蒙古接壤的宁夏沙拜等地就建起了这种西式敌台。徐光启的文献中记载，用砖块与石材，砌成圆形敌台与主城墙连为一体，墙壁厚度为一丈有余，高度达到三十米，内分三层，之所以要建筑如此高大，可能是当时的后金尚未掌握火炮技术，不过从敌台与城墙的高度可以看出，明末建筑工程量之宏大。
徐光启的学生，孙化元于天启年间分别在山海关、桃林、喜峰口、一片石、宁远等要塞构筑西式炮台，也说明此时的辽东战事激烈程度之高。明代以徐光启为首的知识分子留下了大量关于棱型城墙的建筑文献，这些作者大多与天主教关系密切，如天主教徒的魏学谦，认为应该在敌台以外再建三角附城，其地基由巨石砌成，城墙由土夯实，炮弹对这种建筑影响有限，这种建筑风格与孙化元的四种铳角，异曲同工。天主教徒韩霖认为，大炮在炮击时会产生后座力，因此炮台的设计应该是前低后高，这样有利于复位，并且炮台高度要下降，这样能降低敌方炮弹的命中率。明帝国在全国各地建筑了许多具有西式敌台的要塞，这与徐光启等开明大臣的影响有很大关系。
明帝国最终的结局，亡于内外战争的双重打击，虽然天灾人祸不断，最本质原因还是由于自身统治者的无能，末代皇帝崇祯不断的自毁长城，决定战争胜负的最关键因素是人。历史的潮流无法阻挡，最多就是一个时间长短而已。