铳尺的刻划与弹药的装填
为使每门火炮得以发挥最大威力，炮手还必须讲求所装填炮弹的大小和火药的用量。虽然明清之际所使用的炮弹形制甚多，[64]但其中仍以可作为攻城利器的实心圆弹最常用。[65]由于当时的铸造技术尚欠精良，为减少不合式或生锈之炮弹于爆炸后卡在管内的危险，通常均取游隙为内径的1/21，亦即设定内径为弹径的1.05倍，此值导致炮弹的威力被大幅削弱，据估计每次发射所装填的火药即有1/4至1/2因而浪费掉。[66]
在《火攻挈要》中，亦尝述及游隙的原理和其理想值，文曰：
合口之弹，不可太小，小则铳塘缝宽，火气傍泄，发弹无力，且不得准。亦不可太大，大则阻拦塘内，倘偶发不出，则铳必炸裂。其法必欲大小得宜，凑合口径，微小二十一分之一，更欲光溜极圆，毫无偏长、歪斜等弊，则击放之际，火力紧推弹身，必更远到而中的矣！[67]
其中所提出弹径与管径的最佳比例，即与欧洲所用之值完全一致。
当炮弹的重量确定后，炮术家们认为所需装填的火药，亦应有一理想值。塔尔塔利亚指出最恰当的状况在使火药于完全燃烧的瞬间，刚好将炮弹推至管口，如此可使炮弹获得最大的推力。如用药过多，不仅浪费且还有膛炸之虞；用药过少，则炮弹在受到最大的推力后，仍处于管内，其运动将会受到管壁的阻碍而威力衰减。[68]
在十六、十七世纪，欧洲各国所用的火炮形制颇为混乱，共有大鸩铳、半鸩铳、大蛇铳、半蛇铳等十余炮种，每一炮种乃以其倍径相同作为主要特征。这些炮种有的尺寸相当多样化，如西班牙军队所用的大鸩铳，即有使用30、35、40、45或50磅铁弹者，而不同国家对炮种的定义亦略有出入，即使是同一国家也不曾完全标准化。[69]当时的铸炮者根据实际的测试结果，发现每门炮所需装填的药弹重量比，常随其炮种的不同而变化甚大。1600年左右，西班牙炮兵即定义大蛇铳和半蛇铳的药弹重量比为1∶1，半鸩铳为3∶5，大鸩铳为1∶2。[70]
此一“药弹相称”的发炮要领，当时在中国并不为人所普遍熟知，如崇祯三年崇祯皇帝曾因当时炮手有使用空炮（指象征性地填装火药）者而加以严惩，故此后炮手“每炮用药必满”，大大增加了膛炸的可能。[71]此外，徐光启于奉旨铸炮时，崇祯皇帝也曾因花费甚巨，而下旨要徐氏试验在炮中装填更多的弹药，希望能借以增强威力，徐光启即曾因此上疏向皇帝解释药弹不能随意加添的道理。[72]崇祯四、五年间，发生吴桥之变，莱州的明朝守军在使用西洋火器抵御孔有德的叛军时，也尝因不谙正确比例而装药过多，结果不仅膛炸并有多名炮手伤亡。[73]
由于炮弹的材质（以铅、铁、石为主）常受制于环境而无法划一，司铳者为求能以最经济的火药量将炮弹击出，并尽可能减少发射时的后坐力，故对较轻的炮弹，往往装填以较少的火药，以使炮弹离开炮管的初速维持定值，如此，各炮在新铸之初所做的射程测定表，即无须因所用炮弹的不同而做任何调整。
为帮助司铳者判断不同材质的圆弹所应填装的火药量，[74]十六世纪欧洲的火炮制造者，即在铳规上刻有相应的比例尺，让炮手无须复杂的计算，就可简便地估计装药量。《火攻挈要》一书中曾叙及此种铳尺曰：
其权弹用药之法，则以铳规柄画铅、铁、石三样不等分度数，以量口铳若干大，则知弹有若干重，应用火药若干分两。但铁轻于铅，石又轻于铁，三者虽殊，柄上俱有定法。无论各样大铳，一经此器量算，虽忙迫之际，不惟不致误事，且百发百中，实由此器之妙也。[75]
知在每门大铳所附的铳规长柄上，大多刻划有铳尺。[76]
中国军队用过的铳规和铳尺，似已无实物留存，欧洲现存的此类火炮用附件亦不多。笔者在意大利佛罗伦萨科学史博物馆的藏品目录中，见到一个数学工具箱，[77]其内即有一具1688年意大利制的铳规（图表12.4），长柄约合31.5厘米，此与《火攻挈要》所称铳规“股长一尺”（约31厘米）的记载相近，柄上可见一条标明为Ferro（铁）的非线性间距尺，从0至120间，每隔五个单位有一刻划，其中在0—25之间，更每隔一个单位即有一细刻划。而在长柄的另一面，也有注明为Pietra（石）和Piombo（铅）的两条非线性尺，刻划分别在0—36及0—100间。
据笔者的推判，操作时炮手先须依炮弹所使用的材质（铁、铅或石）择取一条相应的非线性尺，次将该尺的零点对准炮管的内壁，再沿着炮口某一直径方向读出内壁另一端所交铳尺的刻划，该值即为所应装填的火药重量。由于石弹的杀伤力较小，且需人工切磨，相当耗时，而铅弹的造价又较高，故当时西方已多使用可大量模铸的铁弹，[78]此或为铁弹用尺单独出现在柄上一面的主因。
图表12.6：以铳尺从炮口量出炮弹该用的火药量
依照基本物理学和化学的常识，在炮弹初速保持不变的情形下，所需的火药量应大致与炮弹的重量成正比，亦即约与炮管口径的三次方和炮弹的密度成正比，故各铳尺在某一点上所刻划的火药重量值，应与其零点至该点距离的三次方成正比，而三条铳尺上刻划相同药量之点至零点的距离，则应与炮弹密度的三分之一次方成反比。经查佛罗伦萨科学史博物馆所藏铳规上的非线性尺，其刻划的规则即与前述的理论推判完全相合。
虽然火药的配制当时还无法完全标准化，但铳尺的发明可使炮手迅速地掌握恰当的药量，实为火炮发射技术上的重大突破。或因此一缘故，铳尺的形制和其操作方式在中国往往被视为秘学，以致在当时论及西洋火器的中文书中，对其具体的使用方法，即大都不曾着墨，所绘之图也不翔实。如在《火攻挈要》中，仅于书首绘有一铳尺的略图（见图表12.7左图），其上列有标明为石、铁和铅（“铅”字脱漏）三种不同的比例尺，惟各刻划的间距相当粗略，各数值对应之点亦不明确。(https://www.daowen.com)
图表12.7：《火攻挈要》（左）和《西洋火器法》上所绘铳尺之刻划
除了《火攻挈要》之外，据笔者所知，在明清之际的中文文献中，另一幅硕果仅存的铳尺图，乃见于穆尼阁所撰的《西洋火器法》一书（见图表12.7右图），[79]但该书对尺上的刻划或使用的方式亦不曾做任何说明。
《西洋火器法》的成书时间不详，然因穆尼阁在顺治二年始抵达澳门，并于十三年病逝，[80]故必撰于1645—1656年间。穆尼阁在华期间尝于南京为薛凤祚、方中通、汤濩等人讲授西学，其与薛氏的交往尤多。[81]薛凤祚，字仪甫，山东益都人，融贯中、西之学，曾编选《历学会通》近六十卷，书中即收录有《西洋火器法》一卷，惟易名为“中外火法”，卷首题：“南海穆尼阁撰，青州薛凤祚述。”[82]薛氏对军事之学也颇有造诣，尝亲自训练乡兵、修筑堡垒，其所师事的鹿善继，更是名将孙承宗经理辽东时的主要幕僚，且为徐光启的得意门生。[83]
虽然《西洋火器法》中的铳尺刻划要较《火攻挈要》清晰许多，但仍有失精确，如在该图的比例尺上，两差距为5的数值间，原应有五格较细的刻划，但图中却误分成六格，又，铁弹用尺上的“十五”被刻成“五”，且同书所绘的铳规图，本应将一象限分成十二等份，也被误绘成十三等份。此外，书中所列各不同仰角的射程表（以平射时之射程为基数），[84]亦有多处数值有误，这些讹误出现的原因，或有可能是有意为之，以避免泄露此一秘学。
经查佛罗伦萨科学史博物馆所藏之铳规上刻有“Iacobus Lusverg Roma 1688”字样，知其所标示的重量单位很可能是罗马当时行用的libra（=327克）。在细推其上的刻划后，我们可发现此尺应是设计用于药弹重量比为1∶1的火炮（如大蛇铳和半蛇铳）。[85]十七世纪初，欧洲各国所定义大蛇铳和半蛇铳的倍径均约在26—30之间，其中大蛇铳的内径通常为12.5—14厘米，装填15—22磅重的铁弹，而半蛇铳的内径则为10—11.5厘米，使用8—12磅之弹。今在北京故宫午门和端门之间的广场上，堆置了十多门铁炮，其中大部分的形制显然均属大蛇铳或半蛇铳，亦即当时这些火炮的操作可能均使用了刻划与图表12.4相同的铳尺。
据笔者实地查访并参考文献中的记载，知明末清初所仿造或进口的红夷大炮，其内径均未有超过14厘米者。由于大鸩铳（倍径约为17.5—19.5）所使用的铁弹多在30—60磅间，相当于内径15—20厘米，因知当时在中国的战场上或尚不曾出现属于大鸩铳的巨炮。至于其他炮种的尺度，中国的铸造者则往往自订规格，如在成东和钟少异《中国古代兵器图录》中所收录的许多明末清初火炮，其倍径或药弹重量比，即往往不易归入当时欧洲的某一炮种。
在理想状况下，每一批炮铸成后，铸造者均需加以测试，并将校准好的专用铳尺随炮发送军队使用。至于铳尺上的刻划，则依各炮种不同的药弹重量比，而以等比例增长或缩短。然而，在中国实际的情形恐非如此，此因铳尺的原理当时仍属于掌握在天主教人士手中的秘学，故一般铸炮者或炮手很可能均不太熟悉此一较科学的工具，临战忙乱之际，或只有自求多福了。
当时欧洲的炮手在估得应用的药量后，通常使用装药锹来装填火药，此锹前端乃为一以长方铜片卷成的半圆筒形容器，其直径约与炮管的内径等同，容器上并有刻划以显示填装量。[86]后为提高装药的速率，也渐发展出预先缝入特定药量的药包，据孙元化的《西法神机》中所称，其制法和用法如下：
预以圆木范铳空径大小，用布与纸照样粘缝装药，仍封号明白，使用点放之时，先以铁钉入火门，破其包裹，乃用引药。[87]
亦即在塞入以薄布或厚纸缝成的圆柱形药包后，再从点火的火门处以铁钉刺破，即可使用。
虽然在《西法神机》中，已介绍了药包的制作和使用，但一般明军对此一装药的方法似仍十分陌生，如在吴桥之变中，抵御叛军的莱州守军，初对火炮的装药量和填装法就均无概念，此一情形直到神武左营参将彭有谟于崇祯五年二月率师入援后，始有改善，彭氏原领川兵防守旅顺，颇具战斗经验，入城后，随即定各炮填药的多寡，并命以纸将每斤火药裹作一包，如此在急忙中便不致差错，又命在装入炮弹后，以废纸或旧絮塞紧炮管，使炮口即使向下也无坠脱之虞。[88]
红夷大炮在装填火药时，其实还颇有讲究，如在用撞药杖将火药塞实时，即不可过紧，否则会因缺氧而产生闷烧的现象，这时就得将炮弹取出，再以装药锹将药粒弄松，但在弄松之际，往往会因火药正迅速燃烧，而将药锹轰开，危险性相当高。又，在两次发射间，炮手必须用洗铳帚将残留炮管的灰烬清理干净，因若余烬尚存，则易在装填新药时引发爆炸伤人的惨剧。[89]
《西法神机》中对发射的安全性也相当在意，其文有云：
放铳讫，火气未消，用鸡毛刷铳腹，引出火气后，可入药再放，放毕，亦如之。铳放三次，火气已盛，铳身大热，入药恐惹起火，候其火退冷定，即用水洗铳身，将木棍缠布湿水洗入铳腹，方可进药。大抵每铳只好连放二次、三次，多则红热难近，……倘频放大热，则以羊皮毛帚浸醋，搅其中，润其外，醋性行火性敛，不待凉冷，又可点放也。[90]
指出火炮不可连续多次发射，否则会导致过热。由于药弹的装放过程相当繁杂，每门大铳往往需配属二至五名炮手，且因每次发射前均需花费相当时间重新调整炮的位置和仰角，此故在十七世纪中叶的欧洲，即使是一流炮手，每小时也只可能发射约十发炮弹，且每发射四十发后，更得暂停一小时，以冷却炮管。[91]吴桥之变中的莱城守军，即或因不谙操作技巧，而导致三十余位大炮中有二十四位因过热而爆裂。[92]