1883年，海勒姆·斯蒂文森·马克沁和他设计的初期型马克沁机枪，该枪尚未设计水冷装置
1884年，英籍美国人海勒姆·史蒂文森·马克沁设计的世界上第一挺利用火药燃气完成射击循环的机枪获得发明专利，其标志着自动武器新纪元的开启。不过，这种新的原理也带来了如何为武器散热的问题——即无论采用何种火药作为动力源，其能量将有很大一部分以热的形式转移到枪管等金属零部件上。即便是早期以黑火药为动力的枪弹，在发射瞬间，枪膛内部的最高温度也将达到1
 500℃，而无烟发射药燃烧时会超过3 
000℃。在这样的瞬时高温轮流冲击下，枪管会迅速变热，一般不间断发射200发以上，口径就会膨胀、射程变近，而射弹数超过400发，枪管温度将超过800℃，枪管壁会逐渐发红变软，弹头嵌入膛线时就会对膛线造成永久性损伤，此时如果继续强行发射，枪管就会扭曲变形甚至出现炸膛，导致整根枪管报废。
此前出现的机械式连发武器如加特林转管机枪，由于身管数量多，过热问题尚不十分明显；而马克沁机枪的实际射速达到600发/分，射速相当于加特林机枪的3倍以上，如果没有可靠的散热装置，一根枪管支撑不到1分钟就要更换。为此，马克沁想出了一个绝妙的主意，那就是把枪管浸泡在一个盛满水的容器之中，用水这种易得的资源作为给枪管降温的介质，只要水位不低于枪管，枪管的温度就始终不会超过水的沸点即100℃，从而满足长时间持续发射的要求。马克沁设计的这种水冷装置非常实用且具有独创性，其不仅保证了马克沁机枪日后在战场上的卓越表现，并且成为各种早期水冷式重机枪冷却装置的设计基础，是名副其实的“典范”。1899年，马克沁机枪在美国进行了连续射击15
 000发枪弹的极限测试。正是由于功能完善的水冷筒设计，才最终保证了这次测试的圆满成功。
1899年，马克沁机枪在美国进行了连续射击15000发枪弹的极限测试。正是由于功能完善的水冷筒设计，才最终保证了这次测试的圆满成功
马克沁M1889机枪水冷装置的外观和剖面图
水冷方式
对“三对矛盾”的巧妙解决
马克沁机枪冷却装置的发明虽距今已百余年，但详细解读这种装置，仍然让我们感到意味精妙。为了更好地了解马克沁冷却装置的设计精髓，本文选择了结构最为典型、使用最为广泛、影响力也最大的一种马克沁水冷机枪，即德国MG08重机枪作为讲解的范例。
MG08重机枪是在早期马克沁M1889机枪基础上改进而成的，以结构成熟、性能可靠而享有声望，在两次世界大战中曾被许多国家装备。该枪套装在枪管上的水冷筒由黄铜改为更为经济的钢材制成，在降低全重的同时也提高了机械强度。水冷筒由筒体和前盖、后支座组成，其中前盖起到密封水冷筒前端以及连接水平排气管和径向排气管的作用；后支座连接水冷筒和枪身，具有密封水冷筒后部和固定水平排气管末端的作用，其上安装有注水口座。从这些零部件的作用可以看出，水冷筒并不仅仅只是盛装冷却水那么简单，其经过了精心的设计。这一冷却装置主要解决了三对主要矛盾，从而达到利用水为高速发射中的枪管散热这样一个看似简单的目的。
德国MG08机枪外观（上图）及水冷筒内部结构图（下图）。下图中可以看到筒里有两根水平的管子，下方是枪管，位于顶部的是水平排气管
一战时期使用MG08重机枪的德军机枪小组。该枪排气口上的蒸气导管未插入冷却水箱
矛盾一：顺利排出水蒸气和防止冷却水溢出
MG08重机枪的水冷筒装满时共有约4升冷却水，当连续射击约400发以后，水被枪管加热而逐步达到沸点，变成水蒸气逸出筒体，随后每射击1 000发枪弹，就会蒸发掉约1.7升水。如何排出如此大量的水蒸气，是冷却装置设计中必须解决的关键问题之一。
水冷筒后上方设有一个注水口，注水口可否兼作排气口来排出水蒸气呢？答案是否定的。其原因有二：如果注水口是敞开的，那么机枪在战斗中需要转移阵地或安装在车辆等不稳定平台上时，就很难保证在剧烈的晃动中水不会从注水口溢出，若此时水正处于高温状态，有可能会造成烫伤射手的后果；如果注水口是封闭的，那么水冷筒就会成为一个小型蒸汽锅炉，持续产生的水蒸气在密闭环境下会形成很高的压力，存在很大的安全隐患，因此注水口同时兼作排气口的方案显然是不可取的。
马克沁的设计方法是，在水冷筒内设计了一套结构简单而又巧妙的水蒸气排出装置，恰到好处地解决了上述问题。这一装置由径向排气管和水平排气管组成。径向排气管位于水冷筒前盖内，其呈斜置状态，以便为枪管让位；径向排气管的长度比较短，末端为蒸气排出口，排气口突出于水冷筒下方，平时旋有保护盖，防止异物将其堵塞。水平排气管位于枪管上方，与枪管平行，其前端与径向排气管接通，末端旋紧固定在后支座上。水平排气管的顶部前后两处分别开有小的泄气孔。射击过程中，水蒸气由这两个泄气孔进入水平排气管，再经径向排气管最终从排气口排出。在这样的巧妙设计下，冷却筒里的冷却水水位一般不会高过泄气孔，即使在携行转移或车辆行驶等剧烈颠簸状态下，水也很难进入水平排气管而造成泄漏。
马克沁M1909机枪，包括水冷筒在内，该枪仍使用大量黄铜材料制造。上图为向水冷筒内注水，下图中射击时从注水口和排气口排出的两道水蒸气十分明显。由图中的植被和射手的衣着判断，当时环境气温并不低。由此可见，如果在冬季射击水蒸气雾团将更加明显
还需要考虑一个问题，水冷式机枪在冬季或寒带使用时，排出的水蒸气会在枪身上方凝成雾团，不仅影响射手瞄准，也会暴露机枪阵地的位置，而马克沁机枪防止蒸气结雾的办法非常简单而巧妙，其是通过一根橡皮蒸气导管来解决的，导管一头接在排气口上，另一头则插入一个铁皮冷却水箱内，这样既防止水蒸气冒出，又可以循环利用排出的水。
矛盾二：枪管前后运动和与冷却筒之间保持密封
水冷式机枪的枪管都设置在水冷筒中心线下方，这种布局的好处是，即便筒内水位因蒸发而逐步下降，仍可以保持枪管较长时间内浸没在水中，继续起到冷却的作用。但马克沁机枪采取管退式自动原理，也就是说，为了完成射击自动循环，枪管会前后运动，这样就存在水冷筒与枪管接触的前后两处如何密封的问题。如果在水冷筒内单独加上一根可以容纳枪管运动的管子，一则使水冷筒的加工复杂化；二则冷却水与枪管不能直接接触，失去了水冷的本来意义。
马克沁机枪解决这一问题的办法是，在枪管后部与后支座接触的部位加工有一道环槽，槽内缠绕浸过油的石棉线，以达到密封目的；枪管前部与前盖接触的部位虽然没有环槽，但也设有类似的石棉线圈，也能起到密封作用。当然，这两处的配合尺寸要求比较高，既要保证枪管前后运动自如，同时又要具备高度的密闭性，做到滴水不漏。使用石棉线而非棉线的原因是石棉既耐高温，也耐油和水，不易腐蚀和霉烂；石棉线预先浸油的目的是利用油的憎水性，防止水缓慢渗透。不过，枪管长期前后运动也会造成石棉线的磨损，所以必须随时注意检查枪管与水冷筒的密封状况，当发现有渗水迹象时需要及时更换石棉线。
俄国索科洛夫M1910机枪水冷筒前端（上图）与顶部大型注水口（下图）细节。上图中水冷筒上所接的是橡皮蒸气导管；下图中注水口盖呈打开状态，盖上有密封胶圈，盖紧后可以防止漏水。图中这挺机枪水冷筒和轮架均刷了白色漆，目的是便于在雪地中隐蔽
索科洛夫M1910机枪水平、径向排气管布局图
（未完待续）