集大成的水运仪象台

北宋庆历二年（1042年），年仅22岁的苏颂与后来的北宋名臣王安石同榜考中进士，从此踏上了仕途。苏颂先后担任过馆阁校勘、集贤校理等官职，负责编定书籍，这份“编辑”工作他一干就是9年。这9年间，苏颂博览皇家藏书，积累了渊博的知识，为他之后的工作打下了坚实的基础。

元祐元年（1086年），苏颂奉命去检验太史局的各种浑仪 。他发现这些仪器只能单独使用，无法相互配合，于是就想制造一种能将浑仪、浑象和报时装置结合在一起的综合性仪器。苏颂找到吏部官员韩公廉共同研制新仪器。韩公廉不仅精通数学，而且擅长制作“机巧之器”。他根据“总工程师”苏颂的构想，写出了《九章勾股测验浑天书》，从理论上证明了这种构想是可行的，然后做出了一座水轮驱动装置的木模型。苏颂认为韩公廉的设计很有可取之处，又在此基础上提出了改进意见。

经过反复论证和不断改进，新仪器的设计方案终于敲定了。元祐二年（1087年）9月，宋哲宗批准了有关制造新天文仪器的奏请。苏颂召集了一批能工巧匠，开始了将模型变成实物的研制历程。从元祐三年到元祐七年（1088年-1092年），一座高约12米，宽约7米，集浑仪、浑象和报时器为一体的高台式建筑终于完工了。因为该装置可利用水力自动运行，所以苏颂将其命名为“水运仪象台”。观测、演绎天象以及计时的功能，是现代天文台的标准配置。水运仪象台同样具有以上三项功能，因此可算得上是现代天文台的鼻祖了。

后来，苏颂又专门为水运仪象台写了设计说明书——《新仪象法要》。该书不仅讲述了建造水运仪象台的原因和经过，还用图解的形式详细介绍了它的总体构造和各个部件。该书是我国现存最早的水力运转天文仪器专著，书中的结构图是现存最古老的机械图纸，真实地反映出当时的天文学和机械制造技术水平。

水运仪象台解构

一、功能机构

上层为浑仪，用来观测天体

九块活动的屋板，雨雪时闭合，防止对仪器的侵蚀，观测时可以自由拆开，是现代天文台可以开合的球形台顶的鼻祖。

中层为浑象，用来演示天体运行

天球在机轮的带动下会旋转，一昼夜转动一圈，真实再现了星辰的起落等天象的变化。

下层为司辰，用来自动报时

门里装置有五层木阁，利用木人敲击出不同的声音来定时报时，利用举牌木人来显示时刻。

【五层木阁解析】

第一层木阁，负责全台的标准报时。

时初，左门红衣木人摇铃;时正，右门紫衣木人扣钟;每过一刻，中门绿衣木人击鼓。木人动作由昼时钟鼓轮控制。

注：古代一天分成12個时辰，1个时辰大约是我们现在的2个小时。每个时辰又分为时初和时正，时初、时正的报时就和我们现在钟表的整点报时一样。

第二层木阁，负责报告时初、时正。

红衣、紫衣木人各12个，执时辰牌依次写着子初、子正、丑初、丑正等。时初，红衣木人拿着时辰牌出现;时正，紫衣木人拿着时辰牌出现。木人的动作由昼夜时初正轮控制。

第三层木阁，负责报告时刻。

绿衣木人96个，执刻数牌依次写着初刻、二刻、三刻、四刻等。每到一刻，绿衣木人持刻数牌出现。木人的动作由报刻司辰轮控制。

第四层木阁，负责晚上报时。

逢日落、黄昏、各更、破晓、日出时，击钲木人击钲报时。木人的动作由夜漏金钲轮控制。

第五层木阁，负责晚上报时。

红衣木人11个，绿衣木人30个。逢日落、黄昏、各更、破晓、日出时，红衣木人持牌出现。各筹（点），绿衣木人持牌出现。木人的动作由夜漏司辰轮控制。

二、动力机构

1.机械传动系统就是水运仪象台的心脏。它的运行依靠水力驱动，只要水不断就生生不息。

2.枢轮顶部和边上附设一组杠杆装置，相当于钟表中的擒纵器。

3.枢轮直径达3米多，有72条木辐，连接着36个水斗和钩状铁拨子。

浑仪、简仪和浑象

中国是世界上很早就对周天恒星的位置进行精密测量的国家之一。这一切成就与以浑仪、简仪和浑象为代表的天文仪器分不开。

浑仪是我国古代的一种天文观测仪器，其发明时间可追溯到汉武帝太初改历期间，其发明者为来自巴郡的落下闳。浑仪的设计构想是建立在浑天说的基础之上，因而得名“浑仪”。东汉天文学家张衡担任太史令期间，曾制作过一架浑仪，并将其安置在大名鼎鼎的灵台上。然而，不论是落下闳的浑仪，还是张衡的浑仪，后人都只知其名而不知其具体结构。第一架有明确结构描写的浑仪是孔挺浑仪。根据《隋书·天文志》记载，这是一架铜制仪器，由内外两重结构组成。历代天文学家在此基础之上进行改进，从而发明出各不相同的浑仪。北宋是制作浑仪最多的一个朝代，从至道元年（995年）到宣和六年（1124年）共制造了7架大型浑仪，水运仪象台就是其中之一。

在北宋沈括之前，历代天文学家对孔挺浑仪的改进主要是施行加法：结构从之前的二重加到了三重;除了先前就有赤道环，又陆续加了黄道、白道等环。这些“加”固然代表了古人对天文学的认识在不断增加，但同时也导致了结构更复杂、制作和操作更困难、环与环互相遮挡等弊病。在这种背景下，沈括对浑仪施行了减法：取消了白道环，调整了黄道、赤道和地平环的位置，并将它们做成扁平环，以减少对视线的遮挡。

沈括之后，明代天文学家郭守敬又对浑仪进行了彻底的改造和简化。他不仅取消了白道环和黄道环，还将浑仪拆成了赤道经纬仪和地平经纬仪两部分，从而形成了简仪，也就是简化版的浑仪。至今我们仍能在紫金沙天文台看见郭守敬版的简仪。当然，这并不是郭守敬的原作，而是明英宗正统二年（1437年）根据郭守敬所制简仪仿制的。明清两代的钦天监都曾用它来观测天象。

浑象是一种表现天体运动的演示仪器，类似于现代的天球仪。从外观来看，它就是一个可绕轴转动的圆球，球面上标有星宿、赤道和黄道等天文信息。浑象的发明者是西汉天文学家耿寿昌，东汉时张衡又对其进行了改进。据《晋书·天文志》记载，张衡曾制作了一座用水力驱动的天球模型，也正是这座水运浑象，催生了苏颂发明水运仪象台。

水运仪象台是中国古代天文学和天文仪器技术的集大成者，成功地将浑仪、浑象、时钟三合一。其顶部的九块活动屋板、浑仪的四游仪窥管和擒纵控制枢轮的“天衡”系统，都是世界首创。也正因此，水运仪象台被誉为中国古代第五大发明。

英国科学家李约瑟认为：水运仪象台可能是欧洲中世纪天文钟的祖先。瑞士钟表界的权威刊物《百达翡丽》也表示：水运仪象台里边装置了全世界第一个擒纵器，而欧洲运用这个原理制造钟表则是在中国这个擒纵器问世3个世纪以后的事情了。