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时打开进气阀，放入蒸汽，当活塞到达气缸顶部时关闭进气阀，向气缸外部注入冷水。蒸汽冷凝，形成真空，大气压使得活塞向下运动，由于杠杆原理，配重和抽水泵被向上拉。机械研究所的研究员发现，只要蒸汽机气缸面积比抽水泵大，就能抽起数十米深的水。
当刘浩然看到这种真空蒸汽机抽水机时不由目瞪口呆，真是尽信书不如无书，要是大明机械研究所的研究员真要是按照自己的指点去研究蒸汽推动的蒸汽机，不知还要研制到何时？
这种真空蒸汽机被命名为明五式蒸汽机，并开始应用在煤矿和铁矿的排水上。不过它的热效率非常低，而且体积庞大，想改立式为卧式非常麻烦。大明机械研究所在明五式蒸汽机的基础上开始研究更新式的蒸汽机。
首先研究所增加了一个冷凝室和平衡阀，平衡阀就是使活塞处于上下平衡，活塞由杠杆另一端的配重拉升到顶部后，平衡阀关闭而进汽阀打开，将蒸汽引入汽缸上端，同时排汽阀开启使活塞下汽缸部分和凝汽器接通而形成真空，活塞受压下降，从而拉起提水泵的拉杆。活塞被压到下端后关闭进汽阀和排汽阀，同时打开平衡阀连通汽缸的上下端，配重遂再次拉起活塞，如此循环作功提水。为了从凝汽器中抽除凝结水和空气，研究员还设计了由杠杆带动的抽气泵，同时他们还在汽缸外壁加装夹层，用蒸汽加热汽缸壁，以减少冷凝损失。这种新式蒸汽机被称之为明六式蒸汽机。
到了明历八年，机械研究所对明六式蒸汽机又做出了改进，第一是在活寒工作行程的中途关闭进汽阀。使蒸汽膨胀作功以提高热效率；第二是使蒸汽在活塞两面都作功（双作用式）以提高输出功率。由于活塞既要向下拉动杠杆又要向上推动杠杆，因此机械研究所得研究员们便发明了平行四边形杠杆，并在刘浩然的指点下发明了曲柄滑块机构，从而可以带动飞轮，使得活塞的往复运动转换为主轴的旋转运动。这种蒸汽机被称为明八式蒸汽机。
机械研究所的研究员们再接再厉，他们开始尝试将蒸汽机从立式改为卧式。在刘浩然的指点下，他们发明了十字联动机构，十字联动机构分为十字头和十字导轨。活塞的推杆连在十字头的一面，在十字头的另一面则连接一个环销连接的连杆。活塞推杆推动十字头在十字导轨上做前后运动，而十字头又来回地拉动连杆，连杆一端也是环销连接在一个飞轮的偏心处。
当十字头被来回拉动时，连杆拉动飞轮转动，由于环销连接是可以转动的，因此十字头的来回直线运动便转为飞轮的旋转运动了，这一点跟蒸汽火车非常相似。
更重要的发明是在刘浩然的指点下，研究员终于改平型阀门为柱塞式阀门。阀门是蒸汽进入汽缸的咽喉。通过汽阀的汽量决定蒸汽机的功率。因此，阀门的形式和性能影响着蒸汽机的转速、功率和效率。柱塞式阀门实际上是一种滑阀，与活塞气缸运动类似，它受压对称，又装有石棉树脂等混合物组成的耐高温活塞环，故磨损小，密封性好。更重要的是柱塞式滑阀可以通过曲柄杠杆与十字头连接，从而达到柱塞式滑阀与活塞运动联动同步。如活塞向前。推杆向前推，十字头向前运动，通过曲柄杠杆使得柱塞式滑阀向后运动，关闭后阀门，打开前阀门，蒸汽进入气缸的前部分，推动气缸停止向前运动，改为向后运动。活塞向后运动，推杆也向后，十字头随之向后运动，通过曲柄杠杆拉动柱塞式滑阀向前运动。关闭前阀门，打开后阀门，使得蒸汽进入气缸后部分，推动活塞又向前运动，如此反复。
此外，机械研究所的研究员们对蒸汽机的动力提供所…锅炉也进行了改进和完善，他们最先研制出了火管锅炉，它由一个被很多管子穿过的水箱组成。由煤或木柴烧热所得的热气体从这些管子中通过加热水箱中的水，从而使得水箱里的水被加热成蒸汽，但是在火管锅炉中，整个水箱都处于高压之下，因此一旦水箱破裂将造成大爆炸，非常危险。
刘浩然根据自己用过的燃气热水器的原理，指导这些研究员们逆向思维，研制出水管锅炉，在这种锅炉中，一排管子位于由火加热的气体中，而水从这些管子中流过，而且管子尽量做得扁平，增大与被加热气体的表面接触，以达到尽最大可能从燃烧的燃料中吸取热量，从而提高效率。
虽然在蒸汽方面取得重大的突破，但是还有很多东西需要改进，如气缸与活塞的配合、活塞润滑、气缸外部的保温、滑阀配汽机构、调速机构、密封性、提高热效率等方面，还需要进行完善和改进，这样才能达到实用效果，制造出可以用于纺织、冶炼、机器制造、采矿和运输等方面的动力机器，但是这种改进和完善又需要大明机械制造工艺和材料工艺的提高。只有大明机械制造工艺越娴熟、加工精度越高、材料越完善，蒸汽机的效率、实用性、稳定性就越高，从而达到实用价值。
这些都是急不来的，刘浩然估计还得有个三五年，研究所的最新式蒸汽机才可能投入实用。
在接下来的时间里，刘浩然开始考虑如何将大明兵器研究所进行分拆，提高效率。过去研制的东西不多，所以合成一个研究所没有什么问题，但是随着大明武器技术水平越来越高，以前大而全的架构已经不适用了。必须走专而精的道路，让研究员专心于某一项专长，这样使得他们的效率更高。而且当发展到一定程度，还可以引入竞争机制，鞭策他们充分发挥创新精神和想象力，研制出更好更新的武器。
七月初五，刘浩然发布命令，将大明兵器研究所分拆。赵氏研究所，专门研究枪支，重点在前端闭锁旋转后拉枪机方面；潘氏研究所，专门研究枪支，重点是左轮和下落闭锁和后击锤式枪机方面；范氏研究所，专门研究枪支，重点在于后端闭锁的旋转后拉式枪机，当初大明后装铜壳步枪有两种备选，一是零九式，二是后端闭锁旋转后拉式的范式步枪，范式步枪射速比零九式要略高（一旦装配了弹匣，区别更大）。但是现在大明的材质和工艺不够完美，炸膛的概率还是有的，而一旦炸膛，前端闭锁情况下士兵较大可能受伤，较小可能死亡，后端闭锁情况下士兵较大可能死亡，较小可能受伤，所以大明陆军最后还是选择了前端闭锁的零九式。
这些研究所都是专门研究枪支，只是他们各自的设计理念不同，所以走的路也不同，刘浩然干脆将他们全部分拆开来，各自专注于各自的特长，免得在一个研究所被埋没。
杜氏研究所，专门研究火炮，重点是前装线膛炮；安氏研究所，专门研究火炮，重点是楔式炮闩类型的后装线膛炮，楔式炮闩分为立楔式或横楔式两种，即在炮尾中作垂直滑动或水平滑动。立楔式炮闩通常能为装填作业提供更大的活动范围，因为它活动的平面影响装填的机会比较少。另一方面，横楔式炮闩只需要较小的操作力，而且不管身管高度如何所需要的操作力都是一样的。楔式炮闩的主要优点是结构简单，使用安全，操作容易而迅速，适用于中小口径和射速高的火炮。
巴氏研究所，专门研究火炮，重点在螺式炮闩类型后装线膛炮。当初巴洛阳根据螺母、螺栓启发提出螺式炮闩，螺式闩体装在固定在炮尾一侧的锁扉上，可以在开、关闩时自由回转。锁扉是固定在炮尾右侧的；但是需要时，它也可以固定在能在装填作业时进行上下转动的地方。关闩时，闩体上的螺纹与炮尾内表面上相应的螺纹相啮合。巴洛阳甚至还提出了“断隔”螺纹或“开槽”螺纹概念。螺式炮闩的优点在于，其重量要轻得多，原因是在发射时火炮气体产生的纵向应力分布在所有螺纹上。螺式炮闩的另一个主要优点是，紧塞装置是这种炮闩的一个组成部分，使火炮不再需要药筒了，可以直接进行推进药和弹体分开放置，适用于大口径火炮。缺点其一是由于比较复杂，因此难以制造，螺式炮闩螺纹的螺距必须保证产生足够的摩擦力，以防止闩体在火炮射击过程中转动或打开，对大明机加工来说是一种考验；其二是操作缓慢，尤其是还没有发明一压闩柄就能使螺式闩体解脱和打开的传动装置，装填弹药所需的时间就更长了。
巴式火炮在当前无法使用，但是刘浩然敏锐地发现，它将是此后重炮的发展趋势，于是便被分离出来。
涂氏研究所，专门研究火炮，重点是臼炮和迫击炮。
刘氏研究所，�