当东南沿海的作坊里响起改进的织机声与锤锻声时，在北京西山 格致院深处一间戒备森严的实验工坊内，一种更为低沉、有力、且充满未来感的轰鸣，正在尝试打破寂静。
这里进行的，是一项被陈远列为“绝密”、代号“火龙”的工程——蒸汽机的研发。
对蒸汽动力的兴趣，源自陈远超越时代的眼光，也源于现实需求的推动。
在视察京西煤矿时，他看到矿工用简陋的人力或畜力水车从越来越深的矿井中抽水，效率低下，事故频发；在通州漕运码头，看到纤夫在运河岸边艰难拉拽重载粮船；在景德镇，听闻瓷窑对更稳定高温的渴求。
他模糊地知道，历史上瓦特的蒸汽机将如何改变世界，他决心让这个变革的种子，尽可能早地在东方发芽。
然而，知识是模糊的，技术是空白的。
陈远只能给出最基础的原理描述：“用水烧开，产生蒸汽，蒸汽推动一个活塞在汽缸里往复运动，再通过连杆曲柄把往复运动变成旋转运动，就可以带动机器。”
这寥寥数语，成了格致院院长徐光启、机械馆待诏薄珏（擅长光学机械）、以及几位被特许参与、签署了最严格保密协议的耶稣会士（如南怀仁，精通机械）和荷兰技师 面临的终极挑战。
研发之路，充满挫折与奇思妙想。
首先，是材料关。
要承受高温高压的蒸汽，普通的铸铁容易炸裂，锻造的铁质又不均。
工部的匠人们尝试了多种配方，最终在江西 产的一种特殊高岭土 加入铸铁，并改进退火工艺，勉强得到了能承受数个大气压的铸铁汽缸 和活塞，但加工精度极低，漏气严重。
其次，是密封关。
活塞与汽缸之间的密封是难题。
尝试过麻绳、皮革、涂油，效果都不佳。
后来一位老工匠提出用浸油的石棉绳 缠绕，外面再套铜箍压紧，才勉强达到了可用的密封效果，但仍需不断调整维护。
第三，是结构设计。
最初的模型完全照搬陈远描述的“单动式”理念：一个立式汽缸，底部加热产生蒸汽推动活塞上升，然后切断蒸汽，靠冷凝或配重使活塞下降，如此往复。
但如何自动、及时地切换蒸汽进出，控制冷凝？这需要精巧的阀门和配气机构。
薄珏和南怀仁等人绞尽脑汁，设计了由活塞杆带动的滑阀 装置，通过连杆和凸轮，试图实现蒸汽进入、排出、冷凝的自动循环。
图纸画了又改，模型做了又拆。
第四，是冷凝效率。
最初的模型采用喷水冷凝，即在汽缸内喷入冷水，使蒸汽迅速凝结形成真空，拉动活塞。
但这造成汽缸温度骤变，加剧材料疲劳，且冷凝不彻底。
后来改为独立冷凝器——在汽缸旁另设一个容器，通过阀门将做功后的蒸汽导入其中，用冷水在外包围冷却，形成真空，再与汽缸连通。
这一改进显着提高了效率，是瓦特式分离冷凝器的雏形，虽然还很粗糙。
启明十二年秋，在经过不知多少次失败、爆炸、泄漏和重新设计后，在格致院后山一处有溪流提供动力的偏僻工坊里，第一台勉强能连续运转的“实验型火力抽水机”被组装起来。
这台机器无比笨重粗糙：一个高达六尺、直径一尺的铸铁汽缸竖立在砖石基座上，外壁包裹着泥土和砖块砌成的炉膛，燃烧着煤炭。
汽缸顶部是复杂的滑阀箱 和连杆曲柄 机构，连杆另一端连接着一个巨大的平衡木，平衡木的另一端连着通向附近一个蓄水池的抽水活塞杆。
旁边是一个带着盘管的独立冷凝器，由溪水冷却。
整台机器布满铆钉、补丁和临时加固的铁箍，吱呀作响，蒸汽和煤烟从各处缝隙嘶嘶冒出。