当马他仑的英舰逼近虎门炮台时，广东水师官兵在时隔四年之后（从1834年算起），再一次感受到了英国军舰的威胁。特别是这次，水师将领曾登上英船，亲眼考察了英国军舰的实际情况。英国军舰当时是世界之最，拥有各类舰船四百余艘。其主要作战军舰虽仍以木制风帆为动力，似与清军的战船差不多。但仔细比较之下却有很大的不同：第一，英舰用坚实木料制作，能抗风涛而涉远洋；第二，英舰船体下部为双层，抗沉性能好（当时中国人称“夹板船”），且用铜片等金属材料包裹，防蛀防朽防火；第三，英舰船上有两桅或三桅，悬挂数十具风帆，能利用各种风向航行；第四，英舰较大，排水量从百余吨至千余吨；第五，英舰安炮较多，从10至120门不等。此外，诞生于工业革命末期的蒸汽动力铁壳轮船，也于19世纪30年代起装备海军。尽管此时这样的船吨位小，安炮少，在正式海战中难期得力，在海军中也不占主导地位；但因其航速快、机动性能强、吃水浅等特点，因而可以在武器装备落后的中国沿海和内河横行肆虐。对比一下已经可以跨洋过海的英国军舰，清朝当时的最大军舰则只能航行于内河沿海。由于对风力效能利用的大大增加，再加上对船底包裹金属减少了摩擦的阻力，使英舰的速度比清朝的纯木体船快了许多，在清朝人眼中犹如风驰电掣一般。亲眼所见之下，这种实力上的差距对在水师干了一辈子的关天培是相当震撼的。也使他感到虎门炮台尚有许多需要改进的地方：他认为如果不能在主要防线的炮台前迟滞敌舰的速度，那么即使现有的炮台全力阻击，像1834年发生的那件曾使原广东水师提督李增阶丢官，即敌舰闯过虎门的事可能还会发生。而要延迟敌舰通过时的速度，当务之急就是要抓紧完成他久已打算实施的两项建设。
一是他在1835年就提出的建设拦江铁排链的主张，这是当时根据虎门海口实际，唯一可以实施的在战时封闭虎门主航道、以迟滞敌舰航行速度的措施。如此就可使两岸炮台阻击闯入虎门敌舰的效能大大增加。这项措施当时由于两广总督卢坤的反对而未能实施。1835年10月25日，卢坤卒于两广总督任上，接着由邓廷桢接任两广总督。此时关天培重提旧议，即得到了邓廷桢的支持，于是他又开始筹建这两道拦江铁排链。
拦江铁排链按设计是架在江中的上横档岛及饭箩排的礁石上与对岸武山之间的虎门东水道的江面之上。这里水面宽1000-1200米，两道排链在江东边皆安根于武山脚下；其南边第一道的另一边安根于江中的饭箩排巨石上，第二道的另一边安根于上横档岛东边的横档山脚。安根的办法是用人工穿凿深石槽，以八千斤废炮作“根”，横安槽底，炮身外加铁箍四道，上扣由四条扭合为一的铁链，牵引着以木排托起的八条大铁链拦住海口。
铁链比碗口还粗，一个铁环重达18斤。托起铁链的木排则以大木截齐，各长4丈5尺，合四根为一小排，穿以横木二道。又以四小排联成一大排，量宽一丈6尺余寸，面底又各夹以横木6道，用大小铁箍30口箍紧。第一道铁链安大排36排，大链309丈。第二道铁链安大排44排，大链372丈。每道铁链排两头是固定的，中间的衔接处由大铁锁接扣，可以开合。有事则横截中流，无事则分开两岸，以通出入。两道排链，相去约90丈，共配铁锚棕缆240副。并设划船4只，水兵120名，管以把总2员。无事则中间常开，以通出入。如须防堵，则关闭甚速。林则徐认为其箍扎坚固，铁链精融，开合亦俱得法；非常稳固，雄伟壮观。在以铁链封锁主航道的同时，他还在副航道水底遍插木桩，将其封闭，以防止敌舰通过。虎门因此成为名副其实的“金锁铜关”。
二是在江东岸的威远与镇远两炮台之间增建当时清朝疆域内火力最强大的超大型炮台——靖远炮台，安炮60门以弥补主防线东岸两炮台之间防御的空档。靖远炮台宽63丈，高1丈4尺5寸，台墙钉桩砌面，垛墙炮洞则用三合土夯打而成，台后用大石砌成90丈长的半圆形围墙，十分结实。为此邓廷桢从行商处筹集十万两银元经费，关天培负责在虎门附近分设木厂、铁厂、石厂、缆厂，就近指挥赶造，至道光十九年（1839年）三月基本完工。虎门成为清朝最强大的海防要塞，其中超大型和大型炮台就有7座：靖远炮台、威远炮台、镇远炮台、横档炮台、永安炮台、巩固炮台、大虎炮台。这在当时全国其他炮台中都是没有的。这时在虎门第二道防线上，以上横档岛为中心，东、西两航道岸边布满炮台，炮台上面火炮发射的炮弹都可以打到对岸的山根，虎门航道完全处于炮台炮火的控制之中。
在巩固、加强各个炮台的同时，关天培还制定了各炮台之间的通讯联系方式，规定各炮台设立旗杆一根，白天挂旗，夜间挂灯，以保持互相联系、军令畅通。后来钦差大臣林则徐在虎门销烟时，曾奉旨检查了工程质量，对关天培设计的虎门防卫体系表示满意。说虎门炮台、铁链木排“重重布置，均极森严”。经过这两次修筑，虎门炮台已成为中国沿海最强大的炮台，代表了中国古代海防炮台的最高水平。
关天培在修葺炮台的同时，对炮台已有的火炮进行了检查，发现这些火炮良莠不齐。在鸦片战争时，清军的火炮尽管名称繁多，但从样式上来看，主要是仿照西方17世纪至18世纪初的加农炮系列所制的火炮，也即是仿明代引进西方的“红夷大炮”的样式。五千斤大炮射程约八百米。火炮配件非常简陋，每炮配用铁铲一把，夯药木棍一条，麻扫一条，铁门针一根，铝星斗一副，撵炮什木四条，火龙杆一枝，皮巴掌一个，炮眼盖锡一块，每炮二尊合用水缸一只。每台左右于水中安钉志椿木二根以测潮水，俾弁一望知潮水涨落，以定炮口高低。
由此可以说，清军使用的是自制的老式的“洋枪洋炮”，与英军相比，整整落后了两百余年。此外清军火炮在管理上无定期造换制度。由于平常并不使用，许多露天搁置在炮台、城垛等处的火炮，日晒雨淋，炮身锈蚀。至鸦片战争时，这些火炮的使用年限大多已经很长，清初铸造的比比皆是，有的甚至是前明遗物。若不蒸洗试放，谁也不知能否使用。林则徐曾感叹说：“彼之大炮远及十里内外。若我炮不能及彼，彼炮先已及我，是器不良也。”
海岸炮台的作战方式，是以岸炮来对付入侵敌海军的舰炮，火炮是其防御能力的关键。为此关天培一边修炮台，一边准备铸新炮增加炮台火力。由于当时清朝火炮铸造技术的落后和制度的腐败，火炮的质量很差，铸成率很低。在虎门他曾多次监督试放制造的火炮，如1835年他监督新铸火炮40门，结果在试放过程中炸裂火炮10门，炸死兵丁1名，炸伤兵丁1名，另有5门火炮还有其他问题。关天培在检查火炮时，发现“碎铁渣滓过多，膛内高低不平，更多孔眼”，其中有一空洞，“内可贮水四碗”。后来他又在佛山镇制造了59门新炮，在试放时又炸裂数门，损坏3门，能用者不足75%。由此可见关天培在当时情况下增强炮台火炮威力的难度是相当大的。为弥补这一缺陷，关天培除自行铸铁炮外，还在林则徐、邓廷桢的大力支持下，从澳门等地购进洋炮二百多门，分置各炮台，以加强防守力量。与此同时，关天培也对与火炮相关的技术进行了研究，制定了相应的规范。由于火药的质量直接影响到枪、炮的威力，所以关天培对火药配方很重视。至鸦片战争时，清军制造的火药，仍是按照明末的配方，以手工业作坊生产。关天培在铸炮的同时，对当时普遍采用的传统火药配方也进行了整理。他所确定的火药配方是硝80%、硫10%、炭10%。八千斤炮装配火药20斤，六千斤炮装药15斤，各用封门子1个，群子10个。这是当时唯一的火药配方。虽然这一配方中的硝含量过高，容易吸潮，不便久贮，爆炸效力低，但统一标准，使制造和使用有了规范，显然对提高清军的战斗力有直接的作用。
由于当时手工业的生产方式，使关天培无法提炼出更高纯度的硝和硫。药料的杂质成分高，又无先进的粉碎、拌和、压制、烘干、磨光等工艺，只是靠舂碾，结果火药的颗粒粗糙，大小不一，往往不能充分燃烧。这样粗劣的火药，使清军原本落后的枪、炮的射击距离更近，威力更差。这些都是关天培无能为力的。
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