中國(guó)船尾舵開創(chuàng)航行新時(shí)代

何國(guó)衛(wèi)

船舵是船舶航行專用船尾操縱工具，舵葉形的短柄船尾操縱工具又稱船尾舵，它是船舶最主要屬具之一，古人稱它為“凌波至寶”。

圖1 帆及舵受力示意圖

船尾舵是中國(guó)造船技術(shù)的一個(gè)重大發(fā)明，公元10世紀(jì)，阿拉伯航海者已使用中國(guó)舵，12世紀(jì)末至13世紀(jì)初，中國(guó)船尾舵技術(shù)經(jīng)阿拉伯傳入歐洲。中國(guó)舵成為開創(chuàng)15世紀(jì)人類大航海時(shí)代的技術(shù)條件之一。直到今天，舵仍然是船舶的主要操縱工具。

航海知識(shí)告訴我們，航行船舶在受到側(cè)風(fēng)時(shí)，通過操縱風(fēng)帆可獲得推進(jìn)力，但同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生橫向作用力，這就是橫漂力，它使船舶發(fā)生橫移，由于通過帆桅作用在船體上的橫移力的位置并不是在船舶重心處，船舶勢(shì)必會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這就要靠正確操舵來保持既定航向或?qū)嵤┐稗D(zhuǎn)向。當(dāng)船舶若向右發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，則需要操左舵（即舵向左轉(zhuǎn)動(dòng)一定舵角）；若向左旋轉(zhuǎn)時(shí)則需要操右舵。這就是中國(guó)俗話所說的“見風(fēng)使舵”的真諦所在，更顯“大海航行靠舵手”之必然。

船尾舵的出現(xiàn)促使風(fēng)帆的推進(jìn)作用得到充分施展，反過來，針對(duì)風(fēng)帆產(chǎn)生的強(qiáng)大推進(jìn)力的需要必然會(huì)對(duì)船尾舵技術(shù)提出更高的要求。舵和帆的相得益彰，兩者的科學(xué)配合使得船舶航行得更遠(yuǎn)、更快和更安全成為了可能。盡管現(xiàn)在見到的史料表明中國(guó)風(fēng)帆出現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)遲于西方，但中國(guó)自東漢出現(xiàn)了拖舵，又在唐代開元年間見有船尾舵，中國(guó)的船舵技術(shù)促使中國(guó)風(fēng)帆技術(shù)有了突飛猛進(jìn)，這是中國(guó)古代航海、造船技術(shù)在很長(zhǎng)一段歷史時(shí)期領(lǐng)先于西方的原因之一。

船尾舵是專用船舶操縱工具

所謂專用船尾操縱工具，就不應(yīng)包括以推進(jìn)為主且推進(jìn)和操縱功能兼而有之的舷側(cè)木槳和船櫓了，因?yàn)槟緲痛瑱┎粌H為船舶的推進(jìn)提供推力，而且還能起到操縱船舶的作用。專用船尾操縱工具的船尾舵，它之所以能操縱航船是靠航行中的舵的葉面與水有著相對(duì)的速度，只要操控葉面使它與水流成一定夾角（即攻角）就會(huì)產(chǎn)生如同飛機(jī)的機(jī)翼一樣的升力，正是這個(gè)升力使得飛機(jī)能在空中掉不下來，而水流對(duì)船舵產(chǎn)生的升力，這個(gè)力就是垂直于船的中縱面的轉(zhuǎn)船力，因?yàn)樗奈恢眠h(yuǎn)離船舶重心，就有了較大的轉(zhuǎn)船力矩，使得船舶很容易轉(zhuǎn)向從而達(dá)到操縱船舶的目的。

不過，在急流河道中的船舶常見到一種設(shè)置于船首和船尾的稱為前“招”和后“梢”的專用操縱工具，它們是使用在急流河道船舶下水航行隨著水流下漂時(shí)，由于葉面相對(duì)水流速度很小或近于零，因此在葉面上不可能產(chǎn)生升力，只得靠“招”和“梢”撥水來實(shí)現(xiàn)船舶轉(zhuǎn)向了，它們是以人力為主動(dòng)力急速撥動(dòng)槳葉面推水產(chǎn)生的反作用力來實(shí)現(xiàn)的一種特殊操船工具，而且它們的葉面形狀接近于長(zhǎng)木槳，不是舵形，所以不屬于船尾舵。

圖2 長(zhǎng)沙西漢木船模型

圖3 凱爾納克神廟的浮雕

圖4 廣州西漢木船模型

船尾舵是由木槳演變進(jìn)化而成

船尾舵是由木槳演變進(jìn)化成的，大體經(jīng)歷了拖槳、拖舵、軸舵三個(gè)技術(shù)進(jìn)化階段，各技術(shù)階段的葉面形狀，有窄面長(zhǎng)柄的槳形和寬面短柄的舵形的區(qū)別；葉面的轉(zhuǎn)動(dòng)方式，有葉面繞點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)和繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的不同，以使葉面與船舶水線面相對(duì)位置不同。

拖槳，是船尾操縱工具的初期形態(tài)；拖舵、軸舵卻應(yīng)歸屬于船尾舵同類，拖舵的舵葉面形狀卻是舵形，但它與拖槳一樣都是繞點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的，因此它僅是一種船尾舵的雛型，只有發(fā)展到了軸舵，它才是真正意義上的船尾舵。

1、拖槳

船舶早期使用的舷側(cè)木槳的主要功能是推動(dòng)船舶前進(jìn)，但只要左右舷側(cè)的操槳不對(duì)稱，船舶就會(huì)轉(zhuǎn)向，因此它還可用來操縱航船的航向，也就是說舷側(cè)木槳具有推進(jìn)和操縱船舶的雙重功能。眾所周知，木槳的木柄著力于舷邊，槳的力是通過這個(gè)舷邊著力點(diǎn)傳遞到船上的，但此著力點(diǎn)離船舶重心甚近，所以槳力作用在船上的轉(zhuǎn)船力矩不大，就船舶操縱而言，這是舷側(cè)木槳的致命缺陷。為了獲得盡可能大的轉(zhuǎn)船力臂值，舷側(cè)木槳的位置逐漸向著遠(yuǎn)離船舶重心的船尾的方向移動(dòng)，直至移置于船尾，至此，木槳已失去了原來具有推進(jìn)功能變成專作操縱船舶航向的船尾操縱槳，因其拖拽在船尾故稱為拖槳。

中國(guó)木帆船的拖槳，是置于船尾端正中處的，稱作尾中拖槳。長(zhǎng)沙出土的西漢時(shí)期木船模上除兩側(cè)左右共置有16只推進(jìn)木槳外，在尾端正中處另有一槳，這就是用來操縱航向的尾中拖槳（圖2）。這不同于置于船尾部舷側(cè)處的西洋式尾側(cè)拖槳，例如，在埃及著名的凱爾納克（KARNAK）古跡的神廟的浮雕上有一艘船的船尾兩舷各有一支舵槳（圖3）。

不過，在廣州出土的一艘西漢木船模的尾部舷側(cè)有一木俑手持木槳（圖4），這支舷側(cè)木槳顯示了舷側(cè)木槳向船尾端移位演變的痕跡。

不論是尾中拖槳還是尾側(cè)拖槳，它們都是置于船尾繞以單支承點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的槳形葉面長(zhǎng)柄槳。中國(guó)式尾中拖槳在何時(shí)產(chǎn)生學(xué)術(shù)界目前雖無定論，但出土文物足以證明最遲至西漢（公元前206年～公元25年）中國(guó)已經(jīng)出現(xiàn)了尾中拖槳。

西洋木帆船的尾側(cè)拖槳為何遲遲不繼續(xù)向船尾端正中處發(fā)展呢?可能是因?yàn)槲餮竽痉奈残图馐?，尾舷弧很高即船尾端尖狹高翹，船底線一般呈大斜弧形曲線上翹。若在這樣高高翹起的尾端設(shè)置尾操縱槳的話，槳柄勢(shì)必很長(zhǎng)以致操縱特別費(fèi)力，所以不得不將尾操縱槳設(shè)置在靠近船尾端部的兩側(cè)處，一來可保持位于船尾求得盡可能大的轉(zhuǎn)船力臂，二來盡可能降低長(zhǎng)槳在舷側(cè)著力點(diǎn)的高度，但是即使如此，在船中舷側(cè)的長(zhǎng)木槳的長(zhǎng)度往往還是很長(zhǎng)的。西洋尾側(cè)拖槳的長(zhǎng)槳特征特別明顯，故也有它為“長(zhǎng)操縱槳”，因其能起到舵的作用又稱“舵槳”。鑒于西洋船的拖槳轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)離水面較高，操槳特別費(fèi)力，尤其在風(fēng)浪中船舶左右前后的晃蕩，必然會(huì)使拖槳操縱船舶的作用難以得到很好的發(fā)揮。

西洋木帆船直至13世紀(jì)之前，還在使用操縱性能并不很佳的尾側(cè)拖槳（長(zhǎng)操縱槳），其時(shí)間如此長(zhǎng)久令人費(fèi)解，可能與它的操縱性得到船首操縱風(fēng)帆協(xié)助船舶操縱的彌補(bǔ)有關(guān)。

圖5 廣州東漢陶船模拖舵

2、拖舵

拖舵，是以短寬形狀的舵葉面、短的舵柄和繞點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)為特征的船尾操縱工具。為了使長(zhǎng)柄窄葉的拖槳獲得更大的操縱力，中國(guó)的尾中拖槳朝著擴(kuò)大葉面面積和縮短柄長(zhǎng)方向發(fā)展，槳形的拖槳就逐步地演變成為舵形的拖舵。

廣州出土的東漢陶船模（圖5）的尾部就有這樣一具典型的拖舵。它已完全脫離了“槳”的范疇，正式走上了舵的臺(tái)階，它的出現(xiàn)表征著尾中拖槳演進(jìn)的結(jié)果。這具陶船模原在廣州博物館展出，后被中國(guó)歷史博物館收藏，是國(guó)家級(jí)的出土文物。

很明顯，拖舵的葉面水力作用中心離固定在船尾端的葉面轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)的距離較拖槳移近了很多，這就克服了拖槳的操槳力過大的缺陷。不過，拖舵的單支承點(diǎn)的繞點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理仍與拖槳相同，只是葉面形狀存在舵形與槳形上的不同和舵柄與槳柄的長(zhǎng)短不同。拖槳向拖舵的發(fā)展體現(xiàn)在葉形、柄長(zhǎng)的改變。拖舵是拖槳向船尾舵演進(jìn)的一個(gè)獨(dú)特發(fā)展階段，它的短柄和舵形葉面表征了它是船尾舵的初始形態(tài)，它是船尾舵的雛形，已不再是槳了，它是舵的祖式。

拖舵，是中國(guó)的尾中拖槳在向中國(guó)船尾舵發(fā)展中的一個(gè)過渡型式，這在西洋船船舵的形成過程中并不存在。中國(guó)產(chǎn)生了拖舵，西洋木帆船卻還在繼續(xù)使用長(zhǎng)操縱槳（尾側(cè)拖槳）長(zhǎng)達(dá)約1000年之久。

3、軸舵

軸舵，是指具有舵形葉面的且垂直于船舶水線面的，繞以多支承點(diǎn)組成的軸線作繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的船尾操縱工具。從船尾舵的技術(shù)層面上看，軸舵的葉面轉(zhuǎn)動(dòng)方式是由繞點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的初級(jí)階段發(fā)展成繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的高級(jí)階段，這種轉(zhuǎn)變是船尾舵技術(shù)發(fā)展的質(zhì)的飛躍，我們通常所說的船尾舵就是指軸舵,只有葉面繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)才能算得上真正意義上的船尾舵。繞點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的拖槳和（或）拖舵的葉面可多自由度的改變，導(dǎo)致難以控制水流對(duì)葉面夾角（攻角）達(dá)到最有利狀態(tài)，而繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的船尾舵，它的舵葉面與水流成平面夾角，只要轉(zhuǎn)動(dòng)舵葉就可以調(diào)節(jié)舵角，不僅如此，作用在垂直于船舶水線面的舵葉上的水動(dòng)力，以（軸）直線方式傳速到船尾，產(chǎn)生理想的轉(zhuǎn)船力矩。

對(duì)中國(guó)船舵，早在東漢劉熙撰寫的《釋名·釋船》中就有詮釋：“甚尾曰柁。柁，拖也。在后見拖拽也。且言弼正船使順不使他戾也?！薄拌蕖本褪恰岸妗?，不過劉熙只說出了“柁”的位置是“在后見拖拽”和它的作用是“弼正船”的航向，并沒有詮釋“柁”的轉(zhuǎn)動(dòng)方式，當(dāng)然要求古代文人達(dá)到如此詳細(xì)的技術(shù)描述是不現(xiàn)實(shí)也是不可能的。

不過，中國(guó)唐代開元年間（公元739年～740年）在鄭虔的一幅山水畫中顯示了一具葉面垂直于水面可繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的船尾舵圖像（圖6）。這可證明中國(guó)出現(xiàn)船尾舵的最遲年限是唐代，而中國(guó)拖舵的出現(xiàn)更早，是在東漢或以前。

中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)史研究所以“轉(zhuǎn)軸舵”為名編入《中國(guó)古代科技發(fā)明創(chuàng)造》。

圖6 唐·鄭虔山水畫中的尾板舵

圖7 北歐柯克船

中國(guó)的尾板舵與西洋的尾柱舵各具特色

中國(guó)和西洋木帆船由于它們的尾型不同，船尾舵在船尾的安裝部位和結(jié)構(gòu)型式各不相同。西洋的船尾舵是安裝在尾柱上，稱為尾柱舵，而中國(guó)的船尾舵一般是安裝在船尾封板之后，對(duì)應(yīng)于尾柱舵故稱其為尾板舵，尾板舵和尾柱舵各具特色。

中國(guó)木帆船相對(duì)西洋木帆船而言，它的船尾一般比較肥大，船尾端設(shè)有平面的尾封板（古稱尾搪浪板），中國(guó)尾板舵的舵桿通常是安裝在尾封板之后，這是很自然不過的事情，因?yàn)檫@種船尾結(jié)構(gòu)為在船尾設(shè)置船舵提供了安裝條件，通常在尾封板上安裝二個(gè)舵鈕，舵桿穿過舵鈕孔，舵葉可以繞著舵桿作軸向轉(zhuǎn)動(dòng)了，產(chǎn)生的舵力經(jīng)過舵桿再通過舵鈕傳遞給了尾封板而作用于船尾，產(chǎn)生轉(zhuǎn)船力矩。

細(xì)觀西洋木帆船的船尾，通常是特別狹小，不僅尾端的水線面尖瘦，而且船底線呈弧線升起，這樣的船尾的結(jié)構(gòu)就不太適合安裝船尾舵，這大概就是西洋木帆船不得不長(zhǎng)時(shí)期使用尾側(cè)拖槳（長(zhǎng)操縱槳），產(chǎn)生船尾舵很晚的重要原因。

可能受到中國(guó)尾板舵設(shè)置在船尾端中心線上優(yōu)于船尾的左右各設(shè)一把拖槳（長(zhǎng)操縱槳）的啟發(fā)，也思索著在船尾端中心線上置舵，為此，走上了改造船尾型的發(fā)展途徑，這就是將尾側(cè)面的圓弧形船底線改造成具有豎直的或具有較小斜度的直線，為舵造就一個(gè)直線形的支撐結(jié)構(gòu)，由此產(chǎn)生了尾柱結(jié)構(gòu)。在尾柱上安裝船尾舵，就成了尾柱舵。由于有的木帆船的尾部船底線往往彎曲上翹甚大，設(shè)置尾柱困難，就產(chǎn)生了在船尾部中縱面上特置一塊稱作呆木的平板結(jié)構(gòu)，其下緣與船底平，它的直線型后緣就是成了尾柱，北歐柯克（COG）船就在船尾呆木后緣裝有尾柱舵（圖7）。

圖8 帶有尾舵的德國(guó)愛爾濱城的徽記

在尾柱上有若干具有銷孔的舵鈕，它與舵葉前緣的舵銷相對(duì)應(yīng)，舵銷插入銷孔，舵葉與尾柱之間形成了如同門的鉸鏈一樣的鉸接結(jié)構(gòu)，舵葉可繞以舵銷中心線的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)。舵置于尾柱，舵葉作鉸鏈?zhǔn)捷S轉(zhuǎn)動(dòng)是西洋尾柱舵的結(jié)構(gòu)特征。

中國(guó)尾板舵是裝在船尾端橫向板面（尾封板）的板面上，而西洋尾柱舵是裝在船尾端縱向板面（呆板）的板面后邊緣上，即中、西船尾舵的安裝板面不僅有橫縱方向的不同，還有裝在板面上的和板面后邊緣的位置區(qū)別。中西船尾舵各具特色，主要體現(xiàn)在下列方面：

第一，船尾狹尖的水線面使尾柱舵前水流平順，有利舵效的提高，有呆木的尾柱舵更是如此，這是尾板舵存在渦旋亂流所不及的。中國(guó)的尾板舵為改善舵面的流態(tài)，使用升降舵在深水航域?qū)⒍婷娲蟛糠稚煜麓字?，舵效得到了很大的彌補(bǔ)；第二，尾柱舵的鉸接結(jié)構(gòu)非常強(qiáng)固，中國(guó)尾板舵需要對(duì)尾封板作結(jié)構(gòu)加強(qiáng)；第三，尾柱舵的結(jié)構(gòu)原因以致它是不平衡舵，直到后來配合船尾安裝螺旋槳推進(jìn)器的需要出現(xiàn)了具尾框架的尾柱，然后才有平衡舵的產(chǎn)生；第四，狹長(zhǎng)的尾柱舵，

它的舵面積也小，而尾板舵卻顯得短寬，舵面積相對(duì)較大，由于西洋船的設(shè)計(jì)較為瘦長(zhǎng)而且帆面積很大很高，所以船速較高，這可能與西洋船以追求快速為主而中國(guó)船以追求穩(wěn)固為主的不同設(shè)計(jì)思路有關(guān)。船速相對(duì)較高的船對(duì)舵面積的需求就可小些，因?yàn)楦叽傧碌亩嫘?huì)高，另外，狹長(zhǎng)型的尾柱舵要比短寬型的尾板舵的展舷比（即舵的高寬之比）大，這也有利于舵效。

盡管在清代康熙五十八年（1719年），徐葆光奉使琉球的二艘冊(cè)封船中學(xué)西洋造法，制作尾柱舵（亦稱夾板舵），就目前所知，它是中國(guó)使用尾柱舵的最早記載，這可能是學(xué)用尾柱舵的一種嘗試而已，根據(jù)中國(guó)木帆船具有尾封板的寬大的尾型特點(diǎn)所設(shè)置尾板舵往往在船尾還配置使用長(zhǎng)櫓，能靈活地滿足船舶操縱的需要，所以中國(guó)尾板舵自出現(xiàn)以來，一直在中國(guó)船尾舵發(fā)展史上占據(jù)著主導(dǎo)地位，直到近代的機(jī)械動(dòng)力船上才較多的采用尾柱舵。

西方關(guān)于船舶發(fā)展史著作的文獻(xiàn)中，認(rèn)定尾柱舵的最早出現(xiàn)在公元1242年，這由德國(guó)埃爾濱城的徽記得到印證（圖8），13世紀(jì)的歐洲柯克（COG）船已普遍使用了尾柱舵。另有文獻(xiàn)提到西方直到12世紀(jì)末葉（1180年）才在比利時(shí)某地發(fā)現(xiàn)的圣水器雕刻中見到尾柱舵。

如果從東漢出現(xiàn)拖舵算起，中國(guó)發(fā)明和實(shí)際使用船尾舵的時(shí)間，較西方要早一千多年。如果從唐代開元年間開始使用軸舵算起，中國(guó)較西方也要早五六百年之多，到了宋代船尾舵已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。而西方直至13世紀(jì)才使用尾柱舵，此時(shí)中國(guó)早已使用了升降舵，平衡舵技術(shù)。

以李約瑟為代表的著名西方學(xué)者都對(duì)于中國(guó)發(fā)明的船尾舵及其對(duì)全世界的貢獻(xiàn)給予充分肯定，美國(guó)著名科技史學(xué)者坦布爾在其著作《中國(guó)：發(fā)明與發(fā)現(xiàn)的國(guó)度》中寫道：“如果沒有從中國(guó)引進(jìn)船尾舵、羅盤、多重桅桿等改進(jìn)航海和導(dǎo)航的技術(shù)，歐洲絕不會(huì)有導(dǎo)致地理大發(fā)現(xiàn)的航行，哥倫布也不可能遠(yuǎn)航到美洲”。

中國(guó)船尾舵是中國(guó)古代造船技術(shù)的最重要發(fā)明之一，它對(duì)世界造船、航海事業(yè)的貢獻(xiàn)不言而喻。中國(guó)船尾舵在船舶技術(shù)史上曾是獨(dú)占鰲頭，占有光輝的一頁。