中國船尾舵的技術(shù)發(fā)展

何國衛(wèi)

中國船尾舵自唐代問世以來根據(jù)使用的特點和要求，在技術(shù)上不斷發(fā)展取得諸多頗具中國特色的技術(shù)進步，如平衡舵、升降舵、勒肚索和開孔舵等新技術(shù)。

一、平衡舵

船舵以舵桿為分界線，若舵葉面全部在舵桿之后的稱為不平衡舵；若有一小部分舵葉面移到舵桿前面就成了平衡舵，正因為平衡舵的舵桿前也有一塊舵葉面，對水壓力能起一定的平衡作用，這樣就能夠減小舵面的轉(zhuǎn)動力矩，使操縱靈活輕便。顯然不平衡舵轉(zhuǎn)舵操作就會比較費力，但舵的復位比較穩(wěn)定，不像平衡舵容易轉(zhuǎn)動需要隨時操舵來保持需要的舵角。舵桿前面的舵葉面積占全部舵葉面積的百分比大小表征了平衡程度的大小，如果舵桿前后舵葉面積相等，那么就是全平衡舵了，在理論上說全平衡舵的舵葉面只要受到極其微小的水力作用，如果不計舵桿的轉(zhuǎn)動摩擦力，此時，舵就會不由自主地轉(zhuǎn)動起來，因此全平衡舵在實用上并不可取，平衡舵是介于不平衡和全平衡之間，取兩者之優(yōu)而用。

圖1 《清明上河圖》局部

圖2 天津靜海北宋船及其船尾平衡舵外觀圖

內(nèi)河船為適應彎曲航道操縱，需要較大的舵面積，但又會受到水深較淺的限制使得船的吃水相對較小，舵的展弦比往往比較小，若用不平衡舵的話，它的轉(zhuǎn)舵力矩勢必會很大，而采用平衡舵就能很好地解決由此造成的不足，所以內(nèi)河船的舵常見的是平衡舵。

平衡舵在舵桿前面的舵葉面可以利用船尾船底線的起翹而騰出來的空間得到巧妙地有效地布置。中國先進的平衡舵在北宋的著名畫作《清明上河圖》里得到了充分的展示（圖1），1978年6月，在天津靜?？h出土了一艘宋代沉船并見有一具較為完整的平衡舵（圖2），古代畫作圖像和出土實物互為印證了中國古船在北宋時期出現(xiàn)了平衡舵，并得到了廣泛的應用。

二、升降舵和勒肚索

1、升降舵

中國的升降舵是指船尾舵可以按照使用的需要隨時升降。降舵，就是將大部分的舵葉面伸下船底之下，升舵，就是提升舵的葉面。當船航行在深水區(qū)域時就可以將舵降下去，不僅擴大了舵的浸水面積，而且使尾板舵舵面的流態(tài)得到改善，使舵葉面大部分舵效得到了很大的提高。當船進入淺水區(qū)時，就將舵提起來，以免伸出船底的舵葉面擦水底而受到損壞。

舵的升降是靠懸舵索和絞關(guān)進行的，懸舵索也就是升降舵的吊索，它的一端盤繞在船尾的絞滾上，另一端穿過懸吊滑輪后栓于舵葉上緣或舵柱頂端的孔內(nèi)，用扳動扳柄轉(zhuǎn)動滾筒來收緊或放松懸舵索，使舵隨著升降。

《清明上河圖》上的船多是升降舵（圖1），它的懸舵索歷歷在目。

2、勒肚索

當升降舵降落伸出船底時，為了克服升降舵舵桿懸臂太長的不足，以勒肚索拖拽舵桿下端部的技術(shù)應運而生。勒肚索又稱舵筋，它是用于牽制舵的一根棕繩。它的一端系在舵柱下部，沿船底兩外側(cè)拉至船首并系結(jié)在首部構(gòu)件上，正如史籍上所載的“自舵系起，從底而至船頭以牽舵”。這樣的勒肚索起什么作用？勒肚索的一端系于船首另一端系于舵的下端，它的作用簡而言之，就是“以牽舵，使不洩出”。在成書于明代萬歷三十四年（1606年）的何汝賓的《兵錄》中所刊出“福舩圖”非常直觀形象地顯示了肋肚索的位置和連接（圖3）。

圖3 福舩圖

安裝在尾搪浪板（艉封板）的縱中線處上、下舵盤上的舵桿，當船在深水中航行時為求舵效，升降舵就要下降伸出船底很多，此時舵成為懸掛舵，舵降得越下，舵桿的懸臂就越長，從技術(shù)上看，舵桿受力狀態(tài)也就越差。它的舵桿只有上、下兩個舵鈕的支撐點受力，處于懸臂梁受力狀態(tài)的舵桿，在舵的使用中，舵桿必然會對上、下的舵鈕分別產(chǎn)生向前和向后的作用力，使得舵桿在舵鈕處于受卡住狀態(tài)而有礙轉(zhuǎn)動，甚至被卡死，此力過大也會使舵鈕的結(jié)構(gòu)受到損壞，此時就可以通過勒肚的松緊加以調(diào)控；另外，用勒肚的設置就相當于在懸掛舵的下端設立了一個柔性的軟支點，這對改善舵的受力和減少航行中產(chǎn)生舵的擺動無疑是非常有效的，這是我國古代船匠聰明才智的又一例證。

圖4 《唐船之圖》中的寧波船

勒肚索在明代后期海船上已使用得相當普遍。清代稱勒肚謂勒舵。勒肚的稱謂可能是取勒肚索是從船底（船肚）而過之意；而勒舵的稱謂可能是勒肚索牽（勒）舵的作用表達。勒肚的形象和描述在古籍史料中也是屢見不鮮。日本平戶松浦史料博物館所藏存的《唐船之圖》中有11幅中國清代帆船，除屬沙船型的南京船外，船圖上的其余10艘船無一例外地都繪出了勒肚，現(xiàn)僅選取其中的一艘寧波船圖清楚地看到它的勒舵索（圖4）。

3、一具罕見的出土古代海船木舵

現(xiàn)展藏于上海中國航海博物館一具基本完整的出土古代海船木舵（圖5），舵桿粗大堅實，舵葉完整厚實，舵桿殘高7.05米，最大桿徑360毫米，舵桿端部雖稍有燒損，舵桿頂端燒痕面表明，舵桿并無斷損，因此舵桿殘高即為舵總高，也就是說出土的舵桿是相當完整。古舵舵葉面呈前低后高、上寬下窄的四邊形，復原后舵葉的前緣高為3.59米，后緣高為4.315米，舵葉上寬2.226米，底寬1.938米，上邊緣線與舵桿成72度斜角，下邊緣線是一條垂直于舵桿的直線，舵葉前邊緣直接與舵桿相連接，舵桿前無舵葉，它是一具古代海船廣泛采用的不平衡舵。

圖5 出土古舵

這具木舵是漁民在長江口牛皮礁海域捕漁作業(yè)時，漁網(wǎng)無意鉤到的，真是難得。就在這具木舵上，我們見到了具有中國古船舵特點的勒肚孔和吊舵孔。在舵桿下端有一個直徑約為50毫米的勒肚孔，在舵葉上方靠近舵桿處有直徑為110毫米的吊舵孔，這兩個非同一般的小孔如同這具完整的舵一樣實屬罕見，由此，古文獻對勒肚索的記載得到了強有力的實物佐證，足見，出土木舵有著極高的文物研究價值。

三、開孔舵

開孔舵是在舵面上打了許多孔的船舵，它可以有效地減小操舵時的轉(zhuǎn)舵力矩，從而使轉(zhuǎn)舵省力，而對舵效影響甚小。開孔舵在作為古代四大船型之一的廣船上被相當普遍地采用，多見的是菱形孔，建造于十九世紀中葉的現(xiàn)已在珠海沉沒的一艘名叫“金華興”號的廣船，它的開孔舵，（圖6）具有一定的典型性。

1、開孔舵操舵能省力

開孔舵由于在舵葉上打上了一系列穿通舵葉的孔洞，使轉(zhuǎn)舵時有一部分水流能從舵葉的一側(cè)流向另一側(cè)，致使轉(zhuǎn)舵扭矩大為降低，而對舵效的影響卻甚微，開孔舵稱得上是一個別具匠心的發(fā)明，至今偶爾還有使用的，開孔舵是中國古船先進技術(shù)之一，被西方引進學習。中國古船的開孔舵技術(shù)引起外國船史學者的極大好奇和興趣。眾所周知，舵葉面開了孔，必然會減少舵面積，這豈不有損于舵效嗎?實踐證明,在舵葉面上適當開孔既能使操舵省力而且對舵效影響不大，其道理何在？

圖6 “金華興”號的開孔舵

當航行船舶操舵時，在轉(zhuǎn)舵過程中，舵桿帶著舵葉面繞舵桿軸線轉(zhuǎn)動，舵葉面上受到一個流速為Vb的由船首流向船尾的水流和一個流速為Vc的垂直于舵面的水流，其合成水流的流速為Va。流速Vb的大小取決于船速，而流速Vc的大小取決于轉(zhuǎn)舵角速度ω與距舵桿轉(zhuǎn)軸中心線距離r的乘積，即Vc=ωr，此時合成流速Va對舵葉面的合成攻角為α，可見，ω和Vb的大小決定到合成攻角α的大?。ㄒ妶D7）。顯然，合成攻角α越大則合成水流對舵葉面的垂直度越大，水流通孔的效果就越佳，操舵就越省力。

圖7 船尾舵操舵時的舵葉面水流示意圖

操舵過程中，在不同舵角下的轉(zhuǎn)舵角速度是不同的，以致合成攻角α也隨之發(fā)生改變。很顯然合成攻角α的大小直接反映了合成水流對舵葉面的垂直度大小，當α達90°時，則水流垂直于舵葉面；當α為0°時，則水流沿舵葉面由前向后流動。因為操舵至終止舵角β時的轉(zhuǎn)舵速度ωr已經(jīng)為0，則α=β，也就是說，此時的合成水流對舵面的垂直度就最小，顯然，航船正舵時α=0，即是合成水流對舵面的垂直度為0。

航船的操舵主要是轉(zhuǎn)舵和?舵的兩種情況，眾所周知，在轉(zhuǎn)舵時總希望舵力小一些，而在穩(wěn)舵時總希望舵力大一些，對此，開孔舵能很科學地滿足這樣的愿望，由前面的分析可以做出解釋。

操舵的轉(zhuǎn)舵速度越快，α角就越向90°接近，水流通孔效果越佳，這相當于舵面積減少效果越大，從而操舵省力就越明顯。這就是開孔舵操舵省力的機理所在。

所謂穩(wěn)舵，是指當操舵時將舵轉(zhuǎn)到所要求的舵位，穩(wěn)住舵角不再轉(zhuǎn)動，舵葉轉(zhuǎn)動速度就為零，那么合成水流流速Va就是流速Vb了，合成水流攻角α顯然變小，直到剛好與舵角β相等，這與轉(zhuǎn)舵情況相比，它的合成水流攻角為最小，因此水流流通開孔的效果變差，也就是說開孔對減小舵力的影響減弱，這正是開孔舵在?舵時對船舵效影響不大的道理。舵角β越小這種效果越明顯，當正舵，即當舵角β為零時穩(wěn)舵，舵葉面兩側(cè)的壓力相等，開孔中已無流通水流，開孔舵對舵效的不利影響在理論上說已經(jīng)不存在了。

通過以上討論，對開孔舵可降低轉(zhuǎn)舵力矩，而對穩(wěn)舵舵效的影響甚微的機理作出了定性的解釋。

2、廣船多見開孔舵

葉面開孔的開孔舵畢竟有損舵面積降低舵力，也不利于舵葉的整體強度，正如前述，開孔舵可以達到操舵省力的目的，那么在轉(zhuǎn)舵費勁的和需頻繁操舵的船舵上適宜采用開孔舵，因此開孔舵往往會出現(xiàn)在舵相對面積較大的、舵的展舷比（舵葉的高度與寬度之比）較小的和不平衡舵上。舵面積相對大的舵，它的轉(zhuǎn)舵力矩也相對大，這是很好理解的；在相同舵面積下，舵的小展弦比相對于舵的大展弦比來說，它的舵的水壓力中心離開舵桿中心線的距離就大，它的轉(zhuǎn)舵力矩也大；另外，不平衡舵相對平衡舵而言，它的舵面的水壓力中心離舵桿中心線的距離要大的多，同樣要求轉(zhuǎn)舵力矩也就大的多。在需要頻繁操舵的船上為減小操舵的勞累，采用開孔舵當然也是一種不錯的選擇。

被稱作廣船的廣東地區(qū)海船多航行于多礁水域且多數(shù)航行于江海之間，對操作性要求較高，取用相對舵面積通常較大，另外，還因受珠江內(nèi)河航道水深的限制吃水不能過大，使得舵的展弦比通常較?。粡V東沿海及南海水域多礁，為避礁必當頻繁操舵；加上廣船普遍采用的是不平衡舵，因此，為解決操舵力矩過大的技術(shù)問題，廣船船舵開孔較為常見。

廣東著名的“紅頭船”都是采用開孔舵（圖8），香港帆船、海南帆船和澳門船上也見有開孔舵，流失在比利時的中國清代船模中的廣船也顯見開孔舵（圖9），開孔舵被認為是廣船的特征之一不無道理。

圖8 廣東紅頭船的開孔舵

圖9 比利時MAS博物館收藏的清代廣船船模

舵葉開孔的形狀有菱形和圓形，最為常見的是豎立菱形開孔，西方學者稱其為鉆石形孔（diamondshaped perforations）,這是較多地出于舵葉板面的結(jié)構(gòu)和施工工藝的考慮。

在近代船上還曾見過用人力操舵的鋼質(zhì)平板舵開孔。既然開孔舵如此神奇，為何在現(xiàn)代船舶上難以找到呢？也就是說，為什么開孔舵會退出歷史舞臺？其最主要的原因應該是，近代船舶操舵采用了動力舵機，比較容易滿足航行船舶對操舵力矩的要求。即使采用人力舵機,其機械傳動也比直接操縱舵桿省勁的多了，更何況在近代船舶普遍采用的鋼制流線型舵的厚度比木質(zhì)平板舵大得多。再說在鋼制流線型舵上開孔的制作工藝必然麻煩許多，所以，當機械舵機和流線型舵出現(xiàn)后，開孔舵逐漸退出歷史舞臺也是舵技術(shù)發(fā)展的必然。

船尾舵是中國古代造船技術(shù)的最重要發(fā)明之一，它的發(fā)展歷程和技術(shù)形態(tài)表明了古代航海技術(shù)的高超成就，對世界造船、航海事業(yè)也產(chǎn)生了重大影響。