中国船尾舵开创航行新时代

何国卫

船舵是船舶航行专用船尾操纵工具，舵叶形的短柄船尾操纵工具又称船尾舵，它是船舶最主要属具之一，古人称它为“凌波至宝”。

图1 帆及舵受力示意图

船尾舵是中国造船技术的一个重大发明，公元10世纪，阿拉伯航海者已使用中国舵，12世纪末至13世纪初，中国船尾舵技术经阿拉伯传入欧洲。中国舵成为开创15世纪人类大航海时代的技术条件之一。直到今天，舵仍然是船舶的主要操纵工具。

航海知识告诉我们，航行船舶在受到侧风时，通过操纵风帆可获得推进力，但同时也会产生横向作用力，这就是横漂力，它使船舶发生横移，由于通过帆桅作用在船体上的横移力的位置并不是在船舶重心处，船舶势必会发生旋转，这就要靠正确操舵来保持既定航向或实施船舶转向。当船舶若向右发生旋转时，则需要操左舵（即舵向左转动一定舵角）；若向左旋转时则需要操右舵。这就是中国俗话所说的“见风使舵”的真谛所在，更显“大海航行靠舵手”之必然。

船尾舵的出现促使风帆的推进作用得到充分施展，反过来，针对风帆产生的强大推进力的需要必然会对船尾舵技术提出更高的要求。舵和帆的相得益彰，两者的科学配合使得船舶航行得更远、更快和更安全成为了可能。尽管现在见到的史料表明中国风帆出现远远迟于西方，但中国自东汉出现了拖舵，又在唐代开元年间见有船尾舵，中国的船舵技术促使中国风帆技术有了突飞猛进，这是中国古代航海、造船技术在很长一段历史时期领先于西方的原因之一。

船尾舵是专用船舶操纵工具

所谓专用船尾操纵工具，就不应包括以推进为主且推进和操纵功能兼而有之的舷侧木桨和船橹了，因为木桨和船橹不仅为船舶的推进提供推力，而且还能起到操纵船舶的作用。专用船尾操纵工具的船尾舵，它之所以能操纵航船是靠航行中的舵的叶面与水有着相对的速度，只要操控叶面使它与水流成一定夹角（即攻角）就会产生如同飞机的机翼一样的升力，正是这个升力使得飞机能在空中掉不下来，而水流对船舵产生的升力，这个力就是垂直于船的中纵面的转船力，因为它的位置远离船舶重心，就有了较大的转船力矩，使得船舶很容易转向从而达到操纵船舶的目的。

不过，在急流河道中的船舶常见到一种设置于船首和船尾的称为前“招”和后“梢”的专用操纵工具，它们是使用在急流河道船舶下水航行随着水流下漂时，由于叶面相对水流速度很小或近于零，因此在叶面上不可能产生升力，只得靠“招”和“梢”拨水来实现船舶转向了，它们是以人力为主动力急速拨动桨叶面推水产生的反作用力来实现的一种特殊操船工具，而且它们的叶面形状接近于长木桨，不是舵形，所以不属于船尾舵。

图2 长沙西汉木船模型

图3 凯尔纳克神庙的浮雕

图4 广州西汉木船模型

船尾舵是由木桨演变进化而成

船尾舵是由木桨演变进化成的，大体经历了拖桨、拖舵、轴舵三个技术进化阶段，各技术阶段的叶面形状，有窄面长柄的桨形和宽面短柄的舵形的区别；叶面的转动方式，有叶面绕点转动和绕轴转动的不同，以使叶面与船舶水线面相对位置不同。

拖桨，是船尾操纵工具的初期形态；拖舵、轴舵却应归属于船尾舵同类，拖舵的舵叶面形状却是舵形，但它与拖桨一样都是绕点转动的，因此它仅是一种船尾舵的雏型，只有发展到了轴舵，它才是真正意义上的船尾舵。

1、拖桨

船舶早期使用的舷侧木桨的主要功能是推动船舶前进，但只要左右舷侧的操桨不对称，船舶就会转向，因此它还可用来操纵航船的航向，也就是说舷侧木桨具有推进和操纵船舶的双重功能。众所周知，木桨的木柄着力于舷边，桨的力是通过这个舷边着力点传递到船上的，但此着力点离船舶重心甚近，所以桨力作用在船上的转船力矩不大，就船舶操纵而言，这是舷侧木桨的致命缺陷。为了获得尽可能大的转船力臂值，舷侧木桨的位置逐渐向着远离船舶重心的船尾的方向移动，直至移置于船尾，至此，木桨已失去了原来具有推进功能变成专作操纵船舶航向的船尾操纵桨，因其拖拽在船尾故称为拖桨。

中国木帆船的拖桨，是置于船尾端正中处的，称作尾中拖桨。长沙出土的西汉时期木船模上除两侧左右共置有16只推进木桨外，在尾端正中处另有一桨，这就是用来操纵航向的尾中拖桨（图2）。这不同于置于船尾部舷侧处的西洋式尾侧拖桨，例如，在埃及著名的凯尔纳克（KARNAK）古迹的神庙的浮雕上有一艘船的船尾两舷各有一支舵桨（图3）。

不过，在广州出土的一艘西汉木船模的尾部舷侧有一木俑手持木桨（图4），这支舷侧木桨显示了舷侧木桨向船尾端移位演变的痕迹。

不论是尾中拖桨还是尾侧拖桨，它们都是置于船尾绕以单支承点转动的桨形叶面长柄桨。中国式尾中拖桨在何时产生学术界目前虽无定论，但出土文物足以证明最迟至西汉（公元前206年～公元25年）中国已经出现了尾中拖桨。

西洋木帆船的尾侧拖桨为何迟迟不继续向船尾端正中处发展呢?可能是因为西洋木帆船的尾型尖瘦，尾舷弧很高即船尾端尖狭高翘，船底线一般呈大斜弧形曲线上翘。若在这样高高翘起的尾端设置尾操纵桨的话，桨柄势必很长以致操纵特别费力，所以不得不将尾操纵桨设置在靠近船尾端部的两侧处，一来可保持位于船尾求得尽可能大的转船力臂，二来尽可能降低长桨在舷侧着力点的高度，但是即使如此，在船中舷侧的长木桨的长度往往还是很长的。西洋尾侧拖桨的长桨特征特别明显，故也有它为“长操纵桨”，因其能起到舵的作用又称“舵桨”。鉴于西洋船的拖桨转动点离水面较高，操桨特别费力，尤其在风浪中船舶左右前后的晃荡，必然会使拖桨操纵船舶的作用难以得到很好的发挥。

西洋木帆船直至13世纪之前，还在使用操纵性能并不很佳的尾侧拖桨（长操纵桨），其时间如此长久令人费解，可能与它的操纵性得到船首操纵风帆协助船舶操纵的弥补有关。

图5 广州东汉陶船模拖舵

2、拖舵

拖舵，是以短宽形状的舵叶面、短的舵柄和绕点转动为特征的船尾操纵工具。为了使长柄窄叶的拖桨获得更大的操纵力，中国的尾中拖桨朝着扩大叶面面积和缩短柄长方向发展，桨形的拖桨就逐步地演变成为舵形的拖舵。

广州出土的东汉陶船模（图5）的尾部就有这样一具典型的拖舵。它已完全脱离了“桨”的范畴，正式走上了舵的台阶，它的出现表征着尾中拖桨演进的结果。这具陶船模原在广州博物馆展出，后被中国历史博物馆收藏，是国家级的出土文物。

很明显，拖舵的叶面水力作用中心离固定在船尾端的叶面转动点的距离较拖桨移近了很多，这就克服了拖桨的操桨力过大的缺陷。不过，拖舵的单支承点的绕点转动机理仍与拖桨相同，只是叶面形状存在舵形与桨形上的不同和舵柄与桨柄的长短不同。拖桨向拖舵的发展体现在叶形、柄长的改变。拖舵是拖桨向船尾舵演进的一个独特发展阶段，它的短柄和舵形叶面表征了它是船尾舵的初始形态，它是船尾舵的雏形，已不再是桨了，它是舵的祖式。

拖舵，是中国的尾中拖桨在向中国船尾舵发展中的一个过渡型式，这在西洋船船舵的形成过程中并不存在。中国产生了拖舵，西洋木帆船却还在继续使用长操纵桨（尾侧拖桨）长达约1000年之久。

3、轴舵

轴舵，是指具有舵形叶面的且垂直于船舶水线面的，绕以多支承点组成的轴线作绕轴转动的船尾操纵工具。从船尾舵的技术层面上看，轴舵的叶面转动方式是由绕点转动的初级阶段发展成绕轴转动的高级阶段，这种转变是船尾舵技术发展的质的飞跃，我们通常所说的船尾舵就是指轴舵,只有叶面绕轴转动才能算得上真正意义上的船尾舵。绕点转动的拖桨和（或）拖舵的叶面可多自由度的改变，导致难以控制水流对叶面夹角（攻角）达到最有利状态，而绕轴转动的船尾舵，它的舵叶面与水流成平面夹角，只要转动舵叶就可以调节舵角，不仅如此，作用在垂直于船舶水线面的舵叶上的水动力，以（轴）直线方式传速到船尾，产生理想的转船力矩。

对中国船舵，早在东汉刘熙撰写的《释名·释船》中就有诠释：“甚尾曰柁。柁，拖也。在后见拖拽也。且言弼正船使顺不使他戾也。”“柁”就是“舵”，不过刘熙只说出了“柁”的位置是“在后见拖拽”和它的作用是“弼正船”的航向，并没有诠释“柁”的转动方式，当然要求古代文人达到如此详细的技术描述是不现实也是不可能的。

不过，中国唐代开元年间（公元739年～740年）在郑虔的一幅山水画中显示了一具叶面垂直于水面可绕轴转动的船尾舵图像（图6）。这可证明中国出现船尾舵的最迟年限是唐代，而中国拖舵的出现更早，是在东汉或以前。

中国科学院自然科学史研究所以“转轴舵”为名编入《中国古代科技发明创造》。

图6 唐·郑虔山水画中的尾板舵

图7 北欧柯克船

中国的尾板舵与西洋的尾柱舵各具特色

中国和西洋木帆船由于它们的尾型不同，船尾舵在船尾的安装部位和结构型式各不相同。西洋的船尾舵是安装在尾柱上，称为尾柱舵，而中国的船尾舵一般是安装在船尾封板之后，对应于尾柱舵故称其为尾板舵，尾板舵和尾柱舵各具特色。

中国木帆船相对西洋木帆船而言，它的船尾一般比较肥大，船尾端设有平面的尾封板（古称尾搪浪板），中国尾板舵的舵杆通常是安装在尾封板之后，这是很自然不过的事情，因为这种船尾结构为在船尾设置船舵提供了安装条件，通常在尾封板上安装二个舵钮，舵杆穿过舵钮孔，舵叶可以绕着舵杆作轴向转动了，产生的舵力经过舵杆再通过舵钮传递给了尾封板而作用于船尾，产生转船力矩。

细观西洋木帆船的船尾，通常是特别狭小，不仅尾端的水线面尖瘦，而且船底线呈弧线升起，这样的船尾的结构就不太适合安装船尾舵，这大概就是西洋木帆船不得不长时期使用尾侧拖桨（长操纵桨），产生船尾舵很晚的重要原因。

可能受到中国尾板舵设置在船尾端中心线上优于船尾的左右各设一把拖桨（长操纵桨）的启发，也思索着在船尾端中心线上置舵，为此，走上了改造船尾型的发展途径，这就是将尾侧面的圆弧形船底线改造成具有竖直的或具有较小斜度的直线，为舵造就一个直线形的支撑结构，由此产生了尾柱结构。在尾柱上安装船尾舵，就成了尾柱舵。由于有的木帆船的尾部船底线往往弯曲上翘甚大，设置尾柱困难，就产生了在船尾部中纵面上特置一块称作呆木的平板结构，其下缘与船底平，它的直线型后缘就是成了尾柱，北欧柯克（COG）船就在船尾呆木后缘装有尾柱舵（图7）。

图8 带有尾舵的德国爱尔滨城的徽记

在尾柱上有若干具有销孔的舵钮，它与舵叶前缘的舵销相对应，舵销插入销孔，舵叶与尾柱之间形成了如同门的铰链一样的铰接结构，舵叶可绕以舵销中心线的轴向转动。舵置于尾柱，舵叶作铰链式轴转动是西洋尾柱舵的结构特征。

中国尾板舵是装在船尾端横向板面（尾封板）的板面上，而西洋尾柱舵是装在船尾端纵向板面（呆板）的板面后边缘上，即中、西船尾舵的安装板面不仅有横纵方向的不同，还有装在板面上的和板面后边缘的位置区别。中西船尾舵各具特色，主要体现在下列方面：

第一，船尾狭尖的水线面使尾柱舵前水流平顺，有利舵效的提高，有呆木的尾柱舵更是如此，这是尾板舵存在涡旋乱流所不及的。中国的尾板舵为改善舵面的流态，使用升降舵在深水航域将舵面大部分伸下船底之下，舵效得到了很大的弥补；第二，尾柱舵的铰接结构非常强固，中国尾板舵需要对尾封板作结构加强；第三，尾柱舵的结构原因以致它是不平衡舵，直到后来配合船尾安装螺旋桨推进器的需要出现了具尾框架的尾柱，然后才有平衡舵的产生；第四，狭长的尾柱舵，

它的舵面积也小，而尾板舵却显得短宽，舵面积相对较大，由于西洋船的设计较为瘦长而且帆面积很大很高，所以船速较高，这可能与西洋船以追求快速为主而中国船以追求稳固为主的不同设计思路有关。船速相对较高的船对舵面积的需求就可小些，因为高船速下的舵效会高，另外，狭长型的尾柱舵要比短宽型的尾板舵的展舷比（即舵的高宽之比）大，这也有利于舵效。

尽管在清代康熙五十八年（1719年），徐葆光奉使琉球的二艘册封船中学西洋造法，制作尾柱舵（亦称夹板舵），就目前所知，它是中国使用尾柱舵的最早记载，这可能是学用尾柱舵的一种尝试而已，根据中国木帆船具有尾封板的宽大的尾型特点所设置尾板舵往往在船尾还配置使用长橹，能灵活地满足船舶操纵的需要，所以中国尾板舵自出现以来，一直在中国船尾舵发展史上占据着主导地位，直到近代的机械动力船上才较多的采用尾柱舵。

西方关于船舶发展史著作的文献中，认定尾柱舵的最早出现在公元1242年，这由德国埃尔滨城的徽记得到印证（图8），13世纪的欧洲柯克（COG）船已普遍使用了尾柱舵。另有文献提到西方直到12世纪末叶（1180年）才在比利时某地发现的圣水器雕刻中见到尾柱舵。

如果从东汉出现拖舵算起，中国发明和实际使用船尾舵的时间，较西方要早一千多年。如果从唐代开元年间开始使用轴舵算起，中国较西方也要早五六百年之多，到了宋代船尾舵已经得到了广泛的应用。而西方直至13世纪才使用尾柱舵，此时中国早已使用了升降舵，平衡舵技术。

以李约瑟为代表的著名西方学者都对于中国发明的船尾舵及其对全世界的贡献给予充分肯定，美国著名科技史学者坦布尔在其著作《中国：发明与发现的国度》中写道：“如果没有从中国引进船尾舵、罗盘、多重桅杆等改进航海和导航的技术，欧洲绝不会有导致地理大发现的航行，哥伦布也不可能远航到美洲”。

中国船尾舵是中国古代造船技术的最重要发明之一，它对世界造船、航海事业的贡献不言而喻。中国船尾舵在船舶技术史上曾是独占鳌头，占有光辉的一页。