中国船尾舵的技术发展

何国卫

中国船尾舵自唐代问世以来根据使用的特点和要求，在技术上不断发展取得诸多颇具中国特色的技术进步，如平衡舵、升降舵、勒肚索和开孔舵等新技术。

一、平衡舵

船舵以舵杆为分界线，若舵叶面全部在舵杆之后的称为不平衡舵；若有一小部分舵叶面移到舵杆前面就成了平衡舵，正因为平衡舵的舵杆前也有一块舵叶面，对水压力能起一定的平衡作用，这样就能够减小舵面的转动力矩，使操纵灵活轻便。显然不平衡舵转舵操作就会比较费力，但舵的复位比较稳定，不像平衡舵容易转动需要随时操舵来保持需要的舵角。舵杆前面的舵叶面积占全部舵叶面积的百分比大小表征了平衡程度的大小，如果舵杆前后舵叶面积相等，那么就是全平衡舵了，在理论上说全平衡舵的舵叶面只要受到极其微小的水力作用，如果不计舵杆的转动摩擦力，此时，舵就会不由自主地转动起来，因此全平衡舵在实用上并不可取，平衡舵是介于不平衡和全平衡之间，取两者之优而用。

图1 《清明上河图》局部

图2 天津静海北宋船及其船尾平衡舵外观图

内河船为适应弯曲航道操纵，需要较大的舵面积，但又会受到水深较浅的限制使得船的吃水相对较小，舵的展弦比往往比较小，若用不平衡舵的话，它的转舵力矩势必会很大，而采用平衡舵就能很好地解决由此造成的不足，所以内河船的舵常见的是平衡舵。

平衡舵在舵杆前面的舵叶面可以利用船尾船底线的起翘而腾出来的空间得到巧妙地有效地布置。中国先进的平衡舵在北宋的著名画作《清明上河图》里得到了充分的展示（图1），1978年6月，在天津静海县出土了一艘宋代沉船并见有一具较为完整的平衡舵（图2），古代画作图像和出土实物互为印证了中国古船在北宋时期出现了平衡舵，并得到了广泛的应用。

二、升降舵和勒肚索

1、升降舵

中国的升降舵是指船尾舵可以按照使用的需要随时升降。降舵，就是将大部分的舵叶面伸下船底之下，升舵，就是提升舵的叶面。当船航行在深水区域时就可以将舵降下去，不仅扩大了舵的浸水面积，而且使尾板舵舵面的流态得到改善，使舵叶面大部分舵效得到了很大的提高。当船进入浅水区时，就将舵提起来，以免伸出船底的舵叶面擦水底而受到损坏。

舵的升降是靠悬舵索和绞关进行的，悬舵索也就是升降舵的吊索，它的一端盘绕在船尾的绞滚上，另一端穿过悬吊滑轮后栓于舵叶上缘或舵柱顶端的孔内，用扳动扳柄转动滚筒来收紧或放松悬舵索，使舵随着升降。

《清明上河图》上的船多是升降舵（图1），它的悬舵索历历在目。

2、勒肚索

当升降舵降落伸出船底时，为了克服升降舵舵杆悬臂太长的不足，以勒肚索拖拽舵杆下端部的技术应运而生。勒肚索又称舵筋，它是用于牵制舵的一根棕绳。它的一端系在舵柱下部，沿船底两外侧拉至船首并系结在首部构件上，正如史籍上所载的“自舵系起，从底而至船头以牵舵”。这样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，它的作用简而言之，就是“以牵舵，使不洩出”。在成书于明代万历三十四年（1606年）的何汝宾的《兵录》中所刊出“福舩图”非常直观形象地显示了肋肚索的位置和连接（图3）。

图3 福舩图

安装在尾搪浪板（艉封板）的纵中线处上、下舵盘上的舵杆，当船在深水中航行时为求舵效，升降舵就要下降伸出船底很多，此时舵成为悬挂舵，舵降得越下，舵杆的悬臂就越长，从技术上看，舵杆受力状态也就越差。它的舵杆只有上、下两个舵钮的支撑点受力，处于悬臂梁受力状态的舵杆，在舵的使用中，舵杆必然会对上、下的舵钮分别产生向前和向后的作用力，使得舵杆在舵钮处于受卡住状态而有碍转动，甚至被卡死，此力过大也会使舵钮的结构受到损坏，此时就可以通过勒肚的松紧加以调控；另外，用勒肚的设置就相当于在悬挂舵的下端设立了一个柔性的软支点，这对改善舵的受力和减少航行中产生舵的摆动无疑是非常有效的，这是我国古代船匠聪明才智的又一例证。

图4 《唐船之图》中的宁波船

勒肚索在明代后期海船上已使用得相当普遍。清代称勒肚谓勒舵。勒肚的称谓可能是取勒肚索是从船底（船肚）而过之意；而勒舵的称谓可能是勒肚索牵（勒）舵的作用表达。勒肚的形象和描述在古籍史料中也是屡见不鲜。日本平户松浦史料博物馆所藏存的《唐船之图》中有11幅中国清代帆船，除属沙船型的南京船外，船图上的其余10艘船无一例外地都绘出了勒肚，现仅选取其中的一艘宁波船图清楚地看到它的勒舵索（图4）。

3、一具罕见的出土古代海船木舵

现展藏于上海中国航海博物馆一具基本完整的出土古代海船木舵（图5），舵杆粗大坚实，舵叶完整厚实，舵杆残高7.05米，最大杆径360毫米，舵杆端部虽稍有烧损，舵杆顶端烧痕面表明，舵杆并无断损，因此舵杆残高即为舵总高，也就是说出土的舵杆是相当完整。古舵舵叶面呈前低后高、上宽下窄的四边形，复原后舵叶的前缘高为3.59米，后缘高为4.315米，舵叶上宽2.226米，底宽1.938米，上边缘线与舵杆成72度斜角，下边缘线是一条垂直于舵杆的直线，舵叶前边缘直接与舵杆相连接，舵杆前无舵叶，它是一具古代海船广泛采用的不平衡舵。

图5 出土古舵

这具木舵是渔民在长江口牛皮礁海域捕渔作业时，渔网无意钩到的，真是难得。就在这具木舵上，我们见到了具有中国古船舵特点的勒肚孔和吊舵孔。在舵杆下端有一个直径约为50毫米的勒肚孔，在舵叶上方靠近舵杆处有直径为110毫米的吊舵孔，这两个非同一般的小孔如同这具完整的舵一样实属罕见，由此，古文献对勒肚索的记载得到了强有力的实物佐证，足见，出土木舵有着极高的文物研究价值。

三、开孔舵

开孔舵是在舵面上打了许多孔的船舵，它可以有效地减小操舵时的转舵力矩，从而使转舵省力，而对舵效影响甚小。开孔舵在作为古代四大船型之一的广船上被相当普遍地采用，多见的是菱形孔，建造于十九世纪中叶的现已在珠海沉没的一艘名叫“金华兴”号的广船，它的开孔舵，（图6）具有一定的典型性。

1、开孔舵操舵能省力

开孔舵由于在舵叶上打上了一系列穿通舵叶的孔洞，使转舵时有一部分水流能从舵叶的一侧流向另一侧，致使转舵扭矩大为降低，而对舵效的影响却甚微，开孔舵称得上是一个别具匠心的发明，至今偶尔还有使用的，开孔舵是中国古船先进技术之一，被西方引进学习。中国古船的开孔舵技术引起外国船史学者的极大好奇和兴趣。众所周知，舵叶面开了孔，必然会减少舵面积，这岂不有损于舵效吗?实践证明,在舵叶面上适当开孔既能使操舵省力而且对舵效影响不大，其道理何在？

图6 “金华兴”号的开孔舵

当航行船舶操舵时，在转舵过程中，舵杆带着舵叶面绕舵杆轴线转动，舵叶面上受到一个流速为Vb的由船首流向船尾的水流和一个流速为Vc的垂直于舵面的水流，其合成水流的流速为Va。流速Vb的大小取决于船速，而流速Vc的大小取决于转舵角速度ω与距舵杆转轴中心线距离r的乘积，即Vc=ωr，此时合成流速Va对舵叶面的合成攻角为α，可见，ω和Vb的大小决定到合成攻角α的大小（见图7）。显然，合成攻角α越大则合成水流对舵叶面的垂直度越大，水流通孔的效果就越佳，操舵就越省力。

图7 船尾舵操舵时的舵叶面水流示意图

操舵过程中，在不同舵角下的转舵角速度是不同的，以致合成攻角α也随之发生改变。很显然合成攻角α的大小直接反映了合成水流对舵叶面的垂直度大小，当α达90°时，则水流垂直于舵叶面；当α为0°时，则水流沿舵叶面由前向后流动。因为操舵至终止舵角β时的转舵速度ωr已经为0，则α=β，也就是说，此时的合成水流对舵面的垂直度就最小，显然，航船正舵时α=0，即是合成水流对舵面的垂直度为0。

航船的操舵主要是转舵和•舵的两种情况，众所周知，在转舵时总希望舵力小一些，而在稳舵时总希望舵力大一些，对此，开孔舵能很科学地满足这样的愿望，由前面的分析可以做出解释。

操舵的转舵速度越快，α角就越向90°接近，水流通孔效果越佳，这相当于舵面积减少效果越大，从而操舵省力就越明显。这就是开孔舵操舵省力的机理所在。

所谓稳舵，是指当操舵时将舵转到所要求的舵位，稳住舵角不再转动，舵叶转动速度就为零，那么合成水流流速Va就是流速Vb了，合成水流攻角α显然变小，直到刚好与舵角β相等，这与转舵情况相比，它的合成水流攻角为最小，因此水流流通开孔的效果变差，也就是说开孔对减小舵力的影响减弱，这正是开孔舵在•舵时对船舵效影响不大的道理。舵角β越小这种效果越明显，当正舵，即当舵角β为零时稳舵，舵叶面两侧的压力相等，开孔中已无流通水流，开孔舵对舵效的不利影响在理论上说已经不存在了。

通过以上讨论，对开孔舵可降低转舵力矩，而对稳舵舵效的影响甚微的机理作出了定性的解释。

2、广船多见开孔舵

叶面开孔的开孔舵毕竟有损舵面积降低舵力，也不利于舵叶的整体强度，正如前述，开孔舵可以达到操舵省力的目的，那么在转舵费劲的和需频繁操舵的船舵上适宜采用开孔舵，因此开孔舵往往会出现在舵相对面积较大的、舵的展舷比（舵叶的高度与宽度之比）较小的和不平衡舵上。舵面积相对大的舵，它的转舵力矩也相对大，这是很好理解的；在相同舵面积下，舵的小展弦比相对于舵的大展弦比来说，它的舵的水压力中心离开舵杆中心线的距离就大，它的转舵力矩也大；另外，不平衡舵相对平衡舵而言，它的舵面的水压力中心离舵杆中心线的距离要大的多，同样要求转舵力矩也就大的多。在需要频繁操舵的船上为减小操舵的劳累，采用开孔舵当然也是一种不错的选择。

被称作广船的广东地区海船多航行于多礁水域且多数航行于江海之间，对操作性要求较高，取用相对舵面积通常较大，另外，还因受珠江内河航道水深的限制吃水不能过大，使得舵的展弦比通常较小；广东沿海及南海水域多礁，为避礁必当频繁操舵；加上广船普遍采用的是不平衡舵，因此，为解决操舵力矩过大的技术问题，广船船舵开孔较为常见。

广东著名的“红头船”都是采用开孔舵（图8），香港帆船、海南帆船和澳门船上也见有开孔舵，流失在比利时的中国清代船模中的广船也显见开孔舵（图9），开孔舵被认为是广船的特征之一不无道理。

图8 广东红头船的开孔舵

图9 比利时MAS博物馆收藏的清代广船船模

舵叶开孔的形状有菱形和圆形，最为常见的是竖立菱形开孔，西方学者称其为钻石形孔（diamondshaped perforations）,这是较多地出于舵叶板面的结构和施工工艺的考虑。

在近代船上还曾见过用人力操舵的钢质平板舵开孔。既然开孔舵如此神奇，为何在现代船舶上难以找到呢？也就是说，为什么开孔舵会退出历史舞台？其最主要的原因应该是，近代船舶操舵采用了动力舵机，比较容易满足航行船舶对操舵力矩的要求。即使采用人力舵机,其机械传动也比直接操纵舵杆省劲的多了，更何况在近代船舶普遍采用的钢制流线型舵的厚度比木质平板舵大得多。再说在钢制流线型舵上开孔的制作工艺必然麻烦许多，所以，当机械舵机和流线型舵出现后，开孔舵逐渐退出历史舞台也是舵技术发展的必然。

船尾舵是中国古代造船技术的最重要发明之一，它的发展历程和技术形态表明了古代航海技术的高超成就，对世界造船、航海事业也产生了重大影响。