中國船尾舵開創航行新時代

何國衛

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

船尾舵是中國造船技術的一個重大發明，公元10世紀，阿拉伯航海者已使用中國舵，12世紀末至13世紀初，中國船尾舵技術經阿拉伯傳入歐洲。中國舵成為開創15世紀人類大航海時代的技術條件之一。直到今天，舵仍然是船舶的主要操縱工具。

航海知識告訴我們，航行船舶在受到側風時，通過操縱風帆可獲得推進力，但同時也會產生橫向作用力，這就是橫漂力，它使船舶發生橫移，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，船舶勢必會發生旋轉，這就要靠正確操舵來保持既定航向或實施船舶轉向。當船舶若向右發生旋轉時，則需要操左舵（即舵向左轉動一定舵角）；若向左旋轉時則需要操右舵。這就是中國俗話所說的“見風使舵”的真諦所在，更顯“大海航行靠舵手”之必然。

船尾舵的出現促使風帆的推進作用得到充分施展，反過來，針對風帆產生的強大推進力的需要必然會對船尾舵技術提出更高的要求。舵和帆的相得益彰，兩者的科學配合使得船舶航行得更遠、更快和更安全成為了可能。盡管現在見到的史料表明中國風帆出現遠遠遲于西方，但中國自東漢出現了拖舵，又在唐代開元年間見有船尾舵，中國的船舵技術促使中國風帆技術有了突飛猛進，這是中國古代航海、造船技術在很長一段歷史時期領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，就不應包括以推進為主且推進和操縱功能兼而有之的舷側木槳和船櫓了，因為木槳和船櫓不僅為船舶的推進提供推力，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的速度，只要操控葉面使它與水流成一定夾角（即攻角）就會產生如同飛機的機翼一樣的升力，正是這個升力使得飛機能在空中掉不下來，而水流對船舵產生的升力，這個力就是垂直于船的中縱面的轉船力，因為它的位置遠離船舶重心，就有了較大的轉船力矩，使得船舶很容易轉向從而達到操縱船舶的目的。

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，由于葉面相對水流速度很小或近于零，因此在葉面上不可能產生升力，只得靠“招”和“梢”撥水來實現船舶轉向了，它們是以人力為主動力急速撥動槳葉面推水產生的反作用力來實現的一種特殊操船工具，而且它們的葉面形狀接近于長木槳，不是舵形，所以不屬于船尾舵。

圖2 長沙西漢木船模型

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化而成

船尾舵是由木槳演變進化成的，大體經歷了拖槳、拖舵、軸舵三個技術進化階段，各技術階段的葉面形狀，有窄面長柄的槳形和寬面短柄的舵形的區別；葉面的轉動方式，有葉面繞點轉動和繞軸轉動的不同，以使葉面與船舶水線面相對位置不同。

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

1、拖槳

船舶早期使用的舷側木槳的主要功能是推動船舶前進，但只要左右舷側的操槳不對稱，船舶就會轉向，因此它還可用來操縱航船的航向，也就是說舷側木槳具有推進和操縱船舶的雙重功能。眾所周知，木槳的木柄著力于舷邊，槳的力是通過這個舷邊著力點傳遞到船上的，但此著力點離船舶重心甚近，所以槳力作用在船上的轉船力矩不大，就船舶操縱而言，這是舷側木槳的致命缺陷。為了獲得盡可能大的轉船力臂值，舷側木槳的位置逐漸向著遠離船舶重心的船尾的方向移動，直至移置于船尾，至此，木槳已失去了原來具有推進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。

中國木帆船的拖槳，是置于船尾端正中處的，稱作尾中拖槳。長沙出土的西漢時期木船模上除兩側左右共置有16只推進木槳外，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處的西洋式尾側拖槳，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有一木俑手持木槳（圖4），這支舷側木槳顯示了舷側木槳向船尾端移位演變的痕跡。

不論是尾中拖槳還是尾側拖槳，它們都是置于船尾繞以單支承點轉動的槳形葉面長柄槳。中國式尾中拖槳在何時產生學術界目前雖無定論，但出土文物足以證明最遲至西漢（公元前206年～公元25年）中國已經出現了尾中拖槳。

西洋木帆船的尾側拖槳為何遲遲不繼續向船尾端正中處發展呢?可能是因為西洋木帆船的尾型尖瘦，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置尾操縱槳的話，槳柄勢必很長以致操縱特別費力，所以不得不將尾操縱槳設置在靠近船尾端部的兩側處，一來可保持位于船尾求得盡可能大的轉船力臂，二來盡可能降低長槳在舷側著力點的高度，但是即使如此，在船中舷側的長木槳的長度往往還是很長的。西洋尾側拖槳的長槳特征特別明顯，故也有它為“長操縱槳”，因其能起到舵的作用又稱“舵槳”。鑒于西洋船的拖槳轉動點離水面較高，操槳特別費力，尤其在風浪中船舶左右前后的晃蕩，必然會使拖槳操縱船舶的作用難以得到很好的發揮。

西洋木帆船直至13世紀之前，還在使用操縱性能并不很佳的尾側拖槳（長操縱槳），其時間如此長久令人費解，可能與它的操縱性得到船首操縱風帆協助船舶操縱的彌補有關。

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、短的舵柄和繞點轉動為特征的船尾操縱工具。為了使長柄窄葉的拖槳獲得更大的操縱力，中國的尾中拖槳朝著擴大葉面面積和縮短柄長方向發展，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，正式走上了舵的臺階，它的出現表征著尾中拖槳演進的結果。這具陶船模原在廣州博物館展出，后被中國歷史博物館收藏，是國家級的出土文物。

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動點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，拖舵的單支承點的繞點轉動機理仍與拖槳相同，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短不同。拖槳向拖舵的發展體現在葉形、柄長的改變。拖舵是拖槳向船尾舵演進的一個獨特發展階段，它的短柄和舵形葉面表征了它是船尾舵的初始形態，它是船尾舵的雛形，已不再是槳了，它是舵的祖式。

拖舵，是中國的尾中拖槳在向中國船尾舵發展中的一個過渡型式，這在西洋船船舵的形成過程中并不存在。中國產生了拖舵，西洋木帆船卻還在繼續使用長操縱槳（尾側拖槳）長達約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，繞以多支承點組成的軸線作繞軸轉動的船尾操縱工具。從船尾舵的技術層面上看，軸舵的葉面轉動方式是由繞點轉動的初級階段發展成繞軸轉動的高級階段，這種轉變是船尾舵技術發展的質的飛躍，我們通常所說的船尾舵就是指軸舵,只有葉面繞軸轉動才能算得上真正意義上的船尾舵。繞點轉動的拖槳和（或）拖舵的葉面可多自由度的改變，導致難以控制水流對葉面夾角（攻角）達到最有利狀態，而繞軸轉動的船尾舵，它的舵葉面與水流成平面夾角，只要轉動舵葉就可以調節舵角，不僅如此，作用在垂直于船舶水線面的舵葉上的水動力，以（軸）直線方式傳速到船尾，產生理想的轉船力矩。

對中國船舵，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。”“柁”就是“舵”，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”的轉動方式，當然要求古代文人達到如此詳細的技術描述是不現實也是不可能的。

不過，中國唐代開元年間（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動的船尾舵圖像（圖6）。這可證明中國出現船尾舵的最遲年限是唐代，而中國拖舵的出現更早，是在東漢或以前。

中國科學院自然科學史研究所以“轉軸舵”為名編入《中國古代科技發明創造》。

圖6 唐·鄭虔山水畫中的尾板舵

圖7 北歐柯克船

中國的尾板舵與西洋的尾柱舵各具特色

中國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構型式各不相同。西洋的船尾舵是安裝在尾柱上，稱為尾柱舵，而中國的船尾舵一般是安裝在船尾封板之后，對應于尾柱舵故稱其為尾板舵，尾板舵和尾柱舵各具特色。

中國木帆船相對西洋木帆船而言，它的船尾一般比較肥大，船尾端設有平面的尾封板（古稱尾搪浪板），中國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，因為這種船尾結構為在船尾設置船舵提供了安裝條件，通常在尾封板上安裝二個舵鈕，舵桿穿過舵鈕孔，舵葉可以繞著舵桿作軸向轉動了，產生的舵力經過舵桿再通過舵鈕傳遞給了尾封板而作用于船尾，產生轉船力矩。

細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，這樣的船尾的結構就不太適合安裝船尾舵，這大概就是西洋木帆船不得不長時期使用尾側拖槳（長操縱槳），產生船尾舵很晚的重要原因。

可能受到中國尾板舵設置在船尾端中心線上優于船尾的左右各設一把拖槳（長操縱槳）的啟發，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展途徑，這就是將尾側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，為舵造就一個直線形的支撐結構，由此產生了尾柱結構。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，設置尾柱困難，就產生了在船尾部中縱面上特置一塊稱作呆木的平板結構，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應，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構，舵葉可繞以舵銷中心線的軸向轉動。舵置于尾柱，舵葉作鉸鏈式軸轉動是西洋尾柱舵的結構特征。

中國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別。中西船尾舵各具特色，主要體現在下列方面：

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。中國的尾板舵為改善舵面的流態，使用升降舵在深水航域將舵面大部分伸下船底之下，舵效得到了很大的彌補；第二，尾柱舵的鉸接結構非常強固，中國尾板舵需要對尾封板作結構加強；第三，尾柱舵的結構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器的需要出現了具尾框架的尾柱，然后才有平衡舵的產生；第四，狹長的尾柱舵，

它的舵面積也小，而尾板舵卻顯得短寬，舵面積相對較大，由于西洋船的設計較為瘦長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船以追求穩固為主的不同設計思路有關。船速相對較高的船對舵面積的需求就可小些，因為高船速下的舵效會高，另外，狹長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封船中學西洋造法，制作尾柱舵（亦稱夾板舵），就目前所知，它是中國使用尾柱舵的最早記載，這可能是學用尾柱舵的一種嘗試而已，根據中國木帆船具有尾封板的寬大的尾型特點所設置尾板舵往往在船尾還配置使用長櫓，能靈活地滿足船舶操縱的需要，所以中國尾板舵自出現以來，一直在中國船尾舵發展史上占據著主導地位，直到近代的機械動力船上才較多的采用尾柱舵。

西方關于船舶發展史著作的文獻中，認定尾柱舵的最早出現在公元1242年，這由德國埃爾濱城的徽記得到印證（圖8），13世紀的歐洲柯克（COG）船已普遍使用了尾柱舵。另有文獻提到西方直到12世紀末葉（1180年）才在比利時某地發現的圣水器雕刻中見到尾柱舵。

如果從東漢出現拖舵算起，中國發明和實際使用船尾舵的時間，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，中國較西方也要早五六百年之多，到了宋代船尾舵已經得到了廣泛的應用。而西方直至13世紀才使用尾柱舵，此時中國早已使用了升降舵，平衡舵技術。

以李約瑟為代表的著名西方學者都對于中國發明的船尾舵及其對全世界的貢獻給予充分肯定，美國著名科技史學者坦布爾在其著作《中國：發明與發現的國度》中寫道：“如果沒有從中國引進船尾舵、羅盤、多重桅桿等改進航海和導航的技術，歐洲絕不會有導致地理大發現的航行，哥倫布也不可能遠航到美洲”。

中國船尾舵是中國古代造船技術的最重要發明之一，它對世界造船、航海事業的貢獻不言而喻。中國船尾舵在船舶技術史上曾是獨占鰲頭，占有光輝的一頁。