大海航行靠舵手……舵到底是啥，船的方向盤嗎？

2.3大海航行靠舵手……舵到底是啥，船的方向盤嗎？

舵，作為船上特有的裝置，離我們的日常生活仿佛有點(diǎn)遙遠(yuǎn)，卻又無處不在——

曾有一首膾炙人口的歌曲傳唱著“大海航行靠舵手”；形容一個人富有領(lǐng)導(dǎo)力，可能會說他是位優(yōu)秀的掌舵者；艦船博物館中，常常放著一座領(lǐng)航舵，用來表達(dá)“指引正確方向”之寓意。

舵手和舵有多重要呢？舵手直接掌控著整條船的前進(jìn)方向，在艦船航行中，艦長往往和舵手待在一起甚至親自操舵，以便隨時調(diào)整船的航線；至于舵本身呢，舵裝置的完好與否會直接影響到艦艇的安全機(jī)動。

汽車駕駛中，有個借用自開船的說法：將香港駕駛員靠右的方式稱為“右舵”，內(nèi)地駕駛員靠左的方式則叫“左舵”——

舵到底是什么，就是船的方向盤嗎？

“舵”就是那個像方向盤的裝置嗎？

是，也不是。

舵其實(shí)是控制方向的一整套設(shè)備，除了常見的舵輪（就是舵手握著的那個像方向盤的東西），還有舵機(jī)，以及船尾的片狀的“舵葉”，這全部加起來才能控制船的方向，這就是整體的舵。

說起來，舵可是一種歷史豐富的部件。

我國的船舵是由船槳發(fā)展而來。早期，人們用槳在船的一邊劃動來讓船前進(jìn)。當(dāng)兩側(cè)的槳力不對稱時,船會轉(zhuǎn)向,于是人們也學(xué)會了用槳來改變航向。

后來槳的推進(jìn)和操作航向這兩種功能逐漸分離：人們在船尾設(shè)置了專門的槳來控制方向，并擴(kuò)大了槳葉面積；除了位置改變，操作也從原來的劃動變成不離開水面的左右擺動。就這樣，槳就逐步變成了舵。

早期的舵是斜伸出船尾的，在船后凸出較多。但這樣的尾舵槳也存在一些缺陷，比如遇到淺灘或靠岸時不易操縱。后來人們又發(fā)明了升降舵，可以根據(jù)水深調(diào)整舵的高低。當(dāng)船靠岸或駛?cè)霚\灘時，可以把舵吊起來，避免被折斷；不需要改變航向時，也可以把舵升起來，以減少阻力、提高速度；遇到風(fēng)浪時，把舵降到最低處，可以減少船體搖晃、降低船隨風(fēng)漂泊的可能性，行駛會更安全。

到了18世紀(jì)，人們發(fā)明了舵輪，也就是那個看起來像方向盤的裝置，通過這個“方向盤”帶動滑輪來操作后面的舵，就比以前省力多了，而且方向盤位置在甲板上的前方，也方便觀察海面的情況?，F(xiàn)在很多機(jī)械傳動類的兒童玩具，都會做成船舵的形狀，可見這一裝置深入人心。

舵輪要帶動鏈條，把力傳導(dǎo)至船尾的舵葉，仍然需要人力。為了更省力，舵輪最開始也做得很大。因?yàn)橹行陌霃酱?，力矩就大，用力就小。不過，即便這樣，4小時一班的操舵也讓水手們累得夠嗆。

隨著技術(shù)發(fā)展，機(jī)械傳動變成了液壓傳動，操作舵輪才變得輕松一點(diǎn)。目前的駕駛臺都是電腦控制的電子傳動同步電訊號，舵輪可以做得比方向盤還小。舵手只用手指撥動，舵輪就轉(zhuǎn)到需要的角度了。而且在寬闊海面跟平穩(wěn)路面一樣，是可以自動駕駛的，這大大減輕了航行的困難。

圖片說明：“中國環(huán)監(jiān)001”號船駕駛臺，駕駛臺中間就是比車方向盤還小的舵輪（張志友團(tuán)隊(duì) / 攝）

小小的舵如何操控大大的船？

首先要說一下，雖然隨著槳的兩種功能分離，慢慢變成調(diào)整方向的舵和負(fù)責(zé)推進(jìn)的螺旋槳，但它們還是一對好兄弟，經(jīng)常在一起。

螺旋槳作為推進(jìn)器，本身也有一些改變方向的功能，比如直葉推進(jìn)和噴水推進(jìn)，還有可調(diào)螺距螺旋槳能調(diào)節(jié)螺距來改變航向和航速，甚至可以360°旋轉(zhuǎn)的吊艙槳可把舵和槳合二為一，根據(jù)航行需要來調(diào)整推進(jìn)器的角度，以實(shí)現(xiàn)正航、倒航以及戰(zhàn)術(shù)機(jī)動需求。所以，螺旋槳通常也會跟舵放在一起，聯(lián)合起來方便操縱。

那舵本身是如何調(diào)整航行方向的呢？

圖片說明：航行中轉(zhuǎn)動舵葉改變航行方向

航行中操縱舵時，它兩邊的水流就會出現(xiàn)不對稱。比如上面這張圖中，如果舵偏向右，那右邊就是迎流面，左邊就是背流面。水流過時，背流面（左邊）的流程比迎流面（右邊）的流程要長，速度也更快，而流速快就意味著左邊的壓力更低，這時候兩邊就會有壓力差，這股壓力差就會推動船體順時針轉(zhuǎn)動。

速度越快，舵越靈敏。靜止時舵就比較笨拙了，沒辦法讓船轉(zhuǎn)動。而且航行的時候，只要轉(zhuǎn)舵，就相當(dāng)于增加了阻力，速度就會減小，所以我們要盡量少動舵、小動舵。

話說回來，駕駛室中那個操縱舵的手柄看起來小小的，那它到底如何影響并操縱萬噸巨輪呢？

舵裝置由舵葉、舵機(jī)、轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)、傳動裝置、操舵控制系統(tǒng)構(gòu)成。這一整套裝置一起工作，才能在規(guī)定時間內(nèi)，將舵轉(zhuǎn)到需要的角度并保證其有效工作。

rId8圖片說明：船舶完整舵裝置

其中，舵葉通常安裝在船尾，使船轉(zhuǎn)動；舵機(jī)及轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)一般安裝在舵機(jī)艙內(nèi)，舵機(jī)是動力來源，通過轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)將力矩傳遞給舵桿，從而帶動舵葉進(jìn)行轉(zhuǎn)動；傳動裝置一般有機(jī)械式、液壓式以及電動式，它傳遞操作系統(tǒng)的信號來驅(qū)動舵機(jī)；操舵控制系統(tǒng)則由舵手或船長操縱舵輪或者手柄。

相對于大船來說，舵葉雖然是小小一片，但由于位于船尾，它與船的重心相距很遠(yuǎn)，形成的力矩是相當(dāng)大的，可以很便捷地改變航向。

為了應(yīng)對一些緊急情況（比如船舶主電源失效），船上還會設(shè)置備用或應(yīng)急操舵裝置，通常由蓄電池或應(yīng)急發(fā)電機(jī)等應(yīng)急電源供電。這樣可以在緊急情況下也能操縱船舶，臨時控制船舶航向，確保船舶的航行安全。另外，在滿足使用要求的前提下,為了減少水流的力并提高舵的剛度和強(qiáng)度，要盡量減小舵的各部分的外形尺寸和質(zhì)量。

順便說一下，不僅水面上的船有舵，潛艇上也有舵，而且舵的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。因?yàn)闈撏Р恢皇窃谒婊蚰骋凰矫嫔线\(yùn)動，還要在垂直面內(nèi)上浮或下潛，而且兩種運(yùn)動可能會同時進(jìn)行，所以對舵的要求也更高：在航行中，潛艇不僅要保持、還要能迅速改變航向或深度。

圖片說明：潛艇舵示意圖

為了控制垂直面內(nèi)的運(yùn)動，潛艇上一般都裝有兩對升降舵：首升降舵和尾升降舵；同時，為增加航行穩(wěn)定性，尾部也設(shè)有水平穩(wěn)定翼。要操控潛艇在水平面內(nèi)的運(yùn)動，則要用到方向舵和垂直穩(wěn)定翼。方向舵用來改變水平面內(nèi)的運(yùn)動方向；垂直穩(wěn)定翼用于保持水平面內(nèi)的航向穩(wěn)定性。當(dāng)方向舵和首尾升降舵成各種不同的舵角組合時，就能靈活地控制潛艇在水面和水下的運(yùn)動。

掌舵有多難？

我們判斷船好不好開，一般會用穩(wěn)定性和回轉(zhuǎn)性來衡量。穩(wěn)定性就是船保持既定航向，作直線運(yùn)動的能力；回轉(zhuǎn)性是指船由直線航行進(jìn)入曲線運(yùn)動的能力——

通俗一點(diǎn)來總結(jié)，就是船走得直不直，彎拐得順不順，能在多大范圍內(nèi)規(guī)避碰撞等。

首先，為什么穩(wěn)定性這么重要？因?yàn)樵诤Ｉ系牟环€(wěn)定因素太多了。外界干擾如風(fēng)、浪、流等，都會讓船偏離航向。這跟車不一樣，開車的時候，默認(rèn)狀態(tài)就是直走，但船要保持直行向前，需要駕駛者不斷地操舵。所以，操舵的頻次、角度是衡量穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)。

航向穩(wěn)定性好的船，不用經(jīng)常去操舵，航跡接近直線。而穩(wěn)定性不好的船，會需要不斷糾正航向，航線更曲折，實(shí)際的航行距離更長。通常，如果平均操舵頻率不大于每分鐘4-6次，平均轉(zhuǎn)舵角不超過3°到5°，就可以認(rèn)為船的航向穩(wěn)定性是符合要求的。

同時，不斷操作也增加了操縱裝置和推進(jìn)裝置的功率消耗。由于操舵增加的功率消耗，一般占主機(jī)功率的2%-3%，而穩(wěn)定性不好的船，此處增加的功耗可能高達(dá)20%。

第二個衡量標(biāo)準(zhǔn)“回轉(zhuǎn)性”，則與船的避讓、靠離碼頭、靈活掉頭等密切相關(guān)。主要指標(biāo)是“定常回轉(zhuǎn)直徑”，這個指標(biāo)很重要，甚至曾是衡量船舶操縱性的唯一指標(biāo)。

我們可以通過下圖來理解回轉(zhuǎn)直徑的概念。

如果船先以零度舵角作直線航行，然后轉(zhuǎn)到某一舵角，并保持角度不變，船的軌跡將會是什么樣呢？

圖片說明：定?；剞D(zhuǎn)直徑示意圖。這個過程，可以理解成船前行、變向、再畫圓。

從上圖可以看到：船重心的軌跡會是先保持一段直線，然后發(fā)生彎曲，最后為接近圓形，像一個傾斜的大寫字母P。根據(jù)過程中運(yùn)動參數(shù)的變化，回轉(zhuǎn)過程分三個階段：轉(zhuǎn)舵、過渡和定?；剞D(zhuǎn)。這個過程，我們可以簡單理解成船前行、變向、再畫圓的軌跡。

首先是轉(zhuǎn)舵階段：以轉(zhuǎn)右舵為例，從開始執(zhí)行轉(zhuǎn)舵命令，到實(shí)現(xiàn)指定舵角為止的這個階段稱為轉(zhuǎn)舵階段，通常約8-15秒，航行半個船長。這個時間依賴于船和舵機(jī)功率大小。由于慣性很大，船開始幾乎按原方向航行，但阻力增加，航速開始減小。

然后是過渡階段：隨著時間的增長，舵力開始產(chǎn)生作用，但是并不是馬上轉(zhuǎn)向右舷，而是向相反方向（左舷）方向橫移。這是為什么呢？

圖片說明：舵力的分解示意圖

原因可以從船體的受力來理解（如上圖）：舵力的橫向分解力會使船體向轉(zhuǎn)舵的反方向橫移，當(dāng)橫移至最大時，這一段橫移就叫做反橫距；同時，橫移速度與船前進(jìn)的速度會疊加，這樣船的合速度就指向了左前方，于是漂角出現(xiàn)了（可以理解成你此刻正在前行的方向和船頭的夾角），如同舵的受力一樣，這時船的左右舷也產(chǎn)生了壓力差，因此在船體上形成了指向右舷的水動力。由于船體要比舵葉大很多，所以船體上的水動力要遠(yuǎn)大于舵力，由此，在船體水動力的作用下，反向橫移會逐漸轉(zhuǎn)為向轉(zhuǎn)舵一側(cè)的正向橫移，而船首一直保持向右回轉(zhuǎn)。

也正是由于這段反橫距的存在，所以假如當(dāng)船上有人左舷落水后，不要向右舷打舵，因?yàn)榇芸赡軙驗(yàn)榉礄M距向左運(yùn)動，撞擊落水人員造成二次傷害。正確的做法是向落水人員的同一舷方向打滿舵，拉開安全的反橫距距離，保證人員安全后，快速開展救援。

最后是定?；剞D(zhuǎn)階段：船的受力達(dá)到新的平衡，以一定的角速度作勻速回轉(zhuǎn)運(yùn)動，重心運(yùn)動軌跡為圓形。船進(jìn)入到定常階段后的回轉(zhuǎn)圈的直徑，稱為定?；剞D(zhuǎn)直徑（常用D表示）。滿舵條件下的定?；剞D(zhuǎn)直徑稱為最小回轉(zhuǎn)直徑，定?；剞D(zhuǎn)直徑與船長的比值稱為相對回轉(zhuǎn)直徑。

怎么判斷回轉(zhuǎn)性好不好呢？可以根據(jù)最小相對回轉(zhuǎn)直徑來判斷，“5”可以說是個分界線，比如對于回轉(zhuǎn)性極佳的小型快艇，這個值只有3，而船型細(xì)長、掉頭困難的驅(qū)逐機(jī)則可能達(dá)到10。事實(shí)上，大部分船的這個值都在5-7之間。

圖片說明：各種船舶的相對回轉(zhuǎn)直徑

回轉(zhuǎn)可不只是像圖中畫的那樣“掉個頭再轉(zhuǎn)一圈”。回轉(zhuǎn)時，船的速度會降低，在小舵角回轉(zhuǎn)時，航速變化不大；但在滿舵回轉(zhuǎn)時，因?yàn)樽枇υ龃?，大大消耗了螺旋槳的推力，船速甚至?xí)p小到回轉(zhuǎn)初速的40%左右。

而且，在回轉(zhuǎn)時還會出現(xiàn)橫傾，這是由于船體水動力、舵力、離心力等不是作用在同一高度而造成的，就像大客車轉(zhuǎn)彎過快時會翻一樣，如果橫傾角過大，甚至?xí)斐纱瑑A覆。所以，回轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)舵的速度，直接關(guān)系到船的安全。船在海上遇到困難需要變向、掉頭，或在靠離碼頭時要靈活轉(zhuǎn)身，都是在這個看似簡單的動作基礎(chǔ)上來做的，這也是回轉(zhuǎn)性這么重要的原因。

值得注意的是，船的穩(wěn)定性和回轉(zhuǎn)性還會互相制約，所以在艦艇設(shè)計(jì)時，應(yīng)根據(jù)其用途和航行區(qū)域?qū)Σ倏v性的要求而定。比如，對于近岸航行及反水雷艦艇，由于航向變動頻繁，對回轉(zhuǎn)性要求更高；而設(shè)計(jì)驅(qū)護(hù)艦時，則需要考慮到它常常以較高的航速保持直航，因此對穩(wěn)定性要求更高。

理解了穩(wěn)定性和回轉(zhuǎn)性之后，也就不難理解“掌舵開船比想象中要難很多”吧——大海航行靠舵手，舵手則靠高超的技能和強(qiáng)大的勇氣。