解读丨说说“舵”的那些事儿

  军舰远航，离不开舵。作为舰船上特有的装置，舵的性能直接影响到舰船的安全机动。舵手，则直接掌控着整条船的前进方向。在舰船航行中，舰长往往和舵手待在一起甚至亲自操舵，以便随时调整船的航线。

  汽车驾驶中，有个借用开船的说法：驾驶员靠左的方式叫“左舵”，驾驶员靠右的方式则称为“右舵”。那么，舵到底是什么，是船的方向盘吗？请看本期解读。

  舵其实是控制方向的一整套设备，除了常见的舵轮（就是舵手握着的那个像方向盘的东西），还有舵机，以及船尾的片状“舵叶”。这些全部加起来才能控制船的方向。

  最早的船舵，是由船桨发展而来的。古代，人们用桨在船的一边划动来让船前进。当两侧的桨力不对称时，船会转向，于是人们也学会了用桨来改变航向。

  后来，桨的推进和操作航向这两种功能逐渐分离：人们在船尾设置了专门的桨来控制方向，并扩大了桨叶面积；除了位置改变，操作也从原来的划动变成不离开水面的左右摆动。就这样，桨逐步变成了舵。

  早期的舵是斜伸出船尾的，在船后凸出较多。但这样的尾舵桨也存在一些缺陷，比如遇到浅滩或靠岸时不易操纵。后来，人们又发明了升降舵，能够准确的通过水深调整舵的高低。当船靠岸或驶入浅滩时，可以把舵吊起来，避免被折断；不需要改变航向时，也可以把舵升起来，以减少阻力、提高速度；遇到风浪时，把舵降到最低处，能够大大减少船体摇晃、降低船随风漂泊的可能性，行驶会更安全。

  到了18世纪，人们发明了舵轮，也就是那个看起来像方向盘的装置。通过这一个“方向盘”带动滑轮来操作后面的舵，就比以前省力多了，而且方向盘位置在甲板上的前方，也方便观察海面的情况。

  舵轮要带动链条，把力传导至船尾的舵叶，仍然需要人力。为了更省力，舵轮最开始都做得很大。因为中心半径大，力矩就大，用力就小。不过，即便这样，通常数小时定期换班的操舵，也让水手们累得够呛。

  随着技术发展，物理运动变成了液压传动，操作舵轮才变得不再费力。目前的驾驶台都是电脑控制的电子传动同步电讯号，舵轮能做到比方向盘还小。舵手只用手指拨动，舵轮就转到需要的角度了。而且在宽阔平稳的海面还能轻松实现无人驾驶，这大幅度的降低了航行的难度。

  “中国环监001”号船驾驶台，驾驶台中间就是比汽车方向盘还小的舵轮。图片由作者提供

  首先要说一下，虽然随着桨的两种功能分离，慢慢变成调整方向的舵和负责推进的螺旋桨，但它们往往需要联合在一起发挥作用。

  螺旋桨作为推进器，本身也有一些改变方向的功能。比如，直叶推进和喷水推进；还有可调螺距螺旋桨，能通过调节螺距来改变航向和航速；甚至有一种可以360°旋转的吊舱桨，能实现舵和桨的合二为一，根据航行需要来调整推进器的角度，以实现正航、倒航以及战术机动需求。

  航行中操纵舵时，它两边的水流就会出现不对称。如果舵偏向右，那右边就是迎流面，左边就是背流面。水流过时，背流面（左边）的流程比迎流面（右边）的流程要长，速度也更快。流速快则意味着压力更低，这时候两边就会有压力差，这股压力差就会推动船体转动。

  速度越快，舵越灵敏。静止时舵就比较笨拙了，没办法让船体转动。而且航行的时候，只要转舵，就等于增加了阻力，速度就会受一定的影响。所以，航海中有一个通则，就是尽量“少动舵、小动舵”。

  话说回来，驾驶室中那个操纵舵的手柄看起来小小的，它到底怎么样影响并操纵万吨巨轮呢？

  舵装置由舵叶、舵机、转舵机构、传动装置、操舵控制管理系统构成。这一整套装置一起工作，才能在规定时间内改变船舶的航向，并保证其正常航行。

  其中，舵叶通常安装在船尾，使船转动；舵机及转舵机构一般安装在舵机舱内，舵机是动力来源，通过转舵机构将力矩传递给舵杆，从而带动舵叶进行转动；传动装置一般有机械式、液压式以及电动式，它传递操作系统的信号来驱动舵机；操舵控制管理系统则由舵手或船长操纵舵轮或手柄，对整个舵装置进行控制。

  相对于大船来说，舵叶虽然是小小一片，但由于位于船尾，它与船的重心相距很远，形成的力矩是相当大的，可以很便捷地改变航向。

  为了应对一些紧急状况（比如船舶主电源失效），船上还会设置备用或应急操舵装置，通常由蓄电池或应急发电机等应急电源供电。这样，在紧急状况下也能操纵船舶，临时控制航向，确保航行安全。另外，在满足使用上的要求的前提下，为减少和应对水流的力，要尽量减小舵各部分的外观尺寸和质量，提高舵的刚度和强度。

  不仅水面上的船有舵，水下的潜艇上也有舵，而且舵的结构更复杂。因为潜艇不只是在水的某一水平面上运动，还要在垂直面内上浮或下潜，两种运动可能会一起进行，所以对舵的要求也更高：在航行中，潜艇不仅要保持、还要能迅速改变航向或深度。

  为了控制垂直面内的运动，潜艇一般都装有两对升降舵：首升降舵和尾升降舵。同时，为增加航行稳定性，尾部还设有水平稳定翼。要操控潜艇在水平面内的运动，则要用到方向舵和垂直稳定翼。方向舵用来改变水平面内的运动方向；垂直稳定翼用于保持水平面内的航向稳定性。当方向舵和首尾升降舵成各种不同的舵角组合时，就能灵活地控制潜艇在水面和水下运动。

  我们判断船好不好开，一般会用稳定性和回转性来衡量。稳定性就是船保持既定航向，做直线运动的能力；回转性是指船由直线航行进入曲线运动的能力——通俗一点说，就是船走得直不直，弯拐得顺不顺，能在多大范围内规避碰撞等。

  为什么要首先强调船的“稳定性”？这是因为海上的不稳定因素太多了。外界干扰如风、浪、流等，都会让船偏离航向。其复杂程度，远非开车能比拟——开车的时候，默认状态就是直走，但船要保持直行向前，需要驾驶者不断地操舵。所以，操舵的频次、角度是衡量稳定性的重要标准。

  稳定性好的船，操舵的频次相对更低，航迹也更接近直线。而稳定性不好的船，需要更高频次地纠正航向，航线也因此更曲折，实际的航行距离更长。通常，如果平均操舵频率不大于每分钟4~6次，平均转舵角不超过3°到5°，就可以认为船的航向稳定性是符合标准要求的。

  同时，不断操作也增加了操纵装置和推进装置的功率消耗。由于操舵增加的功率消耗，一般占主机功率的2%~3%。而稳定性不好的船，此处增加的功耗可能高达20%。

  第二个衡量标准“回转性”，则与船的避让、靠离码头、灵活掉头等紧密关联。船的回转性好不好，要看“定常回转直径”。这个指标很重要，甚至曾是衡量船舶回转性的唯一指标。

  船进入到定常阶段后的回转圈的直径，称为定常回转直径。满舵条件下的定常回转直径称为最小回转直径，定常回转直径与船长的比值称为相对回转直径。

  怎么判断回转性好不好呢？能够准确的通过最小相对回转直径来判断。“5”是个分界线。对于回转性极佳的小型快艇，这个值只有“3”；而船型细长、掉头困难的驱逐舰则可能达到“10”。事实上，大部分船的值都在“5~7”之间。

  回转可不只是“掉个头再转一圈”那么简单。回转时，船的速度会降低。在小舵角回转时，航速变化不大；但在满舵回转时，因为阻力增大，大大消耗了螺旋桨的推力，船速甚至会减小到回转初速的40%左右。对于军舰来说，回转性灵活与否，直接决定着其战斗力的高低，特别是在近距离海战的情况下。

  在回转时，船还会出现横倾。这是由于船体水动力、舵力、离心力等不是作用在同一高度而造成的。就像大客车转弯过快时会翻一样，如果横倾角过大，甚至会造成船舶倾覆。所以，回转时转舵的速度，必然的联系到船的安全。船在海上遇到困难需要变向、掉头，或在靠离码头时要灵活转身，都是在这个看似简单的动作基础上来做的，这也是回转性这么重要的另一个原因。

  值得注意的是，船的稳定性和回转性还会互相制约，所以在舰船设计时，应根据其用途和航行区域对操纵性的要求做出不同的选择。比如，对于近岸航行及反水雷舰艇，由于航向变动频繁，对回转性要求更高；而设计驱护舰时，则需要考虑到它常常以较高的航速保持直航，因此对稳定性要求更高。