[转载]风帆的艺术（一）

1765年试航的第四代胜利号（今天保存于朴茨茅斯古代船务）在逆风航行（学名：“近迎风”航行）

看到这两幅画中战舰翩然张开风帆稳健行进的雄姿，博主我不禁暂时停下追忆19世纪旧事的脚步，细细品味画中操帆行船的种种巧妙之处——毕竟已经写了这么多回，还几乎没有讲过风帆战舰的帆。当然，作为一头文艺的理科胖达，博主的这种品味还是充满了姿势，尽量通过图片与形象描述让它便于理解。

但凡描绘帆船的绘画作品里，背景一般都是天光云影和船体下时而汹涌狂暴时而万顷碧波的海面、航道，就像这两幅画一样。但其实画中除了船、天、海，还有一个无形的重要配角，那就是风。比如这两幅画，风向是怎样的呢？不管船往那边开，帆总是尽量迎风张开的，相信即使没有出过洋，图上那样的帆也会让人产生这样的感觉。

没错，上面两张图里帆“打开”的角度给人感觉是不同，风仿佛就从帆的后面吹来。但这是无形的，有形的标志在所有的帆船画里也都存在，那就是桅杆和船尾插的旗子。上面第一幅图里，战舰朝左行进，旗子也朝左，说明战舰是顺风航行；而第二幅图里，战舰朝画面里左前方行进，但是旗子却朝战舰右后方飘着，说明战舰在逆风航行。

写到这里可能有的朋友就觉得纳闷了，图中这种帆能够逆风航行么？这种帆都是迎风张开、被风兜起来，然后推着往前走的，怎们能逆风航行呢？

这种疑问很有道理。博主高中一年级和二年级的时候在物理和数学课上，学过“向量分解”和“相对运动”的知识，也许不少的朋友也都学过了吧。根据这些科学道理可以推论，战舰上旗子瓢摆的方向，其实是风相对于船只航行方向的一种“表观”体现，并不是真实的风向，18世纪后期的海军军官才开始隐约意识到这个问题。这下问题就复杂了，战舰到底能不能逆风航行呢？还要从了解战舰上的风帆开始。

如图是一艘17世纪的英国三层甲板战列舰（加冕号 HMS Coronation, 1685）。模型特意没有挂帆，整个林林总总、迷宫般的绳索就是操作那些帆，让战舰能够灵活顺分和逆风行驶的必须设备，那这样看来是可以告别本博客了——这至少200多个零件是不可能记得住的。

但这种充满韵律感，具有平衡的、秩序美感的“桅桁帆索”（Rigging）是每艘战舰不可缺少的核心部件、帆船推力的来源。不过好在这看似复杂的索具，原理非常简单，跟几千年前人类刚刚学会驾风使船的时候是一样的，就像下面的古船模型：

这是一艘北欧帆船，只有一面帆，跟船体首尾方向大致垂直，可以顺风航行。当然顺风很少是从正后方来的风，学名“正尾风”（Following wind），一般会从左右侧后方来。那么为了获得最大推力，显然这面帆需要能够左右转动、偏转，保持时刻迎风张开。就像上图那样，如果左边是船头，那么风就是从右后方来，帆稍稍朝右舷偏转。（实际上这是一艘双头船，前后都可以行进，不用转弯）

还有另外一种风帆，比较类似今天的风帆赛艇运动，如下图17世纪的瑞典仿荷兰风格“游艇”（Yacht，当时就是小快艇的意思，国王金碧辉煌装饰天鹅绒地毯的，也叫yacht，村头二愣子家的摆渡船，破麻绳加破木板，也叫yacht）：

这种帆是大致沿着船体首尾方向张开的，除了顺风航行，还可以逆风航行。比如风打北边吹来，那船可以朝东北、西北方位航行，而且往往还可以朝更贴近风向的方向航行，比如正北方偏东30度、正北方偏西30度。

第一种帆显然思路比较直接，所以人类早期的文明，比如古埃及时代，就开始采用了。这种称为“横帆”（Square sail），因为是“横过来”，与首尾方向有很大角度的，适合简单的顺风航行。洋人思维比较线性，从古埃及到古希腊再到古罗马再到欧洲中世纪，这面横帆都是他们几乎唯一的航行设备

如图，一艘中世纪后期的欧洲帆船，至于是柯克船还是什么的胖达没兴趣纠缠概念，总之那3000年前古埃及壁画上已经存在的横帆仍然巍然屹立，对照1755到1860年的所谓“风帆战舰”来看，后者也只不过挂了好几层这种横帆而已。

上图，一艘英伦74炮战列舰，巨大的三面横帆，它们上下还各有处于折叠状态、没有打开的类似横帆。

因此按道理讲，这种以横帆为主的笨重战列舰是没法逆风航行的。

第二种帆就更加构思机巧，可以逆风使船，这种帆最早是通过中亚的阿拉伯人等，从东方，即印度和南洋等地，逐渐“东法西渐”到西方的——不是因为东方人就是比西方人思维跳跃，实在是天气条件的无奈。我国东南沿海直到南洋，都是季风气候，风向非常混乱多变；而西方文明则面对相对平静的地中海和气流规则的大西洋信风带。所以东方帆船必须采用第二种帆，每当气流突变，即使帆不能够大角度张开、迎着风向，船只仍然能够前进，甚至是逆风前进。

上图，中国的蓬帆，大部分时间都是这样纵向沿着首尾设置，用于适应多变的风向。

上图，地中海各民族使用的大三角帆，也称拉丁帆，都是基于阿拉伯人的三角帆而来的，显然是类似于我国的蓬帆纵向前后设置的。

再加上前面欧洲的类似帆装，这种沿着首尾纵向设置的帆就称为“纵帆”（Fore & aft sail）。

横帆只能顺风航行，纵帆可以顺风、逆风随意航行，看上去，欧洲人要是放下他们的高傲自尊，把风帆战舰都改成纵帆那不就更加如虎添翼了么？

其实横帆、纵帆各有利弊。

横帆虽然只能顺风航行，但因为把大部分风都“兜起来”了，所以推力很强大。

16世纪直到17世纪早期的人们，凭感官觉得，帆被风吹成了弧形就是“兜住了风”，推力大，于是那时候油画上常见上图这样的情景。后来到了17世纪后期才发现这是浪费风力，被“兜住”的风都化作了湍流（其实横帆上被帆拦住的气流总是最终化为涡流）。但不管怎样，横帆这种简单直接的方式，推力很大。

相反，纵帆优点就是灵活地逆风前进，如下图10门小炮的武装独桅快艇（Cutter）逆风航行：

这道理就是跟飞机的机翼一样，风从帆左右两面流过，但是帆都朝下风一侧鼓起来，就像上图，于是帆两面的风速不同，对帆产生的气压不同，就造成了一个横向的推力（上图，由画面里朝外），其中有那么一点沿着首尾方向的，可作为推进力。所以纵帆船也不能完全逆风航行，只能在风向左右最小20度角的范围内“逆风”航行，好让纵帆上横向的推力尽量用于推进。简单地说，纵帆上的气流大部分都顺着帆面流走了，只有一小部分算是被“拦住”，产生了推进力。

所以纵帆逆风航行的代价是推力小。

所以风帆战舰还是只能依靠横帆——因为风帆战舰太肥了，而肥是搭载火炮的需要。

这是一门18世纪的英国32磅炮（不是鸦片战争缴获英夷的就是英国佬黑心买给天朝的陈年旧货，鉴于这种重炮都在战列舰上，被天朝缴获的可能性基本为零，所以应该是中英奸商勾结所为。），可以看到那三米长的炮管。

铸造火炮的模具就像在地上打一口井，往里面灌注铜水或铁水。在16世纪，因为铸造工艺落后，为了让融化的铜水、铁水倒进模具后，能够靠自重把自己压得更加结实、紧密，从而铸造出更加坚固的炮身，当时火炮比上图这炮还长，可达3米半以上，所以叫它们长炮（Culverin，国内通用音译寇菲林，差评，读到这几个字的人，连这是炮的名字都瞧不出来）。这样的炮，发射时后座还要至少一米半，结果战舰两舷配备这样的炮，就要至少宽12米以上，这样才能在中间留下人员来往和搬运物资的过道。

上图，16世纪的舰载锻造大铁炮，可见整个装置至少四米半。

前文说了，木船不可能造得太长，50来米已经是极限长度了，所以长宽比4:1不到的战舰，真是肥硕得不行（今天战舰一般在8:1以上，这样不用功率超大的主机，也能开到30节以上航速，苏联二战后的柴电潜艇，有达到12:1这样细长的，因为常规动力潜艇推进功率更加可怜），必须横帆顺风才能把她们推动。任何长距离的航渡，比如跨越大西洋，靠横帆顺着信风前进都是少不了的，这样才能达到比较高的航速，不然航行时间太长，根本到不了目的地，船上的人就因为没有淡水和食物而死了。

但是战舰还要战斗。此时，哪怕对手逆风航行能力再糟烂，只要我方只有横帆，无法逆风航行，对手就可以朝我方战舰去不了的方位上转向，从那里发起攻击，令我方无法还手。

上图，15世纪地中海排桨船（Galley，通译“加莱”）大战“卡拉克”（Carrack）船，也就是那时候的大型武装商船，风帆战列舰的前身。可见远景，也就是上风处大量排桨船驶来，画面左下大卡拉克被排桨船从四面包围、攻击。划桨船不依赖风帆，所以可以随意逆风行进，尽管200号人划船的速度也不过是最高4、5节，但大卡拉克几乎无法逆风航行，于是排桨船就得了便宜。

上图，地中海排桨船，可见船头盒子一样的部分里面有大小三门船头炮，后面船身里全是桨，上百号人凄惨地在被鞭子抽打着划桨（仅限于疲劳了没跟上整体节奏的时候）。航渡时可用前文介绍的大三角帆。排桨船可以逆风划到卡拉克舰载大炮射界之外，用船头炮轰击对手。

所以以横帆为主的风帆战舰，还是需要几面纵帆，拥有一定的、微弱的逆风航行能力，至少风帆战舰相互格斗的时候，可以大大增强机动性。

弗兰德斯大卡拉克战船，约1560年代（弗兰德斯大约是今天法国北部、比利时这块地方），可见艉楼上的两座小桅杆都挂了拉丁大三角帆。如此肥硕的身躯靠它俩应该是推不动，推力还是来自前面两根桅杆上的横帆。但是这两面艉纵帆远离船体重心，又产生的主要是侧向的推力，所以它们的主要作用是帮助战舰转向——力臂很大的侧推力，就是“空气舵”。

18世纪上半叶，瑞典的64炮小型三等战列舰，可见战舰首尾都有三角形的纵帆（把横帆转过来“压扁”到画纸上，是历来帆船设计是帆装示意图的惯例，今天还是如此）。纵帆在首尾，也是因为中间部分被横帆给占满了，纵帆也可以布置在横帆之间，就是用得少，主要依靠战舰首尾的纵帆，来作为“空气舵”帮助战舰转向。如下图，红色标注横帆，黄色纵帆。

即，沉重肥硕的战舰必须依靠大量横帆航渡，但作战时如果有一些逆风航行能力，就能盖过对手一头。

可是以横帆为主的战舰，纵帆很少，推力微弱，主要用于帮助转向。

要是能把横帆当纵帆用，从而逆风行进，岂不美哉？——就像上图这艘战舰一样。具体实现的办法且看下回。