【转载】风帆的艺术（二）

风帆战舰的迎风性能（Windward performance）

      昨天所谓“逆风使船”确实是违反物理规律的标题党——由风来驱动的帆船，无论如何也不可能顶风、朝“风眼”（Wind eye），即风吹来的方向直接行进。那就要变通一下。通过不断转弯、调头，使许多不直接顶风，而是仅仅迎风、或者侧风、顺风的航迹，最后拼接成一条曲折通向风眼的路径。这种母猪不能上树采取强制措施也要让母猪上树的“迎风航行”、“向风航行”、“上风航行”、“顶风航行”、“逆风航行”，风帆时代英语里称为“Working to windward”，今天叫“Beating to windward”总之即费尽力气，努力朝上风移动。

这种迎风机动性能（Windward performance）是风帆战舰特别需要的，迎风绕到对手的上风去，即“抢占上风”（Weather gage）是风帆时代单舰决斗和舰队决战的不二法门。

      上风总是属于英国，即使是面对船艺技巧更高的荷兰人，图为1666年四日战争，荷兰大胜。

      为什么要“抢占上风”？当然了有容易击中下风对手水下船体、火炮发射的浓厚硝烟都被吹向对手，等等“战术优势”，如图：

      不过这些都是占据上风后的“好处”，但根本原因在于占据上风就占有了“战术机动性”上的极大优势，其成因如下图：

      风吹过上风的战舰，就被战舰林立的桅桁帆索给搅乱了，好像大河中的一块磐石那样，造成一篇混乱的“尾流”，而下风的战舰就正好处在，上风战舰下风侧的这片湍流当中，造成下风战舰机动力的降低——上风加机动力buff，下风机动性debuff。

为什么会这样？

      首先，湍流区向下风延伸的长度，一般可达战舰帆装高度的4到5倍，战舰主桅杆高度=最大宽度的四倍，战舰宽13到15米，吃水5米，于是从龙骨一直伸向天际的主桅杆耸立在海面上50多米，这样上风战舰的下风湍流区长达200到300米。而200到300米是当时海上炮战的有效距离：

【1】虽然战舰上连最小的12磅、9磅加农炮，仰角十几度都可以用抛物线弹道打出两千五百米的射程，但是由于海面上敌我都在不停摇晃，所以为了能打到对手，只好放平炮口做0°或者1、2°的直线射击，炮口俯仰只是为了抵消船体横向摇晃。直线射击时由于重力影响，弹丸下落效果很明显：飞行200米，弹丸下落2米；飞行400米，弹丸下落7米——接近整个战舰两到三层炮甲板的总高度，这样直线射击只能在200到400米以内。

【2】刚才是纵向上的准确度，横向上准确度也很感人：在陆地靶场，没有船只摇晃的情况下，200米外打2米大小的目标，准确度三分之一，600米外下降到10%以下。这是因为当时火炮从炮口装填，为了方便装弹，弹丸其实比炮管小，发射时就在里面乱撞，出膛时带有一个难以估测方向的瞬时速度。

      所以为了能有效命中，当时交战距离完全在下风乱流区的范围内，而且两舰之间炮击，炮口冲出的火药气流也会为这湍流区添砖加瓦。

于是，如果上风战舰不敌，就可以朝上风“迎风航行”逃走，而下风战舰在湍流里、追赶不力，距离越拉越大，最后只能望着敌人远去的背影暗挑中指；

      如果下风战舰不敌，她却逃不了，还因为她在湍流里，顺风航速也慢。

这就是风帆时代抢占上风的真正必要性，为此必须让战舰具备一定的迎风机动能力。

      怎么办到呢？还靠前文描述的2种风帆：

http://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404030082933990594&mod=zwenzhang

      首先，纵帆可以直接“迎风航行”，比如下图：

      这种纵帆是法式“Lugger”帆，可以翻译成四角斜纵帆。图中旗子大约可以感受到船是正在迎风航行的（当然旗子体现的是“相对风”），比如风从北边来，船最近可以沿着北偏东30~40°，及北偏西30~40°的方向，迎风航行。这种离风向最近、贴着风的航行姿态，学名近迎风航行，胖达喜欢说得更形象：“贴风”航行（(Sailing) close hauled, Sailing by (the wind)）。图上这样右舷迎风，则进一步精确描述为“右舷戗风-贴风航行”，“戗”即抢的古代海上黑话，显得文艺，平白一些就是“右舷抢风-贴风航行”（(Sailing) close hauled, on the Starboard tack）。

      这样，纵帆船就可以朝风眼航行了，一会在风向左边贴风行进，然后换到右边再行进一会，如此往复“之航”，就能“顶风”前进了，如下图：

      这种一会“右舷抢风-贴风航行”、一会“左舷抢风-贴风航行”的“之航”，从古代到今天的帆船航海，都称为“掉戗”，通俗一些：“调戗”，台湾人民翻译其对应英文“tacking”为“换舷”，都太不直接了，胖达我直接翻译成“迎风转向”，没有任何黑话，一望而知，但为了显得专业，下文还是“调戗”。

另外，纵帆操作简单，所需人手很少，所以风帆时代商船都以纵帆为主：直到19世纪70、80年代、开通苏伊士运河（1869）之前，世界海上贸易总额的绝大部分，不是由堪比战舰的雄伟东印度商船来承担——那种高成本的运输工具只能跑垄断经营的畸形高利润航线——而是由数量众多的载重200~300吨的纵帆小船承担，比如下图这艘正在逃避缉私船追捕的走私船。

      上图，一艘朝下风逃跑的Lugger“四角斜纵帆”帆装小船，可见这种纵帆的灵活——跟天朝蓬帆一样，可以当纵帆迎风、也可以当横帆顺风航行。

然而战舰却没有办法配备这样的纵帆来迎风航行，如前文介绍：

http://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404030082933990594&mod=zwenzhang

战舰本质上是一艘搭载大量物资的肥大货船，长50米以上、宽12~15米，吃水数米，靠纵帆根本推不动。如下图，一艘搭载10来门炮的“护卫炮艇”（Corvette，英国“Sloop-of-war”）和长50多米的74炮战列舰之间的对比，一般小商船比这种炮舰还小。

      如上图，护卫炮艇也许改成纵帆帆装会更加灵活，但是为了凸显她们属于“战斗舰艇”，非要穷酸地布置上战列舰般的“全帆装”（Ship-rig），就像孔乙己的长衫——又或许推进力有限的纵帆，连这样小的炮艇都无法推动。

所以战舰必须以横帆为主。

      上图是1628年瑞典瓦萨号盖伦（Galleon）-战列舰（当时已经是盖伦向战列舰过渡的时代了，战舰已有组成战列线单纵队的能力，但还没有采用该战术）。这船上除了后桅杆有一面大三角帆之外，全是横帆。这代表了15世纪卡拉克船以来的一贯状况，大型武装商船、战舰，基本只能顺风航行，尾部配备大三角纵帆帮助转向。

      荷兰阿姆斯特丹博物馆“威廉大帝”（William Rex）号大比例船模，从17世纪后期开始，当时造船和风帆航海技术领先世界的荷兰，最先在战列舰上引入舰首和桅杆之间的纵帆——荷兰战术强调机动穿插，所以战舰操纵性、转型性能、迎风性能，搭配荷兰高超的船艺操作，才能够在对英法的作战中，屡次以寡击众；而且是受到水文条件限制，只能使用小船、小炮的情况下。

      于是战列舰这种横帆船（Square rigger）从17世纪末“定型”开始，配备了大量辅助纵帆。

      【纵帆与横帆：为什么哥伦布是从西班牙出发，而不是从纬度更高的法国、英国出发发现美洲的呢？

      因为当时只有小型探险船“卡拉维尔”船是纵帆船，携带大量物资的大型探险船都是横帆的“Nao”、“卡拉克（Carrack）”船。

葡萄牙人爱用的卡拉维尔，长宽比达到5:1以上，细长阻力小，所以纵帆才能推动，15世纪的葡萄牙远东探险队，都是大量这种船，和一艘卡拉克，如下图：

      卡拉克非常肥硕，长度只有最大宽的2倍多点，所以只有横帆能驱动。葡萄牙人靠小纵帆船探路、大横帆船携带物资、当作“骆驼”，最后大船要么搁浅后防火烧毁、回收金属件，要么直接在海上丢弃。

      哥伦布的横帆船远洋探险队，从西班牙出航，出门就遇上“信风”，从东北往西南吹，一路顺风，给送到加勒比。相反，英法的战舰，出门就遇到从西南往东北吹的西风带、没有风的副热带高气压带；要横跨大西洋，必须从高纬度“迎风航行”（Working to windward）到西班牙附近。】

      以横帆为主的战舰，纵帆只能作为“空气舵”辅助转向，必须拿横帆当纵帆用，赋予战舰一定的迎风机动能力。

      如何实现呢？首先看看纵帆如何实现迎风航行的：

      这是百慕大帆装的美式运动帆船，典型的纵帆船，比赛的航线就是前文那样的迎风之航。主要推力来自桅杆后面一面巨大的三角形主帆“百慕大帆”，桅杆前有前后、大小两面首帆。这里就当只有一面，于是过图中红线横剖面，流场图就会大致如右边所示。这就是“伯努利流体力学原理”的具象化体现。风以不大的角度吹向帆——但也要有一点角度，这个角度称为“攻角”（Attacking angle）；同时软帆又随风弯曲成弧形，于是帆前后两侧气流速度就不一样了。

      形象地看，就像20名小兵排成10-10两个纵队，都必须在5分钟内，从这道弧形隔墙的两边跑到另一头去——即，气流经过纵帆两面的“流量”（Flux）一样大。自然，抄近道的迎风面“小兵”可以走得慢点，于是和“隔墙”相互作用的机会更多，这样就造成此面压力大；相反背风面的“小兵”要在同样时间内跑完更多路程，自然跑得快，和“隔墙”相互碰撞的机会少，压力小——这便是伯努利原理。

      于是流场图上可以看到两面纵帆产生了朝向下风侧的横向压力，这道理跟飞机完全一样，所以习惯上称纵帆这种横向压力为“升力”。

      如右上图，要“贴风航行”（Close hauled），只要让帆和龙骨偏开很小的角度，就能让“升力”的一小部分转化为沿着龙骨推力（Thrust，红色标注）；而大部分则导致船体朝下风倾斜（Heeling）、并向下风偏航（Leeway），玫瑰色标注。

      纵帆对龙骨的偏开角，至少10°，否则升力分解到首尾方向上的实在太少了。如上图最右上，风从左舷来，龙骨实际上最小要在纵帆右边10°。

而在古代，帆对风的这个“攻角”也不能小于20°，10°以内肯定不行了。因为古代麻布材料制作的帆，纤维的强度低，迎风的“前缘”（Luff）会在风中抖动（Shivering）——迎风的气流时而从帆迎风面流过，时而从背风面流过，产生湍流，纵帆“升力”就被破坏了。

      这样，如上图最右上，当时纵帆船“贴风航行”（Close hauled），与风向夹的最小角度是30到40°，很难更小了。

      【今天的超级纵帆船：美洲杯赛艇。

      左边为船头。主帆是一面巨大的大展弦比“硬帆”，如同机翼，也不会在风里抖动、随风改变形态，造成湍流损失推力。目前采用的船体（上一届比赛冠军得主指定，挪威）是仿照大西洋古代航海民族的大独木舟“CATAMARA”，并带有水翼，航速高船体就会飞离水面（如图，可见左半边船体尾部的水翼）。迎风航行似乎可达20多节，但也容易翻船，发生淹死全体人的惨剧（已发生）】

只要把横帆转过来，转成纵帆那样的角度，不就可以迎风航行了么？

      这就是“只能用横帆顺风推进的”风帆战舰，如何实现“贴风航行”（Close hauled）的办法：将横帆大角度偏转（Brace sharp up）、迎风。

      18世纪末、19世纪初，一艘法国74炮战列舰“贴风航行”（Close hauled），三根桅杆上8面横帆都偏转到最大，几乎跟首尾、桅杆之间的纵帆平行。这是从背风（Lee）这一面看，下图则是从迎风（Weather）面看的、1765年刚刚下水的胜利号在“贴风航行”。

      前文说了，纵帆船可以在风向左右最小30到40度的范围内迎风作“贴风航行”。战舰呢？战舰最小只能做67°迎风——大大超出45°，许多人恐怕都觉得不叫“迎风”了。

      首先，战舰的横帆，也必须让风从帆后面20°以上吹来，帆才能鼓起来、不抖动，这跟纵帆一样。

      但关键原因在于下图，横帆桁转动受到支撑桅杆的索具的妨碍：

      可见，帆桁转动时，左舷朝前的部分会被前面的“前支索”挡到，右舷朝后的部分会被后面“侧支索”挡到。结果横帆桁实际上只能左右转动至多50°多点，就已经叹为观止了，这样战舰迎风夹角最小也大于60°不少。

那么把这些碍事的支索去了不就行了吗？

      天朝帆船的蓬帆一般是当作纵帆操作，但是需要的时候就可以转90°横过来呈蝴蝶帆状，当作横帆顺风推进。许多人把这当作祖先“智慧”的一个象征，与之对比的就是西方一门心思横帆、“执迷不悟”，造成战舰非常笨重、机动不变。

      但结合前一面图的分析，显然这只是因为中国船桅杆没有那么多四面支撑的索具挡道而已。为什么没有呢？因为船小、桅杆只有一层，而如果要搞成西欧16世纪后期以来那样个头不断长大的大海船，由于木料的强度有限、巨木也难以寻找，就必须上中下三段桅杆拼接，并需要永久式的、四面八方的索具加以稳固来对抗风力了。

      上图，1670年代英国战列舰，登记“吨位”1000多吨，实际排水量可达2000多吨，那个时代绝对大船了，可见桅杆朝下风弯曲，如果没有索具支撑，就可能永久变形或者折断。

      【显然，船体宽大，许多根桅杆、但桅杆不高，全是纵帆的“郑和宝船”只能存在于我们心中。那么宽的船体，纵帆无法有效驱动；排列密集的纵帆则会相互挡风，它们之间的湍流（类似本文开头），也会极大降低帆装整体的推进效果。还是洋人YY的郑和宝船更靠谱一些：

“瘦身”了许多，达到西欧战列舰3.5:1的“苗条”身板，帆装也注意了防止相互遮挡，但显然顺风航行还是无力的，而只有顺风航行效率最高最省力，西欧航海的经验也体现了横帆作为远洋大船不二之选的合理性。】

      于是，风帆战舰“贴风航行”最小角度只有67°。

      同样，战舰也可以模仿轻盈的赛艇，不断“调戗”（Tacking）作“迎风航行”（Working to windward）。下图：横帆装船舶（Square rigger），如战舰，调戗的复杂机动。

      一般来说，单层炮甲板的“巡航舰”（Frigate）和两层炮甲板的74、80炮大型三等战列舰，

（http://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404017384330544098&mod=zwenzhang ），因为比例合理（http://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404019551896504193&mod=zwenzhang， ）船型低矮，所以转向灵活，可以不断调戗而迎风之航。

而笨重的三层甲板战列舰则只能实现六、七十度贴风航行，调戗就很难实现。

     

如图是1805年，英国人受到西班牙四层炮甲板巨舰“圣·三位一体”刺激后提出的方案、“肯特公爵”号四层炮甲板“超战舰”。这高出水面10米以上的侧影，结合战舰不到60米的船体长度（长：高6:1），就是一面无法收起的大帆，一个劲把船朝下风推去，根本无法迎风航行。相反，法式80炮两层甲板战列舰，长60米多，舷侧高约7米余，长：高比9:1保障了类似轻型战舰的机动性，这些法国战利品，成了1805年后英国近岸封锁法国军港的利器（http://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404027900180461983&mod=zwenzhang ），因为她们转向灵活，风向改变后可以及时做出反应，而三层甲板的大船只能无助的被吹向陆地的大风，推到暗礁上触礁、推到浅滩搁浅。

      这样，胖达我几乎不涉及任何帆装索具的细节，简单从物理原理上描述了西欧风帆战舰迎风航行的情况。

      实在没法迎风之航的笨重战列舰，要往风眼行船，怎么办呢？

胖达一直念叨的油画里的“旗子”是相对风，这是怎么回事？

战舰横帆桁可以转动，那么随着风向改变，如何转动能获得最大推力呢？

战舰从迎风到顺风，各个角度来风航行时有什么特点呢？

下回再做原理介绍。