腳踏明輪船傳動機構研究（上）
——兼論《千里江山圖》里沒有“腳踏船”
2023-02-07 18:08:52中國造船工程學會船史委沈毅敏
航海 2023年1期
中國造船工程學會船史委 沈毅敏
0 引言
明輪船，在中國古代又稱為“車輪舟”“千里船”“水車船”“車船”“輪舟”“車輪舸”和“輪船”,等等。明輪船是指船舷兩側或船艉安裝輪槳（槳葉輪）進行推進的船舶。葉輪上部顯露在水面之上，故稱之為“明輪”。它可用人力或蒸汽機驅動。事有湊巧，這兩種不同動力的明輪船在歷史長河中曾經狹路相逢——在第一次鴉片戰爭期間，英國“復仇女神”號蒸汽動力明輪軍艦在吳淞海戰中偶遇并俘獲了清朝水師的腳踏明輪戰船。
在中國船史研究范疇里，涉及車輪舟研究的學者和文章不是很多。其中有周世德的“‘車船’考述”[1]，文尚光的“中國輪槳船的興衰”[2]、何國衛的“比西方早一千年的中國車輪舟”[3]、頓賀與席龍飛的“宋代23 輪車輪戰船復原研究”[4]。
這些文章，學者們以飽滿的熱情，列舉了從晉朝開始，歷朝歷代的前輩在水戰中發明改進和大規模應用車輪舟的史實，謳歌了前輩們在船舶推進技術上所作的歷史貢獻。遺憾的是，這幾篇文章除了頓教授披露了復原船的主尺度、葉輪直徑以及中心距以外，對于車輪舟的技術細節幾乎沒有說明。所幸的是，頓教授所在的武漢理工大學船史研究團隊以他們為有關博物館研制的車輪舟模型（見圖1）為我們了解車輪舟的技術細節提供了窗口。從網上下載的圖片中，我們可以看到，這艘船的腳踏驅動軸就是葉輪軸，也就是說，是直接驅動的（見圖2）。
圖1 23 輪車輪舟模型[5]
圖2 23 輪車輪舟解剖模型[6]
但是，這就是腳踏明輪船傳動機構的全部了嗎？疑問依然存在——筆者略舉兩例：
（1）比利時收藏的清代中國腳踏明輪船模型
2012年6月，中國航海博物館舉辦了“遠帆歸航”的展覽，展出了來自于比利時安特衛普河邊博物館的3 艘晚清的中國船模，其中有一艘是廣東的車輪舟模型（見圖3）。這艘船分為3 個艙，最前面是客艙，然后是水手的操作艙，最后面是推進的輪槳艙。那么，中艙里的水手們腳踏所產生的動力是如何傳動到船艉的輪槳上去的呢？
圖3 比利時收藏清代中國腳踏明輪船模型[7]
（2）清朝水軍的腳踏明輪戰船
有一本介紹英國東印度公司蒸汽明輪軍艦“復仇女神”號的書（見圖4），其中記載在第一次鴉片戰爭遭遇清朝水軍腳踏明輪戰船的經歷時寫道：“與此同時，‘復仇女神’號不再拖曳‘摩底士底’號，它沿河而上，去襲擊一支中國平底帆船艦隊。讓‘復仇女神’號上的船員們既驚訝又好笑的是，這支艦隊中有5 艘新造的‘輪船’。這種奇怪的船只由兩組直徑為5 英尺的明輪驅動，這些明輪通過手工操作，由甲板下方的絞盤經由木齒輪帶動。”[8]這些描寫文字中，提到了中國的“輪船”上有“絞盤”和“木齒輪”。至于這些構件是如何組合起來的？書中沒有介紹。
圖4 《復仇女神號》的封面[9]
帶著這些疑問，筆者開始搜集有關腳踏明輪船的資料，包括文字圖片和視頻。本文就以這些資料為依據，試圖解開這些謎題。
1 清末典籍的敘述
中國古籍對于腳踏車輪戰船的描寫，敘事多于寫實。只有清末的《海國圖志》略好。這本書是清末魏源所著，是國人看世界第一書。在《海國圖志》第八十四卷里刊有鴉片戰爭前后，中國官商鄉紳承造木質戰船的情況，其中有部分戰船用輪槳推進：
（1）“批驗所大使長慶，承造水輪戰船一只。船身長六丈七尺，艙面至船底，深四尺三寸，頭尖連陽橋寬五尺三寸，中連陽橋寬二丈。兩頭安舵兩旁分設槳三十六把，中腰安水輪兩個，制如車輪。內有機關，用十人腳踏旋轉。輪之周圍，安長木板十二片，如車輪之輻，用以劈水。”[10]
（2）浙江余姚縣知縣汪仲洋寫的《安南戰船說》中記述：“一種車輪船圖，前后各艙，裝車輪二輛，每輪六齒，齒與船底相平。車心六角，車艙長三尺，船內兩人齊肩，把條用力，攀轉則輪齒激水，其走如飛。或用腳踏轉，如車水一般，船身長一丈七尺五寸，船艙肚闊五尺，船邊護木，離船一尺一寸，頭尾用木篷，中用竹篷，船篷至底高六尺馀，一半入水。如船輕用石壓之，蓋船底入水一尺，則輪齒亦入水一尺也。”[11]
這些文獻記載這些船的尺度和大致構造，也描述了其驅動方式為手搖或腳踏。
2 清末民初的腳踏車輪客船
（1）長三角地區的腳踏明輪客船
中國舊海關英籍高管夏士德在其著作《長江之帆船與舢板》里寫道：“還有一種船經營著到蘇州的客運服務。這種船裝有尾部葉輪，由安裝在船艉像腳踏水車一樣的機械來提供驅動力，這種機械需要 6～ 20 人來操作。這種船要比普通的船更大一些，也更寬敞一些，可以載客 60～ 70 人。19 世紀 90 年代，蘇州河上幾乎沒有什么交通流量。那時還沒有蒸汽客船，這種船實際上成為旅客運輸的唯一工具。這種尾部裝有葉輪的小型船隊屬于一家有14 艘船的公司，每艘船價值2 000 美元。根據載客的數量，收費從8 美分到1.2 美元或2 美元不等，這種船能在大約30 小時內快速到達蘇州。每當遇到拐彎時，船老大不是吹哨，而是吹螺號來提醒其他的船只讓道。”[12]
（2）珠三角地區的腳踏明輪客船
前面的插圖2 顯示的模型是清末在廣東珠江流域從事從廣州到南寧客運業務的腳踏明輪客船，而圖5 則是香港地區這種船的歷史照片（后期著色）。
圖5 歷史照片——香港地區的腳踏明輪船[13]
在這張由美國佩諾布斯科特海洋博物館收藏的照片上，我們欣喜地看到，它和比利時收藏的車輪舟模型幾乎是一模一樣的。但遺憾的是由于年代久遠，比利時收藏清代中國車輪舟模型在幾經周折以后已經殘缺不全，難以反映出那些我們需要了解的傳動機構等細節。
(3) 腳踏明輪客船的視頻證據
筆者在網上獲得了一段中國傳統帆船的視頻，其中有61s 的內容涉及腳踏明輪船。從視頻節目中可以得到以下信息：
a.從船上所配置的扇形布帆以及船體尾部的形狀來看，是屬于廣東地區的可能性居多,見圖6。
圖6 船艉與帆（視頻截圖）[14]
b.船上水手除了兩個人蓄發（疑似女性）以外，其余的都是剃短發，估計時間背景是民國初期。
c.腳踏驅動軸為方形截面，支撐軸承處的軸頸加工成圓形。驅動軸和固定3 個腳蹬用的Y 形支架疑似用鐵質材料鍛造，見圖7。
圖7 踏腳與軸（視頻截圖）[15]
d.水手排列為3 排，每排4 人。
e.水手們的踏腳動作錯落有致，疑似在設計制造時有意安排錯位，使得驅動力盡量保持平穩。
f.水手面孔一律朝向船艉，這為我們分析傳動機構的類型提供了線索，見圖8。
圖8 明輪與舵（視頻截圖）[16]
（4）越南地區的腳踏明輪客船
在1957-1971 年，荷蘭鹿特丹海事博物館整理了法國學者奧德瑪的調查成果，出版了《中國帆船》（Les Jonques Chinoises）法文版 10 卷本（分 9 冊）,封面見圖9。
圖9 奧德瑪《中國帆船》第10 卷（印度支那）封面[17]
奧德瑪的《中國帆船》不僅對中國南北水域的主要船型作了較為全面的分類介紹，還突出地對中式帆船的歷史、結構、技術工藝、修造場景與工具、船舶構件與屬具、涂裝與彩繪、船舶的航行與作業、船上生活與習俗等進行了分類研究。據不完全統計，奧德瑪記錄的中國帆船種類約500 多種。其中第十卷介紹了印度支那（中南半島）的木帆船（見圖10、圖11），通過把當地帆船的船體、帆與舵等形態和中國帆船相比較，得出中國帆船的影響或許已經延伸至馬六甲海峽。我們注意到，書中應用線圖和示意圖來介紹越南的腳踏明輪船。奧德瑪還特意說明，越南的腳踏明輪船可能是模仿廣東地區同類船。實際上，讀者如果看了本文的圖3、圖5、圖6 和圖10，也不難得出自己的結論。
圖10 越南的腳踏明輪船 [18]
圖11 越南腳踏明輪船傳動裝置的示意圖[19]
據介紹，在1905 年前后，這艘船航行于從西貢到圖丹莫特之間約50 km 的航線，船體長約18 m。其船艙布置和圖3 和圖5 所示中國的腳踏明輪船極其相似，但主動軸x-x 上的腳蹬p 的數量較少，只有8 組。兩根驅動軸x-x 通過主動曲柄m 帶動連桿b 去推動從動曲柄c，從而帶動葉輪軸y-y轉動。這種尾輪型腳踏明輪船應用了杠桿原理和曲柄連桿機構。如果巧妙地把左右曲柄的相位差設計為90°，還可以使整個裝置有效地避免整個機構運動時的“死點”。具體的機械原理，請參閱有關機械設計書籍，本文限于篇幅不再展開。
（5）德國專家制作的腳踏明輪客船模型
德國的船模專家邁克爾·阿斯巴赫先生制作了廣東珠江流域腳踏明輪船的模型（見圖12）。這艘船模充分展示了從腳蹬到船艉葉輪之間的機械傳動裝置——為水手配備了3 軸共15 組腳蹬（見圖13），并用曲柄和連桿把3 根驅動軸和葉輪軸連接起來。
圖12 珠江流域的腳踏明輪船模型[20]
圖13 腳踏明輪船的傳動機構[21]
（6）小結
a.從本章提供的幾個證據來看，這些腳踏明輪客船可以歸為同類結構，都是排列為數排由多人腳踏驅動的經營性客船，吃水較淺，速度較快，還保留了風帆裝置，適合于富裕地區的中短途客貨運輸。
b.因為是多軸驅動，采用類似于蒸汽火車機車上使用的曲柄連桿機構恐怕是最合適的選擇了。
c.在機械中，要想克服曲柄連桿機構的“死點”現象，可以配置飛輪、配重等方法，而在腳踏明輪船這種場合，這兩個方法無法實施。
d.腳踏明輪船左右兩側的曲柄連桿機構，以錯位90°的相位差安排為宜，可以有效地解決這類機構固有的“死點”障礙。
圖14 吳淞海戰陣勢圖[22]
圖15 耶魯大學收藏1845 年的繪畫作品《吳淞戰役》[23]
圖16 英國東印度公司的蒸汽明輪軍艦“復仇女神”號[24]
e.圖3 和圖7 中水手的臉朝向船艏，這顯然是錯誤的，這從圖5 歷史照片和筆者搜集到的的視頻中就可以得到證明。
3 清末腳踏車輪戰船研究
（1）第一次鴉片戰爭中的吳淞海戰
1842 年6 月16 日，入侵的英國海軍在完成了對浙江舟山與乍浦的攻擊以后，進入了長江口。在黃浦江與長江的交界處的黃浦江段爆發了著名的吳淞海戰，如圖11 所示。清軍水師的兵船中有5 艘腳踏明輪戰船，每艘都由一位高級官員指揮，顯示出對這些船的重視。起初，他們以極大的勇氣攻擊了英國艦隊，但后來發現力不從心，就以大約3 kn 的速度逃逸，直到他們最終被“復仇女神”號追上并捕獲。
（2）吳淞海戰中清朝水師的腳踏明輪戰船
英國“復仇女神”號上的船員懷著好奇心登上被俘的中國明輪船，仔細觀察了船里面的傳動機構后，英國船員們認定中國的這些人力明輪船是對他們的蒸汽明輪船拙劣模仿，殊不知在中國歷史典籍上出現腳踏明輪船的最早記錄，是1 400 年前的事情。
（3）戰爭親歷者的描述
筆者在前文中引用了《復仇女神號》這本書中的一段描寫清朝水師腳踏明輪戰船的描寫，其中提到船上有“絞盤”和“齒輪”。但這位作者阿德里安·G·馬歇爾是在鴉片戰爭過去了一百多年以后根據別人的文字記錄轉述的。況且，我們讀到的又是從英文翻譯過來的中文版，在這雙重轉換的過程中間，是否發生了某種誤讀呢？
于是，筆者找到了《復仇女神號》作者阿德里安·G·馬歇爾所參考的歷史著作的英文原文——
“The wheel-boats were,as a matter of curiosity,the first boarded,and it was afterwards ascertained that they were each commanded by a mandarin of high rank :which marks the importance they attached to them.These wheel-junks were fitted with two paddle-wheels on either side,strongly constructed of wood.The shaft,which was also of wood,had a number of strong wooden cogs upon it,and was turned by means of a capstan,fitted also with cogs,and worked round by men.The machinery was all below,between decks,so that the men were under cover.”[27]
這段文字在兩本書上都一字不改地重復出現了。里面確實出現了capstan，也出現了cogs。但是，我們應該怎樣正確地理解它們呢？
（4）翻譯者的誤讀
筆者經過仔細推敲以后，發覺廣西師范大學出版社所出版中文版《復仇女神號》的譯者犯了一個錯誤，使得讀者陷入了理解上的迷宮。在造船航海專業范疇，capstan 確實可以理解為“（立式）絞盤”或“錨機”。但是，capstan在機械領域還有一個更廣義的解說是“驅動軸”或“主動軸”。
我把這段文字試譯如下：
“出于好奇心，首先登上了這些槳輪船，后來查明每艘船都是由一位（清朝）高級官員指揮的:這表明了他們對它們的重視。這些槳輪船的兩邊都裝有2 個由木頭制成的槳葉輪。這個軸也是木制的，上面有許多結實的木制牙齒。驅動軸由人力轉動，而槳葉軸則是由驅動軸上面的牙齒帶動的。機器都在下面的甲板之間，所以人是隱蔽的。”
把這里，筆者的capstan 解釋為“驅動軸”，這樣的理解對嗎？另外，為什么要通過齒輪傳動？按照一般的理解，齒輪傳動在機械中可以解決以下問題：改變轉速（加速或減速），改變轉動方向，改變輸出軸的方向。對于這兩個問題，我們將在后文作進一步解釋。（未完待續）
