航海

船艦只要離岸航行,如何導航就成為最關鍵的技術,因為不解決導航的問題人類就不可能跨海航行,航海學由此而起。

大海沒有明顯目標可供比對,在汪洋大海中能夠觀測到相對固定的目標就是天體包括日月星辰,然而天體也不是永遠不動的, 隨著季節月日晨昏時間它永遠在動,但人類千百年的經驗累積已經知道它的規律,可以藉由星星的角度反推船現在所在的位置, 問題是現在到底是什麼時候?

這個在現在很容易回答的問題在古代卻非常難以解決,因為古代的鐘不夠準確,就算在出航地校準了,難保不在海上航行 幾週甚至幾個月後開始產生誤差,那麼根據時間所推算的船位自然就很難準確甚至謬以千里了。很多人不知道, 航海學對於船位的計算不是根據距離竟然是依靠時間。有趣的是歐洲鐘錶技術的進步動力主要不是來自於日常的計時 而是航海的需求,其研發的結果就是「航海天文鐘」(Marine Chronometer)。


天文鐘
根據上述航海用的天文鐘必須十分準確,不會因船隻的搖晃震動或溫濕差而影響其準確度,這對機械式鐘錶來說是很大的挑戰。 它在出航前必須根據岸上的標準鐘校準,在海上定期要有專人上發條,若天文鐘發生故障向路過的臨船發信號要求對時, 根據海上規則臨船有義務提供協助。


附有潮汐計的天文鐘。

天文鐘是1773年由英國人約翰‧哈里遜(John Harrison,1693-1776)根據歷代改進成果製造出來,它與一般鐘錶不同的是 裝有柵形溫度補償擺、蝗爪式擒縱機構和保力裝置等使得它不因海上氣溫變化劇烈或船舶搖擺而受影響,解決在海上無法 準確定時而影響測知船舶所在經度的問題。

天文鐘通常是鼓型銅質外殼,非常漂亮,即使到今天鐘錶技術已經電子化了,船上 的天文鐘仍然喜歡做成這個樣子,也成為最受歡迎的航海藝品。


海圖
海圖雖說是海上的地圖,但與陸地上的地圖有很大的不同。首先海圖分成不同海域不同比例的圖,而且彼此可以套接讓航路不中斷。 通常愈靠近海岸港口圖的比例尺愈小,測繪愈詳細,離岸愈遠愈粗略。這是由於早年的海圖都是由測量艦以人工一個一個探測點去 測繪出來的,那是驚人的工作量,幾百年下來也不可能讓每一個海域都清楚。

海圖有一個特點就是對海底的資訊比對陸地的資訊來得多,譬如對於水深就以許多數字密密麻麻標示在整個水域。其次那裡海底有沉船、 暗礁、海底電纜或人工魚礁,適不適合下錨都要清楚標示,然而這類資訊不是永久固定而是動態的,但海圖又不可能天天改版重印, 所以根據航行佈告在自己的圖上改標就很重要。

陸地的標示主要是供從船上觀察定船位用的,除了燈塔或燈標,其他較特別的建築或地形譬如火力發電廠的煙囪也都會標示其高度、特徵與 閃燈頻譜以利辨別,發揮輔助燈塔的功能。

由於磁北與真北不同,更麻煩的是其不同在不同海域、不同時間都還有差異,所以在海圖上還要標示不同海域的磁偏角差 讓靠磁羅經航行的船隻可以修正。

其次海圖是方的,地球卻是圓的,經麥卡托投影法讓兩極拉開到與赤道等寬來改圓為方,構成我們今天所看到的海圖, 所以海圖愈往南北極愈失真,這就是為什麼「大圓航線」在海圖是是繞一個大弧,實際距離卻比較近的原因。 在海圖旁有一修正計算表,標示在多少緯度要用多少比例去還原距離,非常複雜。

與海圖配合使用的工具有平行尺、量角規、鉛筆、橡皮擦等,在圖上以鉛筆畫出直線的預定航線。 由於海圖昂貴,在海上不可能經常得倒補充,所以同一張海圖要經過多次再使用,那麼對鉛筆與 橡皮擦的品質與使用方式就要求嚴格,否則用幾次就起毛了。

所有的問題直到GPS與電子海圖結合的系統出現後,才得到解決,但在正式的船艦上傳統海圖還是少不了的。


英吉利海峽多佛之間的海圖, 這是諾曼地登陸的海域, 也是西歐最繁忙的水域.


基隆港以北海域的海圖.

中國沿海的海圖早年是由英國人畫的,因為當年中國的航政是委由海關辦理,而海關卻因不平等條約及賠款問題被質押給西方, 由英國人擔任總稅務司管理,所以海圖完全是照英國人的使用觀點來繪製,這產生了海島沙灘命名的問題,很少人知道中國沿海 幾乎所有的島嶼都有一套英國式的英文命名,這個命名與中國傳統對該島的地名是完全無關的,這對英國海員或許沒什麼問題, 對中國海員可就要錯亂了。然而海圖是累積數代之力測繪的浩大工程,不可能全部推倒重來,所以直到今天海圖上有許多標示仍可 看出當年英國人測繪的痕跡。


電子海圖配合GPS與全球船位通報系統,完全以電腦螢幕來呈現,讓導航工作大為簡化。 讓傳統的天文、地文航海學淪為 萬一電子設備故障時的備用技能,甚至成為非實用價值的文化財。


六分儀
觀察天體定船位很重要的步驟是測量該天體與海平面的夾角,因為海平線是海上唯一能夠找到相對穩定的對照基準點。測量天體與 海平面的夾角,加上知道現在的時間,就可以在書上找到現在的經度。


測量天體與海平面的夾角早年使用所謂的「牽星板」,那是在一片約四分之一圓的三角型木板上垂下一根線(上圖中央), 拉線對準太陽就可得出其與 海平線的夾角為幾何這是現代六分儀(Sextent)的原型。


現代的六分儀因為是六分之一弧(60度)所以得名,在機構上多了反射與望遠鏡的輔助工具(如上圖),反射鏡可以減光方便對日光觀測, 望遠鏡可以更容易找到海平線,更重要的是兩者結合可以在目鏡中呈現雙重影像,然後利用與透鏡連動的活動臂調整到重合, 這時刻度盤所顯示的數據就是觀測的結果。


英國海軍的後備軍官在訓練海校幼年生使用六分儀。


羅經
人類航海很早就懂得利用磁鐵指北的特性來導航,中國人把磁針浮於水上發明了「水羅盤」解決了船隻晃動的問題, 西方人根據這些基礎開發出有精細刻度盤的磁羅經,並在上裝方位圈等裝置。

到了船艦鋼鐵化之後因為船本身是個大磁場,為解決干擾的問題, 又在磁羅經兩旁各加一顆大鐵球並漆成紅綠兩色代表兩個磁極以中和之。近代船艦舵房內電子設備更多,為徹底解決 這個問題乾脆將磁羅經請出舵房置於艙頂,並以倒裝的潛望鏡將羅經的刻度盤引入舵房。


現代的磁羅經大多改用潛望鏡式,實際羅經置於艙頂以避開干擾源。

所有船上都一定有磁羅經(Magnetic compass ),但只有大船擁有電羅經(Gyro compass)。電羅經是陀螺儀的原理, 好處是不受艦上磁場的影響,不過電羅經並不是隨開隨用,使用前要先送電讓陀螺轉,幾個小時之後才穩定,稱做熱機, 這當然就影響機動性了。


早期的電羅經。


英國海軍測量艦"HMS Endeavour"號的艦橋,左邊是磁羅經,可見左右兩顆鐵球,右邊是電羅經,還可見到許多通話管。


雷達
雷達的原理是將電波射往偵查的方向,當反射波回來時計算其時間差及方位角,從而在射象儀上構成圖案,偵查出 目標的型體、距離或數量。早年的雷達功率有限、圖像不清,判讀不易,但憑藉著原始的雷達,英軍才能在不列顛 之役擊敗德國空軍,化解希特勒入侵英國的野心;美軍才能擊敗佔有夜戰優勢的日本海軍,贏得太平洋戰爭的勝利。

戰後電子科技計步神速,雷達被使用在軍艦上的許多地方,包括航海、火控、反潛、偵搜...等等。


圖為全世界最早的航海雷達,使用在二戰英軍的潛艇上。


測船速
現代的船可以有很多種方式測船速,但從前的船只能用放流繩索來計算。測船速的工具通常包括一個隨水流放的三角型擋板, 與上有許多繩節記號可幫助計算長度的一捲測距繩,船速所謂幾「節」(knots)就是這麼來的。


博物館展出從前測船速的工具,包括三角型擋板與測距繩。


在艦上以測速繩來測量船速的實際狀況,旁邊一個人拿著沙漏在計算時間。當擋板被拋入水中後基本上留在原位, 隨著船往前進施放繩索,並以時計計算在一定時間內施放了多長的繩索,從而推算出船的速度。這種測船速的方式 這是老海軍的專業,現在已經很少看到了。


測水深
要有準確的海圖,測量海水深度是必要的,而且測深點愈密愈好。從前測水深是拿著鉛錘與繩子一點一點測, 測量艦要測完一片海域的水深可能得花好幾年,不像現在海測艦有各種掃描儀器。


左圖為測量員拿著鉛錘與繩子往下放要側水深。



早年的音波探深儀(Echo Sounding Machine)。


航行燈
船隻夜間在海上航行,如何以燈光辨識周遭船隻的方位與方向?我們以下圖來做解釋。


航行燈以左紅、右綠、後白的原則來裝置,而為了讓鄰船在夜間能夠準確判斷,對於航行燈裝置的開角度有嚴格限制即: 左、右各112.5度,後135度,左另桅頂還有向前方225度的白燈,如此構成360度一個圓周。


航行燈通常裝於艦橋兩側望台舷牆上(黑暗部份即為航行燈裝置處),取其最靠外側不易受阻擋的優點, 及利用兩面的轉角來構成規定的開角度。如果是小艇類型的船沒有望台則通常裝於駕駛台艙頂上的盒狀結構內以隔出開角度。

既然航行燈依規定角度顏色配置,所以從不同方向看對方船所看到的航行燈是不同的,從而在黑暗中知道我船與對方船的關係位置。 以下是英國海軍的教材說明如下(船隻輪廓剪影是為了幫助說明,實際在夜間的海上只看得到燈光):



ON THE PORT BEAM: 如果看到紅燈偏左、桅頂白燈偏右,表示我們在該艦的正左舷並行。
AHEAD: 如果看到紅燈偏右、桅頂白燈偏左,表示我們在該艦的左前方。如果同時看到紅綠燈及桅頂的白燈,表示該艦正以艦艏直朝我們而來。 如果看到綠燈偏左、桅頂白燈偏右,表示我們在該艦的右前方。
ON STARBOARD BEAM: 如果看到綠燈偏左、桅頂白燈偏右,表示我們在該艦的正右舷並行。
ON PORT QUARTER: 如果只看到船尾白燈在右方,看不到紅綠燈,表示我們在該艦的左舷側後方。
ASTERN: 如果只看到船尾的白燈,表示我們在該艦的正後方。
ON STARBOARD QUARTER: 如果只看到船尾白燈在左方,看不到紅綠燈,表示我們在該艦的右舷側後方。

航行燈是要經常校準與檢查的,如果航行燈開角度不準確,在黑夜的海上就容易造成鄰船的誤判而釀成大禍。


燈標與浮標


通常港口附近因船隻進出頻繁,航道沉船暗礁多,還有錨地要指定等需求,會大量佈設浮標(Buoy)做為標示。 浮標根據用途意義有許多不同的形式(上圖為各種浮標)。


有些地方需要但無法建築燈塔,可以派出燈船臨時或長期駐守, 燈船大小不一,通常在船中央有一具類似燈塔的結構。


BUOYS AND BEACONS 浮標與信標
CONE 錐型、CAN 罐型、SPHERICAL 圓球型、BELL 鳴鐘、WHISTLE 哨音、LIGHT 燈光、WRECK 沉船


SPECIAL 特別、WATCH 監視、POST標竿(下方為ROCK岩石)、DOLPHIN海豚(下方為MUD泥地)、SCREW PILE螺旋樁(下方為SAND砂地)、 CONCRETE AND LATTICE 混凝土和格柵(下方為ROCK岩石)、UNATTENDED無人值守的(下方為CONCRETE混凝土) 。


操舵
最初操舵的方式是以舵柄穿過舵軸的洞眼,以推動舵柄的方式轉動舵軸來讓船尾下方的舵板左右扳動改變水流達到轉向的目的。

隨著船隻的大型化,舵的重量加上水的阻力已經不是人力可以扳動,所以將舵柄裝上繩索並以滑輪組及絞盤來拉動, 這個絞盤就是舵盤的前身。

因為完全依靠人力,早年的舵盤非常大,並且需要許多組同軸結合在一起,上面還有許多握把,目的是要讓更多的水手來幫忙轉動。 艦船蒸汽化後,這種大型多重舵盤仍然出現在許多軍艦的備用舵上。

隨著輔助動力的使用,操舵不再需要蠻力,於是舵盤愈來愈小,甚至不再是圓盤的形狀。


這是1951年7月於浙海的國府海軍艦艇的舵房,碩大的舵輪表示本船沒有輔助動力操舵系統,完全依賴人力轉動, 而且需要好幾個人協力。 這一艘船不似制式化軍艦,比較像是日本海軍徵用民船的「特務艇」,戰後被國府海軍接收充做砲艇使用。 (攝影: Howard Sochurek)


「陽」字號驅逐艦的舵盤,美軍在二次大戰的艦艇就已經取消傳統舵盤上的握柄而成為光光的一個盤,後來這個盤愈來愈小, 成為像開飛機的駕駛盤,甚至只剩一根搖桿。

右上角的儀錶是舵角指示器,分別指示左右兩個方向的舵角。 注意錶上最高刻度顯示的是35度,那是舵角的上限,事實上有 經驗的老舵工會偷偷 告訴你打舵最好不要超過30度,超過了就很容易卡舵,那就是大問題了。


現代的舵盤頗像飛機上的方向舵柄,這套系統還可以跟電子海圖結合預設航線自動駕駛,非常方便,但航海文化的品味則盡失了。


舵機的運作原理與舵角的解釋圖,上面顯示雖然舵角指示器顯示上限是35度,但實務上舵角不宜超過30度。


「陽」字號驅逐艦的舵機艙,一旁的銅質轉輪是當舵機無法工作時用人力去轉動,類似老軍艦上的露天備用舵輪。


「陽」字號驅逐艦的舵機以兩支液壓管推動連桿,轉動左右兩舵板。


江南造船建造的「永健」號軍艦,可清楚看到設在艦尾樓甲板上的大型備用舵輪。


【回目錄】