郑和下西洋之航海术

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所属分类:水运管理

引言:特别想从力学的角度、结合现代工程概念解读《明朝那些事》中所涉及到的工程项目,并探讨力学与工程之间的关系。永乐朝(明成祖朱棣)可写的工程实在是太多了,朱棣为起兵做准备的地下军工厂(地下工程)、朱棣战法中的力学模型、永乐朝的热兵器发展(神机营)、大运河工程(水利工程)、迁都北京(城市规划与建设),我已经停在永乐朝很久了。但是郑和必须写,总感觉永乐朝,没有郑和就不是完整的永乐朝。这里,我们重点探讨他带领特混舰队下西洋时所用到的航海术,在我看来,航海术就是力学中的测量术。

 

永乐三年(1405),郑和受明成祖朱棣之命,首次率领船队从南京出发,远航西太平洋和印度洋。此后,永乐五年(1407)、七年(1409)、十年(1412)、十四年(1416)、十九年(1421)、宣德五年(1430)共七次航海,先后到达了西太平洋和印度洋30多个国家和地区,其中包括爪哇(今属于印度尼西亚)、苏门答腊(今属于印度尼西亚)、苏禄(今菲律宾)、彭亨(今马来西亚)、古里(今印度科泽科德)、暹罗(今泰国)、真腊(今柬埔寨)、榜葛剌(今孟加拉)、阿丹(今亚丁湾西北岸一带)、天方(今麦加)、左法尔(阿拉伯半岛)、忽鲁谟斯(今伊朗米纳布)、木骨都束(今索马里境内)等地,目前已知最远到达东非、红海。

 

据《明史·郑和传》记载,郑和下西洋的船队中有五种船舶,最大的为宝船,宝船中最大的长四十四丈四尺(151.18米),宽十八丈(61.6米),分四层, 912帆,锚重有几千斤,要动用二百人才能启航,一艘船可容纳上千人;

 

郑和下西洋之航海术

郑和宝船与哥伦布发现美洲的圣玛利亚号对比图

 

 

其次是马船,长三十七丈(126m),宽十五丈(51m),装运战马的远洋运输船;粮船,长长二十八丈(95m),宽十二丈(40m),装运粮食;坐船,长二十四丈(82m),宽九丈四尺(32m),装运人员、货物、坐船;战船,种类繁多,大约长十八丈(61m),宽六丈八尺(23m)。

战船上有弓、弩、标枪、砍刀、钩镰、撩钩、小镖、梨头镖等冷兵器,也有火球、火蒺藜、火药箭、火枪、铁咀火鹞、烟球等燃烧性火器,更有火铳、火筒、铁火炮、神机石榴炮等威力巨大的热兵器。郑和率领的就是这样200余艘不同用途、不同船型的远洋海船组成的特混舰队,规模宏大,人员众多。李约瑟说:“1420年(明成祖18年),明代水师比任何国家都出色,同时代的任何一个欧洲国家,乃至所有欧洲国家联合起来,都不他的对手。当年明月说,从郑和舰队的规模和装备来看,这支船队无论如何也不像是去寻人(建文帝)或是办外交的,倒是很让人怀疑是出去找碴儿打仗的。然而,郑和的任务主要在于推行亲仁善邻,巩固和发展了中国与亚非国家的友好关系,郑和下西洋是世界上公认的和平之旅。这同哥伦布航海带给美洲人民的殖民地形成了鲜明的对比。

 

郑和下西洋之航海术

郑和七下西洋路线图

 

 

我常想,郑和航海是拿着世界地图有目的的航行,还是漫无目的的探险?可以肯定的是,至少郑和的第一次航海是有明确目的地的——古里国(今印度科泽科德)。早在洪武年间朱元璋曾派使者到过这里,且古里统治者多次派使者到中国朝贡。郑和此次航行的目的之一,就是给发放诏书(委任状),正式封其为国王,并赐予印诰之物。因此,郑和的第一次航行,到达古里完成使命后随即返航。

 

成吉思汗和他的子孙们建立的横跨欧亚的蒙古帝国(如下图),包括元帝国、窝阔台汗国、察合台汗国、金帐汗国、伊尔汗国,这很可能使得中国对世界有相对完整的理解,也有了相关地区语言的翻译人员,间接地为郑和下西洋打下了基础。此外,郑和作为信仰伊斯兰教的穆斯林,一直梦想着前往麦加(天方国)朝圣,以麦加为基础,跨过狭窄的红海就可以达到非洲东岸(参见上面郑和七下西洋图)。

 

郑和下西洋之航海术

蒙古帝国地图

 

 

大致可以猜测,郑和在航行期间,所到之处必向当地居民了解风土人情,同时打听邻近国家情况和相关航线,并在当地招募向导,随着航行次数增加,对西洋各国的了解也越来越多,就逐渐勾勒出了郑和航行的目的地。

 

有了目的地,需要解决的就是航海术,即如何保证船舶安全、经济、准确无误的到达指定海域或港口。这里其实主要有两个问题,一是定位问题,即如何标记目的地位置和自身所在位置;另一个是如何定向航行到达目的地的问题。在力学上,定位首先要建立坐标系,然后通过测量点的坐标来实现。定向航行则为路径规划,即位移产生的路径。因此,航海术,本质上可视为力学中的测量术,建立坐标确定点的位置,然后设计从一点到另一点的位移方式。

 

为了建立地球表面的坐标系,公元前344年亚历山大的随军地理学家尼尔库斯画出了地球上的第一条纬线:从直布罗陀海峡起、沿着托鲁斯和喜马拉雅山脉一直到太平洋。埃拉托斯特尼(EratosthenesB.C.276-B.C.194)画了一张76纬的世界地图。公元120年,托勒密(Ptolemaeus,约A.D.90-A.D.168)编写了8卷的地理学著作,包括了8000个地方的经纬度,只是其误差较大,不能用于实用。不过有了经纬线,地球的坐标系就建立了,剩下来的问题就是如何测定某地的经纬度。

 

首先说纬度,确定纬度相对容易。纬度有自然起点,赤道面所在纬度为0o,向北为北纬,到北极为最大值90o,向南为南纬,到南极为最大值90o如下图,α角就是A点在地球球面上的纬度。确定纬度时,以北极星为参考,由于北极星距离地球可视为无穷远,因此,观察北极星的AP1线,可认为平行于地轴BP1的AP2线,AB线为A地的地平线,则有α=θ,又θ=γ,因此γ角,观察北极星与水平面的仰角即为A点的纬度。

 

郑和下西洋之航海术

确定纬度示意图

 

郑和下西洋时所用牵星术即为此原理,所用工具称为牵星板(后来演化为六分仪),由十二块正方形木板组成(如下图所示),最大的一块每边长约二十四厘米,以下每块递减二厘米,最小的一块每边长约二厘米。以牵星板观测北极星时,左手拿木板一端的中心,手臂伸直,眼看天空,木板的上边缘是北极星,下边缘是水平线,这样就可以测出所在地的北极星距水平面的高度。高度高低不同可以用十二块木板和象牙块四缺刻替换调整使用。求得北极星高度后,就可以计算出所在地的地理纬度。

 

郑和下西洋之航海术

牵星板

郑和下西洋之航海术

牵星术

 

 

准确的确定经度要比确定纬度难的多,这主要依赖于计时器(钟表)的精度。我们知道,经线也称子午线,1883年第7届国际大地测量会议上确定了将经过伦敦格林尼治天文台的经线称为本初子午线或格林尼治线(这是0度子午线,人为定的,不像纬度一样自然确定),经度即为经线所在子午面与本初子午面之间的夹角,规定本初子午线以东测出的经线称为东经度(最大180o),以西测出的经度为西经度(最大180o)。

 

地球一周经度为360o,地球自转一周正好24小时,(24乘以60)除以360=4(分钟/),可得经度相差1o时,时间相差4分钟。以出发地为参考,当航行到某地时,通过测量当地时间(日影最短时为中午12点)与出发地时间的时差,以分钟为单位乘以4就可以知道当地与出发地的经度差,这样在出发地的经度上加、减该经度差就可以得到当地的经度值。当地时间早于出发地时间,则加经度差,否则减经度差。

 

郑和下西洋之航海术

地球经纬线

 

 

可以肯定的是,在郑和的航海年代经度还不能准确的测定。历史上西班牙、意大利、荷兰、英国等欧洲航海大国都开出高额赏金,以求取得经度测量的突破性进展。1707年,英国的海军舰队中发生了一次惨祸,损失巨大,原因是船舶位置测定出现了重大差错。1714年,英国国会通过了《经度法案》,以法律的名义宣布:任何人只要能找出在海上测量经度的方法,误差1度以内的奖1万英镑;误差在2/3度以内的奖1.5万英镑;误差在半度以内的奖2万英镑(2万英镑,相当于一位船长200年的收入)。

 

1735年,约翰·哈里森(John Harrison,16931776)创制的天文钟。后来,经过反复改进,他的第四型天文钟于1761年研制成功,在到牙麦加的9个星期航行中,时间误差仅有5秒,这相当于测位置时的经度误差不超过2'后来在17621764年的两次试航中都完全满足了悬赏的要求,并最终获得了该项奖金。

 

 

郑和下西洋之航海术

哈里森H1航海钟

郑和下西洋之航海术

哈里森H4型航海钟

 

 

虽然郑和不能利用相对时间定位自己的经度,却可以通过记录向什么方位航行了多远的距离来确定自己的相对位置,这被称为“定更计程”。“更”原是古代计时单位,一昼夜分为10更,这里成为了海上计程单位,即一更所航行的里程,约合60里。选好参考位置,明确航向方向,利用航行里程也可以近似估计出船舶的经度。

 

在郑和航海中,还有一项技术称为“打水”,指船舶航行中以绳索系铅锤沉入水底,测量水深。“打水”可谓一举两得,一是测量水文条件(可探测暗礁、浅滩、水深等),二是评估船舶离开海岸线的距离。在古代定位技术落后的年代,船舶并不太敢远离海岸太远,如果从郑和的航线上看,基本上也是沿海岸线航行。最后,依靠陆地的景物(如岛、洲、苫、屿、礁等)定位,称为对景定位。在《郑和航海图》中详细表示了所经海域的海岸、岛屿形态、以及沿岸陆地的山峰,可作航行目的地的各种地标物,如宝塔、寺庙、桥梁、旗杆等等。

 

这里必须明确,确定位置是静态的,要想从地球上的一点到达另外一点,例如知道目的地经纬度和当前位置经纬度,就需要制定航行路线(设定路径),向北/南航行多远,再向东/西航行多远,或者保持指向目的地的方向直航,这就需要知道方向才能保证航向的正确性。北宋时期朱彧在《萍州可谈》中谈到:舟师识地理,夜则观星,昼则观日,阴晦观指南针。这里说明判别方向晚上看星星,白天看太阳,阴天看指南针。明代跟随郑和下西洋的巩珍在其所著《西洋番国志》序言中说:往还三年,经济大海……惟观日月升坠,以辨西东,星斗高低,度量远近,皆斫(zhuo,二声)木为盘,书刻干支之字,浮针于水,指向行舟。这里明确指出郑和下西洋所用的是水罗盘(如下图)。

 

郑和下西洋之航海术

水罗盘

 

《新编郑和航海图集》中详解了郑和下西洋的航海针路(指南针指路)和过洋牵星术(牵星术定位),如下图所示为。将从古里(今印度科泽科德)到忽鲁谟斯的航线分为三段,以古里至白礁为例,向乾亥方向(322.5o)方向行驶五更,再向单亥方向(330o)行驶可到达白礁(今萨克里法斯礁)。其中,水十五托(一托即人张开双臂的长度,约1.7m),即控制船舶不能离开海岸太远,也属于定位方法。

 

郑和下西洋之航海术

 

针对于本航段,牵星图引言描述为:“(时月正,丁得把昔牵北辰星七)指过洋,看北辰星十一指,灯笼骨星四指半,看东边织女星七指为母(注:为主的意思),看西南布司星九指,看西北布司星十一指,丁得把昔到忽鲁谟斯看北辰星十四指。”(一指约合现在的2.15o)就这样,郑和将总航段分成若干子航段,综合牵星、定更计里、打水,以及对景定位等多种方法确定方位,然后依靠指南针确定方向,从一地达到另一地,打开了新航路,将我国古代航海事业推向了顶峰时代。

 

郑和下西洋之航海术

 

航海测量中,将时间与空间统一起来极具魅力。利用两地时差几时几分,换算出两地经度差,结合纬度就可以确定出两地在地球表面的距离。郑和航海中的“定更计程”本质上也是一种将时间转换为空间距离,时间也是空间。时间与空间的统一几乎是航海的必然结果。

 

如果将人生也看成是一场航行,也必须将时间和空间统一起来确定人生的航向。我经常想,大学生如果仅仅是为了自己,上大学是一种方式;如果心中装有自己的家族,那么上大学一定是另外一种景象;再放大一点,如果是为了国家和民族,上大学就多了一种豪迈。从自己、家族,到国家、民族,这是人生在空间上的缩放。时间上,如果上大学只是得过且过,大学是一种渡过方式;如果将大学看作是人生众多阶段之一,大学可能是另外一种渡过方式;如果假想自己已是耄耋老人以回顾人生的视角来规划大学生活,那么大学可能又会呈现出不一样景象。

 

空间阔人胸怀,时间何尝不也是这样呢?

 

参考文献

[1]  当年明月. 明朝那些事

[2] 朱鉴秋. 郑和航海技术——帆船时代的最高峰[J]. 社会科学文摘,2005(7):29-30.

[3] 武际可.谈谈工匠精神.http://blog.sciencenet.cn/blog-39472-1086985.html

[4]  新编郑和航海图集. 人民交通出版社.1988.北京

原文始发于微信公众号(力学酒吧):郑和下西洋之航海术

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