泉州出水明代铁锚与郑和宝船的匹配研究-中国造船工程学会

泉州出水明代铁锚与郑和宝船的匹配研究

郑明张纬康霍玲倪鹤鸣纪刚

2008年7月9日

摘要：对泉州出水的明代铁锚进行了测绘。依据铁锚残存结构形式并参照现代海军铁锚的比例对该出水铁锚进行了复原研究。对复原铁锚进行了强度校核，并根据现代海船规范分别匹配于复原二千料郑和宝船和44丈大号宝船，就铁锚重量、锚链强度进行了计算校核。采用国内外多种公式及试验修正公式计算了它们的系泊力。依据系泊力和铁锚强度分析结果，分析了铁锚与船舶的匹配性。考证分析表明，出水明代铁锚用于郑和二千料宝船是匹配的，该铁锚极有可能是郑和二千料宝船的属具，而44丈大号宝船不可能采用该出水铁锚。

关键词：郑和宝船；铁锚；泉州湾

1.引言

泉州海外交通史博物馆收藏了一具在泉州湾石湖港海域打捞出水的一具四爪铁锚。直接参与该锚发掘并主持过一系列分析鉴定工作的李国清副馆长、研究员在2005年已发表《泉州发现的明代铁锚与郑和船队的关系》的论文。本文在该文的基础上着重从造船科学技术层面进行研究考证。据传，当年郑和船队停泊泉州港，出海时，遇到狂风巨浪，遂下令将船上铁锚投入海中，作为“镇海”之物，使风浪平息。此锚打捞之前，据当地渔民描述，在此海域打鱼下网时，渔网常被海底异物钩破，且渔民下水时，也曾触摸到类似杆状或钩状物。1981年9月，在距离石湖港古渡头300米水下搜到该铁锚。当时，该锚大部分埋于海底淤泥中。铁锚发掘出水时，锚杆顶部和锚的四爪前端均已不同程度残损。铁锚运回后，测得总残长2.78米，锚杆直径16~40厘米，锚爪直径10~16厘米，重量758.3公斤。

由于石湖位于泉州湾主航道的出海口，据此考证，此锚极可能是明代郑和下西洋船队所使用的铁锚。文献[1]对该锚的化学成分和制造工艺作了详细的考察，据金相分析，该铁锚的主要成分属低碳钢的类型。笔者对该铁锚也作了实地测绘。根据考察和测绘的数据，本文将着重从造船的科学技术层面研究考证该铁锚与郑和宝船的匹配关系，考究郑和宝船的规模，为仿造郑和宝船提供依据。

2.铁锚结构测绘与复原

泉州海外交通史博物馆收藏的铁锚是一具四爪铁锚。该铁锚锚杆顶部已断裂。锚的四爪端部也出现了不同程度的断裂和残损（图1，2）。可以看到，由于铁锚在海底沉

埋年代久远，铁锚锈蚀严重，表面覆盖着厚厚的锈蚀层、泥沙和贝类生物。据介绍，铁锚重量有758.3公斤。据金相分析，铁锚材料为接近于现代纯铁，含碳量相当低。这种低碳钢类型的熟铁具有较高的塑性和较强的抗腐蚀性，属于品质比较好的钢铁类型。据考证，历史上郑和七次下西洋都是在福建长乐驻泊，其中至少一次曾停泊在泉州港。郑和船队的停泊点分布于泉州海湾内后诸港等各处。因此，该铁锚极可能是郑和船队中某型海船使用的铁锚[1]。

图1 残存铁锚全景图2 残存铁锚锚爪部位铁锚锚杆及锚爪横截面均为圆形。经实测（图3），铁锚残体总长2.8米。锚杆直径22.3厘米，锚爪直径19.1厘米。铁锚残存最长的锚爪端部距锚底高为30厘米。

图3 残存铁锚测绘尺寸图4铁锚复原示意图从锚爪长与锚杆长的大致比例以及锚爪与锚杆直径的比例上看，该铁锚十分类似于现代海军锚的比例[2]。因此，可以按照海军锚的相关比例大致推测该锚的原状。海军锚杆长与锚杆直径之比约为7，因此，可以推算该铁锚原长为3.12米。由于海军锚爪梢

部距离与锚杆长度之比约为1.4，据此可以进一步推算对角的锚爪梢部距离为2.20米。依照残存锚的自然形态延伸，可以得到复原锚的结构尺寸。其具体描绘如图4。其复原重量经计算约为1168公斤。李国清先生论文从考古角度对出水铁锚原总长曾分析判断为至少3米，可能超过3米；其重量达到1150公斤[1]。本文按照造船科学设计规范复原尺度与之不谋而合。

3. 铁锚强度校核

为了判断出水铁锚所配载船舶规模，对复原铁锚的结构强度进行计算。采用有限元方法计算复原铁锚在力的作用下的应力分布。

复原铁锚的有限元模型如图5所示。对四爪铁锚，两爪钩入海底是一种稳定的沉底状态。因此采用这样的受力边界条件：相邻的两爪固支，锚杆端部受到锚索拉力。其受力边界示意图如图6所示。

本文通过计算锚杆在1牛顿拉力作用下铁锚的应力分布，依据最大应力和铁的极限应力值，推算锚索拉力，从而进一步推算配载船舶规模。计算表明，应力最大的位置在锚爪端处，最大值为MPa 31025.1-⨯。锚杆在1牛顿锚索拉力下，铁锚位移变形图和应力分布图如图7、8所示。由于铁锚成分为低碳钢熟铁，可以查得该材料的屈服极限为MPa 274，因此，锚体要不发生破坏，锚体可以承受的最大拉力约为219千牛。

图5 复原铁锚有限元模型 图6 复原铁锚受力边界条件

图7 复原铁锚在1牛顿力作用下的位移变形图

图8 复原铁锚在1牛顿力作用下的应力分布图

4. 用现代海船舾装数计算分析，推算复原明代铁锚与郑和宝船的匹配关系

现代海船锚泊设备的选取采用规范方法选配。文献[3]提供了现代钢质海船锚索选配规范。规范主要根据计算的船舶舾装数来确定锚的数量、重量和锚链配备规则。船舶舾装数描述了船舶排水量、船舶主尺度和水上建筑受风面积对系泊装置的要求。其最终反映了风、浪、流对系泊装置的要求。舾装数具体计算公式为：

10232A Bh N +

+∆=

式中：∆：夏季载重线下的排水量，吨；

B ：船宽，米；

h ：夏季载重水线到最上层舱室顶部的有效高度，米；

A ：水线上受风面积。

一旦得到船舶舾装数，即可依据表格查出该船所需的锚泊装置的具体参数。

本文将根据文献[4]中提供的二千料郑和宝船和44丈大号宝船复原参数，对两型船的舾装数进行计算。并依据规范分别计算他们的锚泊装置形式。

计算及对比结果列表于表1。

表1二千料郑和宝船与44丈大号宝船舾装数计算和锚泊装置比较

首先从首锚总重量对比复原铁锚与郑和宝船的关系。

从此表对比复原铁锚的数据可以看出，按照现代钢质海船锚索选配标准，二千料郑和宝船所需首锚总重量为9602480=⨯公斤，这与复原铁锚单重已达1168公斤十分接近。而44丈大号宝船如果按照现代造船标准，需配备首锚总重量为1467034890=⨯公斤。这与复原铁锚的重量相差甚远。即使复原铁锚作为其单个首锚，则需配备十多个，也是不符合海船实际使用状况的。

其次计算静力作用下，锚链破断力。按照规范，锚索可以选取与规范要求的锚链负荷相当的缆索代替。在单位力作用下，锚链的应力为：

2

1r l ⨯=πσ 因此，规范要求锚链的破断力为：

N F l

q ⨯=σσ 式中，MPa q 274=σ为铁的屈服应力极限，N 为铁锚的数量。

按照上式，如果配载船舶是二千料郑和宝船，锚链的破断力为：