本文來自微信公眾號:返樸 (ID:fanpu2019),作者:馬之恒
170 多年前的西班牙,一個青年開始募集資金,想要造出一條能下潛的“機器魚”。他希望漁民可以乘坐這艘木質(zhì)的潛水器,安全地完成采集珊瑚的工作。然而,正如歷史上諸多失敗的發(fā)明一樣,他總是在資金短缺的情況工作,最終也沒能成功。但是他的第二代“機器魚”,竟然短暫地擺脫了人力的“束縛”,成為現(xiàn)代潛艇上使用的不依賴空氣推進系統(tǒng)(AIP)的起點。
在巴塞羅那海事博物館(Museu Marítim Barcelona)的院子里,陳列著一個用木頭建造,既像馬面魚又像潛艇的裝置。如果不看說明牌,你很可能會誤把它當成是表現(xiàn)航海文化的雕塑,或者是已經(jīng)倒閉的博物館小賣部。然而,在 160 多年以前,真的有一艘長成這副模樣的潛艇,曾在巴塞羅那港的海水中遨游。而且,它還有一個看上去像是梭魚的“接班人”。
出版干不成,就去造潛艇
這兩艘潛艇的建造者,是一個加泰羅尼亞菲格雷斯(Figueres)的箍桶匠的兒子,名叫納西斯?蒙圖里奧?伊斯塔里奧(Narcís Monturiol i Estarriol)。雖然他在大學里的專業(yè)是法學,可是拿到學位之后,他一天也沒有做過法律方面的工作,而是一心想當個出版家。1846 年,27 歲的他在巴塞羅那開了一家出版公司,專門制作宣傳女權(quán)主義和空想社會主義的報紙、雜志和小冊子。這些在當年非常前衛(wèi)的思想,也為他吸引來一些忠實的讀者。
然而好景不長,1848 年,歐洲的很多地方發(fā)生了反對君主專制的革命。西班牙政府認為蒙圖里奧的言論影響社會穩(wěn)定,就責令他制作的一份宣傳空想社會主義的雜志停刊。他只得離開巴塞羅那,跑路去了法國。第二年,他回到巴塞羅那,卻發(fā)現(xiàn)政府已經(jīng)出臺了一連串針對出版業(yè)的禁令。帶著鐐銬跳舞的感覺實在難受,在他看來,做出版已經(jīng)沒什么前途。當巴塞羅那的氛圍變得更壓抑的時候,他決定到濱海小鎮(zhèn)卡達克斯(Cadaqués)去暫避風頭。
為了糊口,蒙圖里奧開始在海邊賣風景畫,這讓他經(jīng)常能碰見潛水采集珊瑚的貧苦漁民。這些人沒有任何潛水裝備,只是深吸一口氣就下到海里,憑著手中簡陋的工具挖出珊瑚拿到岸上賣掉。雖然經(jīng)過雕琢修飾的珊瑚,最終會成為價格高昂的奢侈品,可是這些處在產(chǎn)業(yè)鏈末端的漁民,卻只能拿到勉強夠生活的小錢,還要為這份工作冒生命危險。蒙圖里奧到卡達克斯之后不久,就親眼看見一名漁民因為憋氣時間過長,最終不幸溺水身亡。
這些漁民的悲慘生活,讓蒙圖里奧深刻地意識到,世界上充滿了形形色色的剝削和不公平,而他應該為保護弱者做點什么??嗨稼は胫螅业搅私鉀Q方案:既然印刷機和鉛活字可以迅速印出成千上萬份報刊和書籍,免去抄書匠的艱辛勞動,那么,他或許可以建造一種機器,讓人們能坐著它安全地潛入水下,挖掘大海中形形色色的寶藏以獲得報酬。在他看來,水下航行甚至稱得上是一種平等的象征:當世界各地的海洋正在被劃分的時候,水面之下的世界,卻是個讓人們可以自由航行的不羈的新天地。這就像印刷機和鉛活字的普及,令書籍價格大幅降低,平民百姓才有了讀書的自由一樣。
但蒙圖里奧也明白,對于當時的西班牙社會來說,他的創(chuàng)意實在太過超前,也許只要說出來就會成為全國的笑柄。直到 1857 年,他在朋友的鼓勵下,才終于決定將創(chuàng)意付諸實踐。這年 9 月,他設(shè)法籌集到價值相當于 3.2 千克黃金的 1 萬比塞塔(當時的西班牙貨幣),在巴塞羅那注冊了西班牙第一家研究水下航行的商業(yè)社團。
第二年,蒙圖里奧發(fā)表了一篇題為《魚形艇》(El Ictíneo o barco-pez)的論文,向人們介紹自己的構(gòu)想。按照他的解釋,魚的軀體最適合在水中行動,而這條“能夠潛入水下的船”,也就是潛艇,是對魚的全方位模仿。魚通過擺動尾鰭來游水,其他的鰭用來在水里保持身體的穩(wěn)定,或是轉(zhuǎn)彎;魚鰾負責調(diào)節(jié)魚在水中的深淺位置。而他要建造的“水下船”,是通過設(shè)在尾部的螺旋槳來推進,以尾部的舵調(diào)整航向;船底的滑橇則如同魚的背鰭,只是挪到了腹部,可以保持船體的穩(wěn)定;船里的壓載水箱則如同魚鰾,通過注水和排水來調(diào)節(jié)潛水的深度。因此,他將希臘語的“ikhtys”(魚)和“naus”(船)這兩個詞結(jié)合起來,用“魚形艇”(ictíneo)來形容自己發(fā)明的潛艇。
以魚為師,探索水下世界
當論文發(fā)表的時候,“魚形艇”也已經(jīng)動工開建。但在當時的西班牙,設(shè)計船舶的知識還屬于海軍工程學的一部分,幾乎只有軍隊的工程師才能掌握;而蒙圖里奧并沒有受過這方面的專業(yè)訓練,只有少年時做木工活的經(jīng)驗。所以,完善“魚形艇”的設(shè)計和建造它的工作,是由蒙圖里奧和他聘用的造船工程師團隊共同完成的。這樣的工作方式,讓“魚形艇”成為西班牙工業(yè)革命中的一個重要的里程碑 —— 因為這或許是西班牙歷史上,憑經(jīng)驗工作的工匠和“科班出身”的工程師,第一次為一個工程項目通力協(xié)作。
蒙圖里奧希望“魚形艇”最終能潛到水下 500 米深的地方,這一數(shù)字和現(xiàn)代的軍用潛艇相當。在那樣的深度,水壓已經(jīng)相當于 50 個大氣壓,而最為耐壓的形狀是球體。他想要用鋼建造一個耐壓艙,裝在魚形的木制外殼里,作為乘員的安身之地。但因為資金非常有限,他只能退而求其次,把耐壓艙也改成木制的。
身為箍桶匠的兒子,蒙圖里奧在木桶的基礎(chǔ)上略加修改,用橄欖木做了一個耐壓艙。它是個長徑 4 米、短徑 2 米的橄欖狀橢球,外面覆蓋著 2 毫米厚的銅皮來加固,并且有橡木制成的加強箍。這個艙室內(nèi)部空間約有 7 立方米,可以容納 4 個人;外面則是 7 米長,3.5 米高,2.5 米寬的魚形艇身。在艇體的側(cè)面,耐壓艙與外殼最為接近的位置,是一對主要的觀察窗,其他的觀察窗設(shè)在頂部和船艏。這些觀察窗的玻璃被精心制作成圓臺,也就是布丁那樣的形狀,貼近水的一側(cè)直徑更大一些。這樣一來,當“魚形艇”潛入水下的時候,水壓就會把觀察窗牢牢地壓在船體上,從而保證了乘員的安全。
在耐壓艙和魚形艇身之間的空腔里,布置著 4 個被蒙圖里奧稱為“魚鰾”的壓載水艙,可以讓“魚形艇”在水中自如地上浮和下潛。如果不小心下潛過快失去平衡,艇員們還可以前后移動魚形艇身里的一枚巨大的砝碼進行調(diào)整。
直到今天,海底科學考察使用的深海潛水器,仍然采用這樣的布局,用裝有觀察窗的耐壓艙保護潛航員和乘客,并且讓他們通過觀察窗直接觀看海底景象;它們也同樣會在耐壓艙和外殼之間布置壓載水艙,以及各種不容易受到水壓影響的設(shè)備。
潛入水下之后,保證艇員的生存便成為第一要務。蒙圖里奧經(jīng)過計算,發(fā)現(xiàn)耐壓艙中的氧氣可供 4 名艇員呼吸大約 2 個小時,但在最后一段時間里,耐壓艙中的二氧化碳濃度會明顯提高,讓艇員們因為缺氧而失去力量。于是,他在耐壓艙里安裝了一個裝有氫氧化鈣的換氣裝置,讓艙里的空氣不斷地流過它。在這個過程中,二氧化碳就與氫氧化鈣反應,變成了水和碳酸鈣,從而讓艇員們能呼吸到“新鮮”的空氣,把呆在水下的時間延長大約一倍。
但蒙圖里奧并不滿足于此;他甚至想要用高錳酸鉀和濃硫酸進行化學反應,在水下直接制取氧氣。但這個反應會放出大量的熱,而且在水下儲存大量的濃硫酸實在過于危險,因此他在最后時刻放棄了這個方案,并且在耐壓艙里安放了一支特殊的小蠟燭作為照明光源。雖然蠟燭的燃燒會消耗一部分氧氣,但如果耐壓艙里的氧氣快要耗盡,蠟燭的火焰會變得鮮紅,這時候艇員就要立刻讓“魚形艇”浮出水面。
首次試航出師不利
1859 年 6 月 28 日,蒙圖里奧的“魚形艇”在巴塞羅那港開始了第一次試航。出于穩(wěn)妥起見,他決定第一次只潛到 50 米深,但這也已經(jīng)超過了不帶裝備直接潛水的人能夠達到的極限深度。
可就算是這么小心,試航仍然出了事故。在那片海域的海底,剛好有一些之前被拆掉的港口建筑留下的木樁,但因為海水的阻隔,在岸上根本看不到。當“魚形艇”潛入海底的時候,它就撞上了這片由木樁組成的“海底森林”,當場損失了一個壓載水艙,魚形的外殼也撞破了幾個洞;撞擊還震裂了一部分觀察窗的玻璃,幸好觀察窗獨特的結(jié)構(gòu),讓水壓成了保護玻璃的力量,耐壓艙里的蒙圖里奧方才逃過一劫。
不過,這時候的他絲毫沒有為死里逃生感到慶幸。建造“魚形艇”已經(jīng)把他籌集的資金花了個干凈,如果再花錢徹底修好事故造成的損傷,他就真的一貧如洗了。但是帶傷下潛實在危險,因此他決定只做一些最有必要的緊急維修,并且將最大潛水深度限制在 20 米。他的計劃是用這艘“魚形艇”來驗證和展示技術(shù);等到人們對水下航行產(chǎn)生興趣,就不愁找不到投資。
1859 年的整個夏天,蒙圖里奧帶著幾名艇員,在巴塞羅那港進行了 20 多次試航?!棒~形艇”在水中沉沉浮浮頗為自如,而且在潛水的時候非常穩(wěn)當。但唯一的缺點,卻成了它的“致命傷”。和很多早期潛艇一樣,“魚形艇”是由人力來驅(qū)動的,艇員們在耐壓艙里搖動一根曲軸,讓螺旋槳轉(zhuǎn)起來。但人的力量和反應速度畢竟有限,即使所有艇員齊心合力,螺旋槳也不會轉(zhuǎn)得太快;而潛艇在水下需要克服的阻力,比水面上的船大得多。所以,潛入水下的“魚形艇”慢得如同蝸牛爬行,這讓它根本不能像當初設(shè)想的那樣,完成采集珊瑚的任務,而且可以說毫無用處。
但蒙圖里奧一時也想不出改進的方案,因為無論蒸汽機還是內(nèi)燃機,都需要氧氣來助燃,而耐壓艙里那一點點氧氣根本不夠用。他只能不斷安排試航,徒勞地尋找著讓螺旋槳轉(zhuǎn)得更快的方法。最后,在 1862 年 1 月,一艘失控的貨船撞上“魚形艇”??康拇a頭,將這艘已經(jīng)下潛過大約 50 次的潛艇撞成了碎片。
重新造一條“機器魚”
蒙圖里奧失去了投入所有資金建造的發(fā)明。不幸中的萬幸是,這起港口交通事故,讓西班牙海軍注意到了他的工作,并承諾撥付給他一筆研究經(jīng)費,讓他建造一艘新的“魚形艇”。
沒有人知道,在接下來的時間里,馬德里的高層之間發(fā)生了怎樣的博弈。唯一可以確定的是,蒙圖里奧空等了一年多,這筆資金始終沒能到位。不愿再虛度光陰的他意識到自己必須有所行動,于是,他再次發(fā)揮當年辦雜志時的文筆,寫下了一封給全體西班牙人民的長長的公開信。他在信中解釋了一番“魚形艇”的創(chuàng)意,也亮出了拉投資的“賣點”:水下航行是未來的“風口”,水下世界是有待開墾的處女地,而他的研究會讓西班牙在這個領(lǐng)域占得先機。
或許是國家走向衰落的時局令人格外不滿,這封信成功地激起了西班牙人對幾個世紀前享有的海上霸權(quán)的懷念。在很短的時間里,總共 30 萬比塞塔的投資和捐款,就從全國各地和當時還是西班牙殖民地的古巴涌向巴塞羅那。憑借這筆資金,蒙圖里奧將之前注冊的商業(yè)社團改組成為一家名為“海底航行”的公司,并開始建造全新的“魚形艇二號”。
根據(jù)上一艘“魚形艇”的經(jīng)驗,蒙圖里奧將“魚形艇二號”設(shè)計成了細長的流線型,讓它看上去像一條梭魚或是一枚子彈。它的艇身有 14 米長,2 米寬,3 米高,里面包裹著容積 29 立方米的耐壓艙,以及 4 個容積分別是 8 立方米的壓載水艙?!棒~形艇二號”也同樣搭載了氫氧化鈣換氣裝置,再加上耐壓艙體積增加,因而可以搭載 16 名艇員,在水下連續(xù)潛航大約 7 小時,比起上一艘“魚形艇”是不小的進步。
除了艇身“一圓一長”,兩艘潛艇最大的不同,便是“魚形艇二號”在艇身頂部 1.3 米寬的甲板上,設(shè)置了一個小巧的圓柱體指揮塔,上面安裝著 3 片 10 厘米厚、直徑 20 厘米的圓形玻璃作為觀察窗。這是因為,按照蒙圖里奧的設(shè)想,“魚形艇二號”不再僅僅是采集珊瑚的工具,可以在經(jīng)過必要的改裝之后搭載火炮,成為海戰(zhàn)中奇襲對手的“秘密武器”,所以需要為將來軍用預留指揮戰(zhàn)斗的空間。不過,由于潛艇尺寸增加,資金仍然不算寬裕,因此蒙圖里奧再一次放棄了用鋼制作耐壓艙的計劃,仍舊選擇了橄欖木、橡木箍與銅皮的組合。
1865 年 5 月 20 日,“魚形艇二號”在巴塞羅那港進行了第一次試航,潛入到 30 米的深度。隨著夏天的到來,蒙圖里奧為“魚形艇二號”安排了密集的試航計劃,以便讓它盡快調(diào)整完善,來吸引政府和軍隊的投資。當夏天快要結(jié)束的時候,他甚至將一門輕型火炮裝到了“魚形艇二號”上。它的炮身大部分在耐壓艙里,只有一小部分炮口露在外面,而且大體和甲板平齊。艇員們可以在潛艇只露出指揮塔的情況下,從耐壓艙里操縱火炮進行瞄準,將炮彈從潛艇里發(fā)射出去。但這門火炮的準頭其實很差,所以不出意外地沒有引起軍方的興趣。
這次改裝和之前的試航,消耗了相當可觀的資金。蒙圖里奧突然發(fā)現(xiàn),他籌來的錢已經(jīng)快要用光了。正在這時候,一則關(guān)于美國南北戰(zhàn)爭的消息傳到了巴塞羅那:瀕臨戰(zhàn)敗的南方軍用鍋爐改裝了一艘名為“亨利號”的潛艇,并用它擊沉了北方軍的“豪薩托尼克號”護衛(wèi)艦,這意味著潛艇已經(jīng)在真正的海戰(zhàn)中取得了第一個戰(zhàn)果。急于拉到投資的蒙圖里奧深受鼓舞,當即寫信給美國海軍部,建議北方軍買下他的潛艇,以便和南方軍的潛艇抗衡。但他并不知道,南北戰(zhàn)爭此時已經(jīng)結(jié)束;而帶領(lǐng)北方走向勝利,結(jié)束分裂亂局的亞伯拉罕?林肯總統(tǒng),也被懷念黑奴制度的南方余黨暗殺。于是,蒙圖里奧等來了林肯總統(tǒng)的訃告;他想象中的跨國軍購,自然也就不了了之。
孤注一擲加裝動力
連續(xù)碰壁的蒙圖里奧最終悟到了問題的關(guān)鍵,那就是人力驅(qū)動讓潛艇走得太慢?!棒~形艇二號”擁有更適合水下航行的船體,艇員的人數(shù)也更多,速度卻仍然不盡人意。想要打開“魚形艇”的銷路,就必須讓它采用機械動力。但在水下使用內(nèi)燃機是不可能的,因為它將迅速消耗掉耐壓艙里極為有限的氧氣,不僅讓潛艇失去動力,而且會殺死所有艇員。使用蒸汽機似乎同樣行不通,但如果能找到不依賴氧氣就可以煮開水的辦法,這個方案倒是還有那么一絲希望。
機械動力這道難關(guān),蒙圖里奧原本是打算建造第三艘“魚形艇”的時候,再動手去挑戰(zhàn)的。在已經(jīng)快要完成的圖紙上,這艘“魚形艇”的外殼和耐壓艙都會使用鋼來建造,一臺特別定制的蒸汽機則被安排在專屬的艙房里??墒撬O碌馁Y金,已經(jīng)遠遠不夠再建造一艘全新的木制“魚形艇”,用鋼更是絕無可能。想要走機械動力這條路“續(xù)命”,就只能冒著徹底毀掉“魚形艇二號”的風險,設(shè)法將蒸汽機裝進它逼仄的耐壓艙。
蒙圖里奧決定孤注一擲。他借錢買了一臺有 6 個氣缸的蒸汽機,再自己動手將它分成了兩部分,由兩個不同的鍋爐來提供蒸汽:供水面航行的那一部分蒸汽機,使用傳統(tǒng)的燃煤鍋爐;供水下航行的那一部分蒸汽機,則是潛艇上技術(shù)含量最高的部分,因為它的鍋爐不需要常規(guī)燃料,也不需要艙內(nèi)的氧氣助燃,就可以把水煮開。
這種神奇的能力,要歸功于蒙圖里奧對過氧化物的運用。從 1799 年德國科學家亞歷山大?馮?洪堡發(fā)現(xiàn)過氧化鋇開始,歐洲科學界在隨后的幾十年里認識了若干種過氧化物,并在實驗室里少量制取它們用于化學實驗。一個流傳下來的配方顯示,蒙圖里奧的“燃料”主要由 53% 的鋅、16% 的二氧化錳(金屬錳的過氧化物)和 31% 的氯酸鉀混合而成。也有人認為,除了這些物質(zhì),他可能還加入了少量的鎂和其他過氧化物?;瘜W反應會產(chǎn)生足以燒開水的熱能,并且生成氧氣供艇員呼吸所需。
可以說,經(jīng)過這樣一番改裝的“魚形艇二號”,已經(jīng)觸碰到了 AIP(Air-Independent Propulsion,不依賴空氣的推進裝置)技術(shù)的門檻。不過,由于耐壓艙的相當一部分都被機械裝置和反應容器所占據(jù),因此艇員減少到只有 2 人。
淪為避稅的犧牲品
1867 年 10 月 22 日,蒙圖里奧帶著完成改裝的“魚形艇二號”,又一次來到巴塞羅那港。用于水面航行的那一部分蒸汽機帶動螺旋槳飛速旋轉(zhuǎn),讓潛艇的航速達到了每小時 4.5 海里(1 海里 = 1.852 公里)。12 月 14 日,他讓所有化學藥品各居其位,而后操縱潛艇緩緩下潛?;瘜W反應產(chǎn)生的熱量,果然讓用于水下航行的那一部分蒸汽機動了起來,潛艇的航速也比使用人力驅(qū)動時明顯提高。但僅僅幾分鐘后,化學反應產(chǎn)生的熱量,就讓耐壓艙里變得酷熱難耐。蒙圖里奧不得不讓潛艇浮上水面,想要散熱之后再度下潛??墒?,等到耐壓艙里的溫度恢復正常,化學反應已經(jīng)終止,鍋爐也漸漸冷了下去,“魚形艇二號”只能開回了碼頭。
遺憾的是,這次草草收場的試航,卻是“魚形艇二號”退場前的燦爛余暉。為研制“魚形艇”,蒙圖里奧總共投入超過 50 萬比塞塔,不僅用光了所有籌款,而且負債累累,“魚形艇”卻還看不到實用的跡象。人們終于失去了耐心,蒙圖里奧再也得不到新的投資或是借款。12 月 23 日,他的海底航行公司破產(chǎn)了,最大的債主毫不客氣地拖走了“魚形艇二號”,來折抵蒙圖里奧無法償還的借款。
“魚形艇二號”很快被賣給了一位獵奇的收藏家。正巧在這時候,政府開始征收船舶稅。剛剛買下“魚形艇二號”的收藏家收到了賬單,卻不想為一條“不能開的船”支付稅金。于是,他找人連夜拆掉了潛艇,將水面航行使用的那一部分蒸汽機賣給一家紡織廠,其余的材料則賣給了拆船廠,只留下指揮塔的一部分,改造成浴室的窗戶。而后,這位收藏家以船舶滅失為由,向政府申請取消了賬單。世界上第一艘 AIP 潛艇,就這樣淪為避稅的犧牲品。
還好,這并不是“魚形艇”傳奇履歷的終點。
一代傳奇終被銘記
1939 年,法西斯主義者弗朗西斯科?佛朗哥(Francisco Franco)在德國和意大利的支持下,取得了西班牙內(nèi)戰(zhàn)的勝利。他知道德國正在大力發(fā)展?jié)撏Р筷?,就命人搜集“魚形艇”的技術(shù)資料,送到柏林“獻寶”。沒想到,蒙圖里奧將近 100 年前的設(shè)計,竟然讓德國著名火箭發(fā)動機專家赫爾穆特?沃爾特(Hellmuth Walter)拍案叫絕。
此時的德國擁有非常發(fā)達的化學工業(yè),已經(jīng)能大規(guī)模生產(chǎn)濃度高達 80% 的過氧化氫。于是,沃爾特根據(jù)蒙圖里奧使用過氧化物的經(jīng)驗,設(shè)計出了用過氧化氫來助燃的“沃爾特渦輪機”。搭載這種發(fā)動機的 V-80 潛艇,曾經(jīng)在水下跑出每小時 28 海里的驚人高速,已經(jīng)相當于現(xiàn)代核動力潛艇的水平。但在水下使用大量高濃度的過氧化氫實在危險,而且只用沃爾特渦輪機做動力的潛艇航程短得可憐,因此這樣的潛艇沒能成為德國“水下狼群”的主流。
第二次世界大戰(zhàn)極大地促進了反潛技術(shù)的發(fā)展。讓潛艇擁有長時間在水下航行的能力,從而在戰(zhàn)場上生存下來,成為各大國的海軍追求的目標。隨著化學的進步,蒙圖里奧運用化學反應實現(xiàn) AIP 的思路,重新顯現(xiàn)出了它的價值。“繞過”氧氣助燃,或者說用燃燒之外的化學反應產(chǎn)生能量的方案,也最終在今天的西班牙成為現(xiàn)實。
2007 年,西班牙開始為海軍建造新銳的 S-80 級常規(guī)動力潛艇。它搭載了歐洲最先進的 AIP 系統(tǒng),可以從生物乙醇(酒精)中提取出氫氣,與氧氣一起輸入燃料電池,通過化學反應直接轉(zhuǎn)化成電能來驅(qū)動潛艇。這一級別潛艇中的前三艘,分別以 19 世紀西班牙的 3 位潛艇先驅(qū)命名,其中的第二艘,便得名“納西斯?蒙圖里奧號”。
這艘價值 10 億歐元的潛艇,是紀念蒙圖里奧不朽功業(yè)的豐碑。
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