游過巴塞羅那港的木質(zhì)“機器魚”，成為現(xiàn)代不依賴空氣推進系統(tǒng)的先驅(qū)

本文來自微信公眾號：返樸 （ID：fanpu2019），作者：馬之恒

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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