170多年前的木质“机器鱼”,成为现代潜艇的先驱

巴塞罗那海事博物馆(Museu Marítim Barcelona)的院子里,陈列着一个用木头建造,既像马面鱼又像潜艇的装置。如果不看说明牌,你很可能会误把它当成是表现航海文化的雕塑,或者是已经倒闭的博物馆小卖部。然而,在160多年以前,真的有一艘长成这副模样的潜艇,曾在巴塞罗那港的海水中遨游。而且,它还有一个看上去像是梭鱼的“接班人”。

一、出版干不成,就去造潜艇

这两艘潜艇的建造者,是一个加泰罗尼亚菲格雷斯(Figueres)的箍桶匠的儿子,名叫纳西斯·蒙图里奥·伊斯塔里奥(Narcís Monturiol i Estarriol)。虽然他在大学里的专业是法学,可是拿到学位之后,他一天也没有做过法律方面的工作,而是一心想当个出版家。1846年,27岁的他在巴塞罗那开了一家出版公司,专门制作宣传女权主义和空想社会主义的报纸、杂志和小册子。这些在当年非常前卫的思想,也为他吸引来一些忠实的读者。

然而好景不长,1848年,欧洲的很多地方发生了反对君主专制的革命。西班牙政府认为蒙图里奥的言论影响社会稳定,就责令他制作的一份宣传空想社会主义的杂志停刊。他只得离开巴塞罗那,跑路去了法国。第二年,他回到巴塞罗那,却发现政府已经出台了一连串针对出版业的禁令。带着镣铐跳舞的感觉实在难受,在他看来,做出版已经没什么前途。当巴塞罗那的氛围变得更压抑的时候,他决定到滨海小镇卡达克斯(Cadaqués)去暂避风头。

为了糊口,蒙图里奥开始在海边卖风景画,这让他经常能碰见潜水采集珊瑚的贫苦渔民。这些人没有任何潜水装备,只是深吸一口气就下到海里,凭着手中简陋的工具挖出珊瑚拿到岸上卖掉。虽然经过雕琢修饰的珊瑚,最终会成为价格高昂的奢侈品,可是这些处在产业链末端的渔民,却只能拿到勉强够生活的小钱,还要为这份工作冒生命危险。蒙图里奥到卡达克斯之后不久,就亲眼看见一名渔民因为憋气时间过长,最终不幸溺水身亡。

这些渔民的悲惨生活,让蒙图里奥深刻地意识到,世界上充满了形形色色的剥削和不公平,而他应该为保护弱者做点什么。苦思冥想之后,他找到了解决方案:既然印刷机和铅活字可以迅速印出成千上万份报刊和书籍,免去抄书匠的艰辛劳动,那么,他或许可以建造一种机器,让人们能坐着它安全地潜入水下,挖掘大海中形形色色的宝藏以获得报酬。在他看来,水下航行甚至称得上是一种平等的象征:当世界各地的海洋正在被划分的时候,水面之下的世界,却是个让人们可以自由航行的不羁的新天地。这就像印刷机和铅活字的普及,令书籍价格大幅降低,平民百姓才有了读书的自由一样。

但蒙图里奥也明白,对于当时的西班牙社会来说,他的创意实在太过超前,也许只要说出来就会成为全国的笑柄。直到1857年,他在朋友的鼓励下,才终于决定将创意付诸实践。这年9月,他设法筹集到价值相当于3.2千克黄金的1万比塞塔(当时的西班牙货币),在巴塞罗那注册了西班牙第一家研究水下航行的商业社团。

第二年,蒙图里奥发表了一篇题为《鱼形艇》(El Ictíneo o barco-pez)的论文,向人们介绍自己的构想。按照他的解释,鱼的躯体最适合在水中行动,而这条“能够潜入水下的船”,也就是潜艇,是对鱼的全方位模仿。鱼通过摆动尾鳍来游水,其他的鳍用来在水里保持身体的稳定,或是转弯;鱼鳔负责调节鱼在水中的深浅位置。而他要建造的“水下船”,是通过设在尾部的螺旋桨来推进,以尾部的舵调整航向;船底的滑橇则如同鱼的背鳍,只是挪到了腹部,可以保持船体的稳定;船里的压载水箱则如同鱼鳔,通过注水和排水来调节潜水的深度。因此,他将希腊语的“ikhtys”(鱼)和“naus”(船)这两个词结合起来,用“鱼形艇”(ictíneo)来形容自己发明的潜艇。

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晚年的纳西斯·蒙图里奥

二、以鱼为师,探索水下世界

当论文发表的时候,“鱼形艇”也已经动工开建。但在当时的西班牙,设计船舶的知识还属于海军工程学的一部分,几乎只有军队的工程师才能掌握;而蒙图里奥并没有受过这方面的专业训练,只有少年时做木工活的经验。所以,完善“鱼形艇”的设计和建造它的工作,是由蒙图里奥和他聘用的造船工程师团队共同完成的。这样的工作方式,让“鱼形艇”成为西班牙工业革命中的一个重要的里程碑——因为这或许是西班牙历史上,凭经验工作的工匠和“科班出身”的工程师,第一次为一个工程项目通力协作。

蒙图里奥希望“鱼形艇”最终能潜到水下500米深的地方,这一数字和现代的军用潜艇相当。在那样的深度,水压已经相当于50个大气压,而最为耐压的形状是球体。他想要用钢建造一个耐压舱,装在鱼形的木制外壳里,作为乘员的安身之地。但因为资金非常有限,他只能退而求其次,把耐压舱也改成木制的。

身为箍桶匠的儿子,蒙图里奥在木桶的基础上略加修改,用橄榄木做了一个耐压舱。它是个长径4米、短径2米的橄榄状椭球,外面覆盖着2毫米厚的铜皮来加固,并且有橡木制成的加强箍。这个舱室内部空间约有7立方米,可以容纳4个人;外面则是7米长,3.5米高,2.5米宽的鱼形艇身。在艇体的侧面,耐压舱与外壳最为接近的位置,是一对主要的观察窗,其他的观察窗设在顶部和船艏。这些观察窗的玻璃被精心制作成圆台,也就是布丁那样的形状,贴近水的一侧直径更大一些。这样一来,当“鱼形艇”潜入水下的时候,水压就会把观察窗牢牢地压在船体上,从而保证了乘员的安全。

在耐压舱和鱼形艇身之间的空腔里,布置着4个被蒙图里奥称为“鱼鳔”的压载水舱,可以让“鱼形艇”在水中自如地上浮和下潜。如果不小心下潜过快失去平衡,艇员们还可以前后移动鱼形艇身里的一枚巨大的砝码进行调整。

直到今天,海底科学考察使用的深海潜水器,仍然采用这样的布局,用装有观察窗的耐压舱保护潜航员和乘客,并且让他们通过观察窗直接观看海底景象;它们也同样会在耐压舱和外壳之间布置压载水舱,以及各种不容易受到水压影响的设备。

潜入水下之后,保证艇员的生存便成为第一要务。蒙图里奥经过计算,发现耐压舱中的氧气可供4名艇员呼吸大约2个小时,但在最后一段时间里,耐压舱中的二氧化碳浓度会明显提高,让艇员们因为缺氧而失去力量。于是,他在耐压舱里安装了一个装有氢氧化钙的换气装置,让舱里的空气不断地流过它。在这个过程中,二氧化碳就与氢氧化钙反应,变成了水和碳酸钙,从而让艇员们能呼吸到“新鲜”的空气,把呆在水下的时间延长大约一倍。

但蒙图里奥并不满足于此;他甚至想要用高锰酸钾和浓硫酸进行化学反应,在水下直接制取氧气。但这个反应会放出大量的热,而且在水下储存大量的浓硫酸实在过于危险,因此他在最后时刻放弃了这个方案,并且在耐压舱里安放了一支特殊的小蜡烛作为照明光源。虽然蜡烛的燃烧会消耗一部分氧气,但如果耐压舱里的氧气快要耗尽,蜡烛的火焰会变得鲜红,这时候艇员就要立刻让“鱼形艇”浮出水面。

三、首次试航出师不利

1859年6月28日,蒙图里奥的“鱼形艇”在巴塞罗那港开始了第一次试航。出于稳妥起见,他决定第一次只潜到50米深,但这也已经超过了不带装备直接潜水的人能够达到的极限深度。

可就算是这么小心,试航仍然出了事故。在那片海域的海底,刚好有一些之前被拆掉的港口建筑留下的木桩,但因为海水的阻隔,在岸上根本看不到。当“鱼形艇”潜入海底的时候,它就撞上了这片由木桩组成的“海底森林”,当场损失了一个压载水舱,鱼形的外壳也撞破了几个洞;撞击还震裂了一部分观察窗的玻璃,幸好观察窗独特的结构,让水压成了保护玻璃的力量,耐压舱里的蒙图里奥方才逃过一劫。

不过,这时候的他丝毫没有为死里逃生感到庆幸。建造“鱼形艇”已经把他筹集的资金花了个干净,如果再花钱彻底修好事故造成的损伤,他就真的一贫如洗了。但是带伤下潜实在危险,因此他决定只做一些最有必要的紧急维修,并且将最大潜水深度限制在20米。他的计划是用这艘“鱼形艇”来验证和展示技术;等到人们对水下航行产生兴趣,就不愁找不到投资。

1859年的整个夏天,蒙图里奥带着几名艇员,在巴塞罗那港进行了20多次试航。“鱼形艇”在水中沉沉浮浮颇为自如,而且在潜水的时候非常稳当。但唯一的缺点,却成了它的“致命伤”。和很多早期潜艇一样,“鱼形艇”是由人力来驱动的,艇员们在耐压舱里摇动一根曲轴,让螺旋桨转起来。但人的力量和反应速度毕竟有限,即使所有艇员齐心合力,螺旋桨也不会转得太快;而潜艇在水下需要克服的阻力,比水面上的船大得多。所以,潜入水下的“鱼形艇”慢得如同蜗牛爬行,这让它根本不能像当初设想的那样,完成采集珊瑚的任务,而且可以说毫无用处。

但蒙图里奥一时也想不出改进的方案,因为无论蒸汽机还是内燃机,都需要氧气来助燃,而耐压舱里那一点点氧气根本不够用。他只能不断安排试航,徒劳地寻找着让螺旋桨转得更快的方法。最后,在1862年1月,一艘失控的货船撞上“鱼形艇”停靠的码头,将这艘已经下潜过大约50次的潜艇撞成了碎片。

四、重新造一条“机器鱼

蒙图里奥失去了投入所有资金建造的发明。不幸中的万幸是,这起港口交通事故,让西班牙海军注意到了他的工作,并承诺拨付给他一笔研究经费,让他建造一艘新的“鱼形艇”。

没有人知道,在接下来的时间里,马德里的高层之间发生了怎样的博弈。唯一可以确定的是,蒙图里奥空等了一年多,这笔资金始终没能到位。不愿再虚度光阴的他意识到自己必须有所行动,于是,他再次发挥当年办杂志时的文笔,写下了一封给全体西班牙人民的长长的公开信。他在信中解释了一番“鱼形艇”的创意,也亮出了拉投资的“卖点”:水下航行是未来的“风口”,水下世界是有待开垦的处女地,而他的研究会让西班牙在这个领域占得先机。

或许是国家走向衰落的时局令人格外不满,这封信成功地激起了西班牙人对几个世纪前享有的海上霸权的怀念。在很短的时间里,总共30万比塞塔的投资和捐款,就从全国各地和当时还是西班牙殖民地的古巴涌向巴塞罗那。凭借这笔资金,蒙图里奥将之前注册的商业社团改组成为一家名为“海底航行”的公司,并开始建造全新的“鱼形艇二号”。

根据上一艘“鱼形艇”的经验,蒙图里奥将“鱼形艇二号”设计成了细长的流线型,让它看上去像一条梭鱼或是一枚子弹。它的艇身有14米长,2米宽,3米高,里面包裹着容积29立方米的耐压舱,以及4个容积分别是8立方米的压载水舱。“鱼形艇二号”也同样搭载了氢氧化钙换气装置,再加上耐压舱体积增加,因而可以搭载16名艇员,在水下连续潜航大约7小时,比起上一艘“鱼形艇”是不小的进步。

除了艇身“一圆一长”,两艘潜艇最大的不同,便是“鱼形艇二号”在艇身顶部1.3米宽的甲板上,设置了一个小巧的圆柱体指挥塔,上面安装着3片10厘米厚、直径20厘米的圆形玻璃作为观察窗。这是因为,按照蒙图里奥的设想,“鱼形艇二号”不再仅仅是采集珊瑚的工具,可以在经过必要的改装之后搭载火炮,成为海战中奇袭对手的“秘密武器”,所以需要为将来军用预留指挥战斗的空间。不过,由于潜艇尺寸增加,资金仍然不算宽裕,因此蒙图里奥再一次放弃了用钢制作耐压舱的计划,仍旧选择了橄榄木、橡木箍与铜皮的组合。

1865年5月20日,“鱼形艇二号”在巴塞罗那港进行了第一次试航,潜入到30米的深度。随着夏天的到来,蒙图里奥为“鱼形艇二号”安排了密集的试航计划,以便让它尽快调整完善,来吸引政府和军队的投资。当夏天快要结束的时候,他甚至将一门轻型火炮装到了“鱼形艇二号”上。它的炮身大部分在耐压舱里,只有一小部分炮口露在外面,而且大体和甲板平齐。艇员们可以在潜艇只露出指挥塔的情况下,从耐压舱里操纵火炮进行瞄准,将炮弹从潜艇里发射出去。但这门火炮的准头其实很差,所以不出意外地没有引起军方的兴趣。

这次改装和之前的试航,消耗了相当可观的资金。蒙图里奥突然发现,他筹来的钱已经快要用光了。正在这时候,一则关于美国南北战争的消息传到了巴塞罗那:濒临战败的南方军用锅炉改装了一艘名为“亨利号”的潜艇,并用它击沉了北方军的“豪萨托尼克号”护卫舰,这意味着潜艇已经在真正的海战中取得了第一个战果。急于拉到投资的蒙图里奥深受鼓舞,当即写信给美国海军部,建议北方军买下他的潜艇,以便和南方军的潜艇抗衡。但他并不知道,南北战争此时已经结束;而带领北方走向胜利,结束分裂乱局的亚伯拉罕·林肯总统,也被怀念黑奴制度的南方余党暗杀。于是,蒙图里奥等来了林肯总统的讣告;他想象中的跨国军购,自然也就不了了之。

五、孤注一掷加装动力

连续碰壁的蒙图里奥最终悟到了问题的关键,那就是人力驱动让潜艇走得太慢。“鱼形艇二号”拥有更适合水下航行的船体,艇员的人数也更多,速度却仍然不尽人意。想要打开“鱼形艇”的销路,就必须让它采用机械动力。但在水下使用内燃机是不可能的,因为它将迅速消耗掉耐压舱里极为有限的氧气,不仅让潜艇失去动力,而且会杀死所有艇员。使用蒸汽机似乎同样行不通,但如果能找到不依赖氧气就可以煮开水的办法,这个方案倒是还有那么一丝希望。

机械动力这道难关,蒙图里奥原本是打算建造第三艘“鱼形艇”的时候,再动手去挑战的。在已经快要完成的图纸上,这艘“鱼形艇”的外壳和耐压舱都会使用钢来建造,一台特别定制的蒸汽机则被安排在专属的舱房里。可是他剩下的资金,已经远远不够再建造一艘全新的木制“鱼形艇”,用钢更是绝无可能。想要走机械动力这条路“续命”,就只能冒着彻底毁掉“鱼形艇二号”的风险,设法将蒸汽机装进它逼仄的耐压舱。

蒙图里奥决定孤注一掷。他借钱买了一台有6个气缸的蒸汽机,再自己动手将它分成了两部分,由两个不同的锅炉来提供蒸汽:供水面航行的那一部分蒸汽机,使用传统的燃煤锅炉;供水下航行的那一部分蒸汽机,则是潜艇上技术含量最高的部分,因为它的锅炉不需要常规燃料,也不需要舱内的氧气助燃,就可以把水煮开。

这种神奇的能力,要归功于蒙图里奥对过氧化物的运用。从1799年德国科学家亚历山大·冯·洪堡发现过氧化钡开始,欧洲科学界在随后的几十年里认识了若干种过氧化物,并在实验室里少量制取它们用于化学实验。一个流传下来的配方显示,蒙图里奥的“燃料”主要由53%的锌、16%的二氧化锰(金属锰的过氧化物)和31%的氯酸钾混合而成。也有人认为,除了这些物质,他可能还加入了少量的镁和其他过氧化物。化学反应会产生足以烧开水的热能,并且生成氧气供艇员呼吸所需。

可以说,经过这样一番改装的“鱼形艇二号”,已经触碰到了AIP(Air-Independent Propulsion,不依赖空气的推进装置)技术的门槛。不过,由于耐压舱的相当一部分都被机械装置和反应容器所占据,因此艇员减少到只有2人。

六、沦为避税的牺牲品

1867年10月22日,蒙图里奥带着完成改装的“鱼形艇二号”,又一次来到巴塞罗那港。用于水面航行的那一部分蒸汽机带动螺旋桨飞速旋转,让潜艇的航速达到了每小时4.5海里(1海里=1.852公里)。12月14日,他让所有化学药品各居其位,而后操纵潜艇缓缓下潜。化学反应产生的热量,果然让用于水下航行的那一部分蒸汽机动了起来,潜艇的航速也比使用人力驱动时明显提高。但仅仅几分钟后,化学反应产生的热量,就让耐压舱里变得酷热难耐。蒙图里奥不得不让潜艇浮上水面,想要散热之后再度下潜。可是,等到耐压舱里的温度恢复正常,化学反应已经终止,锅炉也渐渐冷了下去,“鱼形艇二号”只能开回了码头。

遗憾的是,这次草草收场的试航,却是“鱼形艇二号”退场前的灿烂余辉。为研制“鱼形艇”,蒙图里奥总共投入超过50万比塞塔,不仅用光了所有筹款,而且负债累累,“鱼形艇”却还看不到实用的迹象。人们终于失去了耐心,蒙图里奥再也得不到新的投资或是借款。12月23日,他的海底航行公司破产了,最大的债主毫不客气地拖走了“鱼形艇二号”,来折抵蒙图里奥无法偿还的借款。

“鱼形艇二号”很快被卖给了一位猎奇的收藏家。正巧在这时候,政府开始征收船舶税。刚刚买下“鱼形艇二号”的收藏家收到了账单,却不想为一条“不能开的船”支付税金。于是,他找人连夜拆掉了潜艇,将水面航行使用的那一部分蒸汽机卖给一家纺织厂,其余的材料则卖给了拆船厂,只留下指挥塔的一部分,改造成浴室的窗户。而后,这位收藏家以船舶灭失为由,向政府申请取消了账单。世界上第一艘AIP潜艇,就这样沦为避税的牺牲品。

还好,这并不是“鱼形艇”传奇履历的终点。

七、一代传奇终被铭记

1939年,法西斯主义者弗朗西斯科·佛朗哥(Francisco Franco)在德国和意大利的支持下,取得了西班牙内战的胜利。他知道德国正在大力发展潜艇部队,就命人搜集“鱼形艇”的技术资料,送到柏林“献宝”。没想到,蒙图里奥将近100年前的设计,竟然让德国著名火箭发动机专家赫尔穆特·沃尔特(Hellmuth Walter)拍案叫绝。

此时的德国拥有非常发达的化学工业,已经能大规模生产浓度高达80%的过氧化氢。于是,沃尔特根据蒙图里奥使用过氧化物的经验,设计出了用过氧化氢来助燃的“沃尔特涡轮机”。搭载这种发动机的V-80潜艇,曾经在水下跑出每小时28海里的惊人高速,已经相当于现代核动力潜艇的水平。但在水下使用大量高浓度的过氧化氢实在危险,而且只用沃尔特涡轮机做动力的潜艇航程短得可怜,因此这样的潜艇没能成为德国“水下狼群”的主流。

第二次世界大战极大地促进了反潜技术的发展。让潜艇拥有长时间在水下航行的能力,从而在战场上生存下来,成为各大国的海军追求的目标。随着化学的进步,蒙图里奥运用化学反应实现AIP的思路,重新显现出了它的价值。“绕过”氧气助燃,或者说用燃烧之外的化学反应产生能量的方案,也最终在今天的西班牙成为现实。

2007年,西班牙开始为海军建造新锐的S-80级常规动力潜艇。它搭载了欧洲最先进的AIP系统,可以从生物乙醇(酒精)中提取出氢气,与氧气一起输入燃料电池,通过化学反应直接转化成电能来驱动潜艇。这一级别潜艇中的前三艘,分别以19世纪西班牙的3位潜艇先驱命名,其中的第二艘,便得名“纳西斯·蒙图里奥号”。

这艘价值10亿欧元的潜艇,是纪念蒙图里奥不朽功业的丰碑。

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