遊過巴塞羅那港的木質機器魚，成為現代不依賴空氣推進系統的先驅_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2022-01-28 15:54
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的潛水器，安全地完成採集珊瑚的工作。然而，正如歷史上諸多失敗的發明一樣，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”，竟然短暫地擺脱了人力的“束縛”，成為現代潛艇上使用的不依賴空氣推進系統（AIP）的起點。
撰文 | 馬之恆
在巴塞羅那海事博物館（Museu Marítim Barcelona）的院子裏，陳列着一個用木頭建造，既像馬面魚又像潛艇的裝置。如果不看説明牌，你很可能會誤把它當成是表現航海文化的雕塑，或者是已經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遊。而且，它還有一個看上去像是梭魚的“接班人”。
出版幹不成，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·蒙圖裏奧·伊斯塔里奧（Narcís Monturiol i Estarriol）。雖然他在大學裏的專業是法學，可是拿到學位之後，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，專門製作宣傳女權主義和空想社會主義的報紙、雜誌和小冊子。這些在當年非常前衞的思想，也為他吸引來一些忠實的讀者。
然而好景不長，1848年，歐洲的很多地方發生了反對君主專制的革命。西班牙政府認為蒙圖裏奧的言論影響社會穩定，就責令他製作的一份宣傳空想社會主義的雜誌停刊。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，卻發現政府已經出台了一連串針對出版業的禁令。帶着鐐銬跳舞的感覺實在難受，在他看來，做出版已經沒什麼前途。當巴塞羅那的氛圍變得更壓抑的時候，他決定到濱海小鎮卡達克斯（Cadaqués）去暫避風頭。
為了餬口，蒙圖裏奧開始在海邊賣風景畫，這讓他經常能碰見潛水採集珊瑚的貧苦漁民。這些人沒有任何潛水裝備，只是深吸一口氣就下到海里，憑着手中簡陋的工具挖出珊瑚拿到岸上賣掉。雖然經過雕琢修飾的珊瑚，最終會成為價格高昂的奢侈品，可是這些處在產業鏈末端的漁民，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。蒙圖裏奧到卡達克斯之後不久，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，讓蒙圖裏奧深刻地意識到，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麼。苦思冥想之後，他找到了解決方案：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，那麼，他或許可以建造一種機器，讓人們能坐着它安全地潛入水下，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徵：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。
但蒙圖裏奧也明白，對於當時的西班牙社會來説，他的創意實在太過超前，也許只要説出來就會成為全國的笑柄。直到1857年，他在朋友的鼓勵下，才終於決定將創意付諸實踐。這年9月，他設法籌集到價值相當於3.2千克黃金的1萬比塞塔（當時的西班牙貨幣），在巴塞羅那註冊了西班牙第一家研究水下航行的商業社團。
第二年，蒙圖裏奧發表了一篇題為《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，其他的鰭用來在水裏保持身體的穩定，或是轉彎；魚鰾負責調節魚在水中的深淺位置。而他要建造的“水下船”，是通過設在尾部的螺旋槳來推進，以尾部的舵調整航向；船底的滑橇則如同魚的背鰭，只是挪到了腹部，可以保持船體的穩定；船裏的壓載水箱則如同魚鰾，通過注水和排水來調節潛水的深度。因此，他將希臘語的“ikhtys”（魚）和“naus”（船）這兩個詞結合起來，用“魚形艇”（ictíneo）來形容自己發明的潛艇。
以魚為師，探索水下世界
當論文發表的時候，“魚形艇”也已經動工開建。但在當時的西班牙，設計船舶的知識還屬於海軍工程學的一部分，幾乎只有軍隊的工程師才能掌握；而蒙圖裏奧並沒有受過這方面的專業訓練，只有少年時做木工活的經驗。所以，完善“魚形艇”的設計和建造它的工作，是由蒙圖裏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作。
蒙圖裏奧希望“魚形艇”最終能潛到水下500米深的地方，這一數字和現代的軍用潛艇相當。在那樣的深度，水壓已經相當於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，裝在魚形的木製外殼裏，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，把耐壓艙也改成木製的。
身為箍桶匠的兒子，蒙圖裏奧在木桶的基礎上略加修改，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，外面覆蓋着2毫米厚的銅皮來加固，並且有橡木製成的加強箍。這個艙室內部空間約有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，其他的觀察窗設在頂部和船艏。這些觀察窗的玻璃被精心製作成圓台，也就是布丁那樣的形狀，貼近水的一側直徑更大一些。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裏，佈置着4個被蒙圖裏奧稱為“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，艇員們還可以前後移動魚形艇身裏的一枚巨大的砝碼進行調整。
直到今天，海底科學考察使用的深海潛水器，仍然採用這樣的佈局，用裝有觀察窗的耐壓艙保護潛航員和乘客，並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佈置壓載水艙，以及各種不容易受到水壓影響的設備。
潛入水下之後，保證艇員的生存便成為第一要務。蒙圖裏奧經過計算，發現耐壓艙中的氧氣可供4名艇員呼吸大約2個小時，但在最後一段時間裏，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。於是，他在耐壓艙裏安裝了一個裝有氫氧化鈣的換氣裝置，讓艙裏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。
但蒙圖裏奧並不滿足於此；他甚至想要用高錳酸鉀和濃硫酸進行化學反應，在水下直接製取氧氣。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於危險，因此他在最後時刻放棄了這個方案，並且在耐壓艙裏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，但如果耐壓艙裏的氧氣快要耗盡，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，蒙圖裏奧的“魚形艇”在巴塞羅那港開始了第一次試航。出於穩妥起見，他決定第一次只潛到50米深，但這也已經超過了不帶裝備直接潛水的人能夠達到的極限深度。
可就算是這麼小心，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築留下的木樁，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構，讓水壓成了保護玻璃的力量，耐壓艙裏的蒙圖裏奧方才逃過一劫。
不過，這時候的他絲毫沒有為死裏逃生感到慶幸。建造“魚形艇”已經把他籌集的資金花了個乾淨，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，並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；等到人們對水下航行產生興趣，就不愁找不到投資。
1859年的整個夏天，蒙圖裏奧帶着幾名艇員，在巴塞羅那港進行了20多次試航。“魚形艇”在水中沉沉浮浮頗為自如，而且在潛水的時候非常穩當。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”是由人力來驅動的，艇員們在耐壓艙裏搖動一根曲軸，讓螺旋槳轉起來。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想的那樣，完成採集珊瑚的任務，而且可以説毫無用處。
但蒙圖裏奧一時也想不出改進的方案，因為無論蒸汽機還是內燃機，都需要氧氣來助燃，而耐壓艙裏那一點點氧氣根本不夠用。他只能不斷安排試航，徒勞地尋找着讓螺旋槳轉得更快的方法。最後，在1862年1月，一艘失控的貨船撞上“魚形艇”停靠的碼頭，將這艘已經下潛過大約50次的潛艇撞成了碎片。
重新造一條“機器魚”
蒙圖裏奧失去了投入所有資金建造的發明。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，並承諾撥付給他一筆研究經費，讓他建造一艘新的“魚形艇”。
沒有人知道，在接下來的時間裏，馬德里的高層之間發生了怎樣的博弈。唯一可以確定的是，蒙圖裏奧空等了一年多，這筆資金始終沒能到位。不願再虛度光陰的他意識到自己必須有所行動，於是，他再次發揮當年辦雜誌時的文筆，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域佔得先機。
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的懷念。在很短的時間裏，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湧向巴塞羅那。憑藉這筆資金，蒙圖裏奧將之前註冊的商業社團改組成為一家名為“海底航行”的公司，並開始建造全新的“魚形艇二號”。
根據上一艘“魚形艇”的經驗，蒙圖裏奧將“魚形艇二號”設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，裏面包裹着容積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。“魚形艇二號”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，設置了一個小巧的圓柱體指揮塔，上面安裝着3片10釐米厚、直徑20釐米的圓形玻璃作為觀察窗。這是因為，按照蒙圖裏奧的設想，“魚形艇二號”不再僅僅是採集珊瑚的工具，可以在經過必要的改裝之後搭載火炮，成為海戰中奇襲對手的“秘密武器”，所以需要為將來軍用預留指揮戰鬥的空間。不過，由於潛艇尺寸增加，資金仍然不算寬裕，因此蒙圖裏奧再一次放棄了用鋼製作耐壓艙的計劃，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。隨着夏天的到來，蒙圖裏奧為“魚形艇二號”安排了密集的試航計劃，以便讓它儘快調整完善，來吸引政府和軍隊的投資。當夏天快要結束的時候，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裏，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，從耐壓艙裏操縱火炮進行瞄準，將炮彈從潛艇裏發射出去。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。蒙圖裏奧突然發現，他籌來的錢已經快要用光了。正在這時候，一則關於美國南北戰爭的消息傳到了巴塞羅那：瀕臨戰敗的南方軍用鍋爐改裝了一艘名為“亨利號”的潛艇，並用它擊沉了北方軍的“豪薩託尼克號”護衞艦，這意味着潛艇已經在真正的海戰中取得了第一個戰果。急於拉到投資的蒙圖裏奧深受鼓舞，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。但他並不知道，南北戰爭此時已經結束；而帶領北方走向勝利，結束分裂亂局的亞伯拉罕·林肯總統，也被懷念黑奴制度的南方餘黨暗殺。於是，蒙圖裏奧等來了林肯總統的訃告；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
連續碰壁的蒙圖裏奧最終悟到了問題的關鍵，那就是人力驅動讓潛艇走得太慢。“魚形艇二號”擁有更適合水下航行的船體，艇員的人數也更多，速度卻仍然不盡人意。想要打開“魚形艇”的銷路，就必須讓它採用機械動力。但在水下使用內燃機是不可能的，因為它將迅速消耗掉耐壓艙裏極為有限的氧氣，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麼一絲希望。
機械動力這道難關，蒙圖裏奧原本是打算建造第三艘“魚形艇”的時候，再動手去挑戰的。在已經快要完成的圖紙上，這艘“魚形艇”的外殼和耐壓艙都會使用鋼來建造，一台特別定製的蒸汽機則被安排在專屬的艙房裏。可是他剩下的資金，已經遠遠不夠再建造一艘全新的木製“魚形艇”，用鋼更是絕無可能。想要走機械動力這條路“續命”，就只能冒着徹底毀掉“魚形艇二號”的風險，設法將蒸汽機裝進它逼仄的耐壓艙。
蒙圖裏奧決定孤注一擲。他借錢買了一台有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，則是潛艇上技術含量最高的部分，因為它的鍋爐不需要常規燃料，也不需要艙內的氧氣助燃，就可以把水煮開。
這種神奇的能力，要歸功於蒙圖裏奧對過氧化物的運用。從1799年德國科學家亞歷山大·馮·洪堡發現過氧化鋇開始，歐洲科學界在隨後的幾十年裏認識了若干種過氧化物，並在實驗室裏少量製取它們用於化學實驗。一個流傳下來的配方顯示，蒙圖裏奧的“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，他可能還加入了少量的鎂和其他過氧化物。化學反應會產生足以燒開水的熱能，並且生成氧氣供艇員呼吸所需。
可以説，經過這樣一番改裝的“魚形艇二號”，已經觸碰到了AIP（Air-Independent Propulsion，不依賴空氣的推進裝置）技術的門檻。不過，由於耐壓艙的相當一部分都被機械裝置和反應容器所佔據，因此艇員減少到只有2人。
淪為避税的犧牲品
1867年10月22日，蒙圖裏奧帶着完成改裝的“魚形艇二號”，又一次來到巴塞羅那港。用於水面航行的那一部分蒸汽機帶動螺旋槳飛速旋轉，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，而後操縱潛艇緩緩下潛。化學反應產生的熱量，果然讓用於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動時明顯提高。但僅僅幾分鐘後，化學反應產生的熱量，就讓耐壓艙裏變得酷熱難耐。蒙圖裏奧不得不讓潛艇浮上水面，想要散熱之後再度下潛。可是，等到耐壓艙裏的温度恢復正常，化學反應已經終止，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”退場前的燦爛餘輝。為研製“魚形艇”，蒙圖裏奧總共投入超過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。人們終於失去了耐心，蒙圖裏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了，最大的債主毫不客氣地拖走了“魚形艇二號”，來折抵蒙圖裏奧無法償還的借款。
“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，政府開始徵收船舶税。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”支付税金。於是，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，其餘的材料則賣給了拆船廠，只留下指揮塔的一部分，改造成浴室的窗户。而後，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，就這樣淪為避税的犧牲品。
還好，這並不是“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，取得了西班牙內戰的勝利。他知道德國正在大力發展潛艇部隊，就命人蒐集“魚形艇”的技術資料，送到柏林“獻寶”。沒想到，蒙圖裏奧將近100年前的設計，竟然讓德國著名火箭發動機專家赫爾穆特·沃爾特（Hellmuth Walter）拍案叫絕。
此時的德國擁有非常發達的化學工業，已經能大規模生產濃度高達80%的過氧化氫。於是，沃爾特根據蒙圖裏奧使用過氧化物的經驗，設計出了用過氧化氫來助燃的“沃爾特渦輪機”。搭載這種發動機的V-80潛艇，曾經在水下跑出每小時28海里的驚人高速，已經相當於現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“水下狼羣”的主流。
第二次世界大戰極大地促進了反潛技術的發展。讓潛艇擁有長時間在水下航行的能力，從而在戰場上生存下來，成為各大國的海軍追求的目標。隨着化學的進步，蒙圖裏奧運用化學反應實現AIP的思路，重新顯現出了它的價值。“繞過”氧氣助燃，或者説用燃燒之外的化學反應產生能量的方案，也最終在今天的西班牙成為現實。
2007年，西班牙開始為海軍建造新鋭的S-80級常規動力潛艇。它搭載了歐洲最先進的AIP系統，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化成電能來驅動潛艇。這一級別潛艇中的前三艘，分別以19世紀西班牙的3位潛艇先驅命名，其中的第二艘，便得名“納西斯·蒙圖裏奧號”。
這艘價值10億歐元的潛艇，是紀念蒙圖裏奧不朽功業的豐碑。
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