游过巴塞罗那港的木质机器鱼，成为现代不依赖空气推进系统的先驱_风闻
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，一个青年开始募集资金，想要造出一条能下潜的“机器鱼”。他希望渔民可以乘坐这艘木质的潜水器，安全地完成采集珊瑚的工作。然而，正如历史上诸多失败的发明一样，他总是在资金短缺的情况工作，最终也没能成功。但是他的第二代“机器鱼”，竟然短暂地摆脱了人力的“束缚”，成为现代潜艇上使用的不依赖空气推进系统（AIP）的起点。
撰文 | 马之恒
在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”。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
特 别 提 示
1. 进入『返朴』微信公众号底部菜单“精品专栏“，可查阅不同主题系列科普文章。
2. 『返朴』提供按月检索文章功能。关注公众号，回复四位数组成的年份+月份，如“1903”，可获取2019年3月的文章索引，以此类推。
版权说明：欢迎个人转发，任何形式的媒体或机构未经授权，不得转载和摘编。转载授权请在「返朴」微信公众号内联系后台。