古人深海探秘

佘毅仁

【極限探索·深海專題】

在人類的歷史長河中，深海似乎是無法窺探的神秘之地。但如今，人類已擁有了潛入深海的能力，海洋里的山脈、湖泊、森林被一一發(fā)現(xiàn)。更神奇的是，海里也有“雪原”“火山”及不可思議的“溫泉”和“臺風”，甚至還有裸露在海床上的豐富礦藏。本刊自本期起將推出一個“極限探索·深海專題”，介紹科技發(fā)展對人類深海探索的推動和相關的驚心動魄的歷史故事，讓讀者一起見證人類對大海探索深度的不斷突破。

古代的科學技術遠達不到可以安全地把潛水員送至大洋底部的水平。許多深潛的勇士，一次次以生命的代價來換取人類探索大自然的經(jīng)驗和知識。在世界各地的古人類巖畫和壁畫上，都有描述潛水員潛入海底，撈取寶物及與海洋生物共同游弋的場景。

古人嘗試過各種潛水，大致可分為2大類，第一類是在人體外部穿上有防護功能的潛水服進行的受壓潛水；另一類是通過制造某種封閉的設備（載人的內(nèi)部艙室保持常壓），通過外部抵抗水下壓力的潛水器進行的抗壓潛水。

原始潛水器

人類在海中探險或科考時，始終需要面對三大問題：壓力、溫度、氧氣。數(shù)千年前，世界各地就都已有人類采用屏氣的方法短時間潛水采集珍珠或其他海產(chǎn)品的記載。在很長一段時間內(nèi)，潛水員們普遍口含一根植物的莖稈或金屬制作而成的通氣管在貼近海面的淺水處作業(yè)或戰(zhàn)斗。一般情況下，普通潛水員“裸潛”（不穿任何服裝），雖然阻力較小，但由于換氣方式和物理水壓的限制，潛水員只在海平面以下30米內(nèi)活動。在古代，有很多潛水戰(zhàn)爭的記載。希臘和西西里戰(zhàn)爭期間，西西里的潛水員曾潛入水中把削尖的木樁放在水下，阻止希臘艦隊的進攻。據(jù)說，古羅馬軍隊也有潛入河中用空心蘆葦稈作為呼吸工具，避人耳目行軍的作戰(zhàn)方法。

約公元前330年，古希臘思想家亞里士多德發(fā)明了一種潛水器，這是一種內(nèi)襯框架的半密閉的玻璃罩，潛水員可在水下通過其透明玻璃壁觀察外部情況，這樣便于在水下駐留更長的時間來采集各種海產(chǎn)品。不僅如此，這位偉大的科學家通過下潛，詳細記錄了多種海洋生物的情況，為現(xiàn)代生物學留下了寶貴的財富。

到了15世紀，意大利博物學家達·芬奇設計了一批當時看來無比超前的武器，其中一種就是能沉入海中的封閉式潛水箱，其裝備一個空氣囊，潛水員通過機械結構前進，用以在水下鑿沉敵方的水面艦只。16世紀初，意大利人根據(jù)達·芬奇的設計造出了實樣，并進行了改進。以當時的技術，這種潛水器的箱體只能用木材制造，裝有供氣皮袋和系纜式壓載箱，通過絞盤傳動來控制沉浮。雖然各方面都比較原始，但正是這個有劃時代意義的潛水器開啟了人類探索深海的大門。

真正的“潛水鐘”出現(xiàn)

1538年，希臘人用鐵質(zhì)鐘形容器為西班牙皇室表演干燥式潛水，將大鐘放入河中，鐘頂系有繩索，希臘人下水前就坐在鐵鐘里的繩欄上。當入水出水過程結束后，希臘人的衣服竟然沒有被浸濕。這個神奇的現(xiàn)象，引起了人們濃厚的興趣。原來，相當部分的空氣因為壓力作用滯留在大鐘內(nèi)，使得底部開放的結構沒有完全被浸濕。隨著下潛深度的增加，滯留在內(nèi)的空氣受壓越來越大，體積就會越來越小。真正意義上的“潛水鐘”由此誕生。但潛水鐘的缺點是空氣含量較少，且無法循環(huán)更新。作業(yè)深度和時間都受到極大的限制，也沒有徹底解決潛水員的呼吸問題。

17世紀中葉，德國物理學家奧拓·馮·格雷克發(fā)明了風箱氣泵。這一發(fā)明加速了人類科技史的進程。

1691年，哈雷彗星的發(fā)現(xiàn)人、英國天文學家艾德蒙·哈雷設計出一個外包鉛層的平頂圓錐形中空木桶潛水鐘，透過玻璃窗觀察水下情況，靠自重下沉，由母船上的絞盤吊車控制上浮。其換氣方式獨樹一幟，新鮮空氣通過鐘底附帶的包鉛木桶存儲，利用木桶內(nèi)外壓力差的原理，換氣時可以通過軟管將空氣壓入鐘內(nèi)，并可循環(huán)使用。之后的20多年里，哈雷不斷改進了自己的設計，不僅加大了尺寸，在鐘底安置可供進出的閘門，還提供了潛水員呼吸用的皮質(zhì)頭罩，由一根通氣管連接。此設計擴大了潛水員的工作范圍，使之可以有條件地在潛水鐘外工作，水下的滯留時間可達4小時。相傳哈雷乘坐自己設計的潛水鐘在泰晤士河水下停留了一個多小時。在科學技術還不十分發(fā)達的環(huán)境下，這種親歷親為的做法充分證明了其設計的可靠性。哈雷的設計一直被沿用到1789年，英國工程師約翰·斯梅頓改進了潛水鐘，用通氣管連接風箱氣泵，不斷把新鮮空氣壓注進鐘內(nèi)，替換廢氣。這樣不但可以延長工作時間，大大改善了潛水員的作業(yè)環(huán)境，還能有效控制潛水過程。它被用于橋梁修理，建筑物、海港建設以及海底勘察。

就在哈雷改進潛水鐘的同時，英國人約翰·萊斯布里奇用橡木制造出了一個高約2米、內(nèi)徑約0.7米的潛水桶，外部用鐵箍固定，看起來像威士忌酒桶。但有別于潛水鐘的是，這個潛水桶僅乘載一人，下水前用螺栓密閉桶頂蓋防止漏水，這個設計純粹為了打撈沉船上的財寶。有趣的是，在乘員面前有一個玻璃觀察口，還有2個操作孔供乘員的雙手直接伸出桶外作業(yè)，手臂部分有防水臂套，由桶外信號繩通知母船調(diào)整姿勢或上浮。此潛水桶的極限潛深20米，每次潛水約半小時。用這個潛水桶下水打撈，幾年內(nèi)竟獲得了數(shù)噸銀幣的財富。所以，這個簡單的潛水桶設計也被使用了很多年。

此后，由于制造材料和工藝技術的原因，潛水器的發(fā)展遇到了瓶頸，直到20世紀初，才有了長足進步。

早期潛水服

歐洲的中世紀充滿了戰(zhàn)爭，戰(zhàn)爭卻促進了科技的發(fā)展。1405年，德國工程師康拉德·凱撒在他的軍事藝術書中設計出了一件連帶金屬頭盔的皮革潛水服，用海綿做防水內(nèi)襯，潛水服內(nèi)的氣囊通過管道向頭盔內(nèi)供氣，頭盔上有玻璃觀察窗，這個設計甚為先進。之后達·芬奇在發(fā)明潛水器的同時，還發(fā)明了一種潛水口罩，他設想利用一根通氣管呼氣、另一根吸氣的原理，試圖徹底解決人類在水中呼吸的問題。為防止水流倒灌，他還設計了封閉式皮質(zhì)口罩，覆蓋了口鼻部，并固定通氣管的角度。水面通氣管也使用了軟木浮托。這種看似完美的設計卻忽略了最重要的問題——壓力。每下潛10米，就要增加一個大氣壓。人體在水下難以自主呼吸的問題使這個設計最終流產(chǎn)。

1772年，法國工程師福萊蒙發(fā)明了一種由皮革材料制造的肩扛式球形頭盔，該設計對前人的設計進行了很大的改進。通過氣泵向頭盔壓注新鮮空氣，從而循環(huán)呼吸。理論上，這樣的設計滿足了人類在海里不受呼吸限制，就可以進行自由活動的要求。但由于早期工藝技術落后，潛水員不能彎腰，也不能傾斜，否則容易漏水，且受到氣壓不平衡的限制，潛深非常淺。

“單人標準潛水服”的出現(xiàn)

從18世紀起，海運業(yè)使全世界經(jīng)濟迅速發(fā)展，淺海的沉船打撈也成為一本萬利的新興產(chǎn)業(yè)。需求促進了潛水市場的發(fā)展，因而19世紀上半葉成為單人潛水裝備發(fā)展的黃金期。與潛水器不同，潛水服既輕便又靈活，能完成潛水器完成不了的各種精密動作。但缺點也顯而易見，潛深淺，防護和保暖性能差，同時受到通氣管的限制，工作范圍也比較小。

19世紀初的30年里，相繼誕生了連接供氣管的金屬頭盔、水密帆布潛水服和小型背包式氣箱。這為之后的標準通風式潛水服提供了重要的技術儲備。1837年，工程師奧古斯特·西貝集各家所長，在英國發(fā)明了影響后世100多年的現(xiàn)代密閉結構通風式潛水服。該潛水服經(jīng)不斷地改進，設計出了與通風管連接的球形金屬頭盔、領盤和潛水服連接為一體的標準全密封結構。為了便于穿著，潛水服和頭盔可以拆卸，頭盔上的通風管由水面的氣泵持續(xù)供氣。為了獲得更大的潛深，此裝備體積大、用料足，鞋底、胸、背部等位置都配有較重的負載物。這就是日后“單人標準潛水服”的典型配置。由于潛水員通過此裝備可以較為靈活地運動，水下運動性得以大幅度提升。

19世紀下半葉，壓縮空氣的大量使用和高壓氣體鋼瓶的出現(xiàn)，開辟了人們的新思路。1864年，法國人發(fā)明了背負壓縮空氣鋼瓶潛水服，潛水員可以擺脫通風管的束縛，在水下10米深處，工作30分鐘。這一設計被寫進了法國著名科幻小說家儒勒·凡爾納的《海底兩萬里》一書中。由此可以看出，潛水服與潛水器同時發(fā)展，相互促進，相互競爭，同時為人類探索海洋提供了堅實的技術保障。

抗壓重型潛水裝備

隨著潛水深度的增加，人們逐漸發(fā)現(xiàn)潛水員會患上不同程度的減壓病。簡而言之，潛水員在水下長時間耐受高壓工作，使體內(nèi)的氮氧混合氣體同時壓縮。若快速上浮回到常壓水面，體內(nèi)的氮氣也會隨之解壓，在血液中形成較大的氣泡，從而影響血液的正常循環(huán)，嚴重時潛水員可能會有生命危險。因此，抗壓重型潛水裝備應運而生。

1875年，法國發(fā)明家拉菲在西貝潛水服的基礎上，改進了部分設計，采用金屬零件和皮革組成第一套重裝“潛水鎧甲”。

7年后，法國人卡馬諾爾兄弟設計出了硬質(zhì)全包式金屬抗壓服。這種抗壓服的頭盔上裝有25個5厘米厚的玻璃觀察窗，為抵抗外部的重壓和確保潛水服內(nèi)保持常壓，該設計采用了全黃銅構造，共有22個可動關節(jié)，重380千克，看上去和中世紀的重裝騎兵鎧甲如出一轍。由于使用極為麻煩，且依然用通風管供氣，完成動作還需要船上的吊車輔助，最后無法實用遭放棄。

19世紀末期，人們重新設計了一系列重型金屬抗壓服，這些重潛服設計十分前衛(wèi)，很像科幻小說里的機器人或獨眼巨人，還有按照仿生學里魚類的形狀設計出的潛水服。比較成功的設計都有一些共同的特點，比如都很重，都使用球形活動關節(jié)。由于材料和技術的限制，許多重潛服的關節(jié)在大深度壓力下的密封性能欠佳，由于無關節(jié)助力設計，行動非常不便。簡單地說，許多潛水服就像開了窗的金屬水桶，中部和下部伸出球形的手腳關節(jié)。一些重潛服號稱可以對抗數(shù)十個大氣壓，但使用麻煩，在船上基本無移動能力，下水也靠吊裝，在水中行動極為緩慢，所以使用效率極其低下，且受供氣壓力等各種因素的限制，加之設計并不成熟，大都無果而終。直到19世紀末，人類只能在大陸架范圍內(nèi)的淺海徘徊，還有無數(shù)的深海疑問困擾著人們。

時至20世紀初，電力的廣泛運用使人類可以通過科技的階梯逐步向深海邁進，人類迎來了深海探索的新時代。