海中的“氣球”

佘毅仁

【極限探索·深海專題之五】

大家都知道，氣球能在空中向上飄。但有人卻偏偏將它往水里按。這到底是怎么一回事？一起來(lái)看看奧古斯特·皮卡爾德博士的故事。

百 折 不 撓

皮卡爾德博士一直在思考如何讓潛水器在水中自由航行。畢比-巴頓的深潛球優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)都很明顯，但這些缺點(diǎn)往往都無(wú)法彌補(bǔ)，比如深潛球沒(méi)有自主水平運(yùn)動(dòng)的能力，而且萬(wàn)一牽引鋼纜斷裂，深潛球和乘員將有去無(wú)回，這就阻礙了潛水器向更大的深度進(jìn)發(fā)。

皮卡爾德有設(shè)計(jì)航空氣球的經(jīng)驗(yàn)。氣球在大氣層中飛行時(shí)，采用的是氣體不飽和填充的方式，隨著高度的變化，氣球里比空氣輕的氣體會(huì)減壓、膨脹上升，這樣氣球就可以順利上升了。

那么，潛水器能不能也使用這個(gè)原理呢？答案是肯定的，只是所需材料不同。在海中，潛水器當(dāng)然要用耐壓材料來(lái)制造，這點(diǎn)和天空中相反。

不過(guò)，載人工作艙依然是球形，載人工作艙的上方可安置一個(gè)浮筒來(lái)代替氣球。這種結(jié)構(gòu)和天空中飛行的氣球有異曲同工之妙，只是海中與天空中的介質(zhì)有所不同，從密度小的空氣變成了密度大的海水，這樣便需要擁有巧奪天工的才思才能使這種“氣球”在海中遨游。

1937年，皮卡爾德向比利時(shí)國(guó)家科研基金會(huì)陳述了探索海洋的設(shè)想，基金會(huì)決定再次支持皮卡爾德完成這個(gè)偉大的夢(mèng)想。皮卡爾德迅速組建了實(shí)驗(yàn)室，并完成各種基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)，理論體系和制造技術(shù)已經(jīng)基本成熟。

可是不久，第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，皮卡爾德的工作被迫停了下來(lái)。戰(zhàn)后，皮卡爾德加倍努力，重拾已停滯近10年的工作，并改進(jìn)了原先的設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)不懈的努力最終把能夠潛入深海的深潛器制造完成。研制期間，戰(zhàn)后的重建給深潛器的研制工作制造了重重的麻煩，但超人的毅力驅(qū)使他必須實(shí)現(xiàn)年少時(shí)的夢(mèng)想。

設(shè)計(jì)巧妙的

深潛器

二戰(zhàn)時(shí)普通的潛水艇主要用于軍事，通常潛深只有數(shù)十米至100多米，極限潛深也不過(guò)200米。當(dāng)時(shí)的技術(shù)和材料不足以保證潛水艇在大深度作戰(zhàn)環(huán)境中的穩(wěn)定性能。潛水艇改變升降姿勢(shì)是通過(guò)向壓載水艙內(nèi)注入海水，并調(diào)整升降舵來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

當(dāng)潛水艇想要上浮時(shí)，潛水艇使用高壓空氣將壓載水艙里的海水排出艇體，依據(jù)密度原理，密度較大的物體下沉，密度較小的物體上浮，潛水艇就這樣控制上浮或相對(duì)懸停在所需要的深度。

一般潛水艇被設(shè)計(jì)成全封閉結(jié)構(gòu)，潛水艇的外殼為耐壓的鋼材，具備相應(yīng)厚度的鋼材可以抵御極限設(shè)計(jì)潛深時(shí)的水壓，且保證艇體不會(huì)變形。潛水艇在水下只能通過(guò)聲吶規(guī)避障礙物航行。潛水艇的動(dòng)力結(jié)構(gòu)一般被設(shè)計(jì)成水面上使用柴油機(jī)行進(jìn)，同時(shí)為蓄電池充電，水下使用蓄電池的電力驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)前進(jìn)。

最重要的是，全封閉潛水艇無(wú)法直接觀察水下周?chē)那闆r。

而深潛器則與普通潛水艇完全不同。既然它是航行在海中的“氣球”，那所有的部件都必須要能抵抗住深海巨大的水壓。但如果使用與潛水艇一樣的鋼材，那整個(gè)深潛器將會(huì)超重。

既然說(shuō)到氣球，那么浮筒內(nèi)的介質(zhì)便至關(guān)重要。到底使用什么介質(zhì)來(lái)幫助載人艙自由游弋呢？皮卡爾德利用他超凡卓絕的物理學(xué)才能，決定使用汽油代替空氣放在浮筒里作為上浮的介質(zhì)，問(wèn)題就這樣簡(jiǎn)單地被解決了。汽油和水同為液體，比重則遠(yuǎn)比水小，因此，汽油在水中一定會(huì)快速上升。由于液體很難被壓縮，所以浮筒可以用較輕質(zhì)的鋼板制造，其作用就像氣球球體一樣，防止汽油在水中逸散。

當(dāng)然，載人艙必須保持常壓，而且要建造得結(jié)實(shí)可靠，足以抵御深海的高壓。

這種新穎的深潛器于1948年制造完成，即使用現(xiàn)在的眼光來(lái)看，這種設(shè)計(jì)無(wú)論工作原理還是外觀都十分超前。為了感謝比利時(shí)國(guó)家科研基金會(huì)的全力支持，他將這種深潛器命名為“弗恩斯- 2”。

當(dāng)時(shí)的媒體立即尋找到了新聞主題：著名航空家——奧古斯特·皮卡爾德教授在完成大氣層氣球探空的實(shí)驗(yàn)后，現(xiàn)在又將深入海洋，探測(cè)神秘的海底世界。此時(shí)，有人稱皮卡爾德為“天才浮力學(xué)家”。

“天才浮力學(xué)家”

這種深潛器，長(zhǎng)約7米，寬約3.2米，高約5.8米。由于皮卡爾德身材高大，耐壓載人艙的外部直徑約為2.2米，壁厚9厘米。皮卡爾德想使用它遨游整個(gè)海洋，但由于經(jīng)驗(yàn)和材料所限，設(shè)計(jì)的潛深較為有限。

皮卡爾德的設(shè)計(jì)可謂煞費(fèi)苦心，耐壓載人艙與汽油浮筒相連，中間設(shè)計(jì)安裝有套環(huán)支柱，把浮筒和耐壓載人艙連為一體。這個(gè)支柱還有一個(gè)重要的功能，就是在母船上的吊車(chē)將整個(gè)深潛器吊裝出入水時(shí)起到支柱的作用。

浮筒設(shè)計(jì)極有新意，為雙層結(jié)構(gòu)，外壁由薄鋼板制成；內(nèi)含多個(gè)分隔式油箱，油箱內(nèi)承載高質(zhì)量的航空汽油，共計(jì)20余噸重。

再說(shuō)說(shuō)耐壓載人艙吧。耐壓載人艙安裝了各種先進(jìn)的科研設(shè)備，內(nèi)部空間也被擴(kuò)展到2米（直徑）。

就耐壓載人艙本身而言，材料的革新是令人耳目一新的亮點(diǎn)，比起畢比-巴頓的深潛球，耐壓載人艙不僅體積擴(kuò)大了1/4，還最早使用了有機(jī)玻璃作為觀察窗的材料。有機(jī)玻璃又輕又堅(jiān)固，結(jié)構(gòu)均勻穩(wěn)定，并具有相當(dāng)?shù)捻g性，在大壓強(qiáng)環(huán)境下仍然不易碎裂。

皮卡爾德運(yùn)用了圓棱臺(tái)的設(shè)計(jì)來(lái)制造觀察窗，這種觀察窗能有效解決窗邊緣滲水的問(wèn)題。深潛球只有一排向前觀察的小直徑觀察窗，而耐壓載人艙安排了前后2個(gè)觀察窗，觀察效果大為改善。

和深潛球一樣，耐壓載人艙使用壓縮氧氣供乘員呼吸。深潛器裝有測(cè)深儀、溫度計(jì)、電池組等設(shè)備，耐壓載人艙額定乘員為2人。

另外，為了保證乘員的生命安全，深潛器還裝有新型照明燈和主動(dòng)聲吶，不斷發(fā)出聲波，使母船能確定其所在位置，萬(wàn)一發(fā)生意外時(shí)可及時(shí)救援。

氫氣球在天空中時(shí)，有萬(wàn)有引力約束吊艙，使其在任意高度都可以自由落體的形式返回地面，那么深潛器用汽油作為介質(zhì)提供了浮力，豈不是永遠(yuǎn)浮在海面上無(wú)法下沉了嗎？

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，皮卡爾德為深潛器掛裝了一個(gè)壓載鐵塊。當(dāng)深潛器觸底時(shí)，可以控制壓載鐵塊與深潛器分離。這樣，深潛器便可以自動(dòng)上浮完成整個(gè)作業(yè)流程。

1948年9月開(kāi)始，皮卡爾德開(kāi)始對(duì)“弗恩斯-2”進(jìn)行測(cè)試。10月末，皮卡爾德親自駕駛深潛器進(jìn)行載人海試，并輕松完成了淺深度的海試。

雖然海試非常順利，但也暴露出部分設(shè)計(jì)缺陷。所有成員必須在母船上先進(jìn)入載人艙，確保萬(wàn)無(wú)一失后，由吊車(chē)吊裝入海，再通過(guò)加油管向浮筒頂部的油箱開(kāi)口內(nèi)注入汽油。

加油完成后，最終在深潛器底部加上壓載配重鐵塊，深潛器開(kāi)始下潛。

整個(gè)流程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，極為麻煩。設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的不足潛藏著隱患，最終發(fā)展成毀滅性的打擊。

1948年11月3日，在北非西側(cè)大西洋佛得角群島海域，皮卡爾德進(jìn)行了一次無(wú)人深潛海試。深潛器上不僅擁有常用設(shè)備，還加裝了一個(gè)巧奪天工的裝置。這個(gè)裝置用于壓載鐵塊觸及海底時(shí)，通過(guò)力學(xué)傳導(dǎo)的方式自動(dòng)與深潛器脫離，最終使深潛器自動(dòng)上浮。這次海試完成了下潛約1400米的驕人成績(jī)，并創(chuàng)造出新的世界紀(jì)錄。

可也許是大自然想不斷地考驗(yàn)皮卡爾德，在上浮至海面的過(guò)程中，突然變化的海況造成了狂風(fēng)巨浪，嚴(yán)重地毀壞了深潛器的浮筒，致使深潛器徹底失去工作能力。

這次海試的挫折被媒體評(píng)價(jià)為“完全失敗”，各界對(duì)皮卡爾德深潛事業(yè)的前途提出了質(zhì)疑，甚至連比利時(shí)國(guó)家科研基金會(huì)也決定停止對(duì)皮卡爾德的資助。

的確，紡錘狀的扁平浮筒不利于深潛器在海面上拖曳航行。畢竟皮卡爾德是科學(xué)家，缺乏造船經(jīng)驗(yàn)。機(jī)械設(shè)計(jì)能力的欠缺不可避免地導(dǎo)致了此種結(jié)果，似乎深潛事業(yè)也遇上了瓶頸。

不過(guò)，皮卡爾德的兒子雅克，此時(shí)已經(jīng)成為父親的得力助手。

這對(duì)上陣的父子兵繼續(xù)運(yùn)用驚人的才智和堅(jiān)韌不拔的意志力，征服海洋的極限深度……