古人深海探秘

佘毅仁

【极限探索·深海专题】

在人类的历史长河中，深海似乎是无法窥探的神秘之地。但如今，人类已拥有了潜入深海的能力，海洋里的山脉、湖泊、森林被一一发现。更神奇的是，海里也有“雪原”“火山”及不可思议的“温泉”和“台风”，甚至还有裸露在海床上的丰富矿藏。本刊自本期起将推出一个“极限探索·深海专题”，介绍科技发展对人类深海探索的推动和相关的惊心动魄的历史故事，让读者一起见证人类对大海探索深度的不断突破。

古代的科学技术远达不到可以安全地把潜水员送至大洋底部的水平。许多深潜的勇士，一次次以生命的代价来换取人类探索大自然的经验和知识。在世界各地的古人类岩画和壁画上，都有描述潜水员潜入海底，捞取宝物及与海洋生物共同游弋的场景。

古人尝试过各种潜水，大致可分为2大类，第一类是在人体外部穿上有防护功能的潜水服进行的受压潜水；另一类是通过制造某种封闭的设备（载人的内部舱室保持常压），通过外部抵抗水下压力的潜水器进行的抗压潜水。

原始潜水器

人类在海中探险或科考时，始终需要面对三大问题：压力、温度、氧气。数千年前，世界各地就都已有人类采用屏气的方法短时间潜水采集珍珠或其他海产品的记载。在很长一段时间内，潜水员们普遍口含一根植物的茎秆或金属制作而成的通气管在贴近海面的浅水处作业或战斗。一般情况下，普通潜水员“裸潜”（不穿任何服装），虽然阻力较小，但由于换气方式和物理水压的限制，潜水员只在海平面以下30米内活动。在古代，有很多潜水战争的记载。希腊和西西里战争期间，西西里的潜水员曾潜入水中把削尖的木桩放在水下，阻止希腊舰队的进攻。据说，古罗马军队也有潜入河中用空心芦苇秆作为呼吸工具，避人耳目行军的作战方法。

约公元前330年，古希腊思想家亚里士多德发明了一种潜水器，这是一种内衬框架的半密闭的玻璃罩，潜水员可在水下通过其透明玻璃壁观察外部情况，这样便于在水下驻留更长的时间来采集各种海产品。不仅如此，这位伟大的科学家通过下潜，详细记录了多种海洋生物的情况，为现代生物学留下了宝贵的财富。

到了15世纪，意大利博物学家达·芬奇设计了一批当时看来无比超前的武器，其中一种就是能沉入海中的封闭式潜水箱，其装备一个空气囊，潜水员通过机械结构前进，用以在水下凿沉敌方的水面舰只。16世纪初，意大利人根据达·芬奇的设计造出了实样，并进行了改进。以当时的技术，这种潜水器的箱体只能用木材制造，装有供气皮袋和系缆式压载箱，通过绞盘传动来控制沉浮。虽然各方面都比较原始，但正是这个有划时代意义的潜水器开启了人类探索深海的大门。

真正的“潜水钟”出现

1538年，希腊人用铁质钟形容器为西班牙皇室表演干燥式潜水，将大钟放入河中，钟顶系有绳索，希腊人下水前就坐在铁钟里的绳栏上。当入水出水过程结束后，希腊人的衣服竟然没有被浸湿。这个神奇的现象，引起了人们浓厚的兴趣。原来，相当部分的空气因为压力作用滞留在大钟内，使得底部开放的结构没有完全被浸湿。随着下潜深度的增加，滞留在内的空气受压越来越大，体积就会越来越小。真正意义上的“潜水钟”由此诞生。但潜水钟的缺点是空气含量较少，且无法循环更新。作业深度和时间都受到极大的限制，也没有彻底解决潜水员的呼吸问题。

17世纪中叶，德国物理学家奥拓·冯·格雷克发明了风箱气泵。这一发明加速了人类科技史的进程。

1691年，哈雷彗星的发现人、英国天文学家艾德蒙·哈雷设计出一个外包铅层的平顶圆锥形中空木桶潜水钟，透过玻璃窗观察水下情况，靠自重下沉，由母船上的绞盘吊车控制上浮。其换气方式独树一帜，新鲜空气通过钟底附带的包铅木桶存储，利用木桶内外压力差的原理，换气时可以通过软管将空气压入钟内，并可循环使用。之后的20多年里，哈雷不断改进了自己的设计，不仅加大了尺寸，在钟底安置可供进出的闸门，还提供了潜水员呼吸用的皮质头罩，由一根通气管连接。此设计扩大了潜水员的工作范围，使之可以有条件地在潜水钟外工作，水下的滞留时间可达4小时。相传哈雷乘坐自己设计的潜水钟在泰晤士河水下停留了一个多小时。在科学技术还不十分发达的环境下，这种亲历亲为的做法充分证明了其设计的可靠性。哈雷的设计一直被沿用到1789年，英国工程师约翰·斯梅顿改进了潜水钟，用通气管连接风箱气泵，不断把新鲜空气压注进钟内，替换废气。这样不但可以延长工作时间，大大改善了潜水员的作业环境，还能有效控制潜水过程。它被用于桥梁修理，建筑物、海港建设以及海底勘察。

就在哈雷改进潜水钟的同时，英国人约翰·莱斯布里奇用橡木制造出了一个高约2米、内径约0.7米的潜水桶，外部用铁箍固定，看起来像威士忌酒桶。但有别于潜水钟的是，这个潜水桶仅乘载一人，下水前用螺栓密闭桶顶盖防止漏水，这个设计纯粹为了打捞沉船上的财宝。有趣的是，在乘员面前有一个玻璃观察口，还有2个操作孔供乘员的双手直接伸出桶外作业，手臂部分有防水臂套，由桶外信号绳通知母船调整姿势或上浮。此潜水桶的极限潜深20米，每次潜水约半小时。用这个潜水桶下水打捞，几年内竟获得了数吨银币的财富。所以，这个简单的潜水桶设计也被使用了很多年。

此后，由于制造材料和工艺技术的原因，潜水器的发展遇到了瓶颈，直到20世纪初，才有了长足进步。

早期潜水服

欧洲的中世纪充满了战争，战争却促进了科技的发展。1405年，德国工程师康拉德·凯撒在他的军事艺术书中设计出了一件连带金属头盔的皮革潜水服，用海绵做防水内衬，潜水服内的气囊通过管道向头盔内供气，头盔上有玻璃观察窗，这个设计甚为先进。之后达·芬奇在发明潜水器的同时，还发明了一种潜水口罩，他设想利用一根通气管呼气、另一根吸气的原理，试图彻底解决人类在水中呼吸的问题。为防止水流倒灌，他还设计了封闭式皮质口罩，覆盖了口鼻部，并固定通气管的角度。水面通气管也使用了软木浮托。这种看似完美的设计却忽略了最重要的问题——压力。每下潜10米，就要增加一个大气压。人体在水下难以自主呼吸的问题使这个设计最终流产。

1772年，法国工程师福莱蒙发明了一种由皮革材料制造的肩扛式球形头盔，该设计对前人的设计进行了很大的改进。通过气泵向头盔压注新鲜空气，从而循环呼吸。理论上，这样的设计满足了人类在海里不受呼吸限制，就可以进行自由活动的要求。但由于早期工艺技术落后，潜水员不能弯腰，也不能倾斜，否则容易漏水，且受到气压不平衡的限制，潜深非常浅。

“单人标准潜水服”的出现

从18世纪起，海运业使全世界经济迅速发展，浅海的沉船打捞也成为一本万利的新兴产业。需求促进了潜水市场的发展，因而19世纪上半叶成为单人潜水装备发展的黄金期。与潜水器不同，潜水服既轻便又灵活，能完成潜水器完成不了的各种精密动作。但缺点也显而易见，潜深浅，防护和保暖性能差，同时受到通气管的限制，工作范围也比较小。

19世纪初的30年里，相继诞生了连接供气管的金属头盔、水密帆布潜水服和小型背包式气箱。这为之后的标准通风式潜水服提供了重要的技术储备。1837年，工程师奥古斯特·西贝集各家所长，在英国发明了影响后世100多年的现代密闭结构通风式潜水服。该潜水服经不断地改进，设计出了与通风管连接的球形金属头盔、领盘和潜水服连接为一体的标准全密封结构。为了便于穿着，潜水服和头盔可以拆卸，头盔上的通风管由水面的气泵持续供气。为了获得更大的潜深，此装备体积大、用料足，鞋底、胸、背部等位置都配有较重的负载物。这就是日后“单人标准潜水服”的典型配置。由于潜水员通过此装备可以较为灵活地运动，水下运动性得以大幅度提升。

19世纪下半叶，压缩空气的大量使用和高压气体钢瓶的出现，开辟了人们的新思路。1864年，法国人发明了背负压缩空气钢瓶潜水服，潜水员可以摆脱通风管的束缚，在水下10米深处，工作30分钟。这一设计被写进了法国著名科幻小说家儒勒·凡尔纳的《海底两万里》一书中。由此可以看出，潜水服与潜水器同时发展，相互促进，相互竞争，同时为人类探索海洋提供了坚实的技术保障。

抗压重型潜水装备

随着潜水深度的增加，人们逐渐发现潜水员会患上不同程度的减压病。简而言之，潜水员在水下长时间耐受高压工作，使体内的氮氧混合气体同时压缩。若快速上浮回到常压水面，体内的氮气也会随之解压，在血液中形成较大的气泡，从而影响血液的正常循环，严重时潜水员可能会有生命危险。因此，抗压重型潜水装备应运而生。

1875年，法国发明家拉菲在西贝潜水服的基础上，改进了部分设计，采用金属零件和皮革组成第一套重装“潜水铠甲”。

7年后，法国人卡马诺尔兄弟设计出了硬质全包式金属抗压服。这种抗压服的头盔上装有25个5厘米厚的玻璃观察窗，为抵抗外部的重压和确保潜水服内保持常压，该设计采用了全黄铜构造，共有22个可动关节，重380千克，看上去和中世纪的重装骑兵铠甲如出一辙。由于使用极为麻烦，且依然用通风管供气，完成动作还需要船上的吊车辅助，最后无法实用遭放弃。

19世纪末期，人们重新设计了一系列重型金属抗压服，这些重潜服设计十分前卫，很像科幻小说里的机器人或独眼巨人，还有按照仿生学里鱼类的形状设计出的潜水服。比较成功的设计都有一些共同的特点，比如都很重，都使用球形活动关节。由于材料和技术的限制，许多重潜服的关节在大深度压力下的密封性能欠佳，由于无关节助力设计，行动非常不便。简单地说，许多潜水服就像开了窗的金属水桶，中部和下部伸出球形的手脚关节。一些重潜服号称可以对抗数十个大气压，但使用麻烦，在船上基本无移动能力，下水也靠吊装，在水中行动极为缓慢，所以使用效率极其低下，且受供气压力等各种因素的限制，加之设计并不成熟，大都无果而终。直到19世纪末，人类只能在大陆架范围内的浅海徘徊，还有无数的深海疑问困扰着人们。

时至20世纪初，电力的广泛运用使人类可以通过科技的阶梯逐步向深海迈进，人类迎来了深海探索的新时代。