探索内太空——从邮票看深海潜航的百年演进

法国作家凡尔纳（Jules Verne）于1870年完成《海底两万里》这部脍炙人口的科 幻小说，引领我们登上尼莫船长的「鹦鹉螺号」潜艇，遨游于深邃海洋的辽阔想象空间 。书中描述采用电力驱动的鹦鹉螺号，能够潜入一万六千公尺的大洋底部，使 用照相机与水下照明拍摄海底地貌'不可思议的预见未来深潜科技的发展趋势。1959年，率先潜航抵达北极点的美国核子潜艇「鹦鹉螺号」就是以本书为命名由，「现代科学不 过是将凡尔纳的预言付诸实现的过程而已」。

图3.世界第一艘服役的核子潜艇鹦鹉螺号（美国，1959）

深海是地球上最大的生态系，然而这个「内太空」的严酷环境令人望而却步，迄今 仍是充满神秘、亟待探索的一处未知领域。从早年列强争相竞逐深潜纪录，到近年深海 热泉调查、海底地形测绘，乃至水下工程及水下救援，各类型的深海载具不时成为邮票 发行的主题。这一枚枚设计精美的邮票，展现历来深海探险家的冒险事迹、深海探勘的 杰出成就、深海技术的创新突破以及海洋科学的重大发现，承载着人类探索这颗蓝色星 球的共同记忆，本文试图以此勾勒出百年来深海潜航的发展脉络。

1930 年 6 月 11 日，毕比（WilliamBeebe）与巴顿（Otis Barton）于大西洋的百慕达海域进入深海潜水球（bathysphere），这个造型独特的潜水载 具是由美国富豪巴顿设计与出资建造，并由国家地理学会赞助这趟探险远征。钢制 球体留有做为潜水人员进出的圆形孔洞，由国家地理学会赞助这趟探险远征。钢制 球体留有做为潜水人员进出的圆形孔洞，另一侧从球体伸出的三个观景窗，当厚重舱门以十枚巨大的螺帽拴紧固定后，由绞 机吊置于船身外缘，将钢缆缓缓下放至水 深440公尺处，完成人类首度潜入海洋无光带的创举（图4）。

5.［右］毕比置身于海洋无光带，观察深海 生物的习性（百慕达，1976）

毕比是著名的海洋生态学家，在他出版的探险记述中，总是以饶富诗意的文字，与 读者分享身历其境的新奇感受，强调置身海底的沉浸式体验，绝无任何其他方法可以替 代。在此之前，海洋生物调查依靠拖网采集深海鱼类，打捞上来的都是失去生命力的标 本，网中罕见体型大、活动敏捷的种类。毕比坚信，将深海观察与采集结果相比，两者 存在根本性差异，海洋物种的多样性远非拖网所能一窥全貌。往后数年，毕比持续运用 深海潜水球进行调查，一再刷新先前缔造的潜深纪录，于1934年潜至水深923公尺（图5）。

系缆式的潜水球，终究难以克服下潜深度增加所面临的设计瓶颈。潜得越深，周遭 的水压更大，球壁必须增加厚度，延伸的钢索又会增加额外的重量，绞机拖曳力必须更 强，水面上的母船就得更大。此外，潜水球无法自主移动，不管是水平或垂直方向的移 动，完全依赖水面船只操作'无法进行复杂地形或大范围的调查。依照海洋深度的划分' 巴顿的深海潜水球只来到中层带，在此之下还有深层带、深渊带以及超深渊带，若想潜 入超过六千公尺的超深渊带，深潜载具势必出现设计观念上的典范转移。

航向挑战者深渊

就在毕比展开深海探索之际，出生于瑞士的奥古斯特-皮卡尔（Auguste Piccard）， 乘坐自己设计的高空氨气球FNRS-1穿越了对流层，打破热气球上升高度的纪录，成为 进入平流层的第一人（图6）。这位曾经与爱因斯坦共同研究宇宙射线的物理奇才，构想出前往海洋最深处的可行方案。他灵活地应用浮力的原理，将汽 油取代氨气来充填气囊，设计出毋须系缆就能从深海返航的「水 中热气球」，让儿子贾克-皮卡尔(Jacques Piccard)成为首批 抵达马里亚纳海沟的人类(图7)。早在1940年代，皮卡尔向比利时国家科学研究基金会(FNRS)提出建造深海潜航器(bathyscaphe)的计划，这个 构想是将承受高压的球形座舱安置于大型浮力槽之下，让海水提供的浮力与整组潜航器的重量中和抵消。由于先前设计的热气球装置取名为FNRS-1，因此将它命名为FNRS-2。浮力槽为 橄榄球形状的巨大结构体，内部注满密度小于海水的汽油，下方 留有开口让海水自由进出，以调节内外压力的均衡。若要下沉，驾驶员就让海水灌入空 气槽；若要向上移动，电磁铁将吸附成团的压舱小钢珠释放，便能够减轻重量，让海水浮力成为深海潜航器返回海面的推动力。

1948年，船只拖着FNRS-2驶离非洲进入大西洋，在没有搭载人员的测试阶段，这具无须系缆的潜航器抵达1372公尺，成功超越当时的深潜纪录。然而海况转趋恶劣，满载汽油的潜航器无法收回至母船，只能在滔天巨浪的撞击下颠簸前行，返回港口后，浮力槽严重受损，资金用罄，载人潜水任务只能无限期延宕。法国见证新型潜水技术的雄厚潜力，便向比利时收购，然后将压力球拆下，固定于自行设计的浮力槽，改名为FNRS-3。1953年8月，法国于地中海的测试缔造2112公尺的佳绩，隔年在大西洋再 度写下4053公尺的新纪录。

与此同时，皮卡尔另起炉灶，打造出强度超过铸钢的合金球体。这个抗压舱直径约两百公分，壁厚八公分，重十吨；观景窗采用树脂玻璃，以避免石英玻璃易碎的安全疑虑。巨大的钢制浮力槽，有一座了望塔似图7.奥古斯特-皮卡尔设计上天下海的载具，的小室，潜艇漂浮于水面时，用来阻挡海浪冲击人员进出抗压舱入口的通道。

1953年9月，全新打造的「第里亚斯特号(Trieste) j进行深潜，随即创下3167 公尺的新记录，但碍于经费短缺而滞留于地中海，让这场与法国的竞赛，再度失去先机。

挑战人类梦想的极限(瑞士，1994)

1956年，贾克-皮卡尔走访美国各地的海洋研究机构，宣扬深海载具对于海洋探勘与研究的重要，获得科学界的一致认同。 隔年苏联成功发射首枚人造卫星，在太空竞争失去先机的美国，随即表达购卖意愿，希 望在深海探险事业能够拔得头筹。深海潜航器于是来到加州圣地亚哥的海军基地，与太 平洋彼端的马里亚纳海沟遥遥相望。为了达成这个终极挑战，皮卡尔监造新的压力球， 建造更大的浮力槽。1960年1月23日，贾克-皮卡尔与美国海军军官华许（Don Walsh）登上第里雅斯特号，五个多小时过后，抵达挑战者深渊（Challenger Deep）的底部，深度计此刻的读数是10916公尺（图&9）

在当时，法国是美国开发深潜技术的主要竞争对象，紧随着第里亚斯特号成功抵达 挑战者深渊的脚步，法籍「阿基米德号（Archim泌e）」于隔年建造完成（图10）。1962 年，阿基米德号在千岛-勘察加海沟缔造了 9560公尺的纪录，在日本海沟也深潜至9300 公尺。此后'这两个深海潜航器的纪录维持近半个世纪之久。直到2012年'执导铁达尼号而缔造全球影史票房纪录的卡麦隆（James Cameron），只身搭乘「深海挑战者号 （Deepsea Challenger） J前往海洋最深处'成为造访挑战者深渊的第三人（图8） °

中洋脊的联合探勘

1960年代初期，板块构造学说由地质学家狄亚兹(Robert Dietz)与海斯(Harry Hess)两人分别提出，尔后引发一场影响深远的地球科学革命。他们指出中洋脊是海洋 地壳产生的地带，岩浆持续自裂谷底部的隙缝冒出，冷却凝固形成玄武岩质的海洋地壳， 而分布于洋盆边缘的海沟，则为海洋板块隐没的位置。尽管往后地磁、震测和地形观测 等地球物理探勘资料也都支持这个论点，海洋地质学家执意前往中洋脊实地考察，亲眼 目睹海洋地壳形成过程。

法美中洋海底研究计划(Project FAMOUS)经多方奔走而具体成形，这个跨国合 作最令人瞩目之处，在于投入三艘深海潜航器参与探勘任务，规划使用载人潜艇勘察中 洋脊裂谷。1973年，法国地球物理学家皮雍(Xavier LePichon)搭乘「阿基米德号」 下潜，近距离观察甫形成不久的海洋地壳，年轻的枕状熔岩尚无沉积物覆盖，显示玄武 岩不久前才自地底岩浆库流出。翌年，法籍「赛亚娜号(Cyana)」与美籍「亚尔文号 (Alvin) J深海潜艇陆续加入调查行列，这两艘新式潜艇具有灵敏的操控力，附有照明 系统的影像拍摄装置，运用机械手臂采集标本，能够大幅提升水下作业的效率与质量(图 11,12)。这些性能上的显著提升，宣告体积庞大、机动性差的阿基米德号将被取代。

新式深海潜航器能够大幅缩减体积、减轻重量并增加机动性，关键技术在于复合微 球泡棉(syntactic foam)的问世。这种塑胶泡棉内含无以数计的空心小玻璃球，外径 不大于300微米，微球直径越小，耐压能力越强；将这些微球混入热塑性的环氧树脂中 固化，即使在超过一万公尺的深度也不会被压碎，为潜艇设计带来关键性的突破。现代 深海潜艇采用轻量化的浮性材料，产生的浮力足以中和抵销抗压舱及其他辅助系统的总 重，从而将厚重的抗压舱包覆在小型潜艇之内。新式潜航器的轻巧特质，得以让母船回收安置于甲板之上，快速前往世界各地，执行下一趟探勘任务。

图11.［左］赛亚纳号(帛琉，1995)

图12.［右］亚尔文号(刚果，1993)

深海生命绿洲

隶属于美国伍兹霍尔（Woods Hole）研究所的亚尔文号，是全球使用次数最多、 频率最高的深海潜水器，启用至今已执行超过五千次的潜水任务（图13）。第一代的亚 尔文号于1964年建造完成，历经几次的性能提升'目前作业深度可达6500公尺。半个 世纪以来，亚尔文号积极参与各种深海调查任务，研发并改进探勘技术，对于海洋地质学、海洋生物学的发展产生巨大的贡献'尤以深海热泉生物群的发现'被誉为20世纪 深海生物学的最大发现。

图13.亚尔文号达成五千次潜水任务纪念（美国，2018）

1977年，海洋地质学家前往东太平洋寻找海底热泉存在的证据。此行规划先由研 究船实施深海拖曳系统的大范围调查，从温度资料判读出异常的征兆，再派遣深海潜艇 予以确认。当亚尔文号潜入目标区域，科学家眼前浮现一幕奇异景象，因热气而晃动不 已的热水从黑烟囱往上喷出，夹带着各种矿物质形成黑色烟幕，温度高达三百五十度； 热水中的重金属和硫化物遇冷沉淀堆成柱状的烟囱，周遭布满着奇特多样的热泉生物群， 包括巨型管虫、贻贝、蛤蚌、虾、蟹等，都是生物学家全然不知的深海新物种（图14）。 然而仅仅几公尺之外，竟又回复一片冰冷单调、荒凉死寂的火山熔岩地形。

这些置身于永恒黑暗的深海居民，并非经由植物进行光合作用来获得能量，而是利 用细菌进行化学合成作用。寄居在蛤蚌和管虫体内的细菌，位于食 物链的最底层，它们利用黑烟囱释出的硫化氢产生能量，提供整个深海热泉聚落使用（图15）。科学家认为这些细菌可能出自地球初期的早期生命，揭露地球生命起源的重 要线索。而上方的厚层海水形成阻隔外界冲击的缓冲带，庇护脆弱生命免于遭受陨石撞 击或其他灾变所影响，让这处深海绿洲成为地球最古老的生态系。

图14.亚尔文号与深海管虫（圭亚那，1996）

图15.深海热泉维系周遭生命的能量源头（亚述群 岛'2006）

铁达尼号的发现1912年4月，「铁达尼号（Titanic）」这艘建造之初宣称不可能沉没的豪华巨轮，在横越北大西洋的首航途中撞击冰 山，船首多个隔水舱破损进水，短短不到三个小时，就已沉入 冰冷海面之下，导致超过一千五百人罹难，为近代史上最大规 模的船难事件。多年来，寻找这艘传奇巨轮的最终安息处，并 不随着时间的流逝而为人淡忘，发现铁达尼号的确切位置，成 为各国深海探勘团队垂涎却又望而兴叹的诱惑。

美国伍兹霍尔研究所的巴拉德（Robert Ballard）深知小型载人潜艇拥有优异的水下操作能力（图16），却无法适用于 广大海域的搜寻任务。他的团队致力研发远端操作的系缆式 遥控水下载具（Remotely Operated Vehicle），为这次行动 带来成功的契机。这套拖曳式深海探勘系统包含用于大区域 调查的「亚哥号（Argo）」，以及目标物探索的「杰森号 （Jason）」。前者配有回声测深仪，侧扫声纳系统，高感光 度的数位摄影机，可透过电子元件将捕捉光线的亮度放大，弥 补人类视觉之不足；后者配备摄影机和机械臂，用以采集具有 科学意义的样本（图17;18）。

1985年，巴拉德的工作团队和法国海洋开发研究所展开合作，共同搜寻铁达尼号的下落。双方拟定使用高分辨率的侧 扫声纳拖曳在海床上方，标定出可疑目标，再下放深海探勘系统撷取影像加以研判。几天过后，巴拉德体认单独使用声纳寻找残骸的不足之处，便重 新拟定策略。依据过往调查水下失事船舰的经验，物品在沉落至海底的过程会受到海流 影响而呈现带状分布，因此在海床发现人造物体就有很大机会找到船体，于是改由亚哥 号执行海底实时影像回传的任务。研究团队轮班盯着摄影机，寻找任何残骸碎片的迹象， 就在搜索航次即将结束前，一些看似金属碎片的人造物体出现在屏幕上，其中之一被辨 认出是锅炉，顺着越来越多的碎片，铁达尼号残骸主体于隔天被发现。隔年夏天，巴拉德指挥亚特兰提斯号研究船重返失事地点，亚尔文号先后执行十多 次的载人潜水任务，对于残骸内外进行详尽检视。只见铁达尼号船身断裂成两半，前半 截平躺于海床之上，船首埋入深约二十公尺的灰泥中，船身中央部分已消失，船尾旋转 了一百八十度，掉落在与船首距离约600公尺的远方。亚尔文号上的操作员引导「小杰 森号（Jason Junior）」进入船身，行动灵巧的穿行于各层甲板，透过彩色摄影机可见 到船舱内部的木质装潢依旧完好保存，只是增添岁月刻画的痕迹（图19）。

图17.拖曳式深海调查 系统（密克罗尼西亚， 1998）

图18.遥控水下载具 「杰森号」（圭亚那，1996）

此后，长眠于大西洋底的铁达尼号不得安宁，频频诱引不同动机的远征队前往探勘、研究、拍片与观光，甚至从残骸现场打捞失事物件。由于铁达尼号的残骸散布于三千八百公尺的水深，能够胜任这些任务的深海潜航器屈指可数，加拿大导演卡麦隆曾经多次搭乘俄罗斯「和平号」下潜，拍摄的画面成为电影和纪录片的重要素材（图20）；法国「鹦鹉螺号」则参与备受争议的商业打捞行动（图21），数以百计的物品出现于拍卖市场，沦为收藏家缅怀铁达尼号的另类

选择。

探索内太空的未来

深海探险先驱发明各种探索内太空的可行方法，将人类塞入中空的压力舱，然后送 入冰冷漆黑的幽冥深海之中。从巴顿的深海潜水球、皮卡尔的深海潜航器以及亚尔文号 的新式潜艇，展现不同世代设计观念上的典范转移。然而载人潜艇往返于海面和海底之 间的必要性逐渐受到质疑，随着虚拟实境技术的进步与普及，许多危险的水下任务改由 海下机器人执行，以减低人员执勤所面临的风险。当深海无人载具成功地寻获铁达尼号 藏身之处，也同时揭示新科技将再度改变内太空探索的方式。

多年来，国内外学术界与产业界已打造出种类繁多、性能互异的无人深海载具，包 含较为人所熟知的系缆式遥控水下载具，以及能在海中自动航行、无须系缆的自主式无 人载具（Autonomous Underwater Vehicle）。根据不同调查项目，水下载具可以配备 多种传感器，量测水中各项物理、化学、地质与生物相关的水文参数。系缆式的遥控水 下载具，可以将深海载具所感测的海下环境，实时的方式呈现给海面上的科学 家，透过虚拟实境技术，让工作人员在水面操作，却也拥有乘坐潜艇在海下观 测的临场感（H 22,23）。自主式水下载具在海洋科学也有广泛的应用，可帮助 海洋化学与地球物理调查不同深度的 大范围水域及水下地形。透过定时浮出水面发送讯号，经由人造卫星的传送，科学家不出门即可掌握千里之外的资讯。

图22.［左］遥控式水下载具（法属南极，2008）

（图24） °图24.各国研发的遥控式与主动式水下载具（帛琉J 1998）