为潜水员呼出的二代潜水

第七章　潜水技术

古代潜水

在科学不发达的古代，辽阔深邃的海洋使人们心中充满了神往和迷惘。

变幻莫测的海上风云，早就引起了人们无限的憧憬和遐想。但那时人类还没有遨游海洋的能力，只能把美好的愿望编织到神话和传说里去，借以满足人类的某种希冀和期待。于是就有了海底龙宫、避水珠、宝葫芦、聚宝盆之类的神奇故事。其中留给我们印象最深刻的大概要算《西游记》中孙悟空大闹龙宫的故事了。孙悟空靠着一套“避水诀”，在大海里来往自如，几番在龙宫中冲杀往返，最后从龙王那里借来了“如意金箍棒”。在这里，作者充分表达了人们渴望到海洋深处去寻珠问宝的心愿。可是，人类要回到祖先的居住地，却远没有神话中孙悟空那么容易。深深的海水，设置了重重障碍。人类从开始尝试跨越这些障碍，到可以自如地在水下漫游，经历了几千年漫长的努力。在潜水史上，中国和外国的潜水技术发展都很缓慢，大体经历了裸潜、通气管潜水、重潜水、轻潜水、饱和潜水几个阶段。

在古代，居住在海边的人们为了捕捞鱼、贝和海产品，常常要赤身、屏气、不采用任何装具潜入水中，然后回到海面换气休息，这种潜水方法叫做裸潜。这种方法传至现在，我国南方的沿海渔民仍在使用；另外，这也是一项潜水体育运动。现在，世界上竞技潜水的最高纪录已经高达101米。

但是，这种潜水方法由于不能在水下呼吸，因而潜水的时间是有限的。

如何解决人在水中的呼吸问题呢？2000多年前，人们从多次观察大象过河中得到了很大的启示。人们发现，大象过河时，整个身体都浸没在水里，唯有象的鼻子伸出水面，自由地呼吸着新鲜空气。人们从这种现象中得到启示，于是发明了呼吸管潜水法。

呼吸管潜水

最早用的呼吸管是用芦苇制成的。潜水者把呼吸管的一端含在嘴里，另一端露出水面。这样，潜水者在水下就可以呼吸到新鲜空气了，大大延长了潜水时间。后来人们又发明了水面通气管式潜水服。这种潜水服用皮带扎紧在身上，头罩顶部用一根通气管与水面相通。这样，潜水员不但能呼吸到新鲜空气，潜水员的双手也得到了解放，可以打捞海产品和进行各种水下作业。

除此之外，还用两个动物的膀胱做成浮子浮在水面上，以便和水面上进行联系。这种方法在500年前被广泛地应用。

呼吸管潜水虽然延长了人在水下的停留时间，但另一方面这种方法只适用于浅水中，有着很大的局限性。这是因为，人在水上呼吸的空气是1个大气压；水下越深，气压越高。每下潜约2米，人身上就要多承受1／10个大气压。用呼吸管潜水的潜水员所呼吸到的空气是水面上的1个大气压的常压空气，而身体却处于高压状态；这样潜水越深，人吸入的空气的气压与人身体实际的受压就越不平衡。所以要想再往深处下潜，就必须让潜水员呼吸到压缩空气，以保证人的体内外的压力维持平衡。另外，通气管式潜水服头罩里的二氧化碳的积聚问题也要解决，因为潜水员呼出的二氧化碳不能自我消散，而二氧化碳气体浓度的增加，会大大缩减潜水员在水下的停留时间。为了克服这些问题，人们经过反复研究，不断实践，终于又研制出一种新式潜水装具——潜水服，使潜水技术又上了一个新台阶。

潜水服

200多年前，英国人发明了木制潜水头盔、金属潜水头盔和装甲潜水服，并在水面上用风箱或手揿式压气机给潜水头盔供给压缩空气。这样一方面解决了呼吸问题，另一方面也可以不断地自动排出头盔内多余的气体，这就是最原始的通风式潜水装具。后来，人们又对这种潜水装具进行了某些改进。

在金属头盔上开了一个透明观察窗，把金属头盔和潜水服连接在一起，头盔里装置排气阀，使得头盔里面的气体保持一定的压力，并可以自动向外排放一部分呼吸气体，供气也采用了双缸手揿式压气机。潜水服也设计得能够更好地防水保暖。潜水员身上一般都携带着重物，脚上穿着笨重的金属靴子，可以帮助下潜；上浮时，潜水服充满了气体，鼓得圆圆的、胖胖的，身后还拖着两根长尾巴（其中一根是供气软管，一根是信号绳），样子非常滑稽可笑。潜水员在水下作业时，水面上还会不时冒出串串连珠式的气泡，以至人们常常称这种潜水员为“冒气的魔鬼”。这种潜水装既大又笨，人们称它为重潜水装具，相应的潜水方法叫做重潜水。

这种潜水在早期的下潜深度还是有一定局限的。当时它的极限下潜深度为60—70米。为什么会这样呢？这是因为，我们平常所呼吸到的空气实际上是一种混合气体，其中78%是氮气，21%是氧气，剩下的1%是一些杂质、灰尘、二氧化碳和惰性气体。在一般情况下，这些气体处于1个大气压的状态下。但是前面我们已经知道了，水越深，气压越高；在60米以下海水深度时，潜水员呼吸到的高压空气中，氮气的大气压达到了5．6个，氧气则达到了1．4个。高压的氮气会使潜水员发生氮麻醉，思维不连贯，精神恍惚，动作身不由己；而高压的氧气也会产生氧中毒，出现恶心、耳鸣、眩晕和全身不适的症状，严重者会呼吸停止以至死亡。鉴于这样，所以当时的潜水深度都要在70米以内。如果再想继续深潜，使用压缩空气是明显不行了，必须另外寻找一种合适的气体作为呼吸介质。后来，人们在研究中发现了一种叫氦气的气体。这种气体对人体没有什么不良作用。于是人们在潜水中就使用了氦—氧—氮或氦—氧人工混合气体。在混合气体中，氮或氧的比例加以人为控制，以确保它们的含量不至于引起氮麻醉或氧中毒，其余的成分都为氦气。

但是氦气是一种比较昂贵的气体，人们为了有效地和经济地使用氦气，又发明了一种氦—氧混合气体的喷射再生式潜水装具。这种潜水装具和前面讲到的通风式潜水装具差不多，不同的是在头盔里安装了呼吸气体再生装置，当高压的氦—氧混合气体喷进头盔时，通过一个诱导装置使头盔内气体形成自身循环；呼出的二氧化碳经过吸收器时，被化学药品吸收，气体得到了净化，可以再循环使用。毫无疑问，我们已经清楚地看到，这种潜水装具已经突破了早期潜水受到的深度限制，现在可以自如地下潜到200米左右了。

在这里，我们还有必要了解一下潜水员的克星——减压病的情况。减压病是潜水员最容易得的职业病。潜水员为什么会容易得减压病呢？减压病是怎么一回事呢？是否可以防止减压病呢？首先，潜水员在水下呼吸的是高压气体，这些气体在进入人体后会发生不同的反应。进入血液中的氧气在帮助机体新陈代谢时也就同时消耗掉了；而进入血液和机体组织里的氮气或氦气是不消耗的。在高压状态下，它们大量溶解在血液和机体组织里。如果潜水结束时，潜水员突然减压，人的机体组织、血液里的氮或氦气不能马上释放出来，就会出现像开汽水瓶一样的情况，大量的气泡残留在体内，这样不可避免地容易造成血管堵塞、关节疼痛、瘫痪以致死亡。这种现象就叫做减压病。不过减压病不是不可避免的。潜水员在上升过程中要根据减压表或医护人员的规定和安排，在某些深度上停留一段时间，逐渐减压，以保证体内的气体慢慢析出，最后返回水面。

轻装潜水

我们在前面叙述了裸潜、呼吸管潜水和重潜水。采用这些潜水方法，尤其是重潜水，潜水员已经能够在较深的海下自由地遨游了。但是这些潜水方法还不能使人完全像游鱼那样在水下自由地行动。即使是水平较高的重潜水，人的后面也还是甩不掉两根长尾巴。人类怎样才能摆脱这些束缚，轻松自在地在水下活动呢？科学家们一直没有停止对这些问题的探索。40多年前，一位法国海洋学家创造了自动供气的水下呼吸器，人们称之为“水肺”。

这种水肺主要是由呼吸面罩、呼吸囊、二氧化碳吸收器、阀门、管道及高压气瓶组成。潜水员潜水时，把高压气瓶背在身后就可以供气了。附属的设备有潜水服、脚蹼等。这种潜水方法称为轻潜水，也叫自携式潜水。今天我们比较常用的潜水技术就是轻潜水。

现在世界上又出现了“电子肺”，这是一种新型的水下呼吸器，它是用微型计算机来控制的。它可以随着下潜深度的变化，自动控制人工混合气体的成分，来适应人体在不同深度下的生理要求。

潜水员用的加温器，现在也已达到了较高的水平。大家知道，在冷水下面进行作业的潜水员是需要不断供暖的。开始只是尝试着把潜水服设计得防水保暖性能好一些，但这只适用于水温不太冷的海域或海层。一旦在较冷的水域工作，没有供暖设施就显得捉襟见肘了。它外形像个小桶，里面有一层氧化铝和钼的催化剂。它的工作原理大致如下：将燃烧的氢气流（燃烧起来不带烟）通过喷射器压入催化剂层，使之发生反应产生热量，并借助水衬衫回收热量，再将变热的水用压缩机从水衬衫里送到潜水员的衣服里。这样，加温器里面形成了一个循环系统，可以自动地不断地为潜水员供暖。人类的探索仍在继续，像游鱼那样自由地在水下呼吸、遨游的愿望也日益变得强烈起来。当前人工鳃已处于研究阶段。这是一种特殊的薄膜，能通过溶解在水中的氧而不让水通过。有了它，潜水员就可以像鱼一样，直接呼吸来自水中的空气，不必再携带复杂而笨重的水下呼吸器了。

饱和潜水

饱和潜水是人类对于潜水技术的又一个突破。在饱和潜水发现之前，人们虽然掌握了足够的潜水技术，却仍然只是海底的匆匆过客。每个潜水员进行一次潜水后，要花费大量的时间进行减压，这大大影响了工作效率。40年前，美国的一位乡村医生经过和同事们反复试验，获得了一个惊人的发现。

人如果在高压下逗留到一定时间，其血液组织里渗入的气体就会达到饱和程度。从这一程度起，只要压力不变，即使再增加停留的时间，血液和组织里的气体含量也不会改变。这就像一只盛满了水的杯子，它的含量达到了极限，再加一滴也是不行的，无论把水龙头再开多长时间，效果总是一样的。根据这一发现，潜水员在海洋的某个深度工作一段时间后，不必匆忙回到海面上来减压，他可以继续在海中呆下去，直到工作干完后再返回海面，进行一次减压就行了。这种潜水方法，就叫做“饱和潜水”。饱和潜水使潜水作业时间大大增加了，潜水工作效率也得到了很大提高。饱和潜水的作业系统主要有下列三种类型：甲板加压舱系统、水下居住舱系统和出入式深潜器系统，它们都可以把潜水员送到海中进行长时间的工作。

甲板加压舱系统主要由潜水工作船、甲板加压舱、潜水钟等组成。潜水员在甲板加压舱内加压或等候，工作时用潜水钟送到水下，再出钟作业。

水下居住舱系统由潜水工作船和水下居住舱等组成。

出入式深潜器系统由潜水工作船、出入式深潜器及大吊等组成。

在这里还应说明的是，随着饱和潜水技术的发展，各种深潜器相继问世。

这实际上是潜水的进一步延伸，也是潜水技术的一次革命。最近，微型单人深潜器又试潜成功，这是当今深潜技术的最新发明。微型单人深潜器是一位英国工程师设计制造的。深潜器的主体部分是由两个透明的丙烯塑料半球组成的密封舱，附带着小巧的高能蓄电池箱和两只机械手。整个深潜器看起来好像儿童游乐场里的游艺机。它装有4只小型电动机，4个螺旋桨控制着它的前进、后退、上升、下潜。球形舱里没有复杂的仪表，只有一张舒适的沙发椅，所有的操纵机关都装在沙发扶手上。球形舱有5英寸厚的坚固外壳，配有艇上照明灯，有和岸上进行通话联系的无线电通讯系统。人们又称微型单人深潜器为“深海旅游者”。目前，它的潜水深度已达到1100米。它的两只机械手能从海底抓起200磅的重物。机械手的“手指”上装有灵敏度很高的触觉传感器，抓住物体以后，传感器能把所抓住物体的硬度和质地、抓握的松紧程度通过声音报告给舱里的工作人员。这种具有人工触觉的出色机械手为采集深海生物标本、矿物标本提供了很大的方便。

海洋机器人

神奇而玄妙的大海，有时水光潋滟，旖旎多姿，但转瞬之间也可能浊浪排空，惊涛拍岸，肆虐的大海会严重威胁潜水人员的生命安全。此外，恶劣的海洋环境，复杂的海况也对潜水人员设下了重重险阻。所以人类十分盼望海洋机器人问世，期待着海洋机器人去攻占海底龙宫的每一个角落。现代科学的发展，已经使制造机器人的理想变成了现实。

世界上第一个设有通讯系链、能够独立工作的海底机器人“逆戟鲸”号是美国研制的。它有5台微处理机，有着装有5000张胶片的自动摄像机，有着非常完善的声呐装置声脉冲发送器、频闪器以及传感器等设施。这架机器人重2．9吨。它不需要海面工作人员“指导”其行动，但是如果遇到障碍物、摄像机失灵或电路中断等情况发生时，它还得与海面联系，因此，这架机器人在水下工作时每隔10秒钟就向工作船报告一次它的行踪及工作状态。这些报告都在工作船的示波器上显示出来，工作船上的人员可随时了解机器人工作的深度、方向、水温及发动机工作状况，必要时，工作船还可以发出控制指令，例如发动机、摄像机和录音机的关闭、镇重块的释放等。

这架机器人虽诞生不久，却立下了赫赫战功。它潜水达130多次，最深处到达海底5300米；曾在几百平方英里的太平洋洋底遨游览胜，拍下了那里的全部海底地形图；它也曾探察过意大利海岸附近的海底火山的概貌；连沉在9000英尺深处的一只可口可乐罐头盒子都没有逃出它的火眼金睛。

现在，日本又出现了海洋气象观测机器人。海洋观测机器人系统由海上浮标气象观测站和地面无线电接收中心组成。它能够在环境十分恶劣的大洋上全年实施无人化作业，并及时向地面通报观测和搜集到的气象数据资料。

机器人的浮筒部分为钢质，直径达10米；立于浮筒中央的塔杆高出海面7米多；塔杆上装有气象观测器。这种机器人可用测链、钢缆和重达500多千克的铁锚牢牢地系留在水深数千米的海洋上。它的电源由空气湿电池和强碱蓄电池联合提供。这种机器人每三小时自动通报一次观测情况。观测的主要项目有风向、风速、气压、气温、日照量、水温（分水深3米、20米、50米三种）、含盐量、流向、流速和波浪等。它先把观测到的气象和海况资料转换为数字，而后通过无线电装置自动播发出去。机器人发出的电波，由设在地面的无线电接收中心接收，然后再输入信息转换系统通报给有关部门。

日本又在继续研制一种根据指令可在海上自行移动的浮游气象观测机器人，以便更加全面地搜集海洋的各种气象和海况资料。

海洋机器人是从海洋深潜器发展而来的。海洋深潜器到目前为止大致经历了5个阶段，其中前4个阶段都是载人的。第五代深潜器是无人深潜器，多数是系缆的，少数是无缆的，都由水面工作母船来遥控。第五代深潜器实际上已经进入了海洋机器人阶段。海洋机器人也分为缆控海洋机器人和无缆遥控海洋机器人两种类型。至于怎样对海洋机器人更好地进行水下遥控，现在还有许多问题等待人们去研究。