挑戰超低溫

節錄自歐米茄《Lifetime》雜誌「冬季號」


原文:ROBERT RYAN
攝影:ANDY BARTER


在零下狀況中反復測試,電子用品通常會失靈及凍結,但歐米茄機械腕表卻依然經得起時間考驗。

十多年前,英國和挪威的兩支隊伍召募成員,想要重現羅拔.史葛(Robert Scott)與羅爾德.阿蒙森(Roald Amundsen)當年威名赫赫的「遠征南極競賽」。

為了使比賽更原汁原味,兩支隊伍將仿照前人,穿着相同的服裝,帶上相同的裝備,拖着沉甸甸的重型雪橇出發,就像1910年史葛與阿蒙森啓程南下並於翌年年底搶攻南極點的歷史一樣。不過,兩者之間最大的不同是:地點。由於狗隻不再獲准進入南極洲,他們會在格陵蘭展開類似的遠征路線。兩支隊伍的競賽方式明顯不同。出發前一晚,挪威隊檢查隨行裝備、餵飼雪橇犬、磨利雪橇上的冰刀,一早睡覺休息。英國隊則流連酒吧;前突擊隊隊員兼這次遠征的領隊布魯斯.帕里(Bruce Parry)回想,當時他們太倚賴隨行醫生Rory O'Connor的古董時鐘來確保行動準時。他說:「Rory的1911年版鬧鐘,響10秒就會把他吵醒,我們也都靠着它醒來。真正的競賽在早上8時開始,我們把鬧鐘調到清晨5時,想提早起牀好好準備,待比賽時間一到就馬上出發……不過,Rory的鬧鐘在午夜12:10被凍壞了。」顯然,他們睡過了頭。這是嚴寒第一次戰勝了這些隊員,但不會是最後一次(隨帶一提,挪威隊再次勝出)。 由此可見,身處極地的探險家和冒險家(或任何想在冬天冒險涉足雪線之上或極端環境的人士),如依賴任何機器,即使普通如時鐘,都會面臨危險。畢竟,這些配備原本都不是為低溫環境而設計的。 如果英國隊用的是數碼鐘,甚至石英表,那大概可以理解為甚麽會發生故障,因為電子電路出了名易受低溫影響。同樣地,相機、電腦和手提電話在氣溫驟降時也會失靈。這是因爲它們的複雜組件由不同材料構成,即使是單一電路,都會以不同的比率膨脹和收縮,形成壓力,加上一些組件(包括鋰離子電池)在溫度下跌時會出現電阻大增的情況。一枚電池在27°C/80°F可以百分百運作,但在-18°C/0°F就只能做到一半。 2013至2014年,極地探險家班.桑德斯(Ben Saunders)依循史葛的路線到達南極,他發現電子產品與寒冷天氣經常「互不咬弦」。 他說:「極地區域的狀況非常極端,很多電子用品變得不可靠,特別是那些附有LCD屏幕的產品。在嚴寒的日子裡,我們的GPS導航裝置都出現了問題。」

「造成這種限制的部分原因是,電路所使用的半導體大多有所謂「凍結」(Freeze Out)溫度,在這個溫度以下,半導體根本無法運作。」

在溫差很大的環境中,智能手機、手提電腦和GPS導航裝置的內部組件可能會永久損壞,甚至自行裂開(塑膠材料在低溫下容易碎裂);裝置本身也容易發生凝結的情況,引致產品無法正常操作。所以,手機製造商通常都會建議一個理想的溫度範圍,例如三星手機適合-20°C/-4°F至+50°C/122°F,蘋果iPad的理想溫度是0-35°C/32-95°F。造成這種限制的部分原因是,電路所使用的半導體大多有所謂「凍結」(Freeze Out)溫度,在這個溫度以下,半導體根本無法運作。根據extremetemperatureelectronics.com網站(對象是在極端溫度環境下工作的工程師/技術人員)的資料,另一種可能出現的風險是半導體物料自行分解,這也會對產品造成永久損壞。既然這樣,上鏈的老式鬧鐘應該表現較佳? 其實,老式鬧鐘面對嚴寒也會出現問題。當英國隊的帳篷遭受低溫來襲時,有沒有可能是鬧鐘內的潤滑油變得粘稠以致停擺了?鐘表運作時,跟潤滑油接觸的地方就是最脆弱的部分。大部分鐘表潤滑油的凝固點是-30°C/-22°F,不過一般要在-20°C/-4°F才會變稠。正因如此,歐米茄特別版腕表均使用特選的潤滑油,在溫度下降到-40°C至-55°C/-40°F至-67°F之前,這種潤滑油是不會凝結的。另一種可能性是,金屬組件收縮導致變形。以低力矩轉動的齒輪比使用強大力矩的更容易停擺。不管甚麽理由,誠如帕里所說的,鬧鐘停擺的確會引發災難。

歐米茄《Lifetime》雜誌委託實驗室進行了一項測試。把歐米茄腕表置於低溫之中,然後每次遞減5°C,直至-70°C/-94°F的極寒冷程度,然後再回到正常的環境溫度,看它是否仍然完好無損。今次的測試目標是歐米茄海馬Planet Ocean 600米 Co-Axial Master Chronometer 腕表。

腕表必須通過瑞士聯邦計量科學研究所(Swiss Federal Institute of Metrology,METAS)一系列的嚴格測試才可獲得Master Chronometer認證。METAS的測試範圍包括磁力、溫度和水深等外在環境因素,另外也會測試平均每日精準度。從前,作內部認證時,機芯會被置於-20°C/-4°F的環境裡進行測試。 這枚海馬表獲得METAS認證後,隨即被放進一個特製的冷卻器内。由室溫開始,冷卻器以每次遞減5°C的方式,將溫度降到-70°C/-94°F。腕表表頭附有咪高風 ,以便密切監察溫度急降時腕表的性能表現。在-70°C/-94°F的低溫經過4個小時後,腕表再被帶回室溫環境。腕表在極度寒冷時停止運作,這一點不令人意外。跟預期的一樣,在溫度下降到-70°C/-94°F之前,油開始凝固,然後凍結了(資料發佈時,詳細數據仍在進行分析與處理)。 不過,觀察者也想知道,在如此低溫和非自然溫度下造成的影響能否逆轉。測試結果顯示,腕表裡的潤滑油一旦回到適當的溫度範圍,不僅沒有變質,還可以繼續如常運作。此外,即使腕表曾暴露在極端環境中,一旦回暖,它仍然可以通過METAS的嚴格測試。實驗室再以另一枚海馬Master Chronometer腕表進行同樣的測試,結果一致,證明冷凍庫對機械裝置並沒有造成永久損壞。我們知道,這跟電子系統很不一樣。模擬世界又一次勝利了。不過,歐米茄可不是第一次進行這種低溫測試實驗。早在多年前,它已經展開了神秘與真假混淆的「阿拉斯加計劃」(Alaska Project)。這也是製表界的「51區」(Area 51,猶如美國空軍基地)。

早在多年前,歐米茄已經展開了神秘與真假混淆的「阿拉斯加計劃」(Alaska Project)。這也是製表界的「51區」(Area 51,猶如美國空軍基地)。

太空飛行認可腕表

1964年,美國太空總署(NASA)指派年輕太空工程師James H. Ragan設計一項計劃,測試腕表在太空飛行(最終,是登陸月球)遇到極端環境時的表現。Ragan邀請了幾間公司提交計時表作測試,其中包括經由美國分銷商取得的歐米茄腕表。

Ragan針對一系列「環境測試狀況」(Environmental Test Conditions)包括高溫、極端壓力、高濕度、全氧環境、撞擊、加速、減壓至真空狀態、震動與噪音,以及低溫(通常連同另一個條件,譬如高壓),對這些腕表進行檢測。低溫測試是把腕表置於-18°C/0°F的溫度4個小時,回暖後再測試,並重新檢查(跟前述歐米茄《Lifetime》委託實驗室進行的更嚴格測試有點相像)。比對歐米茄《Lifetime》進行的測試,-18°C/0°F的參數可能不算太低。畢竟,月球表面的溫度可以下降到-200°C/-328°F;在火星的赤道地區,氣溫可以降至-90°C/-130°F(兩極地區-125°C/-193°F),即使是繞軌運行太空船的陰影一面也有-100°C/-148°F。與之相比,南極錄得最低溫度是-89.2°C/-128.56°F;1月份,西伯利亞的Verkhoyansk居民須生活在平均溫度-45°C/-49°F的刺骨寒冬裡;同一月份,珠穆朗瑪峰頂的平均溫度為-36°C/-33°F,有時更會降到-60°C/-76°F(當然在真實世界中,腕表不會暴露在如此極度低溫的環境裡,因為體溫和衣服都能調節外在環境條件。所以,即使氣溫下跌,腕表可能還是比較暖和)。 事實上,歐米茄超霸表清楚展示,它可以在-18°C/0°F的環境中運作。1956年,加拿大太平洋航空(Canadian Pacific Air line)的Douglas DC-6B型飛機把一枚超霸表掛在機外飛行。當時,飛機從愛民頓(Edmonton)出發,取道極地航線穿越北極圈,飛往阿姆斯特丹。超霸表暴露於5,300米/17,500呎高空,包括處於-18°C/0°F以下的低溫環境9個小時之後,在史基浦機場(Schiphol Airport)進行檢查,機長和地勤人員發現腕表仍然運作良好。歐米茄和史密森尼學會(Smithsonian)在1960年代初對一些領先設計的腕表進行測試並公佈研究結果。從中,我們大概可以明白,美國太空總署為何決定採用低溫參數進行下一年的測試。我們清楚知道,在接受測試的芸芸腕表之中,歐米茄超霸表以最驕人的成績脫穎而出,成為唯一通過Ragan全部測試的腕表。1965年3月1日,超霸表更獲美國太空總署認可參與所有載人太空飛行任務。

有趣的是,美國太空總署一直沒有訂製太空探險專用腕表,反而購買現成商品──後來被譽爲「月球表」的超霸表,那是普羅大眾都買得到的款式。

在1969年的「太陽神11號」太空任務中,太空人尼爾.杭思朗(Neil Armstrong)與巴茲.艾德靈(Buzz Aldrin)登陸月球,超霸表成為第一隻在月球上佩戴過的腕表。在這之前,歐米茄已決定把這款美國太空總署的官方腕表加以改良,再研發另一款終極太空腕表。爲此,歐米茄與James H. Ragan(在美國太空總署負責所有認證程序及測試工作的工程師)合作,展開最高機密的「阿拉斯加計劃」(Alaska Project)。這名稱多年來造成不少混亂,雖說阿拉斯加跟太空一樣寒冷,但這跟計劃的命名無關。其實,它不過是當時歐米茄內部使用的代號(以及用於所有機密計劃,甚至超出美國太空總署的範疇)。設定代號,是為了讓這些計劃完全保密,尤其是不讓競爭對手(特別是美國商家)知道歐米茄正與美國太空總署合作研發獨特的太空專用腕表。 再說,「阿拉斯加計劃」不只一個,從1969年起就有好幾個,編號由1至4。首階段發生在常有登月的時代(美國太空總署一心探索月球背面的遙遠黑暗面),生產了世上第一枚採用鈦金屬光面表殼的腕表。1970年,超霸專業系列的原型太空表款加上了一個特大的紅色鋁質「甜甜圈」外殼,成爲奪目的新版本。由於鋁的導熱性低,這個外殼提供了抵抗溫差的完整保護,紅色的設計更能阻擋一些波長的輻射。拱頂外殼令腕表可以在-148°C/-234.4°F至+260°C/+500°F之間的環境溫度中正常運作;這表示腕表足以抵受超過400°C的溫差,可說相當驚人。此外,白色表面可以反射幅射熱,而繫有Velcro黏貼帶的特長白色皮表帶,方便佩戴在厚重的太空衣外面。

可是,大衆對月球的興趣日漸減退。1970年12月,由於預算有限,美國太空總署取消了太陽神18至20號的太空任務。這意味着他們不再需要一枚在月球黑暗面使用的腕表,計劃遂告擱置。因此,歐米茄超霸「月球表」是唯一獲得太空飛行認可的腕表。

2008年,歐米茄推出超霸專業阿拉斯加計劃腕表,內置1861型機芯,限量生產1,970枚,以紀念腕表設計的年分。這枚限量版腕表就像其原款一樣,有紅色外殼和加長的白色皮表帶,成爲收藏家夢寐以求的精品。之後,美國太空總署開展一連串需要精準計時的新任務,包括觀測地球的活動。「太空實驗室」(Skylab,1973至1979年)是第一個軌道太空站,當中一個科學任務是拍攝地球的黑白、彩色和紅外線影像。安裝在太空實驗室的地球地形相機(The Earth Terrain Camera,ETC),内有一個使用5吋菲林和18吋焦距鏡頭的高像素單鏡反光相機。爲此,美國太空總署和歐米茄的下一個合作計劃──「阿拉斯加2」(Alaska II,1972年起)包括了計時科技,由歐米茄特別設計和反覆測試内置機械音叉(Mechanical Tuning Fork)機芯的特製計時裝置,以便在地球地形相機所拍攝的照片上加入時間碼。其實,你可以從所有地球地形相機的官方照片中,看到歐米茄的標誌跟時鐘疊合在一起。 與此同時,以超霸專業腕表為基礎的太空腕表研發工作仍在進行。 後來,太空實驗室被可以重複使用的太空穿梭機(Space Shuttle)取代。歐米茄也參與其中。太空穿梭機要求太空人進行常規的艙外活動或太空漫步(被稱爲EVA或Spacewalk),因此精準、清晰易讀和可操作的天文台表成爲了太空人的基本裝備。歐米茄要為美國太空總署生產另一批革新的原型腕表,包括在地球地形相機中使用過的音叉機芯計時表。在「阿拉斯加4」(Alaska IV)計劃中,歐米茄改動超霸表,採用LCD屏幕,並為美國太空總署的穿梭機訓練提供12枚適用於太空極端環境的超霸專業石英表(編號ST186.0004)進行測試。儘管如此,美國太空總署還是重新評估超霸專業腕表,結果它再次擊敗對手。1978年年底,超霸專業腕表再度獲得認可參與太空穿梭機任務,歐米茄把第一批56枚腕表送交美國太空總署。經典腕表如此出色,再要改進,實在困難。

「美國太空總署開展一連串需要精準計時的新任務,包括反過來觀測地球的轉動。」

不過,歐米茄沒有停止改進,研發工作持續進行。1998年,歐米茄推出鈦金屬、內置石英機芯的超霸X-33腕表。這款腕表繼續參與國際太空站(International Space Station)的任務,同時繼承了「阿拉斯加1至4」計劃所累積的知識和技術。它剛推出時,被暱稱為「火星表」,而火星正是美國太空總署的下一個大目標。經過了這麽多年的太空探索,超霸專業腕表仍是唯一獲得美國太空總署認可參與艙外活動的腕表。但這不代表X-33這類腕表,不能抵受火星110°C/198°F的溫差環境(白天+20°C/+68°F,晚上-90°C/-130°F也很常見),或承受不了火星表面的沙塵暴。當日負責啓動腕表測試並造就了「月球表」的美國太空總署組長James H. Ragan,自有一番見解:「我相信,在未來所有的航天載人任務中,每人都需要配備一枚計時表。我也相信,未來踏足火星的第一位太空人,腕上佩戴的一定是歐米茄的計時表。」Ragan就是當年揀選超霸表參與太空探索的人,你肯定不敢說他是錯的。