2023年06月23日21:19:36 热门 1048

美国泰坦号探险深潜器

泰坦号内部结构

泰坦号属于一家名为“海洋之门”的美国探险公司。该公司每年夏天都组织一次泰坦尼克号沉船探险之旅，旅客每人收费25万美元。泰坦号是一艘专门用于深海探险的深潜器，并没有经过严格的审查，属于试验性质。泰坦号长6.7米，设计非常简单，泰坦号的艇体结构主体部分是一个圆桶形的碳纤维复合材料中间段，两端是半球形的钛合金封头。前半球中间还有一个透明的观察窗。复合材料部分甚至由NASA参与设计。泰坦号有一个向上翘起的尖锥形的尾巴，这个部分不是耐压的，里面放的是设备。艇体侧面有四个电动推进器，下部还有支架支撑整个潜水器。内部非常简陋，没有座椅，乘员脱鞋坐在地板上。深潜器内部只有显示屏及一个游戏手柄样的设备操控。没有深潜器常用的和水面母船通讯的脐带电缆，像我国的深潜器通常都配有光纤微缆连接母船，可以和母船实时通信。

从目前的情况来看，可以确认泰坦号发生了内爆，也就是巨大的水压压碎了泰坦号的耐压艇体，直接造成了乘员全部死亡。因为水下救援潜水器已经看到了破裂的前半球和支架，而后半球部分在另外一个地方。也就是说基本上可以断定破裂发生在使用碳纤维复合材料的中段。这也进一步证明泰坦号的设计是有些缺陷的。不幸的是海洋之门公司的老板也在遇难者之列。

我国奋斗者号万米深潜器

那么泰坦号的设计有哪些问题呢，可能在结构和材料上。对深潜器来说，耐压艇体最好是球形的，比如我国7000米级潜深的蛟龙号和万米级潜深的奋斗者号，用的就是球形的耐压壳。而且最好使用耐压且比较轻的钛合金，因为下潜到几千米的深海，耐压艇体要承受巨大的水压，此次失事的深度达到3800米左右。也就意味着此处水压高达每平方厘米380公斤，大致相当于一头黄牛立在一个指甲盖大小的面积上。

我国奋斗者号万米级深潜器的钛合金耐压球壳

目前最好的深潜器耐压艇体材料仍然是钛合金，虽然也有使用马氏体钢的。比如导演詹姆斯卡梅隆曾前往马里亚纳海沟使用的深潜器—深海挑战者号，其耐压艇体使用的就是马氏体钢。不过钢材重量太重，毕竟深潜器还要考虑上浮，虽然深潜器一般都有专门的浮力材料，但是减轻结构重量也是非常重要的。所以绝大多数深潜器都会选择强度高，而且密度比较小的钛合金来做耐压艇体。但是制造大直径的钛合金球壳技术难度非常高，世界上也只有少数几个国家可以做到，而且成本非常高昂。

导演詹姆斯卡梅隆乘坐的深潜器—深海挑战者号

而泰坦号没有选择设计一个球形的耐压艇体，而是选择了一个圆桶形的碳纤维复合材料耐压艇体，在两端封上半球形的钛合金封头。只能说这样的设计实际上相当冒险，因为圆桶形的耐压艇体耐压能力远不如球形的耐压艇体，而且还选择了使用不同材料进行拼接。常见的军用潜艇通常会采用圆桶形的耐压艇体，但是军用潜艇的潜深通常只有几百米，远不及深潜器的几千米乃至上万米级。从目前看出问题的正是碳纤维复合材料，虽然这种材料性能非常好，非常轻而且强度高，在航空航天领域已经广泛使用，但是这种材料也有自己的缺点，那就是断裂行为难以预测，可能在毫无征兆的情况下就突然破裂了。

我国蛟龙号深潜器

这和碳纤维复合材料的结构有关，我们知道碳纤维复合材料是由丝束状的碳纤维混合树脂基材料堆叠或缠绕而成，并且经过树脂基材料固化成型。碳纤维可能是由铺丝机平铺成型，也有可能是先织成碳纤维布层叠成型，甚至还有三维编制成型的。从总体上碳纤维看起来一致性是非常好的，但是从微观上看，每根碳纤维都不是一样的。其材料的一致性是远不如金属材料，而且是各向异性的，也就是在各个方向上的性能并不完全一致。这就导致碳纤维复合材料不是很适合用在深潜器这样的产品上。

从此次事故的情况来看，泰坦号深潜器的设计强度并没有问题，因为已经多次执行过深潜任务。但是从此次事故的时间点上看，问题出在材料的疲劳强度上。因为发生内爆时，深潜器处于即将结束下潜阶段的时候。也就是耐压艇体在接受最大压力考验的时候。在这个阶段出问题就意味着碳纤维复合材料发生了疲劳断裂。也就是说在碳纤维复合材料的内部可能有一些微小的缺陷，但是刚开始对整体强度影响很小。但是耐压艇体每次下潜都会经历一个逐渐加压的过程，耐压艇体将承受数万吨甚至超过十万吨的压力，执行完任务又会经历一个逐渐减压的过程。每次下潜都将经历这样一个加压卸压的循环。微小的结构缺陷在反复加压和卸压的过程中逐渐扩大，当结构强度低于所能承受的巨大压力时就瞬间崩溃了。这就是泰坦号内爆的直接原因。

泰坦号深潜器

实际上泰坦号出问题也不是没有预兆的，海洋之门公司的前海事业务主管洛克里奇在被解雇前就曾对泰坦号提出安全担忧。根据当年在西雅图美国地方法院提起的诉讼，洛克里奇在2018年写了一份工程报告，称正在开发的潜水器还需更多测试，当它到达“极度深度”时，乘客可能会受到威胁。对于可能发生的结构疲劳强度问题，设计者虽然也有所考虑，但采取的技术手段有点问题。采用的是依靠声学监测来预测风险，即泰坦号的材料在压力下发出的破裂或爆裂声来检测缺陷，而不是对船体进行扫描。洛克里奇担忧，这种分析方法只会在舱体内爆前的几毫秒内发现问题，但为时已晚。这种做法将“让乘客在实验性潜水器中面临潜在的极端危险”。

实际上对于疲劳强度问题，只要做充分的测试也是可以发现潜在问题的。通常的做法是把深潜器放在压力容器中注水加压，多次循环即可模拟实际工况，只要循环次数够多是能够提前发现问题的。所以总的来说，透过泰坦号的事故可以看出一种西方社会普遍存在冒险文化，一种源自西方海盗文化的冒险精神。只要有利可图，冒险也要上，就是始作俑者自己也不例外。不光是在深潜器上，西方在很多高技术高风险行业都是这样。

星舰发射后损坏的发射架基座

航天领域就比较常见，像前一段时间爆炸的星舰，发射架下方连个泄压槽都没有就发射了，结果发射架下方被冲出一个大坑，需要维修才能再次使用。设计泄压槽并喷水缓冲，这通常是运载火箭发射系统的标准配置，但是马斯克却不想为此浪费时间和金钱。这和我们东方文化完全不同，我们国家搞航天，安全性和可靠性永远是放在第一位的。西方的冒险文化我们可能真的学不来。