蛟龍壓縮

㈠ 萬米水壓，國產載人深潛器「金鍾罩」是怎樣練成的

出品|網易新聞
導語：不久前泰坦號載人潛水器發生 「災難性內爆」令人震驚之餘，引發人們對載人深潛沖漏器設計問題和安全性的廣鋒孫泛討論。我國載人深潛器「蛟龍」號、「深海勇士」號、「奮斗者」號接連創造世界同類作業型潛水器最大下潛深度。這些深海極限裝備是如何在萬米深海中堅守安全，本文為您揭曉。
一、萬米水壓=在指甲蓋上跳舞的小汽車
在落後西方國家五十年的情況下，我國科研團隊經過二十年的艱苦探索創新，先後開展「蛟龍」號、「深海勇士」號和「奮斗者」號的研製。其中「奮斗者」號是萬米級深海載人潛水器，是世界上載人數量最多、作業時間最長、高精度自動航行、安全性高的全海深載人深潛裝備，已成功應用於高頻次、大深度科考活動，並多次坐底地球海洋最深處馬里亞納海溝。
要潛入海洋，第一個問題就是海水的巨大壓力。海水深度每增加10米，壓力就增加一個大氣壓。在1000米深的海水中，我們要面對的大概是100個大氣壓，在這樣的壓力下，一般的木塊會被壓縮成原來體積的一半。如果到達10000米深處的海底，壓力能達到1000個大氣壓，大概是用你的指甲蓋頂起一輛小轎車的所承受的壓力。
潛水器在下潛等過程都需要有一艘母船進行配合，下潛更是一錘子買賣（即使身處深海，只要拋棄壓倉物它依然有能力控制自己上浮到海面）。而它在結構上更像是一個硬實的金屬體，裡面的人甚至不能控制打開艙門而必須要從外面擰開螺栓後才能出來。如此「簡潔」的設計只為在面對深海的高壓下可以無懈可擊。
此次失事的泰坦號，在4000米水深下，水壓約400個大氣壓、相當於每平米承受4000噸重量，在這樣的壓力下一輛小汽車都能被壓縮成一個小金屬球。因此潛水器對材料選擇與耐壓性能、設計與結構完整性、檢測與維護體系等方面要求都極為苛刻，否則在強烈水下的壓力差下，當水的外部壓力強於船體結構強度的壓力極限，就會發生可怕的內爆。
二、如何搭起載人深潛器的「錚錚鐵骨」
一個可靠、重量輕的載體框架的設計往往決定著潛水器的性能與安全性的「底線」。其中框架是整個潛水器的支撐骨架，既要為載人艙、浮力塊和各個設備提供安裝基座，又要在起吊回收、母船搭載、坐沉海底過程中承受整個潛水器的重量和深海水下的巨大壓力。載體框架製造是整個項目重要的一環。
框架結構基本屬於非耐壓結構，需要確定適當的設計載荷和許用應力，並充分考慮潛水器上所有設備和浮力塊等的安裝、拆卸與維護空間，載體框架在各種工況下載荷的有效傳遞，以及載體框架加工建造的工藝性。設計復雜程度也在水漲船高。
如「蛟龍」號、「深海勇士」號在設計伊始為充分考慮設備和浮力塊的布置、拆裝和維護空間，調整、減輕載體框架的重量，就將頂縱桁、底縱桁和舷側縱桁設計成縱向連續的強構件；為了解決載人艙和蓄電池的集中載荷給載體框架設計帶來的困難，在載人艙安裝部位設置強底橫粱和強橫框架，又將壓載水箱設計成加筋板結構，並將其作為載體框架的承載構件與載體框架的設計融為一體，進一步減輕潛水器的重量。
復雜的結構又對載體框架的加工工藝有著更高的要求。在焊接時用氬氣對焊縫進行保護等特殊的工藝措施，防止焊縫及其熱影響區氧化和氫脆。並開創了雙面雙弧焊接等方法，攻克焊接缺陷、焊接變形超差難關。在最終設計中將原來的封閉型材改為剛性和抗扭性能較好的工字型材，實現工藝性與性能的平衡。
三、潛入萬里的「小球」，實在「鈦酷辣」
耐壓結構選材則關繫到深海潛水器的「上限」。盡管一些高強、輕質性能的非金屬材料展現出巨大的應用前景，但目前載人深海潛水器耐壓結構還是以傳統金屬合金為主流。鈦合金具有比強度高、抗腐蝕等優異的耐海洋環境性能，能夠很好地滿足水下裝備需求。
國內研發的「蛟龍」號、「深海勇士」號、「奮斗者」號等潛水器耐壓殼結構均為新型鈦合金材料。盡管我國是排在世界前列的產鈦大國，但在鈦合金熱處理復雜、焊接工藝難度散基爛極高方面，我國科研人員不斷探索，突破技術難關。「奮斗者」號鈦合金載人艙上有一道焊縫，我國科研人員花費九個月的時間不斷驗證、打磨工藝，最終達標。
為實現後續型號「深海勇士」號等潛水器的全部國產化，我國突破了鈦合金大規格厚板研製，使用了自主研製的Ti80、Ti62A等鈦合金材料。經過五年的研製過程，掌握焊接、無損探測等關鍵技術，創新性地採用瓜瓣焊接方法，實現耐壓殼成型。
四、奮不顧「深」的安全感，也是「修」出來
載人深海潛水器在使用周期中，會多次經歷潛浮工作。鈦合金結構的失效有70%是因疲勞斷裂引起，潛水器特殊的工作模式使殼體容易出現疲勞裂紋等隱患。除了設備故障引發的檢查維護工作，日常維護工作也至關重要。
重復性檢查維護工作主要涉及對耐壓殼等結構件的疲勞情況檢查、連接件和固定結構的缺陷隱患評估，以及可拆卸設備與構件的優化調整。故障性檢查維護工作則涉及備件更換、故障原因查詢。
為滿足日常維護，各型號深海潛水器根據服役時間、運維機制和用戶單位的差異化特徵，建立設備及零部件信息庫，實現設備全壽命運維信息的快速記錄和跟蹤。
結語：地球這顆藍色星球，生命正是從海洋當中誕生。從「蛟龍」號、「深海勇士」號到「奮斗者」號的深海探索，中國在深海科技領域不斷向前，不再是「缺席者」。