蛟龙压缩

㈠ 万米水压，国产载人深潜器“金钟罩”是怎样练成的

出品|网易新闻
导语：不久前泰坦号载人潜水器发生 “灾难性内爆”令人震惊之余，引发人们对载人深潜冲漏器设计问题和安全性的广锋孙泛讨论。我国载人深潜器“蛟龙”号、“深海勇士”号、“奋斗者”号接连创造世界同类作业型潜水器最大下潜深度。这些深海极限装备是如何在万米深海中坚守安全，本文为您揭晓。
一、万米水压=在指甲盖上跳舞的小汽车
在落后西方国家五十年的情况下，我国科研团队经过二十年的艰苦探索创新，先后开展“蛟龙”号、“深海勇士”号和“奋斗者”号的研制。其中“奋斗者”号是万米级深海载人潜水器，是世界上载人数量最多、作业时间最长、高精度自动航行、安全性高的全海深载人深潜装备，已成功应用于高频次、大深度科考活动，并多次坐底地球海洋最深处马里亚纳海沟。
要潜入海洋，第一个问题就是海水的巨大压力。海水深度每增加10米，压力就增加一个大气压。在1000米深的海水中，我们要面对的大概是100个大气压，在这样的压力下，一般的木块会被压缩成原来体积的一半。如果到达10000米深处的海底，压力能达到1000个大气压，大概是用你的指甲盖顶起一辆小轿车的所承受的压力。
潜水器在下潜等过程都需要有一艘母船进行配合，下潜更是一锤子买卖（即使身处深海，只要抛弃压仓物它依然有能力控制自己上浮到海面）。而它在结构上更像是一个硬实的金属体，里面的人甚至不能控制打开舱门而必须要从外面拧开螺栓后才能出来。如此“简洁”的设计只为在面对深海的高压下可以无懈可击。
此次失事的泰坦号，在4000米水深下，水压约400个大气压、相当于每平米承受4000吨重量，在这样的压力下一辆小汽车都能被压缩成一个小金属球。因此潜水器对材料选择与耐压性能、设计与结构完整性、检测与维护体系等方面要求都极为苛刻，否则在强烈水下的压力差下，当水的外部压力强于船体结构强度的压力极限，就会发生可怕的内爆。
二、如何搭起载人深潜器的“铮铮铁骨”
一个可靠、重量轻的载体框架的设计往往决定着潜水器的性能与安全性的“底线”。其中框架是整个潜水器的支撑骨架，既要为载人舱、浮力块和各个设备提供安装基座，又要在起吊回收、母船搭载、坐沉海底过程中承受整个潜水器的重量和深海水下的巨大压力。载体框架制造是整个项目重要的一环。
框架结构基本属于非耐压结构，需要确定适当的设计载荷和许用应力，并充分考虑潜水器上所有设备和浮力块等的安装、拆卸与维护空间，载体框架在各种工况下载荷的有效传递，以及载体框架加工建造的工艺性。设计复杂程度也在水涨船高。
如“蛟龙”号、“深海勇士”号在设计伊始为充分考虑设备和浮力块的布置、拆装和维护空间，调整、减轻载体框架的重量，就将顶纵桁、底纵桁和舷侧纵桁设计成纵向连续的强构件；为了解决载人舱和蓄电池的集中载荷给载体框架设计带来的困难，在载人舱安装部位设置强底横粱和强横框架，又将压载水箱设计成加筋板结构，并将其作为载体框架的承载构件与载体框架的设计融为一体，进一步减轻潜水器的重量。
复杂的结构又对载体框架的加工工艺有着更高的要求。在焊接时用氩气对焊缝进行保护等特殊的工艺措施，防止焊缝及其热影响区氧化和氢脆。并开创了双面双弧焊接等方法，攻克焊接缺陷、焊接变形超差难关。在最终设计中将原来的封闭型材改为刚性和抗扭性能较好的工字型材，实现工艺性与性能的平衡。
三、潜入万里的“小球”，实在“钛酷辣”
耐压结构选材则关系到深海潜水器的“上限”。尽管一些高强、轻质性能的非金属材料展现出巨大的应用前景，但目前载人深海潜水器耐压结构还是以传统金属合金为主流。钛合金具有比强度高、抗腐蚀等优异的耐海洋环境性能，能够很好地满足水下装备需求。
国内研发的“蛟龙”号、“深海勇士”号、“奋斗者”号等潜水器耐压壳结构均为新型钛合金材料。尽管我国是排在世界前列的产钛大国，但在钛合金热处理复杂、焊接工艺难度散基烂极高方面，我国科研人员不断探索，突破技术难关。“奋斗者”号钛合金载人舱上有一道焊缝，我国科研人员花费九个月的时间不断验证、打磨工艺，最终达标。
为实现后续型号“深海勇士”号等潜水器的全部国产化，我国突破了钛合金大规格厚板研制，使用了自主研制的Ti80、Ti62A等钛合金材料。经过五年的研制过程，掌握焊接、无损探测等关键技术，创新性地采用瓜瓣焊接方法，实现耐压壳成型。
四、奋不顾“深”的安全感，也是“修”出来
载人深海潜水器在使用周期中，会多次经历潜浮工作。钛合金结构的失效有70%是因疲劳断裂引起，潜水器特殊的工作模式使壳体容易出现疲劳裂纹等隐患。除了设备故障引发的检查维护工作，日常维护工作也至关重要。
重复性检查维护工作主要涉及对耐压壳等结构件的疲劳情况检查、连接件和固定结构的缺陷隐患评估，以及可拆卸设备与构件的优化调整。故障性检查维护工作则涉及备件更换、故障原因查询。
为满足日常维护，各型号深海潜水器根据服役时间、运维机制和用户单位的差异化特征，建立设备及零部件信息库，实现设备全寿命运维信息的快速记录和跟踪。
结语：地球这颗蓝色星球，生命正是从海洋当中诞生。从“蛟龙”号、“深海勇士”号到“奋斗者”号的深海探索，中国在深海科技领域不断向前，不再是“缺席者”。