萬米水壓，國產(chǎn)載人深潛器“金鐘罩”是怎樣練成的？

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導(dǎo)語：不久前泰坦號(hào)載人潛水器發(fā)生 “災(zāi)難性內(nèi)爆”令人震驚之余，引發(fā)人們對(duì)載人深潛器設(shè)計(jì)問題和安全性的廣泛討論。“蛟龍”號(hào)、“深海勇士”號(hào)、“奮斗者”號(hào)接連創(chuàng)造世界同類作業(yè)型潛水器最大下潛深度。我國載人深潛器萬米深潛作業(yè)次數(shù)和下潛人數(shù)居世界首位，是如何為海洋科技工作者們守住安全“壁壘”，這些深海極限裝備又面臨哪些挑戰(zhàn)？

即將下潛的“深海勇士”，圖源：三亞日?qǐng)?bào)

一、萬米水壓=在指甲蓋上跳舞的小汽車

在落后西方國家五十年的情況下，我國科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過二十年的艱苦探索創(chuàng)新， 先后開展“蛟龍”號(hào)、“深海勇士”號(hào)和“奮斗者”號(hào)的研制。其中“奮斗者”號(hào)是萬米級(jí)深海載人潛水器，是世界上載人數(shù)量最多、作業(yè)時(shí)間最長(zhǎng)、高精度自動(dòng)航行、安全性高的全海深載人深潛裝備，已成功應(yīng)用于高頻次、大深度科考活動(dòng)，并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(gè)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(gè)大氣壓。

在1000米深的海水中，我們要面對(duì)的大概是100個(gè)大氣壓，在這樣的壓力下，一般的木塊會(huì)被壓縮成原來體積的一半。如果到達(dá)10000米深處的海底，壓力能達(dá)到1000個(gè)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(jìn)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(jié)構(gòu)上更像是一個(gè)硬實(shí)的金屬體，里面的人甚至不能控制打開艙門而必須要從外面擰開螺栓后才能出來。

泰坦載人深潛器海下作業(yè)

如此“簡(jiǎn)潔”的設(shè)計(jì)只為在面對(duì)深海的高壓下可以無懈可擊。此次失事的泰坦號(hào)，在4000米水深下，水壓約400個(gè)大氣壓、相當(dāng)于每平米承受4000噸重量，在這樣的壓力下一輛小汽車都能被壓縮成一個(gè)小金屬球。

因此潛水器對(duì)材料選擇與耐壓性能、設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)完整性、檢測(cè)與維護(hù)體系等方面要求都極為苛刻，否則在強(qiáng)烈水下的壓力差下，當(dāng)水的外部壓力強(qiáng)于船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的壓力極限，就會(huì)發(fā)生可怕的內(nèi)爆。

內(nèi)爆示意圖

二、如何搭起載人深潛器的“錚錚鐵骨”

一個(gè)可靠、重量輕的載體框架的設(shè)計(jì)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(gè)潛水器的支撐骨架，既要為載人艙、浮力塊和各個(gè)設(shè)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(gè)潛水器的重量和深海水下的巨大壓力。載人深潛器框架制造是整個(gè)項(xiàng)目重要的一環(huán)。

包括我國深潛器在內(nèi)的框架結(jié)構(gòu)基本屬于非耐壓結(jié)構(gòu)，需要確定適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)載荷和許用應(yīng)力，并充分考慮潛水器上所有設(shè)備和浮力塊等的安裝、拆卸與維護(hù)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。而從繪圖板到最終走下生產(chǎn)線，深海潛水器的設(shè)計(jì)復(fù)雜程度也在水漲船高。

“蛟龍”號(hào)結(jié)構(gòu)示意圖

如“蛟龍”號(hào)、“深海勇士”號(hào)在設(shè)計(jì)伊始為充分考慮設(shè)備和浮力塊的布置、拆裝和維護(hù)空間，調(diào)整、減輕載體框架的重量，就將頂縱桁、底縱桁和舷側(cè)縱桁設(shè)計(jì)成縱向連續(xù)的強(qiáng)構(gòu)件；

為了解決載人艙和蓄電池的集中載荷給載體框架設(shè)計(jì)帶來的困難，在載人艙安裝部位設(shè)置強(qiáng)底橫粱和強(qiáng)橫框架，又將壓載水箱設(shè)計(jì)成加筋板結(jié)構(gòu)，并將其作為載體框架的承載構(gòu)件與載體框架的設(shè)計(jì)融為一體，進(jìn)一步減輕潛水器的重量。

復(fù)雜的結(jié)構(gòu)又對(duì)載體框架的加工工藝有著更高的要求。比如在焊接時(shí)用氬氣對(duì)焊縫進(jìn)行保護(hù)等特殊的工藝措施，防止焊縫及其熱影響區(qū)氧化和氫脆。并開創(chuàng)了雙面雙弧焊接等方法，一舉攻克焊接缺陷、焊接變形超差難關(guān)。而為了便于在框架加工中確保焊縫質(zhì)量、不遺漏一處，在最終設(shè)計(jì)中又將原來的封閉型材改為剛性和抗扭性能較好的工字型材，最終實(shí)現(xiàn)工藝性與性能的平衡。

國產(chǎn)載人深潛器載體結(jié)構(gòu)框架示意圖

三、潛入萬里的“小球”，實(shí)在“鈦酷辣”

作為決定潛水器潛深和容重比等關(guān)鍵指標(biāo)的核心部件，耐壓結(jié)構(gòu)選材則關(guān)系到深海潛水器的“上限”。

盡管一些高強(qiáng)、輕質(zhì)性能的非金屬材料，如纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等展現(xiàn)出巨大的應(yīng)有前景，包括我國近年來研制的無人深潛設(shè)備也開始采用，“泰坦”深潛器的船體就是由碳纖維材料制造而成的，雖然比傳統(tǒng)的鈦合金輕便了不少，在龐大的海底壓力下面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。目前載人深海潛水器耐壓結(jié)構(gòu)還是以傳統(tǒng)金屬合金為主流。

鈦合金具有比強(qiáng)度高、抗腐蝕等優(yōu)異的耐海洋環(huán)境性能，能夠很好地滿足水下裝備需求。國內(nèi)研發(fā)的“蛟龍”號(hào)、“深海勇士”號(hào)、“奮斗者”號(hào)等潛水器耐壓殼結(jié)構(gòu)均為新型鈦合金材料。

“奮斗者”號(hào)載人深潛器鈦合金耐壓殼

盡管我國是排在世界前列的產(chǎn)鈦大國，年產(chǎn)超過400萬噸，但鈦合金熱處理復(fù)雜、焊接工藝難度極高，深潛器的零件制造、冷彎、焊接，精密加工等等，我國第一艘大深度潛水器“蛟龍”號(hào)所采用的鈦合金耐壓殼為俄羅斯制造。“奮斗者”號(hào)鈦合金載人艙上有一道焊縫，我國科研人員花了近九個(gè)月的時(shí)間不斷驗(yàn)證、打磨工藝才得以最終達(dá)標(biāo)。

為實(shí)現(xiàn)后續(xù)型號(hào)“深海勇士”號(hào)等潛水器的全部國產(chǎn)化，我國突破了鈦合金大規(guī)格厚板研制，首次使用了自主研制的Ti80、Ti62A等鈦合金材料。在長(zhǎng)達(dá)五年的研制過程中，先后制備出1/4球殼、半球殼，并對(duì)球殼如解剖麻雀般進(jìn)一步研究。并在掌握焊接、無損探測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)耐壓殼成型上采取兩條腿走路、一次性生產(chǎn)了三個(gè)耐壓殼體：創(chuàng)造性的瓜瓣焊接方法，先用厚板分瓣沖壓成型，然后分瓣組裝、焊接成整球出廠；另一種使用窄間隙手工焊/電子束焊接半球體而成。

正在生產(chǎn)的國產(chǎn)載人深潛器鈦合金耐壓殼1：4模型

為驗(yàn)證耐壓殼安全性、確保萬無一失，國內(nèi)許多型號(hào)的深海潛水器都對(duì)載人艙進(jìn)行1:4 縮比結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓力筒靜水壓力測(cè)試，測(cè)得縮比結(jié)構(gòu)壓力過程中的應(yīng)力、體積收縮率與極限載荷。多項(xiàng)技術(shù)工藝的加持也最終為國產(chǎn)載人深海潛水器在數(shù)百次挑戰(zhàn)海上作業(yè)的效率上限提供底氣。

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，總會(huì)多次經(jīng)歷潛浮工作，每次任務(wù)的下潛深度和水下作業(yè)時(shí)間不盡相同；鈦合金結(jié)構(gòu)的失效有70%是因疲勞斷裂引起，而潛水器特殊的工作模式使它的耐壓殼體反復(fù)經(jīng)歷加載—保載—卸載，殼體容易出現(xiàn)疲勞裂紋等隱患。除此外，還有大量非耐壓設(shè)備在殼體外的惡劣環(huán)境下持續(xù)工作，也需要不斷對(duì)其進(jìn)行檢修。

潛水器的例常檢修作業(yè)

潛水器的維護(hù)工作，可分為2種狀態(tài)，分別是重復(fù)性檢查維護(hù)工作和故障性檢查維護(hù)工作。

對(duì)于重復(fù)性檢查維護(hù)工作，一方面使用與維護(hù)單位會(huì)通過金相法、超聲探測(cè)等手段檢查包括耐壓殼等結(jié)構(gòu)件的疲勞情況、及時(shí)發(fā)現(xiàn)連接件、肋骨等固定結(jié)構(gòu)的缺陷隱患，評(píng)估損傷程度是否允許繼續(xù)下潛，并在檢修過程中對(duì)一些可拆卸設(shè)備與構(gòu)件進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化載體結(jié)構(gòu)；

另一方面通過““蛟龍”號(hào)、“深海勇士”號(hào)等實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，建立了一套，鈦合金保載—疲勞載荷譜與裂紋預(yù)報(bào)機(jī)制并通過縮短海面漂浮時(shí)間、改進(jìn)下潛作業(yè)時(shí)機(jī)等方式改善環(huán)境對(duì)潛水器產(chǎn)生的載荷影響。因設(shè)備故障而引起的檢查維護(hù)工作，通常會(huì)涉及到備件更換、故障原因查詢。

為了滿足日常特別是在航期間的維護(hù)，無論是“蛟龍”號(hào)、“深海勇士”號(hào)還是“奮斗者”號(hào)，都根據(jù)服役時(shí)間、運(yùn)維機(jī)制、用戶單位的差異化特征，各自建立一套專屬的載人潛水器設(shè)備及零部件信息庫，根據(jù)系統(tǒng)功能將潛水器設(shè)備劃分到不同的系統(tǒng)，給每個(gè)設(shè)備建立唯一標(biāo)識(shí)的編碼以方便跟蹤，并在建立好整個(gè)設(shè)備及零部件架構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加備品備件清點(diǎn)功能，通過運(yùn)維平臺(tái)上的日常拆檢維護(hù)模塊，能以快速而簡(jiǎn)便的方式跟蹤、記錄設(shè)備全壽命運(yùn)維信息，滿足日常備航工作。

正在維修升級(jí)中的“蛟龍”號(hào)

結(jié)語:地球這顆藍(lán)色星球，生命正是從海洋當(dāng)中誕生。16世紀(jì)的“地理大發(fā)現(xiàn)”，使得人類可以從海洋表面探索整個(gè)地球，而到今天，可以向海洋深處進(jìn)發(fā)，縱向探索地球演化和人類未知的奧秘。有“蛟龍”、“深海勇士”、“奮斗者”等的向深海進(jìn)發(fā)的成功，這一次，中國不再缺席！