2020-11-11 09:00

如何下潜海底一万米?

#5分钟科普

1872 年 12 月,英国的「挑战者」号开始了为期 1606 天的科考。在长达 12.7 万公里的航程中,挑战者号完成了 492 次深度测量,发现了 4700 种新的海洋生物。



1875 年 3 月 ,挑战者号航行到西太平洋的马里亚纳群岛,开始第 363 次深度测量。通过下沉系有重物的绳索,研究人员发现此处的深度超过 8000 m,比绳索的极限长度还要深。在根据这次科考成果绘制的《大洋深度图》中,这里被命名为「挑战者深渊」。



现在我们知道,这个在 4500 万年前大陆和海洋板块挤压、俯冲形成的海沟,是这个地球上已知的,人类可以到达的最深处——10984 米。



过去 100 年,探索欲让人类登上月球、丈量珠峰,也下潜到海洋最深处。但直到 2020 年 5 月,也只有三艘载人潜水器成功到达挑战者深渊。


2020 年 11 月 10 日,中国制造的载人潜水器奋斗者号将在马里亚纳海沟开始万米深潜项目,它也将成为中国历史上第一艘成功下潜到挑战者深渊的载人潜水器。



为了下潜一万米,我们需要做什么?


让我们先仔细看看这三艘成功的载人潜水器——的里雅斯特、深海挑战者、极限因子。



它们虽然看起来不太一样,但原理非常类似。都是通过控制潜水器的整体密度来实现下潜和上浮。



以「深海挑战者」号为例。它的底部装有两块 243 kg 的压载铁块,连同潜器内部 180 kg 的铁砂,共同让密度大于海水。再通过电磁铁控制铁砂倾倒 ,就能调节下潜速度。



当潜水器到达底部,计划上浮时,直接抛掉这两块铁块,就能瞬间获得 486 kg 等大的上浮力。由于「深海挑战者」大量使用了耐压复合泡沫塑料,密度只有水的 0.7 倍,在没有铁块铁砂的情况下,可以快速上浮。



而实现载人的关键则在于这些球形的驾驶舱,作为最对称的三维形状,球形载人舱在各方向受力均匀,不容易出现应力集中,造成局部损坏。


相比其他区域,载人驾驶舱承受的压力要大的多。



这是因为潜水器是内外连通的,下潜后内部浸满了海水,电池等避免进水的地方也提前灌注了硅油,并用壳罩住。海水通过保护壳间接挤压着不易压缩的液体,最终内外压强达到平衡,内部也近乎达到了深海高压状态。



而载人球舱里都是空气,为了人类的生存环境,还要保证 1 个大气压,空气的可压缩性让外壳承担了全部抗压重任。


那海底一万米的压力到底有多大? 我们都知道,压强等于压力除以面积。在深海,我们受到的压力就是水的重力,而水的质量是密度乘体积,用公式表示就是这样。



密度和重力加速度都是近似不变的常数,最终决定压强的,就是这个 h ——海水深度。


如果在 10000 米的深海,那么这个球每一个点上的的压强都是 100.6 MPa,也就是每平方米 1 万吨的压力。



而只需要 10 米的水深压力,就可以瞬间压垮一辆这样的空油罐车。


衡量材料抗压程度的参数叫屈服应力。应力 σ 是材料内部单位面积上的受力,我们作为纵坐标,应变 ε 是材料局部的相对形变量,我们作为横坐标。



通常来说,应力越大,材料的变形就越大。而应力达到一个阈值时,应变会瞬间增大,让材料发生不可逆的形变,称为屈服。


比如这样、这样、或者这样。



这个点,就是屈服点。此时的应力,就是屈服应力。所以,屈服应力越高,材料的抗压性就越好。比如黄金的屈服应力是 205 MPa,超过这个压强,黄金就垮了。



那海底一万米球舱材料的屈服应力应该至少大于多少呢?


我们可以简化模型,大概算算。把球壳一分为二,就可以看到截面上的应力应该等于受力除以接触面积,用公式表示就是压强乘截面除以接触面。



根据这份潜水器入级规范中的公式,我们可以猜测中国载人潜水器「奋斗者」号如果下潜一万米,球舱材料需要的屈服应力可能在 800 MPa 以上。



需要说明的是,这只是一个简化后的薄壳计算模型,耐压舱还要预留人员出入口、观察窗开孔,采用厚壳计算,结合实际情况要复杂得多,材料屈服应力要求也会更大。



除了被压坏,球舱面临的另一个风险是突然断裂。


因为现实世界中,我们材料并不完美,制造过程中内部原子或分子排列并不均匀,它们产生的微小裂纹会在压强持续增大的下潜过程中迅速扩展,引发宏观断裂。这种断裂没有征兆,称为脆性断裂。



比如这样、这样、和这样。



这是我们就需要考虑材料对断裂的抵抗能力——断裂韧性 K。K 越大,材料在微小形变和断裂过程中吸收能量的能力就越大,发生脆性断裂的可能性就越小。


在这张图中,我们把屈服应力作为横坐标,断裂韧性作为纵坐标,右上角的区域里就是高强高韧的金属材料,如果再考虑海水腐蚀,钛合金就是潜水器球舱的最佳选择。



在这篇中国船舶七二五所的论文中,蛟龙号球舱使用的这种钛合金材料,理论屈服应力达到了 820 MPa,约 40 mm 厚对应的 I 型断裂韧性 K 达到了 88.4 MPa·m^1/2。




而奋斗者号也在此基础上使用了中国自主研发的全新高强高韧钛合金,足以应对深海的高压和冲击。


听起来是不是挺简单的?当然没那么简单。


搞定材料只是一个开始,想要成功下潜一万米,还需要极其精密的制造、冷弯、焊接,保证球舱的可靠性。此外,还需要解决操控、供氧、电池、照明、影像、自动巡航、水声通信等一系列问题,最后才是总装联调、水池功能性试验和海洋试验。



所以,这一切有什么意义?


从蛟龙号、深海勇士号,再到奋斗者号,几十个机构上千名科研人员十几年的辛勤工作让我们终于有机会把人送到海底一万米,而这当然不仅仅是对自然边界的探索,更是对合金材料、对水声通信、对精密加工等底层技术的探索。



而这一切的前提,是一个足够激动人心的目标,进而激发出强大的创新精神,坚定的执行力,以及长期持续的资源投入。


这就是把人送到深海一万米的意义。

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