万米水压，国产载人深潜器“金钟罩”是怎样练成的？
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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器设计问题和安全性的广泛讨论。“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。我国载人深潜器万米深潜作业次数和下潜人数居世界首位，是如何为海洋科技工作者们守住安全“壁垒”，这些深海极限装备又面临哪些挑战？
即将下潜的“深海勇士”，图源：三亚日报
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。
泰坦载人深潜器海下作业
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。
内爆示意图
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。载人深潜器框架制造是整个项目重要的一环。
包括我国深潜器在内的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。而从绘图板到最终走下生产线，深海潜水器的设计复杂程度也在水涨船高。
“蛟龙”号结构示意图
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。比如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，一举攻克焊接缺陷、焊接变形超差难关。而为了便于在框架加工中确保焊缝质量、不遗漏一处，在最终设计中又将原来的封闭型材改为刚性和抗扭性能较好的工字型材，最终实现工艺性与性能的平衡。
国产载人深潜器载体结构框架示意图
三、潜入万里的“小球”，实在“钛酷辣”
作为决定潜水器潜深和容重比等关键指标的核心部件，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，如纤维增强复合材料等展现出巨大的应有前景，包括我国近年来研制的无人深潜设备也开始采用，“泰坦”深潜器的船体就是由碳纤维材料制造而成的，虽然比传统的钛合金轻便了不少，在庞大的海底压力下面临着严峻的挑战。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。
“奋斗者”号载人深潜器钛合金耐压壳
尽管我国是排在世界前列的产钛大国，年产超过400万吨，但钛合金热处理复杂、焊接工艺难度极高，深潜器的零件制造、冷弯、焊接，精密加工等等，我国第一艘大深度潜水器“蛟龙”号所采用的钛合金耐压壳为俄罗斯制造。“奋斗者”号钛合金载人舱上有一道焊缝，我国科研人员花了近九个月的时间不断验证、打磨工艺才得以最终达标。
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，首次使用了自主研制的Ti80钛合金材料。在长达五年的研制过程中，先后制备出1/4球壳、半球壳，并对球壳如解剖麻雀般进一步研究。并在掌握焊接、无损探测等关键技术的基础上，对耐压壳成型上采取两条腿走路、一次性生产了三个耐压壳体：创造性的瓜瓣焊接方法，先用厚板分瓣冲压成型，然后分瓣组装、焊接成整球出厂；另一种使用窄间隙手工焊/电子束焊接半球体而成。
正在生产的国产载人深潜器钛合金耐压壳1：4模型
为验证耐压壳安全性、确保万无一失，国内许多型号的深海潜水器都对载人舱进行1:4 缩比结构进行压力筒静水压力测试，测得缩比结构压力过程中的应力、体积收缩率与极限载荷。多项技术工艺的加持也最终为国产载人深海潜水器在数百次挑战海上作业的效率上限提供底气。
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，总会多次经历潜浮工作，每次任务的下潜深度和水下作业时间不尽相同；钛合金结构的失效有70%是因疲劳断裂引起，而潜水器特殊的工作模式使它的耐压壳体反复经历加载—保载—卸载，壳体容易出现疲劳裂纹等隐患。除此外，还有大量非耐压设备在壳体外的恶劣环境下持续工作，也需要不断对其进行检修。
潜水器的例常检修作业
潜水器的维护工作，可分为2种状态，分别是重复性检查维护工作和故障性检查维护工作。
对于重复性检查维护工作，一方面使用与维护单位会通过金相法、超声探测等手段检查包括耐压壳等结构件的疲劳情况、及时发现连接件、肋骨等固定结构的缺陷隐患，评估损伤程度是否允许继续下潜，并在检修过程中对一些可拆卸设备与构件进行调整，优化载体结构；
另一方面通过““蛟龙”号、“深海勇士”号等实际使用经验，建立了一套，钛合金保载—疲劳载荷谱与裂纹预报机制并通过缩短海面漂浮时间、改进下潜作业时机等方式改善环境对潜水器产生的载荷影响。因设备故障而引起的检查维护工作，通常会涉及到备件更换、故障原因查询。
为了满足日常特别是在航期间的维护，无论是“蛟龙”号、“深海勇士”号还是“奋斗者”号，都根据服役时间、运维机制、用户单位的差异化特征，各自建立一套专属的载人潜水器设备及零部件信息库，根据系统功能将潜水器设备划分到不同的系统，给每个设备建立唯一标识的编码以方便跟踪，并在建立好整个设备及零部件架构的基础上，增加备品备件清点功能，通过运维平台上的日常拆检维护模块，能以快速而简便的方式跟踪、记录设备全寿命运维信息，满足日常备航工作。
正在维修升级中的“蛟龙”号
结语:地球这颗蓝色星球，生命正是从海洋当中诞生。16世纪的“地理大发现”，使得人类可以从海洋表面探索整个地球，而到今天，可以向海洋深处进发，纵向探索地球演化和人类未知的奥秘。有“蛟龙”、“深海勇士”、“奋斗者”等的向深海进发的成功，这一次，中国不再缺席！
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