10909米！一个合格万米载人舱的“自我修养 ”

仙仙 · 发表于 2021-12-9 12:07:23

万米海底不仅有很多待解之谜，更有巨大的压力。据介绍，万米海底的水压超过110MPa，相当于2000头非洲象踩在一个成年人的背上，可以说是威力巨大，无坚不摧。面对如此巨大的压力，载人球舱要具备什么样的自我修养，才能不被压力“压垮”呢？中央广播电视总台与科普短视频团队——回形针，联合制作了一条短片，为我们进行解读。

衡量材料抗压程度的参数叫屈服应力。应力σ（stress）是材料内部单位面积上的受力，我们作为纵坐标，应变ε（strain）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：

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205MPa，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深潜器“奋斗者”号如果下潜1万米，球舱材料需要的屈服应力可能在800MPa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：

这时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820MPa，约40mm厚对应的Ⅰ型断裂韧性K达到了88.4MPa的二分之一次方米。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1万米，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。

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