热点关注·“泰坦”号潜水器内爆，碳纤维应该成为这个内爆的“背锅侠”吗
本文摘要：（由ai生成）
OceanGate公司的“泰坦”号潜水器在首次商业化载人下潜中失联，5人遇难。调查初步认为，复合材料船体失效是内爆的主要原因。OceanGate曾因质量问题与前员工发生纠 纷。目前，关于船体评估、健康监测系统可靠性及固化工艺安全性等问题，官方仍在调查中。
“开启一生难忘的海底冒险之旅”
这是OceanGate官网的宣传标语，也是OceanGate创始人兼首席执行官斯托克顿·拉什毕生追求的梦想。
图片左侧为OceanGate创始人兼首席执行官斯托克顿·拉什
2023年6月18日，“泰坦”号潜水器进行了首次商业化载人下潜，在下降1小时45分钟之后失联，最后一次发现是在3800米深处，随后美国和加拿大的海岸警卫队以及相关部门开始展开搜索，但由于位置偏远，以及天气情况、夜间光线等不确定因素，导致搜救十分困难。
尽管艰难，但大家都相对乐观，因为在之前的测试和巡回潜水中曾多次发生失去联系的情况，但都是有惊无险。
但随着美国海岸警卫的官方确认，“泰坦”号潜水器在泰坦尼克号残骸附近约1600英尺（487.68米）发生内爆，船上五人全部遇，这也是投资公司Action Group的创始人Hamish Harding、法国海事专家Paul Henry Nargeolet等5人的最后一次冒险之旅。
OceanGate是一家位于华盛顿州埃弗里特的美国私营公司，为旅游、工业、研究和勘探提供载人潜水器。该公司由Stockton Rush（本次事故中丧生）和Guillermo Söhnlein于 2009 年创立。
2021年，OceanGate开始带领付费游客乘坐“泰坦”号潜水器参观泰坦尼克号残骸，价格为25万美元。
从“泰坦”号上拍摄的泰坦尼克号残骸
“泰坦”号潜水器是OceanGate团队设计和建造的第二艘潜水器，预计最大深度为 4000 米（而泰坦尼克号残骸的深度约为3800米），其尺寸为6.7米×2.8米×2.5米，重9525公斤，最大有效载荷为685公斤。
它使用四个电动推进器，最高速度5.6公里/小时，推进器两个水平排列，两个垂直排列，该船携带的氧气足以维持5人96小时的生活。“泰坦”号潜水器是从类似“发射和回收平台”的干船坞发射和回收的，可以拖在商船后面。
一旦平台和潜水器到达目标位置，平台的浮选罐就会被淹没，并沉入表面湍流9m以下的深度。
然后潜水器升空执行水下任务。当潜水器返回平台时，浮选罐被抽出，平台可以被拖回或带上主船。这使得OceanGate可以使用没有人工起重机的船只。该平台长约11m，宽 4.6m，最多可举升 9100 公斤。
“泰坦”号潜水器有复合材料船体和两个钛合金的口盖组成，其主要结构包括：
- 圆柱形复合材料船体，可容纳五名成人（一名飞行员和四名乘客）；
- 两个独立的钛金属半球形圆顶，前一个具有集成的380毫米直径丙烯酸视口；
- 玻璃纤维复合外壳，用螺栓固定在钛接口盖上的法兰上（必须外部人员才能打开口盖）；
这是第一艘完工的载人潜水器，其船体由钛合金和碳纤维复合材料制成，由于金属结构的设计、连接、密封较为成熟，目前大多数载人潜水器均采用全金属压力容器设计。
为啥最终选用碳纤维复合材料
由于金属船体在超过2000m深度的设计中不具有自主浮力，因此在控制潜水器上升和下降压载水时面临挑战。特别是，金属船体船舶需要使用安装在船舶外部的复合泡沫来实现中性浮力。因此，对于“泰坦”号潜水器，OceanGate团队决定完全弃用金属船体。由于OceanGate团队并不具备复合材料相关的设计与制造经验，团队开始寻找可以帮助其开发复合材料船体的制造商，最终同复合材料制造商Spencer Composites公司（设计了世界第一个DeepFlight Challenger号圆柱形碳纤维/环氧树脂复合材料船体，壁厚 6 英寸约15.2mm）签署开发合同。材料选择
Spencer Composites公司选用的碳纤维是标准模量Grafil 37-800（30K丝束），由三菱化学碳纤维复合材料公司提供。预浸料由Newport Composites公司提供，湿法缠绕的环氧树脂是来自Hexion Inc的 Epon Resin 682，固化剂是 Lindride LS-81K，来自Lindau Chemicals Inc. cals公司。工艺选择
Spencer Composites公司选择了一种铺层策略，将预浸料碳纤维/环氧树脂单向织物沿轴向交替铺放，与碳纤维/环氧树脂沿环向湿法缠绕相结合，总共480层（12.7mm）。铺叠和缠绕完成后，放入真空袋中固化，然后在137°C的烘箱中固化7天，Spencer Composites公司初步评估表明，其孔隙率<1%，然后圆柱体进行后续机械加工，将其切割成一定长度，将端部弄直并将其粘合到钛端盖上。
“泰坦”号潜水器发生问题导致艇毁人亡的三个故障点，复合材料船体、钛合金端盖和丙烯酸可视口。OceanGate团队也考虑到了，在钛合金端盖上设有应变计，监测端盖的应变状态，端盖的最大轴向端盖负载将高达10000吨；由于视口是丙烯酸树脂，因此在结构失效之前很久就会出现光学失效，机组人员将通过视觉发现问题，使潜水器能够移动到更浅、更安全的水域。而对于最核心的复合材料船体，OceanGate团队设计了一个实时健康监测系统，该系统将以声学方式监测复合材料船体，向飞行员发出潜在故障风险信号的脉冲声和爆裂声。为此， OceanGate公司还申请了相关专利（ US11119071B1）。
通过声波探测碳纤维复合材料结构在极端条件，例如在高压条件、高温或低温条件、复合结构受到机械冲击的条件中使用，实时评估或验证材料以及结构的“健康”，确定警报条件，预测故障条件等。根据美国海岸警卫队的搜寻确认，内爆碎片大体分为5块，船体主体已经被发现，而问题恰恰便出现在复合材料船体上。扒一扒OceanGate的历史
翻看OceanGate公司官网介绍，“泰坦”号潜水器是该公司与NASA、波音公司和华盛顿大学的专家合作设计和制造。
“泰坦”号潜水器内爆后，NASA、波音公司和华盛顿大学先后撇清关系：- 华盛顿大学应用物理实验室表示其没有参与“泰坦”号潜水器的设计与测试；
- 美国NASA马歇尔太空飞行中心表示，虽然与OceanGate公司签署了太空法案协议，但没有使用其相关人员和设施进行测试和制造。
“泰坦”号潜水器问题频发
OceanGate公司海洋运营总监David Lochridge在泰坦号从工程阶段移交给运营阶段时对其进行了检查，并于2018年1月份，提交了一份质量控制报告，他表示复合材料船体没有进行无损检测，以检查是否有孔隙和分层，这可能会损害船体的强度，他拒绝在没有通过无损检测的情况下进行载人测试。随后，David Lochridge被解除职务，同年6月，OceanGate对Lochridge提起 诉讼，指控他不当分享专有商业秘密，并欺诈性地制造解雇他的理由。而该诉讼于2018年11月达成和解。2019年，“泰坦”号潜水器进行了最大预定深度的潜水测试后，复合材料船体出现了疲劳损坏迹象，并于2021年进行了复合材料船体的更换。但是是否经过重新评估却不得而知，这可能是其内爆的最大安全隐患。目前潜水器船体大都是由钢或者钛这样的连续金属材料制成，这是业内公认的标准，复合材料不同于金属，其成型过程以及失效模式都更为复杂，航空结构的积木实验按照试件尺寸和试验规模、环境复杂程度逐级增加、数量逐级减少、后一级利用前一级结果进行试验与分析相结合的低技术风险、低费用复合材料结构设计研制和验证技术，铺缠工艺的开发能够很好的解决碳纤维复合材料的性能、效率和成本问题，但是纤维材料的离散性、铺缠工艺的稳定性、一致性是否经过充分的评估。OceanGate复合材料船体设有健康监测系统，在整个潜水过程中不断检测船只的完整性，通过声学传感器和应变片来“分析潜水器下潜时的压力变化对船只的影响并准确评估结构的完整性”，局部的评估能否代表整个复合材料船体，复合材料不同于金属，并没有没有明显的屈服阶段的探测区间，船体施加压力之前无法发现任何缺陷，发现缺陷往往已经是不可挽回，而内爆是几毫秒瞬间发生，即便结构没有失效，潜水器也只能通过上浮到水面才能获得救援，因为内部人员无法打开端盖，这也存在着巨大的风险。大厚度复合材料的非热压罐一次固化，如何保证压力的均匀性、低的孔隙率以及分层风险。检测过程的缺失或者不完善将会产生巨大风险，潜水器的设计不同于传统的高压氢气瓶，前者主要承受外压，而后者主要承受内压，碳纤维的特点明显更适合于后者（纤维主要承受拉力），不同的受力方式决定了不同的失效模式，在反复上升和下潜的过程中，内部缺陷如何演化，对潜水器的疲劳寿命是否存在影响，碳纤维船体发生屈曲失稳或结构失效前如何更好的评估，这需要大量的实验验证，以消除潜在风险。
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声明：以上仅是作者的个人观点。
来源：复合材料加工与制造
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