「装备技术」国外深潜器浮力材料研究

深海装备材料技术是深海装备不断跨越的技术先导,是人类进行深海探索必须首先解决的关键问题。随着各国深海探索的不断深入,深海空间站、深海潜器等装备设施对相关材料,包括各种结构材料、线缆、先进浮力材料、密封材料等等的要求也在逐步提高,这种要求反过来也促进了深海材料的不断发展。

一、典型深潜器耐压壳体材料

耐压壳体是深海装备中其不可或缺的重要组成部分,它不仅是载人装备上唯一能保护人员安全的装置,也是各种潜器中电子设备及相机等正常工作所必须的“防护罩”。深海装备在海底作业时不仅仅需要抵抗海水腐蚀及应力腐蚀,还必须承受变载荷对结构的考验及深海环境的高压强(在6500m深处压强约为680MPa);此外,对于长时间在海洋环境中作业的深海空间站及深海潜艇而言,海洋生物腐蚀也是其必须考虑的问题。因而优异的抗腐蚀性能和高的强度/重量比是耐压壳体材料所必须满足的首要条件。

1.美国“海神”号

美国“海神”号深潜器可潜11000m全海深的潜器,耐压壳体的材料选用氧化铝陶瓷。“海神”号有大小两种耐压壳,均采用氧化铝陶瓷/钛合金建造。其中,氧化铝陶瓷占96%,是壳体的主要构成材料,钛合金环起到连接两个陶瓷壳体分段的作用(在使用时采用高强度的环氧胶粘合到陶瓷上),具体如下图所示。陶瓷壳体分段主要有两种形式,一种为两端开口的圆柱体形,另一种则是一端开口另一端为半球形状。由于制造的限制,氧化铝陶瓷分段的长度限制在0.5m以内,因而采用两种形式的陶瓷壳体分段进行连接以增加长度。在耐压壳尾端处均采用球形的钛合金壳体,以便接入电线和光纤,安装气体吹除口。

安装到“海神”号上的耐压壳主壳体

2.日本“深海6500”载人深潜器

日本“深海6500”载人潜器下潜深度可达6500m,耐压壳体为球形,采用钛合金(Ti-6Al4V-ELI)建造,内径2m,壳厚73.5mm,舱内能容纳两名操作员及一名研究人员。

“深海6500”载人深潜器

3.俄罗斯“和平”号载人深潜器

俄罗斯是当前采用钢作为载人深海潜器耐压壳材料的唯一国家,其两艘“和平”号载人深潜器最大潜深均为6000m。该型潜器长约7.8m,宽约3.6m,高为3m,重量为18.6吨;耐压壳球体内径为2.1m,壁厚50mm,可容纳1名操作员及2名观察员。该球体采用超硬马氏体时效钢合金建造,这种合金含有30%的钴,此外还含有镍、铬、钛等合金元素,其强度/重量比要比钛合金高10%。球体是用铸造和机加工获得的半球体经过螺栓连接而成的,这样避免了焊接接头。该球体的密度与水的密度相近,使得该型潜器能够在不同的深度更灵活地移动。

二、典型型号浮力材料

高强度固体浮力材料是发展现代深潜技术的重要组成部分,对保证潜器尤其是大潜深潜器所必须的浮力,提高潜器的有效载荷,减少其外型尺寸,提高潜器水下安全运动性能具有重要作用。好的固体浮力材料必须同时具备耐压强度高、密度小、吸水率低的特性。目前在深海装备上使用的高强度固体浮力材料主要为低密度、高强度的多孔结构材料,属复合材料的范畴。国外无人潜器及有人潜器装备中潜深最大的分别为美国的“海神”号无人潜器和日本的“深海6500”载人潜器,其浮力材料的选用具有很强的代表性。

1.美国“海神”号

美国“海神”号上的浮力主要由1670个小的无缝陶瓷浮力球提供,它们提供的储备浮力为45kg。陶瓷浮力球之所以能够作为浮力材料是因为它具备非常低的重量/排水量比。在“海神”号上使用的浮力球外径为91mm,所用材料为99.9%氧化铝陶瓷。每个小球重140g,海水中排水量为404g,重量/排水量比为0.35,在试验中它可承受210MPa左右的外部压力。每个小球的外面都包覆有5mm厚的聚氯乙烯(PVC)材料来提供抗冲击防护,此外这层“外衣”还能提供19g的净浮力。每个小球在11000m深处能产生的浮力是306g。

潜器的主要浮力结构包括1472个上述浮力球,它们都装在由聚丙烯浮力模块形成的纵向管子中,安装在潜器壳体的上部,仅仅是这些小球就能产生417kg的净浮力。浮力模块由25mm厚的聚丙烯板构成,采用铝质连杆连接。这些板竖立摆放,板上有圆形孔,当许多板合在一起时圆孔形成管道,浮力球装在管道中,如下图所示。潜器主结构上的聚丙烯浮力结构总重为690kg,排水量为778kg,这样就产生了88kg的净浮力。下图浮力结构中浮力球及聚丙烯结构所产生的浮力总共为505kg。由于水的可压缩性要强于浮力球及浮力模块,因而在11000m深处,这些浮力材料所产生的浮力可达到573kg。

“海神”号其中一个船体上所用的浮力球及主浮力结构

装上浮力球的主浮力结构

2.日本“深海6500”载人深潜器

日本的“深海6500”载人潜器在浮力材料上选用了复合泡沫塑料,其比重仅为0.54。该浮力材料是将两种不同大小的中空玻璃微球(小球的直径大约为40~44μm之间,大的中空微球的直径约为88~105μm之间)添加到高强度的环氧树脂中得到的,因而在实现高强度的同时获得了较理想的比重。