{首页主词},&

國外深潛器浮力材料研究

2018-03-26 09:45:21 作者：本網發布來源：藍海星智庫分享至：

　　深海裝備材料技術是深海裝備不斷跨越的技術先導，是人類進行深海探索必須首先解決的關鍵問題。隨著各國深海探索的不斷深入，深海空間站、深海潛器等裝備設施對相關材料，包括各種結構材料、線纜、先進浮力材料、密封材料等等的要求也在逐步提高，這種要求反過來也促進了深海材料的不斷發展。

　　一、典型深潛器耐壓殼體材料

　　耐壓殼體是深海裝備中其不可或缺的重要組成部分，它不僅是載人裝備上唯一能保護人員安全的裝置，也是各種潛器中電子設備及相機等正常工作所必須的“防護罩”。深海裝備在海底作業時不僅僅需要抵抗海水腐蝕及應力腐蝕，還必須承受變載荷對結構的考驗及深海環境的高壓強（在6500m深處壓強約為680MPa）；此外，對于長時間在海洋環境中作業的深海空間站及深海潛艇而言，海洋生物腐蝕也是其必須考慮的問題。因而優異的抗腐蝕性能和高的強度/重量比是耐壓殼體材料所必須滿足的首要條件。

　　1.美國“海神”號

　　美國“海神”號深潛器可潛11000m全海深的潛器，耐壓殼體的材料選用氧化鋁陶瓷。“海神”號有大小兩種耐壓殼，均采用氧化鋁陶瓷/鈦合金建造。其中，氧化鋁陶瓷占96%，是殼體的主要構成材料，鈦合金環起到連接兩個陶瓷殼體分段的作用（在使用時采用高強度的環氧膠粘合到陶瓷上），具體如下圖所示。陶瓷殼體分段主要有兩種形式，一種為兩端開口的圓柱體形，另一種則是一端開口另一端為半球形狀。由于制造的限制，氧化鋁陶瓷分段的長度限制在0.5m以內，因而采用兩種形式的陶瓷殼體分段進行連接以增加長度。在耐壓殼尾端處均采用球形的鈦合金殼體，以便接入電線和光纖，安裝氣體吹除口。

安裝到“海神”號上的耐壓殼主殼體

　　2.日本“深海6500”載人深潛器

　　日本“深海6500”載人潛器下潛深度可達6500m，耐壓殼體為球形，采用鈦合金（Ti-6Al4V-ELI）建造，內徑2m，殼厚73.5mm，艙內能容納兩名操作員及一名研究人員。

“深海6500”載人深潛器

　　3.俄羅斯“和平”號載人深潛器

　　俄羅斯是當前采用鋼作為載人深海潛器耐壓殼材料的唯一國家，其兩艘“和平”號載人深潛器最大潛深均為6000m。該型潛器長約7.8m，寬約3.6m，高為3m，重量為18.6噸；耐壓殼球體內徑為2.1m，壁厚50mm，可容納1名操作員及2名觀察員。該球體采用超硬馬氏體時效鋼合金建造，這種合金含有30%的鈷，此外還含有鎳、鉻、鈦等合金元素，其強度/重量比要比鈦合金高10%。球體是用鑄造和機加工獲得的半球體經過螺栓連接而成的，這樣避免了焊接接頭。該球體的密度與水的密度相近，使得該型潛器能夠在不同的深度更靈活地移動。

　　二、典型型號浮力材料

　　高強度固體浮力材料是發展現代深潛技術的重要組成部分，對保證潛器尤其是大潛深潛器所必須的浮力，提高潛器的有效載荷，減少其外型尺寸，提高潛器水下安全運動性能具有重要作用。好的固體浮力材料必須同時具備耐壓強度高、密度小、吸水率低的特性。目前在深海裝備上使用的高強度固體浮力材料主要為低密度、高強度的多孔結構材料，屬復合材料的范疇。國外無人潛器及有人潛器裝備中潛深最大的分別為美國的“海神”號無人潛器和日本的“深海6500”載人潛器，其浮力材料的選用具有很強的代表性。

　　1.美國“海神”號

　　美國“海神”號上的浮力主要由1670個小的無縫陶瓷浮力球提供，它們提供的儲備浮力為45kg。陶瓷浮力球之所以能夠作為浮力材料是因為它具備非常低的重量/排水量比。在“海神”號上使用的浮力球外徑為91mm，所用材料為99.9%氧化鋁陶瓷。每個小球重140g，海水中排水量為404g，重量/排水量比為0.35，在試驗中它可承受210MPa左右的外部壓力。每個小球的外面都包覆有5mm厚的聚氯乙烯（PVC）材料來提供抗沖擊防護，此外這層“外衣”還能提供19g的凈浮力。每個小球在11000m深處能產生的浮力是306g。

　　潛器的主要浮力結構包括1472個上述浮力球，它們都裝在由聚丙烯浮力模塊形成的縱向管子中，安裝在潛器殼體的上部，僅僅是這些小球就能產生417kg的凈浮力。浮力模塊由25mm厚的聚丙烯板構成，采用鋁質連桿連接。這些板豎立擺放，板上有圓形孔，當許多板合在一起時圓孔形成管道，浮力球裝在管道中，如下圖所示。潛器主結構上的聚丙烯浮力結構總重為690kg，排水量為778kg，這樣就產生了88kg的凈浮力。下圖浮力結構中浮力球及聚丙烯結構所產生的浮力總共為505kg。由于水的可壓縮性要強于浮力球及浮力模塊，因而在11000m深處，這些浮力材料所產生的浮力可達到573kg。