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國外深潛器浮力材料研究

2018-03-26 09:45:21 作者：本網(wǎng)發(fā)布來源：藍(lán)海星智庫分享至：

　　深海裝備材料技術(shù)是深海裝備不斷跨越的技術(shù)先導(dǎo)，是人類進(jìn)行深海探索必須首先解決的關(guān)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(shè)施對相關(guān)材料，包括各種結(jié)構(gòu)材料、線纜、先進(jìn)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(jìn)了深海材料的不斷發(fā)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(hù)人員安全的裝置，也是各種潛器中電子設(shè)備及相機(jī)等正常工作所必須的“防護(hù)罩”。深海裝備在海底作業(yè)時(shí)不僅僅需要抵抗海水腐蝕及應(yīng)力腐蝕，還必須承受變載荷對結(jié)構(gòu)的考驗(yàn)及深海環(huán)境的高壓強(qiáng)（在6500m深處壓強(qiáng)約為680MPa）；此外，對于長時(shí)間在海洋環(huán)境中作業(yè)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(yōu)異的抗腐蝕性能和高的強(qiáng)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(gòu)成材料，鈦合金環(huán)起到連接兩個(gè)陶瓷殼體分段的作用（在使用時(shí)采用高強(qiáng)度的環(huán)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(nèi)，因而采用兩種形式的陶瓷殼體分段進(jìn)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(dá)6500m，耐壓殼體為球形，采用鈦合金（Ti-6Al4V-ELI）建造，內(nèi)徑2m，殼厚73.5mm，艙內(nèi)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(dāng)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(nèi)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(shí)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(qiáng)度/重量比要比鈦合金高10%。球體是用鑄造和機(jī)加工獲得的半球體經(jīng)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(qiáng)度固體浮力材料是發(fā)展現(xiàn)代深潛技術(shù)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(yùn)動性能具有重要作用。好的固體浮力材料必須同時(shí)具備耐壓強(qiáng)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(qiáng)度固體浮力材料主要為低密度、高強(qiáng)度的多孔結(jié)構(gòu)材料，屬復(fù)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(qiáng)的代表性。

　　1.美國“海神”號

　　美國“海神”號上的浮力主要由1670個(gè)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?yàn)樗邆浞浅５偷闹亓?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(gè)小球重140g，海水中排水量為404g，重量/排水量比為0.35，在試驗(yàn)中它可承受210MPa左右的外部壓力。每個(gè)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(hù)，此外這層“外衣”還能提供19g的凈浮力。每個(gè)小球在11000m深處能產(chǎn)生的浮力是306g。

　　潛器的主要浮力結(jié)構(gòu)包括1472個(gè)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(chǎn)生417kg的凈浮力。浮力模塊由25mm厚的聚丙烯板構(gòu)成，采用鋁質(zhì)連桿連接。這些板豎立擺放，板上有圓形孔，當(dāng)許多板合在一起時(shí)圓孔形成管道，浮力球裝在管道中，如下圖所示。潛器主結(jié)構(gòu)上的聚丙烯浮力結(jié)構(gòu)總重為690kg，排水量為778kg，這樣就產(chǎn)生了88kg的凈浮力。下圖浮力結(jié)構(gòu)中浮力球及聚丙烯結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的浮力總共為505kg。由于水的可壓縮性要強(qiáng)于浮力球及浮力模塊，因而在11000m深處，這些浮力材料所產(chǎn)生的浮力可達(dá)到573kg。

“海神”號其中一個(gè)船體上所用的浮力球及主浮力結(jié)構(gòu)

裝上浮力球的主浮力結(jié)構(gòu)

　　2.日本“深海6500”載人深潛器

　　日本的“深海6500”載人潛器在浮力材料上選用了復(fù)合泡沫塑料，其比重僅為0.54。該浮力材料是將兩種不同大小的中空玻璃微球（小球的直徑大約為40~44μm之間，大的中空微球的直徑約為88~105μm之間）添加到高強(qiáng)度的環(huán)氧樹脂中得到的，因而在實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的同時(shí)獲得了較理想的比重。

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責(zé)任編輯：王元