如何下潛海底一萬米_政務_澎湃新聞-The Paper

以下文章來源於回形針PaperClip ，作者吳松磊/甘立

回形針PaperClip

你的當代生活說明書。

點擊播放

1872 年 12 月，英國的「挑戰者」號開始了為期 1606 天的科考。在長達 12.7 萬公裡的航程中，挑戰者號完成了 492 次深度測量，發現了 4700 種新的海洋生物。

1875 年 3 月 ，挑戰者號航行到西太平洋的馬裡亞納群島，開始第 363 次深度測量。通過下沉系有重物的繩索，研究人員發現此處的深度超過 8000 m，比繩索的極限長度還要深。在根據這次科考成果繪製的《大洋深度圖》中，這裡被命名為「挑戰者深淵」。

現在我們知道，這個在 4500 萬年前大陸和海洋板塊擠壓、俯衝形成的海溝，是這個地球上已知的，人類可以到達的最深處——10984 米。

過去 100 年，探索欲讓人類登上月球、丈量珠峰，也下潛到海洋最深處。但直到 2020 年 5 月，也只有三艘載人潛水器成功到達挑戰者深淵。

2020 年 11 月 10 日，中國製造的載人潛水器奮鬥者號將在馬裡亞納海溝開始萬米深潛項目，它也將成為中國歷史上第一艘成功下潛到挑戰者深淵的載人潛水器。

為了下潛一萬米，我們需要做什麼？

讓我們先仔細看看這三艘成功的載人潛水器——的裡雅斯特、深海挑戰者、極限因子。

它們雖然看起來不太一樣，但原理非常類似。都是通過控制潛水器的整體密度來實現下潛和上浮。

以「深海挑戰者」號為例。它的底部裝有兩塊 243 kg 的壓載鐵塊，連同潛器內部 180 kg 的鐵砂，共同讓密度大於海水。再通過電磁鐵控制鐵砂傾倒 ，就能調節下潛速度。

當潛水器到達底部，計劃上浮時，直接拋掉這兩塊鐵塊，就能瞬間獲得 486 kg 等大的上浮力。由於「深海挑戰者」大量使用了耐壓複合泡沫塑料，密度只有水的 0.7 倍，在沒有鐵塊鐵砂的情況下，可以快速上浮。

而實現載人的關鍵則在於這些球形的駕駛艙，作為最對稱的三維形狀，球形載人艙在各方向受力均勻，不容易出現應力集中，造成局部損壞。

相比其他區域，載人駕駛艙承受的壓力要大的多。

這是因為潛水器是內外連通的，下潛後內部浸滿了海水，電池等避免進水的地方也提前灌注了矽油，並用殼罩住。海水通過保護殼間接擠壓著不易壓縮的液體，最終內外壓強達到平衡，內部也近乎達到了深海高壓狀態。

而載人球艙裡都是空氣，為了人類的生存環境，還要保證 1 個大氣壓，空氣的可壓縮性讓外殼承擔了全部抗壓重任。

那海底一萬米的壓力到底有多大？

我們都知道，壓強等於壓力除以面積。在深海，我們受到的壓力就是水的重力，而水的質量是密度乘體積，用公式表示就是這樣。

密度和重力加速度都是近似不變的常數，最終決定壓強的，就是這個 h ——海水深度。

如果在 10000 米的深海，那麼這個球每一個點上的的壓強都是 100.6 MPa，也就是每平方米 1 萬噸的壓力。

而只需要 10 米的水深壓力，就可以瞬間壓垮一輛這樣的空油罐車。

衡量材料抗壓程度的參數叫屈服應力。應力 σ 是材料內部單位面積上的受力，我們作為縱坐標，應變 ε 是材料局部的相對形變量，我們作為橫坐標。

通常來說，應力越大，材料的變形就越大。而應力達到一個閾值時，應變會瞬間增大，讓材料發生不可逆的形變，稱為屈服。

比如這樣、這樣、或者這樣。

這個點，就是屈服點。此時的應力，就是屈服應力。所以，屈服應力越高，材料的抗壓性就越好。比如黃金的屈服應力是 205 MPa，超過這個壓強，黃金就垮了。

那海底一萬米球艙材料的屈服應力應該至少大於多少呢？

我們可以簡化模型，大概算算。把球殼一分為二，就可以看到截面上的應力應該等於受力除以接觸面積，用公式表示就是壓強乘截面除以接觸面。

根據這份潛水器入級規範中的公式，我們可以猜測中國載人潛水器「奮鬥者」號如果下潛一萬米，球艙材料需要的屈服應力可能在 800 MPa 以上。

需要說明的是，這只是一個簡化後的薄殼計算模型，耐壓艙還要預留人員出入口、觀察窗開孔，採用厚殼計算，結合實際情況要複雜得多，材料屈服應力要求也會更大。

除了被壓壞，球艙面臨的另一個風險是突然斷裂。

因為現實世界中，我們材料並不完美，製造過程中內部原子或分子排列並不均勻，它們產生的微小裂紋會在壓強持續增大的下潛過程中迅速擴展，引發宏觀斷裂。這種斷裂沒有徵兆，稱為脆性斷裂。

比如這樣、這樣、和這樣。

這是我們就需要考慮材料對斷裂的抵抗能力——斷裂韌性 K。K 越大，材料在微小形變和斷裂過程中吸收能量的能力就越大，發生脆性斷裂的可能性就越小。

在這張圖中，我們把屈服應力作為橫坐標，斷裂韌性作為縱坐標，右上角的區域裡就是高強高韌的金屬材料，如果再考慮海水腐蝕，鈦合金就是潛水器球艙的最佳選擇。

在這篇中國船舶七二五所的論文中，蛟龍號球艙使用的這種鈦合金材料，理論屈服應力達到了 820 MPa，約 40 mm 厚對應的 I 型斷裂韌性 K 達到了 88.4 MPa·m^1/2。

而奮鬥者號也在此基礎上使用了中國自主研發的全新高強高韌鈦合金，足以應對深海的高壓和衝擊。

聽起來是不是挺簡單的？當然沒那麼簡單。

搞定材料只是一個開始，想要成功下潛一萬米，還需要極其精密的製造、冷彎、焊接，保證球艙的可靠性。此外，還需要解決操控、供氧、電池、照明、影像、自動巡航、水聲通信等一系列問題，最後才是總裝聯調、水池功能性試驗和海洋試驗。

所以，這一切有什麼意義？

從蛟龍號、深海勇士號，再到奮鬥者號，幾十個機構上千名科研人員十幾年的辛勤工作讓我們終於有機會把人送到海底一萬米，而這當然不僅僅是對自然邊界的探索，更是對合金材料、對水聲通信、對精密加工等底層技術的探索。

而這一切的前提，是一個足夠激動人心的目標，進而激發出強大的創新精神，堅定的執行力，以及長期持續的資源投入。

這就是把人送到深海一萬米的意義。

看官可有什麼想與國曉薇分享的？

投個稿告訴我吧~

原標題：《如何下潛海底一萬米》

閱讀原文