“泰坦”深潜器事故背后：警惕对新型高性能材料的过度神化
来源：中国航空新闻网 2023-06-29 09:26:44
6月18日，美国海门（OceanGate Expeditions）公司在开展对“泰坦尼克号”邮轮残骸的商业观光过程中，旗下一艘名为“泰坦”（Titan）的深潜器在下潜到3500米时失去联系。
“泰坦”深潜器
(资料图片仅供参考)
根据媒体报道，随后的救援和勘察工作显示，“泰坦”深潜器在巨大水压下发生了内爆事故，结构瞬间解体，搭载的5人全部死亡，其中包括斯托克顿·拉什，他是研发并运营该潜水器的“海门”公司首席执行官兼创始人。
在此次事故之前，该深潜器曾多次完成对“泰坦尼克号”残骸的观光。
盲目自信导致的破碎
01 堪称狂野的作品
美国海门（OceanGate）公司于2009年由斯托克顿·拉什（Stockton Rush）和吉列尔莫·索恩莱因（Guillermo Söhnlein）创立，位于美国华盛顿州埃弗利特，主业是提供载人潜水器相关服务。2021年，该公司开通搭乘泰坦深潜器参观“泰坦尼克号”残骸的业务，价格为每人25万美元。
为了便于制造，并获得更舒适的乘员空间，“泰坦”深潜器的耐压结构采用了圆柱设计。从压力容器设计的角度讲，圆形是最有利的受力外形：潜深大于800米的深潜器，通常在设计中应优先采用圆球或者多个球形组合的耐压壳体。
根据海门公司官方网站发布的信息，该深潜器的核心耐压壳体结构由两端的钛合金半球和接口环，以及内径1.42米、长2.4米、127毫米厚的热固化碳纤维复合材料筒体组成。事故发生前，该结构已经公开， 并饱受外界质疑。
在此次事故发生之前，尽管“泰坦”号深潜器已经多次完成对水下3800米的泰坦尼克号残骸观光，但该深潜器的安全性依然饱受质疑：在相当大程度上，这是因为它是深潜器领域中绝无仅有的“狂野之作”。
设计来源与关键材料来源不明
在宣传中，海门公司称“泰坦深潜器是在NASA、华盛顿大学、波音等机构和企业的合作下完成设计与试验的……其所使用的碳纤维复合材料原料，采购自波音的过期原料。”
但事故发生后，这些机构和企业都纷纷发表声明，表示未参与“泰坦”深潜器的设计、制造和相关验证工作，也未向海门公司出售碳纤维等原料。这意味着“泰坦”深潜器的设计方案和制造材料，都来源不明、缺乏有效保障。
蔑视设计规范和安全认证
在数次深潜作业中，“泰坦”深潜器也没有获得任何监管机构或者第三方组织的适航认证。
海门公司创始人拉什这样评价美国客船安全法：”是不必要地将乘客安全置于商业创新之上……某些时候，安全纯粹是浪费。如果你只是想安全，就不要起床，不要坐车，什么都不要做。“
面对外界对“泰坦”主结构的质疑，他曾如此反驳:“碳纤维和钛合金的结合，虽然有规定不能这样做。但是我做到了，我已经用我的设计逻辑和工程结果打破了这些陈规旧俗。”
不过并非所有海门公司员工都这样忽视安全原则。其前海洋运营总监大卫·洛奇里奇(David Lochridge）就认为“泰坦”深潜器的结构安全性存在严重隐患，而且对大壁厚的复合材料缺乏有效的探伤检测手段。洛奇里奇曾尝试阻止该深潜器的载人测试，随后他不仅被海门公司解雇，还被进一步提起诉讼。
海门公司的创始人兼CEO斯托克顿·拉什拥有普林斯顿大学航空航天工程学位和DC-8机长资质，曾担任麦道公司的F-15飞行测试工程师。
不过，海门公司的创始人和CEO斯托克顿·拉什也是“泰坦”深潜器的主要驾驶员。
这意味着，他是真诚地相信“泰坦”深潜器以碳纤维复合材料筒体为主的耐压结构，足以保障4000米级别深潜的长期使用。
02四个因素酿就悲剧
“泰坦”深潜器罕见地选用了碳纤维复合材料作为主结构材料，而不是主流的特种钢材或者钛合金等高强度金属。
这种选择能够极大幅度地降低项目成本；与此相比，碳纤维复合材料自身轻质、高强度的特性反而是相对次要的。
一般来说，为了满足4000米级别的下潜，深潜器的核心结构必须是大壁厚的耐高压容器。一方面，大尺寸的高强度合金钢和钛合金特厚板，要实现高精度的卷轧和焊接等工艺，是十分昂贵与困难的；另一方面，有这种需求的特种设备因为较为小众，导致市场应用不广泛，具备相应能力的企业数量极少，而且产能供不应求，排期漫长且价格高昂。
尺寸惊人的碳纤维复合材料机身
而碳纤维复合材料则相反，归功于它在航空航天器上数十年来的广泛运用，无论是缠绕成型还是加热固化，现有工艺设备所支持的产品尺寸上限，都能够轻松满足深潜器的应用需求，增大结构壁厚也几乎没有任何困难，设备和专业人力也相当便宜、易得。
在此基础上，碳纤维复合材料的轻质高强度特性，也能提供更大的舱内空间，可以在保障舒适性的前提下携带更多的乘员——这对于商业下潜的盈利能力也特别重要。
但在深潜器这个特殊的领域，碳纤维复合材料的缺点也是明显的，尤其是涉及根本性的结构安全：4000米的大潜深，不利于耐受高压的圆柱外形结构，设计制造过程中隐患重重，还需叠加碳纤维复合材料自身的缺陷。而“泰坦”深潜器悲剧的伏笔，最终由这些因素共同铸成。
碳纤维复合材料的局限性和风险点
01 耐拉，但不耐压
在组成碳纤维复合材料的成分中，碳纤维的拉伸强度远远高于基体，这决定了碳纤维复合材料抗拉性能远远强于抗压性能。
这一规律体现在使用寿命上，就是碳纤维复合材料对于拉-拉疲劳不敏感，但是对于拉-压和压-压疲劳敏感。
类似高压氢气罐这种内部压力远高于外部的、承受拉-拉疲劳的设计产品，才是碳纤维复合材料制造耐压容器的正确用法。
“泰坦”深潜器上，碳纤维复合材料制成的筒体结构，面临的正是压-压疲劳。
在这种情况下，结构内部损伤和裂纹的萌生、扩展以及层板结构的失稳破坏，都会在深潜过程中随着海水压力循环次数的增加而明显增加，对于结构可靠性和寿命非常不利。
02吸湿强度下降
“泰坦”深潜器使用的热固性碳纤维复合材料，还存在另一个缺陷：那就是它的树脂基体会吸水溶胀，导致力学性能的退化改变。
曾有试验表明，在航空器的地面湿热试验中，碳纤维复合材料在吸湿过程中，吸湿率低于0.6%时基本无影响；但吸湿率超过0.6%进入湿饱和状态以后，发生过层间剪切强度暴跌50%的案例。
而在4000米海水环境中，“泰坦”深潜器必然不能有效避免碳纤维复合材料吸水。在此过程中，强度会因吸水损失多少？是不是特定情况下的骤然损失大半？大概率海门公司无法做到心中有数。
03结构断裂难以预料和挽救
即使是在航空器的常规使用中，碳纤维复合材料也要比传统的钢钛铝等金属材料更”难伺候“，主要原因有两点——
令人毛骨悚然的曲线
首先是它不耐冲击，低能量的冲击也可能导致肉眼不可见、但内部已经形成分层开裂的缺陷，令其强度骤然降低。
其次是它的失效过程非常“脆”。相比于金属在由于疲劳或者应力过大而失效前会表现出显著的变形、并有较长的反应时间等情况，碳纤维复合材料内部缺陷的发展往往是不可见的，当缺陷累积到一定程度，结构失效会毫无征兆地发生，过程非常迅速。
而在4000米深潜的环境下，碳纤维复合材料的这些特性大概率会导致可怕的结局——只要某一处非常细微的缺陷扩展达到了临界点，在极端巨大的水压下，整个结构会在极短的时间彻底失效，没有任何预兆，也没有任何逃生的机会。
04深水环境下的基础数据匮乏
以上所有问题，归根结底，是“泰坦”深潜器从设计上就严重缺乏依据。
在极端压力的海水环境中，碳纤维复合材料的性能表现和变化趋势要远比金属材料更不可预测。
因为绝大多数碳纤维复合材料的高性能用途都是在飞行器上，而不是长时间泡在盐水里对抗高达40MPa以上的压力——这个数字比高机动战斗机能承受的最大速压要高出400倍。
在航空航天器上，碳纤维复合材料的应用，有海量的试验和实际使用数据作为基础。但没有人知道在4000米级别的海水压力下，碳纤维复合材料吸湿以后基体溶胀对结构的破坏会增强多少、缺陷扩展和疲劳老化会增快到什么地步。
这意味着“泰坦”深潜器既没有可靠的缺陷检查标准，也没有可靠的寿命判定措施，真实寿命处于完全不可知的状态。在此次出事之前，它能够多次下到“泰坦尼克号”残骸附近并安全返回，已经算是运气相当不错了。
警惕对高性能新型材料的过度神化
在高性能新材料的推广中，几乎总是可以见到这样的现象：新材料总是在宣传和展示中，有意无意被赋予“终极解决方案”的救世主色彩。它们的功能和性能优势、以及尚未变现的理论前景总是讲得太多；而它在现实中存在的缺陷、局限性、潜在风险，却经常被轻描淡写甚至避过不提。
在资本和舆论的造势下，这种误导不仅会影响大众的认知，还会直接造就投资人或主管部门人员的直观好恶，并通过设计人员的错误选择等因素，实际影响到航空航天器的规划设计。
比如在碳纤维复合材料推广应用早期，曾有一些飞机，由于原始受力设计、结构外形与新材料本身不匹配，导致新材料结构并不能有效的减轻重量、增加寿命；反而由于层间分离等因素，频繁出现机体核心结构件开裂、甚至断裂进而严重危害飞行安全，最后不得不添加额外的钛合金和铝合金部件进行加固。
虽然目前碳纤维复合材料在航空航天领域的应用已经相当成熟，但它在潜水器、特别是深潜器领域的应用上还非常少，这使得相关行业人员很可能对它在特殊场景下的应用经验和判断能力上有所不足。
在此次深潜器事故中，如果相关的投资人、乃至于海门公司CEO自己对于碳纤维复合材料的局限性有足够严肃深刻的认识，要么其总体方案从一开始就不会被通过，要么至少也会经历远比现在苛刻得多的强度和安全测试，此次灾难也很有可能得以避免。
航空航天领域永远是高性能新材料最先推广应用的核心市场，也是各种材料神话泛滥的重灾区——比如现在流行的各种所谓纳米材料、超材料，就普遍存在着严重夸大甚至完全虚假的宣传现象，其中一些甚至已经不同程度干扰到了重要项目的发展。
“泰坦”深潜器的教训，再一次提醒了人们这一点：在核心环节上应用高性能新材料时，必须要保持足够的稳健和谨慎；一旦理智决断能力被性能收益所压垮，失控的风险必然随之而来。
