国外深潜器浮力材料研究
2018-03-26 09:45:21
作者：本网发布 来源：蓝海星智库
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。
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