6月18日，美國海門（OceanGate Expeditions）公司在開展對(duì)“泰坦尼克號(hào)”郵輪殘骸的商業(yè)觀光過程中，旗下一艘名為“泰坦”（Titan）的深潛器在下潛到3500米時(shí)失去聯(lián)系。

(相關(guān)資料圖)

“泰坦”深潛器

根據(jù)媒體報(bào)道，隨后的救援和勘察工作顯示，“泰坦”深潛器在巨大水壓下發(fā)生了內(nèi)爆事故，結(jié)構(gòu)瞬間解體，搭載的5人全部死亡，其中包括斯托克頓·拉什，他是研發(fā)并運(yùn)營該潛水器的“海門”公司首席執(zhí)行官兼創(chuàng)始人。

在此次事故之前，該深潛器曾多次完成對(duì)“泰坦尼克號(hào)”殘骸的觀光。

盲目自信導(dǎo)致的破碎

01 堪稱狂野的作品

美國海門（OceanGate）公司于2009年由斯托克頓·拉什（Stockton Rush）和吉列爾莫·索恩萊因（Guillermo S?hnlein）創(chuàng)立，位于美國華盛頓州埃弗利特，主業(yè)是提供載人潛水器相關(guān)服務(wù)。2021年，該公司開通搭乘泰坦深潛器參觀“泰坦尼克號(hào)”殘骸的業(yè)務(wù)，價(jià)格為每人25萬美元。

為了便于制造，并獲得更舒適的乘員空間，“泰坦”深潛器的耐壓結(jié)構(gòu)采用了圓柱設(shè)計(jì)。從壓力容器設(shè)計(jì)的角度講，圓形是最有利的受力外形：潛深大于800米的深潛器，通常在設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先采用圓球或者多個(gè)球形組合的耐壓殼體。

根據(jù)海門公司官方網(wǎng)站發(fā)布的信息，該深潛器的核心耐壓殼體結(jié)構(gòu)由兩端的鈦合金半球和接口環(huán)，以及內(nèi)徑1.42米、長2.4米、127毫米厚的熱固化碳纖維復(fù)合材料筒體組成。事故發(fā)生前，該結(jié)構(gòu)已經(jīng)公開， 并飽受外界質(zhì)疑。

在此次事故發(fā)生之前，盡管“泰坦”號(hào)深潛器已經(jīng)多次完成對(duì)水下3800米的泰坦尼克號(hào)殘骸觀光，但該深潛器的安全性依然飽受質(zhì)疑：在相當(dāng)大程度上，這是因?yàn)樗巧顫撈黝I(lǐng)域中絕無僅有的“狂野之作”。

設(shè)計(jì)來源與關(guān)鍵材料來源不明

在宣傳中，海門公司稱“泰坦深潛器是在NASA、華盛頓大學(xué)、波音等機(jī)構(gòu)和企業(yè)的合作下完成設(shè)計(jì)與試驗(yàn)的……其所使用的碳纖維復(fù)合材料原料，采購自波音的過期原料?！?/p>

但事故發(fā)生后，這些機(jī)構(gòu)和企業(yè)都紛紛發(fā)表聲明，表示未參與“泰坦”深潛器的設(shè)計(jì)、制造和相關(guān)驗(yàn)證工作，也未向海門公司出售碳纖維等原料。這意味著“泰坦”深潛器的設(shè)計(jì)方案和制造材料，都來源不明、缺乏有效保障。

蔑視設(shè)計(jì)規(guī)范和安全認(rèn)證

在數(shù)次深潛作業(yè)中，“泰坦”深潛器也沒有獲得任何監(jiān)管機(jī)構(gòu)或者第三方組織的適航認(rèn)證。

海門公司創(chuàng)始人拉什這樣評(píng)價(jià)美國客船安全法：”是不必要地將乘客安全置于商業(yè)創(chuàng)新之上……某些時(shí)候，安全純粹是浪費(fèi)。如果你只是想安全，就不要起床，不要坐車，什么都不要做。“

面對(duì)外界對(duì)“泰坦”主結(jié)構(gòu)的質(zhì)疑，他曾如此反駁:“碳纖維和鈦合金的結(jié)合，雖然有規(guī)定不能這樣做。但是我做到了，我已經(jīng)用我的設(shè)計(jì)邏輯和工程結(jié)果打破了這些陳規(guī)舊俗?！?/p>

不過并非所有海門公司員工都這樣忽視安全原則。其前海洋運(yùn)營總監(jiān)大衛(wèi)·洛奇里奇(David Lochridge）就認(rèn)為“泰坦”深潛器的結(jié)構(gòu)安全性存在嚴(yán)重隱患，而且對(duì)大壁厚的復(fù)合材料缺乏有效的探傷檢測(cè)手段。洛奇里奇曾嘗試阻止該深潛器的載人測(cè)試，隨后他不僅被海門公司解雇，還被進(jìn)一步提起訴訟。

海門公司的創(chuàng)始人兼CEO斯托克頓·拉什擁有普林斯頓大學(xué)航空航天工程學(xué)位和DC-8機(jī)長資質(zhì)，曾擔(dān)任麥道公司的F-15飛行測(cè)試工程師。

不過，海門公司的創(chuàng)始人和CEO斯托克頓·拉什也是“泰坦”深潛器的主要駕駛員。

這意味著，他是真誠地相信“泰坦”深潛器以碳纖維復(fù)合材料筒體為主的耐壓結(jié)構(gòu)，足以保障4000米級(jí)別深潛的長期使用。

02四個(gè)因素釀就悲劇

“泰坦”深潛器罕見地選用了碳纖維復(fù)合材料作為主結(jié)構(gòu)材料，而不是主流的特種鋼材或者鈦合金等高強(qiáng)度金屬。

這種選擇能夠極大幅度地降低項(xiàng)目成本；與此相比，碳纖維復(fù)合材料自身輕質(zhì)、高強(qiáng)度的特性反而是相對(duì)次要的。

一般來說，為了滿足4000米級(jí)別的下潛，深潛器的核心結(jié)構(gòu)必須是大壁厚的耐高壓容器。一方面，大尺寸的高強(qiáng)度合金鋼和鈦合金特厚板，要實(shí)現(xiàn)高精度的卷軋和焊接等工藝，是十分昂貴與困難的；另一方面，有這種需求的特種設(shè)備因?yàn)檩^為小眾，導(dǎo)致市場(chǎng)應(yīng)用不廣泛，具備相應(yīng)能力的企業(yè)數(shù)量極少，而且產(chǎn)能供不應(yīng)求，排期漫長且價(jià)格高昂。

尺寸驚人的碳纖維復(fù)合材料機(jī)身

而碳纖維復(fù)合材料則相反，歸功于它在航空航天器上數(shù)十年來的廣泛運(yùn)用，無論是纏繞成型還是加熱固化，現(xiàn)有工藝設(shè)備所支持的產(chǎn)品尺寸上限，都能夠輕松滿足深潛器的應(yīng)用需求，增大結(jié)構(gòu)壁厚也幾乎沒有任何困難，設(shè)備和專業(yè)人力也相當(dāng)便宜、易得。

在此基礎(chǔ)上，碳纖維復(fù)合材料的輕質(zhì)高強(qiáng)度特性，也能提供更大的艙內(nèi)空間，可以在保障舒適性的前提下攜帶更多的乘員——這對(duì)于商業(yè)下潛的盈利能力也特別重要。

但在深潛器這個(gè)特殊的領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料的缺點(diǎn)也是明顯的，尤其是涉及根本性的結(jié)構(gòu)安全：4000米的大潛深，不利于耐受高壓的圓柱外形結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)制造過程中隱患重重，還需疊加碳纖維復(fù)合材料自身的缺陷。而“泰坦”深潛器悲劇的伏筆，最終由這些因素共同鑄成。

碳纖維復(fù)合材料的局限性和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)

01 耐拉，但不耐壓

在組成碳纖維復(fù)合材料的成分中，碳纖維的拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基體，這決定了碳纖維復(fù)合材料抗拉性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于抗壓性能。

這一規(guī)律體現(xiàn)在使用壽命上，就是碳纖維復(fù)合材料對(duì)于拉-拉疲勞不敏感，但是對(duì)于拉-壓和壓-壓疲勞敏感。

類似高壓氫氣罐這種內(nèi)部壓力遠(yuǎn)高于外部的、承受拉-拉疲勞的設(shè)計(jì)產(chǎn)品，才是碳纖維復(fù)合材料制造耐壓容器的正確用法。

“泰坦”深潛器上，碳纖維復(fù)合材料制成的筒體結(jié)構(gòu)，面臨的正是壓-壓疲勞。

在這種情況下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷和裂紋的萌生、擴(kuò)展以及層板結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞，都會(huì)在深潛過程中隨著海水壓力循環(huán)次數(shù)的增加而明顯增加，對(duì)于結(jié)構(gòu)可靠性和壽命非常不利。

02吸濕強(qiáng)度下降

“泰坦”深潛器使用的熱固性碳纖維復(fù)合材料，還存在另一個(gè)缺陷：那就是它的樹脂基體會(huì)吸水溶脹，導(dǎo)致力學(xué)性能的退化改變。

曾有試驗(yàn)表明，在航空器的地面濕熱試驗(yàn)中，碳纖維復(fù)合材料在吸濕過程中，吸濕率低于0.6%時(shí)基本無影響；但吸濕率超過0.6%進(jìn)入濕飽和狀態(tài)以后，發(fā)生過層間剪切強(qiáng)度暴跌50%的案例。

而在4000米海水環(huán)境中，“泰坦”深潛器必然不能有效避免碳纖維復(fù)合材料吸水。在此過程中，強(qiáng)度會(huì)因吸水損失多少？是不是特定情況下的驟然損失大半？大概率海門公司無法做到心中有數(shù)。

03結(jié)構(gòu)斷裂難以預(yù)料和挽救

即使是在航空器的常規(guī)使用中，碳纖維復(fù)合材料也要比傳統(tǒng)的鋼鈦鋁等金屬材料更”難伺候“，主要原因有兩點(diǎn)——

令人毛骨悚然的曲線

首先是它不耐沖擊，低能量的沖擊也可能導(dǎo)致肉眼不可見、但內(nèi)部已經(jīng)形成分層開裂的缺陷，令其強(qiáng)度驟然降低。

其次是它的失效過程非?！按唷薄Ｏ啾扔诮饘僭谟捎谄诨蛘邞?yīng)力過大而失效前會(huì)表現(xiàn)出顯著的變形、并有較長的反應(yīng)時(shí)間等情況，碳纖維復(fù)合材料內(nèi)部缺陷的發(fā)展往往是不可見的，當(dāng)缺陷累積到一定程度，結(jié)構(gòu)失效會(huì)毫無征兆地發(fā)生，過程非常迅速。

而在4000米深潛的環(huán)境下，碳纖維復(fù)合材料的這些特性大概率會(huì)導(dǎo)致可怕的結(jié)局——只要某一處非常細(xì)微的缺陷擴(kuò)展達(dá)到了臨界點(diǎn)，在極端巨大的水壓下，整個(gè)結(jié)構(gòu)會(huì)在極短的時(shí)間徹底失效，沒有任何預(yù)兆，也沒有任何逃生的機(jī)會(huì)。

04深水環(huán)境下的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匱乏

以上所有問題，歸根結(jié)底，是“泰坦”深潛器從設(shè)計(jì)上就嚴(yán)重缺乏依據(jù)。

在極端壓力的海水環(huán)境中，碳纖維復(fù)合材料的性能表現(xiàn)和變化趨勢(shì)要遠(yuǎn)比金屬材料更不可預(yù)測(cè)。

因?yàn)榻^大多數(shù)碳纖維復(fù)合材料的高性能用途都是在飛行器上，而不是長時(shí)間泡在鹽水里對(duì)抗高達(dá)40MPa以上的壓力——這個(gè)數(shù)字比高機(jī)動(dòng)戰(zhàn)斗機(jī)能承受的最大速壓要高出400倍。

在航空航天器上，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用，有海量的試驗(yàn)和實(shí)際使用數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)。但沒有人知道在4000米級(jí)別的海水壓力下，碳纖維復(fù)合材料吸濕以后基體溶脹對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞會(huì)增強(qiáng)多少、缺陷擴(kuò)展和疲勞老化會(huì)增快到什么地步。

這意味著“泰坦”深潛器既沒有可靠的缺陷檢查標(biāo)準(zhǔn)，也沒有可靠的壽命判定措施，真實(shí)壽命處于完全不可知的狀態(tài)。在此次出事之前，它能夠多次下到“泰坦尼克號(hào)”殘骸附近并安全返回，已經(jīng)算是運(yùn)氣相當(dāng)不錯(cuò)了。

警惕對(duì)高性能新型材料的過度神化

在高性能新材料的推廣中，幾乎總是可以見到這樣的現(xiàn)象：新材料總是在宣傳和展示中，有意無意被賦予“終極解決方案”的救世主色彩。它們的功能和性能優(yōu)勢(shì)、以及尚未變現(xiàn)的理論前景總是講得太多；而它在現(xiàn)實(shí)中存在的缺陷、局限性、潛在風(fēng)險(xiǎn)，卻經(jīng)常被輕描淡寫甚至避過不提。

在資本和輿論的造勢(shì)下，這種誤導(dǎo)不僅會(huì)影響大眾的認(rèn)知，還會(huì)直接造就投資人或主管部門人員的直觀好惡，并通過設(shè)計(jì)人員的錯(cuò)誤選擇等因素，實(shí)際影響到航空航天器的規(guī)劃設(shè)計(jì)。

比如在碳纖維復(fù)合材料推廣應(yīng)用早期，曾有一些飛機(jī)，由于原始受力設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)外形與新材料本身不匹配，導(dǎo)致新材料結(jié)構(gòu)并不能有效的減輕重量、增加壽命；反而由于層間分離等因素，頻繁出現(xiàn)機(jī)體核心結(jié)構(gòu)件開裂、甚至斷裂進(jìn)而嚴(yán)重危害飛行安全，最后不得不添加額外的鈦合金和鋁合金部件進(jìn)行加固。

雖然目前碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟，但它在潛水器、特別是深潛器領(lǐng)域的應(yīng)用上還非常少，這使得相關(guān)行業(yè)人員很可能對(duì)它在特殊場(chǎng)景下的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和判斷能力上有所不足。

在此次深潛器事故中，如果相關(guān)的投資人、乃至于海門公司CEO自己對(duì)于碳纖維復(fù)合材料的局限性有足夠嚴(yán)肅深刻的認(rèn)識(shí)，要么其總體方案從一開始就不會(huì)被通過，要么至少也會(huì)經(jīng)歷遠(yuǎn)比現(xiàn)在苛刻得多的強(qiáng)度和安全測(cè)試，此次災(zāi)難也很有可能得以避免。

航空航天領(lǐng)域永遠(yuǎn)是高性能新材料最先推廣應(yīng)用的核心市場(chǎng)，也是各種材料神話泛濫的重災(zāi)區(qū)——比如現(xiàn)在流行的各種所謂納米材料、超材料，就普遍存在著嚴(yán)重夸大甚至完全虛假的宣傳現(xiàn)象，其中一些甚至已經(jīng)不同程度干擾到了重要項(xiàng)目的發(fā)展。

“泰坦”深潛器的教訓(xùn)，再一次提醒了人們這一點(diǎn)：在核心環(huán)節(jié)上應(yīng)用高性能新材料時(shí)，必須要保持足夠的穩(wěn)健和謹(jǐn)慎；一旦理智決斷能力被性能收益所壓垮，失控的風(fēng)險(xiǎn)必然隨之而來。

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