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  • 怎样下潜海底一万米?

    1872 年 12 月,英国的「挑战者」号入手下手了为期 1606 天的科考。在长达 12.7 万公里的航程中,挑战者号完成了 492 次深度测量,发明了 4700 种新的海洋生物。

    怎样下潜海底一万米?插图

    1875 年 3 月 ,挑战者号航行到西太平洋的马里亚纳群岛,入手下手第 363 次深度测量。经由过程下沉系有重物的绳子,研究职员发明此处的深度凌驾 8000 m,比绳子的极限长度还要深。在依据此次科考效果绘制的《大洋深度图》中,这里被命名为「挑战者深渊」。

    怎样下潜海底一万米?插图1

    如今我们晓得,这个在 4500 万年前大陆和海洋板块挤压、俯冲构成的海沟,是这个地球上已知的,人类能够抵达的最深处——10984 米。

    怎样下潜海底一万米?插图2

    过去 100 年,探究欲让人类登上月球、测量珠峰,也下潜到海洋最深处。但直到 2020 年 5 月,也只要三艘载人潜水器胜利抵达挑战者深渊。

    2020 年 11 月 10 日,中国制作的载人潜水器奋斗者号将在马里亚纳海沟入手下手万米深潜项目,它也将成为中国历史上第一艘胜利下潜到挑战者深渊的载人潜水器。

    怎样下潜海底一万米?插图3

    为了下潜一万米,我们须要做什么?

    让我们先仔细看看这三艘胜利的载人潜水器——的里雅斯特、深海挑战者、极限因子。

    怎样下潜海底一万米?插图4

    它们虽然看起来不太一样,但道理异常相似。都是经由过程掌握潜水器的团体密度来完成下潜和上浮。

    怎样下潜海底一万米?插图5

    以「深海挑战者」号为例。它的底部装有两块 243 kg 的压载铁块,连同潜器内部 180 kg 的铁砂,配合让密度大于海水。再经由过程电磁铁掌握铁砂倾倒 ,就可以调节下潜速率。

    怎样下潜海底一万米?插图6

    当潜水器抵达底部,设计上浮时,直接抛掉这两块铁块,就可以霎时取得 486 kg 等大的上浮力。由于「深海挑战者」大批运用了耐压复合泡沫塑料,密度只要水的 0.7 倍,在没有铁块铁砂的情况下,能够疾速上浮。

    怎样下潜海底一万米?插图7

    而完成载人的症结则在于这些球形的驾驶舱,作为最对称的三维外形,球形载人舱在各方向受力匀称,不容易涌现应力集合,形成部分破坏。

    比拟其他地区,载人驾驶舱蒙受的压力要大的多。

    怎样下潜海底一万米?插图8

    这是由于潜水器是表里连通的,下潜后内部浸满了海水,电池等防止进水的处所也提早灌注了硅油,并用壳罩住。海水经由过程庇护壳间接挤压着不容易紧缩的液体,终究表里压强到达均衡,内部也近乎到达了深海高压状况。

    怎样下潜海底一万米?插图9

    而载人球舱里都是氛围,为了人类的生存环境,还要保证 1 个大气压,氛围的可紧缩性让外壳负担了悉数抗压重担。

    那海底一万米的压力到底有多大? 我们都晓得,压强即是压力除以面积。在深海,我们遭到的压力就是水的重力,而水的质量是密度乘体积,用公式示意就是如许。

    怎样下潜海底一万米?插图10

    密度和重力加速率都是近似稳定的常数,终究决议压强的,就是这个 h ——海水深度。

    假如在 10000 米的深海,那末这个球每个点上的的压强都是 100.6 MPa,也就是每平方米 1 万吨的压力。

    怎样下潜海底一万米?插图11

    而只须要 10 米的水深压力,就可以够霎时压垮一辆如许的空油罐车。

    权衡材料抗压水平的参数叫屈就应力。应力 σ 是材料内部单位面积上的受力,我们作为纵坐标,应变 ε 是材料部分的相对形变量,我们作为横坐标。

    怎样下潜海底一万米?插图12

    一般来讲,应力越大,材料的变形就越大。而应力到达一个阈值时,应变会霎时增大,让材料发作不可逆的形变,称为屈就。

    比方如许、如许、或许如许。

    怎样下潜海底一万米?插图13

    这个点,就是屈就点。此时的应力,就是屈就应力。所以,屈就应力越高,材料的抗压性就越好。比方黄金的屈就应力是 205 MPa,凌驾这个压强,黄金就垮了。

    怎样下潜海底一万米?插图14

    那海底一万米球舱材料的屈就应力应当最少大于若干呢?

    我们能够简化模子,也许算算。把球壳一分为二,就可以够看到截面上的应力应当即是受力除以打仗面积,用公式示意就是压强乘截面除以打仗面。

    怎样下潜海底一万米?插图15

    依据这份潜水器入级范例中的公式,我们能够猜想中国载人潜水器「奋斗者」号假如下潜一万米,球舱材料须要的屈就应力可能在 800 MPa 以上。

    怎样下潜海底一万米?插图16

    须要申明的是,这只是一个简化后的薄壳盘算模子,耐压舱还要预留职员出入口、观察窗开孔,采纳厚壳盘算,连系实际情况要庞杂很多,材料屈就应力请求也会更大。

    怎样下潜海底一万米?插图17

    除了被压坏,球舱面对的另一个风险是倏忽断裂。

    由于实际天下中,我们材料并不圆满,制作过程当中内部原子或份子分列并不匀称,它们发生的细小裂纹会在压强延续增大的下潜过程当中敏捷扩大,激发宏观断裂。这类断裂没有征象,称为脆性断裂。

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    比方如许、如许、和如许。

    怎样下潜海底一万米?插图19

    这是我们就须要斟酌材料对断裂的反抗才能——断裂韧性 K。K 越大,材料在细小形变和断裂过程当中吸取能量的才能就越大,发作脆性断裂的可能性就越小。

    在这张图中,我们把屈就应力作为横坐标,断裂韧性作为纵坐标,右上角的地区里就是高强高韧的金属材料,假如再斟酌海水侵蚀,钛合金就是潜水器球舱的最好挑选。

    怎样下潜海底一万米?插图20

    在这篇中国船舶七二五所的论文中,蛟龙号球舱运用的这类钛合金材料,理论屈就应力到达了 820 MPa,约 40 mm 厚对应的 I 型断裂韧性 K 到达了 88.4 MPa·m^1/2。

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    而奋斗者号也在此基础上运用了中国自立研发的全新高强高韧钛合金,足以应对深海的高压和打击。

    听起来是否是挺简朴的?固然没那末简朴。

    搞定材料只是一个入手下手,想要胜利下潜一万米,还须要极为邃密精美的制作、冷弯、焊接,保证球舱的可靠性。另外,还须要处理操控、供氧、电池、照明、影象、自动巡航、水声通讯等一系列问题,末了才是总装联调、水池功能性实验和海洋实验。

    怎样下潜海底一万米?插图22

    所以,这一切有什么意义?

    从蛟龙号、深海勇士号,再到奋斗者号,几十个机构上千名科研职员十几年的辛勤工作让我们终究有机会把人送到海底一万米,而这固然不仅仅是对天然边境的探究,更是对合金材料、对水声通讯、对邃密精美加工等底层手艺的探究。

    怎样下潜海底一万米?插图23

    而这一切的条件,是一个充足激动人心的目的,进而激发出壮大的立异精力,坚决的执行力,以及历久延续的资本投入。

    这就是把人送到深海一万米的意义。

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