「泰坦」深潛器事故背後：警惕對新型高性能材料的過度神化

為了便於製造，並獲得更舒適的乘員空間，「泰坦」深潛器的耐壓結構採用了圓柱設計。從壓力容器設計的角度講，圓形是最有利的受力外形：潛深大於800米的深潛器，通常在設計中應優先採用圓球或者多個球形組合的耐壓殼體。

根據海門公司官方網站發布的信息，該深潛器的核心耐壓殼體結構由兩端的鈦合金半球和接口環，以及內徑1.42米、長2.4米、127毫米厚的熱固化碳纖維復合材料筒體組成。事故發生前，該結構已經公開， 並飽受外界質疑。

在此次事故發生之前，儘管 「泰坦」號深潛器已經多次完成對水下3800米的鐵達尼號殘骸觀光，但該深潛器的安全性依然飽受質疑：在相當大程度上，這是因為它是深潛器領域中絕無僅有的「狂野之作」。

設計來源與關鍵材料來源不明

在宣傳中，海門公司稱「泰坦深潛器是在NASA、華盛頓大學、波音等機構和企業的合作下完成設計與試驗的……其所使用的碳纖維復合材料原料，採購自波音的過期原料。」

但事故發生後，這些機構和企業都紛紛發表聲明，表示未參與「泰坦」深潛器的設計、製造和相關驗證工作，也未向海門公司出售碳纖維等原料。這意味著「泰坦」深潛器的設計方案和製造材料，都來源不明、缺乏有效保障。

蔑視設計規範和安全認證

在數次深潛作業中，「泰坦」深潛器也沒有獲得任何監管機構或者第三方組織的適航認證。

海門公司創始人拉什這樣評價美國客船安全法：」是不必要地將乘客安全置於商業創新之上……某些時候，安全純粹是浪費。如果你只是想安全，就不要起床，不要坐車，什麼都不要做 。「

面對外界對「泰坦」主結構的質疑，他曾如此反駁 :「碳纖維和鈦合金的結合，雖然有規定不能這樣做。但是我做到了，我已經用我的設計邏輯和工程結果打破了這些陳規舊俗。」

不過並非所有海門公司員工都這樣忽視安全原則。其前海洋運營總監大衛·洛奇里奇(David Lochridge） 就認為「泰坦」深潛器的結構安全性存在嚴重隱患，而且對大壁厚的復合材料缺乏有效的探傷檢測手段。洛奇里奇曾嘗試阻止該深潛器的載人測試，隨後他不僅被海門公司解僱，還被進一步提起訴訟。

海門公司的創始人兼CEO斯托克頓·拉什擁有普林斯頓大學航空航天工程學位和DC-8機長資質，曾擔任麥道公司的F-15飛行測試工程師。

不過， 海門公司的創始人和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」深潛器以碳纖維復合材料筒體為主的耐壓結構，足以保障4000米級別深潛的長期使用。

02 四個因素釀就悲劇

「泰坦」深潛器罕見地選用了碳纖維復合材料作為主結構材料，而不是主流的特種鋼材或者鈦合金等高強度金屬。

這種選擇能夠極大幅度地降低項目成本；與此相比，碳纖維復合材料自身輕質、高強度的特性反而是相對次要的。

一般來說，為了滿足4000米級別的下潛，深潛器的核心結構必須是大壁厚的耐高壓容器。一方面，大尺寸的高強度合金鋼和鈦合金特厚板，要實現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備因為較為小眾，導致市場應用不廣泛，具備相應能力的企業數量極少，而且產能供不應求，排期漫長且價格高昂。

尺寸驚人的碳纖維復合材料機身。

而碳纖維復合材料則相反，歸功於它在航空太空飛行器上數十年來的廣泛運用，無論是纏繞成型還是加熱固化，現有工藝設備所支持的產品尺寸上限，都能夠輕鬆滿足深潛器的應用需求，增大結構壁厚也幾乎沒有任何困難，設備和專業人力也相當便宜、易得。

在此基礎上，碳纖維復合材料的輕質高強度特性，也能提供更大的艙內空間，可以在保障舒適性的前提下攜帶更多的乘員——這對於商業下潛的盈利能力也特別重要。

但在深潛器這個特殊的領域，碳纖維復合材料的缺點也是明顯的，尤其是涉及根本性的結構安全：4000米的大潛深，不利於耐受高壓的圓柱外形結構，設計製造過程中隱患重重，還需疊加碳纖維復合材料自身的缺陷。而「泰坦」深潛器悲劇的伏筆，最終由這些因素共同鑄成。

碳纖維復合材料的局限性和風險點

01 耐拉，但不耐壓

在組成碳纖維復合材料的成分中，碳纖維的拉伸強度遠遠高於基體，這決定了碳纖維復合材料抗拉性能遠遠強於抗壓性能。

這一規律體現在使用壽命上，就是碳纖維復合材料對於拉-拉疲勞不敏感，但是對於拉-壓和壓-壓疲勞敏感。

類似高壓氫氣罐這種內部壓力遠高於外部的、承受拉-拉疲勞的設計產品，才是碳纖維復合材料製造耐壓容器的正確用法。

「泰坦」深潛器上，碳纖維復合材料製成的筒體結構，面臨的正是壓-壓疲勞。

在這種情況下，結構內部損傷和裂紋的萌生、擴展以及層板結構的失穩破壞，都會在深潛過程中隨著海水壓力循環次數的增加而明顯增加，對於結構可靠性和壽命非常不利。

02 吸濕強度下降

「泰坦」深潛器使用的熱固性碳纖維復合材料，還存在另一個缺陷：那就是它的樹脂基體會吸水溶脹，導致力學性能的退化改變。

曾有試驗表明，在航空器的地面濕熱試驗中，碳纖維復合材料在吸濕過程中，吸濕率低於0.6%時基本無影響；但吸濕率超過0.6%進入濕飽和狀態以後，發生過層間剪切強度暴跌50%的案例。

而在4000米海水環境中，「泰坦」深潛器必然不能有效避免碳纖維復合材料吸水。在此過程中，強度會因吸水損失多少？是不是特定情況下的驟然損失大半？大機率海門公司無法做到心中有數。

03 結構斷裂難以預料和挽救

即使是在航空器的常規使用中，碳纖維復合材料也要比傳統的鋼鈦鋁等金屬材料更」難伺候「，主要原因有兩點——

令人毛骨悚然的曲線。

首先是它不耐衝擊，低能量的衝擊也可能導致肉眼不可見、但內部已經形成分層開裂的缺陷，令其強度驟然降低。

其次是它的失效過程非常「脆」。相比於金屬在由於疲勞或者應力過大而失效前會表現出顯著的變形、並有較長的反應時間等情況，碳纖維復合材料內部缺陷的發展往往是不可見的，當缺陷累積到一定程度，結構失效會毫無徵兆地發生，過程非常迅速。

而在4000米深潛的環境下，碳纖維復合材料的這些特性大機率會導致可怕的結局——只要某一處非常細微的缺陷擴展達到了臨界點，在極端巨大的水壓下，整個結構會在極短的時間徹底失效，沒有任何預兆，也沒有任何逃生的機會。

04 深水環境下的基礎數據匱乏

以上所有問題，歸根結底，是「泰坦」深潛器從設計上就嚴重缺乏依據。

在極端壓力的海水環境中，碳纖維復合材料的性能表現和變化趨勢要遠比金屬材料更不可預測。

因為絕大多數碳纖維復合材料的高性能用途都是在飛行器上，而不是長時間泡在鹽水裡對抗高達40MPa以上的壓力——這個數字比高機動戰鬥機能承受的最大速壓要高出400倍。

在航空太空飛行器上，碳纖維復合材料的應用，有海量的試驗和實際使用數據作為基礎。但沒有人知道在4000米級別的海水壓力下，碳纖維復合材料吸濕以後基體溶脹對結構的破壞會增強多少、缺陷擴展和疲勞老化會增快到什麼地步。

這意味著「泰坦」深潛器既沒有可靠的缺陷檢查標準，也沒有可靠的壽命判定措施，真實壽命處於完全不可知的狀態。在此次出事之前，它能夠多次下到「鐵達尼號」殘骸附近並安全返回，已經算是運氣相當不錯了。

警惕對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勢、以及尚未變現的理論前景總是講得太多；而它在現實中存在的缺陷、局限性、潛在風險，卻經常被輕描淡寫甚至避過不提。

在資本和輿論的造勢下，這種誤導不僅會影響大眾的認知，還會直接造就投資人或主管部門人員的直觀好惡，並通過設計人員的錯誤選擇等因素，實際影響到航空太空飛行器的規劃設計。

比如在碳纖維復合材料推廣應用早期，曾有一些飛機，由於原始受力設計、結構外形與新材料本身不匹配，導致新材料結構並不能有效的減輕重量、增加壽命；反而由於層間分離等因素，頻繁出現機體核心結構件開裂、甚至斷裂進而嚴重危害飛行安全，最後不得不添加額外的鈦合金和鋁合金部件進行加固。

雖然目前碳纖維復合材料在航空航天領域的應用已經相當成熟，但它在潛水器、特別是深潛器領域的應用上還非常少，這使得相關行業人員很可能對它在特殊場景下的應用經驗和判斷能力上有所不足。

在此次深潛器事故中，如果相關的投資人、乃至於海門公司CEO自己對於碳纖維復合材料的局限性有足夠嚴肅深刻的認識，要麼其總體方案從一開始就不會被通過，要麼至少也會經歷遠比現在苛刻得多的強度和安全測試，此次災難也很有可能得以避免。

航空航天領域永遠是高性能新材料最先推廣應用的核心市場，也是各種材料神話泛濫的重災區——比如現在流行的各種所謂納米材料、超材料，就普遍存在著嚴重誇大甚至完全虛假的宣傳現象，其中一些甚至已經不同程度干擾到了重要項目的發展。

「泰坦」深潛器的教訓，再一次提醒了人們這一點：在核心環節上應用高性能新材料時，必須要保持足夠的穩健和謹慎；一旦理智決斷能力被性能收益所壓垮，失控的風險必然隨之而來。

排版：陳奕煊

策劃 | 文案：候知健

編審 | 監製：武晨、王蘭

看航空融媒體工作室出品

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