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抹香鲸潜水深度能达2000—3100米,为何潜艇只有几百米?

2021-01-11 世界之最 抹香鲸潜水深度能达2000—3100米,为何潜艇只有几百米?

潜艇耐压问题主要是失稳问题。即先考虑压瘪,再考虑压裂。力学相关的狗子们都熟悉,强度刚度屈服屈曲。简单点说,壳板被压瘪之后从均匀受力变成局部应力集中,就裂了(找个易拉罐握住就可以体验核潜艇毁伤试验)。

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稍拓展点说,力学的也熟悉,材料的抗压强度一般比抗拉强度大很多(比如水泥很难压裂,但必须加钢筋抗拉才能悬起来当楼板),所以实心物体不怕压,但空心壳体弯曲变形时总有一面压缩,另一面拉伸,像上图这样失稳后有些地方继续受压急剧变形,脊部外表面和沟部内表面就可能超过抗拉强度断裂。(有些朋友担心焊缝处先断裂,实际焊缝比母材还强)

前面的答主已经说了鲸鱼实心(肺高度收缩憋气,心跳也很低,体压与水压平衡)而潜艇空心(外部几十大气压,内部固定一个大气压)的区别、造船板材薄而深潜器可以很厚等。关键问题,潜艇的空腔很大,就容易失稳。(失稳就浮力减小先沉了,不能及时救生迟早是死,还考虑啥时候断裂)

比较容易从生活中联想:小罐子不容易压瘪,大罐子容易压瘪。所以只容纳三人的深潜器的潜深远超潜艇不光是板厚的问题(球壳算较安全的,胶囊形耐压壳的AUV、ROV、underwater glider等小型无人潜器也几千米地跑),直径40cm厚4cm的玻璃浮球可以在3000米水深使用,更极端的例子是空心玻璃微珠,小到粉末状,够薄了,但粘成块状后就可以当几千米深潜器的浮力材。

所以潜艇真如有些朋友所说,不是技术达不到,只是顾及成本不想,300米见好就收吗?我觉得不是,强如毛子拿钛合金开挂不也比小型潜器的潜深弱得多么。实际上是在军用这样基本固定的主尺度范围上,特种钢的改进差不多到极限了。做总体要顾及方方面面的优化,不是无脑堆钢材大建。

潜水器优化设计里几个可用的参数,圆筒长度L,圆筒直径D,外板厚t,光有板还是会瘪的,还要有强劲的环肋,比如工字钢,截面参数有牌号可查,就以高度h计,还有一段圆筒上加的肋个数。

优化的基本思路是:保证安全性的前提下(临界刚度再留点余量),总重量越低越好(闭着眼加厚浮力不够载荷用了怎么办),可用容积越大越好(肋材太高也占地方)。在长度直径等主尺度已经确定的情况下,主要就是重量容积和决定抗压性能的主要参数板肋厚度高度的斗争。

潜艇多长多粗?又要考虑耐压,又要考虑重量容积,除此之外还有各种武器动力观测出入小洞洞的应力集中(洞尽量小,洞边加厚),是在极致粗暴的平台上玩巧活。

所以人造的巨大海兽能在几百米的大洋之下纵横驰骋,是非常振奋人心的。

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潜艇,以及其他深潜器,内部都是1个大气压。所以这些舰艇从几百米深度浮上水面后马上就可以打开舱门。潜艇外壳需要承受所有的压力,考虑到成本又不能太厚,所以几百米就是极限了。而深潜器因为不必顾及成本,外壳可以做成任意厚度,可以达到万米水深。

而水下基地以及开放式潜水钟等设备,内部的大气压与外部水压是平衡的,即使打开舱门水也不会进来。而且人在这种环境中呼吸时,肺部和外部的气压也是平衡的,所以可以承受极大的压力。由于氮气在血液中溶解到一定程度就不会增加,所以潜水员可以在高压状态下生活很久。

这种方式被称为饱和潜水,可以深达500米。缺点是在上浮时要不断的停留以排出氮气。如果用氦替换空气中的氮,深度可以达到700米。如果允许潜艇内部的压力提高到几十个大气压,那深度超过2000米毫无问题,只不过这种状态下上浮一次需要花一个星期减压,完全失去作战能力了。