从单人的深海挑战者到三人的奋斗者号，做大球形载人舱究竟有多难？

1、引言

我国最新的深海探测神器“奋斗者”号，成功破了万米深的马里亚纳海沟，这个地球上已知的海底最深处，这绝对是我国深潜探测事业的里程碑。这次下潜深度到达了水下10909m，距离海沟最深处11034m，仅剩125m。

奋斗者号承购到达水下10909m

实际上，我国不是第一批进入破万的马里亚纳海沟。早在2012年，加拿大导演卡梅隆驾驶着澳大利亚工程师打造的“深海挑战者”进入马里亚纳海沟，拍摄了深海奇景。这个深海挑战者号，高7.3m，总重12吨。单人载人舱厚64mm，半径609mm。据新闻报道，卡梅隆需要屈膝进入，可见其载人舱空间之狭小。

深海挑战者结构图

我国的奋斗者号，能够同时容纳3人坐姿工作，空间上比深海挑战者号要宽大许多。详细数据暂时未公布，我们可以参考蛟龙号的三人载人舱，半径1218mm，厚度74mm。下图为央视记者进入舱内的样子，虽然三人坐下来还是有些挤，但是空间相对是较大的。奋斗者号的直径肯定不会小于蛟龙号。

三人载人舱内部

载人舱空间的扩大，为何如此艰难？

2、巧妙的奋斗者号抗压设计

整体上，这类潜艇的体型都较大。深海潜入，需要携带探测设备，潜艇本身也需要各类系统，这些都需要空间。如此巨大的奋斗者号，如果要求内部都是一个大气压的环境，显然是不合适的，也完全没必要。

奋斗者的载人舱大小

所以，奋斗者号内部某些结构其实是浸没在水中的，只有这样才能维持内外压差的平衡，否则，必须将奋斗者号的外壳设计的无比巨厚，这大大增加了奋斗者的自重。只有载人舱才需要完全地密封，维持住一个大气压，以满足人体的生存条件。

3、载人舱分析

载人舱要求内部气压为一个大气压，同时能够承受万米水深的水压。学过浮力的同学肯定知道水压的计算，万米深海，水压接近110MPa，是一个大气压的1100倍。对于材料来讲，110MPa并不大。常见的钢材，其屈服应力就远超110MPa。但是，对于结构来讲，110MPa在某些情况下就显得较为巨大了。

深海的水下，载人舱承受着110MPa的水压。虽然是压缩受力，但是球形舱的破坏形式，却不一定是压缩破坏。不过，失效必然是从屈服开始，一旦发生局部屈服，变形过大后，结构形式发生改变，应力从新分布，必然导致变形位置应力集中，从而进一步凹陷，直至压扁。

屈服点B，在B点之上，结构失效

对于一个完美球形，根据材料力学的原理（下图），可以轻松计算出外载作用下的工作应力，通过设计球壳的厚度，和选用更好的材料，可以实现工作应力小于许用应力，从而保证载人舱的安全可靠。厚度越厚，工作应力越小，那么结构也就越安全，同时带来的副作用就是结构自重巨大。

球壳应力计算

上图的计算式还表明，工作应力与直径成正比。所以，奋斗者号直径约为深海挑战者的一倍，同样条件下，其工作应力就会大一倍。翻倍的工作应力是非常可怕的，一般的设计都会尽量贴近许用应力，翻倍之后直接超过了许用应力，必须将厚度翻倍，才能保证安全，由此带来的自重远超翻倍。

4、钛合金新材料

正如上所述，载人舱是否安全可靠的关键在于结构内部的工作应力是否超过材料的许用应力，工作应力可以通过结构尺寸和材料来调节。如果采用传统的钢材，其屈服应力约200MPa，按此计算，球壳的厚度约为170mm。而蛟龙号载人舱厚度为74mm，这已经是它的2倍多了，带来的自重更加严峻。

所以，想要获得较薄的载人舱，就必须寻找更好的承压材料，即寻找具有更高屈服强度的新型材料。下图是各类材料的屈服强度和断裂韧性的关系。寻找的新材料，必须具有高屈服强度，那么就需要在图上的右侧找。同时，需要这种新材料不容易发生破坏，即断裂韧性比较大，那么就需要在图上的上方找。所以，找了个钛合金。

断裂韧性与屈服强度

钛合金具有非常好的力学性质，其密度约4.51g/cm3左右，差不多是钢的一半多。这就表示同样的尺寸，钛合金更轻。同时，钛合金的强度非常高。这里有个参数，比强度（强度、密度），比强度越大，其力学性能也越佳。钛合金并不是才出来的，它早就在各行各业中有应用，特别是发动机叶片。

钛合金——发动机叶片

不过，我国以前现有的钛合金强度还不满足奋斗者号的需求，大概是设计指标对载人舱的厚度有所限制，体积有限。所以只能从材料上寻求突破。我们的材料学家们也很给力，终于找到了满足使用需求的高强度钛合金。

5、总结

奋斗者号虽然比深海挑战者晚了八年，但是我们的奋斗者号的载人舱半径几乎是它的两倍。由此带来了更大的工作应力，需要从结构尺寸和新型材料两个角度来重新设计载人舱。