Эксперты утверждают, что винты, крепящие дисплей к корпусу Titan, могут привести к постепенному ослаблению оболочки из углеродного волокна и ее разрушению под водой при достижении порогового значения.
Трагедия подводного аппарата Titan, раздавленного на дне Атлантического океана 23 июня, привлекла внимание как СМИ, так и экспертов. Помимо комментариев об ошибках в конструкции, структурных ошибках или слишком глубоком погружении Titan, экспертами также была выдвинута гипотеза о выходе из строя из-за материалов (Materials Failure).
Есть сообщения о том, что производитель OceanGate произвольно переделал Titan из научного судна дистанционного зондирования в пассажирское круизное судно. Изображения конструкции судна, опубликованные OceanGate, показывают, что компания прикрутила два экрана непосредственно к корпусу, который снаружи покрыт углеродным волокном, как когда-то рекламировал генеральный директор Стоктон Раш.
В ознакомительном видеоролике о подводном аппарате Titan показаны два экрана, прикрученных к корпусу и соединенных вручную (выше). Фото: OceanGate
Это табу, поскольку углеродное волокно в 5 раз прочнее стали, но очень хрупкое, часто смешивается с клеем на основе смолы, чтобы прилипнуть к поверхности покрываемого материала. Этот процесс покрытия создается из слоев, наложенных друг на друга, подобно склеиванию слоев бумаги с помощью клея.
Таким образом, структура углеродного волокна не будет представлять собой чистый монолитный лист, а будет представлять собой композит из углеродного волокна и смолы. OceanGate использовал название «углеродный волокнистый композит» для этого материала в патенте, выданном в 2021 году.
Поскольку это композит, в структуре углеродного волокна есть микроскопические пустоты, которые смола не может заполнить. OceanGate утверждает, что коэффициент пустотности составляет менее 1%, но это число не указано. Разница между коэффициентом пустотности 0,99% и 0,0000000000001% может оказать огромное влияние на общую структурную структуру, а также на скорость разрушения материала.
Метод сверления и привинчивания экрана к корпусу привел бы к появлению небольших трещин в композитной поверхности внутри. После многочисленных погружений с целью посещения места крушения Титаника на глубине 3800 м корпус Титана долгое время находился под постоянным высоким давлением, из-за чего трещины распространялись так же быстро, как разбитое стекло.
Это явление можно сравнить с изображением ледника с дырой на поверхности. Трещина изначально небольшая, но постепенно, после каждого достаточно долгого и сильного удара, она заставит расколоться глыбу в сотни метров, что приведет к растрескиванию большого куска льда.
Углеродное волокно известно своей прочностью, но не прочность на сжатие является ключом к выдерживанию давления на дне океана, а прочность на растяжение, которая удерживает каркас от растяжения и разрыва.
Композитные углеродные волокна трескаются медленнее, чем чистые углеродные волокна, в результате чего процесс растрескивания происходит постепенно, структурные трещины слишком малы, чтобы их можно было обнаружить снаружи. Скорость растрескивания в одном и том же слое углеродного волокна будет выше от слоя к слою, поэтому трещины будут постепенно расти, пока внутренняя структура не станет чрезвычайно слабой.
При соблюдении всех условий даже легкого столкновения, скользящего толчка с любым предметом на дне океана достаточно, чтобы вызвать ужасное крушение батискафа «Титан», в результате чего погибнут 5 человек, находившихся на борту.
В этом случае структура композитного углеродного волокна внезапно разрушилась бы, хотя предыдущие полеты были нормальными. Это объясняет, почему предыдущие полеты Титана были нормальными, но последний полет 18 июня был, когда космический корабль достиг своей точки разрушения.
Даже если между титановым корпусом и внешней оболочкой из композитного материала из углеродного волокна имеется определенный зазор, чтобы отверстия для винтов не приводили к образованию трещин, сверление титанового корпуса судна также создает возможность для более быстрого появления ржавчины на металле.
Титан менее подвержен ржавчине, чем железо и медь, но цвет корпуса не полностью титановый, а скорее похож на титановый сплав, как рекламирует OceanGate, или на твердый стальной материал, аналогичный тому, который ВМС США используют для подводных лодок.
Процесс обмотки корпуса Титана углеродным волокном. Источник: OceanGate
OceanGate может использовать сплав вместо чистого титана для изготовления корпуса, что снизит производственные затраты, но также сделает его более восприимчивым к ржавчине. В этом случае места расположения болтов всегда будут ржаветь первыми, что приведет к риску распространения и ослабления окружающей конструкции.
Вероятно, OceanGate имел дополнительные винты, добавленные к его корпусу, поскольку он был переоборудован для перевозки туристов и требовал обширного оборудования для мониторинга. Кроме того, сварные швы рам на дверях были довольно грубыми, без какого-либо дополнительного антикоррозионного или антикоррозионного покрытия, похожего на конструкцию окон, установленных на балконе дома.
В материаловедении нижняя сторона сварного шва наиболее подвержена ржавчине и структурным разрушениям из-за контакта как минимум двух различных материалов.
Риск при этом методе даже выше, чем при использовании болтового соединения. Сварка может иметь металлическую связь, что приводит к быстрому распространению ржавчины из-за электрохимической коррозии при воздействии высокой влажности. Чтобы ограничить риск, производитель может покрыть эти сварные швы тонкой антиабразивной, антикоррозионной пленкой для защиты материала и конструкции в условиях воздействия окружающей среды, но нет никаких доказательств того, что OceanGate реализовала эту меру безопасности.
Конструкция подводного аппарата Titan из оригинального патента OceanGate показывает, что судно основано на глубоководном подводном аппарате Alvin DSV первого поколения, который используется и по сей день. Вместо использования традиционной сферической формы для оптимизации способности выдерживать давление со всех сторон, г-н Раш превратил Titan в трубу, чтобы вместить больше пассажиров.
Два конца банки с обеих сторон изготовлены из титана, а центральная цилиндрическая рама обернута несколькими слоями углеродного волокна толщиной около 13 см. Центральный блок цилиндров, согласно этой конструкции, становится основной несущей зоной, при этом именно эта зона была подвергнута болтовым соединениям и сварке.
Конструкция подводного аппарата OceanGate имеет два конца и кольцо, которое усиливает точку соединения, выполненное из титана. Графика: Oceanliner Designs
Углеродное покрытие толщиной 13 см может помочь кораблю повысить устойчивость к внешнему давлению, но оно также непреднамеренно увеличивает его хрупкость и затрудняет обнаружение даже самых мелких трещин внутри слоистой структуры.
Соединения между корпусом и титановой головкой и хвостом не печатаются на 3D-принтере из одной партии, а свариваются вместе с помощью уплотнительного механизма, что создает риск ослабления механической рамы. Общая структура очень слаба из-за использования разных материалов, таких как углеродное волокно, титан и акриловое стекло. Каждый материал имеет разную прочность, расширение и хрупкость в одной и той же среде.
Это также причина, по которой технология 3D-печати является предпочтительной для производства корпусов космических кораблей, хотя она во много раз дороже метода сборки. С этой технологией производителям достаточно один раз выполнить 3D-печать, чтобы получить готовый продукт, независимо от сложности конструкции, без сварки или болтовых соединений, что помогает снизить риск для всей конструкции.
В своем патенте OceanGate упоминает, что компания провела безопасные испытания подводного аппарата Titan при давлении 5000–6000 фунтов на квадратный дюйм (в 400 раз больше атмосферного давления). Это испытательное давление эквивалентно давлению, которому подводному аппарату придется столкнуться на глубине 4000 метров.
Но с точки зрения процесса оценки безопасности это чрезвычайно серьезная ошибка. Производитель несет ответственность за то, чтобы продукт мог выдерживать условия, во много раз более жесткие, чем те, которые используются в обычных условиях. OceanGate должен был гарантировать, что Titan может выдерживать давление не менее 8000-10000 фунтов на квадратный дюйм, прежде чем разрешить ему регулярно работать при 6000 фунтов на квадратный дюйм, вместо того, чтобы разрешать ему перевозить туристов на максимальном уровне, согласно результатам испытаний.
Маркетинговая тактика OceanGate в отношении Titan и его экспедиционных круизных пакетов также вызвала вопросы о том, проводились ли проверки безопасности в соответствии с международными стандартами.
Обломки батискафа «Титан» доставлены в порт Сент-Джон, Канада, 28 июня. Фото: AP
OceanGate утверждает, что ее подводный аппарат настолько новый, что он превосходит обычные стандарты безопасности и не может быть проверен никаким агентством. С другой стороны, OceanGate использует в своем патенте непроверенный термин «титановый сплав-углеродное волокно», вместо того чтобы четко определить материал как «титановый сплав», а не как чистый титан и композит из углеродного волокна, а не как чистое углеродное волокно.
На самом деле производители могут использовать новые материалы, которые прочнее, долговечнее и тверже, но они всегда должны обеспечивать стандарты безопасности выше минимальных. Самосовершенствование и установление собственных стандартов безопасности всегда несет в себе риск возникновения несчастных случаев.
Статья представляет точку зрения автора Данга Нхата Миня, в настоящее время являющегося докторантом в Центре передовых технологий обработки поверхностей материалов Австралийского исследовательского совета (ARC SEAM) при Технологическом университете Суинберна в Мельбурне.
Данг Нат Минь
Ссылка на источник
Комментарий (0)