為什麼抹香鯨潛水深度能達2000—3100米,潛艇只有幾百米?

海軍 武器 抹香鯨 潛水 戶外運動 西部遊星 2018-11-26
為什麼抹香鯨潛水深度能達2000—3100米,潛艇只有幾百米?

潛艇耐壓問題主要是失穩問題。即先考慮壓癟,再考慮壓裂。力學相關的狗子們都熟悉,強度剛度屈服屈曲。簡單點說,殼板被壓癟之後從均勻受力變成局部應力集中,就裂了(找個易拉罐握住就可以體驗核潛艇毀傷試驗)。

為什麼抹香鯨潛水深度能達2000—3100米,潛艇只有幾百米?

稍拓展點說,力學的也熟悉,材料的抗壓強度一般比抗拉強度大很多(比如水泥很難壓裂,但必須加鋼筋抗拉才能懸起來當樓板),所以實心物體不怕壓,但空心殼體彎曲變形時總有一面壓縮,另一面拉伸,像上圖這樣失穩後有些地方繼續受壓急劇變形,脊部外表面和溝部內表面就可能超過抗拉強度斷裂。(有些朋友擔心焊縫處先斷裂,實際焊縫比母材還強)

前面的答主已經說了鯨魚實心(肺高度收縮憋氣,心跳也很低,體壓與水壓平衡)而潛艇空心(外部幾十大氣壓,內部固定一個大氣壓)的區別、造船板材薄而深潛器可以很厚等。關鍵問題,潛艇的空腔很大,就容易失穩。(失穩就浮力減小先沉了,不能及時救生遲早是死,還考慮啥時候斷裂)

比較容易從生活中聯想:小罐子不容易壓癟,大罐子容易壓癟。所以只容納三人的深潛器的潛深遠超潛艇不光是板厚的問題(球殼算較安全的,膠囊形耐壓殼的AUV、ROV、underwater glider等小型無人潛器也幾千米地跑),直徑40cm厚4cm的玻璃浮球可以在3000米水深使用,更極端的例子是空心玻璃微珠,小到粉末狀,夠薄了,但粘成塊狀後就可以當幾千米深潛器的浮力材。

所以潛艇真如有些朋友所說,不是技術達不到,只是顧及成本不想,300米見好就收嗎?我覺得不是,強如毛子拿鈦合金開掛不也比小型潛器的潛深弱得多麼。實際上是在軍用這樣基本固定的主尺度範圍上,特種鋼的改進差不多到極限了。做總體要顧及方方面面的優化,不是無腦堆鋼材大建。

潛水器優化設計裡幾個可用的參數,圓筒長度L,圓筒直徑D,外板厚t,光有板還是會癟的,還要有強勁的環肋,比如工字鋼,截面參數有牌號可查,就以高度h計,還有一段圓筒上加的肋個數。

優化的基本思路是:保證安全性的前提下(臨界剛度再留點餘量),總重量越低越好(閉著眼加厚浮力不夠載荷用了怎麼辦),可用容積越大越好(肋材太高也佔地方)。在長度直徑等主尺度已經確定的情況下,主要就是重量容積和決定抗壓性能的主要參數板肋厚度高度的鬥爭。

潛艇多長多粗?又要考慮耐壓,又要考慮重量容積,除此之外還有各種武器動力觀測出入小洞洞的應力集中(洞儘量小,洞邊加厚),是在極致粗暴的平臺上玩巧活。

所以人造的巨大海獸能在幾百米的大洋之下縱橫馳騁,是非常振奮人心的。

為什麼抹香鯨潛水深度能達2000—3100米,潛艇只有幾百米?

潛艇,以及其他深潛器,內部都是1個大氣壓。所以這些艦艇從幾百米深度浮上水面後馬上就可以打開艙門。潛艇外殼需要承受所有的壓力,考慮到成本又不能太厚,所以幾百米就是極限了。而深潛器因為不必顧及成本,外殼可以做成任意厚度,可以達到萬米水深。

而水下基地以及開放式潛水鐘等設備,內部的大氣壓與外部水壓是平衡的,即使打開艙門水也不會進來。而且人在這種環境中呼吸時,肺部和外部的氣壓也是平衡的,所以可以承受極大的壓力。由於氮氣在血液中溶解到一定程度就不會增加,所以潛水員可以在高壓狀態下生活很久。

這種方式被稱為飽和潛水,可以深達500米。缺點是在上浮時要不斷的停留以排出氮氣。如果用氦替換空氣中的氮,深度可以達到700米。如果允許潛艇內部的壓力提高到幾十個大氣壓,那深度超過2000米毫無問題,只不過這種狀態下上浮一次需要花一個星期減壓,完全失去作戰能力了。

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