Проектирование и изготовление карбоновой обечайки.
"Титаник был спроектирован неграмотно, ибо железные листы для обшивки - материал недопустимый. Мореный дуб лучший материал для набора. Титаник был построен с нарушением всех канонов регистра Ллойда без гвоздей, на каких-то заклепках. И поверьте моему опыту, голубиная почта надёжней так называемого беспроволочного телеграфа",- заявил знаменитый конструктор деревянных парусников на пенсии репортерам 16 апреля 1912г. (Исторический анекдот)
В этой части я выкладываю полный перевод статьи "Composite submersibles: Under pressure in deep, deep waters" о Циклопе-2 (Титане) и несколько фотографий:
5/10/2017
Композитные подводные лодки: под давлением в глубоких, глубоких водах
Для пилотируемых глубоководных исследований требуется высокотехнологичное композитное решение, которое позволяет снизить вес и продлить срок службы — при рабочем давлении 6500 фунтов на квадратный дюйм.
Несмотря на то, что огромные суммы денег, энергии и внимания тратятся на разработку финансируемых из частных источников систем запуска и доставки для исследования космоса — и применение в них композитных материалов, — водная среда, гораздо более близкая к дому, несмотря на свою близость, по-своему столь же удалена и труднодоступна для изучения.
При средней глубине около 3810 м и максимальной глубине в Challenger Deep в Тихом океане в 10 916 м мировой океан представляет собой серьезную проблему для исследователей.
Ученым, морским биологам, инженерам по нефти и газу и другим лицам, которые будут погружаться на такие глубины, требуется судно, способное выдерживать давление глубоководной воды, которое на средней глубине 3810 м составляет 5 551 фунт/кв. дюйм, или 378 атмосфер.
Такие суда, называемые подводными аппаратами, рассчитаны на трех-пяти пассажиров, могут исследовать глубины от 1200 м до 6500 м, имеют смотровой иллюминатор или иллюминаторные отверстия и оснащены системами освещения и камерами. Обычные подводные аппараты имеют корпуса из стали, алюминия или титана. Однако металлические корпуса, поскольку они не обладают плавучестью при проектировании на глубинах более 2000 м, создают проблемы, когда дело доходит до управления балластом при подъеме и спуске. В частности, суда с металлическим корпусом требуют использования синтактической пены, прикрепленной снаружи судна, для достижения нейтральной плавучести.
В 2014 году производитель подводных аппаратов OceanGate Inc. завершил успешный запуск Cyclops1, пятиместного судна со стальным корпусом, рассчитанного на подводные исследования на глубине до 500 метров.
Компания собиралась приступить к разработке Cyclops 2, подводного аппарата исследовательского класса на пять человек, рассчитанного на максимальную глубину 4000 м.
Генеральный директор OceanGate Стоктон Раш говорит, что компания оценивала потенциал использования композитного корпуса из углеродного волокна с 2010 года, прежде всего потому, что это позволяет создать судно высокого давления, обладающее естественной плавучестью, и, следовательно, позволило бы OceanGate отказаться от использования — и значительных затрат — синтактической пены для его внешней отделки. Итак, для Cyclops 2 OceanGate решила полностью отказаться от металлического корпуса и начала поиск производителя, который мог бы помочь ей разработать композитный корпус.
Считается, что впервые композитные материалы из углеродного волокна были применены к корпусу глубоководного пилотируемого подводного аппарата DeepFlight Challenger для одного человека, заказанного искателем приключений Стивом Фоссетом в 2000 году для погружения на дно Challenger Deep (Марианской впадины):
Спроектированный и построенный знаменитым морским инженером и дизайнером подводных аппаратов Грэмом Хоуксом, в то время руководителем Hawkes Ocean Technologies, он имел цилиндрический корпус высокого давления из композита из углеродного волокна и эпоксидной смолы со стенками толщиной 6 дюймов. Проект близился к завершению в 2007 году, когда Фоссетт погиб в авиакатастрофе легкомоторного самолета. Впоследствии "Челленджер" был продан, и его еще предстоит полностью протестировать или задействовать в глубоководных погружениях. Компания Spencer Composites Inc., разработчик и производитель композитных деталей и конструкций для различных конечных рынков, спроектировал и изготовил корпус Deep- Flight Challenger’s:
"Я знал о подводном аппарате Грэма Хоукса, разработанном для Стива Фоссета”, - говорит Раш из OceanGate. “И я знал, что ”Спенсер Композит" изготовила этот цилиндр". Президент Spencer Composites Брайан Спенсер подписал контракт с OceanGate на корпус Cyclops 2 в начале января 2017 года, и ему были представлены очень простые, но вызывающие эксплуатационные параметры:
- длина 2540 мм;
- наружный диаметр 1676 мм;
- рабочее давление 6600 фунтов на квадратный дюйм;
- коэффициент запаса прочности по давлению 2,25.
“Они, по сути, сказали: "Это давление, с которым мы должны справиться, это фактор безопасности, это основная оболочка. Иди, спроектируй и построй это”, - сообщает Спенсер. И ему дали на это шесть недель.
Циклоп 2 будет состоять из шести основных сооружений:
- Цилиндрический композитный корпус с помещением для пяти взрослых (пилота и четырех пассажиров).
- Два титановых соединительных кольца-колпачка (по одному прикреплены к каждому открытому концу корпуса).
- Два отдельных титановых полусферических купола, передний из которых оснащен встроенным акриловым смотровым окном диаметром 380 мм.
- Внешняя оболочка из стеклопластикового композита, прикрученная болтами к фланцам титановых соединительных колпачков. Конструкция посадочных полозьев, также прикрепленная к соединительным кольцам.
Ничто, кроме титановых колпачков, механически не прикрепляется к композитному корпусу и не проникает в него. Глубоководные исследования — даже на хорошо спроектированном подводном аппарате под давлением — не являются тривиальными и сопряжены со значительным риском. Мировой рекорд глубины свободного погружения для человека составляет 214 м (312 фунтов на квадратный дюйм), и для большинства людей “безопасная” глубина, вероятно, вдвое меньше. Таким образом, в случае катастрофического выхода из строя подводного аппарата на любой глубине, превышающей даже 250 метров, давление глубоководной воды мгновенно убило бы каждого пассажира на борту. И это является главной заботой OceanGate и, как следствие, Spencer Composites.
Cyclops 2 сталкивается с потенциальным выходом из строя любой из трех конструкций: композитного корпуса, титановых торцевых крышек и акрилового смотрового окна.
OceanGate разработала систему мониторинга состояния в режиме реального времени, которая будет акустически контролировать композитный корпус, чтобы обнаруживать звуковые сигналы, сигнализирующие пилоту о риске потенциальной поломки. Тензометрические датчики будут измерять работоспособность титановых торцевых заглушек, максимальная осевая нагрузка на торцевой купол которых составит до 22 миллионов фунтов. По словам Раша, обзорный экран, поскольку он изготовлен из акрила, выходит из строя оптически задолго до того, как он выйдет из строя конструктивно — и в данном случае катастрофически, — таким образом, экипаж сначала обнаружит проблему визуально. В любом случае цель состоит в том, чтобы вовремя предупредить пилота о потенциальной катастрофической поломке, чтобы обеспечить движение судна к более мелководной и безопасной воде.
Дизайн корпуса Cyclops 2, по словам Спенсера, в значительной степени основан на стратегии, примененной к DeepFlight Challenger Фоссета. Толщина, по его словам, была оценена с помощью микромеханики, а затем проверена с помощью анализа конечных элементов (FEA). Моделирование проводилось в SolidWorks (Dassault Systèmes, Уолтем, Массачусетс, США), а анализ - с помощью COSMOS/M, поставляемого дочерней компанией Dassault Systèmes Structural Research and Analysis Corp. (Санта-Моника, Калифорния, США).
По словам Спенсера, самой большой проблемой была разработка технологичной конструкции, которая “позволяла бы изготавливать цельную деталь без складок, пустот или расслоений”. Причем без использования автоклава. Спенсер выбрал стратегию укладки, которая сочетает попеременное размещение однонаправленных тканей из препрега из углеродного волокна / эпоксидной смолы в осевом направлении с мокрой намоткой углеродного волокна / эпоксидной смолы в направлении обруча, в общей сложности 480 слоев.
Углеродное волокно является стандартным -modulus Grafil 37-800 (30K tow), поставляемым Mitsubishi Chemical Carbon Fiber & Composites Inc. (Ирвин, Калифорния, США).
Препрег был поставлен компанией Newport Composites, базирующейся в Ирвайне, которая в настоящее время является частью Mitsubishi Chemical Carbon Fiber & Composites Inc. Эпоксидная смола для мокрой намотки - это Epon Resin 682 от Hexion Inc. (Колумбус, О, США). Отвердителем является Lindride LS-81K frLindau Chemicals Inc.cals (Колумбия, Южная Каролина, США).
Первоначальные проектные работы показали, что корпус, рассчитанный на глубину 4000 м с коэффициентом запаса прочности 2,25, должен иметь толщину 114 мм или 4,5 дюйма, которую OceanGate решила увеличить до 5 дюймов (127 мм) для создания дополнительного запаса прочности. После завершения укладки и намотки цилиндр упаковывали в целлофановую пленку и затем выдерживали в духовке при температуре 137°C в течение 7 дней. Послеоперационного лечения не было. Спенсер говорит, что первоначальная оценка отвержденного цилиндра показывает, что его пористость составляет <1%. Когда этот номер отправлялся на печать, цилиндр готовился к механической обработке, чтобы отрезать его по длине, выровнять концы и прикрепить к титановым торцевым крышкам.
Затем он будет отправлен в OceanGate в Сиэтле для инструментальной проверки перед испытанием под давлением. Предполагая, что корпус пройдет проверку, он станет частью первого подразделения Cyclops 2. Готовый Cyclops 2 будет иметь размеры 6,7 м в длину, 2,8 м в ширину и 2,5 м в высоту. Он будет весить 8600 кг и иметь грузоподъемность более 1043 кг. Во внешнюю оболочку Cyclops 2 будут встроены четыре электрических двигателя для приведения в движение, системы управления плавучестью и навигации, четыре светодиодных фонаря мощностью 20 000 люмен, HD-камеры и другие аксессуары. Экипаж будет входить в "Циклоп-2" и выходить из него через переднюю часть корпуса, доступ к которой будет осуществляться через откидной титановый торцевой купол.
Компания OceanGate Rush сообщает, что Cyclops 2 будет обеспечивать номинальную скорость спуска/ подъема 50 м/мин. Его стандартные системы жизнеобеспечения рассчитаны на 8-часовое погружение, но аварийные системы рассчитаны на обеспечение дополнительных 96 часов жизнеобеспечения. Таким образом, ограничения по эксплуатации Cyclops 2, согласно заявлению Rush — глубина воды не выдерживает — “это мочевой пузырь, питание и концентрация внимания”. Примечательно, что его 380-миллиметровый акриловый иллюминатор, по словам Раша, в два раза больше любого иллюминатора на конкурирующем подводном аппарате и должен предлагать пассажирам беспрецедентный вид на водный пейзаж. Cyclops 2 впервые войдет в воду в ноябре этого года, за которым последуют испытания на глубоководное погружение в начале 2018 года.
Если все пройдет хорошо, его первой миссией в мае 2018 года в Северной Атлантике станет спуск к обломкам "Титаника", которые находятся на глубине 3688 метров под поверхностью. Какова цель? Делайте фото- и видеоизображения "Титаника" высокой четкости, а также проводите гидролокационные и лазерные измерения корабля и его обломков. После миссии "Титаник" "Циклоп-2" отправится на множество других миссий, которые, по словам Раша, будут занимать корабль до конца 2018 года. OceanGate, по его словам, построит по меньшей мере четыре подводных аппарата Cyclops 2 и целых 20, в зависимости от спроса. Раш говорит, что Cyclops 3, 4 и 5 уже находятся на чертежной доске, рассчитаны на глубину до 6000 м и, вероятно, будут оснащены корпусами из углеродного волокна.
ДЖЕФФ СЛОАН
Главный редактор журнала CompositesWorld
Итак, можно сделать вывод что корпус Титана изготавливался не в гараже. Использовались качественные материалы, промышленное оборудование, оснастка и методы контроля. При разработке использовался опыт создания более глубоководного аппарата.
Титановые конструктивные компоненты были заказаны в декабре 2016 года у Titanium Fabrication Corp.
После тестов (в испытательном центре Deep Ocean в Аннаполисе, штат Мэриленд) с погружениями на максимальную предполагаемую глубину в 2018 и 2019 годах у оригинального композитного корпуса Титана обнаружили "признаки циклической усталости”.
В результате оценка глубины корпуса была снижена до 3000 метров.
Поездки к "Титанику", которые были запланированы сначала на 2018, затем на 2019, затем на 2020 годы, пришлось отложить до середины 2021 года, когда корпус был заменен. После этого Титан совершил 13 погружений на "Титаник": шесть в 2021 году и семь в 2022 году.
Сезон погружений OceanGate, с середины мая по середину июля, разбит на восьмидневные миссии:
В 2022 году к Титанику погрузились двадцать восемь пассажиров, не являющихся штатными сотрудниками компании.