Глубоководный аппарат «Титан» потерпел катастрофу из-за неотработанной конструкции

«DeepFlight Challenger» был первым глубоководным аппаратом с корпусом из углеродного волокна. Однако миллионер-исследователь Стив Фоссет погиб в авиакатастрофе, не успев им воспользоваться. Изображение: ScribD

У генерального директора и основателя OceanGate Стоктона Раша возникла проблема. Он хотел организовать подводную экскурсию к обломкам «Титаника». Пассажиры заплатили бы огромную сумму денег (250 000 долларов на человека) за эту возможность. Но затонувший корабль лежал на дне океана почти на 4000 метров ниже поверхности, а его пассажирский подводный аппарат «Cyclops» мог погрузиться только на глубину 500 метров. Давление на глубине 4000 метров раздавило бы «Cyclops» быстрее, чем банку пива на студенческой вечеринке.

Но Раш, бывший коммерческий пилот с образованием инженера в области аэрокосмической техники, нашел решение: толстостенный цилиндр, укрепленный композитным углеродным волокном. Почему нет? К примеру, углеродное волокно успешно использовалось для Boeing 787 Dreamliner.

И неважно, что до этого углеродное волокно не применялось на глубоководных подводных аппаратах из-за проблемного и непредсказуемого поведения при сжатии. Кое-кто признавался в том, что использовал этот материал. Раш гордился тем, что нарушал правила.

Задача проектирования корпуса из углеродного волокна, который в настоящее время находится под пристальным вниманием как вероятная причина крушения глубоководного аппарата, была возложена на компанию Spencer Composites, возглавляемую Брайаном Спенсером. Спенсер, обладавший многочисленными инженерными степенями, в том числе докторской степенью Университета Небраски в области инженерной механики, и имевший множество публикаций, был экспертом в области укладки композитного волокна, техники, которую он уже применил ко многим наземным и аэрокосмическим продуктам и, что наиболее важно для этой истории, — для создания «DeepFlight Challenger» Стива Фоссетта, названного так потому, что он больше походил на самолет, чем на подводный аппарат.

Авантюрист-миллионер Стив Фоссет, совершивший первый кругосветный полет на воздушном шаре и первый кругосветный полет без дозаправки, уже был легендой. Он планировал добавить к своим достижениям погружение на дно Марианской впадины, самой глубокой в океане, на глубину около 11 000 метров.

Перед ним стояла задача создать корпус из углеродного волокна для «DeepFlight Challenger». Спенсер проанализировал проект корпуса с помощью программы COSMOS/M от Structural Research and Analysis Corp (теперь она входит в состав Dassault Systèmes и называется SOLIDWORKS Simulation) и изготовил его на 4-осевом станке с ЧПУ, приспособленном для укладки волокна.

В результате получилась простая на вид толстостенная цилиндрическая камера, способная выдержать высокое внешнее давление, в которой размещалась тщательно уложенная сеть углеродных волокон, каждое из которых располагалось либо по касательной к цилиндру, либо вдоль его оси. Композитная конструкция Спенсера для корпуса включала чередующиеся двойные слои углеродного волокна, намотанные вокруг сердечника (действующие против сжимающего кольцевого напряжения), и слой волокон, уложенных в осевом направлении (против сжимающего осевого напряжения, которое возникло бы из-за давления на полусферические торцевые крышки, согласно информации CompositesWorld, 2010).

Так случилось, что Фоссет погиб в авиакатастрофе в 2009 году и не смог воспользоваться «DeepFlight Challenger». Затем «DeepFlight Challenger» был продан.

Поскольку несколько лет спустя компания OceanGate заключила контракт со Spencer Composites на разработку корпуса «Cyclops 2» (переименованного в «Титан»), мы предполагаем, что OceanGate использовала такую же конструкцию композитного материала в корпусах из углеродного волокна. Однако обратите внимание на различия. «DeepFlight Challenger» был рассчитан только на одного человека, поэтому у него была бы меньшая площадь поверхности и, следовательно, меньшая сила действующего на него давления, но он был разработан для погружения на глубину в 5 раз больше, чем «Титан».

Несмотря на то что использование углеродного волокна в корпусе «DeepFlight Challenger» не было тщательно обосновано, Spencer решил использовать ту же конструкцию из углеродного волокна для «Титана», которую он предложил для «DeepFlight Challenger». И часы тикали. Спенсеру дали 6 недель и сказали, что аппарат должен соответствовать нескольким конструктивным ограничениям: длина 2,54 м, внешний диаметр 1,676 м, рабочее давление 6600 фунтов на квадратный дюйм (примерное давление на глубине 4000 метров) и коэффициент безопасности 2,25, согласно статье 2017 года в CompositeWorld.

Как следует из интервью с Рашем, обнаруженного на веб-сайте Вашингтонского университета, в первой конструкции «Титана», разработанной Spencer Composites, использовалось углеродное волокно для всей конструкции: полусферических торцевых крышек и цилиндрического корпуса. Лаборатория прикладной физики Вашингтонского университета в Сиэтле, недалеко от штаб-квартиры OceanGate (которую Раш назвал «инженерным партнером OceanGate»), провела испытания под давлением масштабированной модели «Титана» с цилиндром из углеродного волокна и в то время рассматривала возможность изготовления всей основной конструкции «Титана» из углеродного волокна, включая полусферические купола. Однако купола из углеродного волокна дали течь на глубине 3000 метров. Это, вероятно, заставило заменить их титановыми куполами, которые фактически использовались в «Титане».

Продолжение: Simulation Reveals Exactly How Titan Submersible Imploded