泰坦号潜水器失败：缺陷与傲慢的代价

本文来自微信公众号：Engineering （ID：engineering2015），作者：Chris Palmer，原文标题：《像泰坦尼克一样，有缺陷的工程和傲慢注定了泰坦号潜水器的失败》

在2023年6月18日的清晨，远离加拿大纽芬兰海岸，泰坦号深海潜水器开始下降到北大西洋的深处。船上搭载了泰坦号的发明者和驾驶员Stockton Rush，以及四名“任务专家”，其中一些人可能支付了高达25万美元的费用，陪同Rush前往海底臭名昭著的泰坦尼克号沉船遗址。大约两个小时后，泰坦号的发射船，加拿大的Polar Prince号，与潜水器失去了联系。在接下来的四天里，一场疯狂的搜索随之展开，最终悲惨地意识到所有船员都已死亡，这是船只在大约3000米的深度内爆的灾难性结果。搜索者在距离泰坦尼克号船头仅500米的地方找到了船的残骸。

世界各地的人们几乎一直关注着这场不断展开的传奇事件的新闻，既感到震惊又希望船员们仍然活着并可能被救出。但是，尽管紧密团结的潜水器社区也抱有希望，但他们并不感到震惊——他们多年来已经预见到这场灾难的到来，曾恳求Rush重新考虑泰坦号的新颖设计，或者至少让这艘船的安全得到第三方的验证。然而，最糟糕的事情发生了，这引发了对于对民用潜水器进行额外监管的质疑。泰坦号很可能也会成为未来工程伦理教科书中的一个引人注目的条目，与2018年和2019年的波音737 Max坠毁[3]、2021年的Surfside公寓倒塌[4]等近期灾难，以及像1912年撞上冰山后沉没的与泰坦号同名的泰坦尼克号这样的旧条目并列。

在泰坦号的最后一次航行之前，尽管在近50年的时间里潜水次数增加了2000%，但人类居住的潜水器从未发生过致命事故[5]。此外，在93年的深海探索历史中，从未有过潜水器发生内爆。“一个词可以概括发生的事情，那就是傲慢，”美国北卡罗来纳州Buies Creek的Campbell大学的历史学副教授和航海专家Sal Mercogliano说。“使用从未尝试过的设计的傲慢——其他潜水器都是泡沫。”

由Rush担任首席执行官的OceanGate Expeditions（Everett，WA，USA），是泰坦号的企业所有者和运营商，首次在2021年开始为付费客户提供前往泰坦尼克号的航程[6]。目前大多数接待游客的潜水器都在500米或更浅的深度探索珊瑚礁和其他自然现象[7]。与泰坦号不同的是，世界上其他大约十艘潜水器，其建造深度可达4000米——OceanGate声称泰坦号可以安全潜水的深度——都专门用于科学探究[5]。它们都有球形设计，钛、钢或铝结构，并由第三方设计认证机构验证其安全性。而泰坦号则没有这些。

一个球体是深海船只的理想形状，因为水压在其整个表面上施加相等的力。然而，为了增加其搭载乘客的能力，泰坦号的设计者选择了一个新颖的圆柱形状（见图1）。Rush，一位航空航天工程师、前飞行测试飞行员和风险投资家，也决定使用碳纤维复合材料为泰坦号的主圆柱体，两端由钛帽密封。航空航天工业珍视碳纤维的强度重量比，尽可能地在飞机上使用它以减轻重量。较轻的重量使得泰坦号具有中性浮力，通过最小化使用其电动推进器来保持深度，从而保留了其有限的电池能量。

图1.((a)与其他深海潜水器的球形设计和金属构造截然不同，OceanGate的泰坦号的船体设计成了一个碳纤维圆柱体，壁厚12.7厘米，两端各覆盖着8.3厘米厚的钛壳。这样的设计使得内部空间足够容纳五名乘客，满足了OceanGate的目标，即为那些能够支付费用参观泰坦尼克号残骸的“任务专家”提供航程。相比之下，(b)Deepsea Challenger的驾驶舱展示了其他深海潜水器的标准球形设计。驾驶舱的壁厚6.4厘米，位于7.3米长、11.8吨的车辆底部，由加拿大电影导演詹姆斯·卡梅隆驾驶至近11公里的深度。驾驶舱的直径仅为109厘米，内部空间仅足够容纳一名乘客。图片来源：(a)Madelgarius/Wikimedia(CC BY-SA 4.0);(b)Z22/Wikimedia(CC BY-SA 4.0)。

在选择碳纤维作为船体的另一个显著因素是成本。“当你爬进一个球形潜水器时，我脑海中浮现的词是‘幽闭恐怖’，”Mercogliano说。“它是一个小小的球。要让它变大以容纳更多的人，你必须把球变大。这真的非常非常昂贵，使用碳纤维肯定对此有所帮助。”

然而，将潜水舱的空间拉长成圆柱形会重新分布深度的水压，增加船只中段的水压，导致该区域经历更高的疲劳和分层载荷。像泰坦号的圆柱形船体这样的碳纤维结构在重复潜水时如何应对这种压力基本上是未知的。因为这是一种新的用途，工程师们还没有全面研究碳纤维结构在深海压力下承受重复压缩应力的能力[9]。

用碳纤维构建泰坦号的12.7厘米厚的船体涉及一个具有挑战性的制造过程。为了建造船体，480层交织的碳纤维被缠绕在一个金属核心圆柱体的整个长度上（长约2.5米，直径1.4米），用环氧树脂粘合，用塑料袋包装，并在137°C的烤箱中固化七天[10]。任何错误都会被永久性地烤进去，所以完美的一致性是一个关键目标。Mercogliano说，确保船体的完整性意味着要用热成像、X射线或超声波扫描它，以揭示任何潜在的缺陷。这样的扫描会指出任何弱点，公司可以在每次潜水后通过额外的扫描来监控这些弱点。“水最终会找到裂缝，”他说。“不幸的是，在深度上没有误差的余地，因为故障是瞬时的，灾难性的。”

在2015年，根据2018年的一份新闻稿[11]，OceanGate在一个压力舱中对泰坦号的三分之一比例模型进行了四次严格的测试，“这验证了碳纤维作为船体设计的可行材料。”该公司进一步宣布[11]，作为泰坦号的“广泛测试计划”的一部分，新建造但无人驾驶的泰坦号成功进行了“验证船体至4000米深度的测试”，随后进行了由Rush作为唯一乘客驾驶的船只的额外测试。

在决定性的最后一次下降之前，大约有二十几次先前的探险使泰坦号的船体反复承受压力。尽管如此，OceanGate从未扫描过船体，这是需要由第三方如Det Norske Veritas（DNV）认证的，DNV是一家总部位于挪威的国际海事分类协会，被广泛认为是设定海上安全黄金标准的机构[5]。尽管OceanGate从未让泰坦号获得认证，但它在营销材料中声称该船“将达到或超过DNV-GL安全标准”[12]。

“扫描并不真的昂贵，也不是火箭科学，”英国普利茅斯大学机械和海洋工程副教授Jasper Graham-Jones说。“这是标准的东西，但他们拒绝这样做。”相反，OceanGate在另一个潜水器的首次尝试中，依赖于“实时船体结构健康监测”，其中声学传感器和应变仪被放置在整个船体中[11]，如果碳纤维丝开始发出可听见的断裂声，就会发出警报。这样的实时监测“是一个好主意，”Graham-Jones说。“问题是，当你开始出现裂缝时，一切都太晚了。”

在2018年1月，工程师David Lochridge，作为潜水器建造和驾驶的30年资深人士，当时是OceanGate的海洋运营总监和首席飞行员，应Rush的要求准备了一份内部报告，指出泰坦号的船体碳纤维明显恶化，充满气隙和分层[5]，[12]。他的建议是什么？唯一的解决办法是从头开始。他还指出了超过二十个需要立即注意的问题，包括缺失的螺栓，不正确固定的电池，用拉链固定在潜水器外部的部件，错误加工的O型环槽和松动的密封[5]，[12]。在收到他的报告几周后，OceanGate解雇了Lochridge，Lochridge声称这是对指出泰坦号安全缺陷的报复[13]。Lochridge将他的报告作为向美国职业安全与健康管理局（OSHA）举报的一部分；尽管据说OSHA已经将一份副本交给美国海岸警卫队（USCG），但在被OceanGate起诉后，他最终撤回了投诉[12]。

外部团体也警告OceanGate，如果不寻求第三方对该船只的审查，可能会导致灾难性的问题。其中一个这样的团体，海洋技术协会（美国华盛顿特区），一个由3800名海洋工程师、技术专家、政策制定者和教育者组成的国际社区，在2018年给Rush发了一封信，表达了对泰坦号缺乏认证的担忧[14]，[15]。"虽然这可能需要额外的时间和费用，"签名者写道，"但我们一致认为，由第三方进行的这一验证过程是保护所有潜水器乘客的安全措施的关键组成部分。"

依靠他作为航空航天工程师的训练，Rush为自己不进行泰坦号的安全认证的决定辩解，声称监管过程耗时且抑制创新[12]。美国弗吉尼亚州夏洛茨维尔的弗吉尼亚大学工程与应用科学学院的应用伦理学荣誉教授Deborah Johnson说：“这里的一个教训是，工程师应该时刻将安全放在首位，特别是当他们陷入商业世界并试图进一步发展他们的发明时。”。

即使OceanGate和Rush无视了外部专家强烈建议，让泰坦号的安全由第三方认证，但与销售太空旅游的公司不同，没有任何法规或监管机构来阻止OceanGate搭载愿意支付高昂费用的乘客。“泰坦号是一艘装在另一艘船上的船，那么它到底是什么，谁负责它？”Mercogliano说。“它是在美国建造的，其母公司是在巴哈马注册的，它是由一艘加拿大船只拖曳的驳船，从加拿大港口运出。关于谁应该监督任何访问泰坦号的潜水器，这是一个很大的灰色地带。”

尽管没有权威机构监管泰坦号，但至少有四个国家——美国、加拿大、英国和法国——迅速启动了大规模的搜救行动，部署了大量的资源，包括飞机、船只和水下遥控车辆(ROVs)[18]。总的来说，这次行动估计花费了数千万美元[18]，[19]。

即使在灾难发生后，Mercogliano预见未来几年深海旅游将会增加，而不是减少。“如果人们会去泰坦尼克号，他们也会去胡德号和俾斯麦号，以及太平洋的沉船，”他说。无论如何，泰坦尼克号可能还需要一段时间才能再次迎来人类访客。目前，没有计划进行载人的科学考察[20]，而最初定于2024年从沉船中取回文物的商业探险队必须首先克服美国政府提出的法庭挑战[21]。

不出所料，OceanGate在2023年7月初停止了所有的探索和商业运营[22]。泰坦号的碎片和一些“人类遗骸”现在已经被ROV回收，并正在进行联合调查，该调查由USCG、美国国家交通安全委员会和加拿大交通安全委员会共同进行，可能会持续长达两年[23]。无论如何，两个著名的沉船遗骸在北大西洋海底深处一个孤独的地点靠得很近——至少在短暂的时间内——这一事实悲惨地说明了为什么潜水社区如Graham-Jones所说那样“相当保守”。“你能做的事情是有限的，”他说，“泰坦号向我们展示了拥有制衡是一件好事。”

参考文献

[1]Pratt M.How the unconventional design of the Titan sub may have destined it for disaster[Internet].New York City:Associated Press;2023 Jun 23[cited 2023 Oct 1].Available from:https://apnews.com/article/titan-titanic-submersible-design-49b8c2a713f316ce5987a394a27d23e8.

[2]Regan H，Renton A，Picheta R，Sangal A，Hammond E，Meyer M，et al.Missing Titanic sub crew killed after‘catastrophic implosion’[Internet].Atlanta:CNN;2021 Jul 13[cited 2023 Oct 1].Available from:https://edition.cnn.com/americas/live-news/titanic-missing-sub-oceangate-06-22-23/h_05c8ceaff3f9757f768cf25df5e60784.