タイタン潜水艇の墜落の原因となった可能性のあるネジ

専門家らによると、ディスプレイをタイタンの船体に固定するネジのせいで、カーボンファイバー製の外殻が徐々に弱くなり、限界に達すると海中で押しつぶされる可能性があるという。

6月23日に大西洋の海底で沈没したタイタン潜水艦の悲劇は、メディアと専門家の両方の注目を集めた。タイタン号の設計ミス、構造ミス、あるいは潜水深度が深すぎることに関するコメントの他に、材料による破損（材料破損）の仮説も専門家によって提起されました。

多くの情報源によると、製造元のオーシャンゲート社は、タイタン船を科学的なリモートセンシングの目的から人間の観光目的に恣意的に転用したという。オーシャンゲートが公開した船体建造画像には、CEOのストックトン・ラッシュが宣伝しているように、外側がカーボンファイバーで覆われた船体に直接ボルトで固定された2つのディスプレイ画面が写っている。

2 つのディスプレイは、タイタン潜水艇の紹介ビデオに示されているように、船体にボルトで固定され、タイタン内で手作業で接合されています (上図)。写真:オーシャンゲート

これはタブーです。なぜなら、炭素繊維は鋼鉄の 5 倍の強度がありますが、非常に脆く、カバーする必要がある材料の表面に貼り付けるために樹脂と混合されることが多いためです。このラミネート加工は、接着剤で紙の層を接着するのと同様に、層を重ねることによって行われます。

したがって、炭素繊維構造は純粋なモノリシックシートではなく、炭素繊維と樹脂の複合材になります。オーシャンゲートは2021年に取得した特許でこの素材に「炭素繊維複合材」という名称を使用した。

複合材料であるため、この炭素繊維構造には樹脂では埋められない微細な隙間が多数存在します。オーシャンゲートは空室率は1％以下だと述べたが、具体的な数字は明らかにしなかった。空隙率が 0.99% と 0.00000000000001% とでは差があり、構造躯体全体や材料の崩壊速度に大きな影響を与える可能性があります。

スクリーンを船体に穴を開けてボルトで固定する方法では、内側の複合表面に小さな亀裂が生じます。水深3,800メートルのタイタニック号の残骸を視察するために何度もダイビングを行った結果、タイタンの船体は長時間にわたり継続的に大きな圧力を受け、割れたガラスのように急速に亀裂が広がった。

この現象は、表面に穴が開いた氷河のイメージに例えることができます。亀裂は最初は小さいですが、十分な長さのハンマーで叩き、十分な力を加えると、徐々に数百メートルの氷の塊が割れ、大きな氷の塊が割れることになります。

カーボンファイバーは強度が高いことで知られていますが、海底の圧力に耐えるために重要なのは圧縮強度ではなく、フレームが伸びたり壊れたりしないようにする引張強度です。

複合炭素繊維は純粋な炭素繊維よりもひび割れが遅く、ひび割れのプロセスが徐々に発生するため、構造上のひび割れは外部から検出できないほど小さいです。同じ炭素繊維層内での破壊率は層が進むにつれて増加するため、亀裂は大きくなり、最終的には最も内側の構造が極度に弱くなります。

すべての条件が満たされると、海底の物体とのわずかな衝突、滑りによる押圧で、タイタン潜水艇は大破し、乗船していた 5 名の命が失われる可能性があります。

その場合、それまで異常がなかったのに、突然炭素繊維複合構造が崩れてしまいます。これにより、タイタンのこれまでの航海は正常だったが、6月18日の最終航海で船が限界に達した理由が説明できる。

チタン船体と炭素繊維複合材の外殻の間に一定の隙間があり、ネジ穴が亀裂を生じないとしても、船のチタン船体に穴を開けると、金属に錆がより早く発生する機会も生まれます。

チタンは鉄や銅よりも錆びにくいが、船体の色は純チタンではなく、オーシャンゲートが宣伝しているチタン合金、または米海軍が潜水艦に使用しているような硬い鋼鉄素材に近い。

タイタンの船体にカーボンファイバーを巻き付ける工程。出典:オーシャンゲート

オーシャンゲート社は、製造コストを削減するために、船体の製造に純チタンではなく合金を使用することもできるが、その場合、錆びやすくなる。その場合、ネジの位置が必ず最初に錆びる場所となり、錆びが広がって周囲の構造が弱まるリスクがあります。

オーシャンゲート号は観光客を乗せるために改造され、より多くの観測機器を設置する必要があったため、船体にさらに多くのネジを追加しなければならなかったものと思われる。さらに、ドア側にはフレームの溶接がかなり粗く、追加の防錆コーティングや耐摩耗コーティングが施されておらず、自宅のバルコニーに窓を取り付けるデザインに似ています。

材料技術では、溶接部の裏側は、少なくとも 2 つの異なる材料が接触するため、錆や構造劣化の影響を最も受けやすくなります。

この方法はネジ方式よりもリスクが高くなります。溶接部には金属結合があり、高湿度にさらされると電気化学的腐食によって錆が急速に広がる可能性があります。リスクを軽減するために、メーカーはこれらの溶接部を薄い耐摩耗性、耐腐食性のフィルムでコーティングし、環境暴露条件下で材料と構造を保護することができますが、OceanGate がこの安全対策を実施したという証拠はありません。

オリジナルの OceanGate 特許の Titan 潜水艇の設計は、この船が現在も使用されている第 1 世代の Alvin DSV 深海潜水艇に基づいて建造されたことを示しています。ラッシュ氏は、あらゆる方向からの圧力に耐える能力を最適化するために従来の球形を使用する代わりに、より多くの乗客を運ぶためにタイタン潜水艇をチューブ形状に改造しました。

瓶の両側はチタン製で、中央の円筒形のフレームは厚さ約13センチのカーボンファイバーの層で包まれている。この設計では、中央のシリンダー ブロックが主な荷重支持領域となり、この領域にボルト締めと溶接による対策が施されています。

OceanGate 潜水艇の設計は、接続ポイントが強化されたチタン製の 2 つのジャーとリングを特徴としています。グラフィック: Oceanliner Designs

厚さ13センチのカーボンコーティングは、船の外圧に対する耐性を高めるのに役立つかもしれないが、同時に脆さも増大させ、層構造内の非常に小さな亀裂を観察することを困難にしている。

チューブ本体とチタン製のヘッドおよびテールの接合部は、単一のバッチから 3D プリントされているのではなく、シーリング機構を使用して溶接されているため、機械フレームが弱くなるリスクがあります。カーボンファイバー、チタン、アクリルガラスなどさまざまな材料が結合して使用されているため、全体の構造は非常に弱くなります。同じ環境でも、それぞれの材料は強度、膨張性、脆さが異なります。

これは、組み立て方法よりも何倍も高価であるにもかかわらず、宇宙船の本体の製造に 3D プリント技術が好まれる理由でもあります。この技術により、製造業者は、設計がどんなに複雑であっても、溶接やネジ留めをすることなく、一度 3D プリントするだけで完全な製品を作成できるため、全体的な構造へのリスクを軽減できます。

オーシャンゲートは特許の中で、タイタン潜水艇を5,000～6,000psi（大気圧の400倍）の圧力で安全にテストしたと述べています。この試験圧力は、船が水深 4,000 メートルで受ける圧力に相当します。

しかし、安全性評価プロセスにとって、これは極めて重大なエラーです。製造業者は、製品が通常の使用で予想される条件よりも何倍も厳しい条件に耐えられることを保証する責任があります。オーシャンゲート社は、テスト結果に基づいて最大レベルで観光客を運ぶことを許可するのではなく、タイタンが6,000psiでの定期運航を許可する前に、少なくとも8,000～10,000psiの圧力に耐えられることを保証すべきだった。

オーシャンゲート社のタイタン号とその探検クルーズパッケージのマーケティング戦略は、安全検査が国際基準に沿って実施されたかどうかという疑問も引き起こしている。

タイタン潜水艇の残骸は6月28日にカナダのセントジョン港に運ばれた。写真： AP

オーシャンゲート社は、自社の潜水製品は非常に新しいため、従来の安全基準を超えており、いかなる機関でも検査できないと主張している。一方、オーシャンゲートは、特許の中で「チタン合金 - 炭素繊維」という証明されていない概念を使用しており、材料を純チタンではなく「チタン合金」、純炭素繊維ではなく炭素繊維複合材と明確に定義していません。

実際、メーカーはより強く、より耐久性があり、より硬い新しい材料を使用できますが、常に最低限以上の安全基準を確保する必要があります。 DIY で独自の安全基準を設定すると、常に事故を引き起こすリスクが伴います。

この記事は、現在メルボルンのスウィンバーン工科大学を拠点とするオーストラリア研究会議材料先端表面工学センター（ARC SEAM）の博士課程の学生である著者ダン・ナット・ミン氏の見解を反映したものです。

ダン・ナット・ミン

ソースリンク: https://vnexpress.net/nhung-con-vit-co-the-khien-tau-lan-titan-gap-nan-4627263.html