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、炭素繊維の殻が徐々に弱くなり、限界に達すると海中に押しつぶされてしまう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。設計ミス、構造ミス、あるいはタイタン船の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換したようです。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・ラッシュ氏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つのディスプレイスクリーンが写っている。

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、被覆する材料の表面に接着するために樹脂接着剤と混ぜられることが多いからです。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年に取得した特許において、この素材を「炭素繊維複合材」と名付けた。

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 0.99% と 0.00000000000001% の違いは、構造フレーム全体と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潜水を行った結果、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ひび割れが広がった。

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その強度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、フレームが伸びて壊れないようにする引張強度です。

複合炭素繊維は純粋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し、構造的な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を追うごとに増加するため、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、つまり滑りによる押圧でも、タイタン潜水艇のひどい崩壊を引き起こし、乗船していた 5 人の命を奪うのに十分です。

そうすると、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される。

チタン船体と炭素繊維複合材の外殻との間に一定の隙間があり、ネジ穴に亀裂が生じないとしても、船のチタン船体に穴を開けることで、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質鋼素材に近い。

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、防錆コーティングや耐摩耗コーティングが追加されておらず、自宅のバルコニーに窓を取り付けるデザインに似た、かなり粗いフレーム溶接があります。

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存在する場合があり、高湿度にさらされると電気化学的腐食により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分を薄い耐摩耗性、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一世代の Alvin DSV 深海潜水艇をベースにしている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型に改造しました。

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を何層にも巻いて作られています。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ます。

OceanGate 潜水艇のデザインは、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センチの炭素コーティングは、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する。

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を組み合わせて使用​​しているため、全体的な構造が非常に弱くなります。同じ環境でも、それぞれの材質によって強度、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、デザインがどんなに複雑であっても、溶接やネジ止めをすることなく、一度の 3D プリントで完成した製品を入手でき、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、船舶が水深 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乗せることを許可するのではなく、タイタンが6,000psiで定期的に運航する前に、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販売戦略は、安全検査が国際基準に沿って実施されたの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び込まれた。写真： AP

オーシャンゲート社は、自社の潜水用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、その特許において「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、材質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ない。

実際、メーカーはより強度が高く、耐久性があり、硬い新素材を使用できますが、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）の博士課程候補者である著者ダン・ナット・ミン氏の見解を代表しています。

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