建造一艘“永不沉沒”的船是否可能?

正如泰坦尼克號的沉沒和歌詩達協和號的擱淺所表明的那樣,再多的工程技術也無法完全彌補人為錯誤


關於支援科學新聞報道

如果您喜歡這篇文章,請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道: 訂閱。透過購買訂閱,您正在幫助確保未來能夠繼續報道關於發現和塑造當今世界的想法的具有影響力的故事。


關於皇家郵輪泰坦尼克號“實際上永不沉沒”的說法可能更多的是一種營銷策略,而不是對其工程技術的評論,但其在下水前所擁有的能夠抵禦公海危險的聲譽在過去100年中一直揮之不去。

以如此絕對的術語來描述工程專案是危險的——當然,必然存在某些條件組合會導致這艘遠洋客輪發生事故。然而,儘管泰坦尼克號優雅而宏偉,但它——像任何其他船隻一樣——遠非永不沉沒。

泰坦尼克號長近 275 米,總重約 42,000 公噸,是當時建造的最大船隻。它的下層部分設有 16 個主要水密艙室,可以在船體被刺穿時將其密封。然而,這艘豪華客輪在北大西洋撞上巨大的冰山後不到三個小時就沉沒了,儘管有人估計它應該能夠在海上事故發生後漂浮長達三天

事實證明,水密艙室是一個致命的設計缺陷——詹姆斯·卡梅隆在他 1997 年的電影中很好地說明了這一點,該電影講述了 1912 年 4 月那個災難性的夜晚,泰坦尼克號沉沒,將大約三分之二的 2,200 名乘客帶入了冰冷的海水中。泰坦尼克號船體上 90 米長的裂口導致船體在船頭附近進水,淹沒了六個艙室。當足夠的水滲入船體破損處時,船體向前傾斜,導致來自各個艙室的水溢位艙壁,淹沒了船頭,並將泰坦尼克號像魚雷一樣送入近四公里以下的海洋底部。如果艙壁更高,或者頂部和底部都是水密的,那麼湧入船體的水可能會更均勻地分佈,從而為乘客提供更多逃生時間。

具有諷刺意味的是,泰坦尼克號的建造者在它離開港口前幾個月就預先看到了他們的船隻可能如何應對船體破損。1911 年 9 月 20 日,泰坦尼克號的姊妹船奧林匹克號英國軍艦 HMS 霍克號從側面撞擊,後者撕裂了金屬板和鉚接接頭,在奧林匹克號船體的右舷側留下了一個 11 米的開口。這次碰撞導致奧林匹克號下層兩個艙室進水,但該船得以返回港口,這可能助長了永不沉沒的神話。

工程和設計是任何建築專案的重要組成部分,但它們是更大系統的一部分,該系統包括管理和使用專案最終產品的人員,無論是遠洋客輪、懸索橋還是航天器。大眾科學採訪了杜克大學土木工程和歷史學教授,《原諒設計:理解失敗》的作者亨利·彼得羅斯基,討論了相信設計是萬無一失的愚蠢之處、泰坦尼克號的致命缺陷,以及即使是設計最好的技術在更大的系統崩潰時也會如何失效。

[以下是採訪的編輯稿。]

泰坦尼克號災難已經過去一個世紀了。工程師們是否有可能建造一艘“永不沉沒”的船?
簡短的回答是否定的。而且無論如何,似乎關於它是永不沉沒的說法並非來自工程師,而是來自泰坦尼克號的廣告。這艘船有很多設計特點——例如水密艙室及其艙壁——可能導致人們相信它不會沉沒。

任何設計,無論是船隻還是飛機,都必須在預見到潛在故障的情況下進行。就泰坦尼克號而言,工程師們會問自己:“如果我們的船體上有一個洞怎麼辦?” 好吧,水會進來。“有多少水?” 這取決於洞有多大,所以你必須進行這些計算。你總是可以想象一個更大的洞或更糟糕的情況。

泰坦尼克號最大的設計缺陷是什麼?
可能是艙壁不夠高,以至於它們不是真正水密的,也沒有真正地在艙壁之間分隔水。旨在確保乘客安全的其他設計要素也沒有得到遵守。例如,儘管該船的設計載有足夠的救生艇,但在事故發生時並沒有。這在今天看來是聞所未聞的。他們有無線電,當時稱為無線電,用於呼叫其他船隻,但當時它更多地被視為一種新奇事物,船隻在下班後會將其關閉。

泰坦尼克號也未能採用早在其處女航之前就已存在的一項關鍵安全功能。在 19 世紀 50 年代,有一艘英國船隻,名為 SS 大東方號,由伊桑巴德·金德姆·布魯內爾設計,約翰·斯科特·羅素建造,該船具有雙層船體。雙層船體的概念與艙壁類似。水進來,但你阻止它淹沒船體內部。一般來說,船體之間的距離不是很大,所以進水量不會太大。關於雙層船體的爭論一直持續到今天。在埃克森·瓦爾迪茲號漏油事件之後,出現了一個問題,即所有油輪是否都應該有雙層船體。

考慮到建造泰坦尼克號所花費的費用和對細節的細緻關注,您能否推測一下它為什麼沒有雙層船體?
這是一個爭論的焦點。從長遠來看,即使當時已經存在雙層船體,造船商也會面臨不建造雙層船體的壓力,僅僅因為它們會更昂貴。船東、運營商和船長也會傾向於爭辯說,他們知道如何駕駛他們的船隻,以免刺穿船體,雙層船體是不必要的開支。只要沒有發生事故,就很難反駁這種推理。然後,當發生像泰坦尼克號這樣的事情時,就會對這種失敗做出反應,認為如果有雙層船體,這艘船就不會沉沒。

您可以在泰坦尼克號歌詩達協和號之間得出什麼相似之處?歌詩達協和號於 1 月份在義大利海岸附近擱淺,造成 30 人或更多人死亡。
未來將會有很大的壓力來以不同的方式運營遊輪。它們不會像那艘船那樣靠近陸地行駛。可能還會有人呼籲進行設計更改。據我瞭解,他們花了相當長的時間才將燃料從船中抽出,因此使這更容易將是他們關注的領域。歌詩達協和號也傾斜得非常嚴重,以至於他們無法將一側的救生艇放下。這將是需要關注的事情。

歌詩達協和號的情況類似於泰坦尼克號的沉沒。就泰坦尼克號而言,當時的船隻以正常速度在北大西洋航行,而且它們幾乎從未撞到冰山,這被解釋為:“我們不必撞到冰山,我們知道如何避開它們。” 這將信心水平提高到幾乎是過度自信的程度,認為什麼都不會發生,因為什麼都沒有發生,這當然是不合邏輯的。

造船商應該從奧林匹克號泰坦尼克號撞上冰山前幾個月發生的事故中吸取什麼教訓?
這應該是一個警告。關於泰坦尼克號的文章太多了,很難區分什麼是事實,什麼是虛構。我的理解是,泰坦尼克號的設計方式是將重點放在在正面碰撞中倖存下來。側面擦刮的想法顯然沒有被預料到,儘管我很難想象為什麼。

用於建造船舶的材料在船舶的安全性和可靠性中起多大作用?
設計的一部分是指定材料。他們當時同時建造泰坦尼克號及其姊妹船奧林匹克號,因此他們需要大量的鉚釘。事實證明,鉚釘供應商不堪重負。這導致白星航運公司尋找更廣泛的供應商,因此質量控制不如與單一供應商打交道時那麼好。船上的一些鉚釘是鋼製的,就像船體鋼板一樣,但一些鉚釘是由鐵製成的,而且不是最好的鐵。船上的一些鉚釘是不牢固的。即使在今天,獲得合適的材料仍然是大型建築專案的問題。

工程師在設計像遠洋客輪這樣龐大而複雜的物體時,如何考慮不良判斷或誤用?
這取決於你是將船舶視為由鋼鐵和鉚釘等製成的結構,還是將船舶視為更大系統的一部分,該系統將人員遠距離跨海運送到有冰水的水域。結構不僅需要堅固,還需要在人員犯錯和事情出錯的操作條件下堅固。系統方法對於理解泰坦尼克號發生了什麼非常重要。

對於最近的一個例子,請看太空梭計劃。在挑戰者號事故之前,太空梭成功飛行了 24 次,儘管其中相當一部分實際上 O 形環都有洩漏,而 O 形環被證明是設計的薄弱環節,對挑戰者號來說是致命的。但這在某種意義上被合理化了,即,的確存在洩漏,但太空梭任務無論如何都完成了。該系統——包括裝置和負責操作該裝置的人員——容忍了這些風險,並且有一段時間我們能夠安全地將宇航員帶回家。由於沒有人能夠預見到設計將要承受的所有條件,因此管理者,無論是船長還是 NASA 工程師,都需要了解並尊重其裝置的侷限性。

© .