快速上浮脫險技術研究現狀

李其修,劉 輝,吳向君

(海軍工程大學船舶與動力學院,湖北武漢 430033)

0 引言

目前,潛艇艇員的脫險救生大致可分為 3種方式:自救方式、援救方式以及自救與援救結合方式。自救方式是脫險艇員單人或集體逃離失事艇的方法,根據艇內是否有高壓暴露,可采用減壓脫險法或不減壓脫險法。援救方式是依靠水面救助船采取救助措施進行的脫險,多以集體脫險為主,一般采用常壓干救或高壓干救脫險。某些情況下,也可以采用濕救脫險,濕救脫險時需采用自救與援救相結合方式進行[1]。

單人自救脫險可分為著裝減壓脫險和快速上浮脫險 2種方法。由于著裝減壓脫險法的局限性,快速上浮脫險現成為單人自救脫險的主要發展方向。快速上浮脫險是艇員在不減壓脫險時間極限內,著快速上浮脫險裝具,經快速調壓后快速上浮脫離險境到達水面的脫險法。此方法的優點是:高壓暴露時間短,水中停留時間短,嚴格控制各深度的調壓時間一般不會發生減壓病;脫險服結構簡單,易操作。缺點是:艇員的高壓暴露時間必須在不減壓時間極限之內;艇內必須常壓才能實施此法,否則只能考慮其他脫險方式;若調壓不當,會發生嚴重的減壓病。

集體救援脫險方法的最大難題是艇員在待救期間的生命支持問題,包括高壓、進水、空氣質量、有害氣體、氧中毒、寒冷、食物、飲水等問題,常常發生等不到援救力量到達艇員已喪身的慘劇[2]。因此,單人自救脫險是潛艇失事后最先考慮的求生手段。

1 快速上浮脫險技術與研究進展

1.1 快速上浮脫險裝具

目前有代表性的快速上浮脫險裝具主要有英國的MK10型快速上浮脫險抗浸服,其最大的特點是脫險服為單層,并配有單人充氣救生筏,潛艇一旦失事,艇員可在水面打開該救生筏,提高了舒適性,延長海面待援時間。快速脫險服主要充氣部分為頭罩與儲氣囊,四肢部位也有部分充氣氣囊。艇員穿上脫險服后進行充氣,充氣完成后由排開水的體積產生浮力,且上浮過程中此浮力大小不變。由于上浮時外界壓力不斷減小,為保持潛水服內外壓力平衡,脫險服不斷向外排氣,使其始終處于氣體充滿狀態,排開水的體積始終不變,整個裝置重約7 kg。該脫險系統的最大理論脫險深度可達 220 m,在 183 m深度脫險已獲成功,現已有 22個國家海軍使用MK10脫險裝具。

1.2 快速上浮脫險技術研究進展

英國是最早進行快速上浮脫險研究的國家之一。英國皇家海軍醫學研究所早在20世紀60年代就研究出快速上浮脫險模擬實驗設備,并在實艇上得到應用。該設備根據潛艇的實際情況,采用海水加壓方式,在整個加壓過程中只有 1個海水閥起到開關作用,沒有任何的壓力控制裝置。打開閥門后,水進入脫險筒壓縮筒內空氣,直到筒內外壓力平衡時加壓完畢。

英國研制的潛艇脫險模擬裝置實現了190 m載人快速上浮脫險實驗和 200m無人快速加壓實驗,加壓時間為22 s,上浮速度為2.75 m/s。根據使用山羊模擬人類脫險實驗研究的結果,英國皇家海軍已得出結論:安全脫險的最大深度可達 228m。此外,從274m和289m深度脫險也許是可能的,脫險的大多數艇員可以存活,不過有的傷員需要緊急加壓治療。但是,289 m深度脫險目前尚缺減壓病的實驗數據[3]。

1970年英國海軍進行了快速上浮脫險試驗。潛水員著MK10型脫險服,從183 m的深度快速上浮脫險,調壓速度達到每 5 s壓力增加一倍,海底停留時間為3 s,上浮速度為2.8m/s,47人次均獲成功,從而創造了當時脫險成功的最高紀錄。

在 1960～1970年英國進行的 267人次模擬實驗或海上實際脫險實驗中,曾發生 2例Ⅱ型減壓病。第 1例發生在加壓艙模擬實驗中,脫險深度為 152 m,加壓時間為 20 s,海底停留時間 30 s,減壓時間50 s,參試者出水后很快出現左臂、臀部與大腿的沉重、麻木感,膝反射消失。用空氣加壓治療,壓力加到6ATA時,癥狀完全消失、治愈。第2例發生在海上脫險訓練中,脫險深度 153m,調壓時間 28 s,海底停留時間3 s,減壓時間60 s。參試者出水后視覺出現盲點及平衡障礙等癥狀。用高壓氧加壓治療,加壓到2.28ATA時,癥狀消失、治愈。

在動物實驗基礎上,美國海軍醫學研究所進行了大量人體加壓艙模擬與海上實艇脫險實驗,研究脫險深度為18～190 m;調壓方式分線性與非線性2類,前者調壓速度為3.8～7.6m/s,后者為每3.4～12 s增加1倍壓力;減壓速度為0.26～2.8 m/s,在267人次實驗中共發生 2例Ⅱ型減壓病。

我國在快速上浮脫險方面發展落后于國外。1977年,海軍醫學研究所開始研制快速上浮脫險模擬實驗設備。該設備加壓采用氣體加壓,利用國產XWT臺式自動平衡儀控制加壓速度,將需要的加壓曲線輸入電腦,利用負反饋原理調節壓力,使其隨給定曲線變化。該加壓方式能夠有效地將壓力變化曲線控制在適合人體需要的變化規律內,并以 3 m/s左右的速度定速減壓。經實驗論證,該設備可用于250m以內的快速上浮脫險實驗使用。1983年 9月,該研究所成功地完成了模擬 10～100 m15人次快速上浮脫險實用性試驗,從而使我國潛艇艇員脫險運用新技術有了一個良好的開端。

海軍醫學研究所用山羊進行了 40～200 m快速上浮脫險實驗,分別以 2t/4和 2t/8的速度增加艙內壓力(t表示時間,即每4 s或8 s使艙內壓力升高1倍)。在 120羊次實驗中,13羊次發生減壓病。除154m/53 s方案中有一例截癱型減壓病外,其余均未治而愈。關于高壓暴露時間的計算原則,他們采用C/2+DC/2+TOD(C表示加壓時間,DC表示減壓時間,TOD表示海底停留時間)記入總暴露時間,但這對于大深度脫險是否合適,是一個尚待進一步討論的問題[4]。

針對英國MK10脫險服的情況,英國研究人員提出要發展一種能耐受0.15 MPa內壓的抗浸服或抗壓服,以增加脫險上浮速度。到達水面后,艇員仍可在抗浸服內的高壓環境中停留一段時間,相當于在9m或12m深度安置了1個停留站,然后在水面自動完成減壓。這樣將可增加安全脫險深度,并減少減壓病的發生率。

當快速上浮脫險深度超過 185 m水深時,在上升的最后階段設法減慢上浮速度。1973～1975年法國研制了一種水下減速傘,它可與英國現使用的MK10脫險抗浸服配套使用,使艇員從 300 m深度安全脫險。其全過程是:(1)調壓時間少于30 s; (2)300m到60 m上浮速度是2 m/s,上升時間是80 s;(3)在 60m深度處自動打開減速傘,使上浮速度減慢到0.7m/s,60m至水面約90 s,完成一次脫險約需300 s。

2 快速上浮脫險系統工作原理

快速上浮脫險系統主要由一個可容納一個人的脫險筒和控制舷外壓力海水按照脫險筒的壓力按指數函數變化的要求進入脫險筒的 V型流量調節閥及直徑為 0.1m的管路等組成[5],具體原理圖如圖1所示。

圖中,p0為海面大氣壓;H為水深;L為脫險筒高;直徑為1m;脫險筒和管道截面積分別記為A和B;ρ1為海水密度。

假定閥門全部打開時為t=0時刻,該時刻儲氣罐內氣體滿足:壓強p(t)=p0,密度ρ(t)=ρ0,高度h(t)=h0。

根據準定常Bernoulli方程可得:

圖1 快速加壓系統原理圖

因為H遠遠大于L,上式可簡化為:

根據質量守恒得:

假設儲氣罐內氣體滿足等溫過程,有:

聯立上述等式可得關于h(t)的微分方程:

對上式進行積分可得:

其中,

代回原始變量,可得到儲氣罐內氣體壓力微分方程:

上式中:V(t)表示調節閥處水流速度,g表示重力加速度,g=9.8m/s2;A1、B1、I1、u、a均是中間變量。

3 結語

本文著重分析了國內外快速脫險技術的研究進展,介紹了某型脫險服的性能,通過推導建立了快速上浮系統壓力模型,說明了快速上浮脫險系統的工作原理,為快速上浮脫險試驗及脫險服的設計使用積累了科學數據,并為脫險安全性評價的綜合分析提供了參考。

[1] 顧靖華,曾廣會,楊健.外軍潛艇脫險救生技術概況及發展趨勢[J].艦船科學技術,2005,(3):93-96.

[2] 龔錦涵.潛水醫學[M].北京:人民軍醫出版社,1985.

[3] BROWN D C.Submarine escape and rescue in today's royal navy [J].JRoyal Naval Medical Service,1999,85(3):145-148.

[4] 龔錦涵.對失事潛艇艇員援潛救生技術的評估[J].中華航海醫學與高氣壓醫學雜志,2003,8(1):11-13.

[5] 林鴻灼,朱文祥,伍吉祥,等.著某型脫險服上浮速度規律的探討[J].海軍軍事醫學,1985,7(4):28-30.