深潛器救生鐘臍帶電纜若干問題的討論

王子純， 王春江

(1.江蘇東強股份有限公司，江蘇東臺224247;2.上海電纜研究所，上海200093)

0 引言

眾所周知，艦船在大海航行中有時會發(fā)生意外事故，例如，建國初期，我海軍在我國東海地區(qū)進行軍事演習，因某種原因某艘常規(guī)潛艇從海底浮出水時，與水面上某艦艇發(fā)生碰撞后沉沒。由于我海軍剛建立不久，缺乏應急救生打撈船及相應裝備，除一個戰(zhàn)士從魚雷發(fā)射口逃生之外全部遇難。上世紀90年代，俄羅斯在歐洲北海軍事演習時，一艘核潛艇因內部氣體泄漏并發(fā)生爆炸后沉沒。因限于該國救生打撈船只及相應裝備落后，經多次搶救均告失敗。

通常，潛艇發(fā)生事故并下沉海底時，會立刻發(fā)出求救信號，并連續(xù)不斷地呼叫。救生船只及直升機將迅速趕到出事海域，并及時探測遇難潛艇的具體位置，然后派出潛水員潛入海底進行搶險和救生。可是，眾所周知，在海水里每增加10 m深度就要增加一個大氣壓。因此，即使是經過長期訓練的高級潛水員，盡管裝備了專用潛水服及裝置，通常每深潛10 m就需要停留數(shù)分鐘或更長時間，以調節(jié)潛水員體內各器官適應海水水壓和環(huán)境，否則將危及生命。由此可見，即使在淺海(50～100 m)，一次深潛也要花費很長時間。另外，潛水員深潛到高水壓惡劣環(huán)境下，其工作時間不宜太長，必須按規(guī)定時間上浮，否則同樣會危及生命。可是，上浮程序和方式與下潛一樣，必須逐步停留，同樣需花費很多時間。而且，這種陳舊的救生方式只能用于淺海。因為潛水深度通常不超過50 m，否則水壓太高會危及潛水員的安全。

針對上述問題，歐美各國開發(fā)了一種深潛救生鐘及其配套用的臍帶電纜，以滿足深水(數(shù)百米)中快速、安全，以及能長時間潛水救生的需要。

1 工作原理和過程的簡介

正如文獻［1］所述，特種用途電線電纜是應用于特殊環(huán)境或特殊用途的專用電線電纜，因此其材料選擇和結構設計非同一般。在設計前應了解與線纜產品配套的裝置或設備基本情況和工作原理;其次，要根據(jù)配套運用時，線纜使用環(huán)境、使用條件、使用方式，以及運行中實際情況，進行全面綜合分析;然后才能提出合理和正確的技術路線、技術方案、技術要求和試驗方法，并進行產品材料選擇和結構設計，最后還須進行計算和驗證。因此，首先應深入了解救生鐘下潛救生的工作原理和過程。

通常，當打撈救生船——工作母船到達潛艇(或艦船)出事海域并探測到具體位置的同時，數(shù)名潛水員進入救生鐘并關閉密封窗，然后啟動起吊裝置，通過懸掛救生鐘上端的鋼索纜繩起吊并漸漸地放入海水中。與此同時，與救生鐘上方相連的臍帶電纜也隨之入海，而其另一端始終與工作母船相關設備連接。

臍帶電纜必須由以下幾部分組成:

(1)通氣管。主要用于氧氣的輸送，供潛水員呼吸。但是，所提供的氧氣其壓力將隨著救生鐘下潛入海的深度而逐漸升高，一方面為了使?jié)撍畣T能逐漸適應相應的水下壓力，以便一旦走出救生鐘進入高水壓海水中不會危及人身安全;另一方面，一旦救生鐘到達水下潛艇出事地點，可打開救生鐘的密封窗，因鐘內氣壓與鐘外海下水壓相同，所以海水不會涌入，潛水員可自由潛出密封窗進行救生工作。工作一段時間后仍可返回救生鐘，進行調養(yǎng)和休息，這樣解決了長時間在水下進行搶救作業(yè)的問題，也可高速潛入海中進行救生工作。反之，救生完畢后，救生鐘逐漸上吊出水，鐘內氣壓逐漸減小，直至與鐘外常規(guī)氣壓相同，潛水員走出密封窗也不會發(fā)生意外，保障了潛水員的安全。

(2)電力電纜和控制電纜。救生鐘臍帶電纜通常有多根電力電纜和控制電纜，供機械操作、照明等供電，以及對某些救生用具和裝置的調控。

(3)通信電纜或通信光纜。主要用于潛水員與工作母船工作人員通話和圖像傳輸，便于信息交流和現(xiàn)場指揮，早期曾采用通信電纜，目前已被通信光纜所替代。

從上述可知，臍帶電纜實際上是一種新型綜合纜，它是潛水員的生命線，因此，必須保證絕對安全可靠，否則將危及潛水員的生命。由于其另一端始終與工作母船——救生打撈工作船相連，所以猶如懷孕的母體與胎盤中的嬰兒之間連接的生命線——臍帶。同樣，我們把航天飛船航天員出艙時所穿著的航天服背后相連的電纜也稱為臍帶電纜，其道理是一樣的。

2 臍帶電纜設計若干問題的討論

2.1 受力構件的選擇

應該說，救生鐘起吊入海和出海主要依靠高強度鋼索纜繩。由于救生鐘重達數(shù)噸或數(shù)十噸，再加上海水深度數(shù)十米或上百米，鋼索本身自重也不低，更主要是，由于潮水起落，即使無風所產生的海浪和海涌也決不可低估，更不要說天氣惡化引起大風浪，因此該纜繩要求強度極高，這不是本文討論的主題。

同理，臍帶電纜盡管本身不參與救生鐘起吊，但其所受到推拉力同樣是巨大的，因此要求具有極高抗拉強度、較小外徑和自重，這是首要的設計條件。由于芳綸纖維柔軟、重量輕(密度低)，并具有比高強鋼絲更高的抗拉強度［2］(見表1)，目前已廣泛用于電線電纜或光纜中，所以應選用芳綸纖維作為臍帶電纜的受力構件。據(jù)文獻［3］報道，一種牌號為Zylon的PBO纖維(含有芳香雜環(huán)的聚苯唑聚合物)其密度與芳綸纖維相近，但抗拉強度更高(見表2)，若采用其作為受力構件則更佳。

表1 芳綸纖維種類和性能

2.2 輸氣管的選擇

由于輸氣管用于輸送氧氣，是潛水員的生命線，所以要求絕對安全可靠，一定要連續(xù)擠出，不允許有任何缺陷(氣孔)或接頭，其次必須能承受一定的氣壓，要求無色、無味、無毒、密度小，其次硬度適中，既柔軟，便于彎曲，又有一定剛度，彎曲時不易變形。通常可選用聚乙烯、聚丙烯或乙丙橡膠之類彈性體。

2.3 電力、控制電纜和光纜的選擇

臍帶電纜導線通常采用正規(guī)絞合的鍍錫銅線，為了增加電纜的柔軟性和耐彎曲性，導線的絞合節(jié)徑比要小，絕緣線芯的成纜節(jié)徑比也要小。為了盡可能減小電纜外徑和重量，宜選擇密度小、電性能優(yōu)良、機械強度高(可減薄絕緣厚度)的絕緣材料，通常可選用輻照交聯(lián)聚乙烯。由于通信光纜與通信電纜相比，重量輕、外徑小、容量大，是臍帶電纜的最佳選擇，具體技術要求與上述相同。

表2 Zylon纖維與其它纖維性能的對比

2.4 護套材料的選擇

正確選擇護套材料是本產品關鍵之一。表3為幾種典型的特軟電纜護套料及性能比較。新型熱塑彈性體聚氨酯具有硫化橡膠和一般熱塑料的綜合性能。其突出優(yōu)點是密度小(重量輕)、強度高、彈性大、耐磨、耐氣候、耐輻照、耐油、柔軟(特別是低溫下柔軟)、高伸長率、高模量、易著色和易加工(不需要硫化，可用普通擠塑機擠出)。這些綜合性能是目前任何商品橡膠和塑料不全具備的［4］。因此，根據(jù)臍帶電纜使用環(huán)境、條件及要求可以認為它是唯一的選擇。

表3 幾種典型的特軟電線電纜護套料及性能的比較

經對國外生產的軍品(實物)進行化驗和分析，并參閱了相關資料，發(fā)現(xiàn)在上世紀70年代前，歐美各國軍用電纜護套較多采用低溫硫化的氯丁橡膠，因為護套內的絕緣材料大多采用耐溫較低的聚乙烯或聚氯乙烯。自70年代起，國外已采用了新型熱塑彈性體聚氨酯材料，逐漸代替了氯丁橡膠［5，6］。從表3可知，聚氨酯的電性能和機械物理性能略高于氯丁橡膠，除了不需硫化之外，最突出優(yōu)點是強度高、耐磨、耐低溫(低溫柔軟性及低溫動態(tài)彎曲特性優(yōu))。上海電纜研究所某項目研究小組曾對用這兩種不同護套材料制成的同規(guī)格、同類型野外通信電纜進行對比試驗，已證實了這一結論(見表4)。

使用聚氨酯時還須注意以下兩點:(1)聚氨酯分為聚酯型和聚醚型兩種。前者遇到水分或在濕度大的環(huán)境下，很容易發(fā)生水解，將大分子量的彈性體裂解為若干小分子，導致產品老化。因此電纜護套必須采用不會發(fā)生水解的聚醚型聚氯酯。(2)通常，聚氨酯材料不阻燃，而作為軍用特種用途電線電纜無論是陸上和海上均要求具有阻燃特性。因此，必須采用經改性的阻燃型聚氨酯。實驗證明，其與氯丁橡膠一樣可滿足阻燃特性的要求(見表4)。

表4 國內外同類型產品機械物理性能的比較

3 結束語

地球是人類生存和養(yǎng)育的母親，它有著遼闊的大陸和無邊的海洋，海域占有的面積非常巨大，而且海底尤其深海蘊藏著大量已發(fā)現(xiàn)和未發(fā)現(xiàn)的礦藏，以及無數(shù)的動植物。這些都有待于人們探索、開發(fā)和利用，可以說，其技術難度和風險并不亞于人類對太空宇宙的探索。隨著人類科學技術不斷地進步，為了可持續(xù)發(fā)展，人們必然會對大海進行深入開發(fā)和利用。這就需要開發(fā)各種類型水下機器人、水下探測器和深潛器，以及調研用的微型潛水艇等，與其配套的特種用途的電線電纜也將獲得發(fā)展，其應用的前景是廣闊的。本文僅對救生鐘臍帶電纜救生工作原理和過程，以及產品結構設計、材料選擇作簡要介紹。通過一些基礎知識和基本設計思想方法的討論，或許能對電纜技術人員有所啟示和幫助。

［1］王春江，范洪欣.特種用途電線電纜的設計和研究及其指導思想［J］.電線電纜，2007(1):7-11.

［2］徐應麟主編.電線電纜手冊(第2冊)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2001.

［3］李光，周學軍，魏巍.PBO纖維應用于高強度微型光纜的可行性研究［J］.電線電纜，2007(4):7-9.

［4］王春江.阻燃、聚醚型聚氨酯熱塑彈性體在野外特種用途通信電纜中應用［J］.電線電纜，2007(5):1-5.

［5］王佩琪.氨基甲酸乙酯電纜外護套［J］.通信電纜，1977(2):56-58.

［6］秦大甲.國外海洋軍用光纜發(fā)展動態(tài)［J］.光纖與電纜及其應用技術，1997(2):3-10.