大氣環境控制技術在“蛟龍”號載人潛水器上的應用

姜 磊，金鳳來，侯德永，劉 帥

(1.中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫214082;2.海軍駐天津地區軍事代表室，天津300000)

0 引 言

近年來，隨著能源危機的愈演愈烈，世界各國爭相將探索能源的目光投向了深海領域。深海作為一塊人類開發不多的領域，由于其中蘊藏著豐富的礦產資源，世界各國紛紛加大了對深海探測領域的投入，載人深潛器的研制應運而生［1-2］。載人潛水器(簡稱HOV)可以攜帶海洋科學家進入海洋深處，在海底現場直接觀察、分析和評估，還可操作機械手實現高效作業［3］。美國正在研制的“新埃爾文”號、日本的“深海6500”號和我國成功完成7000 米級海試的“蛟龍”號載人深潛器，均是這種類型的潛水器，也都是在這種大背景下展開研發的。對于“蛟龍”號這種類型的載人潛水器而言，由于其乘員均處于載人艙內，載人艙內的大氣環境直接作用于乘員的身體，其運行好壞直接關系到乘員的生命安全，因此必須對乘員的生存環境進行研究分析并加以控制。本文將針對一些常見的環控方式進行探討，分析它們運用于“蛟龍”號的優缺點。

1 大氣環境控制技術的內容及要求

大氣環境控制技術多見于潛艇、潛水器、載人航天器等運載器的載人密閉艙室內。由于這些運載器的工作環境均處于水或真空等人類無法直接呼吸生存的場所，因此運載器的乘員或駕駛員無法從外界獲得新鮮空氣，必須由運載器提供一套自循環式呼吸生存環境。在這種情況下，大氣環境控制技術應運而生。

大氣環境控制技術大致可以分空調通風系統、呼吸供氧系統、二氧化碳清除系統、空氣凈化系統及大氣環境監測系統等［4］。上述5 個方面中，空調通風系統主要針對環境的溫濕度進行改善，以提高乘員的舒適度，人體舒適溫度一般在15℃～27℃之間，濕度一般在30% ～70%之間(50%最佳);供氧及二氧化碳清除系統直接針對乘員的生存，氧濃度過高或過低均會威脅乘員生命安全，而二氧化碳氣體濃度過高也會對乘員產生不良影響，因此各類運載器對這2 種氣體濃度均有明確的指標要求(見表1);大氣環境監測系統針對艙室內的各種有毒有害氣體濃度進行監測報警，由空氣凈化系統對其進行清除。

必須指出的是，隨著運載器的工作任務、工作時間、安裝設備及乘員人數等的不同，密閉艙內的有毒有害氣體的種類及濃度均會不同。以潛艇為例，英國海軍用GC- MS 技術定性分析出有機污染物195 種，其中芳香族化合物42 種，脂肪烴77 種，含鹵化合物20 種，含氧化合物l8 種，其他元素化合物4 種［5-7］。針對種類繁多的氣體，每種氣體均加以檢測及清除是不現實的，因此，國際上較多采用的是根據運載器的任務需求，除H2，CO，CO2等氣體必須清除的氣體外，對大量有機污染物和不確定氣體根據相應的衛生規范采取有選擇的檢測及集中清除。

表1 不同環境下對氧氣、二氧化碳的容許范圍［8-9］Tab.1 The permissible range of oxygen and carbon dioxide in different environment［8-9］

2 “蛟龍”號對環控技術的特殊要求及取舍

2.1 “蛟龍”號對環控技術的特殊要求

“蛟龍”號作為一種深海作業類深潛器，其性能和外形與一般的水下運載器有很大的區別。首先，其載人艙的內部空間較小，大約在4 ～5 m3;第二，其乘員為3 人，乘員人數較少;第三，由于其下潛深度最深達到7 000 m，所以其動力無法由母船或其他岸基設備供電，只能采用蓄電池組作為動力源;第四，“蛟龍”號水下正常作業時間較短，為不大于12 h。

載人深潛器的這些客觀條件對其大氣環境控制技術的應用有很大的約束。首先，載人艙的體積小決定了其環控裝置的體積應盡可能小;第二，由于采用蓄電池組供電，環控裝置的能耗應盡可能小;第三，由于內部空間小，其對各類有害氣體的容許濃度也較小，拿二氧化碳氣體濃度來說，從表1 可以看出，載人深潛器載人艙內的二氧化碳濃度指標只有潛艇的一半，因此，載人深潛器的環控裝置的效率應很高;第四，同樣由于內部空間小，對有害氣體的容許濃度很小，因此，在對有害氣體的處理過程中，不允許出現另外的有毒有害物質;第五，同樣由于內部空間小，供氧應盡可能的平穩、連續，艙室內氧氣的濃度不能有大幅度的變化［8-9］。

2.2 “蛟龍”號對空調通風系統的取舍

“蛟龍”號的載人艙內徑只有2.1 m，其內部除3 名乘員外，還安裝有大量執行任務必備的儀器儀表。因此，其內部空間非常緊張，而深海的工作環境及電池作為動力源也進一步限制了常規的空調通風系統在“蛟龍”號上的應用。因此，設計過程中，“蛟龍”號在載人艙內沒有設置空調降溫系統，取而代之為2 套小型空氣循環風機，起到促進載人艙內空氣對流及改善乘員主觀感受的作用。圖1所示為“蛟龍”號的環境通風風機。另外，當“蛟龍”號結束下潛任務，進行維護保養或日常檢修時，在母船上為其設置了一套降溫空調，以避免陽光直射或環境溫度高導致的載人艙內溫濕度過高。

圖1 “蛟龍”號環境通風風機Fig.1 The ventilator in Jiaolong

事實上，“蛟龍”號在執行下潛任務時，除去下潛前的甲板準備和上浮至水面等待回收這兩段較短的時間以外，其載人艙均處于水下。而海水的溫度隨著下潛深度的增加逐漸降低，7 000 m 時海水溫度只有大約1℃左右，圖2和圖3 為7 000 m 海試中蛟龍號潛至本次海試最大深度7 062 m 時的深度和海水溫度曲線截圖(截圖橫坐標為時間歷程，按計時方式hour:minute:second 順序排列，縱坐標分別為深度和溫度，以米和攝氏度為單位)。

圖2 “蛟龍”號下潛深度曲線Fig.2 The diving-depth graph of Jiaolong

圖3 海水溫度曲線Fig.3 The temperature graph of seawater

從圖2 可以看出，本次下潛大約從7:50 開始，大約在10:30 達到最深值。而隨著潛水器的入水，海水的溫度開始顯著變化:從圖3 中可以清晰地看出，海水溫度隨深度的增加而急劇下降，其下降趨勢近乎為一條垂直的直線，從大約300 m 開始，海水溫度的下降趨勢開始放緩，在2 000 m 左右的深度，海水溫度達到最低點，之后一直維持在大約1℃左右。而上浮過程中海水溫度曲線近乎與下潛時對稱。

海水溫度的這一變化特性直接影響到載人艙內的溫度和濕度。由于“蛟龍”號的載人艙采用鈦合金制作，載人艙外也沒有鋪設隔熱設備，因此，“蛟龍”號下潛過程中，隨著載人艙金屬外殼的熱傳導，載人艙內的溫度也逐漸降低，最終將維持在一個較低的水平。圖4 為此潛次載人艙內的溫度曲線截圖(截圖橫坐標為時間歷程，按計時方式hour:minute:second 順序排列，縱坐標分別為艙內溫度，以米和攝氏度為單位)。

圖4 載人艙內溫度曲線Fig.4 The temperature graph in the manned hull

從圖4 中曲線可以看出，在7:50 左右潛水器開始下潛之前，隨著陽光直射和載人艙艙口蓋的關閉，載人艙的溫度呈上升趨勢，而隨著潛水器入水，艙內溫度開始明顯遞減。隨著時間的流逝，當熱量傳遞趨于平穩后，溫度下降的趨勢開始趨于平緩，17:57 左右，潛水器開始上浮，此時艙內溫度達到最低，約為13℃左右。之后，隨著潛器的上浮，載人艙的溫度開始上升。

艙內溫度的變化將直接導致載人艙內濕度發生變化:艙內溫度高時，環境相對濕度偏大，而艙內溫度低時，相對濕度也會降低。圖5 為本潛次載人艙內相對濕度的曲線截圖。從圖中曲線可以清楚看出:載人艙內的最大相對濕度大約為92%，最低時只有40%，整個下潛期間，載人艙內都維持在較低的相對濕度。

圖5 載人艙內相對濕度曲線Fig.5 The relative humidity graph in the manned hull

低溫和低濕會帶來2 個問題:潛航員會感到寒冷和空氣干燥易起火。對于這2 個問題，“蛟龍”號采取了增設乘員保溫衣物和所有艙內設備材料均使用阻燃材料來加以解決。

綜上所述，對于“蛟龍”號這類大潛深、作業時間短且能源、內部空間有限的載人潛水器來說，在載人艙內安裝常規的空調系統比較困難，因此可以采取一些簡化措施，但是必須做好相關的載人艙內通風、潛航員防寒和艙內設備的阻燃工作。

2.3 “蛟龍”號對空氣凈化及大氣環境監測系統的取舍

由于有害氣體的種類繁多，無法做到對每種氣體進行監測及凈化，而“蛟龍”號受自身條件所限，無法使用潛艇等水下潛器常用的燃燒法來去除有害氣體。因此，“蛟龍”號的空氣凈化措施及大氣環境監測系統做了一定程度的簡化:執行下潛任務時，使用Draeger accuro 手泵及配套的有害氣體檢測管選擇對部分有害氣體進行監測，該型手泵在德國海軍潛艇上得到過廣泛應用，曾在潛艇上進行列裝，下潛任務結束后對載人艙進行持續通風來進行空氣凈化。同時，對于艙室內因濕度大而可能產生的微生物或有害菌，“蛟龍”號使用紫外線消毒燈進行消毒。

另外，在“蛟龍”號的設計建造過程中，載人艙內禁止使用產生揮發性氣體或有毒有害氣體的材料和設備，這一點對于艙內空氣凈化起到了非常關鍵的作用。表2 為某潛次載人艙內有害氣體種類檢測表。“蛟龍”號只選擇了9 種較為常見的有毒有害氣體進行檢測，對于其余的有害氣體，由于其產生環境在“蛟龍”號上難以出現，予以忽略。從表中可以看出，對于選定的這幾種“蛟龍”號載人艙內的有害氣體，其濃度完全能夠滿足相關衛生規范的要求。

表2 某潛次載人艙內有害氣體濃度檢測表Tab.2 The consistence of poison gas in the manned hull during a certain diving

2.4 “蛟龍”號對供氧系統的取舍

目前，比較常見的封閉空間供氧技術有超氧化物供氧(空氣再生藥板)、物理供氧、電解水供氧、氧燭等。這些供氧方式各有其優缺點，為了選擇一種適合于“蛟龍”號的供氧系統，從體積、耗能、產氧速度等方面對這些供氧技術進行比較分析，詳見表3。

表3 幾種供氧技術優缺點分析表［8］Tab.3 The contrast of some supplying methods of oxygen［8］

經比較分析，根據“蛟龍”號自身的特點，最終選擇使用高壓氣態供氧技術作為供氧系統。設置3 套供氧裝置，分別作為正常開放式供氧裝置，應急開放式供氧裝置和應急閉式供氧裝置并加工樣機，供氧裝置如圖6所示。

2.5 “蛟龍”號對二氧化碳清除系統的取舍

比較常見的二氧化碳清除方式一乙醇胺堿(MEA)吸收、固態胺吸收、分子篩吸收、超氧化物吸收、堿石灰吸收、氫氧化鋰吸收等。這些清除方式各有其優缺點，為了選擇一種適合于“蛟龍”號的二氧化碳清除系統，從體積、耗能、吸收效果、對環境的要求等方面對這些清除方式進行比較分析，詳見表4。

圖6 供氧裝置樣機Fig.6 The sample model for oxygen supply

表4 幾種二氧化碳清除方式優缺點分析表［9］Tab.4 The contrast of some absorption methods of carbon dioxide［9］

經比較分析，“蛟龍”號最終選擇使用化學吸收的方式進行二氧化碳清除。使用氫氧化鋰作為吸收劑，另外設計了一套結構形式為軸向流通形式的吸收裝置作為氫氧化鋰的反應床。使用時，二氧化碳從吸收裝置底部進入，經吸收劑吸收后沿軸線方向從裝置頂部流出。圖7 為吸收裝置樣機的原理圖及照片。

圖7 吸收裝置原理圖及照片Fig.7 The sample model for absorption of carbon dioxide

3 大氣環境控制裝置的實際使用情況

大氣環境控制裝置樣機加工完成后，隨“蛟龍”號潛水器參加了1 000，3 000，5 000和7 000米級海試。4 次海試中，系統總運行時間約為260 h，運行期間，載人艙內的各項指標均達到了設計要求，完全滿足相關規范要求。同時，尤為重要的是，整個海試期間，大氣環境控制裝置運行良好，未出現過一次故障。這進一步證明了這套大氣環境控制技術的可靠性。

受篇幅所限，以系統單次運行時間最長的7 000 米級海試加以說明。該次海試中，系統單次運行時間每次均達到10 h 以上，最長的一個潛次運行時間達到12 h。圖2 ～圖5 即為此潛次中潛深、海水溫度、艙內溫濕度的數據曲線截圖，此處不再另加說明，而是主要對供氧及二氧化碳清除系統的運行情況進行說明。

3.1 供氧裝置的運行情況

圖8 為上述潛次中載人艙內氧氣濃度的數據曲線截圖。從圖中曲線可以看出，下潛過程中，載人艙內的氧濃度基本在19% ～22%間波動，完全符合任務書的要求。

同時，從圖中曲線可以看出，氧濃度在開始下潛和潛至規定深度準備作業時，有2 個比較明顯的拐點。出現這種情況的原因是:由于開始下潛時，潛航員要在艙內執行一系列的規定操作，此時潛航員的生理狀態處于比較興奮的狀態，此時耗氧量將大大增加，從而造成艙內氧濃度降低;而潛至規定深度準備作業時，潛航員將會處于操縱機械手等一系列精神高度集中的工作狀態，這種情況下也造成其耗氧量大量增加。2 種情況均超過了中等勞動強度25 L/h 的標準人均耗氧量。這時供氧系統將改變動作，自動增加氧氣流量以適應潛航員耗氧量的改變。曲線上緊隨其后的上升也證實了這一點。曲線的上升和下降充分說明了供氧系統完全能夠滿足實際下潛的要求。

圖8 載人艙內氧氣濃度曲線Fig.8 The oxygen consistence graph in the manned hull

3.2 二氧化碳清除裝置的運行情況

圖9 載人艙內二氧化碳濃度曲線Fig.9 The carbon dioxide consistence graph in the manned hull

圖9 為上述潛次中載人艙內二氧化碳濃度的數據曲線截圖。從圖中曲線可以看出，下潛過程中，載人艙內二氧化碳濃度曲線均能維持在0.5%以下，達到了設計任務書的要求。同時也進一步說明二氧化碳清除裝置采用無水氫氧化鋰作為二氧化碳吸收劑的可行性。

4 結 語

載人潛水器是人類開發利用海洋資源，實現國民經濟可持續發展的必不可少的手段［11］。隨著我國逐漸加大對海洋裝備領域的研究力度，各種類型的載人潛水器將會逐步出現，各種新技術、新設備也將會不斷研究，進一步完善現有裝備的不足之處。

本文介紹了“蛟龍”號的特點及其載人艙對大氣環境控制技術的特殊要求，論述了“蛟龍”號使用區別于其他類型載人艙室的大氣環境控制技術的原因，通過分析其裝置在海試中的運行數據，進一步證實了該技術的有效性和工程應用的可行性。這對從事相關領域研究的人員有很高的參考價值。

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