海軍艦艇核生化集體防護發展概況

周　平，張忠良，康　健，王　磊，游俊琴（防化研究院，北京 100191）

海軍艦艇核生化集體防護發展概況

周平，張忠良，康健，王磊，游俊琴
（防化研究院，北京 100191）

為保障水面艦艇在平戰中都能在海上核生化環境中完成相應的任務，從防護核生化事故、次生核化災害以及防護核生化戰爭等角度深入闡述研究水面艦艇的集體防護系統。詳細分析國內外現有的集體防護系統技術要素以及核生化集體防護裝備中濾毒通風系統核心元件濾毒器性能，對比分析國內外水面艦艇集體防護能力的差別，為我國今后集體防護技術要素改善提供參考和思路。

艦艇；核生化；集體防護；濾毒器

0　引　言

核武器、生物武器以及化學武器統稱為大規模殺傷性武器［1］。隨著科學技術的發展，核生化武器和運載工具的改進，擁有和可使用核生化武器的國家不斷增多。雖然大國之間直接核戰爭的可能性已大大減少，但在未來的局部沖突、海戰和恐怖極端分子中使用核生化武器的可能性卻極大提高。核生化武器對海上的打擊目標主要是大型艦艇（如航空母艦、巡洋艦、驅逐艦、核潛艇等）。其次，攻擊目標是海軍基地、港口、運輸補給船只和沿海重要目標，以切斷敵方海上交通線和后勤支援，最終使敵方癱瘓，以便支援登陸作戰。此外即使是在非戰時執行各項軍事行動時也可能會遭遇核生化危險［2-3］。

海軍艦艇受到核生化武器攻擊時的環境稱為核生化環境，艦艇是海軍主要的戰斗裝備之一，其很容易受到核生化殺傷性武器的威脅［5］。當水面艦艇被核生化武器襲擊或遭遇核生化污染時，由于艦艇上人員密而集中、活動范圍小，此時工作人員無法立即撤出沾染區。深入開展對核生化集體防護系統的思考與研究，是為了保障海軍艦艇官兵在遭受到核生化威脅時仍然有效遂行軍事任務，而且十分必要。因而，采取更加積極有效的防護措施對處于海上沾染區的艦艇是現代集體防護亟待解決的問題。

1　國內外海上艦艇集體防護系統發展概況

隨著高新技術的發展，國內外先后出現了新型全封閉、信息化的大型艦船，艙面逐步實現了全封閉化，艙室的氣密性有了新的提高，艦船防護系統已經發生重大轉變，由注重個人防護轉向注重艦船集體防護體系的構建，水面艦船集體防護體系就是艦船在核生化條件下保障艦船及其人員免受或減輕核生化武器襲擊后產生的放射性灰塵、生物戰劑、毒劑和作戰兵器傷害的各種裝備及其技術。海上艦艇集體防護系統是指在艦艇內劃設集防區，包含對已受到核生化污染傷害的艦員進行救護，對暴露在核生化污染環境下工作的艦員實施個人防護［4］；防護船體和武器設備在核生化污染期間最大程度減少核生化污染物沾染，并且當艦艇離開核生化污染海區后對艦艇和相關設備進行洗消。

集體防護技術研究［6］始于一戰期間，那時整個防護系統簡單，到了二戰時，更高毒性的化學戰劑相繼出現在戰場上，為了增強集防系統中濾毒單元的防護性能，研究人員在活性炭上浸漬鉻、銅、銀，用以提高對放射性灰塵和高毒戰劑的防護。直到二戰結束以后，世界各國先后對集體防護系統開展深入研究并設計出各種集體防護系統。

1.1德國

20世紀60年代初，原聯邦德國最早開發并設計成功第一代水面艦艇集體防護系統 DSK 系統［7］。那時，德海軍已開發研制了濾毒增壓通風并輔以空調通風結合設計的全艦集體防護轉換系統，并將該系統列裝在“漢堡”級驅逐艦。德軍 2002年服役的F-123、F-124級護衛艦具備在核化生環境下的全時防護能力，其列裝的正是全艦集防系統。德國水面艦艇用核輻射和化學戰劑探測系統（SNCDS）由多組核輻射探測器和化學戰劑探測單元等組成，基于數字化接口構成獨立完整的全艦核生化監控系統。核輻射探測配置γ劑量和劑量率探頭、γ和中子總劑量探頭、α/β-β/γ 沾染探頭；化學戰劑探測配置紅外遠程遙測探頭和遙控單元；并且系統由 24個濾毒組合而成，戰時每小時可為全艦提供總量高達 18 900m3的潔凈空氣。這些裝備都極大地提高了德軍艦的核生化預警和防護能力。

1.2俄羅斯

俄羅斯海軍航母及各型艦艇均列裝了集體防護系統。參照“庫茲涅佐夫”級和“現代”級驅逐艦航母的設計可發現，俄海軍艦艇的集體防護系統設計思路與德海軍有所不同，俄艦艇安裝的集防系統增壓通風與空調通風相互獨立，采取分區分級和區域內單元艙室為中心的獨立濾毒增壓通風集體防護方式；同時，俄羅斯海軍具有較完備的艦用核化監控系統，作戰指揮室設有核化監控中心。核輻射監測配備了γ 射線照射劑量強度計、β 放射性氣溶膠濃度計等。例如，“現代”級驅逐艦實現全艦集體防護［1］，該套集防系統通過設置 9個集防區而實現；“庫茲涅佐夫”航母集防系統覆蓋艙室達到 400 多個，最大區域高達 20 000 ～30 000m3。

1.3美國

美國海軍由于早期對海上生物和化學戰爭的認識不足，因而對集體防護系統研究的發展較晚和較慢。1965年，美國海軍在 USS Thomas 驅逐艦上安裝了仿造德海軍的操作系統。直到 70年代末，美海軍自行開發設計出了水面艦艇有限規模的集體防護系統，如LHA-2，LSD-41“惠德貝島”號兩棲船塢登陸艦列裝的集防系統，主要僅針對艦艇上重點部位［8-9］，防護區域較小。1980年以后，美海軍逐步在各級驅逐艦以及航母上全面配備集體防護系統［10-11］。據文獻報道，美國為驅逐艦設計的集體防護系統每小時總供氣量達50 000m3，染毒空氣通過三級濾器，得到清潔空氣并送入艙內，該系統可維持全艦各密閉區內的超壓達500 Pa。

此后，美海軍更加注重水面艦艇核生化集體防護能力的建設，開始研制第一套完整的自行設計的艦載集體防護系統，要求各型艦艇必須構建規定等級的集體防護系統，且防護面積越來越大，如 LHD-1“黃蜂”級艦艇［9］，可以防護全艦約 1/3的區域。此后，美海軍集防系統發展更迅速，其 1991年服役的DDG-51型導彈驅逐艦配備了大區域的集體防護系統。同時，艦艇對核化生污染的集體防護能力與抗飽和攻擊、模塊設計等并列作為美軍艦艇的先進性考核指標［13］。由此可見美海軍對集體防護能力建設的重視程度。

海灣戰爭以后，美軍對在用的集防操作系統進行了改裝。如 LHD-1～LHD-7，LHAl-I，HA 等艦經過改裝，設立了2個全防護等級的集體防護區；在其他新型艦艇上，如LHDI，ADE-6和 LSD-44 艦的生活區和工作區都裝有集體防護系統。最近，美國福托尼克斯公司研制成功采用紅外激光多普勒系統，探測距離為 15 km的核生化監測系統，系統實時探測（日夜）、分辨率高、體積小，可對戰劑范圍定位、風速測定綜合處理等。其對水面艦艇集體防護裝備的投入非常大，如 T-AOE-6補給船和 LPD-17“圣安東尼奧”級兩棲運輸艦實現了全艦一半以上的區域防護［14-17］。圖1為 LPD-17 艦集防區示意圖，陰影部分代表實現集防的區域。

1.4其他歐洲國家

歐洲其他海軍強國，比如英國、挪威、法國、西班牙也一直在增強各自水面艦艇的集體防護能力。2009年服役的英海軍 45 型驅逐艦、挪威“南森”級護衛艇裝備有先進的集防系統；法國護衛艦“拉斐特”裝備的是全艦集防模式；西班牙 F-100 型護衛艦已實現在核生化環境下艦艇全區域集體防護能力，該套系統對染毒空氣的處理能力很強，通風量達到 12 000m3/h。

圖1　LDP-17集體防護區域圖Fig.1　The LDP-17 collective protection area

1.5韓國和日本

韓國海軍列裝的KDX-1 級驅逐艦，艦艇上總共設計有 4個核化生集防區［18］。KDX-3 級驅逐艦現在列裝的核生化集防系統更加完備，防護能力更加完善［19］。日本 2007年服役的“愛宕”級驅逐艦對其集防系統進行了改進，吸收了美國海軍“阿利·伯克” ⅡA艦的布局，該集防系統安裝了過濾通風、超壓系統，添加了監控系統［20］

1.6中國

中國集體防護系統主要針對戰時開發設計，兼顧非戰時核生化威脅，防護效能高，費用低。海軍艦艇的門、窗、口蓋全封閉，建筑材料性能好，水密門被氣密門取代，保證密閉艙超壓維持在 500 Pa 左右［3-4］，使在相對風速 57kn （一般戰場上核生化戰劑釋放的相對風速不會超過該風速）時仍具有防護作用。此外為有效抵御核沖擊導致的超壓，建筑結構必須十分牢固。

2　水面艦艇集體防護體系的構成

水面艦艇集體防護系統構成復雜，是由很多設備組合而成，其中主要包括集防區空氣污染監控設備、氣密和超壓控制設備、濾毒通風設備及其他輔助設備組成［21-24］?？諝獗O測設備可以實時有效監控集防區環境，包括對空氣中煙霧、氣溶膠、放射性粒子以及生化毒劑的監測，以達到掌控處于核生化條件下密閉艙室空氣的質量，保證人員正常呼吸；氣密和超壓控制設備首先要使水面艦艇船體絕對密閉，然后適當建立超壓條件保證集防區中的污染物不能滲入艙室；濾毒通風設備是整個集防系統的核心裝置，染毒空氣進入該設備后，化學毒劑可以完全被濾除，實現在核生化環境下供給艦員清潔的空氣呼吸，保證艦員生命安全。集體防護系統按防護機制不同又分為隔離式防護和過濾式防護。

2.1隔離式防護

最早蘇聯設計使用過隔離式防護系統，該系統的工作原理是對艙室密閉，與周圍環境相隔離。長時間在這種密閉艙室內工作，會對艦員產生很大的生理影響，因為當列裝隔絕防護系統的艦艇處于核生化環境下，必須緊閉門窗，關閉通風，人員不得出入，這必然導致艙室內氧氣、水蒸氣和二氧化碳等濃度變化，影響人員正常生理特征。

2.2過濾式防護

如上所述，隔離式防護系統在安全方面有很多弊端，一直以來該系統不被其他國家采用，現代大型水面艦船都采用過濾式防護。過濾式防護又可劃分為有限防護區和全防護區。二者過濾原理完全一樣，只是根據防護需要對水面艦艇的防護區域分級劃分。整個防護過程可以簡述為3個步驟：首先污染空氣通過預濾芯后可以將其中的大顆粒物質去除；再次進入高效顆粒濾芯，將含毒煙霧、放射性微粒和生物戰劑濾除；最后氣體進入濾毒器將氣態化學戰劑濾除。經過這3個程序之后，空氣被完全過濾凈化，輸出潔凈空氣，由通風管道輸入各密閉艙室。

在大型艦船上，為了保證各密閉艙室優良的防護效能，需要維持艙室內的靜超壓值最低與外界的動態超壓值相等，此時要求超壓值達到 500 Pa，艙室內大部分廢氣可由主機艙排出，避免受染毒空氣沾染，保持艙室內空氣清潔。表1列出了過濾式防護系統的主要構成設備。

表1　核化生防護裝備的組成Tab.1 The composition of NBC protective equipment

3　集體防護系統核心裝置濾毒單元的改進

集體防護裝備的關鍵材料是活性炭或者在活性炭上浸漬催化劑的炭吸附材料。目前各國海軍在艦船集體防護系統中使用的都是利用活性炭材料浸漬過催化劑的過濾器，這種濾毒單元性能較好，能在規定時間內有效濾除核生化毒劑，為艦艇密閉艙室提供潔凈空氣供艦員呼吸，表2列出了防護區主要空氣成分的控制要求。

表2　防護區空氣成分的控制指標Tab.2 Protection zone of air composition control indicators

利用浸漬活性炭作為核心裝置濾毒單元器的材料，通常會遇到濾毒器使用壽命的問題，這就造成了濾毒器在使用一定時間后必須更換的問題，很明顯會造成后勤維修更換的負擔，所以該材料在使用上有所限制。正因為活性炭材料在這個方面的不足，催生了集體防護核心設備目前的3個發展方向［3］：等離子體催化技術；制氧除二氧化碳技術；可再生變壓/變溫吸附技術。其中發展前景最好的技術當屬可再生變溫/變壓吸附技術，其技術原理是：在設備內設有低溫或高壓吸附塔，在該條件下，分子篩活性炭材料具有更好的吸附性能，可以更高效吸附空氣中所含有的氣體毒劑，直至吸附達到飽和后，在高溫或低壓脫附塔，即在高溫或低壓狀態下脫附掉之前吸附的化學毒劑，這樣染毒空氣就被濾除干凈，為艦艇輸出清潔空氣供人員呼吸。該技術開發應用成熟，廣泛用于氣體干燥、提純、和空氣分離、凈化等領域。美國和英國率先取得突破，新系統采用一對過濾器輪流過濾和清洗，即當一個過濾器在對進入空氣進行過濾時，另一個則在用高溫高壓排除污染物。這種高溫高壓輪換系統被稱為可再生過濾（REGEN）。REGEN 系統運行成本低。美國 Pall 公司和英國 Domnick Hunter 公司利用這一特性，分別研制開發了基于變壓吸附技術的可再生濾毒裝置，由 Battelle Memorial Institute和 Chemical and Biological Defense Agency等機構對它們進行了實毒測試，化學毒劑或模擬劑包括：2-CEES，PS，GD，DMMP，DMMP，DMMP，AC，CK，全氟異丁烯，異丁烯，R23，R134a，辛烷和乙醇等。經過多次反復試驗，測試變壓吸附濾毒裝置的工作時間和效能，發現其可以連續工作長達 500h，并且檢測經過該套裝置后輸出的空氣，沒有任何化學毒劑，輸出即可正常供人員呼吸。但是該濾毒裝置正常工作需要維持在很高的壓力條件下，如果為此單獨加壓，一定會引起裝置功率、體積和重量超標的問題，以至于影響到該套設備的使用范圍。而美軍有一套專門的方案解決此難題：在艦船的艙室環境控制系統中添加濾毒通風裝置，共用空氣壓縮機和過濾器等設備，這樣布局可以有效地減小裝置功率、體積和重量，使其廣泛運用于海軍艦艇中，提高水面艦艇的核生化防護性能。

國內學者對處于核生化環境下染毒氣體凈化處理進行了研究［25-28］，張重杰［29］系統研究了可移動煙霧快速凈化裝置。設備主要包含風機、粗濾器、濾毒單元等。染毒空氣進入裝置后首先經過風機，此時已將大顆粒粉塵濾除；然后空氣再進入粗濾器，這時可以將顆粒直徑在 10 μm以上粒子濾除；接著再進入濾毒單元，將空氣中的化學毒劑氣體濾除，輸出潔凈空氣。依照不同使用要求，某些部件需要配置一些備用配件，這樣既可以節約材料和費用，又可以充分保證對染毒空氣過濾凈化的需要。圖2為煙霧快速空氣凈化裝置結構示意圖，染毒空氣進入裝置后被多次過濾后即輸出潔凈空氣。

圖2　煙霧快速空氣凈化裝置結構示意圖Fig.2　Rapid contaminated air purifying device

集體防護系統是集采暖通風、空調系統、核生化監控防護為一體的永久性綜合防護系統，是核生化防護的最佳選擇，因此在設計建造新艦艇特別是大型艦艇時，應將集體防護系統考慮在內，以適應戰爭的需要。

4　總結與展望

雖然現有的艦艇集體防護技術自使用以來，十幾年內技術上沒有大的更新和換代，但未來戰爭復雜多變，各國海軍都十分重視為海軍艦艇配備核生化防護裝備，加強艦艇核生化集體防護系統建設。從世界各國研究發展水面艦艇集體防護能力趨勢可看出：

1）艦艇上區域性防護轉向全艦性防護發展、戰時防護轉向全時防護發展等集體防護能力有所改進，未來將會更加注重并提高全艦全時防護的能力。

2）當前應集中解決潛艇，尤其是核潛艇以及水面艦船密封艙室的環境對艦艇人員的綜合影響，密閉艙室有害污染物的消除，改善并提高濾毒通風系統核心裝置濾毒器的濾毒性能和防護時間。

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Overview of the development of naval ship NBC collective protection

ZHOU Ping，ZHANG Zhong-liang，KANG Jian，WANG Lei，YOU Jun-qin
（Research Institute of Chemical Defense，Beijing 100191，China）

To protect surface ships in peacetime and wartime can finish the corresponding task under the nuclear and biological environment，describing in depth the collective protection system of surface warship from the protective chemical accident，secondary nucleation disasters and protective nuclear and biological war.The characteristics of the key components of the system and the core component of the NBC collective protection system are analyzed in detail，analysis of the difference of the surface ships' collective protection at home and abroad，which would provide reference and ideas for the improvement of China's collective protection technology in the future.

naval ships；NBC；collective protection；canister

R852.7

A

1672-7619（2016）07-0001-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.07.001

2016-01-28；

2016-02-29

周平（1991-），男，碩士研究生，研究方向為化學防護。