專業救生裝備的功能及其發展趨勢探析

祁浩偉,李 琴,陳思羽,張 敏,周 莉,張龍琳,*

(1.西南大學 紡織服裝學院,重慶400715;2.西南大學 重慶市生物質纖維材料與現代紡織工程技術研究中心,重慶400715)

隨著社會安全要求的提高,相關水域活動、體育項目以及船舶、軍事等作業種類逐漸增加。同時,人們對生命安全防護有了新的要求,保護人們在相關活動中的安全愈加重要。救生是一個廣義的概念,是指所有救助或保護生命的過程實施;它的狹義范疇是劃定在落水或者溺水過程中救護生命安全的行為過程。本文所討論的救生是狹義范圍內有關水域安全的救生。“救生設備與裝置”源于國際公約,指本身具有足夠的浮力浮在水面,使得被救助者穿著或使用時能夠正常呼吸、維持生命的裝置設備。現有的救生設備種類繁雜,不論是大型的鋼板型救生艇或日常的救生衣,它們使用的核心救生材料或原理種類有限且相似,研究是以如何維護人類在水域活動時的安全、救護以及使用者的舒適等為目的進行開展。本文主要分析現有的救生設備,即為滿足不同受眾人群的需求的不同類型、結構的救生設備,并分析其未來發展趨勢。

1 救生設備的發展背景

1.1 國內外發展狀況

國外對于救生衣的研發開始于軍方,起源于二戰時期,是為了應對不同兵種的作戰要求所開發的專用救生裝備和服裝。隨著科技的發展,這些救生裝備也將新技術(如GPS定位)等作為附屬組件加入救生衣中。國內海軍在20世紀50年代引進了艦船救生衣,但有限的救生材料為自主開發帶來了限制,因此在開發前期,我國在技術方面進展緩慢,只有空軍飛行員和海軍配備有救生設備,由于二者在面臨的水域狀況和落水環境的差別,海軍設備的原理集中在氣囊牽動和浮板的復合浮力提供上,而空軍則使用的是氣囊充氣的脖頸救生設備。在此之后,我國開始借鑒國外的功能救生設備的經驗,開發國內的救生衣[1]。

1.2 救生設備的研究背景

國內外對救生設備的開發和改良主要在航運、水上船舶作業、軍備使用和個人防護用品等幾方面。救生設備是在水環境下穿著的一種特殊設備,因目標群體和場合需求的不同,在開發過程中使用了充氣裝置、機械氣囊、不同材料的浮板以及浮力材料的混用和其他具有救生特性的可穿戴配件配備等來解決不同水域安全的救生需求。

2 救生浮力基礎需求

現有的救生衣和救生裝備,大小體積各不相同,從最基本的簡單浮力提供的救生衣到加入其他發熱、傳感等裝置的多功能救生服裝,這些救生服裝在造型、整體結構到細節設計雖有所區別,但基本的浮力來源有3類[2]。第1類是利用空氣密度小于水的特性,將空氣壓縮進柔性且已經塑形的特質材料(如橡膠)中,作為救生設備提供浮力;第2種是利用本身質量輕、體積小特性的材料作為基本浮力支撐,材料來源于軟木、木棉以及聚乙烯泡沫塑料材料等,再用帆布、塑料等其他服裝或外包軟性面料在表皮覆蓋粘合制成救生設備;第3種是利用以上兩種原理和材料運用在以服裝為主體的救生設備中,浮板作為固有浮力材料,充氣氣囊部分作為附加浮力,通過機械或口閥裝置啟發裝置氣瓶充氣,提供浮力。

2.1 充氣救生材料

這種救生材質在提供足夠浮力的同時,由于其易攜帶、方便使用者日常活動的特點而運用廣泛,不論泳池專用的救生圈,還是救生浮和橡膠救生艇的浮力提供都源于充氣。現有充氣救生設備的充氣啟發裝置有機械和口閥兩種,機械氣囊配備有壓縮氣體的氣瓶和氣閥[3],需要通過傳感器刺激或使用者手動操作打開氣閥,讓氣瓶將儲存的氣體充入需要充氣的氣囊,使得氣囊膨脹后產生浮力;口閥充氣需要使用者用充氣管或嘴將空氣灌入充氣設備中,最常見的是救生圈和浮力臂。現在,各類即時充氣氣囊救生衣越來越普及。

2.2 浮板救生材料

被用作救生浮板的材質有聚乙烯泡沫塑料、軟木和木棉。其中,軟木產救生衣的人體貼合度較差,外力下易破損,已經被其他材料所取代。泡沫塑料材料具備防水特性,可增大救生衣在水中的浮力且發泡倍率可控,物理可塑性強,加工難度低,價格低廉,是現在廣泛應用的救生材料之一。木棉纖維韌性差,不適合直接用作紡織材料進行加工,被用作救生衣的內部填充材料。

2.3 混合材料救生設備

混合材料的救生設備多被用在專業救援或有目的和方向明確的救生領域(如軍事領域)。在材料運用方面是將浮板作為固定浮力提供,多使用泡沫塑料在服裝的不同結構部分予以配置,氣室氣囊作為浮力補充或利用服裝結構分割的方式作為浮力分布的輔助材料,實現口鼻或身體部分的防護目的。

3 救生設備的種類

通過以上3種不同材質形式的浮力供給,根據使用者面對的水域環境不同,設計的救生設備的結構和構造也不同。

3.1 個人救生裝備

個人救生設備包括獨立個體在游泳池、河流等水上運動使用的個人防護設備和救生衣。這類救生設備對于適體性和維持運動靈活度要求較高,需要給使用者以較大限度的肢體活動空間,不能妨礙使用者的正常活動。從結構造型而言,市面上使用較多的個護設備包括救生圈、游泳浮板、浮力臂等(見圖1),都配備口閥裝置,結構簡單,易于操作且可以為使用者提供基本浮力,使用較為廣泛。最新型的充氣救生設備有美國加州格里德利市的開發團隊開發的可穿戴式充氣救生裝備Kingii(見圖2),其外形小,整體構成包括腕帶、氣罐和氣囊,整個設備僅有4.9盎司(139g)。使用者佩戴在手腕上,必要時打開氣閥,刺激啟發高壓氣罐,罐內的二氧化碳氣體會瞬間釋放充滿氣囊,使氣囊膨脹,并從氣囊倉彈出并產生浮力。

圖1 個護救生裝備

圖2 Kingii救生可穿戴裝備

個人救生衣(見表1)包括標準救生衣、氣囊救生衣、釣魚救生衣和兒童救生衣等,這種救生衣多適用于個人在人工水域或有人工保護限制的水域環境下活動時佩戴。標準救生衣的主要組成部件是泡沫塑料浮板,外包尼龍或帆布面料,兩邊配有系繩以固定救生衣。氣囊救生衣有單囊和雙囊之分。雙囊充氣救生衣的兩個氣室相互獨立,配備有1套充氣裝置和口充氣閥,在背部、頸部靠沒有氣囊結構的橡膠帶作為連接;單囊充氣救生衣的氣囊配備1套充氣裝置和氣閥,氣囊打開后圍巾式脹起在前胸兩邊。氣囊的啟發裝置多為拉繩,使用者拉動拉繩啟發氣囊裝置,氣瓶中的二氧化碳氣體充入氣囊,得以漂浮。釣魚用救生衣多為背心夾克結構,浮力材料采用泡沫塑料,常見的釣魚用救生衣有領部,為了配合釣魚過程拋竿等動作,袖籠弧較深,左右共4個口袋,方便裝魚餌等小配件漁具,腰帶可調節適體松緊度。

表1 個人救生裝備的救生原理和性能強度

3.2 專業救生裝備

船舶是水上必備的交通和運輸工具[4],救生衣是乘船者必備的救生設備(見表2),主要有防汛救生衣、消防救生衣和漁檢救生衣等,這一類救生衣是水上救援或船員進行水上作業時所使用的救生衣(見圖3)。船只上的救生設備一方面需要具備體積小,易存放且易于穿著的特點;另一方面對比個人救生設備,由于所應對的水域范圍廣,需提供更大的浮力。

圖3 船用作業救生衣

作業用救生衣[5]多使用軟質閉孔泡沫塑料或即時充氣材質作為浮力材料,保證浮力和長時間下的免泡損,救生衣上的系繩起固定救生衣貼合度和固定浮力材料的作用。這類救生衣根據作業和航運需求的不同,有結構不同的無領背心和脖領設備。其組件配置簡單,因水域工作范圍有限而配有反光材料,便于救助發現。現有作業用救生衣防護性最高的是浸水救生服(見圖4),適用于專業航區航行船舶、石油平臺和其他海洋作業工程。服裝本身所具有的浮力,有水密、浮力和自然保溫功能,另外配備了哨笛和救生衣燈。可在溫度在-30℃～ +65℃之間的環境進行作業。使用者在5秒內就會翻轉到臉部朝上的位置。

圖4 浸水救生衣

海上救生浮是由泡沫塑料材料為主體的矩形圓角浮力設備,由泡沫塑料塑形制成,在海上溫度、氣候變化時,浮力具備耐久性,乘員定額6～12人,在底部配有繩網,兩側配有船槳和救生浮索,可供使用者坐在里面,劃動救生浮。

國內標準充氣救助艇的材質采用的是橡膠,用于各種航區航行的船舶作應急。平時多疊放在玻璃鋼容器內。在使用時拉動氣閥拉索,二氧化碳氣瓶會對救生筏充氣,救生艇鼓脹成一個帶蓬帳結構的圓形軟筏。不同的軟閥載人量因規格不同而異,可載4～45人不等[6]。同時,救生筏內還帶有淡水桶、食品箱、醫藥箱、救生信號彈或火箭以及自動呼救電臺等物品和裝備。帳頂上有閃光燈,便于救援者在夜間搜尋。乘坐在蓬帳里可以避免海浪沖擊、寒風侵襲或烈日曝曬等特殊海上氣候狀況。

3.3 軍用救生裝備

現代救生設備最初研發的出發點是運用于軍隊,保護兵種安全的同時提高作戰效率。早在20世紀40年代,喬治·赫伯特·沃克·布什作為海軍飛行員執行任務時,已作為其跳傘逃生的充氣式“救生背心”。近年來,軍用救生設備根據兵種的不同,在設備的內外結構上分別有空軍、陸軍、海軍以及傘兵救生設備(見表3)。對比以作業為主的救生衣和個護救生設備,軍用救生設備在未進入水環境保持運動靈活性,控制使用者落水姿態等細節方面的要求更高。在提供足夠浮力的同時,在結構方面重組設計,做浮力分布,讓使用者保持某一種姿勢在水面上漂浮,防護口鼻部位,保證人身安全。同時,為了配合士兵作戰,軍用救生衣使用可靠的織物加密或加厚材質,可以承受槍械等作戰武器的重量,便于直接攜帶武器進行作戰。隨著現代科技的進步,更多通訊、定位等可穿戴設備被作為配件裝備在救生服中,是現有所有種類的水域救生設備中最嚴謹和具代表性的一類。

表2 船舶救援救生裝備的救生原理和性能強度

3.3.1 海軍救生裝備

海軍救生設備的外部結構有背心救生衣和夾克式救生衣。美國海軍潛艇艇員專用全套MK-1充氣背心(見圖5)[7],整體由1件外罩織物和1個充氣氣囊兩部分構成,外罩是1件開衫式背心,面料使用88%阻燃棉和12%高強尼龍混紡粗斜紋面料,內有里襯,充氣氣囊在外罩與里襯之間。這兩部分可以拆卸清洗,且氣囊和外罩都可替換。前襟扣合方式使用單向撳鈕和拉鏈2種。MK-1救生衣可提供至少10.9 kg的浮力及自動扶正功能,使用者在等待救援時頭面朝上漂浮于水面。圖5為該系列商用版背心,附帶粘合扣,充氣裝置及口閥管。MK-1背心式救生衣有不同號型分別和顏色區分不同的作業種群。除了嚴謹的浮力設計之外,MK-1還配有較為完善的遇險報警組件,如人員落水指示器、遇險信號等。人員落水指示系統是以海水激活的個體落水報警裝置,包括發射器、接收器和測向儀。其中,發射器位于MK-1和自浮力救生衣外套上,激活后會有射頻信號發出,船上的接收器在收到信號后會直接進入視聽報警,表明落水者的身份。發射器也會向測向儀發射信號,并連續提供落水者所在方位。遇險信號燈裝在MK-1救生衣的上口袋和在棄船救生衣的配件袋中,遇水可激活。其他配件還有反光膜、海水染色劑、哨笛、集成的撈救吊帶等。

3.3.2 傘兵救生裝備

對于傘兵而言,救生的設計并非傘兵裝備的主要目的,因此在外部形式方面,傘兵救生設備的浮力提供的是U型雙囊救生設備,套在使用者脖頸的兩側,脖頸后的部分保持空心,形成簡易浮力分布結構,可以保證傘兵在水中保持頭部浮出水面,防止口鼻進水。氣囊材料使用橡膠,配備機械充氣組件,通過啟發組件刺破氣瓶,使氣瓶中的氣體灌入氣囊。我國自主研發的SJ-4傘兵救生裝置,長度剛及前胸,佩戴后并不影響傘兵其他裝備和武器的使用。

圖5 MK-1充氣背心

表3 軍用救生裝備的救生原理和性能強度

3.3.3 空軍救生裝備

國內的空軍救生和歐美航空兵裝備所使用的救生設備均是領脖式救生衣,從SJ-5(見圖6)到最新的空軍17式空軍飛行服,救生裝備部分都要求具有負擔重量小、體積小、佩戴方便且與其他器具共同使用兼容性好的特點。在水上救生時,浮力大、更能保證正確的漂浮姿態,使肩部以上部分浮出水面,達到快速救生的目的。現有的空軍17式飛行服的救生衣組件主體長約50 c m,寬約32 c m,本身重量低于1.5 kg,前后背帶將救生衣固定在胸前。組件上另外配備有備用氣囊,手動自動充氣裝置只連接到一個氣囊,另一個備份用的氣囊只能通過口閥補氣,氣道的閥口氣體單向流動,只進不出。

4 救生裝備的發展和展望

現有的救生裝備有多種類型和結構,呈現出多樣化的同時而浮力提供方式零散,一部分救生裝備大多強調浮力值,注重漂浮功能,而忽視了使用者的穿著適體性、舒適度和浮力所應達到的防護目的。社會的發展對于救生設備的專業性能、穿戴生理和心理直觀感受提出了更高的要求[8]。

圖6 SJ-5空軍救生衣

4.1 救生材質

不論是民用或軍用救生裝備,所用到的浮力材質歸結起來不外乎浮板材料和充氣材料兩種,浮板材料質量輕,能夠提供給使用者一定的浮力值,生產造價低廉,但是由于它的體積較大,生產出的救生裝備存在一定固有厚度值,使用者在日常和水域環境下的運動會受到影響。由于人們對于生命安全問題越來越重視,也越來越趨向于用直觀舒適感來評價使用物,而充氣材料在氣囊啟發前攜帶方便,可折疊,輕薄,即時氣囊救生衣在3～5 s內可以完成充氣,符合人們對于救生衣的要求,因此在救生裝備的設計及使用中,氣囊和新興充氣材料的使用會進入更廣范圍的研究和發展中。

4.2 救生屬性

作為救生裝備研發的核心價值,救生屬性的改良和適量添加依然是發展過程中不可忽視的環節。基本的浮力提供方面,氣囊在充氣啟發過程中存在小概率的啟發失敗事件,因此在設計過程中,應該注重備用氣室附著固有浮力提供的設計,在啟發方式上也可以采用口閥和機械啟發的方式相輔相成。

除此之外,可根據用途添加不同的有效可穿戴屬具。在民用救生設備中通常添加聲音或光原理報警裝置來引導救援,釣魚救生衣添加口袋裝小型漁具,添加傳感報警裝置,在發生意外時可直接向周圍環境發出警報;兒童救生衣添加智能定位等功能,并連接信息技術,可實時監控兒童的安全和活動位置。在專業救生設備屬具上,一方面添加口袋方便攜帶作戰或作業小設備;另一方面,根據環境不同具體分析,海事救生材料應防腐蝕、耐磨損,軍用救生衣添加實時跟蹤系統(如GPS、北斗定位等)、傳感、人體檢測等屬具,方便指揮作戰,加強團體協作。

4.3 救生設備的外觀和結構

除了以上兩點救生功能的發展節點,在救生設備的外觀和結構方面可繼續改良,一方面是對救生的輔助效用,另一方面主要針對民用救生衣在不影響救生功能的前提下達到外表美觀。前者體現在救生設備的內在結構和外觀顏色方面,現有的產品為使用者提供了足夠的浮力,除了浮力的必要條件,需要通過浮力達到一定的救生目的,從人體工效學角度看待結構設計,適當的浮力分布可以讓落水后使用者口鼻向上并高于水面。在外觀救生裝運用到的顏色中,選用光譜波長的顏色可使人們的可視度更高更遠,利于救援。后者由于會出現在我們生活的場合中,在不影響救生效果情況下,可以在外觀設計和腰帶等位置進行做美化,提高穿著的舒適感。

5 結語

隨著救生材料的發展,人們對于水域活動的認知不斷更新,救生裝備的結構形式和所面對的用途覆蓋越來越廣泛,品類越來越齊全。不同用途的救生裝備對于浮力的承重值和人體漂浮狀態要求更加精細,即能在材料的體積大小、材質選擇方面更加精確,保證水域環境下應有的運動量。但是,浮力 分布的普及和細節設計依然在不斷地改進之中,在保證落水者的基本起浮要求下也要保持安全的漂浮姿勢和狀態。救生衣的設計應該繼續關注使用者穿著的生理和心理感受,從人體工效學出發,研發新材料,從延展性以及浮力分布的角度進行結構設計和材質開發,同時要加強遇險警報可穿戴配件的設計和合理應用,提高安全救援的可能性,全方面保證人類生命安全。

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