蛙人循環式潛水呼吸器的特點及發展趨勢

顧靖華，方以群，柳初萌，劉平小

隨著各國對海洋資源的不斷深入開發，蛙人作為水下執行任務的特殊群體，以其隱蔽性好、機動性強、獨立、靈活的特點，越來越受到人們的重視，除應用于水下偵查、排雷布雷、破襲作戰和反恐等軍事用途外，在海底打撈、設備維護、海洋考古、海洋探測等民用和科研領域的應用也愈見廣泛。基于水下環境的特殊性，蛙人在執行任務時，必須佩帶潛水呼吸器以維持正常呼吸[1]。潛水呼吸器按照供給呼吸氣體的回路不同，分為開放式和循環式兩類[2]。開放式潛水呼吸器是將蛙人呼出的氣體直接排入水中，無法循環利用，因而水下工作時間較短，隱蔽性較差，主要用于娛樂潛水。循環式呼吸器將蛙人呼出的氣體大部分或全部保留在系統內，經凈化處理后再利用，極大地提高了氣體的利用率，不僅可延長水下工作時間，而且能提高水下潛行的隱蔽性，主要用于軍事潛水和水下攝像、采集標本等科研潛水[3]?；谘h式潛水呼吸器的特定用途和顯而易見的優點，各國均比較重視研發，但其結構復雜，維護保養和操作技能要求較高。因此，對循環式呼吸器的類型、特點進行深入分析，進而根據特定潛水用途，合理選擇、研制和安全使用循環式呼吸器，具有較高的軍事意義和社會意義。

1 循環式潛水呼吸器的類型及特點

循環式呼吸器的基本工作原理是將蛙人呼出的氣體循環再利用，其關鍵問題是需要將蛙人吸入氣中的氧分壓和二氧化碳分壓控制在人體能接受的安全范圍內，防止發生氧中毒、缺氧和二氧化碳中毒[4-6]。各類循環式呼吸器控制氧分壓的方式不盡相同，而控制二氧化碳分壓的方式基本一致，即將蛙人呼出的氣體通過二氧化碳吸收裝置凈化吸收二氧化碳后，再次進入呼吸回路供蛙人呼吸[7]。根據控制氧分壓方式和供氣方式的不同，循環式呼吸器分為3種基本類型[1]：純氧閉式潛水呼吸器(oxygen rebeather)、半閉式潛水呼吸器(semi-closed circuit rebreather)和密閉式潛水呼吸器(closed circuit rebreather)。

1.1 純氧閉式潛水呼吸器 純氧閉式潛水呼吸器采用純氧氣源，以0.7～1.0 L/min的速率通過定量閥不斷供入呼吸袋，蛙人吸取呼吸袋內的氣體，呼出的氣體進入二氧化碳吸收裝置凈化后，返回呼吸袋再次供蛙人呼吸[8]。純氧閉式潛水呼吸器的特點是以較低的質量流量將純氧氣體供入呼吸袋，供氣不足時，可按需手動或自動補氣，因此排出呼吸器的氣體較少，基本上不產生氣泡。為將吸入氣中的氧分壓控制在安全范圍內，使用純氧閉式潛水呼吸器時，必須嚴格限制潛水深度以防氧中毒，一般限制在7 m以淺[9]；在下水之前，蛙人必須進行換氣，充分置換出呼吸回路中的氮氣，保證純氧呼吸。純氧閉式潛水呼吸器氣體利用率較高，噪聲小，隱蔽性高，由于其結構簡單、水下機動性好、操作方便，適用于狹窄、彎曲水域、隧道作業以及軍事作業[10]。

美國的MK25是較常見的純氧閉式潛水呼吸器，其工作深度為25 fsw以淺，工作時間4 h；法國AQUALUNG公司的FROGS純氧閉式呼吸器工作深度7 m以淺，持續工作時間4 h；英國的SHADOW純氧閉式呼吸器的顯著特點是連續工作時間較長，可達6 h(見圖1)。此外，法國的OXYGENS 57、德國的LAR等也是較常見的純氧閉式呼吸器。

圖1 純氧閉式潛水呼吸器

1.2 半閉式潛水呼吸器 半閉式潛水呼吸器采用氧質量恒定的供氣方式，一定氧配比的混合氣經流量控制裝置后，以一定的質量流量供入吸氣袋，人體吸取吸氣袋內的氣體，呼出的氣體進入呼氣袋，然后經二氧化碳吸收裝置除去二氧化碳后，返回吸氣袋中供蛙人呼吸[11]。半閉式潛水呼吸器的氣源是一定含氧量的混合氣，不同深度下，供入呼吸袋的氣體的氧濃度和質量流量是固定的，在定量供氧的同時也定量供入了惰性氣體。為避免惰性氣體在呼吸回路中積累太多，必須通過呼吸袋上的排氣閥定量排放。因此，半閉式潛水呼吸器消耗的氣體雖然僅為開放式潛水呼吸器的1/3，但其氣體利用率與純氧閉式潛水呼吸器和混合氣密閉式潛水呼吸器相比還有一定差距。

使用半閉式潛水呼吸器，吸入氣中的氧分壓在潛水過程中是動態變化的，與水下工作負荷和潛水深度相關。相同潛水深度下，工作負荷越大，蛙人吸入氣中的氧分壓越低，當工作負荷超過呼吸器的設定工作負荷，可能發生缺氧癥；當潛水深度超過設定深度，則存在氧中毒的風險[12]。從減壓安全考慮，一般采用最大攝氧量條件下的氧分壓計算減壓方案[13]，這樣減壓時間就會相應增加。

基于半閉式潛水呼吸器的上述特點，為規范使用，保證潛水安全，首先應根據作業任務，選擇合適的半閉式潛水呼吸器。國際上半閉式潛水呼吸器型號較多，不同型號設定的最大耗氧量也不同，如英國海軍采用3 L/min作為最大耗氧量，而德國的Dolphin設定的最大耗氧量為2.5 L/min，因此應選擇設定最大耗氧量大于預計潛水負荷的半閉式潛水呼吸器[14]；其次，選拔蛙人時應限制體質量，避免由于個體質量過大導致耗氧量超出設定的最大值[15]；半閉式潛水呼吸器多用于確定潛水深度、確定工作負荷以及易控制深度的計劃潛水，水下作業期間，應嚴格按照設定的計劃潛水深度和計劃工作負荷作業，防止由于超過計劃潛水深度發生氧中毒或工作負荷過大導致缺氧癥，下水前、水下工作一定時間和上升前，都應進行換氣，減壓時應減緩上升速度，必要時進行補氣，防止缺氧。

德國drager公司的DOLPHIN型呼吸器是典型的半閉式潛水呼吸器，其特點是可事先根據最大下潛深度選擇不同的氣源配比和不同的定量孔。最大下潛深度17、22、30、40 m時，可分別選用含氧量60%、50%、40%、32%的氮氧混合氣，平均使用時間分別為120、98、69、46 min；法國的CRABS55型呼吸器在最大下潛深度25、45 m時，分別選擇含氧量60%、40%的氮氧混合氣，使用時間分別為180、 20 min。此外，常見的半閉式潛水呼吸器還有法國的MIX55、Oxmix97、德國的LARII(見圖2)、意大利的AZIMUTH以及我國的SCNR等。

圖2 半閉式潛水呼吸器

1.3 密閉式潛水呼吸器 區別于純氧閉式潛水呼吸器，密閉式潛水呼吸器通常是特指混合氣密閉式潛水呼吸器(closed circuit mixed-gas rebreather)。這類呼吸器采用純氧和稀釋氣體(通常是壓縮空氣、氮氧混合氣、氦氧混合氣或氦氮氧三元混合氣)作為氣源，通過氧傳感器和電磁閥的控制，保持蛙人吸入氣中的氧分壓恒定：如呼吸袋內氧分壓低于設定值，電磁閥打開，純氧氣體通過控氧閥進入呼吸袋；如呼吸袋內氧分壓超過設定值，電磁閥關閉，純氧氣體不再進入呼吸袋[16-17]。下潛過程中，呼吸回路氣體受壓縮時，稀釋氣通過按需供氣閥供入呼吸袋，從而維持呼吸回路的體積。稀釋氣還可在系統出現故障時，作為應急開放式備用氣源使用。

密閉式潛水呼吸器除了在下潛過程中需要補充稀釋氣體外，到達一定深度后，只需要根據需求補充氧氣，以維持潛水員的代謝消耗，整個潛水過程中，氧分壓自動控制在預設水平，除了意外情況或上升時，一般不會排出氣體，因此氣體的利用率非常高，噪聲非常小。同時，由于密閉式潛水呼吸器能使呼吸回路中的氧分壓保持基本恒定，在減壓過程中，使用了最大可能的氧分壓，可以加速減壓過程，減壓效益遠遠優于半閉式潛水呼吸器[18]。密閉式潛水呼吸器在各部件穩定工作的情況下，一般不會發生缺氧癥或氧中毒，加上其水下工作時間長，隱蔽性好的優點，非常適合軍事潛水。但是這類呼吸器結構比較復雜，價格昂貴，對維護保養和操作技能要求比較高，在水下存在氧傳感器和控制閥失靈導致供氧障礙等問題[19-21]。因此，使用密閉式潛水呼吸器時，潛水員必須經過充分的培訓，下水前必須按照要求仔細檢查電子元器件的工作狀態，并嚴格按照操作程序開展水下活動[22-25]。

英國的Inspiration(圖3)是典型的密閉式潛水呼吸器，使用空氣作為稀釋氣時，極限深度為40 m，使用氦氧混合氣作稀釋氣時，可潛至100 m。美國海軍使用的密閉式潛水呼吸器為MK16(圖3)，該呼吸器使用氮氧混合氣作為稀釋氣時，最大下潛深度為45 m，使用氦氧混合氣作稀釋氣時，最大下潛深度91 m[26-27]。丹麥的JJ-CCR、美國的CCR2000、德國的SF2-eCCR等均屬于密閉式潛水呼吸器。

圖3 混合氣密閉式潛水呼吸器

2 發展趨勢

2.1 優化二氧化碳吸收裝置 循環式呼吸器與開放式呼吸器相比，一個最顯著的特點是節約了呼吸氣體，延長了水下工作時間。影響水下工作時間的因素除了氣源的使用時間外，二氧化碳吸收裝置的使用時間是另一個決定因素[28]。研制體積小、吸收效率高的二氧化碳吸收裝置是今后循環式呼吸器發展的一個重點。一方面可從二氧化碳吸收劑的成分、顆粒形狀和顆粒大小等方面開展深入研究，研制高效的二氧化碳吸收劑[29]；另一方面，研究二氧化碳吸收劑罐形狀、材料、內部結構等對吸收反應的影響，從而優化二氧化碳吸收劑罐，提高吸收能力，延長使用時間[30-32]。

2.2 提高氧分壓和二氧化碳分壓監測能力 有效的氧分壓和安全的二氧化碳分壓控制是保證循環式呼吸器使用安全的關鍵，國外資料統計，使用循環式呼吸器導致的事故中，由于吸入不當氣體導致的事故約占55%[33]。半閉式潛水呼吸器通過控制蛙人的水下工作負荷和工作深度達到控制氧分壓的目的，但是蛙人在水下工作時情況復雜，極有可能發生工作負荷超過設定量和工作深度超過設定深度的問題。為此，在半閉式潛水呼吸器中配置氧分壓監測系統是今后的發展趨勢。循環式呼吸器通過二氧化碳吸收裝置控制二氧化碳分壓，但迄今未見有呼吸器用的二氧化碳傳感器的報道，因而蛙人在潛水過程中無法獲知二氧化碳分壓，如果發生未按規定填裝二氧化碳吸收劑、使用了用過的吸收劑、吸收劑罐進水、水溫較低吸收效率不好等問題，蛙人將在無預警情況下發生二氧化碳中毒，因此很有必要研制用于水下呼吸器的二氧化碳監測系統。

2.3 提高人機工效 蛙人呼吸器是蛙人進行水下活動的必需裝備，既要確保蛙人在水下的安全，又要方便使用[34-35]。蛙人呼吸器的人機工效直接關系到作業效率，甚至影響到水下的安全性。通過人機工效設計，減少呼吸阻力、縮小呼吸死腔、減小體積重量，提高佩戴和操作的舒適性和靈活性，并保證易裝配、易維修、易儲存是蛙人循環式呼吸器始終追求的目標。

2.4 開發特定用途的呼吸器 根據特定的潛水用途，研究開發特定用途的循環式呼吸器是現代循環式呼吸器的趨勢。如針對水下布雷、排雷等特殊作業任務，研制無磁或低磁呼吸器；針對遠距離破襲作戰，研制與蛙人輸送艇配套使用的長時間循環式呼吸器；針對大深度科考潛水，優化氦氧循環式呼吸器等等。為滿足多樣化潛水任務，研制純氧閉式和混合氣半閉式相結合的呼吸器也是今后的發展方向。這類呼吸器在淺深度采用純氧呼吸，相當于純氧閉式呼吸器，在深度較大時，采用定量供混合氣的呼吸方式，相當于半閉式潛水呼吸器，氣體的轉換由蛙人在水下完成。這樣設計的優點是淺深度純氧閉式呼吸的隱蔽性好，且有利于縮短減壓時間，可改變純粹的半閉式呼吸器減壓時間較長、淺深度隱蔽性不足的缺點。

3 結語

循環式呼吸器是蛙人進行水下偵查、清障布障、破壞敵方港口設施等特種任務，以及執行海上反恐作戰、收復島礁、破襲作戰、執行保衛港口和水下警戒以及科考潛水時的必備器材，發達國家基本都自主研制各種類型用途的循環式呼吸器。我國近年來也開展了相關研究[36-38]，研制了定量供氧的半閉式呼吸器，但尚未開展恒氧分壓密閉式潛水呼吸器的研究。借鑒國外技術方法，深入開展自主知識產權的多種類型的蛙人循環式呼吸器研制，規范循環式呼吸器的使用是下一步工作的重點。