一種新型水上救援拋投彈的設計*

熊林林，劉士林，李冬清，楊曉琳，李雨航

（佳木斯大學機械工程學院，黑龍江佳木斯 154000）

0 引言

根據世衛組織公布的數據，全球每年死于溺水者達37.2萬人，而中國這樣的問題更加嚴重。中國疆域廣闊，水域面積較大，且部分地區多洪澇災害，每年溺水傷亡比比皆是。據中國衛生部發布的數據顯示，中國溺水死亡的人數占非正常死亡人數的8.77%，每年有57 000 人溺水死亡，僅在2007年全國溺水死亡的就高達11.7萬人[1]。大家都知道落水救援分秒必爭，在一般情況下，落水者溺水5 min內被打撈上岸，有90%的可能性被搶救過來，若是溺水5～10 min，則有10%的可能性被搶救過來，而若溺水時間超過10 min，除非有奇跡，溺水者幾乎無生還可能。快速高效的救援可以挽救許多落水者的生命，中國雖然有龐大的需求市場，但水上救援市場存在救援設備簡陋，大多需要施救人員下水救援，下水救援有潛在危險性，因此需要一款無需人員下水的高效水上救援的人性化設備，來提高水上救援效率[2]。拋投器將救援拋投彈拋出去后，救援彈就不受救援人員控制了，其準確落點無法確定，無法滿足快速精確救援的目的，且現有救生拋投器拋投精度不足，入水后救援拋投彈無法移動修正方位，針對這些問題，本文對現有水上救生拋投器的拋投救援彈進行理論設計，旨在提高救援拋投器的救援效率，使其勝任大部分水上救援任務，挽救更多落水者的生命以及避免下水施救的潛在危險性。

1 新型水上救援拋投彈結構設計

1.1 基本整體結構

如圖1 所示，新型水上救援拋投彈由供能控制模塊、氣囊釋放及充氣模塊和噴水推進及轉向模塊組成。通過PTC Creo 軟件采用TOP-DOWN 自頂向下的設計方法，設計出救援拋投彈的各個功能模塊，并將各個功能模塊進行拆分出來[3-4]；拋投救援彈外形采用拉長的水滴型，便于救援彈在水中的移動，殼體采用高強度ABS 材料制成，堅固耐用，抗一定的沖擊力，且救援拋投彈外殼由多個殼體以螺紋連接而成以及連接處有密封橡膠環來保證連接處的密封性，這樣設計，便于更換電池和氣瓶以及便于維修和更換模塊。當殼體全部連接好后，拋投彈內部的空腔可以保證拋投彈能浮在水面上，并且拋投彈內部設備都位于一側，可使拋投彈拋入水中永遠都是另一側朝上。

圖1 新型水上救援拋投彈

1.2 氣囊釋放及充氣模塊設計

氣囊釋放及充氣模塊設計如圖2 所示，氣囊材料采用高強度TPU 尼龍材料，擁有足夠的強度，使用救援拋投彈前，將撞擊桿拉到指定的距離后，通過釋放桿與撞擊桿底部凹槽相互配合鎖定，儲備撞擊撞針的能量。當拋投救援彈入水后，并接收到相應遙控信號后，舵機帶動螺紋桿轉動，釋放桿隨著螺紋桿轉動而下降，解除與撞擊桿的鎖定狀態，拉簧的彈力轉化為撞擊桿的撞擊撞針的動力，撞針受到撞擊刺破氣瓶瓶口，二氧化碳氣瓶內的液體二氧化碳迅速汽化，汽化后的二氧化碳高壓氣體快速為氣囊充氣[5]，氣囊膨脹并將拋棄殼頂開，以此實現氣囊釋放及充氣的功能，為落水者提供浮力，保證落水者在等待下一步救援時能在水面上正常呼吸。

圖2 氣囊釋放及充氣模塊

1.3 噴水推進及轉向模塊設計

如圖3 所示，噴水推進及轉向模塊由推進部分和轉向部分構成。電機采用40 A無刷電機，功率為300 W，電機KV值為3 500 kV，轉向舵機采用9 g全金屬舵機，扭矩為4.6 kg/cm，速度為0.09 s/60°，工作電壓為4.8～6 V；通過無刷電機帶動槳葉高速運轉將水從船底孔吸入，經舷部管子把水錐形的直流噴口高速噴出，靠水的反作用力來推進拋投救援彈，以此為救援拋投彈在水中前進提供所需的動力。通過轉向舵機、轉向導桿、直齒圓錐齒輪的相互配合控制高速噴出的水流噴出方向，從而改變救援彈的移動方向。推進部分與轉向部分相互配合，可將救援拋投彈準確無誤地送達到落水者身前，極大提高了落水救援的成功率[6-7]。

圖3 噴水推進及轉向模塊結構示意圖

1.4 供能控制模塊設計

救援拋投彈的控制系統如圖4所示?？刂颇K采用PWM/SBUS雙信號、6通道2.4 G無線設備作為無線控制的核心，可保證無線遙控擁有抗干擾能力，該遙控設備有效遙控距離在800 m以內，可以滿足大部分水上救援任務。救援拋投彈的所有功能模塊均受無線遙控設備的控制，通過2.4 G無線遙控設備可以控制拋投彈在水中的前進和轉向、以及氣囊的充氣釋放，通過各個功能模塊的相互配合來救援落水者；電源模塊采用一塊2 300 mAh_3S_11.1V_25.5 Wh 的聚合物鋰電池供電，為系統各個部分供電，可滿足絕大部分距離下的救援任務[8]。

圖4 救援拋投彈的控制系統框圖

2 新型救援拋投彈工作流程

新型救援拋投彈的工作流程如圖5 所示，根據落水者離岸邊的遠近，選擇拋投方式。救援近岸落水者，采用手拋的形式將救援彈拋到落水者附近，通過救援彈上電機和舵機的配合將救援彈送到落水者面前，該模式下不用打開氣囊，救援彈外殼上掛有救援繩，落水者抓住救援繩，被岸邊的救援人員拉上岸。若距離較遠且在安全繩的長度范圍之內，可以通過氣動拋投器進行遠距離拋投救援彈，當救援拋投彈入水后，岸上的施救者在通過無線遙控裝置，利用救援拋投彈的推進及轉向模塊進行方位修正，將救援拋投彈遙控到落水者面前，再遠程遙控打開氣囊釋放及充氣裝置，為氣囊充氣，落水者抓住氣囊可使落水者浮在水面上，保持落水者的有效呼吸，然后通過救援拋投彈外掛的救援繩，將落水者拉回岸邊，以此達到快速精準救援目的，也避免了施救者下水救援的危險性。

圖5 救援流程圖

3 結束語

中國疆域廣闊，水域面積較大，且南方地區多降雨，易引發洪澇災害，導致溺水事件頻繁發生，而落水救援卻十分困難且具有一定的危險性，為了解決此問題，結合現有救援設備的缺點，進行改進設計。本文針對現有救生拋投彈拋投到水后無法進行方位修正，可靠性不高、救援難度大等問題，對現有救援拋投彈進行重新設計改進，從而研發一款新型救生設備，該設備適用于不同距離下的水上救援任務。該款救生設備是在現有救生拋投器的基礎上，對原有救援拋投彈進行設計改進，使救援拋投彈在拋射到水中后，仍然具有方位修正的能力，以此提高救援的效率以及成功率，使落水者能夠得到及時的救援，挽救落水者生命安全，避免了施救人員不必要傷亡，能夠勝任絕大部分水上救援任務。該設計具有較強的應用價值，且制作成本較為低廉，原理簡單，容易上手，可大規模推廣，有很好的應用前景。