潛水員水下作業裝備體系研究

紀永強，張 超，石宇豪，謝 嵐，徐高正

(1. 中國船舶工業系統工程研究院，北京 100190；2. 海軍裝備部裝備項目管理中心，北京 100071)

0 引 言

海洋覆蓋了地球表面積的71%，蘊含著豐富的礦產、生物等重要資源，隨著全球人口的增長、陸地資源的消耗和海洋工程裝備的發展，許多國家都將注意力轉向海洋。其中，潛水員潛水活動是人類駕馭海洋的重要形式，海洋資源開發、水中工程建設、援潛救生打撈、科學研究探索、水下活動競技等活動均需要潛水技術的支持。潛水技術主要是指人類等陸生生物，采取某種方式主動從陸地空氣環境穿過氣-水界面進入水下，在一定深度停留一段時間并完成一定活動后，按一定程序上升出水的過程[1-2]。

裝備體系是指為完成一定使命任務而有不同類型的裝備系統組成具有整體功能的系統集合[3]。裝備體系是“需求牽引”和“技術推動”的共同產物，“需求牽引”解決有效性的問題，重在從“需求端”明確裝備使用需求，“技術推動”針對特定需求從“供給端”的具體實現[4]。潛水活動發生在不同于空氣的水下環境，水下作業裝備為潛水員在水下高壓環境開展作業活動提供適宜生存的微小環境，解決潛水員水下作業的呼吸、抗寒等生理活動和實施水下作業。本文分析了潛水員實施潛水活動的作業剖面，進一步結合水下環境特點從“需求端”明確了對潛水員水下裝備的功能需求，進而根據功能需求建立了潛水作業裝備體系，并從“供給端”探討潛水員水下作業裝備體系的發展趨勢。

1 潛水員水下作業裝備需求分析

1.1 水下作業環境分析

水下環境作為潛水作業的環境介質，與空氣環境具有截然不同的特點。水的溫度、阻力、靜水壓、水流、光聲傳播特性等因素，與地表正常大氣環境迥然不同，都將對潛水員水下作業的生存和作業活動產生影響。

1）水溫

多數情況下，海水溫度要低于人體溫度，且潛水多在一定深度下完成，因此潛水作業的水下環境多為低溫環境。因此，潛水員水下作業應采取必要措施降低人體在水下環境的熱量散失問題。

2）阻力

潛水員水下移動時會受到水的阻力。阻力對潛水員水下作業的影響主要包括妨礙潛水員水下活動，影響作業效率，同時還消耗潛水員體力；延遲了潛水員到達現場的時間。

3）光聲傳播特性

由于無線電波和光波在海水中傳播會產生嚴重的衰減，造成潛水員的水下作業環境能見度較差，無法單獨借助視覺手段進行信息互通。

4）水下作業活動

潛水員可在水下焊接、水下應急救援、反水雷作戰等水下作業中發揮獨特作用。因此，針對不同的作業活動需要，潛水員要攜帶特定的水下作業工具實施水下作業。

祝國寺和駐祝國寺的東川區佛協，是政府對佛教進行有效管理的重要力量。祝國寺對東川大小佛寺的影響，不單單是一個先進模范那樣的榜樣作用，而且是有效的管理者。按照《宗教事務條例》規定，根據東川實際情況，區民族宗教局、區佛協、祝國寺共同制定了《小寺小廟管理辦法》。對區屬17所小寺小廟的登記、組織建設、僧人管理、監督等進行了具體規定。特別重要的一點是，祝國寺與17所小寺小廟簽訂了《托管承諾書》，經區民族宗教局批準建立的寺廟納入“承諾書”規定的范圍進行管理。

1.2 水下作業過程分析

潛水員水下作業過程一般可分為航渡階段、潛航階段、作業階段和返航階段。為提高作業效率，一般情況下潛水員乘水面快艇等快速抵達作業水域；隨后，潛水員在作業水域入水潛航接近作業現場，抵達預定位置；抵達作業現場后，在指揮信息設備的支持下，潛水員在水下開展救援打撈、工程建設等水下作業活動；水下作業結束后，潛水員采用安全方式緩慢上升至水面，并根據潛水員身體狀況實施進行醫療干預[4]。受人體生理條件的限制結合水下作業實際情況，可根據需要增派潛水員通過接力方式協同完成水下作業活動。潛水員水下作業的主要流程如圖1所示。

圖1 潛水員水下作業流程圖Fig. 1 The flow chart of underwater operation process for frogman

1.3 水下作業裝備體系

根據潛水員水下作業環境等因素及水下作業環境的分析，明確了對潛水員水下作業過程的功能需求，按功能這里將潛水員水下作業裝備劃分為生命支持設備、運輸投送設備、指揮信息設備、作業工具設備。

1.3.1 生命支持設備

生命支持設備為處于水下環境作業的潛水員提供安全、可控環境。潛水員生命支持設備主要為水下作業的潛水員正常生理活動提供氧氣，同時去除人體新陳代謝產生的二氧化碳等并保證潛水員身體處于相對舒適的溫濕度微環境空間。生命支持設備是潛水員開展水下作業的基礎保障類設備[5]。生命支持設備主要包括呼吸支持設備、環境檢測控制設備和水下保暖設備。

呼吸支持設備作為生命支持設備的核心設備，支持潛水員長時間內在水體中完成呼吸，保障水下作業活動的順利開展。按照呼吸氣體回路不同，呼吸支持設備可以分為開放式呼吸器、閉式呼吸器和半閉式呼吸器。開放式呼吸器只需要考慮人的呼吸對氣體供應質量流量的生理要求，但因向水體中排放呼出氣泡，隱蔽性不足；閉式呼吸器可確保所有氣體在封閉回路中循環，消除了呼吸過程向水體排出的氣泡，可提高潛水員水下作業的隱蔽性[6]。

環境檢測控制設備用于監測和控制潛水作業過程潛水員局部微環境的相關信息，防止呼吸氣體中氧氣、二氧化碳和氦氣的分層，保障二氧化碳被二氧化碳吸收劑的充分吸收。同時，通過溫度濕度的控制檢測，使得潛水員處于舒適良好的溫度濕度局部工作環境。

水下保暖設備主要為潛水服，將潛水員與外界水環境隔離開來，不僅可防止潛水員體溫散失過快、造成失溫，起到保暖作用，還可避免潛水員受到傷害。

1.3.2 運輸投送設備

“干式”運載器類似于微型潛艇，里面充滿空氣，潛水員可在內部空間活動，可載十幾名潛水員，并可通過水下感知裝置自動規避水下障礙物[7]。

“濕式”運載器主要包括小型推進裝置DPV（1～2人）和大型推進裝置SDV（4～8人）。DPV是輔助潛水員潛行的裝備，能夠提供推力，降低體能消耗；SDV可搭載于潛艇，達到作業地點后再行釋放[7]。

此外，為提高潛水員投送效率，也可通過水面輸送設備完成潛水員的遠距離運輸。

1.3.3 指揮信息設備

潛水員指揮信息設備主要為潛水員在持續的水下作業過程提供指揮通信、引導定位、水下導航和水下探測等信息保障，主要包括指揮通信設備、信標定位設備、水下導航設備和水聲探測設備等[8]。

指揮通信設備用于潛水員與岸上或水面平臺指揮員之間的通信。基于水下環境特點，指揮通信設備一般采用水聲通信技術，在不同介質間傳輸通過換能器設備完成電信號和水聲信號的轉換[8]。

信標定位設備可為指揮員提供水下作業潛水員的位置信息，一般有信標和信標定位裝置組成，潛水員通過隨身佩戴的信標可向信標定位裝置發送聲信號，通過信息處理等過程可掌握潛水員的水下活動動態[8]。

水下導航設備基于方向、位置等導航類信息，為潛水員水下活動提供導引服務，主要可分為潛水指北針、電磁羅盤導航儀、水聲多普勒導航儀和GPS導航儀[8]。導航設備通過對水下潛水員航向、俯仰、搖擺等信息的累計，實現對潛水員運動過程的跟蹤，并進一步基于需到達位置的信息，解算得到潛水員相對于目標點位置的相對信息，從而為潛水員在能見度很低的水下環境的作業活動提供導引能力。

水下探測設備主要用于潛水員實時獲取水下一定范圍內的環境信息，完成水下作業目標的探測，主要包括水下燈光設備和聲吶設備，其中水下強光燈可完成潛水員在近距離范圍內的信息感知，聲吶設備基于聲波在水下環境的遠距離傳播特性，實現較大范圍內水下目標的探測[8]。

1.3.4 作業支撐設備

作業工具設備為潛水員完成水下特定作業過程的重要手段。根據水下作業類型的不同，作業工具設備也不同。例如，特種兵水下行動所需要的水下槍械、水下爆炸裝備、水下非致命武器和水下刀箭等兵器裝備。工程作業人員所需的水下焊接設備、水下風動鉆孔緊固工具、水下測量工具等，潛水愛好者所需的水下攝像機等。

綜合上述，潛水員水下作業裝備體系如圖2所示。

1.4 裝備體系運用及指標體系

依據潛水員裝備體系組成設備的基本功能及潛水員水下作業過程，潛水員水下作業對裝備體系的運用過程如圖3所示。圖中，虛線表示該階段不使用對應的設備，實線表示作業過程使用相應的設備。

指標體系是反映能力各個要素指標所構成的有機整體和集合。構建指標體系是正確評估裝備能力的基礎和先決條件[9,10]。基于“活動-能力”匹配的思想，建立潛水員水下作業裝備的指標體系，如表1所示。

表1 潛水員水下作業裝備指標體系Tab. 1 The index system of frogman underwater operation equipment

2 裝備發展展望

2.1 生命支持設備系列化

隨著潛水員在水下作業技術的不斷進步，潛水員將越來越多地在不同水域承擔多樣化水下作業任務。針對不同的水下環境，根據人機結合的基本原則，發展成成體系系列化的潛水員生命支持設備，涵蓋多種類型的作戰任務，并匹配水面艦船、潛艇乃至航空平臺等相應的潛水員搭載平臺。

2.2 運輸投送設備隱身化

隱身能力的優劣直接關系潛水員開展秘密滲透行動的成敗。當前，反潛水員聲吶對潛水員運載器投送構成巨大挑戰。英國奎奈蒂克公司（QinetiQ）研發的“冥府守門狗”便攜式潛水員探測器，已經裝備北約部隊。當潛水員、游泳者、自主無人潛航器或潛水員運載裝備出現時，該探測器將向作戰人員發出告警信號。潛水員運載裝備的動力噪聲、通信信號都容易暴露自身位置，而潛水員水下進出艙時系統最不穩定，很容易被探測到。改進運載器的隱身性能、降低可探測性和采取更安全隱蔽的出艙方式，是亟待解決的問題。

2.3 指揮信息裝備集成化

指揮信息設備涵蓋了潛水員水下作業活動所需要的水下通信、引導、導航和探測設備，設備種類繁雜。為進一步減少潛水員佩戴設備種類和質量、改善潛水員水下活動的便捷性和信息感知能力、提升設備的兼容工作能力，需提升信息設備的集成優化水平，研制通用的潛水員水下信息處理器，根據作業任務的不同，配備不同的任務終端。基于信息基礎的快速發展，未來其信息處理器將向著更加通用、綜合、可靠的方向發展，終端設備將趨向模塊化、標準化和系列化。

2.4 作業工具設備便攜化

因水下環境作業的特殊性，潛水員水下作業需要攜帶作業工具設備以保障水下作業活動的有效實施。基于降低潛水員水下作業載荷，應將作業工具設備便攜化處理，保障潛水員能夠快捷攜帶作業工具設備，高效完成水下作業活動。水下作業工具設備設計過程應通過體積小、質量輕及多功能等途徑實現設備的便攜化。

3 結 語

潛水員水下作業是海事救援、海洋工程等領域的重要手段，本文在分析潛水員水下作業環境及潛水員水下作業過程的基礎上，建立潛水員水下作業裝備體系，將潛水員水下作業裝備體系劃分為生命支持設備、運輸投送設備、指揮信息設備和作業支撐設備；進一步研究了裝備的運用過程及指標體系，并展望了未來作業裝備的發展趨勢。本文的分析主要是針對潛水員在民事水下作業領域的分析為基礎的，對于軍事領域的水下作業，還需要針對特定的作業形式，增配適合不同水下任務特點的裝備。