多功能水下逃生實訓模擬器的設計*

□ 高薇薇 □ 楊立軍 □ 宋 杰 □ 苗紅凱 □ 孫宗宏 □ 王 恒

中海油安全技術服務有限公司 天津 300452

1 設計背景

直升機結構復雜,操作要求高,運行環境多變,事故突發性強。直升機用于海上交通運輸時,面對復雜多變的海洋環境,事故率會明顯上升。直升機突發事故落水后,機內人員在逃生過程中,需要克服心理因素、水力沖擊、失重懸浮狀態、溺水等困難,逃生風險大,難度高[1-3]。國外發達國家相關數據顯示,在37起直升機落水遇險事故中,飛行員預警時間短于1 min。其中,29起事故的預警時間甚至短于15 s[4]。2000年至2012年,全世界共發生98起直升機遇險事故,導致159人死亡,機內人員遇險生還率只有67%[5]。根據理論分析,直升機落水之后,有50%的概率會在1～2 min內下沉、浸水、翻轉、沉沒[6]。在這一過程中,機內人員逃生困難重重。

根據調查,沒有接受過直升機遇險水下逃生培訓的人員,在直升機落水事故中的死亡率高達27%。而接受過直升機遇險水下逃生培訓的人員,在直升機落水事故中的死亡率僅為8%左右[7-8]。由此可以看出,接受直升機遇險水下逃生實訓,可以顯著提高機內人員在事故狀態下的逃生自救技能,從而降低直升機落水事故的人員死亡率。

另一方面,發生汽車意外落水事故時,車內人員面臨與直升機落水事故機內人員類似的險境。根據相關統計,國內每年平均發生汽車意外落水事故300余起,車內人員獲救概率不足10%,幸存人員主要借助外部救援力量。

面對直升機或汽車落水事故中的人員逃生問題,為提高遇險后人員生存率,筆者分析水下逃生實訓模擬器的研究現狀,設計出多功能水下逃生實訓模擬器,能夠滿足多種類型交通工具落水事故的水下逃生實訓需求。

2 水下逃生實訓模擬器研究現狀

2.1 國外

1912年,美國海軍的直升機在執行任務時緊急迫降,由此美國海軍開始研究解決直升機落水遇險后的人員逃生與自救問題。為了滿足美國海軍訓練需求,1944年,全世界第一個直升機遇險水下逃生實訓模擬器Dilbert Dunker被設計出,這是目前已知的最早水下逃生實訓模擬器,如圖1所示。Dilbert Dunker模擬器僅針對單人訓練,并且無法模擬直升機落水后的橫向轉動。

為更好地模擬直升機落水后的狀態,美國海軍于1974年研制出六座Burtech 9D5訓練艙,如圖2所示。Burtech 9D5訓練艙艙內被簡單劃分為駕駛艙和客艙兩部分。繼Burtech 9D5訓練艙之后,Maclean Gibson訓練艙于1985年被研制出,如圖3所示[9]。Maclean Gibson訓練艙是對Burtech 9D5訓練艙的改進,為機內人員逃生實訓設計,能夠實現落水后翻轉狀態的模擬。除客艙區域外,在Maclean Gibson訓練艙的前端和后端設置有模擬駕駛艙,可以同時允許四名飛行員進行訓練。Maclean Gibson訓練艙原始設計沒有出口,并且采用的圓形結構與直升機結構相比差別較大。

20世紀80年代中期,直升機被越來越普遍應用于軍事和民用領域,包括石油和天然氣工業。直升機水下逃生實訓同樣被越來越重視,業內對先進模擬訓練設備的需求則越來越大。1986年,Survival Systems公司建造了一個全新系列的模塊化出口訓練模擬器METS。第一個METS模擬器于1987年投入使用,用于培訓加拿大軍事機組人員和海上油氣工人,如圖4所示。METS模擬器一直在發展,目前能夠復制數十種直升機,以及兩棲車輛、戰斗機、固定翼飛機、硬殼充氣式船等。盡管有許多其它組織設計了水下逃生實訓模擬器,但是METS模擬器目前仍然被認為是業內的世界標準。

Lambor Subsea公司于2000年推出全方位訓練模擬器MWH-6,如圖5所示。MWH-6模擬器的球形設計可以完成水平和豎直方向的翻轉操作,并且可以通過位于吊點位置的易斷閥,模擬直升機自由降落和撞擊水面的過程,由此提升訓練效果。Seftec公司于2019年為卡塔爾部隊制造出先進的直升機水下逃生實訓模擬艙XO-139,如圖6所示。XO-139模擬艙參照AW139直升機布置,精準復制AW139直升機的座位、出口位置,從而提高模擬的逼真度。

2.2 國內

相較于國外,國內對直升機水下逃生實訓模擬器的研究起步較晚。1991年,張慶明在《直升機水上迫降的安全性》一文中指出在直升機落水遇險機上人員逃生過程中專用裝備和逃生方法的重要性。1997年,海軍成功研制出海上救生裝備,并且制定了水下逃生方案[10-11]。2001年,國家編制了《直升機乘員水下逃生規范》[12-13]。2013年,總參陸航研究所團隊深入分析直升機水上事故的特點,提出直升機水下逃生實訓模擬器的設計方案。大連海事大學船舶與海洋工程學院進行直升機救助與水下逃生虛擬方法教學項目建設與實踐研究,將直升機水下逃生實訓虛擬化[14]。

1978年,直升機開始服務于中海油的海上石油作業,主要用于人員換班、物料運輸、緊急救援等。在直升機服役過程中,曾發生過幾起落水遇險事故,甚至出現人員遇難的情況。為了避免類似情況再次發生,幫助機內人員遇險后順利逃生,同時為了滿足國內海洋石油和天然氣開采的需求,1996年海洋石油培訓中心增設直升機遇險水下逃生培訓科目。直升機遇險水下逃生屬于海上石油作業安全救生的必修課程之一,所有出海作業的人員必須參加海上石油作業安全救生培訓,理論和實際操作考核全部合格,并且取得相應證書后,方可出海作業[15]。為了在實際操作訓練中最大限度模擬真實場景,海洋石油培訓中心深入分析所使用的直升機結構,參考國外水下逃生實訓模擬器結構,以直升機實體為原型,改造設計了直升機水下逃生實訓模擬器,如圖7所示。這一模擬器采用圓筒形結構,內部設置六個座椅,艙體外殼左側設置兩個窗口,右側設置一個艙門,作為逃生通道。這一模擬器使用至今,已形成了成熟的直升機水下逃生實訓流程。

2017年,為滿足海洋石油工業培訓組織的培訓需求,海洋石油培訓中心前往愛爾蘭SEFtec NMCI培訓中心調研學習,參加海上基本安全簡介和應急培訓,并針對直升機水下逃生訓練設備及培訓流程進行重點跟蹤學習。海洋石油培訓中心還購入SEFtec公司生產制造的HUET模擬器,服務于海洋石油工業培訓組織的培訓,如圖8所示。HUET模擬器于2019年正式投入使用。

雖然目前海洋石油培訓中心已經擁有成熟的直升機水下逃生培訓流程,熟練掌握實操培訓重點和難點,確保學員能夠掌握基本的直升機落水遇險逃生技能,但是服役的水下逃生實訓模擬器較為老舊,部分裝置依賴于國外技術,未能掌握水下逃生實訓模擬器的核心技術,后期維護保養也具有較大的難度。

3 海洋石油培訓中心水下逃生實訓現狀

海洋石油培訓中心平均每年接受1.2萬人次海上安全救生培訓,以確保出海作業人員掌握最基本的海上求生技能和直升機遇險逃生能力。直升機遇險水下逃生實際操作訓練包括憋氣、水面逃生,以及直升機水下不翻轉和翻轉訓練。

3.1 水面逃生

部分直升機配備的安全救生設備包含浮筒和救生筏,當直升機在海上飛行突發故障時,可以打開浮筒漂浮在水面上,機內人員可以轉移到救生筏上等待救援。水面逃生訓練過程如下:

(1) 學員穿戴個人防護裝備,游入模擬器;

(2) 學員在模擬器機艙內坐好,并系緊安全帶;

(3) 吊機操作教員啟動吊機,將直升機吊至水面以上高度3 m;

(4) 模擬器內部教員下達指令開始迫降,學員做好迫降保護;

(5) 當模擬器接觸水面時,吊機停機,確保直升機停在水面上;

(6) 學員解開安全帶,轉移到救生筏內,劃槳集體返回池邊。

順利完成以上訓練過程,方可視為逃生成功。

3.2 直升機水下不翻轉訓練

在進行直升機水下不翻轉訓練時,先將模擬器通過吊機和大鉤放入水中,主要訓練過程如下:

(1) 學員穿戴個人防護裝備,游入模擬器;

(2) 學員在模擬器機艙內坐好,并系緊安全帶;

(3) 吊機操作教員啟動吊機,將直升機吊至水面以上高度3 m;

(4) 模擬器內部教員下達指令開始迫降,學員做好迫降保護;

(5) 當模擬器接觸到水面時,學員由迫降保護動作變為逃生定位手勢,一手緊握安全帶,另一手緊握門或窗;

(6) 模擬器下降至指定位置,教員下達逃生指令,學員解開安全帶,離開模擬器機艙;

(7) 逃出模擬器機艙的學員需游回池邊,方可視為逃生成功。

3.3 直升機水下翻轉訓練

在進行直升機水下翻轉訓練時,先將模擬器通過吊機和大鉤放入水中,并且啟動壓縮機,主要訓練過程如下:

(1) 學員穿戴個人防護裝備,游入模擬器;

(2) 學員在模擬器機艙內坐好,并系緊安全帶;

(3) 吊機操作教員啟動吊機,將模擬器吊至水面,此時學員需做好定位逃生手勢,一手緊握安全帶,另一手緊握門或窗;

(4) 模擬器內部教員下達指令直升機翻轉訓練,模擬器下降,保證學員頭部完全沒過水面;

(5) 按下壓縮機按鈕,氣壓頂開剎車片,模擬器在慣性作用下開始轉動,完成旋轉180°操作;

(6) 當模擬器停穩后,學員解開安全帶,離開模擬器機艙;

(7) 逃出模擬器機艙的學員需游回池邊,方可視為逃生成功。

在直升機遇險水下逃生實際操作訓練過程中,所有學員需要獨立完成直升機水下不翻轉和翻轉訓練,教員會觀察學員的反應和在不同時間節點的動作,作為考核指標。在整個訓練過程中,模擬器、吊機、大鉤、壓縮機、操作控制臺共同作用,實現模擬器落水后的翻轉和不翻轉狀態。

4 多功能水下逃生實訓模擬器

目前,雖然海洋石油培訓中心已擁有兩個水下逃生實訓模擬器,但是其中一個服役時間長,結構老化,另一個維護保養技術完全依賴于第三方公司,并且兩個模擬器主要用于機內乘客的水下逃生訓練,無法訓練飛行員的水下逃生,實訓功能較為單一。另外,汽車落水與直升機落水情況相似,增加車輛落水逃生訓練項目,可以提升學員應對突發意外的能力。由此,為更好地滿足培訓需求,擴展培訓業務,設計了多功能水下逃生實訓模擬器。

4.1 結構

綜合分析多種類型直升機和汽車的內部結構、座椅布置、門窗布置、逃生出口打開方式等,設計高度相似的仿真場景,將多功能水下逃生實訓模擬器前后分為汽車模擬艙和直升機模擬艙。

汽車前擋風玻璃與水平面的傾角一般為30°～45°,因此汽車模擬艙前部擋風玻璃與水平傾角設計為30°。設置兩個駕駛座椅,每個座椅都配有兩點式斜跨安全帶。駕駛座椅的形狀、尺寸也與實際汽車的駕駛座椅相同,以有效模擬汽車狹窄的駕駛座和副駕駛座逃生情況。汽車多為俯沖入水,車身與水面保持一定傾角,為實現這一狀態,采用可調式專用吊具,調整落水角度,以實現多功能水下逃生實訓模擬器與水面不同角度的接觸狀態。

直升機落水后,受到風浪、海流、浮力、自身質心,以及其它不可控外力的作用,將發生翻轉。直升機翻轉主要受橫穩心高度影響,因此沿多功能水下逃生實訓模擬器質心做豎直切面,切面的最大半徑圓為環梁翻轉軌道中軸線。環梁為T型材結構,頂部及底部各有兩道縱桁,形成一個整體加強結構。直升機內部機艙包含駕駛艙和客艙,多功能水下逃生實訓模擬器前部的汽車模擬艙可以作為直升機駕駛艙模擬區,后部的直升機模擬艙可以作為客艙模擬區,布置三排兩列共六個座椅。考慮到部分直升機座椅背多靠艙壁,座椅配置360°旋轉可調節功能,可使學員面向前方或背向而坐,由此模擬不同直升機機型的座位布置,更好地貼近于實際。多功能水下逃生實訓模擬器座椅設置如圖9所示。

直升機和汽車的門窗形狀、尺寸存在差別,綜合考慮兩者的相似點和不同點,在直升機模擬艙左側前后各設置一個門,兩個門之間設置一個方形窗,在直升機模擬艙右側設置兩個方形窗和一個橢圓形窗。門窗具有多種打開模式,并且具有外部緊急打開功能。

直升機和汽車落水時,由于底部為非全密封結構,水將慢慢進入艙內,因此直升機和汽車在落水時會承受水的浮力,進而出現不同傾角的下沉或翻轉。為更好地模擬直升機和汽車的落水狀態,多功能水下逃生實訓模擬器上頂和地板選用格柵板,底部設置四個可浮箱體,提供入水初期所需的浮力及翻轉時所需的不平衡扭矩。多功能水下逃生實訓模擬器結構如圖10所示。

4.2 制動系統

多功能水下逃生實訓模擬器模擬汽車落水時,通過吊機上的可調式專用吊具實現不同的落水狀態,通過吊機控制實現上下運動及停止。模擬翻轉過程中,多功能水下逃生實訓模擬器沿環梁翻轉軌道轉動,需要在軌道位置設置制動系統。制動系統在不翻轉時處于抱死狀態,剎車片與環梁外表面摩擦,實現制動。需要翻轉時,剎車片與環梁依靠氣壓分離,剎車片抬起,模擬慣性和偏心狀態下的翻轉。剎車片與環梁之間聯結,稱為制動小車。解除剎車的氣壓需要外接壓縮機,剎車和解除剎車的操作不可在多功能水下逃生實訓模擬器內完成,需要設置專用的遙控面板。制動系統如圖11所示。

4.3 預設功能

多功能水下逃生實訓模擬器在模擬直升機或汽車落水時,需要實現下沉、翻轉、上浮、傾斜等動作,其中最重要的是翻轉和傾斜。

多功能水下逃生實訓模擬器翻轉運動原理如圖12所示。

利用底部四個圓柱形可浮箱體的浮力來實現翻轉運行,翻轉角度為180°。翻轉運行具體過程如下:多功能水下逃生實訓模擬器下沉之前,上方制動小車設置為關閉,為夾緊軌道狀態,下方可浮箱體會產生多余的浮力,同時多功能水下逃生實訓模擬器落水時會產生橫向偏移;打開制動小車,多功能水下逃生實訓模擬器在偏移和浮力的共同作用下沿環梁旋轉,直至旋轉180°,此時學員在多功能水下逃生實訓模擬器內處于倒立狀態。學員出艙后,吊起多功能水下逃生實訓模擬器,多功能水下逃生實訓模擬器在重力作用下產生逆時針力矩,進而逆時針旋轉,回到初始位置。關閉制動小車,制動小車恢復為夾緊軌道狀態。

對于下沉和上浮運動,在多功能水下逃生實訓模擬器下沉之前,上方制動小車設置為關閉,為夾緊軌道狀態,此時多功能水下逃生實訓模擬器處于重力作用,通過不斷釋放吊機纜繩,便可以將多功能水下逃生實訓模擬器下沉到水下。需要上浮時,不斷收回吊機纜繩,便可以將多功能水下逃生實訓模擬器提出水面。

對于傾斜運動,在多功能水下逃生實訓模擬器下沉之前,對多功能水下逃生實訓模擬器的前兩個可浮箱體充水,處于滿載狀態,后兩個仍為空載狀態,通過可調式專用吊具懸吊多功能水下逃生實訓模擬器,以模擬不同角度的傾斜運動。

5 結束語

所設計的多功能水下逃生實訓模擬器實用性強,可以實現多種類型直升機和汽車落水的下沉、翻轉、上浮動作,具有更高的模擬性,能夠對學員進行遇險水下逃生訓練,進而提高脫險逃生的成功率。