快速上浮脫險技術(shù)研究現(xiàn)狀

李其修,劉 輝,吳向君

(海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院,湖北武漢 430033)

0 引言

目前,潛艇艇員的脫險救生大致可分為 3種方式:自救方式、援救方式以及自救與援救結(jié)合方式。自救方式是脫險艇員單人或集體逃離失事艇的方法,根據(jù)艇內(nèi)是否有高壓暴露,可采用減壓脫險法或不減壓脫險法。援救方式是依靠水面救助船采取救助措施進(jìn)行的脫險,多以集體脫險為主,一般采用常壓干救或高壓干救脫險。某些情況下,也可以采用濕救脫險,濕救脫險時需采用自救與援救相結(jié)合方式進(jìn)行[1]。

單人自救脫險可分為著裝減壓脫險和快速上浮脫險 2種方法。由于著裝減壓脫險法的局限性,快速上浮脫險現(xiàn)成為單人自救脫險的主要發(fā)展方向?？焖偕细∶撾U是艇員在不減壓脫險時間極限內(nèi),著快速上浮脫險裝具,經(jīng)快速調(diào)壓后快速上浮脫離險境到達(dá)水面的脫險法。此方法的優(yōu)點是:高壓暴露時間短,水中停留時間短,嚴(yán)格控制各深度的調(diào)壓時間一般不會發(fā)生減壓病;脫險服結(jié)構(gòu)簡單,易操作。缺點是:艇員的高壓暴露時間必須在不減壓時間極限之內(nèi);艇內(nèi)必須常壓才能實施此法,否則只能考慮其他脫險方式;若調(diào)壓不當(dāng),會發(fā)生嚴(yán)重的減壓病。

集體救援脫險方法的最大難題是艇員在待救期間的生命支持問題,包括高壓、進(jìn)水、空氣質(zhì)量、有害氣體、氧中毒、寒冷、食物、飲水等問題,常常發(fā)生等不到援救力量到達(dá)艇員已喪身的慘劇[2]。因此,單人自救脫險是潛艇失事后最先考慮的求生手段。

1 快速上浮脫險技術(shù)與研究進(jìn)展

1.1 快速上浮脫險裝具

目前有代表性的快速上浮脫險裝具主要有英國的MK10型快速上浮脫險抗浸服,其最大的特點是脫險服為單層,并配有單人充氣救生筏,潛艇一旦失事,艇員可在水面打開該救生筏,提高了舒適性,延長海面待援時間?？焖倜撾U服主要充氣部分為頭罩與儲氣囊,四肢部位也有部分充氣氣囊。艇員穿上脫險服后進(jìn)行充氣,充氣完成后由排開水的體積產(chǎn)生浮力,且上浮過程中此浮力大小不變。由于上浮時外界壓力不斷減小,為保持潛水服內(nèi)外壓力平衡,脫險服不斷向外排氣,使其始終處于氣體充滿狀態(tài),排開水的體積始終不變,整個裝置重約7 kg。該脫險系統(tǒng)的最大理論脫險深度可達(dá) 220 m,在 183 m深度脫險已獲成功,現(xiàn)已有 22個國家海軍使用MK10脫險裝具。

1.2 快速上浮脫險技術(shù)研究進(jìn)展

英國是最早進(jìn)行快速上浮脫險研究的國家之一。英國皇家海軍醫(yī)學(xué)研究所早在20世紀(jì)60年代就研究出快速上浮脫險模擬實驗設(shè)備,并在實艇上得到應(yīng)用。該設(shè)備根據(jù)潛艇的實際情況,采用海水加壓方式,在整個加壓過程中只有 1個海水閥起到開關(guān)作用,沒有任何的壓力控制裝置。打開閥門后,水進(jìn)入脫險筒壓縮筒內(nèi)空氣,直到筒內(nèi)外壓力平衡時加壓完畢。

英國研制的潛艇脫險模擬裝置實現(xiàn)了190 m載人快速上浮脫險實驗和 200m無人快速加壓實驗,加壓時間為22 s,上浮速度為2.75 m/s。根據(jù)使用山羊模擬人類脫險實驗研究的結(jié)果,英國皇家海軍已得出結(jié)論:安全脫險的最大深度可達(dá) 228m。此外,從274m和289m深度脫險也許是可能的,脫險的大多數(shù)艇員可以存活,不過有的傷員需要緊急加壓治療。但是,289 m深度脫險目前尚缺減壓病的實驗數(shù)據(jù)[3]。

1970年英國海軍進(jìn)行了快速上浮脫險試驗。潛水員著MK10型脫險服,從183 m的深度快速上浮脫險,調(diào)壓速度達(dá)到每 5 s壓力增加一倍,海底停留時間為3 s,上浮速度為2.8m/s,47人次均獲成功,從而創(chuàng)造了當(dāng)時脫險成功的最高紀(jì)錄。

在 1960～1970年英國進(jìn)行的 267人次模擬實驗或海上實際脫險實驗中,曾發(fā)生 2例Ⅱ型減壓病。第 1例發(fā)生在加壓艙模擬實驗中,脫險深度為 152 m,加壓時間為 20 s,海底停留時間 30 s,減壓時間50 s,參試者出水后很快出現(xiàn)左臂、臀部與大腿的沉重、麻木感,膝反射消失。用空氣加壓治療,壓力加到6ATA時,癥狀完全消失、治愈。第2例發(fā)生在海上脫險訓(xùn)練中,脫險深度 153m,調(diào)壓時間 28 s,海底停留時間3 s,減壓時間60 s。參試者出水后視覺出現(xiàn)盲點及平衡障礙等癥狀。用高壓氧加壓治療,加壓到2.28ATA時,癥狀消失、治愈。

在動物實驗基礎(chǔ)上,美國海軍醫(yī)學(xué)研究所進(jìn)行了大量人體加壓艙模擬與海上實艇脫險實驗,研究脫險深度為18～190 m;調(diào)壓方式分線性與非線性2類,前者調(diào)壓速度為3.8～7.6m/s,后者為每3.4～12 s增加1倍壓力;減壓速度為0.26～2.8 m/s,在267人次實驗中共發(fā)生 2例Ⅱ型減壓病。

我國在快速上浮脫險方面發(fā)展落后于國外。1977年,海軍醫(yī)學(xué)研究所開始研制快速上浮脫險模擬實驗設(shè)備。該設(shè)備加壓采用氣體加壓,利用國產(chǎn)XWT臺式自動平衡儀控制加壓速度,將需要的加壓曲線輸入電腦,利用負(fù)反饋原理調(diào)節(jié)壓力,使其隨給定曲線變化。該加壓方式能夠有效地將壓力變化曲線控制在適合人體需要的變化規(guī)律內(nèi),并以 3 m/s左右的速度定速減壓。經(jīng)實驗論證,該設(shè)備可用于250m以內(nèi)的快速上浮脫險實驗使用。1983年 9月,該研究所成功地完成了模擬 10～100 m15人次快速上浮脫險實用性試驗,從而使我國潛艇艇員脫險運用新技術(shù)有了一個良好的開端。

海軍醫(yī)學(xué)研究所用山羊進(jìn)行了 40～200 m快速上浮脫險實驗,分別以 2t/4和 2t/8的速度增加艙內(nèi)壓力(t表示時間,即每4 s或8 s使艙內(nèi)壓力升高1倍)。在 120羊次實驗中,13羊次發(fā)生減壓病。除154m/53 s方案中有一例截癱型減壓病外,其余均未治而愈。關(guān)于高壓暴露時間的計算原則,他們采用C/2+DC/2+TOD(C表示加壓時間,DC表示減壓時間,TOD表示海底停留時間)記入總暴露時間,但這對于大深度脫險是否合適,是一個尚待進(jìn)一步討論的問題[4]。

針對英國MK10脫險服的情況,英國研究人員提出要發(fā)展一種能耐受0.15 MPa內(nèi)壓的抗浸服或抗壓服,以增加脫險上浮速度。到達(dá)水面后,艇員仍可在抗浸服內(nèi)的高壓環(huán)境中停留一段時間,相當(dāng)于在9m或12m深度安置了1個停留站,然后在水面自動完成減壓。這樣將可增加安全脫險深度,并減少減壓病的發(fā)生率。

當(dāng)快速上浮脫險深度超過 185 m水深時,在上升的最后階段設(shè)法減慢上浮速度。1973～1975年法國研制了一種水下減速傘,它可與英國現(xiàn)使用的MK10脫險抗浸服配套使用,使艇員從 300 m深度安全脫險。其全過程是:(1)調(diào)壓時間少于30 s; (2)300m到60 m上浮速度是2 m/s,上升時間是80 s;(3)在 60m深度處自動打開減速傘,使上浮速度減慢到0.7m/s,60m至水面約90 s,完成一次脫險約需300 s。

2 快速上浮脫險系統(tǒng)工作原理

快速上浮脫險系統(tǒng)主要由一個可容納一個人的脫險筒和控制舷外壓力海水按照脫險筒的壓力按指數(shù)函數(shù)變化的要求進(jìn)入脫險筒的 V型流量調(diào)節(jié)閥及直徑為 0.1m的管路等組成[5],具體原理圖如圖1所示。

圖中,p0為海面大氣壓;H為水深;L為脫險筒高;直徑為1m;脫險筒和管道截面積分別記為A和B;ρ1為海水密度。

假定閥門全部打開時為t=0時刻,該時刻儲氣罐內(nèi)氣體滿足:壓強(qiáng)p(t)=p0,密度ρ(t)=ρ0,高度h(t)=h0。

根據(jù)準(zhǔn)定常Bernoulli方程可得:

圖1 快速加壓系統(tǒng)原理圖

因為H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于L,上式可簡化為:

根據(jù)質(zhì)量守恒得:

假設(shè)儲氣罐內(nèi)氣體滿足等溫過程,有:

聯(lián)立上述等式可得關(guān)于h(t)的微分方程:

對上式進(jìn)行積分可得:

其中,

代回原始變量,可得到儲氣罐內(nèi)氣體壓力微分方程:

上式中:V(t)表示調(diào)節(jié)閥處水流速度,g表示重力加速度,g=9.8m/s2;A1、B1、I1、u、a均是中間變量。

3 結(jié)語

本文著重分析了國內(nèi)外快速脫險技術(shù)的研究進(jìn)展,介紹了某型脫險服的性能,通過推導(dǎo)建立了快速上浮系統(tǒng)壓力模型,說明了快速上浮脫險系統(tǒng)的工作原理,為快速上浮脫險試驗及脫險服的設(shè)計使用積累了科學(xué)數(shù)據(jù),并為脫險安全性評價的綜合分析提供了參考。

[1] 顧靖華,曾廣會,楊健.外軍潛艇脫險救生技術(shù)概況及發(fā)展趨勢[J].艦船科學(xué)技術(shù),2005,(3):93-96.

[2] 龔錦涵.潛水醫(yī)學(xué)[M].北京:人民軍醫(yī)出版社,1985.

[3] BROWN D C.Submarine escape and rescue in today's royal navy [J].JRoyal Naval Medical Service,1999,85(3):145-148.

[4] 龔錦涵.對失事潛艇艇員援潛救生技術(shù)的評估[J].中華航海醫(yī)學(xué)與高氣壓醫(yī)學(xué)雜志,2003,8(1):11-13.

[5] 林鴻灼,朱文祥,伍吉祥,等.著某型脫險服上浮速度規(guī)律的探討[J].海軍軍事醫(yī)學(xué),1985,7(4):28-30.