大氣環(huán)境控制技術(shù)在“蛟龍”號載人潛水器上的應(yīng)用

姜 磊，金鳳來，侯德永，劉 帥

(1.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫214082;2.海軍駐天津地區(qū)軍事代表室，天津300000)

0 引 言

近年來，隨著能源危機的愈演愈烈，世界各國爭相將探索能源的目光投向了深海領(lǐng)域。深海作為一塊人類開發(fā)不多的領(lǐng)域，由于其中蘊藏著豐富的礦產(chǎn)資源，世界各國紛紛加大了對深海探測領(lǐng)域的投入，載人深潛器的研制應(yīng)運而生［1-2］。載人潛水器(簡稱HOV)可以攜帶海洋科學(xué)家進入海洋深處，在海底現(xiàn)場直接觀察、分析和評估，還可操作機械手實現(xiàn)高效作業(yè)［3］。美國正在研制的“新埃爾文”號、日本的“深海6500”號和我國成功完成7000 米級海試的“蛟龍”號載人深潛器，均是這種類型的潛水器，也都是在這種大背景下展開研發(fā)的。對于“蛟龍”號這種類型的載人潛水器而言，由于其乘員均處于載人艙內(nèi)，載人艙內(nèi)的大氣環(huán)境直接作用于乘員的身體，其運行好壞直接關(guān)系到乘員的生命安全，因此必須對乘員的生存環(huán)境進行研究分析并加以控制。本文將針對一些常見的環(huán)控方式進行探討，分析它們運用于“蛟龍”號的優(yōu)缺點。

1 大氣環(huán)境控制技術(shù)的內(nèi)容及要求

大氣環(huán)境控制技術(shù)多見于潛艇、潛水器、載人航天器等運載器的載人密閉艙室內(nèi)。由于這些運載器的工作環(huán)境均處于水或真空等人類無法直接呼吸生存的場所，因此運載器的乘員或駕駛員無法從外界獲得新鮮空氣，必須由運載器提供一套自循環(huán)式呼吸生存環(huán)境。在這種情況下，大氣環(huán)境控制技術(shù)應(yīng)運而生。

大氣環(huán)境控制技術(shù)大致可以分空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)、呼吸供氧系統(tǒng)、二氧化碳清除系統(tǒng)、空氣凈化系統(tǒng)及大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等［4］。上述5 個方面中，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)主要針對環(huán)境的溫濕度進行改善，以提高乘員的舒適度，人體舒適溫度一般在15℃～27℃之間，濕度一般在30% ～70%之間(50%最佳);供氧及二氧化碳清除系統(tǒng)直接針對乘員的生存，氧濃度過高或過低均會威脅乘員生命安全，而二氧化碳?xì)怏w濃度過高也會對乘員產(chǎn)生不良影響，因此各類運載器對這2 種氣體濃度均有明確的指標(biāo)要求(見表1);大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)針對艙室內(nèi)的各種有毒有害氣體濃度進行監(jiān)測報警，由空氣凈化系統(tǒng)對其進行清除。

必須指出的是，隨著運載器的工作任務(wù)、工作時間、安裝設(shè)備及乘員人數(shù)等的不同，密閉艙內(nèi)的有毒有害氣體的種類及濃度均會不同。以潛艇為例，英國海軍用GC- MS 技術(shù)定性分析出有機污染物195 種，其中芳香族化合物42 種，脂肪烴77 種，含鹵化合物20 種，含氧化合物l8 種，其他元素化合物4 種［5-7］。針對種類繁多的氣體，每種氣體均加以檢測及清除是不現(xiàn)實的，因此，國際上較多采用的是根據(jù)運載器的任務(wù)需求，除H2，CO，CO2等氣體必須清除的氣體外，對大量有機污染物和不確定氣體根據(jù)相應(yīng)的衛(wèi)生規(guī)范采取有選擇的檢測及集中清除。

表1 不同環(huán)境下對氧氣、二氧化碳的容許范圍［8-9］Tab.1 The permissible range of oxygen and carbon dioxide in different environment［8-9］

2 “蛟龍”號對環(huán)控技術(shù)的特殊要求及取舍

2.1 “蛟龍”號對環(huán)控技術(shù)的特殊要求

“蛟龍”號作為一種深海作業(yè)類深潛器，其性能和外形與一般的水下運載器有很大的區(qū)別。首先，其載人艙的內(nèi)部空間較小，大約在4 ～5 m3;第二，其乘員為3 人，乘員人數(shù)較少;第三，由于其下潛深度最深達到7 000 m，所以其動力無法由母船或其他岸基設(shè)備供電，只能采用蓄電池組作為動力源;第四，“蛟龍”號水下正常作業(yè)時間較短，為不大于12 h。

載人深潛器的這些客觀條件對其大氣環(huán)境控制技術(shù)的應(yīng)用有很大的約束。首先，載人艙的體積小決定了其環(huán)控裝置的體積應(yīng)盡可能小;第二，由于采用蓄電池組供電，環(huán)控裝置的能耗應(yīng)盡可能小;第三，由于內(nèi)部空間小，其對各類有害氣體的容許濃度也較小，拿二氧化碳?xì)怏w濃度來說，從表1 可以看出，載人深潛器載人艙內(nèi)的二氧化碳濃度指標(biāo)只有潛艇的一半，因此，載人深潛器的環(huán)控裝置的效率應(yīng)很高;第四，同樣由于內(nèi)部空間小，對有害氣體的容許濃度很小，因此，在對有害氣體的處理過程中，不允許出現(xiàn)另外的有毒有害物質(zhì);第五，同樣由于內(nèi)部空間小，供氧應(yīng)盡可能的平穩(wěn)、連續(xù)，艙室內(nèi)氧氣的濃度不能有大幅度的變化［8-9］。

2.2 “蛟龍”號對空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的取舍

“蛟龍”號的載人艙內(nèi)徑只有2.1 m，其內(nèi)部除3 名乘員外，還安裝有大量執(zhí)行任務(wù)必備的儀器儀表。因此，其內(nèi)部空間非常緊張，而深海的工作環(huán)境及電池作為動力源也進一步限制了常規(guī)的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)在“蛟龍”號上的應(yīng)用。因此，設(shè)計過程中，“蛟龍”號在載人艙內(nèi)沒有設(shè)置空調(diào)降溫系統(tǒng)，取而代之為2 套小型空氣循環(huán)風(fēng)機，起到促進載人艙內(nèi)空氣對流及改善乘員主觀感受的作用。圖1所示為“蛟龍”號的環(huán)境通風(fēng)風(fēng)機。另外，當(dāng)“蛟龍”號結(jié)束下潛任務(wù)，進行維護保養(yǎng)或日常檢修時，在母船上為其設(shè)置了一套降溫空調(diào)，以避免陽光直射或環(huán)境溫度高導(dǎo)致的載人艙內(nèi)溫濕度過高。

圖1 “蛟龍”號環(huán)境通風(fēng)風(fēng)機Fig.1 The ventilator in Jiaolong

事實上，“蛟龍”號在執(zhí)行下潛任務(wù)時，除去下潛前的甲板準(zhǔn)備和上浮至水面等待回收這兩段較短的時間以外，其載人艙均處于水下。而海水的溫度隨著下潛深度的增加逐漸降低，7 000 m 時海水溫度只有大約1℃左右，圖2和圖3 為7 000 m 海試中蛟龍?zhí)枬撝帘敬魏Ｔ囎畲笊疃? 062 m 時的深度和海水溫度曲線截圖(截圖橫坐標(biāo)為時間歷程，按計時方式hour:minute:second 順序排列，縱坐標(biāo)分別為深度和溫度，以米和攝氏度為單位)。

圖2 “蛟龍”號下潛深度曲線Fig.2 The diving-depth graph of Jiaolong

圖3 海水溫度曲線Fig.3 The temperature graph of seawater

從圖2 可以看出，本次下潛大約從7:50 開始，大約在10:30 達到最深值。而隨著潛水器的入水，海水的溫度開始顯著變化:從圖3 中可以清晰地看出，海水溫度隨深度的增加而急劇下降，其下降趨勢近乎為一條垂直的直線，從大約300 m 開始，海水溫度的下降趨勢開始放緩，在2 000 m 左右的深度，海水溫度達到最低點，之后一直維持在大約1℃左右。而上浮過程中海水溫度曲線近乎與下潛時對稱。

海水溫度的這一變化特性直接影響到載人艙內(nèi)的溫度和濕度。由于“蛟龍”號的載人艙采用鈦合金制作，載人艙外也沒有鋪設(shè)隔熱設(shè)備，因此，“蛟龍”號下潛過程中，隨著載人艙金屬外殼的熱傳導(dǎo)，載人艙內(nèi)的溫度也逐漸降低，最終將維持在一個較低的水平。圖4 為此潛次載人艙內(nèi)的溫度曲線截圖(截圖橫坐標(biāo)為時間歷程，按計時方式hour:minute:second 順序排列，縱坐標(biāo)分別為艙內(nèi)溫度，以米和攝氏度為單位)。

圖4 載人艙內(nèi)溫度曲線Fig.4 The temperature graph in the manned hull

從圖4 中曲線可以看出，在7:50 左右潛水器開始下潛之前，隨著陽光直射和載人艙艙口蓋的關(guān)閉，載人艙的溫度呈上升趨勢，而隨著潛水器入水，艙內(nèi)溫度開始明顯遞減。隨著時間的流逝，當(dāng)熱量傳遞趨于平穩(wěn)后，溫度下降的趨勢開始趨于平緩，17:57 左右，潛水器開始上浮，此時艙內(nèi)溫度達到最低，約為13℃左右。之后，隨著潛器的上浮，載人艙的溫度開始上升。

艙內(nèi)溫度的變化將直接導(dǎo)致載人艙內(nèi)濕度發(fā)生變化:艙內(nèi)溫度高時，環(huán)境相對濕度偏大，而艙內(nèi)溫度低時，相對濕度也會降低。圖5 為本潛次載人艙內(nèi)相對濕度的曲線截圖。從圖中曲線可以清楚看出:載人艙內(nèi)的最大相對濕度大約為92%，最低時只有40%，整個下潛期間，載人艙內(nèi)都維持在較低的相對濕度。

圖5 載人艙內(nèi)相對濕度曲線Fig.5 The relative humidity graph in the manned hull

低溫和低濕會帶來2 個問題:潛航員會感到寒冷和空氣干燥易起火。對于這2 個問題，“蛟龍”號采取了增設(shè)乘員保溫衣物和所有艙內(nèi)設(shè)備材料均使用阻燃材料來加以解決。

綜上所述，對于“蛟龍”號這類大潛深、作業(yè)時間短且能源、內(nèi)部空間有限的載人潛水器來說，在載人艙內(nèi)安裝常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)比較困難，因此可以采取一些簡化措施，但是必須做好相關(guān)的載人艙內(nèi)通風(fēng)、潛航員防寒和艙內(nèi)設(shè)備的阻燃工作。

2.3 “蛟龍”號對空氣凈化及大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的取舍

由于有害氣體的種類繁多，無法做到對每種氣體進行監(jiān)測及凈化，而“蛟龍”號受自身條件所限，無法使用潛艇等水下潛器常用的燃燒法來去除有害氣體。因此，“蛟龍”號的空氣凈化措施及大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)做了一定程度的簡化:執(zhí)行下潛任務(wù)時，使用Draeger accuro 手泵及配套的有害氣體檢測管選擇對部分有害氣體進行監(jiān)測，該型手泵在德國海軍潛艇上得到過廣泛應(yīng)用，曾在潛艇上進行列裝，下潛任務(wù)結(jié)束后對載人艙進行持續(xù)通風(fēng)來進行空氣凈化。同時，對于艙室內(nèi)因濕度大而可能產(chǎn)生的微生物或有害菌，“蛟龍”號使用紫外線消毒燈進行消毒。

另外，在“蛟龍”號的設(shè)計建造過程中，載人艙內(nèi)禁止使用產(chǎn)生揮發(fā)性氣體或有毒有害氣體的材料和設(shè)備，這一點對于艙內(nèi)空氣凈化起到了非常關(guān)鍵的作用。表2 為某潛次載人艙內(nèi)有害氣體種類檢測表?！膀札垺碧栔贿x擇了9 種較為常見的有毒有害氣體進行檢測，對于其余的有害氣體，由于其產(chǎn)生環(huán)境在“蛟龍”號上難以出現(xiàn)，予以忽略。從表中可以看出，對于選定的這幾種“蛟龍”號載人艙內(nèi)的有害氣體，其濃度完全能夠滿足相關(guān)衛(wèi)生規(guī)范的要求。

表2 某潛次載人艙內(nèi)有害氣體濃度檢測表Tab.2 The consistence of poison gas in the manned hull during a certain diving

2.4 “蛟龍”號對供氧系統(tǒng)的取舍

目前，比較常見的封閉空間供氧技術(shù)有超氧化物供氧(空氣再生藥板)、物理供氧、電解水供氧、氧燭等。這些供氧方式各有其優(yōu)缺點，為了選擇一種適合于“蛟龍”號的供氧系統(tǒng)，從體積、耗能、產(chǎn)氧速度等方面對這些供氧技術(shù)進行比較分析，詳見表3。

表3 幾種供氧技術(shù)優(yōu)缺點分析表［8］Tab.3 The contrast of some supplying methods of oxygen［8］

經(jīng)比較分析，根據(jù)“蛟龍”號自身的特點，最終選擇使用高壓氣態(tài)供氧技術(shù)作為供氧系統(tǒng)。設(shè)置3 套供氧裝置，分別作為正常開放式供氧裝置，應(yīng)急開放式供氧裝置和應(yīng)急閉式供氧裝置并加工樣機，供氧裝置如圖6所示。

2.5 “蛟龍”號對二氧化碳清除系統(tǒng)的取舍

比較常見的二氧化碳清除方式一乙醇胺堿(MEA)吸收、固態(tài)胺吸收、分子篩吸收、超氧化物吸收、堿石灰吸收、氫氧化鋰吸收等。這些清除方式各有其優(yōu)缺點，為了選擇一種適合于“蛟龍”號的二氧化碳清除系統(tǒng)，從體積、耗能、吸收效果、對環(huán)境的要求等方面對這些清除方式進行比較分析，詳見表4。

圖6 供氧裝置樣機Fig.6 The sample model for oxygen supply

表4 幾種二氧化碳清除方式優(yōu)缺點分析表［9］Tab.4 The contrast of some absorption methods of carbon dioxide［9］

經(jīng)比較分析，“蛟龍”號最終選擇使用化學(xué)吸收的方式進行二氧化碳清除。使用氫氧化鋰作為吸收劑，另外設(shè)計了一套結(jié)構(gòu)形式為軸向流通形式的吸收裝置作為氫氧化鋰的反應(yīng)床。使用時，二氧化碳從吸收裝置底部進入，經(jīng)吸收劑吸收后沿軸線方向從裝置頂部流出。圖7 為吸收裝置樣機的原理圖及照片。

圖7 吸收裝置原理圖及照片F(xiàn)ig.7 The sample model for absorption of carbon dioxide

3 大氣環(huán)境控制裝置的實際使用情況

大氣環(huán)境控制裝置樣機加工完成后，隨“蛟龍”號潛水器參加了1 000，3 000，5 000和7 000米級海試。4 次海試中，系統(tǒng)總運行時間約為260 h，運行期間，載人艙內(nèi)的各項指標(biāo)均達到了設(shè)計要求，完全滿足相關(guān)規(guī)范要求。同時，尤為重要的是，整個海試期間，大氣環(huán)境控制裝置運行良好，未出現(xiàn)過一次故障。這進一步證明了這套大氣環(huán)境控制技術(shù)的可靠性。

受篇幅所限，以系統(tǒng)單次運行時間最長的7 000 米級海試加以說明。該次海試中，系統(tǒng)單次運行時間每次均達到10 h 以上，最長的一個潛次運行時間達到12 h。圖2 ～圖5 即為此潛次中潛深、海水溫度、艙內(nèi)溫濕度的數(shù)據(jù)曲線截圖，此處不再另加說明，而是主要對供氧及二氧化碳清除系統(tǒng)的運行情況進行說明。

3.1 供氧裝置的運行情況

圖8 為上述潛次中載人艙內(nèi)氧氣濃度的數(shù)據(jù)曲線截圖。從圖中曲線可以看出，下潛過程中，載人艙內(nèi)的氧濃度基本在19% ～22%間波動，完全符合任務(wù)書的要求。

同時，從圖中曲線可以看出，氧濃度在開始下潛和潛至規(guī)定深度準(zhǔn)備作業(yè)時，有2 個比較明顯的拐點。出現(xiàn)這種情況的原因是:由于開始下潛時，潛航員要在艙內(nèi)執(zhí)行一系列的規(guī)定操作，此時潛航員的生理狀態(tài)處于比較興奮的狀態(tài)，此時耗氧量將大大增加，從而造成艙內(nèi)氧濃度降低;而潛至規(guī)定深度準(zhǔn)備作業(yè)時，潛航員將會處于操縱機械手等一系列精神高度集中的工作狀態(tài)，這種情況下也造成其耗氧量大量增加。2 種情況均超過了中等勞動強度25 L/h 的標(biāo)準(zhǔn)人均耗氧量。這時供氧系統(tǒng)將改變動作，自動增加氧氣流量以適應(yīng)潛航員耗氧量的改變。曲線上緊隨其后的上升也證實了這一點。曲線的上升和下降充分說明了供氧系統(tǒng)完全能夠滿足實際下潛的要求。

圖8 載人艙內(nèi)氧氣濃度曲線Fig.8 The oxygen consistence graph in the manned hull

3.2 二氧化碳清除裝置的運行情況

圖9 載人艙內(nèi)二氧化碳濃度曲線Fig.9 The carbon dioxide consistence graph in the manned hull

圖9 為上述潛次中載人艙內(nèi)二氧化碳濃度的數(shù)據(jù)曲線截圖。從圖中曲線可以看出，下潛過程中，載人艙內(nèi)二氧化碳濃度曲線均能維持在0.5%以下，達到了設(shè)計任務(wù)書的要求。同時也進一步說明二氧化碳清除裝置采用無水氫氧化鋰作為二氧化碳吸收劑的可行性。

4 結(jié) 語

載人潛水器是人類開發(fā)利用海洋資源，實現(xiàn)國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的必不可少的手段［11］。隨著我國逐漸加大對海洋裝備領(lǐng)域的研究力度，各種類型的載人潛水器將會逐步出現(xiàn)，各種新技術(shù)、新設(shè)備也將會不斷研究，進一步完善現(xiàn)有裝備的不足之處。

本文介紹了“蛟龍”號的特點及其載人艙對大氣環(huán)境控制技術(shù)的特殊要求，論述了“蛟龍”號使用區(qū)別于其他類型載人艙室的大氣環(huán)境控制技術(shù)的原因，通過分析其裝置在海試中的運行數(shù)據(jù)，進一步證實了該技術(shù)的有效性和工程應(yīng)用的可行性。這對從事相關(guān)領(lǐng)域研究的人員有很高的參考價值。

［1］崔維成，劉峰，胡震，等.蛟龍?zhí)栞d人潛水器的5000 米級海上試驗［J］.中國造船，2011，52(3):1-14.

CUI Wei-cheng，LIU Feng，HU Zhen，et al.5000m sea trials test of the deep manned submersible“JIAOLONG”［J］.Shipbuilding of China，2011，52(3):1-14.

［2］劉濤.深海載人潛水器耐壓球殼設(shè)計特性分析［J］.船舶力學(xué)，2007(2):214-220.

LIU Tao.Research on the design of spherical pressure hull in manned deep-sea submersible［J］.Journal of Ship Mechanics，2007(2):214-220.

［3］朱繼懋.潛水器設(shè)計［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，1992.

［4］彭光明.AIP 潛艇艙室大氣環(huán)境控制技術(shù)研究［J］.中國艦船研究，2006，1(2):63-65.

PENG Guang-ming.A study on the cabin atmosphere control system of AIP submarines［J］.Chinese Journal of Ship Research，2006，1(2):63-65.

［5］National Research council.Submarine air quality［R］.PB89-l74213，1989.

［6］DIRBEN P R.Nuclear submarine atmosphere control manual revision［R］.IEP-B-52，1991.

［7］WEATHERSBY P K，LINO R S.Air purity in diving from submarines［R］.NMR-S7-106，Jan，1992.

［8］姜磊，侯德永.載人深潛器供氧技術(shù)研究［J］.中國造船，2011，52(4):130.

JIANG Lei，HOU De-yong.Research on supplying methods of oxygen applied in human occupied vehicle［J］.Shipbuilding of China，2011，52(4):130.

［9］姜磊，趙俊海.載人深潛器二氧化碳清除方式研究［J］.中國造船，2010，51(3):169.

JIANG Lei，ZHAO Jun-hai.Research on absorption of carbon dioxide methods applied to the human occupied vehicle［J］.Shipbuilding of China，2010，51(3):169.

［10］GJB11.3-91.常規(guī)動力潛艇艙室空氣組分容許濃度［S］.

［11］劉濤，王璇，等.深海載人潛水器發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)進展［J］.中國造船，2012，53(3):233-243.

LIU Tao，WANG Xuan，et al.The current status and technical development of deep sea manned submersible［J］.Shipbuilding of China，2012，53(3):233-243.