蛙人循環(huán)式潛水呼吸器的特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

顧靖華，方以群，柳初萌，劉平小

隨著各國(guó)對(duì)海洋資源的不斷深入開(kāi)發(fā)，蛙人作為水下執(zhí)行任務(wù)的特殊群體，以其隱蔽性好、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、獨(dú)立、靈活的特點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的重視，除應(yīng)用于水下偵查、排雷布雷、破襲作戰(zhàn)和反恐等軍事用途外，在海底打撈、設(shè)備維護(hù)、海洋考古、海洋探測(cè)等民用和科研領(lǐng)域的應(yīng)用也愈見(jiàn)廣泛?；谒颅h(huán)境的特殊性，蛙人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，必須佩帶潛水呼吸器以維持正常呼吸[1]。潛水呼吸器按照供給呼吸氣體的回路不同，分為開(kāi)放式和循環(huán)式兩類[2]。開(kāi)放式潛水呼吸器是將蛙人呼出的氣體直接排入水中，無(wú)法循環(huán)利用，因而水下工作時(shí)間較短，隱蔽性較差，主要用于娛樂(lè)潛水。循環(huán)式呼吸器將蛙人呼出的氣體大部分或全部保留在系統(tǒng)內(nèi)，經(jīng)凈化處理后再利用，極大地提高了氣體的利用率，不僅可延長(zhǎng)水下工作時(shí)間，而且能提高水下潛行的隱蔽性，主要用于軍事潛水和水下攝像、采集標(biāo)本等科研潛水[3]。基于循環(huán)式潛水呼吸器的特定用途和顯而易見(jiàn)的優(yōu)點(diǎn)，各國(guó)均比較重視研發(fā)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)保養(yǎng)和操作技能要求較高。因此，對(duì)循環(huán)式呼吸器的類型、特點(diǎn)進(jìn)行深入分析，進(jìn)而根據(jù)特定潛水用途，合理選擇、研制和安全使用循環(huán)式呼吸器，具有較高的軍事意義和社會(huì)意義。

1 循環(huán)式潛水呼吸器的類型及特點(diǎn)

循環(huán)式呼吸器的基本工作原理是將蛙人呼出的氣體循環(huán)再利用，其關(guān)鍵問(wèn)題是需要將蛙人吸入氣中的氧分壓和二氧化碳分壓控制在人體能接受的安全范圍內(nèi)，防止發(fā)生氧中毒、缺氧和二氧化碳中毒[4-6]。各類循環(huán)式呼吸器控制氧分壓的方式不盡相同，而控制二氧化碳分壓的方式基本一致，即將蛙人呼出的氣體通過(guò)二氧化碳吸收裝置凈化吸收二氧化碳后，再次進(jìn)入呼吸回路供蛙人呼吸[7]。根據(jù)控制氧分壓方式和供氣方式的不同，循環(huán)式呼吸器分為3種基本類型[1]：純氧閉式潛水呼吸器(oxygen rebeather)、半閉式潛水呼吸器(semi-closed circuit rebreather)和密閉式潛水呼吸器(closed circuit rebreather)。

1.1 純氧閉式潛水呼吸器 純氧閉式潛水呼吸器采用純氧氣源，以0.7～1.0 L/min的速率通過(guò)定量閥不斷供入呼吸袋，蛙人吸取呼吸袋內(nèi)的氣體，呼出的氣體進(jìn)入二氧化碳吸收裝置凈化后，返回呼吸袋再次供蛙人呼吸[8]。純氧閉式潛水呼吸器的特點(diǎn)是以較低的質(zhì)量流量將純氧氣體供入呼吸袋，供氣不足時(shí)，可按需手動(dòng)或自動(dòng)補(bǔ)氣，因此排出呼吸器的氣體較少，基本上不產(chǎn)生氣泡。為將吸入氣中的氧分壓控制在安全范圍內(nèi)，使用純氧閉式潛水呼吸器時(shí)，必須嚴(yán)格限制潛水深度以防氧中毒，一般限制在7 m以淺[9]；在下水之前，蛙人必須進(jìn)行換氣，充分置換出呼吸回路中的氮?dú)?，保證純氧呼吸。純氧閉式潛水呼吸器氣體利用率較高，噪聲小，隱蔽性高，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、水下機(jī)動(dòng)性好、操作方便，適用于狹窄、彎曲水域、隧道作業(yè)以及軍事作業(yè)[10]。

美國(guó)的MK25是較常見(jiàn)的純氧閉式潛水呼吸器，其工作深度為25 fsw以淺，工作時(shí)間4 h；法國(guó)AQUALUNG公司的FROGS純氧閉式呼吸器工作深度7 m以淺，持續(xù)工作時(shí)間4 h；英國(guó)的SHADOW純氧閉式呼吸器的顯著特點(diǎn)是連續(xù)工作時(shí)間較長(zhǎng)，可達(dá)6 h(見(jiàn)圖1)。此外，法國(guó)的OXYGENS 57、德國(guó)的LAR等也是較常見(jiàn)的純氧閉式呼吸器。

圖1 純氧閉式潛水呼吸器

1.2 半閉式潛水呼吸器 半閉式潛水呼吸器采用氧質(zhì)量恒定的供氣方式，一定氧配比的混合氣經(jīng)流量控制裝置后，以一定的質(zhì)量流量供入吸氣袋，人體吸取吸氣袋內(nèi)的氣體，呼出的氣體進(jìn)入呼氣袋，然后經(jīng)二氧化碳吸收裝置除去二氧化碳后，返回吸氣袋中供蛙人呼吸[11]。半閉式潛水呼吸器的氣源是一定含氧量的混合氣，不同深度下，供入呼吸袋的氣體的氧濃度和質(zhì)量流量是固定的，在定量供氧的同時(shí)也定量供入了惰性氣體。為避免惰性氣體在呼吸回路中積累太多，必須通過(guò)呼吸袋上的排氣閥定量排放。因此，半閉式潛水呼吸器消耗的氣體雖然僅為開(kāi)放式潛水呼吸器的1/3，但其氣體利用率與純氧閉式潛水呼吸器和混合氣密閉式潛水呼吸器相比還有一定差距。

使用半閉式潛水呼吸器，吸入氣中的氧分壓在潛水過(guò)程中是動(dòng)態(tài)變化的，與水下工作負(fù)荷和潛水深度相關(guān)。相同潛水深度下，工作負(fù)荷越大，蛙人吸入氣中的氧分壓越低，當(dāng)工作負(fù)荷超過(guò)呼吸器的設(shè)定工作負(fù)荷，可能發(fā)生缺氧癥；當(dāng)潛水深度超過(guò)設(shè)定深度，則存在氧中毒的風(fēng)險(xiǎn)[12]。從減壓安全考慮，一般采用最大攝氧量條件下的氧分壓計(jì)算減壓方案[13]，這樣減壓時(shí)間就會(huì)相應(yīng)增加。

基于半閉式潛水呼吸器的上述特點(diǎn)，為規(guī)范使用，保證潛水安全，首先應(yīng)根據(jù)作業(yè)任務(wù)，選擇合適的半閉式潛水呼吸器。國(guó)際上半閉式潛水呼吸器型號(hào)較多，不同型號(hào)設(shè)定的最大耗氧量也不同，如英國(guó)海軍采用3 L/min作為最大耗氧量，而德國(guó)的Dolphin設(shè)定的最大耗氧量為2.5 L/min，因此應(yīng)選擇設(shè)定最大耗氧量大于預(yù)計(jì)潛水負(fù)荷的半閉式潛水呼吸器[14]；其次，選拔蛙人時(shí)應(yīng)限制體質(zhì)量，避免由于個(gè)體質(zhì)量過(guò)大導(dǎo)致耗氧量超出設(shè)定的最大值[15]；半閉式潛水呼吸器多用于確定潛水深度、確定工作負(fù)荷以及易控制深度的計(jì)劃潛水，水下作業(yè)期間，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)定的計(jì)劃潛水深度和計(jì)劃工作負(fù)荷作業(yè)，防止由于超過(guò)計(jì)劃潛水深度發(fā)生氧中毒或工作負(fù)荷過(guò)大導(dǎo)致缺氧癥，下水前、水下工作一定時(shí)間和上升前，都應(yīng)進(jìn)行換氣，減壓時(shí)應(yīng)減緩上升速度，必要時(shí)進(jìn)行補(bǔ)氣，防止缺氧。

德國(guó)drager公司的DOLPHIN型呼吸器是典型的半閉式潛水呼吸器，其特點(diǎn)是可事先根據(jù)最大下潛深度選擇不同的氣源配比和不同的定量孔。最大下潛深度17、22、30、40 m時(shí)，可分別選用含氧量60%、50%、40%、32%的氮氧混合氣，平均使用時(shí)間分別為120、98、69、46 min；法國(guó)的CRABS55型呼吸器在最大下潛深度25、45 m時(shí)，分別選擇含氧量60%、40%的氮氧混合氣，使用時(shí)間分別為180、 20 min。此外，常見(jiàn)的半閉式潛水呼吸器還有法國(guó)的MIX55、Oxmix97、德國(guó)的LARII(見(jiàn)圖2)、意大利的AZIMUTH以及我國(guó)的SCNR等。

圖2 半閉式潛水呼吸器

1.3 密閉式潛水呼吸器 區(qū)別于純氧閉式潛水呼吸器，密閉式潛水呼吸器通常是特指混合氣密閉式潛水呼吸器(closed circuit mixed-gas rebreather)。這類呼吸器采用純氧和稀釋氣體(通常是壓縮空氣、氮氧混合氣、氦氧混合氣或氦氮氧三元混合氣)作為氣源，通過(guò)氧傳感器和電磁閥的控制，保持蛙人吸入氣中的氧分壓恒定：如呼吸袋內(nèi)氧分壓低于設(shè)定值，電磁閥打開(kāi)，純氧氣體通過(guò)控氧閥進(jìn)入呼吸袋；如呼吸袋內(nèi)氧分壓超過(guò)設(shè)定值，電磁閥關(guān)閉，純氧氣體不再進(jìn)入呼吸袋[16-17]。下潛過(guò)程中，呼吸回路氣體受壓縮時(shí)，稀釋氣通過(guò)按需供氣閥供入呼吸袋，從而維持呼吸回路的體積。稀釋氣還可在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，作為應(yīng)急開(kāi)放式備用氣源使用。

密閉式潛水呼吸器除了在下潛過(guò)程中需要補(bǔ)充稀釋氣體外，到達(dá)一定深度后，只需要根據(jù)需求補(bǔ)充氧氣，以維持潛水員的代謝消耗，整個(gè)潛水過(guò)程中，氧分壓自動(dòng)控制在預(yù)設(shè)水平，除了意外情況或上升時(shí)，一般不會(huì)排出氣體，因此氣體的利用率非常高，噪聲非常小。同時(shí)，由于密閉式潛水呼吸器能使呼吸回路中的氧分壓保持基本恒定，在減壓過(guò)程中，使用了最大可能的氧分壓，可以加速減壓過(guò)程，減壓效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于半閉式潛水呼吸器[18]。密閉式潛水呼吸器在各部件穩(wěn)定工作的情況下，一般不會(huì)發(fā)生缺氧癥或氧中毒，加上其水下工作時(shí)間長(zhǎng)，隱蔽性好的優(yōu)點(diǎn)，非常適合軍事潛水。但是這類呼吸器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，價(jià)格昂貴，對(duì)維護(hù)保養(yǎng)和操作技能要求比較高，在水下存在氧傳感器和控制閥失靈導(dǎo)致供氧障礙等問(wèn)題[19-21]。因此，使用密閉式潛水呼吸器時(shí)，潛水員必須經(jīng)過(guò)充分的培訓(xùn)，下水前必須按照要求仔細(xì)檢查電子元器件的工作狀態(tài)，并嚴(yán)格按照操作程序開(kāi)展水下活動(dòng)[22-25]。

英國(guó)的Inspiration(圖3)是典型的密閉式潛水呼吸器，使用空氣作為稀釋氣時(shí)，極限深度為40 m，使用氦氧混合氣作稀釋氣時(shí)，可潛至100 m。美國(guó)海軍使用的密閉式潛水呼吸器為MK16(圖3)，該呼吸器使用氮氧混合氣作為稀釋氣時(shí)，最大下潛深度為45 m，使用氦氧混合氣作稀釋氣時(shí)，最大下潛深度91 m[26-27]。丹麥的JJ-CCR、美國(guó)的CCR2000、德國(guó)的SF2-eCCR等均屬于密閉式潛水呼吸器。

圖3 混合氣密閉式潛水呼吸器

2 發(fā)展趨勢(shì)

2.1 優(yōu)化二氧化碳吸收裝置 循環(huán)式呼吸器與開(kāi)放式呼吸器相比，一個(gè)最顯著的特點(diǎn)是節(jié)約了呼吸氣體，延長(zhǎng)了水下工作時(shí)間。影響水下工作時(shí)間的因素除了氣源的使用時(shí)間外，二氧化碳吸收裝置的使用時(shí)間是另一個(gè)決定因素[28]。研制體積小、吸收效率高的二氧化碳吸收裝置是今后循環(huán)式呼吸器發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)。一方面可從二氧化碳吸收劑的成分、顆粒形狀和顆粒大小等方面開(kāi)展深入研究，研制高效的二氧化碳吸收劑[29]；另一方面，研究二氧化碳吸收劑罐形狀、材料、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等對(duì)吸收反應(yīng)的影響，從而優(yōu)化二氧化碳吸收劑罐，提高吸收能力，延長(zhǎng)使用時(shí)間[30-32]。

2.2 提高氧分壓和二氧化碳分壓監(jiān)測(cè)能力 有效的氧分壓和安全的二氧化碳分壓控制是保證循環(huán)式呼吸器使用安全的關(guān)鍵，國(guó)外資料統(tǒng)計(jì)，使用循環(huán)式呼吸器導(dǎo)致的事故中，由于吸入不當(dāng)氣體導(dǎo)致的事故約占55%[33]。半閉式潛水呼吸器通過(guò)控制蛙人的水下工作負(fù)荷和工作深度達(dá)到控制氧分壓的目的，但是蛙人在水下工作時(shí)情況復(fù)雜，極有可能發(fā)生工作負(fù)荷超過(guò)設(shè)定量和工作深度超過(guò)設(shè)定深度的問(wèn)題。為此，在半閉式潛水呼吸器中配置氧分壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是今后的發(fā)展趨勢(shì)。循環(huán)式呼吸器通過(guò)二氧化碳吸收裝置控制二氧化碳分壓，但迄今未見(jiàn)有呼吸器用的二氧化碳傳感器的報(bào)道，因而蛙人在潛水過(guò)程中無(wú)法獲知二氧化碳分壓，如果發(fā)生未按規(guī)定填裝二氧化碳吸收劑、使用了用過(guò)的吸收劑、吸收劑罐進(jìn)水、水溫較低吸收效率不好等問(wèn)題，蛙人將在無(wú)預(yù)警情況下發(fā)生二氧化碳中毒，因此很有必要研制用于水下呼吸器的二氧化碳監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.3 提高人機(jī)工效 蛙人呼吸器是蛙人進(jìn)行水下活動(dòng)的必需裝備，既要確保蛙人在水下的安全，又要方便使用[34-35]。蛙人呼吸器的人機(jī)工效直接關(guān)系到作業(yè)效率，甚至影響到水下的安全性。通過(guò)人機(jī)工效設(shè)計(jì)，減少呼吸阻力、縮小呼吸死腔、減小體積重量，提高佩戴和操作的舒適性和靈活性，并保證易裝配、易維修、易儲(chǔ)存是蛙人循環(huán)式呼吸器始終追求的目標(biāo)。

2.4 開(kāi)發(fā)特定用途的呼吸器 根據(jù)特定的潛水用途，研究開(kāi)發(fā)特定用途的循環(huán)式呼吸器是現(xiàn)代循環(huán)式呼吸器的趨勢(shì)。如針對(duì)水下布雷、排雷等特殊作業(yè)任務(wù)，研制無(wú)磁或低磁呼吸器；針對(duì)遠(yuǎn)距離破襲作戰(zhàn)，研制與蛙人輸送艇配套使用的長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)式呼吸器；針對(duì)大深度科考潛水，優(yōu)化氦氧循環(huán)式呼吸器等等。為滿足多樣化潛水任務(wù)，研制純氧閉式和混合氣半閉式相結(jié)合的呼吸器也是今后的發(fā)展方向。這類呼吸器在淺深度采用純氧呼吸，相當(dāng)于純氧閉式呼吸器，在深度較大時(shí)，采用定量供混合氣的呼吸方式，相當(dāng)于半閉式潛水呼吸器，氣體的轉(zhuǎn)換由蛙人在水下完成。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是淺深度純氧閉式呼吸的隱蔽性好，且有利于縮短減壓時(shí)間，可改變純粹的半閉式呼吸器減壓時(shí)間較長(zhǎng)、淺深度隱蔽性不足的缺點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

循環(huán)式呼吸器是蛙人進(jìn)行水下偵查、清障布障、破壞敵方港口設(shè)施等特種任務(wù)，以及執(zhí)行海上反恐作戰(zhàn)、收復(fù)島礁、破襲作戰(zhàn)、執(zhí)行保衛(wèi)港口和水下警戒以及科考潛水時(shí)的必備器材，發(fā)達(dá)國(guó)家基本都自主研制各種類型用途的循環(huán)式呼吸器。我國(guó)近年來(lái)也開(kāi)展了相關(guān)研究[36-38]，研制了定量供氧的半閉式呼吸器，但尚未開(kāi)展恒氧分壓密閉式潛水呼吸器的研究。借鑒國(guó)外技術(shù)方法，深入開(kāi)展自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多種類型的蛙人循環(huán)式呼吸器研制，規(guī)范循環(huán)式呼吸器的使用是下一步工作的重點(diǎn)。