水下軍事救援裝備現(xiàn)狀及發(fā)展建議

石恒源，王仁杰，云 晨，李正超，陳淑蓮，劉 軍，陳旭義*，郭春良

（1.武警后勤學(xué)院學(xué)兵二大隊四隊，天津300162；2.武警特色醫(yī)學(xué)中心海上維權(quán)醫(yī)學(xué)保障研究所，天津300162）

0 引言

相比內(nèi)陸，海上事故發(fā)生概率高。目前海上貿(mào)易、海上維權(quán)演習(xí)訓(xùn)練較為頻繁，水下軍事救援需求提高的同時，對水下軍事救援裝備的配置也有了更高的要求。水下軍事救援裝備即參與事故搜索救援的一系列載人及非載人工具，主要是用于海上且針對大型事故所采用的先進裝備。目前水下軍事救援裝備是未來海上救援發(fā)展的重點，已逐步從人為行動向機械化、智能化方向發(fā)展。相比國外水下軍事救援裝備的發(fā)展，我國水下軍事救援裝備仍處于相對落后狀態(tài)。美國、德國等國家的水下軍事救援裝備已可在10 000 m 的深海進行專門作業(yè)任務(wù)，這些國家的水下救援裝備已經(jīng)向產(chǎn)業(yè)化、模塊化發(fā)展，同時裝備的標準化以及多功能化在核心部件以及技術(shù)方面也有了充分的體現(xiàn)[1]。國內(nèi)水下軍事救援裝備發(fā)展迅速，但在核心技術(shù)、裝備材料、整體適應(yīng)性以及功能性方面仍存在較大欠缺。目前，國內(nèi)水下軍事救援裝備分為載人援潛救生裝備以及無人潛水器兩大類。以下將綜述國內(nèi)外水下軍事救援裝備的研究現(xiàn)狀，為未來水下軍事救援裝備的發(fā)展提供建議。

1 水下軍事救援裝備現(xiàn)狀

1.1 載人援潛救生裝備

載人援潛救生裝備主要是用于救援人員以及被救援人員的水下運載裝備，主要分為深潛救生艇、潛水鐘、潛水吊籠、飽和潛水系統(tǒng)以及單人常壓潛水裝備幾大類。

1.1.1 深潛救生艇

在船只裝具發(fā)生故障后，等待深潛救生艇救援是目前最有效、可靠的方式，也是未來水下軍事救援裝備發(fā)展的主要方向[1]。

美國作為潛艇救生方面研究的先行者，其研制的DSRV 深潛救生艇[2]（如圖1 所示）由操縱室、救生艙以及動力艙三部分構(gòu)成。DSRV 深潛救生艇可達到1 066 m 的最大救援深度，且每次可以救出24名傷員，0.5 MPa 的抗內(nèi)壓強度使得其能在約40 m的水下進行高壓暴露的援救工作[3]。英國的LR-7 深潛救生艇[2]（如圖2 所示）作為現(xiàn)如今世界上最先進的深潛救生艇，已廣泛應(yīng)用于深潛救援當中。LR-7 深潛救生艇將長度降低至約7.6 m，增強其水下靈活性的同時將潛航時間提高至12 h 以上，每次最多能搭載約20 名受難者，可作為惡劣環(huán)境下的援救工具[3]。MSM-I/S[3]作為意大利目前主要使用的深潛救生艇，長約10.7 m，寬約3.0 m，高約4.1 m，可完成水下深度300 m 的援潛救生任務(wù)，一次可最多援救8 名艇員；SRV-300 深潛救生艇在MSM-I/S 的基礎(chǔ)上完善了抗壓以及轉(zhuǎn)動能力，更加適應(yīng)如今水下的救援工作[3]。韓國的LRSK[3]以及日本的“千代田”號[3]則更多地參考他國深潛救生艇進行一定的改造，在結(jié)構(gòu)功能上相似相仿[1-3]。

中國于20 世紀70年代研制的7103 深潛救生艇[4]（如圖3 所示）主要用于遇難潛艇的營救，長約14.88 m，寬約2.6 m，高約4 m，下潛深度300 m 左右，一次可救助22 名傷員，它的研制成功使得我國援潛救生水平躍居世界先進水平行列[5]。

圖2 LR-7 深潛救生艇[2]

圖3 7103 深潛救生艇[4]

深潛救生艇擁有動力、探測、通信、導(dǎo)航等功能，其配置的均壓救生轉(zhuǎn)運通道通過平衡氣壓能盡可能多地實現(xiàn)人員的轉(zhuǎn)移，同時保證施救人員的生命安全，因此目前深潛救生艇一般適合于大規(guī)模的人員救援[5]。但目前國內(nèi)深潛救生艇的均壓救生轉(zhuǎn)運通道與船只裝具的對接操作需要復(fù)雜的維生系統(tǒng)設(shè)計來維持氣壓的穩(wěn)定；針對不同情況的施救，往往需要大規(guī)模數(shù)據(jù)的計算和評估；在設(shè)計方面存在不合理性，材質(zhì)的選擇在防銹防燃方面較差，在人員登梯的設(shè)計上缺乏全面的考慮，存在硬件損壞且屬具缺失等現(xiàn)象。

1.1.2 潛水鐘

圖1 DSRV 深潛救生艇[2]

潛水鐘作為一種壓力容器可以運送人員，可用于水下觀察，也可用于潛水作業(yè)，主要分為開式潛水鐘和閉式潛水鐘兩大類。

圖4 開式潛水鐘[6]

開式潛水鐘[6]（如圖4 所示）用于60 m 以內(nèi)中淺深度的潛水，遇到呼吸器故障或者供氣不足時，潛水員可潛入潛水鐘內(nèi)卸下面罩吸取氣體，增加了水下搜救的安全性和效率，機動靈活，操作簡便。開式潛水鐘系統(tǒng)具有獨特的優(yōu)勢，其在國外得以標準化生產(chǎn)，用于潛水作業(yè)。美國于20 世紀70年代就開始研制開式潛水鐘并裝備部隊；南非的LG360開式潛水鐘采用集裝箱底座，可根據(jù)需要運送至救援地點，相對靈活[6]。中國于20 世紀80年代研制的SWZ1.2K90/2 型開式潛水鐘由潛水鐘、臍帶、控制箱以及吊放裝置組成，作為國內(nèi)最新一代的開式潛水鐘，同樣采用集裝箱式底座，可用于90 m 以內(nèi)的水下作業(yè)[6-8]。

閉式潛水鐘[2]（如圖5 所示）可以當作居住艙進行水下作業(yè)，適合不同工作時長救援工作的進行。閉式潛水鐘作為潛水系統(tǒng)中的一部分，由加減壓系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等組成。但以往閉式潛水鐘整體較為笨拙，機動性不強，不僅不適于船運和集裝箱拖車裝運，也無法適用于不同平臺角度的對口施救[8]。目前閉式潛水鐘多采用集裝箱集成，主要用于失事潛艇的救援，上室為救生室，下室為潛艇對接通道[9]，對于母船的專門配件要求也較低，一般的民用船均可作為臨時母船使用，選擇范圍大大增加，成本相對降低，在減少對接時間的同時，可以進行多次降壓對接。閉式潛水鐘目前被廣泛用于水下救援。美國海軍1928 年最早研制的麥坎恩閉式潛水鐘[6]1939 年在72 m 深的海底解救了33 名艇員。如今的麥坎恩潛水鐘在原基礎(chǔ)上配備了水面支持設(shè)備及輕型錨泊系統(tǒng)，可實現(xiàn)在深度259 m、傾角30°的情況下一次解救8 名失事艇員[6]。法國閉式潛水鐘則更注重于推進器的研制，具有較強的機動能力[6]。國內(nèi)閉式潛水鐘則更多地與飽和潛水系統(tǒng)協(xié)同進行水下救援，具備移位和對口作業(yè)動力系統(tǒng)，提高了對救援工作的適應(yīng)能力[10-11]。

目前國內(nèi)潛水鐘雖使用廣泛，但在施救人員水下區(qū)域選擇方面的可操作性與深潛救生艇等比較仍存在差距。

圖5 閉式潛水鐘[2]

1.1.3 潛水吊籠

潛水吊籠與開式潛水鐘相似，是一個輕架構(gòu)的籠子，但不形成氣墊，在水深超過20 m 時用于潛水人員的下送工作，如同在水下安裝了電梯，使安全性得到顯著提高。

國外根據(jù)國際潛水承包商協(xié)會（Association of Diving Contractors International，ADCI）《商業(yè)潛水與水下作業(yè)公認標準》將潛水吊籠劃為潛水鐘一列，當救援或者任務(wù)要求達到20 m 乃至更深的位置時，潛水吊籠充當載人工具，并配套以應(yīng)急供氣系統(tǒng)保證工作人員的安全運送。國內(nèi)潛水吊籠[12]（如圖6 所示）已能完成90 m 深度的潛水，由上海打撈局研制成功，采用先進進口載人絞車，已達到國際海事承包商協(xié)會（International Marine Contractors Association，IMCA）的規(guī)范標準，能滿足潛水員在最大潛水深度潛水30 min 的要求[6]。

圖6 潛水吊籠[12]

但國內(nèi)潛水吊籠容易受到水下水流速度等因素的影響，無法保證具體位置的投放，故適用性較差。

1.1.4 飽和潛水系統(tǒng)

飽和潛水系統(tǒng)一般適用于作業(yè)深度超過120 m、時長超過1 h 的救援工作，作為唯一一種能讓潛水員直接暴露于高壓環(huán)境下工作的潛水方式，其受到了各國的重視[13]。

在世界飽和潛水系統(tǒng)發(fā)展史上，下潛深海300 m是一道難以逾越的門檻，只有少數(shù)國家能突破此深度。目前，美國、英國、日本等國家已先后突破400 m深度[14]。而法國COMEX 公司的飽和潛水系統(tǒng)在“HYDRA”實驗中利用氫氦氧混合原理，更是創(chuàng)造了海上飽和潛水534 m 的記錄[13]。2006 年上海打撈局自行開發(fā)的200 m 飽和潛水作業(yè)技術(shù)實現(xiàn)了我國飽和潛水技術(shù)零的突破，隨后上海打撈局與澳大利亞DIVEX 公司共同設(shè)計建造了SS300 飽和潛水系統(tǒng)[14]（如圖7 所示），并于2009 年正式投入使用。其移動式的系統(tǒng)設(shè)計能保證潛水深度達到300 m；其液壓釋放系統(tǒng)的配置結(jié)束了“臍帶”時代，開啟了水下裝備“獨立”時代，大大保障了潛水員的安全；機械集裝系統(tǒng)可以支持母船固定，同時也適于其他配置船舶；氣體回收系統(tǒng)大大減輕了潛水作業(yè)中的負荷問題，保證了潛水員的休息和生活[13-14]。

飽和潛水系統(tǒng)作為潛水行業(yè)的頂級核心技術(shù)及前沿技術(shù)，集成化強、技術(shù)水平高、適用范圍廣，代表著目前最主流的生產(chǎn)力水平。但目前國內(nèi)飽和潛水系統(tǒng)全套設(shè)備復(fù)雜且價格昂貴，救援單位的普及率較低，且系統(tǒng)裝備或者配件的損壞會導(dǎo)致整體運行的阻滯或者崩潰[15]。

圖7 SS300 飽和潛水系統(tǒng)[14]

1.1.5 單人常壓潛水裝備

單人常壓潛水裝備為潛水員水下個體救援裝備。保持大氣壓內(nèi)部環(huán)境的單人常壓潛水裝備[14]（如圖8 所示）突破了仿人形耐壓、中繼站以及液壓支撐等關(guān)鍵技術(shù)，目前可進行500 m 深度的水下救援工作[16]。由英國濱海深潛器公司研制的“黃蜂號”單人常壓潛水裝備[17]由優(yōu)質(zhì)鋁制成，由一根臍帶電纜與水面連接，玻璃纖維的包裹使其在水下工作較為輕便，可在610 m 的深度進行工作。其內(nèi)部的生命支持自動、半自動控制系統(tǒng)可在故障之后供以60 h 左右的生命支持。美國的MANTIS 系列單人常壓潛水裝備[18]可達到600～700 m 的作業(yè)深度，能消除水壓變化給潛水員水下工作帶來的不適感，保證了工作時長和效率，同時可利用腕部活動關(guān)節(jié)，通過夾持等操作完成水下救援作業(yè)。國內(nèi)單人常壓潛水裝備（ADS）[16]近些年突破了液壓支撐技術(shù)、耐壓技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，作為國內(nèi)成功研制的首個單人常壓潛水裝備，順利通過試驗考核后，現(xiàn)已逐步應(yīng)用于市場。

圖8 單人常壓潛水裝備[14]

但國內(nèi)單人常壓潛水裝備總體相對笨重，水下阻力較大，作業(yè)效率較低，穩(wěn)定性欠缺。

1.2 無人潛水器

無人潛水器即非載人且能遙控或者自主進行水下探測勘察的一系列裝備，主要分為遙控潛水器以及自主式潛水器兩大類[16]。

1.2.1 遙控潛水器

遙控潛水器通過與母船相連的臍帶，由工作人員遠程進行操控，適用于高強度、高風(fēng)險、長時間的水下工作[19]。

從1974 年全球總共20 臺遙控潛水器發(fā)展到1982 年底的500 臺，遙控潛水器的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)成熟可靠。目前美國、英國、法國、日本等國家在遙控潛水器的發(fā)展上占據(jù)領(lǐng)先位置[19]。美國20 世紀90年代研發(fā)的CURVⅢ潛水器以及ATV 潛水器已經(jīng)可以完成下潛6 000～7 000 m 的作業(yè)，英國的ISIS潛水器以及法國的IFREMER 遙控潛水器均可完成水下深度6 000 m 以上的水下作業(yè)，日本研發(fā)的KAIKO 11000 則成為世界上第一套突破10 000 m 的遙控潛水器[19]。

“海馬-4500”[16]（如圖9 所示）是國內(nèi)下潛深度最大的遙控潛水器，具有較強穩(wěn)定性、可靠性以及擴展性，同時支持水下液壓和電器設(shè)備?！昂ｑR-4500”的研發(fā)標志著我國全面突破了深海遙控潛水器的相關(guān)核心技術(shù)[19]。

圖9 “海馬-4500”遙控潛水器[16]

相比歐美發(fā)達國家，“海馬-4500”在多模式、多工具作業(yè)方式的設(shè)計上仍存在一些問題：（1）在配置方面，開放式金屬框架結(jié)構(gòu)帶來的浮力有限，需要高強度耐壓浮力材料進行平衡；需要裝備不同的作業(yè)工具包，模塊化較為復(fù)雜；同時臍帶纜技術(shù)制約遙控潛水器的發(fā)展。（2）在操作方面，遙控潛水器均為半自主救援，離不開熟練的操作，無法保證救援的安全性。

1.2.2 自主式潛水器

自主式潛水器利用了人工智能、模式識別、信息融合、自動控制與系統(tǒng)集成技術(shù)，是一種自主、能回收利用，且能長期在水下航行的無人潛器，可用于復(fù)雜海洋環(huán)境中的救援任務(wù)[20]。

美國在自主式潛水器的研發(fā)中注重體系化的建設(shè)，由美國HYDROID 公司生產(chǎn)的REMUS 系列自主式潛水器[21]（如圖10 所示）主要用于水下環(huán)境的探測及救援工作，主要有REMUS 100、REMUS 600、REMUS 3000、REMUS 6000 等型號，能在100～600 m不等的水下深度持續(xù)工作15～22 h，可裝備聲吶攝像機等傳感器設(shè)備，代表著自主式潛水器的最高水平。德國的“長尾鮫”長約1.3 m，可在水下1 200 m 范圍內(nèi)進行水下救援工作[22]。法國的“劍魚”全長8.3 m，可與全球系統(tǒng)聯(lián)動搜集聲吶影像，使得救援信息的獲取更為快速[23-25]。

圖10 REMUS 系列自主式潛水器[21]

目前“潛龍三號”[26]（如圖11 所示）作為國內(nèi)自主研發(fā)的潛水器新成員，相比“潛龍一號”以及“潛龍二號”，其將工作時長由30 h 增加至40 h，同時扁魚型設(shè)計使其抗流能力出色，機動性強，穩(wěn)定性好，提高了搜索作業(yè)能力。其附帶高精度側(cè)掃聲吶及深海熱液異常探測裝備，可實現(xiàn)海底米級探測水平，有利于水下救援工作的進行[23-25]。

圖11 “潛龍三號”自主式潛水器[26]

但國內(nèi)自主式潛水器的發(fā)展水平不高，總體集成性低、功能單一，需要不同功能的配套設(shè)備協(xié)同完成任務(wù)，對救援任務(wù)適應(yīng)性較差；在能源動力方面，受限于能源種類問題，自主式潛水器的水下工作效率并不高；在材料方面，主要依靠進口，國內(nèi)材料的精確度、可靠性、穩(wěn)定性方面的研究還比較欠缺。以上種種因素使得國內(nèi)自主式潛水器在水下救援當中的使用率并不高。

2 水下軍事救援裝備的發(fā)展建議

2.1 強化防護能力

海水是一種強電解質(zhì)溶液，水下軍事救援裝備在長時間的惡劣環(huán)境中會受到化學(xué)、微生物腐蝕破壞作用，因此不僅在裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計上要采取密封結(jié)構(gòu)，還需要考慮材料的耐高壓性能以及防腐蝕性能。在涂料方面，應(yīng)采用多層涂層，使用保護性能強的環(huán)氧樹脂涂層。在材料方面，可選取鈦合金。鈦合金作為一種航天領(lǐng)域的材料，其強度大、適應(yīng)性強，不僅有著良好的彈性，還具有很好的抗腐蝕能力，在水下高鹽的環(huán)境中不易被腐蝕。殼體材料也可以選取超疏水材料，不僅能提供防水能力，還能在一定程度上提高裝備的浮力，使得遭受嚴重損傷的裝備也能繼續(xù)保持漂浮狀態(tài)，從而提高救援裝備的安全性。

2.2 提高通信能力

傳統(tǒng)的電纜通信技術(shù)依賴于裝備的基礎(chǔ)設(shè)施，受到電纜長度、救援距離的影響，限制了水下軍事救援裝備的發(fā)展，應(yīng)注重“有纜”到“無纜”的發(fā)展。在救援裝備通信方式的選取上，近距離應(yīng)選取無線電或者光通信，遠距離則采用聲通信或者電磁波；也可在特定的區(qū)域設(shè)立聲信道，加大通信距離，在水下乃至深海建立通信網(wǎng)絡(luò)，利用網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)水下救援數(shù)據(jù)的多方位獲取[27-33]。在現(xiàn)有通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)研發(fā)水下中微子通信、引力波通信、量子通信等通信技術(shù)，從而提高通信的穩(wěn)定性。

2.3 提升續(xù)航能力

水下軍事救援裝備續(xù)航能力的提升即能源供應(yīng)的優(yōu)化，在能源供應(yīng)方面應(yīng)選取氫氧、核能等高性能材料。新型鋁-水電池以及鋁-鎳電解質(zhì)系統(tǒng)相比鋰離子電池有著更為耐用及安全的特點，可替換成為水下軍事救援裝備的供能材料[34-36]。也可在水下配以海底能源補給船艦，利用能源轉(zhuǎn)化技術(shù)將海底生物能、溫差轉(zhuǎn)化為動能對救援裝備進行補給。

2.4 強化導(dǎo)航能力

導(dǎo)航系統(tǒng)能為操作者以及控制系統(tǒng)提供位置、速度、方向等水下關(guān)鍵信息，同時也決定是否可以安全完成任務(wù)并返回。應(yīng)該保證2 種及以上導(dǎo)航技術(shù)的結(jié)合運行，加大容錯率；深化航位的推算、慣性導(dǎo)航、聲學(xué)導(dǎo)航、地球物理導(dǎo)航、天文導(dǎo)航等關(guān)鍵技術(shù)的研究；也可結(jié)合重力學(xué)、水聲學(xué)與海底地形相匹配，形成低成本、高精度的水下導(dǎo)航系統(tǒng)，綜合地對水下軍事救援裝備進行精確導(dǎo)航。

2.5 把握控制能力

水下環(huán)境惡劣，受到水流、水壓等因素的影響，救援人員及水下軍事救援裝備進行水下工作時無法保證動作的準確性和穩(wěn)定性，控制技術(shù)影響水下援潛救生的發(fā)展。應(yīng)以水下動力學(xué)、運動學(xué)為基礎(chǔ)，利用矢量裝置實現(xiàn)裝備方向、速度以及姿勢的保持與改變，從而搭建航行器以及單人水下作業(yè)裝備的數(shù)字運動模型；研發(fā)智能裝備，根據(jù)水下救援人員的運動狀態(tài)、能量消耗以及即時狀態(tài)的變化進行自主決策與規(guī)劃，也可對不同類型、流程、要求的水下作業(yè)開展信息監(jiān)測，進行數(shù)據(jù)方面的分析，并輔以精確的執(zhí)行反饋，在評估與規(guī)劃的同時，實現(xiàn)智能控制，克服水下艱難環(huán)境帶來的不便。

3 結(jié)語

21 世紀是屬于海洋發(fā)展的時代，水上載具的增加、軍事行動的頻繁使得發(fā)生事故的概率大大提升，同時水下環(huán)境較為惡劣，使得目前救援形勢險峻，任務(wù)艱巨，對于水下救援有了更高的技術(shù)水平要求，水下救援也成為了當今需要著重發(fā)展的要點。未來，水下軍事救援裝備將會向著優(yōu)質(zhì)化、智能化以及穩(wěn)定化的方向發(fā)展。相信隨著水下軍事救援裝備的普及、核心技術(shù)的提升以及潛水人員素質(zhì)的提升，水下救援能向著正規(guī)化、安全化、高效化的方向發(fā)展。