壓力暴露后潛艇艇員快速上浮脫險(xiǎn)可行性的初步理論推算

廖昌波，付國(guó)舉，劉平小，孫永軍，牛 振，林 潔，陳銳勇

潛艇自二戰(zhàn)誕生以來(lái)，已經(jīng)成為各軍事強(qiáng)國(guó)的主戰(zhàn)裝備，但潛艇失事是不可完全避免和預(yù)計(jì)的意外事件。1956年，英國(guó)海軍首先提出自由上浮脫險(xiǎn)方法，自此以后，快速上浮脫險(xiǎn)已被各潛艇強(qiáng)國(guó)列為潛艇艇員自救脫險(xiǎn)的首選方法。根據(jù)以往的潛艇失事經(jīng)驗(yàn)和對(duì)可能發(fā)生的失事潛艇內(nèi)情況估計(jì)，艇內(nèi)出現(xiàn)一定壓力暴露的可能性是非常大的。如俄羅斯“庫(kù)爾斯克”號(hào)潛艇失事就發(fā)生了固殼破損，導(dǎo)致118名艇員全部死亡，因此暴露于高壓下的救援方法也是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)。雖然目前世界上已經(jīng)有深潛救生艇、救生鐘等集體援救裝備, 美國(guó)并于1989年成立了深潛中隊(duì)，援潛救生裝備可以全天候到達(dá)失事地點(diǎn)，但是援救設(shè)備需要一定的時(shí)間才能到達(dá)失事潛艇海區(qū)。如1979年英美兩國(guó)海軍運(yùn)用深潛救生艇組織援救失事潛艇艇員的聯(lián)合實(shí)兵演習(xí)，運(yùn)用深潛救生艇對(duì)演習(xí)中的模擬122 m水深的失事潛艇英國(guó)潛艇“Oain”(“奧丁”)號(hào)潛艇進(jìn)行援救，整個(gè)援救時(shí)間為41 h，其中航渡、運(yùn)輸所用時(shí)間為37 h[1]。因此，潛艇失事后，潛艇艇員需要在艇內(nèi)等待援救，艇員常常長(zhǎng)時(shí)間暴露于高壓環(huán)境下，此時(shí)艇員體內(nèi)的惰性氣體已經(jīng)完全飽和。所以英美等國(guó)于80年代開(kāi)始進(jìn)行高壓暴露后潛艇艇員救援的研究，如瑞典軍隊(duì)正在研究高壓暴露后失事艇員快速上浮脫險(xiǎn)的技術(shù)，提出了減輕減壓病發(fā)病率及嚴(yán)重程度的技術(shù)。我國(guó)也于20世紀(jì)90年代開(kāi)展了空氣飽和暴露后潛艇艇員救援方法相關(guān)方面研究，并取得了一系列的成果[2]。

本研究旨在說(shuō)明減壓病是潛艇脫險(xiǎn)的主要致命問(wèn)題。從潛水減壓原理可知，減壓病(DCS)發(fā)生概率理論上與出水瞬間的余氮張力直接相關(guān)。后者與壓力下溶解到機(jī)體內(nèi)的惰性氣體-氮?dú)獾倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律有關(guān)。筆者前期對(duì)潛艇脫險(xiǎn)方法的絕對(duì)安全極限進(jìn)行了推算和驗(yàn)證[3]。本文試圖采用經(jīng)典減壓理論，通過(guò)余氮張力的變化，進(jìn)一步推測(cè)壓力暴露后潛艇脫險(xiǎn)的安全性。

1 理論依據(jù)

減壓病的主要病因是機(jī)體內(nèi)惰性氣體溢出產(chǎn)生氣泡導(dǎo)致的一系列病理生理問(wèn)題。惰性氣體動(dòng)力學(xué)提示，氣泡形成的主要原因是，惰性氣體在組織內(nèi)的張力超過(guò)了限制氣泡形成的驅(qū)動(dòng)力[4]。因此，經(jīng)典減壓理論中的余氮張力概念，可以對(duì)減壓病發(fā)病概論提供一個(gè)粗略但相對(duì)正確的估計(jì)。

在潛艇固殼破損直至艇員快速上浮脫險(xiǎn)出水這一過(guò)程中，快速上浮脫險(xiǎn)的潛水程序可以簡(jiǎn)述為快速加壓、短暫停留、上浮減壓3個(gè)階段，艇員暴露在高壓空氣中，體內(nèi)氮張力一直是處于增加的狀態(tài)，所以DCS的危險(xiǎn)性可以用快組織內(nèi)惰性氣體氮張力值來(lái)評(píng)價(jià)。前期研究表明，最快的理論組織可以選取80 s組織。1969年，英國(guó)皇家海軍生理研究所根據(jù)862羊次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果推測(cè)，在脫險(xiǎn)深度為91～289 m時(shí)，80 s、5 min、10 min理論組織的氮張力依次不超過(guò)10、5、4.25 ATA(1 ATA=0.1 MPa)是相對(duì)安全的[5]。而在GJB7137-2011中規(guī)定，失事潛艇艙室內(nèi)壓增加，應(yīng)在內(nèi)壓高于0.07 MPa前組織實(shí)施脫險(xiǎn)[6]。這里就提示：出于安全原因，在快速上浮脫險(xiǎn)過(guò)程中，考慮更多的應(yīng)該是半飽和時(shí)間在10 min以內(nèi)的快組織；而在高壓下長(zhǎng)時(shí)間暴露停留，則考慮半飽和時(shí)間更長(zhǎng)的慢組織更多。

2 推算方法

由氮張力累計(jì)公式[4]可得，固殼破損后艇員在高壓暴露中體內(nèi)累計(jì)的氮張力值N2(t0)為：

(1)

現(xiàn)有的快速上浮脫險(xiǎn)程序包括指數(shù)倍增的加壓、短暫停留和勻速減壓[1]。其中，停留時(shí)間為4 s，減壓速率為2.7～3.0 m/s(本文取3.0 m/s)。加壓的壓力變化速率為每隔4 s壓力翻倍，可以表示為：

PT=P0×2(t/4)

(2)

由此，可以得出對(duì)不同深度快速上浮脫險(xiǎn)，出水時(shí)氮張力的計(jì)算。

加壓階段，體內(nèi)增加的氮張力(N1)為：

(3)

停留階段，4 s后體內(nèi)增加的氮張力(N2)為：

(4)

減壓階段，增加的氮張力(N3)為：

(5)

到達(dá)水面(0 m)后體內(nèi)的余氮張力(N2總)為四者的和：

N2總=N2(t0)+N2(t1)+N2(t2)+N2(t3)+0.79

(6)

再將N2總反算，其值等同于在某一深度完全飽和時(shí)體內(nèi)氮張力值，筆者稱這一深度D同為“相對(duì)飽和深度”，其計(jì)算公式為：

(7)

上述(1)～(6)公式中：

a：艇內(nèi)壓力，單位m；

b：潛艇坐沉深度，即快速上浮脫險(xiǎn)深度，單位m；

PT：加壓過(guò)程中瞬時(shí)絕對(duì)壓強(qiáng)，單位ATA；

P0：初始?jí)毫?，? ATA；

t：加壓時(shí)間，單位s；

T：理論半飽和組織時(shí)間，單位s；

t0：高壓暴露時(shí)間，單位s；

t2：快速上浮脫險(xiǎn)停留階段時(shí)間，默認(rèn)為4 s；

t3：快速上浮脫險(xiǎn)上升階段時(shí)間，單位s，值為b/3 s。

3 推算示例

3.1 快速上浮脫險(xiǎn)出水時(shí)的氮張力值

由上述推算方法可知，潛艇艇員在快速上浮脫險(xiǎn)出水時(shí)的氮張力值受潛艇坐沉深度、潛艇內(nèi)部壓力和高壓下暴露時(shí)間3個(gè)因素決定。假設(shè)潛艇坐沉在某一深度，固殼破損后其內(nèi)壓逐漸升高，經(jīng)損害管制后，艇內(nèi)壓穩(wěn)定在某一值，其脫險(xiǎn)設(shè)備能按4 s鐘翻一倍的加壓速率進(jìn)行加壓，艇員上升出水為3 m/s。在此前提下，筆者將上述3個(gè)因素中的2個(gè)進(jìn)行固定，剩余的1個(gè)作為變量，來(lái)分析不同情況下潛艇艇員出水時(shí)的氮張力值,如圖1、圖2、圖3所示。

注：1 ATA=0.1 MPa圖1 潛艇坐沉100 m，內(nèi)部壓力為8 m時(shí)，快速上浮脫險(xiǎn)出水時(shí)艇員不同組織內(nèi)的氮張力與暴露時(shí)間的關(guān)系曲線圖

注：1 ATA=0.1 MPa圖2 潛艇坐沉100 m，暴露時(shí)間30 min時(shí)快速上浮脫險(xiǎn)出水時(shí)艇員不同組織內(nèi)的氮張力與暴露深度的關(guān)系曲線圖

注：1 ATA=0.1 MPa圖3 潛艇內(nèi)壓為8 m，暴露時(shí)間30 min時(shí)，快速上浮脫險(xiǎn)出水時(shí)艇員不同組織內(nèi)的氮張力與潛艇坐沉深度的關(guān)系曲線圖

3.2 理論上快速上浮脫險(xiǎn)最大安全暴露時(shí)間

由圖1可見(jiàn)，在潛艇固殼破損時(shí)，組織抗沉堵漏等損害管制以及快速上浮脫險(xiǎn)前期準(zhǔn)備工作需要一定長(zhǎng)的時(shí)間，在經(jīng)過(guò)30 min高壓暴露以后80 s、5 min、10 min理論組織基本已完全飽和[7]。如要討論后續(xù)快速上浮脫險(xiǎn)，筆者認(rèn)為用半飽和時(shí)間較長(zhǎng)的慢理論組織來(lái)評(píng)價(jià)艇員體內(nèi)氮張力水平為宜。故以下以80 min組織為對(duì)象進(jìn)行推算。

國(guó)際推薦在7 m飽和后采用快速上浮脫險(xiǎn)的方法出水，減壓病發(fā)病率在10%以內(nèi)，這針對(duì)以逃生為目的的脫險(xiǎn)，還是相對(duì)安全并可以接受的[8-9]。因此可以推測(cè)在高壓下，暴露一定時(shí)間(非飽和)依然可以采用快速上浮脫險(xiǎn)方法逃生，快速上浮脫險(xiǎn)出水時(shí)體內(nèi)氮張力最大的安全值可由公式(7)推算在7 m深度完全飽和后的氮張力值。當(dāng)潛艇坐沉在30、100、200 m深度，內(nèi)部壓力為不同值時(shí)，其安全快速上浮脫險(xiǎn)的最大暴露時(shí)間，可由公式(2)～(6)進(jìn)行反推，結(jié)果如圖4所示。

圖4 坐沉深度為30、100、200 m時(shí)，不同內(nèi)部壓力下推算的允許安全暴露時(shí)間

4 討論

筆者采用組織半飽和理論來(lái)估算體內(nèi)氮張力值的推算結(jié)果顯示(圖4)：隨著潛艇坐沉深度的增加以及艇內(nèi)壓力環(huán)境的升高，可供組織快速上浮脫險(xiǎn)的時(shí)間也越來(lái)越短。如潛艇坐沉在100 m，艇內(nèi)壓升至8 m，就要在205 min高壓暴露時(shí)間內(nèi)完成快速上浮脫險(xiǎn)。但限于前期的損害管制時(shí)間以及脫險(xiǎn)一次的設(shè)備操作時(shí)間，此時(shí)間內(nèi)不足以完成全部人員的單人快速上浮脫險(xiǎn)。在其以后實(shí)施的快速上浮脫險(xiǎn)可以說(shuō)是已經(jīng)超過(guò)了國(guó)軍標(biāo)允許的安全范圍，此時(shí)的減壓病發(fā)病率會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而大大增加。而且內(nèi)部壓力越高，其安全暴露時(shí)間在不同坐沉深度上的差別就越小，最后都趨于一致。

1970年，英國(guó)皇家海軍生理研究所Donala提出了SPdt的概念[5]，用來(lái)大略估計(jì)脫險(xiǎn)者從不同深度脫險(xiǎn)的安全程度，即在整個(gè)高壓暴露時(shí)間內(nèi)，脫險(xiǎn)深度(ft)和時(shí)間(s)乘積倍數(shù)的總和。但筆者發(fā)現(xiàn)SPdt值不適合用來(lái)估計(jì)已經(jīng)高壓暴露一段時(shí)間的情況，故本文未采用該方法進(jìn)行討論。

筆者認(rèn)為，在評(píng)價(jià)高壓暴露后的快速上浮脫險(xiǎn)危險(xiǎn)性時(shí)，高壓下暴露時(shí)間因素比坐沉脫險(xiǎn)深度因素更為重要，所以，一旦潛艇發(fā)生固殼破損導(dǎo)致內(nèi)部壓力升高，要盡快盡可能地先組織損害管制，避免內(nèi)部壓力超過(guò)7 m。如果潛艇內(nèi)部壓力超過(guò)7 m并持續(xù)升高，那么選擇盡快的組織快速上浮脫險(xiǎn)，對(duì)于艇員生命安全具有積極意義。

最后，本文限于理論工具的缺乏和筆者能力水平，用80 min組織來(lái)評(píng)價(jià)高壓暴露后的快速上浮脫險(xiǎn)是否準(zhǔn)確？是否還有其他的更好評(píng)價(jià)方法，期待在以后的工作中進(jìn)行更深入、細(xì)致的研究，予以證實(shí)。