循環(huán)式潛水呼吸器及其在軍事潛水中的應(yīng)用

高文順,袁海軍,任志偉,夏 暉

(重慶華渝電氣集團(tuán)有限公司,重慶,400021)

0 引言

受地緣政治格局的影響,各國軍事重點(diǎn)逐步由陸地向海洋聚焦,瀕海進(jìn)入作戰(zhàn)能力的重要性越發(fā)凸顯[1-2]。為了確保水下作戰(zhàn)行動安全順利進(jìn)行,水下爆炸物處置、水下搜索和偵查以及水下秘密潛入等任務(wù)的實(shí)施,都需要蛙人佩帶潛水呼吸器來完成。自攜式潛水呼吸器按照供給呼吸氣體的回路不同,分為開放式和循環(huán)式2 類[3]。開放式潛水呼吸器簡單輕便、易于使用,但氣體僅呼吸一次即排入水中,因而水下工作時間較短,隱蔽性較差。循環(huán)式潛水呼吸器將蛙人呼出的氣體在呼吸器內(nèi)部循環(huán)回路系統(tǒng)加以處理后再供給蛙人呼吸,極大地提高了氣體利用率,延長了蛙人水下停留時間,同時具有很好的隱蔽性,更適合軍事潛水的需求。

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經(jīng)呼吸回路系統(tǒng)處理后循環(huán)再利用,其關(guān)鍵問題是通過某種可變?nèi)萜鞑蹲酵苋撕舫龅臍怏w,再通過吸收裝置凈化吸收蛙人呼出氣體中的二氧化碳,將蛙人吸入氣體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[4-5]。不同的循環(huán)式呼吸器在特定設(shè)計(jì)上有很大區(qū)別,根據(jù)吸入氣體成分和供氣方式的不同,循環(huán)式呼吸器通常分為純氧閉式潛水呼吸器(oxygen closed-circuit rebreathers)、半閉式潛水呼吸器(semi-closed circuit rebreathers)和混合氣閉式潛水呼吸器(mixed-gas closed-circuit rebreathers)[4]。

1.1 純氧閉式潛水呼吸器

純氧閉式潛水呼吸器(見圖1)采用純氧作為氣源,通過手動或恒定質(zhì)量流量供入呼吸袋,蛙人吸取呼吸袋內(nèi)的氧氣,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[6-7]。由于呼吸氣體是100%的氧氣,正常使用過程中基本沒有氣泡冒出,噪聲小。在潛水前,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,以防缺氧[8]。使用純氧閉式潛水呼吸器時,為避免發(fā)生氧中毒,須嚴(yán)格限制潛水深度和暴露時間[9]。該呼吸器的特點(diǎn)是工作時間長、隱蔽性高、結(jié)構(gòu)簡單、易于部署、水下機(jī)動性好,非常適合淺深度的隱蔽性軍事潛水[8,10]。

圖1 純氧閉式潛水呼吸器原理圖Fig.1 Principle of oxygen closed-circuit rebreathers

美軍的MK-25(Dr?ger Lar V)(見圖2)是典型的純氧閉式潛水呼吸器,廣泛應(yīng)用于美國陸軍特種部隊(duì)、海豹突擊隊(duì)和海軍陸戰(zhàn)隊(duì),該呼吸器工作深度7 m 以淺,最長工作時間可達(dá)4 h[8,10]。

圖2 美國MK-25(Dr?ger Lar V)純氧閉式潛水呼吸器Fig.2 Oxygen closed-circuit rebreathers of MK-25(Dr?ger Lar V)

1.2 半閉式潛水呼吸器

半閉式潛水呼吸器(見圖3)通常采用氮氧混合氣作為基礎(chǔ)氣體,根據(jù)氣體注入方式的不同,一般分為恒定質(zhì)量流量供氣、恒定容量比供氣和恒定比率供氣3 種。恒定容量比供氣雖比恒定質(zhì)量流量供氣效率更高,但維護(hù)和下潛都更為復(fù)雜;恒定比率供氣可在不同深度保持近似恒定的氧分壓,但不能補(bǔ)償不同的代謝消耗,需基于最大工作負(fù)荷設(shè)定質(zhì)量流量,因而會導(dǎo)致氣體的連續(xù)排放;恒定質(zhì)量流量供氣設(shè)計(jì)相對簡單,是半閉式潛水呼吸器最常用的供氣方式[4]。

圖3 半閉式潛水呼吸器原理圖Fig.3 Principle of semi-closed circuit rebreathers

采用恒定質(zhì)量流量供氣方式時,混合氣經(jīng)過流量控制裝置后,以一定質(zhì)量流量供入吸氣袋,蛙人吸取吸氣袋內(nèi)的氣體,呼出的氣體流經(jīng)呼氣袋,經(jīng)吸收裝置去除二氧化碳后,返回吸氣袋中供蛙人呼吸[8]。在不同深度下,注入呼吸袋氣體的氧濃度和質(zhì)量流量是固定的,為避免惰性氣體在呼吸回路中積累太多,并使呼吸循環(huán)回路的壓力與環(huán)境壓力平衡,多余的氣體必須通過呼吸袋上的排氣閥排放[4,8]。

半閉式潛水裝具的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高;呼出的氣體可以部分利用,在一定程度上節(jié)約了氣體;可根據(jù)作業(yè)深度選擇不同氧濃度的混合氣以縮短減壓時間。但與純氧閉式潛水呼吸器相比,其準(zhǔn)備工作相對復(fù)雜。

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?；诎腴]式潛水呼吸器的特點(diǎn),為保證潛水安全,應(yīng)根據(jù)作業(yè)任務(wù)的需求,選擇合適的半閉式潛水呼吸器;水下作業(yè)期間,須嚴(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),防止由于超過計(jì)劃潛水深度發(fā)生氧中毒或工作負(fù)荷過大導(dǎo)致缺氧;下水前、水下工作一定時間后和上升前,都應(yīng)進(jìn)行換氣,減壓時應(yīng)減緩上升速度,必要時進(jìn)行補(bǔ)氣,防止缺氧[8]。

美軍的半閉式潛水呼吸器Viper(見圖4)采用含氧量60%的氮氧混合氣,雖然操作復(fù)雜、深度受限,但噪聲和磁性較低,適合于在淺水區(qū)域進(jìn)行排雷作業(yè)[10]。

圖4 美國Viper 半閉式潛水呼吸器Fig.4 Semi-closed circuit rebreathers of Viper

1.3 混合氣閉式潛水呼吸器

混合氣閉式潛水呼吸器(見圖5)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是向潛水員提供一種含有恒定氧分壓的混合氣體,因此也稱之為恒氧分壓閉式潛水呼吸器。與大多數(shù)半閉式潛水呼吸器和所有純氧閉式潛水呼吸器最明顯的區(qū)別是,混合氣閉式潛水呼吸器使用2 個氣瓶,一個充填純氧,另一個充填混合氣(亦稱稀釋氣,通常是壓縮空氣、氦氧混合氣或氦氮氧三元混合氣),用于稀釋呼吸回路中的氧氣,以便氧分壓隨深度的增加而保持恒定,防止氧中毒。呼吸器通過電子控制系統(tǒng)監(jiān)測氧傳感器,并控制電磁閥添加氧氣,使得氧分壓在不同的代謝消耗和深度下保持合理的恒定。使用過程中,蛙人必須定期查看顯示器,以確認(rèn)氧分壓是否保持在設(shè)定值范圍內(nèi)。大多數(shù)情況下,稀釋氣通過自動補(bǔ)氣閥自動添加,以保持呼吸循環(huán)回路的體積不變。一些呼吸器也提供獨(dú)立于電子設(shè)備的手動操作單元,使蛙人能夠在緊急情況下添加稀釋氣或氧氣。任何稀釋氣如果單獨(dú)使用都能維持生命,在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,可作為開放式備用氣源應(yīng)急使用[4]。

圖5 混合氣閉式潛水呼吸器原理圖Fig.5 Principle of mixed-gas closed-circuit rebreathers

混合氣閉式潛水呼吸器在整個潛水過程中,氧分壓自動控制在預(yù)設(shè)值,除意外情況或上升時,一般不排出氣體,因此氣體的利用率非常高,噪聲非常小。同時,由于混合氣閉式潛水呼吸器呼吸回路中的氧分壓基本恒定,在減壓過程中可以加速減壓過程。該潛水呼吸器具有水下工作時間長,下潛深度大、隱蔽性好的優(yōu)點(diǎn),非常適合軍事潛水。但由于混合氣閉式潛水呼吸器是迄今為止最復(fù)雜、最昂貴的循環(huán)式潛水呼吸器,對維護(hù)保養(yǎng)和操作技能要求較高,因此使用混合氣閉式潛水呼吸器時,潛水員必須經(jīng)過充分、嚴(yán)格的培訓(xùn),下水前必須嚴(yán)格按照檢查清單的要求仔細(xì)檢查呼吸器的工作狀態(tài),并嚴(yán)格按照操作程序開展水下活動[4,8]。

圖6 為美國海軍使用的混合氣閉式潛水呼吸器MK-16 Mod 1,當(dāng)使用空氣作為稀釋氣時,其最大下潛深度為 45 m;使用氦氧混合氣作稀釋氣時,最大下潛深度91 m。該呼吸器便于攜帶、易于部署,支持通信,并具有低聲學(xué)和非磁性特征,可用于水下爆炸物處置、水下搜索和偵查等軍事潛水作業(yè)[7,10]。

圖6 美國MK-16 Mod 1 混合氣閉式潛水呼吸器Fig.6 Mixed-gas closed-circuit rebreather of MK-16 Mod 1

1.4 循環(huán)式呼吸器類型的選擇

潛水作業(yè)任務(wù)具有多樣性,實(shí)際應(yīng)用過程中需根據(jù)任務(wù)類型、作業(yè)深度、制約條件等，并結(jié)合呼吸器的特點(diǎn)(見表1)選擇適合任務(wù)需求的循環(huán)式呼吸器類型。

表1 循環(huán)式潛水呼吸器性能對比Table 1 Characteristics comparsion among circuit rebreathers

2 培訓(xùn)需求

循環(huán)式潛水呼吸器雖然具有氣體利用率高、減壓時間短等優(yōu)點(diǎn),但由于其在安裝維護(hù)方面與開放式潛水呼吸器有著顯著差異,且使用過程中會遇到缺氧、氧中毒和二氧化碳中毒等開放式空氣潛水很少遇到的問題,操作和潛水程序更加復(fù)雜,潛水員必須進(jìn)行專門的選拔和嚴(yán)格訓(xùn)練。

2.1 潛水員的選拔

循環(huán)式潛水呼吸器的使用要求潛水員必須具備高水平的潛水培訓(xùn)、狀態(tài)感知能力和學(xué)習(xí)能力[11-12],參考?xì)W美軍方的選拔原則[12],培訓(xùn)前建議對潛水員進(jìn)行以下檢查和測試:

1)身體狀況檢查;

2)潛水能力測試;

3)學(xué)習(xí)能力測試;

4)循環(huán)式潛水呼吸器適應(yīng)性測試。

應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到,不是每一個潛水員都能習(xí)慣循環(huán)式呼吸器潛水,而且循環(huán)式呼吸器潛水的學(xué)習(xí)成本遠(yuǎn)高于開放式潛水,從安全和成本的角度出發(fā),選拔和培訓(xùn)過程中保持一定淘汰率是很有必要的。

2.2 培訓(xùn)內(nèi)容

60 多年來,歐美軍方一直在使用潛水呼吸器,幾乎犯了已知的每一個錯誤,因而積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。參考美軍MK-25 和MK-16 的培訓(xùn)內(nèi)容[12],循環(huán)式呼吸器潛水培訓(xùn)應(yīng)包含理論教學(xué)、水池訓(xùn)練和開放水域訓(xùn)練,課程至少應(yīng)涵蓋:

1)潛水生理學(xué)和潛水醫(yī)學(xué);

2)裝備的結(jié)構(gòu)組成和功能介紹;

3)潛水前準(zhǔn)備程序;

4)潛水操作程序;

5)裝備維護(hù)保養(yǎng)程序;

6)緊急處置程序;

7)潛水事故救援程序;

8)故障分析。

軍事潛水通常都伴隨著黑暗和恐懼,因此在培訓(xùn)過程中,應(yīng)安排部分潛水訓(xùn)練在夜間或能見度低的條件下進(jìn)行[7]。

2.3 培訓(xùn)時長和熟練度要求

循環(huán)式潛水呼吸器是一種密集維護(hù)型產(chǎn)品,與開放式潛水呼吸器相比訓(xùn)練負(fù)荷更大,且操作和潛水程序都不同于其他潛水方式,對潛水員的技術(shù)要求很高,因此保證一定的訓(xùn)練時長很有必要。參考美軍MK-25 的訓(xùn)練課程(93 h)和英國皇家海軍混合氣潛水員的訓(xùn)練課程(9 周)[12],循環(huán)式潛水呼吸器的培訓(xùn)時長建議不少于6 周。潛水員只有在完成規(guī)定課程后,才能獲得循環(huán)式呼吸器的使用資格。

保持熟練度是非常重要的,平時應(yīng)經(jīng)常對潛水團(tuán)隊(duì)進(jìn)行訓(xùn)練,以確保潛水員熟悉設(shè)備與程序。嚴(yán)格訓(xùn)練的目的是消除人為犯錯的可能性。美國海軍規(guī)定,潛水員如果連續(xù)6 個月未使用混合氣閉式呼吸器潛水,在潛水作業(yè)前,必須重新熟悉呼吸器的緊急處置程序和操作程序,并要完成一次潛水訓(xùn)練才能重新進(jìn)行潛水作業(yè)[7]。

3 風(fēng)險(xiǎn)分析

國外對休閑潛水死亡事故的調(diào)查研究顯示,25%的潛水死亡事故是由于潛水員自身的健康狀況不適合潛水;39%的潛水死亡事故的重要原因是恐慌;30%～40%的潛水死亡事故是由于潛水員缺乏經(jīng)驗(yàn)或訓(xùn)練不足[13]。針對循環(huán)式呼吸器潛水死亡事故的調(diào)查顯示,使用循環(huán)式呼吸器潛水的死亡發(fā)生率約為開放式呼吸器潛水的4～10 倍;報(bào)道的死亡事件中,三分之二的事故原因與潛水員的高風(fēng)險(xiǎn)行為有關(guān)[14]。

由于大多數(shù)國家的民法對潛水事故報(bào)告未有具體規(guī)定,休閑潛水也沒有專門的管理機(jī)構(gòu),其事故的調(diào)查處理缺乏明確的程序,研究機(jī)構(gòu)收集的事故數(shù)據(jù)信息往往不完整,受數(shù)據(jù)來源和樣本量的限制,其事故發(fā)生率和死亡率的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果缺乏權(quán)威性。軍事潛水不同,其行動是以紀(jì)律嚴(yán)明的方式進(jìn)行的,對事故的處理有明確的程序,其調(diào)查結(jié)果和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可認(rèn)為是相當(dāng)準(zhǔn)確的。

美國海軍2003～2013 年潛水活動統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(見表2)顯示[10],純氧閉式潛水呼吸器(MK-25)的事故發(fā)生率為每10 000 次潛水2.2 次,混合氣閉式潛水呼吸器(MK-16 Mod1)的事故發(fā)生率為每10 000 次潛水9.0 次。

表2 2003～2013 年美國海軍潛水活動一覽表Table 2 U.S.Navy diving activity from 2003 to 2013

美國海軍試驗(yàn)潛水部隊(duì)(Navy Experimental Diving Unit,NEDU)負(fù)責(zé)美國軍方的潛水事故調(diào)查,其1978～2013 年潛水事故調(diào)查記錄(見表3)表明[15],使用循環(huán)式呼吸器造成的潛水事故占整個潛水事故的35%。由于潛水事故調(diào)查無法回到事故現(xiàn)場收集更多的證據(jù),在確定事故的實(shí)際原因時,調(diào)查人員往往只能從事故原因中排除可能的因素。在139 個有足夠數(shù)據(jù)供審查的事故中,僅有一個案例可以排除人為錯誤的原因。

表3 美國海軍實(shí)驗(yàn)潛水部隊(duì)潛水事故統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistical table of diving accidents of NEDU

法國軍隊(duì)在1979～2009 年的30 年中,使用循環(huán)式呼吸器的潛水事故共發(fā)生153 例[16](見表4),其中3 例死亡,9 例事故由設(shè)備故障引起,76 例發(fā)生在潛水員的資格培訓(xùn)過程中。按其每年使用呼吸器的潛水次數(shù)估算,半閉式潛水呼吸器的事故發(fā)生率約為每10 000 次潛水2.5 次,純氧閉式潛水呼吸器的事故發(fā)生率約為每10 000 次潛水3.1 次。

表4 1979～2009 年法國海軍潛水事故統(tǒng)計(jì)表Table 4 French army diving accidents from 1979 to 2009

不論是軍事潛水還是休閑潛水,在潛水事故的調(diào)查結(jié)論中,絕大多數(shù)潛水事故的原因都可以追溯到技能、經(jīng)驗(yàn)和紀(jì)律這3 個人為因素[17]。參考美國海軍和法國海軍的潛水事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知,得益于嚴(yán)格的培訓(xùn)、訓(xùn)練和紀(jì)律,在軍事潛水活動中,循環(huán)式呼吸器潛水的風(fēng)險(xiǎn)相比開放式呼吸器潛水雖有增加,但事故發(fā)生率和死亡率仍遠(yuǎn)低于休閑潛水?？紤]到循環(huán)式呼吸器潛水事故中有將近50%發(fā)生在潛水員培訓(xùn)期間[16],在進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)備維護(hù)和培訓(xùn)的基礎(chǔ)上,按規(guī)定的潛水程序操作,使用循環(huán)式潛水呼吸器進(jìn)行軍事潛水的風(fēng)險(xiǎn)是可控的。

4 結(jié)束語

循環(huán)式呼吸器可以為蛙人提供更長的潛水時間和更高的隱蔽性,是蛙人執(zhí)行水下偵查、水下爆炸物處置以及水下秘密潛入等軍事潛水任務(wù)的必備器材,可以保障海軍完成特定任務(wù)。通過標(biāo)準(zhǔn)化的訓(xùn)練,可以將其相比開放式潛水增加的風(fēng)險(xiǎn)控制在較低的水平。在可預(yù)見的未來,循環(huán)式呼吸器將是海軍潛水裝備的重要組成部分,在軍事潛水中將得到更加廣泛的應(yīng)用。