李其修,劉 輝,吳向君

(海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院,湖北武漢 430033)

0 引言

目前,潛艇艇員的脫險(xiǎn)救生大致可分為 3種方式:自救方式、援救方式以及自救與援救結(jié)合方式。自救方式是脫險(xiǎn)艇員單人或集體逃離失事艇的方法,根據(jù)艇內(nèi)是否有高壓暴露,可采用減壓脫險(xiǎn)法或不減壓脫險(xiǎn)法。援救方式是依靠水面救助船采取救助措施進(jìn)行的脫險(xiǎn),多以集體脫險(xiǎn)為主,一般采用常壓干救或高壓干救脫險(xiǎn)。某些情況下,也可以采用濕救脫險(xiǎn),濕救脫險(xiǎn)時(shí)需采用自救與援救相結(jié)合方式進(jìn)行[1]。

單人自救脫險(xiǎn)可分為著裝減壓脫險(xiǎn)和快速上浮脫險(xiǎn) 2種方法。由于著裝減壓脫險(xiǎn)法的局限性,快速上浮脫險(xiǎn)現(xiàn)成為單人自救脫險(xiǎn)的主要發(fā)展方向?？焖偕细∶撾U(xiǎn)是艇員在不減壓脫險(xiǎn)時(shí)間極限內(nèi),著快速上浮脫險(xiǎn)裝具,經(jīng)快速調(diào)壓后快速上浮脫離險(xiǎn)境到達(dá)水面的脫險(xiǎn)法。此方法的優(yōu)點(diǎn)是:高壓暴露時(shí)間短,水中停留時(shí)間短,嚴(yán)格控制各深度的調(diào)壓時(shí)間一般不會(huì)發(fā)生減壓病;脫險(xiǎn)服結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易操作。缺點(diǎn)是:艇員的高壓暴露時(shí)間必須在不減壓時(shí)間極限之內(nèi);艇內(nèi)必須常壓才能實(shí)施此法,否則只能考慮其他脫險(xiǎn)方式;若調(diào)壓不當(dāng),會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的減壓病。

集體救援脫險(xiǎn)方法的最大難題是艇員在待救期間的生命支持問(wèn)題,包括高壓、進(jìn)水、空氣質(zhì)量、有害氣體、氧中毒、寒冷、食物、飲水等問(wèn)題,常常發(fā)生等不到援救力量到達(dá)艇員已喪身的慘劇[2]。因此,單人自救脫險(xiǎn)是潛艇失事后最先考慮的求生手段。

1 快速上浮脫險(xiǎn)技術(shù)與研究進(jìn)展

1.1 快速上浮脫險(xiǎn)裝具

目前有代表性的快速上浮脫險(xiǎn)裝具主要有英國(guó)的MK10型快速上浮脫險(xiǎn)抗浸服,其最大的特點(diǎn)是脫險(xiǎn)服為單層,并配有單人充氣救生筏,潛艇一旦失事,艇員可在水面打開(kāi)該救生筏,提高了舒適性,延長(zhǎng)海面待援時(shí)間?？焖倜撾U(xiǎn)服主要充氣部分為頭罩與儲(chǔ)氣囊,四肢部位也有部分充氣氣囊。艇員穿上脫險(xiǎn)服后進(jìn)行充氣,充氣完成后由排開(kāi)水的體積產(chǎn)生浮力,且上浮過(guò)程中此浮力大小不變。由于上浮時(shí)外界壓力不斷減小,為保持潛水服內(nèi)外壓力平衡,脫險(xiǎn)服不斷向外排氣,使其始終處于氣體充滿狀態(tài),排開(kāi)水的體積始終不變,整個(gè)裝置重約7 kg。該脫險(xiǎn)系統(tǒng)的最大理論脫險(xiǎn)深度可達(dá) 220 m,在 183 m深度脫險(xiǎn)已獲成功,現(xiàn)已有 22個(gè)國(guó)家海軍使用MK10脫險(xiǎn)裝具。

1.2 快速上浮脫險(xiǎn)技術(shù)研究進(jìn)展

英國(guó)是最早進(jìn)行快速上浮脫險(xiǎn)研究的國(guó)家之一。英國(guó)皇家海軍醫(yī)學(xué)研究所早在20世紀(jì)60年代就研究出快速上浮脫險(xiǎn)模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備,并在實(shí)艇上得到應(yīng)用。該設(shè)備根據(jù)潛艇的實(shí)際情況,采用海水加壓方式,在整個(gè)加壓過(guò)程中只有 1個(gè)海水閥起到開(kāi)關(guān)作用,沒(méi)有任何的壓力控制裝置。打開(kāi)閥門后,水進(jìn)入脫險(xiǎn)筒壓縮筒內(nèi)空氣,直到筒內(nèi)外壓力平衡時(shí)加壓完畢。

英國(guó)研制的潛艇脫險(xiǎn)模擬裝置實(shí)現(xiàn)了190 m載人快速上浮脫險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)和 200m無(wú)人快速加壓實(shí)驗(yàn),加壓時(shí)間為22 s,上浮速度為2.75 m/s。根據(jù)使用山羊模擬人類脫險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果,英國(guó)皇家海軍已得出結(jié)論:安全脫險(xiǎn)的最大深度可達(dá) 228m。此外,從274m和289m深度脫險(xiǎn)也許是可能的,脫險(xiǎn)的大多數(shù)艇員可以存活,不過(guò)有的傷員需要緊急加壓治療。但是,289 m深度脫險(xiǎn)目前尚缺減壓病的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[3]。

1970年英國(guó)海軍進(jìn)行了快速上浮脫險(xiǎn)試驗(yàn)。潛水員著MK10型脫險(xiǎn)服,從183 m的深度快速上浮脫險(xiǎn),調(diào)壓速度達(dá)到每 5 s壓力增加一倍,海底停留時(shí)間為3 s,上浮速度為2.8m/s,47人次均獲成功,從而創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)脫險(xiǎn)成功的最高紀(jì)錄。

在 1960～1970年英國(guó)進(jìn)行的 267人次模擬實(shí)驗(yàn)或海上實(shí)際脫險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)中,曾發(fā)生 2例Ⅱ型減壓病。第 1例發(fā)生在加壓艙模擬實(shí)驗(yàn)中,脫險(xiǎn)深度為 152 m,加壓時(shí)間為 20 s,海底停留時(shí)間 30 s,減壓時(shí)間50 s,參試者出水后很快出現(xiàn)左臂、臀部與大腿的沉重、麻木感,膝反射消失。用空氣加壓治療,壓力加到6ATA時(shí),癥狀完全消失、治愈。第2例發(fā)生在海上脫險(xiǎn)訓(xùn)練中,脫險(xiǎn)深度 153m,調(diào)壓時(shí)間 28 s,海底停留時(shí)間3 s,減壓時(shí)間60 s。參試者出水后視覺(jué)出現(xiàn)盲點(diǎn)及平衡障礙等癥狀。用高壓氧加壓治療,加壓到2.28ATA時(shí),癥狀消失、治愈。

在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,美國(guó)海軍醫(yī)學(xué)研究所進(jìn)行了大量人體加壓艙模擬與海上實(shí)艇脫險(xiǎn)實(shí)驗(yàn),研究脫險(xiǎn)深度為18～190 m;調(diào)壓方式分線性與非線性2類,前者調(diào)壓速度為3.8～7.6m/s,后者為每3.4～12 s增加1倍壓力;減壓速度為0.26～2.8 m/s,在267人次實(shí)驗(yàn)中共發(fā)生 2例Ⅱ型減壓病。

我國(guó)在快速上浮脫險(xiǎn)方面發(fā)展落后于國(guó)外。1977年,海軍醫(yī)學(xué)研究所開(kāi)始研制快速上浮脫險(xiǎn)模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備。該設(shè)備加壓采用氣體加壓,利用國(guó)產(chǎn)XWT臺(tái)式自動(dòng)平衡儀控制加壓速度,將需要的加壓曲線輸入電腦,利用負(fù)反饋原理調(diào)節(jié)壓力,使其隨給定曲線變化。該加壓方式能夠有效地將壓力變化曲線控制在適合人體需要的變化規(guī)律內(nèi),并以 3 m/s左右的速度定速減壓。經(jīng)實(shí)驗(yàn)論證,該設(shè)備可用于250m以內(nèi)的快速上浮脫險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)使用。1983年 9月,該研究所成功地完成了模擬 10～100 m15人次快速上浮脫險(xiǎn)實(shí)用性試驗(yàn),從而使我國(guó)潛艇艇員脫險(xiǎn)運(yùn)用新技術(shù)有了一個(gè)良好的開(kāi)端。

海軍醫(yī)學(xué)研究所用山羊進(jìn)行了 40～200 m快速上浮脫險(xiǎn)實(shí)驗(yàn),分別以 2t/4和 2t/8的速度增加艙內(nèi)壓力(t表示時(shí)間,即每4 s或8 s使艙內(nèi)壓力升高1倍)。在 120羊次實(shí)驗(yàn)中,13羊次發(fā)生減壓病。除154m/53 s方案中有一例截癱型減壓病外,其余均未治而愈。關(guān)于高壓暴露時(shí)間的計(jì)算原則,他們采用C/2+DC/2+TOD(C表示加壓時(shí)間,DC表示減壓時(shí)間,TOD表示海底停留時(shí)間)記入總暴露時(shí)間,但這對(duì)于大深度脫險(xiǎn)是否合適,是一個(gè)尚待進(jìn)一步討論的問(wèn)題[4]。

針對(duì)英國(guó)MK10脫險(xiǎn)服的情況,英國(guó)研究人員提出要發(fā)展一種能耐受0.15 MPa內(nèi)壓的抗浸服或抗壓服,以增加脫險(xiǎn)上浮速度。到達(dá)水面后,艇員仍可在抗浸服內(nèi)的高壓環(huán)境中停留一段時(shí)間,相當(dāng)于在9m或12m深度安置了1個(gè)停留站,然后在水面自動(dòng)完成減壓。這樣將可增加安全脫險(xiǎn)深度,并減少減壓病的發(fā)生率。

當(dāng)快速上浮脫險(xiǎn)深度超過(guò) 185 m水深時(shí),在上升的最后階段設(shè)法減慢上浮速度。1973～1975年法國(guó)研制了一種水下減速傘,它可與英國(guó)現(xiàn)使用的MK10脫險(xiǎn)抗浸服配套使用,使艇員從 300 m深度安全脫險(xiǎn)。其全過(guò)程是:(1)調(diào)壓時(shí)間少于30 s; (2)300m到60 m上浮速度是2 m/s,上升時(shí)間是80 s;(3)在 60m深度處自動(dòng)打開(kāi)減速傘,使上浮速度減慢到0.7m/s,60m至水面約90 s,完成一次脫險(xiǎn)約需300 s。

2 快速上浮脫險(xiǎn)系統(tǒng)工作原理

快速上浮脫險(xiǎn)系統(tǒng)主要由一個(gè)可容納一個(gè)人的脫險(xiǎn)筒和控制舷外壓力海水按照脫險(xiǎn)筒的壓力按指數(shù)函數(shù)變化的要求進(jìn)入脫險(xiǎn)筒的 V型流量調(diào)節(jié)閥及直徑為 0.1m的管路等組成[5],具體原理圖如圖1所示。

圖中,p0為海面大氣壓;H為水深;L為脫險(xiǎn)筒高;直徑為1m;脫險(xiǎn)筒和管道截面積分別記為A和B;ρ1為海水密度。

假定閥門全部打開(kāi)時(shí)為t=0時(shí)刻,該時(shí)刻儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體滿足:壓強(qiáng)p(t)=p0,密度ρ(t)=ρ0,高度h(t)=h0。

根據(jù)準(zhǔn)定常Bernoulli方程可得:

圖1 快速加壓系統(tǒng)原理圖

因?yàn)镠遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于L,上式可簡(jiǎn)化為:

根據(jù)質(zhì)量守恒得:

假設(shè)儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體滿足等溫過(guò)程,有:

聯(lián)立上述等式可得關(guān)于h(t)的微分方程:

對(duì)上式進(jìn)行積分可得:

其中,

代回原始變量,可得到儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體壓力微分方程:

上式中:V(t)表示調(diào)節(jié)閥處水流速度,g表示重力加速度,g=9.8m/s2;A1、B1、I1、u、a均是中間變量。

3 結(jié)語(yǔ)

本文著重分析了國(guó)內(nèi)外快速脫險(xiǎn)技術(shù)的研究進(jìn)展,介紹了某型脫險(xiǎn)服的性能,通過(guò)推導(dǎo)建立了快速上浮系統(tǒng)壓力模型,說(shuō)明了快速上浮脫險(xiǎn)系統(tǒng)的工作原理,為快速上浮脫險(xiǎn)試驗(yàn)及脫險(xiǎn)服的設(shè)計(jì)使用積累了科學(xué)數(shù)據(jù),并為脫險(xiǎn)安全性評(píng)價(jià)的綜合分析提供了參考。

[1] 顧靖華,曾廣會(huì),楊健.外軍潛艇脫險(xiǎn)救生技術(shù)概況及發(fā)展趨勢(shì)[J].艦船科學(xué)技術(shù),2005,(3):93-96.

[2] 龔錦涵.潛水醫(yī)學(xué)[M].北京:人民軍醫(yī)出版社,1985.

[3] BROWN D C.Submarine escape and rescue in today's royal navy [J].JRoyal Naval Medical Service,1999,85(3):145-148.

[4] 龔錦涵.對(duì)失事潛艇艇員援潛救生技術(shù)的評(píng)估[J].中華航海醫(yī)學(xué)與高氣壓醫(yī)學(xué)雜志,2003,8(1):11-13.

[5] 林鴻灼,朱文祥,伍吉祥,等.著某型脫險(xiǎn)服上浮速度規(guī)律的探討[J].海軍軍事醫(yī)學(xué),1985,7(4):28-30.