毛理想 柏健 潘澤

摘 要：為了提高潛水的安全性，潛水自救氣囊作為實(shí)用型安全裝置，通過(guò)理論知識(shí)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)裝置采用GPS模塊、壓力傳感器、單片機(jī)等硬件后確實(shí)可以提高裝置的安全性能。其使用方法是，當(dāng)潛水人員在水下發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，通過(guò)按下觸動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)接通裝置內(nèi)部電路，電流通過(guò)電爆管發(fā)生爆炸引燃火藥粉，引發(fā)氣體反應(yīng)劑發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的大量氣體使伸縮氣囊急速膨脹，在極短時(shí)間內(nèi)形成一個(gè)浮力球，產(chǎn)生巨大浮力，拖動(dòng)潛水人員浮出水面，實(shí)現(xiàn)自救。裝置優(yōu)點(diǎn)就是可以實(shí)現(xiàn)快速自救和GPS定點(diǎn)救援，這也是裝置最終需實(shí)現(xiàn)的兩項(xiàng)功能。

關(guān)鍵詞：氣囊;自救;GPS定位救援

中圖分類號(hào)：TB472 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）20-39-04

Abstract： In order to improve the safety of diving， diving self-help airbag as a practical safety device， through the comparison of theoretical knowledge， it can be found that the device using GPS module， pressure sensor， SCM and other hardware can indeed improve the safety performance of the device. Its usage is， when divers danger underwater， by pressing the touch switch to switch the internal circuit， current through electric detonator explosion fire ignition powder， cause gas reactant， the large amount of gas is used to make telescopic airbags rapidly expand， in a very short time to form a buoyancy ball， a huge buoyancy， drag the divers surfaced， healing itself. The advantage of the device is that it can achieve rapid self-rescue and GPS fixed-point rescue， and it is also the final need to realize the two functions of the device.

Keywords： Airbag; Self-rescue; GPS positioning rescue

CLC NO.： TB472 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）20-39-04

引言

21世紀(jì)被譽(yù)為海洋世界，海洋的世界有著許多奇特的海洋生物及豐富的礦物資源，具有很高的研學(xué)研究和開(kāi)發(fā)利用價(jià)值，所以人們不得不潛入水下，進(jìn)行科研及開(kāi)采等工作，同時(shí)也吸引了越來(lái)越多的人們體驗(yàn)潛水。隨著對(duì)海洋資源的深入開(kāi)發(fā)，越來(lái)越多的人們要在水下進(jìn)行工作。在這樣的背景下，我國(guó)科研人員不曾間斷對(duì)潛水裝置的研究。

目前，我國(guó)潛水氣囊的技術(shù)相對(duì)比較成熟，潛水安全氣囊裝置發(fā)展也較完善，各種各樣的潛水氣囊應(yīng)運(yùn)而生，各自展現(xiàn)出自己的風(fēng)采。我國(guó)最先進(jìn)的潛水設(shè)備一般用于水下科研或軍事潛艇，但出于實(shí)用經(jīng)濟(jì)性方面的等考慮，其設(shè)備普遍存在于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)。除此之外，民用潛水設(shè)備的發(fā)展也較完善，技術(shù)相對(duì)比較成熟，就迷你救生氣囊而言，其設(shè)備技術(shù)成熟，但因其設(shè)備結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)的氣囊撐開(kāi)體積較小，所以存在著因產(chǎn)生的浮力有限而不足以在深水領(lǐng)域使用等問(wèn)題。

在這多元化的社會(huì)，潛水活動(dòng)將成為未來(lái)一種常見(jiàn)的工作和娛樂(lè)方式，但往往水下存在許多不確定的安全隱患，可見(jiàn)對(duì)一種潛水安全設(shè)備的研究與研發(fā)是非常有必要的。該潛水自救氣囊通過(guò)對(duì)比總結(jié)現(xiàn)有潛水設(shè)備存在的不足，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新。裝置的創(chuàng)新在于裝置使用了更加安全、更加便捷、更好操作的硬件設(shè)施，并配備GPS定位系統(tǒng)增加裝置的安全性。我們研究的潛水自救氣囊致力于研發(fā)一種可靠、使用方便、造價(jià)低、功能強(qiáng)大的實(shí)用型安全設(shè)備，彌補(bǔ)了類似于迷你自救氣囊等類似設(shè)備普遍存在的潛水范圍局限、潛水設(shè)備結(jié)構(gòu)易氧化等不足。

1 概述

1.1 潛水自救氣囊的介紹

本款潛水自救氣囊是基于水下潛水遇到緊急情況時(shí)用于安全自救的一款實(shí)用型設(shè)備。潛水自救氣囊的設(shè)計(jì)理念不同以往潛水安全工具，它是一款新型的“安全氣囊”，基于汽車安全氣囊的基本工作原理，對(duì)此進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，使其更加適用水下環(huán)境。裝置配有壓力傳感器，可隨時(shí)監(jiān)測(cè)不同水深的水壓并配合指示燈工作，GPS定位模塊隨時(shí)定位，在單片機(jī)顯示屏上將隨時(shí)更新顯示水下的壓強(qiáng)，位置坐標(biāo)等參數(shù)，潛水人員可隨時(shí)查看，確保潛水人員可以掌握自救的黃金時(shí)間。當(dāng)潛水人員所處水域壓強(qiáng)變化波動(dòng)較大時(shí)，潛水人員可以根據(jù)裝置的指示燈的顏色，選擇打開(kāi)氣囊的數(shù)量，并通過(guò)GPS裝置自動(dòng)向外界發(fā)送位置求救信號(hào)，提示外界救援人員及時(shí)展開(kāi)救援工作。

1.2 潛水自救氣囊的應(yīng)用及研究意義

1.2.1 潛水氣囊的應(yīng)用

適用對(duì)象：潛水愛(ài)好者、從事水下科研、水下攝像、清理水下垃圾、打撈海產(chǎn)品、安裝拆除水下設(shè)備、水下安裝鋼結(jié)構(gòu)的潛水工作者。

適用環(huán)境：各種湖泊、流域以及海水等一般潛水環(huán)境。

1.2.2 潛水氣囊的研究意義

潛水自救氣囊將在未來(lái)潛水安全用具的獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。潛水活動(dòng)在未來(lái)將成為新的一種工作和娛樂(lè)方式，考慮的水中存在許多安全隱患及不確定因素，尤其是在未知深水領(lǐng)域中，潛水人員很可能會(huì)出現(xiàn)肢體抽力不支或者氧氣不足等突發(fā)狀況，這是非常危險(xiǎn)的。所以，裝備一套保護(hù)人員安全裝置是非常必要的，綜合潛水自救氣囊的安全便捷的特點(diǎn)，將在未來(lái)?yè)碛袕V闊的市場(chǎng)前景。

潛水自救氣囊符合目前安全設(shè)備研究方向技術(shù)領(lǐng)域的要求。目前，我國(guó)潛水安全設(shè)備各式各樣，目前市場(chǎng)所出現(xiàn)的設(shè)備各有各自的優(yōu)勢(shì)，但也存在部分缺點(diǎn)，仍需要不斷進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新。國(guó)家也正需求一項(xiàng)技術(shù)成熟、安全可靠、使用便捷的潛水安全設(shè)備的研究。潛水自救氣囊裝置通過(guò)結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，利用其準(zhǔn)確性高、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)裝置自救和GPS定點(diǎn)救援的功能，使得裝置較以往的潛水設(shè)備工作更加可靠，提高裝置的安全性能。

潛水自救氣囊相比較其他潛水安全用具的特點(diǎn)。例如：帶氣囊的潛水艇模型、迷你救生充氣囊等。由于迷你自救氣囊存在浮力有限而不能在深水域潛水的問(wèn)題，我們?cè)谠撗b置的特點(diǎn)上進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，通過(guò)使用兩個(gè)相互獨(dú)立的伸縮氣囊來(lái)滿足在10米以下深水域需要自救時(shí)所需的最小浮力。鑒于類似手腕式簡(jiǎn)易氣囊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的潛水設(shè)備，因設(shè)備大部分結(jié)構(gòu)采用塑料制作，所以針對(duì)其設(shè)備水下極易發(fā)生氧化，安全系數(shù)不高的問(wèn)題，該裝置也進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)采用不銹鋼金屬做外殼來(lái)保護(hù)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)，避免裝置在水下發(fā)生氧化的問(wèn)題出現(xiàn)。對(duì)于帶求救標(biāo)志來(lái)向外界發(fā)送求救信號(hào)的潛水設(shè)備而言，因其設(shè)備采用的是帶求救標(biāo)志的氣球來(lái)向外界發(fā)出求救信號(hào)，所以存在因在遠(yuǎn)距離而不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，基本失去了氣球的意義，為此，該裝置也進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)GPS定位和發(fā)短信的方式代替求救氣球來(lái)向外界求救，更好的保障了潛水人員的安全。對(duì)于類似于氧氣瓶的水下潛水設(shè)備，因其設(shè)備體積較大，攜帶不便，給潛水人員增加負(fù)擔(dān)的問(wèn)題，該裝置也進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)采用腰帶式結(jié)構(gòu)（附圖1），使用時(shí)系在腹部，不僅攜帶方便、輕量化，并且不會(huì)妨礙潛水人員做其它動(dòng)作。

為了讓人們?cè)跐撍畷r(shí)可以更加的安全，所以設(shè)計(jì)一款工作可靠、攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、可控的潛水自救氣囊意義重大，它可以在潛水時(shí)作為潛水人員的生命助手，在不影響潛水工作者的正常工作的同時(shí)，給人員提供可靠的安全保障，讓他們能夠在水下更加安心的工作和娛樂(lè)。

2 潛水自救氣囊的設(shè)計(jì)

2.1 潛水自救氣囊的原理

（1）組成：電控開(kāi)關(guān)、氣體產(chǎn)生裝置、防水外殼、氣囊、腰帶、GPS定位模塊、信號(hào)發(fā)射模塊、單片機(jī)等。

（2）工作原理：本裝置引用安全氣囊原理。當(dāng)潛水人員發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，潛水人員按下觸動(dòng)開(kāi)關(guān)，裝置內(nèi)部的電路被接通，電流通過(guò)電爆管，電爆管發(fā)生爆炸引燃火藥粉，從而引發(fā)氣體反應(yīng)劑發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生大量氣體，隨后氣體充入伸縮氣囊中，氣囊急劇發(fā)生膨脹，在極短時(shí)間內(nèi)形成一個(gè)浮力球，產(chǎn)生巨大浮力，拖動(dòng)潛水人員浮出水面。同時(shí)GPS裝置自動(dòng)定位，并配合信號(hào)發(fā)射模塊向外界發(fā)射使用者的位置求救信號(hào)，方便救援人員展開(kāi)救援工作。

如附圖1所示，裝置為腰帶式，使用時(shí)系在腹部，不會(huì)妨礙潛水人員做其它動(dòng)作。

特點(diǎn)：裝置小巧，便于攜帶;操作簡(jiǎn)單，沒(méi)有復(fù)雜的使用流程，氣囊彈出迅速，能夠把潛水人員第一時(shí)間拖出水面。

2.2 潛水自救氣囊的材質(zhì)選擇

（1）材料選擇要求

①為了保證本產(chǎn)品具有良好的抗壓、防水能力，能夠很好的適應(yīng)在水下的工作環(huán)境。裝置采用不銹鋼金屬做外殼，內(nèi)表面涂有耐高溫、防水的玻璃纖維，并且開(kāi)有小孔，氣囊連接于小孔處，且密封連接處附著保護(hù)外膜，能夠有效防止水進(jìn)入。

②考慮到裝置使用時(shí)要與潛水人員身體直接接觸，所以本裝置的外殼采用鎂鋁合金，硅酸鋁纖維做外殼涂抹料，為裝置提供了很好的抗壓和隔熱性能。在此基礎(chǔ)上，與人體直接接觸的部分，裝有采用玻璃纖維和塑料制成一個(gè)緩沖板，能夠有效的減小因爆炸產(chǎn)生的沖擊力，避免了裝置對(duì)人體的二次傷害。

（2）氣囊設(shè)計(jì)所需配件

①安全腰帶：采用高強(qiáng)度纖維材質(zhì)棉綸、滌綸、芳綸組成。

②電爆管：引爆電壓只需要5V，也就是一節(jié)普通5V紐扣電池就可以提供裝置所運(yùn)行需要的電壓。

③電源：?jiǎn)?dòng)按鈕和裝置內(nèi)部的線路均采用防水材料及結(jié)構(gòu)，防止水滲進(jìn)裝置中，從而保護(hù)裝置能夠在深水下正常運(yùn)行。

④氣體發(fā)生劑：硝酸銨（NH4NO3）、疊氮化鈉（NaN3）、硝酸鉀（KNO3）、二氧化硅（SiO2）。

氣囊裝置基本原理簡(jiǎn)圖：

2.3 潛水氣囊的潛水深度設(shè)計(jì)

為保證裝置氣囊打開(kāi)時(shí)能提供足夠的浮力，需要合理計(jì)算出化學(xué)反應(yīng)劑的使用量。通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)利用相關(guān)仿真軟件（Matlab、Adams等）完成潛水自救氣囊在不同水域下時(shí)的性能分析，并建立潛水氣囊三維模型圖。

裝置為了能夠更好的適應(yīng)不同水域壓強(qiáng)的變化，使得裝置具有可調(diào)性，所以裝置采用了兩個(gè)安全氣囊，并各自配備開(kāi)關(guān)，并且裝置上還加了壓力傳感器和指示燈，兩者相互配合工作，根據(jù)壓力傳感器測(cè)定的水壓和氣囊能夠正常工作的壓力范圍顯示不同的顏色，潛水人員可以根據(jù)指示燈的顏色自動(dòng)選擇打開(kāi)氣囊的數(shù)量。以此來(lái)克服因深水域水壓過(guò)大而造成氣囊正常打開(kāi)的問(wèn)題。

2.4 潛水氣囊的防誤爆設(shè)計(jì)

為提升裝置防水能力，需解決裝置在水下可能出現(xiàn)滲水、誤爆的問(wèn)題。裝置外加了一層特殊橡膠制成的保護(hù)外膜，以保證裝置內(nèi)部的設(shè)備可以在水下正常工作。為解決潛水人員在水下因誤觸開(kāi)關(guān)，或者裝置出現(xiàn)故障而導(dǎo)致誤爆的問(wèn)題，所以氣囊打開(kāi)按鈕上裝有可按壓式彈簧保護(hù)外殼。使用時(shí)按下保護(hù)外殼，使其自動(dòng)彈開(kāi)，之后按下自救開(kāi)關(guān)，氣囊正常打開(kāi)。

氣囊部分為本裝置的核心部分，其材質(zhì)采用的是特殊的織物尼龍材料，該材質(zhì)具有很好的抗壓能力，保證了裝置在急劇膨脹的情況下不會(huì)發(fā)生炸裂。氣囊具有耐高溫的性能和一定的可塑性，既保證了在爆炸反應(yīng)的瞬間，氣囊不會(huì)因溫度上升過(guò)快而發(fā)生粘連，又避免了上浮時(shí)水壓下降過(guò)快而膨脹破裂。

3 潛水氣囊的結(jié)構(gòu)

（1）氣囊部分：裝置采用兩個(gè)獨(dú)立的氣囊，可分別獨(dú)立打開(kāi)，外層設(shè)有獨(dú)立的氣囊保護(hù)外殼，起到保護(hù)氣囊的作用。

（2）外殼部分：裝置外加一層特殊橡膠制成的保護(hù)外膜，內(nèi)部安有防誤爆保護(hù)電路，傳感器。

（3）開(kāi)關(guān)部分：氣囊開(kāi)關(guān)位于裝置底端，方便使用者及時(shí)打開(kāi)氣囊，開(kāi)關(guān)外部裝有可按壓式彈簧保護(hù)外殼，起到防止誤觸打開(kāi)氣囊。

（4）電路部分：內(nèi)部電路設(shè)備位于裝置底部空間中，電路設(shè)備上部分為兩個(gè)單獨(dú)的氣囊供給氣體反應(yīng)室，分別給兩個(gè)氣囊提供氣體。

（5）氣囊底殼部分：氣囊底部采用鋁合金材料，外界部分裝有一層隔熱墊片，防止氣體反應(yīng)過(guò)熱燙傷使用者。

（6）腰帶部分：腰帶位于裝置底端兩側(cè)，分別設(shè)有腰帶卡扣，方便固定穿戴本裝備。

（7）裝置設(shè)計(jì)平面圖（見(jiàn)圖3）。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)Matlab、Adams等仿真軟件對(duì)氣囊結(jié)構(gòu)材料的拉伸和剪切力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)定實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果表明潛水自救氣囊確實(shí)比一般的潛水安全裝置性能更加穩(wěn)定，可以更好滿足潛水人員的潛水。

（2）通過(guò)裝置壓力傳感器和預(yù)警提示的作用，使得非專業(yè)潛水人員可以更好的掌握水下壓強(qiáng)可能對(duì)人們?cè)斐刹涣加绊?，更好的保障了人們的安全?/p>

（3）裝置通過(guò)GPS模塊的作用，提高了裝置的安全性，為救援工作提供更加準(zhǔn)確的位置信息，如果該款潛水自救氣囊投放市場(chǎng)使用，未來(lái)將會(huì)對(duì)人員的潛水帶來(lái)積極影響。

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