快速上浮脱险技术研究现状

李其修,刘 辉,吴向君

(海军工程大学船舶与动力学院,湖北武汉 430033)

0 引言

目前,潜艇艇员的脱险救生大致可分为 3种方式:自救方式、援救方式以及自救与援救结合方式。自救方式是脱险艇员单人或集体逃离失事艇的方法,根据艇内是否有高压暴露,可采用减压脱险法或不减压脱险法。援救方式是依靠水面救助船采取救助措施进行的脱险,多以集体脱险为主,一般采用常压干救或高压干救脱险。某些情况下,也可以采用湿救脱险,湿救脱险时需采用自救与援救相结合方式进行[1]。

单人自救脱险可分为着装减压脱险和快速上浮脱险 2种方法。由于着装减压脱险法的局限性,快速上浮脱险现成为单人自救脱险的主要发展方向。快速上浮脱险是艇员在不减压脱险时间极限内,着快速上浮脱险装具,经快速调压后快速上浮脱离险境到达水面的脱险法。此方法的优点是:高压暴露时间短,水中停留时间短,严格控制各深度的调压时间一般不会发生减压病;脱险服结构简单,易操作。缺点是:艇员的高压暴露时间必须在不减压时间极限之内;艇内必须常压才能实施此法,否则只能考虑其他脱险方式;若调压不当,会发生严重的减压病。

集体救援脱险方法的最大难题是艇员在待救期间的生命支持问题,包括高压、进水、空气质量、有害气体、氧中毒、寒冷、食物、饮水等问题,常常发生等不到援救力量到达艇员已丧身的惨剧[2]。因此,单人自救脱险是潜艇失事后最先考虑的求生手段。

1 快速上浮脱险技术与研究进展

1.1 快速上浮脱险装具

目前有代表性的快速上浮脱险装具主要有英国的MK10型快速上浮脱险抗浸服,其最大的特点是脱险服为单层,并配有单人充气救生筏,潜艇一旦失事,艇员可在水面打开该救生筏,提高了舒适性,延长海面待援时间。快速脱险服主要充气部分为头罩与储气囊,四肢部位也有部分充气气囊。艇员穿上脱险服后进行充气,充气完成后由排开水的体积产生浮力,且上浮过程中此浮力大小不变。由于上浮时外界压力不断减小,为保持潜水服内外压力平衡,脱险服不断向外排气,使其始终处于气体充满状态,排开水的体积始终不变,整个装置重约7 kg。该脱险系统的最大理论脱险深度可达 220 m,在 183 m深度脱险已获成功,现已有 22个国家海军使用MK10脱险装具。

1.2 快速上浮脱险技术研究进展

英国是最早进行快速上浮脱险研究的国家之一。英国皇家海军医学研究所早在20世纪60年代就研究出快速上浮脱险模拟实验设备,并在实艇上得到应用。该设备根据潜艇的实际情况,采用海水加压方式,在整个加压过程中只有 1个海水阀起到开关作用,没有任何的压力控制装置。打开阀门后,水进入脱险筒压缩筒内空气,直到筒内外压力平衡时加压完毕。

英国研制的潜艇脱险模拟装置实现了190 m载人快速上浮脱险实验和 200m无人快速加压实验,加压时间为22 s,上浮速度为2.75 m/s。根据使用山羊模拟人类脱险实验研究的结果,英国皇家海军已得出结论:安全脱险的最大深度可达 228m。此外,从274m和289m深度脱险也许是可能的,脱险的大多数艇员可以存活,不过有的伤员需要紧急加压治疗。但是,289 m深度脱险目前尚缺减压病的实验数据[3]。

1970年英国海军进行了快速上浮脱险试验。潜水员着MK10型脱险服,从183 m的深度快速上浮脱险,调压速度达到每 5 s压力增加一倍,海底停留时间为3 s,上浮速度为2.8m/s,47人次均获成功,从而创造了当时脱险成功的最高纪录。

在 1960～1970年英国进行的 267人次模拟实验或海上实际脱险实验中,曾发生 2例Ⅱ型减压病。第 1例发生在加压舱模拟实验中,脱险深度为 152 m,加压时间为 20 s,海底停留时间 30 s,减压时间50 s,参试者出水后很快出现左臂、臀部与大腿的沉重、麻木感,膝反射消失。用空气加压治疗,压力加到6ATA时,症状完全消失、治愈。第2例发生在海上脱险训练中,脱险深度 153m,调压时间 28 s,海底停留时间3 s,减压时间60 s。参试者出水后视觉出现盲点及平衡障碍等症状。用高压氧加压治疗,加压到2.28ATA时,症状消失、治愈。

在动物实验基础上,美国海军医学研究所进行了大量人体加压舱模拟与海上实艇脱险实验,研究脱险深度为18～190 m;调压方式分线性与非线性2类,前者调压速度为3.8～7.6m/s,后者为每3.4～12 s增加1倍压力;减压速度为0.26～2.8 m/s,在267人次实验中共发生 2例Ⅱ型减压病。

我国在快速上浮脱险方面发展落后于国外。1977年,海军医学研究所开始研制快速上浮脱险模拟实验设备。该设备加压采用气体加压,利用国产XWT台式自动平衡仪控制加压速度,将需要的加压曲线输入电脑,利用负反馈原理调节压力,使其随给定曲线变化。该加压方式能够有效地将压力变化曲线控制在适合人体需要的变化规律内,并以 3 m/s左右的速度定速减压。经实验论证,该设备可用于250m以内的快速上浮脱险实验使用。1983年 9月,该研究所成功地完成了模拟 10～100 m15人次快速上浮脱险实用性试验,从而使我国潜艇艇员脱险运用新技术有了一个良好的开端。

海军医学研究所用山羊进行了 40～200 m快速上浮脱险实验,分别以 2t/4和 2t/8的速度增加舱内压力(t表示时间,即每4 s或8 s使舱内压力升高1倍)。在 120羊次实验中,13羊次发生减压病。除154m/53 s方案中有一例截瘫型减压病外,其余均未治而愈。关于高压暴露时间的计算原则,他们采用C/2+DC/2+TOD(C表示加压时间,DC表示减压时间,TOD表示海底停留时间)记入总暴露时间,但这对于大深度脱险是否合适,是一个尚待进一步讨论的问题[4]。

针对英国MK10脱险服的情况,英国研究人员提出要发展一种能耐受0.15 MPa内压的抗浸服或抗压服,以增加脱险上浮速度。到达水面后,艇员仍可在抗浸服内的高压环境中停留一段时间,相当于在9m或12m深度安置了1个停留站,然后在水面自动完成减压。这样将可增加安全脱险深度,并减少减压病的发生率。

当快速上浮脱险深度超过 185 m水深时,在上升的最后阶段设法减慢上浮速度。1973～1975年法国研制了一种水下减速伞,它可与英国现使用的MK10脱险抗浸服配套使用,使艇员从 300 m深度安全脱险。其全过程是:(1)调压时间少于30 s; (2)300m到60 m上浮速度是2 m/s,上升时间是80 s;(3)在 60m深度处自动打开减速伞,使上浮速度减慢到0.7m/s,60m至水面约90 s,完成一次脱险约需300 s。

2 快速上浮脱险系统工作原理

快速上浮脱险系统主要由一个可容纳一个人的脱险筒和控制舷外压力海水按照脱险筒的压力按指数函数变化的要求进入脱险筒的 V型流量调节阀及直径为 0.1m的管路等组成[5],具体原理图如图1所示。

图中,p0为海面大气压;H为水深;L为脱险筒高;直径为1m;脱险筒和管道截面积分别记为A和B;ρ1为海水密度。

假定阀门全部打开时为t=0时刻,该时刻储气罐内气体满足:压强p(t)=p0,密度ρ(t)=ρ0,高度h(t)=h0。

根据准定常Bernoulli方程可得:

图1 快速加压系统原理图

因为H远远大于L,上式可简化为:

根据质量守恒得:

假设储气罐内气体满足等温过程,有:

联立上述等式可得关于h(t)的微分方程:

对上式进行积分可得:

其中,

代回原始变量,可得到储气罐内气体压力微分方程:

上式中:V(t)表示调节阀处水流速度,g表示重力加速度,g=9.8m/s2;A1、B1、I1、u、a均是中间变量。

3 结语

本文着重分析了国内外快速脱险技术的研究进展,介绍了某型脱险服的性能,通过推导建立了快速上浮系统压力模型,说明了快速上浮脱险系统的工作原理,为快速上浮脱险试验及脱险服的设计使用积累了科学数据,并为脱险安全性评价的综合分析提供了参考。

[1] 顾靖华,曾广会,杨健.外军潜艇脱险救生技术概况及发展趋势[J].舰船科学技术,2005,(3):93-96.

[2] 龚锦涵.潜水医学[M].北京:人民军医出版社,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] 龚锦涵.对失事潜艇艇员援潜救生技术的评估[J].中华航海医学与高气压医学杂志,2003,8(1):11-13.

[5] 林鸿灼,朱文祥,伍吉祥,等.着某型脱险服上浮速度规律的探讨[J].海军军事医学,1985,7(4):28-30.