舰船集体防护系统体系及防护等级划分

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(中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北 邯郸 056027)

水面舰艇是海军主要作战力量之一，也是受核生化因素影响最严重的装备之一。因为舰艇是一个独立的战斗集体，活动范围广，而舰上人员集中、密度大、活动范围小，当遭受核化武器袭击或核化污染时，无法迅速地撤离出沾染区。为保障海军舰艇能够在核生化沾染区连续执行作战任务，就必须对核生化防护系统展开更深层次的研究。

1 国外集体防护设备发展现状与趋势

从20世纪80年代起，美军就已经在水面舰艇上配备了集体防护系统(collective protection system, CPS)[1-2]。目前美国的水面舰艇上配备了全舰范围多区域CPS，对现役未安装CPS的舰艇进行补装、加装区域集体防护系统SACPS。DDG51级是美国海军首次采用集体防护系统的舰艇，如DDG51级全舰防护区按船长分布设为4个，机舱区列为局部防护区，全舰防护区内增压范围为490～610 Pa，外部空气通过三级滤器进入舱内，以消除外部空气的污染。

而集防系统的防护效果好坏、持续防护时间长短等关键性能指标取决与CPS的过滤器的寿命和防护性能。目前在舰船CPS中使用的核心过滤器都是利用浸渍活性炭材料的吸附性能脱除化学毒剂，为集体防护舱室提供连续性的洁净空气。但是使用这种技术的滤器在维修和更换时存在寿命失效，后勤维护成本高等问题。

由此催生了集体防护设备目前的三个发展方向[3]：制氧除二氧化碳和有毒气溶胶的膜分离技术；等离子体催化技术；可再生变压/变温吸附技术。而可再生变压/变温吸附技术最具发展前景，其技术的基础是：利用分子筛和活性炭等材料的吸附性能，在高压或低温条件下吸附化学毒剂，吸附饱和后在低压或高温条件下脱除化学毒剂，两支吸附塔交替进行吸附和脱附，从染毒空气中分离出化学毒剂，为集体防护舱室提供连续性的洁净空气。

根据操作条件的不同，将吸附技术分为变压吸附技术和变温吸附技术。它们在化学工业气体分离中属于成熟技术，广泛用于气体干燥、空气净化、气体提纯和空分分离等领域。根据这一特性，英国Domnick Hunter公司和美国Pall公司分别研制开发了基于变压吸附技术的可再生滤毒装置，由Chemical and Biological Defense Agency，TNO Prins Maurits Lab和Battelle Memorial Institute等机构对它们进行了实毒测试，化学毒剂或模拟剂包括：DMMP、2-CEES、GD、HD、PS、AC、CK、异丁烯、全氟异丁烯、R134a、R23、辛烷和乙醇等。长达6个月的实毒测试表明这些装置能够连续运转500 h，出口空气中没有检测到化学毒剂。

可再生变压吸附滤毒装置需要较高的工作压力(>0.3 MPa)，若为其单独提供高压空气，势必增加装置体积、重量和功率，这限制了它的使用。为此，美军提出了解决方案：将滤毒通风装置集成到舰船的舱室环境控制系统中，共用空气压缩机、换热器和过滤器等设备，达到大幅度降低装置的功率、体积和重量的目的，使其可以在大型水面舰艇中应用。

2 舰船集体防护体系的构成

集防系统[4-6]由集体防护和个人防护两部分组成。集体防护系统按防护机制不同又分为：隔离式防护和过滤式防护；个体防护包括呼吸器官防护、皮肤防护和防疫服。

1)隔离式防护。前苏联早期采用隔离式防护方案，将传统水密性的门、窗和口盖改造成气密性的，利用舱室的空气隔绝进行防护。由于建立隔绝防护时要关闭集防区的门、窗和口盖，禁止通风和人员进出。但是，由于密闭舱室内氧气、二氧化碳和水蒸气等浓度对舰员有很大影响，不宜长时间采用隔离式防护，因此，目前已很少采用隔离式防护。

2)过滤式防护。由于舰船在核生化条件下采用隔绝式防护有许多不确定性，所以，现代大型水面舰船必须采用过滤式防护。过滤式防护按照防护等级高低又可划分为全防护区和有限防护区。

图1为典型的过滤式防护区的体系构成，外界染毒空气首先通过预滤芯(第一级)，除去染毒空气中大颗粒及纤维状沾染物后，进入高效颗粒滤芯(第二级)，滤除0.3 μm及其以上的放射性沾染物、毒烟、毒雾和生物战剂后，再进入气体吸附催化滤器(第三级)去除气态化学战剂。这样，舱外受沾染的空气经三级过滤吸附后，变为清洁空气经风机送入空调通风系统，再由送风管道分送至各密闭舱室。

图1 典型集体防护系统防护区体系结构

为了保持舱室良好的防护效果，需要保证密闭舱内造成的净超压值至少要与外界气流形成的动态超压值相等，在相对风速57 kn/h仍具有防护作用，超压应维持在500 Pa。舱室内的废气通过超压阀门、厨房或卫生间等处直接排出，大型舰船可由主机舱排出大部分废气，从而保证舱室内空气清洁，避免受外界染毒空气的沾染。

全防护区的进出通道要设计得可以维持防护区正的压力。锁压室和锁气室都是小的隔离室，有2个门，一个通向全防护区，另一个通向露天甲板或通向舰的非加压区。某一时间只开启或关闭一个门，避免全防护区内正压力的损失。锁气室还有吹气式空气清洁装置(air sweep风浴)，用来先从锁气室内吹除气态和微粒污染物，之后才打开通向全防护区的门。

过滤式防护系统(参考图1)由集体防护系统密闭区、滤毒通风装置、密闭区超压自动控制装置、超压泄放设备、密闭区报警装置等设备组成，表1为核生化防护装备的主要组成。

表1 核生化集体防护系统的主要设备组成

3)个人防护。个人防护是为避免舰员暴露在核生化战剂浓度已达到有害或致命程度的环境中，应当穿用化学防护服和戴防护装置。根据战场作战任务的防护要求，针对威胁或危害的性质及其严重程度，搭配合适的防护服和防护面具。

3 集防区防护等级划分

集体防护系统提供两级防护[7-9]：全防护和有限防护。

全防护区的防护等级要求较高，要保证对其可以过滤任何物理状态的核生化污染物，并且保持(500±50)Pa超压，阻止空气中的污染物通过其它路径进入。全防护区包括作战指挥所、起降指挥所、驾驶控制室、电子海图室、动力损管部位、核化监测战位、医疗处所、餐厅和住舱等。根据总体设计可分为若干个相互独立的全防护分区，每个分区安装一套滤毒通风装置，集防区部分指标如下。

1)全防护区超压范围：(400～650)Pa；连续运行超压：(500±50)Pa。

2)全防护区超压报警：大于650 Pa过度超压报警；小于100 Pa事故情况。

3)选择防护区超压范围：(150～400)Pa；连续运行超压：(350±50)Pa。

4)选择防护区超压报警：大于400 Pa过度超压报警；小于120 Pa事故情况。

5)防护区超压建立时间：(60～120)s。

6)滤毒通风装置通风量：根据防护区容积设定，闭环控制误差不大于设定通风量的5%。

有限防护区的防护等级要求较低。在有限防护区内无法建立超压环境。通常只能利用高效颗粒空气过滤器从进入有限防护区的空气中清除放射性、化学和生物气溶胶。但是其无法过滤化学战剂蒸汽。这就需要根据核生化战剂探测信息和报警状态戴防护面具防御化学战剂蒸汽，必要时应当穿着防护服。

有限防护区主要包括轮机舱室、机炉舱等。全防护区和有限防护区的作战任务和功能不同，采用不同的防护等级；根据GJB11.3-1991、GJB4000-2000，防护区空气成分控制指标参考常规潜艇指标，指标见表2。

表2 防护区空气成分的控制指标

三级防护的舰艇，设计的典型防护范围及防护区划分见图2。

对新造军舰已经规定了集体防护系统的3个防护等级(等级I、II、III)。

1)等级I。掩蔽区，全防护区的分区，对40%舰员的住舱、餐室、卫生间和作战防护区的设备提供防护，这种设计有时称为安全港。

图2 三级防护的舰艇典型设计的防护范围及防护区的划分

2)等级II。小作战区，有限防护区，包括等级I的掩蔽区和一些关键的作战功能，可以经济地综合到舰艇的设计中，重点是突然袭击的生存。

3)等级III。大作战区，除了飞行甲板和凹形甲板作战以外，包括等级I的掩蔽区、等级II小作战区，有足以满足作战任务要求的全防护区域。

4 集防系统设备配置原则

1)探测与评估。探测的作用是判断核生化战剂袭击是否已经发生，而评估的目的则是对袭击所造成危害的严重程度以及预计的危害持续时间进行评价。根据探测与评估结果制定具体的防御策略并准确控制相应防护设备，以及通过计算确定防护的时间。

2)全防护区设备配置原则

(1)根据密闭区大小和容纳人员数量确定滤毒通风装置的装配数量，对重要舱室进行CO2、O2及氟利昂浓度监测。另外，在滤毒通风装置进风围井入口应设计温度监测传感器，量程：(-40～400)℃，此点温度控制与滤毒通风装置连锁。

(2)在全防护区内配置压力控制阀[10]，用来防止全防护区的过度超压。根据防护区大小，安装相应数量的压力控制阀。当防护区的压力升至(500±50)Pa之前，压力控制阀均是关闭的。当防护区内的压力继续增加时，它们会打开，直至全打开为止。当压力开始下降时，压力控制阀就开始关闭。

(3)集防区内密闭区都要配置密闭门、密闭舱口盖、手动和自动泄压阀、穿过防护区的通舱电缆密封设施等防护区正压保持设备；设计超压控制箱，对全防护区的舱室压力进行监控、以及对流量泄放阀开关进行控制。

(4)为确定密闭舱室内超压值保持稳定，应在防护区内配置一定数量的差压表来指示超压值。由于风向风速的差别，在同一防护区内的不同差压表读数会有很大的变化。因此，防护区内的差压表在高压进气口处应设计缓冲器。

3)有限防护区设备配置。有限防护区只能提供较低程度的有限防护[11]。在有限防护区内只配置滤尘器等设备，只能对大颗粒污染物进行过滤，无法消除毒剂云团等化学战剂。因此，在有限防护区内一定要安装核生化战剂探测器，一旦探测到有核生化沾染就要合理的穿戴防护面具、防护服等。

4)防护区边界确定。为防止烟雾和火焰通过通风管道传遍全舰，舰上的通风系统只能用于一个火灾防护区。因为通风系统为火灾和烟雾提供了从一个密闭区扩散到另一个密闭区的途径，而核生化污染物也能通过这些通风管道传播。因此使用防火区的舱壁作为防护区的边界是选择全防护区位置的主要考虑。

因此，防护区的边界设计应尽量与防火区边界设计相一致。

5)防护区污染控制。对污染控制技术的正确应用可以有效防止舰员暴露在核生化危险之中，限制有害环境对于作战能力的影响，并能减少对一次性使用的化生防护器材的需要用量，污染控制包括如下几项。

(1)预防或者减少沉积在舰艇上的核生化污染的数量措施。

(2)限制舰员暴露在已查明或怀疑遭受污染的艇上区域的方法。

(3)尽可能减少污染向干净区域传播的方法。

(4)清除或降低舰艇表面、设备、舰员以及服装上的污染强度的方法。

6)防护区通风系统风道设计。防护区通风系统风道设计应有回风净化路径。回风净化路径主要提供防护区内通风系统循环，对防护区内空气循环净化。另外，在防护区通风系统流程上设计辅助路径，在防护区发生火灾时，利用防护区回风净化路径由控制单元转换为防护区排烟路径(避开碳滤器和高效颗粒滤器)，风机采用专用或共享滤器风机，如果采用共享风机，系统设计时共享风机必须设计正转或反转控制。

7)全防护区排水弯管的设计。在压力区内的排水弯管都是4 ft的弯管，排水弯管设置在压力区以外。全防护区内的正压力与大气压有差别，必须使用这种较大尺寸的弯管。而标准尺寸弯管中的水会被迫压出来，会致使空气从压力区通过污水管泄漏出去减小防护区内的正压力。当防护区不加压时，污水管的气体会漏入装有排水管的舱室。若4 ft弯管失去了水封，全防护超压就无法建立。

5 结束语

构建大型水面舰船集体防护体系是一个复杂、综合的系统，需要舰船设计、建造、监制和防化等多个部门相互配合，通力合作，才能建立一个完善、有效的集体防护体系，以满足大型水面舰船参与核生化条件下作战的需要。

[1] 刘书子.美国海军舰艇集体防护系统(CPS)的发展研究[J].舰船防化，2001，27(3)：1-10.

[2] 孙海峰，孙玉锁.纳米技术/材料与核生化防护[J].国外防化科技动态，2003，42(2)：21-24.

[3] U S DOD. Joint Service Chemical and Biological Defense Program FY00-02 Overview[R].U.S：DOD，2001：28-29.

[4] U S DOD. 2010 Annual Report to Congress.Department of Defense Chemical and Biological Defense Program[R].U.S：DOD，2010：11-12.

[5] 陈让林.法国新型集防装备[J].国外防化科技动态，2001，40(11)：5-11.

[6] 张 南.核生化集体防护再生式过滤新技术[J].国外防化科技动态，2004，43(3)：29-31.

[7] U S DOD. Joint Service Chemical and Biological Defense Program FY08-09 Overview[R]. U.S：DOD，2008：33.

[8] U S DOD.2009 Annual Report to Congress.Department of Defense Chemical and Biological Defense Program[R].U.S：DOD，2010：7.

[9] 王曼琳.美国核辐射探测技术取得新突破[J].国外防化科技动态，2006，45(1)：1-10.

[10] U S DOD. Joint Service Chemical and Biological Defense Program FY00-02 Overview[R]. U.S：DOD，2001：26.

[11] ANDREW WEBER.2011_CBDP_ARC_V26_FINAL [R].U.S：DOD，2011：10.