专业救生装备的功能及其发展趋势探析

祁浩伟,李 琴,陈思羽,张 敏,周 莉,张龙琳,*

(1.西南大学 纺织服装学院,重庆400715;2.西南大学 重庆市生物质纤维材料与现代纺织工程技术研究中心,重庆400715)

随着社会安全要求的提高,相关水域活动、体育项目以及船舶、军事等作业种类逐渐增加。同时,人们对生命安全防护有了新的要求,保护人们在相关活动中的安全愈加重要。救生是一个广义的概念,是指所有救助或保护生命的过程实施;它的狭义范畴是划定在落水或者溺水过程中救护生命安全的行为过程。本文所讨论的救生是狭义范围内有关水域安全的救生。“救生设备与装置”源于国际公约,指本身具有足够的浮力浮在水面,使得被救助者穿着或使用时能够正常呼吸、维持生命的装置设备。现有的救生设备种类繁杂,不论是大型的钢板型救生艇或日常的救生衣,它们使用的核心救生材料或原理种类有限且相似,研究是以如何维护人类在水域活动时的安全、救护以及使用者的舒适等为目的进行开展。本文主要分析现有的救生设备,即为满足不同受众人群的需求的不同类型、结构的救生设备,并分析其未来发展趋势。

1 救生设备的发展背景

1.1 国内外发展状况

国外对于救生衣的研发开始于军方,起源于二战时期,是为了应对不同兵种的作战要求所开发的专用救生装备和服装。随着科技的发展,这些救生装备也将新技术(如GPS定位)等作为附属组件加入救生衣中。国内海军在20世纪50年代引进了舰船救生衣,但有限的救生材料为自主开发带来了限制,因此在开发前期,我国在技术方面进展缓慢,只有空军飞行员和海军配备有救生设备,由于二者在面临的水域状况和落水环境的差别,海军设备的原理集中在气囊牵动和浮板的复合浮力提供上,而空军则使用的是气囊充气的脖颈救生设备。在此之后,我国开始借鉴国外的功能救生设备的经验,开发国内的救生衣[1]。

1.2 救生设备的研究背景

国内外对救生设备的开发和改良主要在航运、水上船舶作业、军备使用和个人防护用品等几方面。救生设备是在水环境下穿着的一种特殊设备,因目标群体和场合需求的不同,在开发过程中使用了充气装置、机械气囊、不同材料的浮板以及浮力材料的混用和其他具有救生特性的可穿戴配件配备等来解决不同水域安全的救生需求。

2 救生浮力基础需求

现有的救生衣和救生装备,大小体积各不相同,从最基本的简单浮力提供的救生衣到加入其他发热、传感等装置的多功能救生服装,这些救生服装在造型、整体结构到细节设计虽有所区别,但基本的浮力来源有3类[2]。第1类是利用空气密度小于水的特性,将空气压缩进柔性且已经塑形的特质材料(如橡胶)中,作为救生设备提供浮力;第2种是利用本身质量轻、体积小特性的材料作为基本浮力支撑,材料来源于软木、木棉以及聚乙烯泡沫塑料材料等,再用帆布、塑料等其他服装或外包软性面料在表皮覆盖粘合制成救生设备;第3种是利用以上两种原理和材料运用在以服装为主体的救生设备中,浮板作为固有浮力材料,充气气囊部分作为附加浮力,通过机械或口阀装置启发装置气瓶充气,提供浮力。

2.1 充气救生材料

这种救生材质在提供足够浮力的同时,由于其易携带、方便使用者日常活动的特点而运用广泛,不论泳池专用的救生圈,还是救生浮和橡胶救生艇的浮力提供都源于充气。现有充气救生设备的充气启发装置有机械和口阀两种,机械气囊配备有压缩气体的气瓶和气阀[3],需要通过传感器刺激或使用者手动操作打开气阀,让气瓶将储存的气体充入需要充气的气囊,使得气囊膨胀后产生浮力;口阀充气需要使用者用充气管或嘴将空气灌入充气设备中,最常见的是救生圈和浮力臂。现在,各类即时充气气囊救生衣越来越普及。

2.2 浮板救生材料

被用作救生浮板的材质有聚乙烯泡沫塑料、软木和木棉。其中,软木产救生衣的人体贴合度较差,外力下易破损,已经被其他材料所取代。泡沫塑料材料具备防水特性,可增大救生衣在水中的浮力且发泡倍率可控,物理可塑性强,加工难度低,价格低廉,是现在广泛应用的救生材料之一。木棉纤维韧性差,不适合直接用作纺织材料进行加工,被用作救生衣的内部填充材料。

2.3 混合材料救生设备

混合材料的救生设备多被用在专业救援或有目的和方向明确的救生领域(如军事领域)。在材料运用方面是将浮板作为固定浮力提供,多使用泡沫塑料在服装的不同结构部分予以配置,气室气囊作为浮力补充或利用服装结构分割的方式作为浮力分布的辅助材料,实现口鼻或身体部分的防护目的。

3 救生设备的种类

通过以上3种不同材质形式的浮力供给,根据使用者面对的水域环境不同,设计的救生设备的结构和构造也不同。

3.1 个人救生装备

个人救生设备包括独立个体在游泳池、河流等水上运动使用的个人防护设备和救生衣。这类救生设备对于适体性和维持运动灵活度要求较高,需要给使用者以较大限度的肢体活动空间,不能妨碍使用者的正常活动。从结构造型而言,市面上使用较多的个护设备包括救生圈、游泳浮板、浮力臂等(见图1),都配备口阀装置,结构简单,易于操作且可以为使用者提供基本浮力,使用较为广泛。最新型的充气救生设备有美国加州格里德利市的开发团队开发的可穿戴式充气救生装备Kingii(见图2),其外形小,整体构成包括腕带、气罐和气囊,整个设备仅有4.9盎司(139g)。使用者佩戴在手腕上,必要时打开气阀,刺激启发高压气罐,罐内的二氧化碳气体会瞬间释放充满气囊,使气囊膨胀,并从气囊仓弹出并产生浮力。

图1 个护救生装备

图2 Kingii救生可穿戴装备

个人救生衣(见表1)包括标准救生衣、气囊救生衣、钓鱼救生衣和儿童救生衣等,这种救生衣多适用于个人在人工水域或有人工保护限制的水域环境下活动时佩戴。标准救生衣的主要组成部件是泡沫塑料浮板,外包尼龙或帆布面料,两边配有系绳以固定救生衣。气囊救生衣有单囊和双囊之分。双囊充气救生衣的两个气室相互独立,配备有1套充气装置和口充气阀,在背部、颈部靠没有气囊结构的橡胶带作为连接;单囊充气救生衣的气囊配备1套充气装置和气阀,气囊打开后围巾式胀起在前胸两边。气囊的启发装置多为拉绳,使用者拉动拉绳启发气囊装置,气瓶中的二氧化碳气体充入气囊,得以漂浮。钓鱼用救生衣多为背心夹克结构,浮力材料采用泡沫塑料,常见的钓鱼用救生衣有领部,为了配合钓鱼过程抛竿等动作,袖笼弧较深,左右共4个口袋,方便装鱼饵等小配件渔具,腰带可调节适体松紧度。

表1 个人救生装备的救生原理和性能强度

3.2 专业救生装备

船舶是水上必备的交通和运输工具[4],救生衣是乘船者必备的救生设备(见表2),主要有防汛救生衣、消防救生衣和渔检救生衣等,这一类救生衣是水上救援或船员进行水上作业时所使用的救生衣(见图3)。船只上的救生设备一方面需要具备体积小,易存放且易于穿着的特点;另一方面对比个人救生设备,由于所应对的水域范围广,需提供更大的浮力。

图3 船用作业救生衣

作业用救生衣[5]多使用软质闭孔泡沫塑料或即时充气材质作为浮力材料,保证浮力和长时间下的免泡损,救生衣上的系绳起固定救生衣贴合度和固定浮力材料的作用。这类救生衣根据作业和航运需求的不同,有结构不同的无领背心和脖领设备。其组件配置简单,因水域工作范围有限而配有反光材料,便于救助发现。现有作业用救生衣防护性最高的是浸水救生服(见图4),适用于专业航区航行船舶、石油平台和其他海洋作业工程。服装本身所具有的浮力,有水密、浮力和自然保温功能,另外配备了哨笛和救生衣灯。可在温度在-30℃～ +65℃之间的环境进行作业。使用者在5秒内就会翻转到脸部朝上的位置。

图4 浸水救生衣

海上救生浮是由泡沫塑料材料为主体的矩形圆角浮力设备,由泡沫塑料塑形制成,在海上温度、气候变化时,浮力具备耐久性,乘员定额6～12人,在底部配有绳网,两侧配有船桨和救生浮索,可供使用者坐在里面,划动救生浮。

国内标准充气救助艇的材质采用的是橡胶,用于各种航区航行的船舶作应急。平时多叠放在玻璃钢容器内。在使用时拉动气阀拉索,二氧化碳气瓶会对救生筏充气,救生艇鼓胀成一个带蓬帐结构的圆形软筏。不同的软阀载人量因规格不同而异,可载4～45人不等[6]。同时,救生筏内还带有淡水桶、食品箱、医药箱、救生信号弹或火箭以及自动呼救电台等物品和装备。帐顶上有闪光灯,便于救援者在夜间搜寻。乘坐在蓬帐里可以避免海浪冲击、寒风侵袭或烈日曝晒等特殊海上气候状况。

3.3 军用救生装备

现代救生设备最初研发的出发点是运用于军队,保护兵种安全的同时提高作战效率。早在20世纪40年代,乔治·赫伯特·沃克·布什作为海军飞行员执行任务时,已作为其跳伞逃生的充气式“救生背心”。近年来,军用救生设备根据兵种的不同,在设备的内外结构上分别有空军、陆军、海军以及伞兵救生设备(见表3)。对比以作业为主的救生衣和个护救生设备,军用救生设备在未进入水环境保持运动灵活性,控制使用者落水姿态等细节方面的要求更高。在提供足够浮力的同时,在结构方面重组设计,做浮力分布,让使用者保持某一种姿势在水面上漂浮,防护口鼻部位,保证人身安全。同时,为了配合士兵作战,军用救生衣使用可靠的织物加密或加厚材质,可以承受枪械等作战武器的重量,便于直接携带武器进行作战。随着现代科技的进步,更多通讯、定位等可穿戴设备被作为配件装备在救生服中,是现有所有种类的水域救生设备中最严谨和具代表性的一类。

表2 船舶救援救生装备的救生原理和性能强度

3.3.1 海军救生装备

海军救生设备的外部结构有背心救生衣和夹克式救生衣。美国海军潜艇艇员专用全套MK-1充气背心(见图5)[7],整体由1件外罩织物和1个充气气囊两部分构成,外罩是1件开衫式背心,面料使用88%阻燃棉和12%高强尼龙混纺粗斜纹面料,内有里衬,充气气囊在外罩与里衬之间。这两部分可以拆卸清洗,且气囊和外罩都可替换。前襟扣合方式使用单向揿钮和拉链2种。MK-1救生衣可提供至少10.9 kg的浮力及自动扶正功能,使用者在等待救援时头面朝上漂浮于水面。图5为该系列商用版背心,附带粘合扣,充气装置及口阀管。MK-1背心式救生衣有不同号型分别和颜色区分不同的作业种群。除了严谨的浮力设计之外,MK-1还配有较为完善的遇险报警组件,如人员落水指示器、遇险信号等。人员落水指示系统是以海水激活的个体落水报警装置,包括发射器、接收器和测向仪。其中,发射器位于MK-1和自浮力救生衣外套上,激活后会有射频信号发出,船上的接收器在收到信号后会直接进入视听报警,表明落水者的身份。发射器也会向测向仪发射信号,并连续提供落水者所在方位。遇险信号灯装在MK-1救生衣的上口袋和在弃船救生衣的配件袋中,遇水可激活。其他配件还有反光膜、海水染色剂、哨笛、集成的捞救吊带等。

3.3.2 伞兵救生装备

对于伞兵而言,救生的设计并非伞兵装备的主要目的,因此在外部形式方面,伞兵救生设备的浮力提供的是U型双囊救生设备,套在使用者脖颈的两侧,脖颈后的部分保持空心,形成简易浮力分布结构,可以保证伞兵在水中保持头部浮出水面,防止口鼻进水。气囊材料使用橡胶,配备机械充气组件,通过启发组件刺破气瓶,使气瓶中的气体灌入气囊。我国自主研发的SJ-4伞兵救生装置,长度刚及前胸,佩戴后并不影响伞兵其他装备和武器的使用。

图5 MK-1充气背心

表3 军用救生装备的救生原理和性能强度

3.3.3 空军救生装备

国内的空军救生和欧美航空兵装备所使用的救生设备均是领脖式救生衣,从SJ-5(见图6)到最新的空军17式空军飞行服,救生装备部分都要求具有负担重量小、体积小、佩戴方便且与其他器具共同使用兼容性好的特点。在水上救生时,浮力大、更能保证正确的漂浮姿态,使肩部以上部分浮出水面,达到快速救生的目的。现有的空军17式飞行服的救生衣组件主体长约50 c m,宽约32 c m,本身重量低于1.5 kg,前后背带将救生衣固定在胸前。组件上另外配备有备用气囊,手动自动充气装置只连接到一个气囊,另一个备份用的气囊只能通过口阀补气,气道的阀口气体单向流动,只进不出。

4 救生装备的发展和展望

现有的救生装备有多种类型和结构,呈现出多样化的同时而浮力提供方式零散,一部分救生装备大多强调浮力值,注重漂浮功能,而忽视了使用者的穿着适体性、舒适度和浮力所应达到的防护目的。社会的发展对于救生设备的专业性能、穿戴生理和心理直观感受提出了更高的要求[8]。

图6 SJ-5空军救生衣

4.1 救生材质

不论是民用或军用救生装备,所用到的浮力材质归结起来不外乎浮板材料和充气材料两种,浮板材料质量轻,能够提供给使用者一定的浮力值,生产造价低廉,但是由于它的体积较大,生产出的救生装备存在一定固有厚度值,使用者在日常和水域环境下的运动会受到影响。由于人们对于生命安全问题越来越重视,也越来越趋向于用直观舒适感来评价使用物,而充气材料在气囊启发前携带方便,可折叠,轻薄,即时气囊救生衣在3～5 s内可以完成充气,符合人们对于救生衣的要求,因此在救生装备的设计及使用中,气囊和新兴充气材料的使用会进入更广范围的研究和发展中。

4.2 救生属性

作为救生装备研发的核心价值,救生属性的改良和适量添加依然是发展过程中不可忽视的环节。基本的浮力提供方面,气囊在充气启发过程中存在小概率的启发失败事件,因此在设计过程中,应该注重备用气室附着固有浮力提供的设计,在启发方式上也可以采用口阀和机械启发的方式相辅相成。

除此之外,可根据用途添加不同的有效可穿戴属具。在民用救生设备中通常添加声音或光原理报警装置来引导救援,钓鱼救生衣添加口袋装小型渔具,添加传感报警装置,在发生意外时可直接向周围环境发出警报;儿童救生衣添加智能定位等功能,并连接信息技术,可实时监控儿童的安全和活动位置。在专业救生设备属具上,一方面添加口袋方便携带作战或作业小设备;另一方面,根据环境不同具体分析,海事救生材料应防腐蚀、耐磨损,军用救生衣添加实时跟踪系统(如GPS、北斗定位等)、传感、人体检测等属具,方便指挥作战,加强团体协作。

4.3 救生设备的外观和结构

除了以上两点救生功能的发展节点,在救生设备的外观和结构方面可继续改良,一方面是对救生的辅助效用,另一方面主要针对民用救生衣在不影响救生功能的前提下达到外表美观。前者体现在救生设备的内在结构和外观颜色方面,现有的产品为使用者提供了足够的浮力,除了浮力的必要条件,需要通过浮力达到一定的救生目的,从人体工效学角度看待结构设计,适当的浮力分布可以让落水后使用者口鼻向上并高于水面。在外观救生装运用到的颜色中,选用光谱波长的颜色可使人们的可视度更高更远,利于救援。后者由于会出现在我们生活的场合中,在不影响救生效果情况下,可以在外观设计和腰带等位置进行做美化,提高穿着的舒适感。

5 结语

随着救生材料的发展,人们对于水域活动的认知不断更新,救生装备的结构形式和所面对的用途覆盖越来越广泛,品类越来越齐全。不同用途的救生装备对于浮力的承重值和人体漂浮状态要求更加精细,即能在材料的体积大小、材质选择方面更加精确,保证水域环境下应有的运动量。但是,浮力 分布的普及和细节设计依然在不断地改进之中,在保证落水者的基本起浮要求下也要保持安全的漂浮姿势和状态。救生衣的设计应该继续关注使用者穿着的生理和心理感受,从人体工效学出发,研发新材料,从延展性以及浮力分布的角度进行结构设计和材质开发,同时要加强遇险警报可穿戴配件的设计和合理应用,提高安全救援的可能性,全方面保证人类生命安全。

参考文献:

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