压力暴露后潜艇艇员快速上浮脱险可行性的初步理论推算

廖昌波，付国举，刘平小，孙永军，牛 振，林 洁，陈锐勇

潜艇自二战诞生以来，已经成为各军事强国的主战装备，但潜艇失事是不可完全避免和预计的意外事件。1956年，英国海军首先提出自由上浮脱险方法，自此以后，快速上浮脱险已被各潜艇强国列为潜艇艇员自救脱险的首选方法。根据以往的潜艇失事经验和对可能发生的失事潜艇内情况估计，艇内出现一定压力暴露的可能性是非常大的。如俄罗斯“库尔斯克”号潜艇失事就发生了固壳破损，导致118名艇员全部死亡，因此暴露于高压下的救援方法也是国内外研究的重点。虽然目前世界上已经有深潜救生艇、救生钟等集体援救装备, 美国并于1989年成立了深潜中队，援潜救生装备可以全天候到达失事地点，但是援救设备需要一定的时间才能到达失事潜艇海区。如1979年英美两国海军运用深潜救生艇组织援救失事潜艇艇员的联合实兵演习，运用深潜救生艇对演习中的模拟122 m水深的失事潜艇英国潜艇“Oain”(“奥丁”)号潜艇进行援救，整个援救时间为41 h，其中航渡、运输所用时间为37 h[1]。因此，潜艇失事后，潜艇艇员需要在艇内等待援救，艇员常常长时间暴露于高压环境下，此时艇员体内的惰性气体已经完全饱和。所以英美等国于80年代开始进行高压暴露后潜艇艇员救援的研究，如瑞典军队正在研究高压暴露后失事艇员快速上浮脱险的技术，提出了减轻减压病发病率及严重程度的技术。我国也于20世纪90年代开展了空气饱和暴露后潜艇艇员救援方法相关方面研究，并取得了一系列的成果[2]。

本研究旨在说明减压病是潜艇脱险的主要致命问题。从潜水减压原理可知，减压病(DCS)发生概率理论上与出水瞬间的余氮张力直接相关。后者与压力下溶解到机体内的惰性气体-氮气的运动规律有关。笔者前期对潜艇脱险方法的绝对安全极限进行了推算和验证[3]。本文试图采用经典减压理论，通过余氮张力的变化，进一步推测压力暴露后潜艇脱险的安全性。

1 理论依据

减压病的主要病因是机体内惰性气体溢出产生气泡导致的一系列病理生理问题。惰性气体动力学提示，气泡形成的主要原因是，惰性气体在组织内的张力超过了限制气泡形成的驱动力[4]。因此，经典减压理论中的余氮张力概念，可以对减压病发病概论提供一个粗略但相对正确的估计。

在潜艇固壳破损直至艇员快速上浮脱险出水这一过程中，快速上浮脱险的潜水程序可以简述为快速加压、短暂停留、上浮减压3个阶段，艇员暴露在高压空气中，体内氮张力一直是处于增加的状态，所以DCS的危险性可以用快组织内惰性气体氮张力值来评价。前期研究表明，最快的理论组织可以选取80 s组织。1969年，英国皇家海军生理研究所根据862羊次的实验结果推测，在脱险深度为91～289 m时，80 s、5 min、10 min理论组织的氮张力依次不超过10、5、4.25 ATA(1 ATA=0.1 MPa)是相对安全的[5]。而在GJB7137-2011中规定，失事潜艇舱室内压增加，应在内压高于0.07 MPa前组织实施脱险[6]。这里就提示：出于安全原因，在快速上浮脱险过程中，考虑更多的应该是半饱和时间在10 min以内的快组织；而在高压下长时间暴露停留，则考虑半饱和时间更长的慢组织更多。

2 推算方法

由氮张力累计公式[4]可得，固壳破损后艇员在高压暴露中体内累计的氮张力值N2(t0)为：

(1)

现有的快速上浮脱险程序包括指数倍增的加压、短暂停留和匀速减压[1]。其中，停留时间为4 s，减压速率为2.7～3.0 m/s(本文取3.0 m/s)。加压的压力变化速率为每隔4 s压力翻倍，可以表示为：

PT=P0×2(t/4)

(2)

由此，可以得出对不同深度快速上浮脱险，出水时氮张力的计算。

加压阶段，体内增加的氮张力(N1)为：

(3)

停留阶段，4 s后体内增加的氮张力(N2)为：

(4)

减压阶段，增加的氮张力(N3)为：

(5)

到达水面(0 m)后体内的余氮张力(N2总)为四者的和：

N2总=N2(t0)+N2(t1)+N2(t2)+N2(t3)+0.79

(6)

再将N2总反算，其值等同于在某一深度完全饱和时体内氮张力值，笔者称这一深度D同为“相对饱和深度”，其计算公式为：

(7)

上述(1)～(6)公式中：

a：艇内压力，单位m；

b：潜艇坐沉深度，即快速上浮脱险深度，单位m；

PT：加压过程中瞬时绝对压强，单位ATA；

P0：初始压力，为1 ATA；

t：加压时间，单位s；

T：理论半饱和组织时间，单位s；

t0：高压暴露时间，单位s；

t2：快速上浮脱险停留阶段时间，默认为4 s；

t3：快速上浮脱险上升阶段时间，单位s，值为b/3 s。

3 推算示例

3.1 快速上浮脱险出水时的氮张力值

由上述推算方法可知，潜艇艇员在快速上浮脱险出水时的氮张力值受潜艇坐沉深度、潜艇内部压力和高压下暴露时间3个因素决定。假设潜艇坐沉在某一深度，固壳破损后其内压逐渐升高，经损害管制后，艇内压稳定在某一值，其脱险设备能按4 s钟翻一倍的加压速率进行加压，艇员上升出水为3 m/s。在此前提下，笔者将上述3个因素中的2个进行固定，剩余的1个作为变量，来分析不同情况下潜艇艇员出水时的氮张力值,如图1、图2、图3所示。

注：1 ATA=0.1 MPa图1 潜艇坐沉100 m，内部压力为8 m时，快速上浮脱险出水时艇员不同组织内的氮张力与暴露时间的关系曲线图

注：1 ATA=0.1 MPa图2 潜艇坐沉100 m，暴露时间30 min时快速上浮脱险出水时艇员不同组织内的氮张力与暴露深度的关系曲线图

注：1 ATA=0.1 MPa图3 潜艇内压为8 m，暴露时间30 min时，快速上浮脱险出水时艇员不同组织内的氮张力与潜艇坐沉深度的关系曲线图

3.2 理论上快速上浮脱险最大安全暴露时间

由图1可见，在潜艇固壳破损时，组织抗沉堵漏等损害管制以及快速上浮脱险前期准备工作需要一定长的时间，在经过30 min高压暴露以后80 s、5 min、10 min理论组织基本已完全饱和[7]。如要讨论后续快速上浮脱险，笔者认为用半饱和时间较长的慢理论组织来评价艇员体内氮张力水平为宜。故以下以80 min组织为对象进行推算。

国际推荐在7 m饱和后采用快速上浮脱险的方法出水，减压病发病率在10%以内，这针对以逃生为目的的脱险，还是相对安全并可以接受的[8-9]。因此可以推测在高压下，暴露一定时间(非饱和)依然可以采用快速上浮脱险方法逃生，快速上浮脱险出水时体内氮张力最大的安全值可由公式(7)推算在7 m深度完全饱和后的氮张力值。当潜艇坐沉在30、100、200 m深度，内部压力为不同值时，其安全快速上浮脱险的最大暴露时间，可由公式(2)～(6)进行反推，结果如图4所示。

图4 坐沉深度为30、100、200 m时，不同内部压力下推算的允许安全暴露时间

4 讨论

笔者采用组织半饱和理论来估算体内氮张力值的推算结果显示(图4)：随着潜艇坐沉深度的增加以及艇内压力环境的升高，可供组织快速上浮脱险的时间也越来越短。如潜艇坐沉在100 m，艇内压升至8 m，就要在205 min高压暴露时间内完成快速上浮脱险。但限于前期的损害管制时间以及脱险一次的设备操作时间，此时间内不足以完成全部人员的单人快速上浮脱险。在其以后实施的快速上浮脱险可以说是已经超过了国军标允许的安全范围，此时的减压病发病率会随着时间的延长而大大增加。而且内部压力越高，其安全暴露时间在不同坐沉深度上的差别就越小，最后都趋于一致。

1970年，英国皇家海军生理研究所Donala提出了SPdt的概念[5]，用来大略估计脱险者从不同深度脱险的安全程度，即在整个高压暴露时间内，脱险深度(ft)和时间(s)乘积倍数的总和。但笔者发现SPdt值不适合用来估计已经高压暴露一段时间的情况，故本文未采用该方法进行讨论。

笔者认为，在评价高压暴露后的快速上浮脱险危险性时，高压下暴露时间因素比坐沉脱险深度因素更为重要，所以，一旦潜艇发生固壳破损导致内部压力升高，要尽快尽可能地先组织损害管制，避免内部压力超过7 m。如果潜艇内部压力超过7 m并持续升高，那么选择尽快的组织快速上浮脱险，对于艇员生命安全具有积极意义。

最后，本文限于理论工具的缺乏和笔者能力水平，用80 min组织来评价高压暴露后的快速上浮脱险是否准确？是否还有其他的更好评价方法，期待在以后的工作中进行更深入、细致的研究，予以证实。