一种适用于紧急弃船情形的特种救生衣

余青峰 马会芳 汪育民 陶喻婧 焦 津

（1、重庆交通大学，重庆400074 2、重庆工商大学，重庆400020）

1 项目背景

由于天气、设备和人为各种因素造成的海上突发事件也随之不断增加，据统计沉船事故发生的比例呈逐年上升的趋势，进入21 世纪以来，沉船事故的比例已高达42.60%。仅仅在2018 年一年，中国籍船舶就发生了176 起事故，沉船83 艘，死亡失踪237 人，同比上升24.7%。有实验数据证明，当人在0℃的海水里只能耐受几分钟；2℃可以承受15 分钟；25℃海水，可以承受24 小时。实际上，由于水中的温度过低、心里恐惧、肢体麻木失去活动能力致使遇险落水者在生命极限时间前就会死亡。在突发状况下，船上人员根本来不及放救生艇筏，遇险人员这时穿上特种救生衣跳入水中求生无疑是最好的选择。

2 作品意义

2.1 作品的创作意义

本作品设计的特种救生衣主要适用于紧急弃船、来不及施放船载救生艇筏情形的跳水求生。

（1）本救生衣可以避免落水者入水过深、实现快速起浮，避免人员被船体附属物（桨叶、舵叶等）所伤。

（2）可以使落水人员快速移动，尽快离开难船影响水域。

（3）提供临时避难处所，并且具有保暖、易被救助人员识别和雷达搜寻的功能。

2.2 本作品的特点

（1）适用功能特殊：本作品设计的特种救生衣适用于因特殊情况需要紧急弃船跳水求生的情形。

（2）功能强大：集逃生和求生功能于一体。

（3）经济适用：初步估计成本约320 元左右。

3 创新点

3.1 实现快速起浮

（1）主要创新点。在救生衣下端两侧加设两个浮力气囊可以增加救生衣的浮力，从而避免落水者入水过深、实现快速起浮，避免落水者被船体附属物（桨叶、舵叶等）所伤。

（2）主要功能与设计。浮力气囊气胀前，将气囊折叠装在包里面，用尼龙带和插扣连接系在腰间。人员落水时自动阀浸水弹簧伸张打开充气阀，2 秒钟迅速充气，气囊自动绷出包外将人体浮上水面。给落水者增加更大的浮力。

将HS-YZ 型腰包式自动充气“气胀救生衣”进行改装。自动充气气囊，气胀后从腰包内崩出一个圆形气囊，后倾45 度面部朝上浮于水面。浮力气囊很轻便，像一个小腰包用尼龙带和插扣联接系在腰间，人员落水时自动阀浸水，让弹簧伸张打开充气阀，2 秒钟迅速充气，人体可以快速浮上水面实现救生。浮力气囊采用气密性面料制成封闭囊后充气形成。制作气囊的气密性材料选用聚氨酯锦纶复合气密性面料。聚氨酯- 锦纶气密性有良好的气密性功能、经纬强力、热合强力、色牢度等机械物理和化学性能。该物质在生产时不需要硫化，胶膜含量低，采用高频或超声波热封，工艺简单。增大救生衣浮力，让落水者可以快速起浮。

3.2 实现快速游离难船影响水域

（1）主要创新点。安装两个压缩钢瓶助推器提供动力，并可以控制移动方向，帮助落水人员快速驶离难船影响水域。在压缩钢瓶助推器动力耗尽时，也可以用两个塑胶小桨叶划动，增加落水人员移动的距离。

（2）主要功能与设计。

a.压缩钢瓶助推器获得动力。救生衣放置2 个左右对称的压缩钢瓶，使用两根牵引绳的装置，左右手各一根，来控制气阀开关。使用牵引绳拉开阀门，压缩钢瓶内的气体快速喷出，提供动力；在松开牵引绳时，气瓶的阀门关闭。通过左右协调拉牵引绳从而实现移动方向的控制。人在水面上也可以通过手脚的划动来控制前进方向。

选用0.2L 的压缩钢瓶，它高压可达30mpa，瓶口半径为0.0075m，假设我们的压缩钢瓶阀门完全打开的情况下，一个压缩钢瓶可提供的初始推力为：

F=P×S=5.3×103N

两个压缩钢瓶可以提供的推力为F'=1.06×104N

根据调查分析得到人体在不同的倾斜角度的阻力。选取人体倾斜18 度时的阻力为19.2 千克，救生衣装备为4 千克，选取人的体重为60 千克，重力加速度约为10N/kg。

（F'-f）=（m+Δm）a

a≈163m/s2

所以人体所获得的初始加速度为163m/s2

落水人员在落入水中之后手动拉牵引绳，拉开气瓶的阀门，气体迅速喷出，此时喷出的气体给落水者一个快速向气体喷出反方向的推力，让落水人员远离难船影响水域。

b.配备两个小桨叶

在救生衣的两侧配备两个小桨叶，当压缩钢瓶助推器无法使用时，可以用小桨叶划动，方便落水人员移动。小桨叶使用塑料材质，防水且轻便，不会使救生衣的重量增加太多。

3.3 生成气胀式避难筏，以供落水人员临时避难、使其易被救助人员识别和搜寻

（1）主要创新点。落水后救生衣背部气囊展开生成气胀式避难筏，以供落水人员临时避难。在气胀式避难筏上安装有标识的反光带、发光带、简易雷达反射器等，使其具有易被救助人员识别和雷达搜寻的功能。

（2）主要功能与设计

a.反光带的特征材料。为了让救援人员更快的搜救到遇险人员，选取了反光效果优良且价格相对低廉的反光材料，它由有机树脂、反光颜料等材料合成，研磨制成的单组份反光型标志材料，抗腐蚀性高，颜色鲜明，这能便于被搜救人员识别，也能便于更换，如果时间久了，反光带的效果降低了，可以选择更换反光带。

b.发光带的特征设计。发光带由夜光材料和橙黄色的塑料表层构成，夜光材料的主要成份是稀土。

c.多角度雷达反射器设计。为了让救援人员更加快速的找到落水者，救生衣以及背后的充气筏上还安装了多角度反射的雷达波反射装置。利用雷达截面积的依存关系，选择合适的尺寸，克服了现有反射器散射方向图比较窄的缺点，运用现有无源反射器进行有效的组合或合理配置反射器的位置，实现宽角度要求，考虑了目标RCS 随观察角度变的实际情况，保证宽角无源反射器的RCS 变化波动较小，满足雷达的最可检测功率，改良了雷达反射器的构造。使得以更小的尺寸和重量，获得尽可能大的有效雷达散射截面，并且有足够宽的散射方向图。

在救生衣上的不同方位、同角度的入射雷达波进行反射，使用的反射体个数少，整体反射面积和强度大，易于在船舶观测雷达上成像，且不易被干扰，也不需要天线和电源支持该装置的反射体持续工作。

该雷达反射器性能符合国际海事组织IMOA384（x）、海安会MSC.164（78）决议的规定和国际标准化组合ISO 8729 的技术要求。考虑到紧急情况下，没有时间放下救生艇或者是救生筏。以此来加快救援速度，增加获救几率。

4 系统设计原理

4.1 浮力气囊的设计原理

浮力气囊加装了水敏感元件和弹簧。落水时阀体浸水，水敏感元件迅速融化弹簧伸张，顶针刺破钢瓶，高压气体迅速充胀，形成浮力气囊。

4.2 压缩钢瓶获得动力的方法

在紧急情况，不能及时的放下救生艇筏；并且沉船时，会产生漩涡。落水人员只穿救生衣的情况下，没有游离遇险船只，很容易被漩涡吸入，丧失生还机会。为了避免这一情况的产生，我们设计了可以提供动力的救生衣。让落水人员落水后打开压缩钢瓶阀门，把钢瓶内的压缩气体充当动力，来让落水者远离遇难船舶。

气体是流体的一种表现形式，我们的钢瓶选用的是低能耗，低污染的二氧化碳气体，同样遵循流体力学规律。

5 应用前景

5.1 行业前景

本作品设计的特种救生衣适用于因特殊情况需要紧急弃船跳水求生的情形，集逃生和求生功能于一体，经济适用。

我们调查市场发现船用专业救生衣市场价约为100 元，强浮力救生衣市场价约200 元，保温救生衣约520 元，气胀式救生筏约10000 元。

而本作品设计的特种救生衣初步估价约320 元，其中雷达反射器约50 元、压缩钢瓶约100 元、浮力气囊约20 元、气胀式避难筏约100 元、反光带、小桨叶、海水电池灯、口哨等所有物件加起来不超过50 元。

表1 传统救生衣和本作品设计的救生衣价格对比

此特种救生衣可以避免落水者入水过深、实现快速起浮，避免人员被船体附属物（桨叶、舵叶等）所伤；可以使落水人员快速移动，尽快离开难船影响水域；提供临时避难处所，并且具有保暖、易被识别和搜寻的功能。

因此，本作品设计的特种救生衣具有较高的性价比。

5.2 可行性分析

本作品设计的特种救生衣，其浮力气囊可以避免落水人员入水过深、实现快速起浮，救生衣背部的充气模块遇水后会自动弹出，展开形成一个气胀式避难筏，遇险者可以躺入其中，延长遇险者的生命周期，等待救援队伍的救援。因此本作品设计的救生衣对浮力要求较高。

表2 特种救生衣和传统救生衣的重量以及浮力的对比

特种救生衣总重量3.7kg，浮力气囊能提供的浮力是传统救生衣的8 倍，充气船能提供的浮力是传统救生衣的16 倍。其浮力设计能满足要求。

6 对后续工作意见建议

由于本作品设计的救生衣没有在真实的遇险情景中使用，还存在需要完善的地方。

（1）压缩钢瓶助推器是否能够产生理想的推力。

（2）救生衣适应恶劣海况条件的能力。