循环式潜水呼吸器及其在军事潜水中的应用

高文顺,袁海军,任志伟,夏 晖

(重庆华渝电气集团有限公司,重庆,400021)

0 引言

受地缘政治格局的影响,各国军事重点逐步由陆地向海洋聚焦,濒海进入作战能力的重要性越发凸显[1-2]。为了确保水下作战行动安全顺利进行,水下爆炸物处置、水下搜索和侦查以及水下秘密潜入等任务的实施,都需要蛙人佩带潜水呼吸器来完成。自携式潜水呼吸器按照供给呼吸气体的回路不同,分为开放式和循环式2 类[3]。开放式潜水呼吸器简单轻便、易于使用,但气体仅呼吸一次即排入水中,因而水下工作时间较短,隐蔽性较差。循环式潜水呼吸器将蛙人呼出的气体在呼吸器内部循环回路系统加以处理后再供给蛙人呼吸,极大地提高了气体利用率,延长了蛙人水下停留时间,同时具有很好的隐蔽性,更适合军事潜水的需求。

1 循环式潜水呼吸器的类型及特点

循环式呼吸器的基本工作原理是将蛙人呼出的气体经呼吸回路系统处理后循环再利用,其关键问题是通过某种可变容器捕捉蛙人呼出的气体,再通过吸收装置净化吸收蛙人呼出气体中的二氧化碳,将蛙人吸入气体中的氧分压和二氧化碳分压控制在人体能接受的安全范围内,防止发生氧中毒、缺氧和二氧化碳中毒[4-5]。不同的循环式呼吸器在特定设计上有很大区别,根据吸入气体成分和供气方式的不同,循环式呼吸器通常分为纯氧闭式潜水呼吸器(oxygen closed-circuit rebreathers)、半闭式潜水呼吸器(semi-closed circuit rebreathers)和混合气闭式潜水呼吸器(mixed-gas closed-circuit rebreathers)[4]。

1.1 纯氧闭式潜水呼吸器

纯氧闭式潜水呼吸器(见图1)采用纯氧作为气源,通过手动或恒定质量流量供入呼吸袋,蛙人吸取呼吸袋内的氧气,呼出的气体进入二氧化碳吸收装置净化后,返回呼吸袋再次供蛙人呼吸[6-7]。由于呼吸气体是100%的氧气,正常使用过程中基本没有气泡冒出,噪声小。在潜水前,蛙人必须进行换气,充分置换出呼吸回路中的氮气,保证纯氧呼吸,以防缺氧[8]。使用纯氧闭式潜水呼吸器时,为避免发生氧中毒,须严格限制潜水深度和暴露时间[9]。该呼吸器的特点是工作时间长、隐蔽性高、结构简单、易于部署、水下机动性好,非常适合浅深度的隐蔽性军事潜水[8,10]。

图1 纯氧闭式潜水呼吸器原理图Fig.1 Principle of oxygen closed-circuit rebreathers

美军的MK-25(Dräger Lar V)(见图2)是典型的纯氧闭式潜水呼吸器,广泛应用于美国陆军特种部队、海豹突击队和海军陆战队,该呼吸器工作深度7 m 以浅,最长工作时间可达4 h[8,10]。

图2 美国MK-25(Dräger Lar V)纯氧闭式潜水呼吸器Fig.2 Oxygen closed-circuit rebreathers of MK-25(Dräger Lar V)

1.2 半闭式潜水呼吸器

半闭式潜水呼吸器(见图3)通常采用氮氧混合气作为基础气体,根据气体注入方式的不同,一般分为恒定质量流量供气、恒定容量比供气和恒定比率供气3 种。恒定容量比供气虽比恒定质量流量供气效率更高,但维护和下潜都更为复杂;恒定比率供气可在不同深度保持近似恒定的氧分压,但不能补偿不同的代谢消耗,需基于最大工作负荷设定质量流量,因而会导致气体的连续排放;恒定质量流量供气设计相对简单,是半闭式潜水呼吸器最常用的供气方式[4]。

图3 半闭式潜水呼吸器原理图Fig.3 Principle of semi-closed circuit rebreathers

采用恒定质量流量供气方式时,混合气经过流量控制装置后,以一定质量流量供入吸气袋,蛙人吸取吸气袋内的气体,呼出的气体流经呼气袋,经吸收装置去除二氧化碳后,返回吸气袋中供蛙人呼吸[8]。在不同深度下,注入呼吸袋气体的氧浓度和质量流量是固定的,为避免惰性气体在呼吸回路中积累太多,并使呼吸循环回路的压力与环境压力平衡,多余的气体必须通过呼吸袋上的排气阀排放[4,8]。

半闭式潜水装具的特点是结构简单,可靠性高;呼出的气体可以部分利用,在一定程度上节约了气体;可根据作业深度选择不同氧浓度的混合气以缩短减压时间。但与纯氧闭式潜水呼吸器相比,其准备工作相对复杂。

半闭式潜水呼吸器多用于确定潜水深度、确定工作负荷以及易控制深度的计划潜水。基于半闭式潜水呼吸器的特点,为保证潜水安全,应根据作业任务的需求,选择合适的半闭式潜水呼吸器;水下作业期间,须严格按照设定的计划潜水深度和计划工作负荷作业,防止由于超过计划潜水深度发生氧中毒或工作负荷过大导致缺氧;下水前、水下工作一定时间后和上升前,都应进行换气,减压时应减缓上升速度,必要时进行补气,防止缺氧[8]。

美军的半闭式潜水呼吸器Viper(见图4)采用含氧量60%的氮氧混合气,虽然操作复杂、深度受限,但噪声和磁性较低,适合于在浅水区域进行排雷作业[10]。

图4 美国Viper 半闭式潜水呼吸器Fig.4 Semi-closed circuit rebreathers of Viper

1.3 混合气闭式潜水呼吸器

混合气闭式潜水呼吸器(见图5)的设计目标是向潜水员提供一种含有恒定氧分压的混合气体,因此也称之为恒氧分压闭式潜水呼吸器。与大多数半闭式潜水呼吸器和所有纯氧闭式潜水呼吸器最明显的区别是,混合气闭式潜水呼吸器使用2 个气瓶,一个充填纯氧,另一个充填混合气(亦称稀释气,通常是压缩空气、氦氧混合气或氦氮氧三元混合气),用于稀释呼吸回路中的氧气,以便氧分压随深度的增加而保持恒定,防止氧中毒。呼吸器通过电子控制系统监测氧传感器,并控制电磁阀添加氧气,使得氧分压在不同的代谢消耗和深度下保持合理的恒定。使用过程中,蛙人必须定期查看显示器,以确认氧分压是否保持在设定值范围内。大多数情况下,稀释气通过自动补气阀自动添加,以保持呼吸循环回路的体积不变。一些呼吸器也提供独立于电子设备的手动操作单元,使蛙人能够在紧急情况下添加稀释气或氧气。任何稀释气如果单独使用都能维持生命,在系统出现故障时,可作为开放式备用气源应急使用[4]。

图5 混合气闭式潜水呼吸器原理图Fig.5 Principle of mixed-gas closed-circuit rebreathers

混合气闭式潜水呼吸器在整个潜水过程中,氧分压自动控制在预设值,除意外情况或上升时,一般不排出气体,因此气体的利用率非常高,噪声非常小。同时,由于混合气闭式潜水呼吸器呼吸回路中的氧分压基本恒定,在减压过程中可以加速减压过程。该潜水呼吸器具有水下工作时间长,下潜深度大、隐蔽性好的优点,非常适合军事潜水。但由于混合气闭式潜水呼吸器是迄今为止最复杂、最昂贵的循环式潜水呼吸器,对维护保养和操作技能要求较高,因此使用混合气闭式潜水呼吸器时,潜水员必须经过充分、严格的培训,下水前必须严格按照检查清单的要求仔细检查呼吸器的工作状态,并严格按照操作程序开展水下活动[4,8]。

图6 为美国海军使用的混合气闭式潜水呼吸器MK-16 Mod 1,当使用空气作为稀释气时,其最大下潜深度为 45 m;使用氦氧混合气作稀释气时,最大下潜深度91 m。该呼吸器便于携带、易于部署,支持通信,并具有低声学和非磁性特征,可用于水下爆炸物处置、水下搜索和侦查等军事潜水作业[7,10]。

图6 美国MK-16 Mod 1 混合气闭式潜水呼吸器Fig.6 Mixed-gas closed-circuit rebreather of MK-16 Mod 1

1.4 循环式呼吸器类型的选择

潜水作业任务具有多样性,实际应用过程中需根据任务类型、作业深度、制约条件等，并结合呼吸器的特点(见表1)选择适合任务需求的循环式呼吸器类型。

表1 循环式潜水呼吸器性能对比Table 1 Characteristics comparsion among circuit rebreathers

2 培训需求

循环式潜水呼吸器虽然具有气体利用率高、减压时间短等优点,但由于其在安装维护方面与开放式潜水呼吸器有着显著差异,且使用过程中会遇到缺氧、氧中毒和二氧化碳中毒等开放式空气潜水很少遇到的问题,操作和潜水程序更加复杂,潜水员必须进行专门的选拔和严格训练。

2.1 潜水员的选拔

循环式潜水呼吸器的使用要求潜水员必须具备高水平的潜水培训、状态感知能力和学习能力[11-12],参考欧美军方的选拔原则[12],培训前建议对潜水员进行以下检查和测试:

1)身体状况检查;

2)潜水能力测试;

3)学习能力测试;

4)循环式潜水呼吸器适应性测试。

应当认识到,不是每一个潜水员都能习惯循环式呼吸器潜水,而且循环式呼吸器潜水的学习成本远高于开放式潜水,从安全和成本的角度出发,选拔和培训过程中保持一定淘汰率是很有必要的。

2.2 培训内容

60 多年来,欧美军方一直在使用潜水呼吸器,几乎犯了已知的每一个错误,因而积累了宝贵的经验。参考美军MK-25 和MK-16 的培训内容[12],循环式呼吸器潜水培训应包含理论教学、水池训练和开放水域训练,课程至少应涵盖:

1)潜水生理学和潜水医学;

2)装备的结构组成和功能介绍;

3)潜水前准备程序;

4)潜水操作程序;

5)装备维护保养程序;

6)紧急处置程序;

7)潜水事故救援程序;

8)故障分析。

军事潜水通常都伴随着黑暗和恐惧,因此在培训过程中,应安排部分潜水训练在夜间或能见度低的条件下进行[7]。

2.3 培训时长和熟练度要求

循环式潜水呼吸器是一种密集维护型产品,与开放式潜水呼吸器相比训练负荷更大,且操作和潜水程序都不同于其他潜水方式,对潜水员的技术要求很高,因此保证一定的训练时长很有必要。参考美军MK-25 的训练课程(93 h)和英国皇家海军混合气潜水员的训练课程(9 周)[12],循环式潜水呼吸器的培训时长建议不少于6 周。潜水员只有在完成规定课程后,才能获得循环式呼吸器的使用资格。

保持熟练度是非常重要的,平时应经常对潜水团队进行训练,以确保潜水员熟悉设备与程序。严格训练的目的是消除人为犯错的可能性。美国海军规定,潜水员如果连续6 个月未使用混合气闭式呼吸器潜水,在潜水作业前,必须重新熟悉呼吸器的紧急处置程序和操作程序,并要完成一次潜水训练才能重新进行潜水作业[7]。

3 风险分析

国外对休闲潜水死亡事故的调查研究显示,25%的潜水死亡事故是由于潜水员自身的健康状况不适合潜水;39%的潜水死亡事故的重要原因是恐慌;30%～40%的潜水死亡事故是由于潜水员缺乏经验或训练不足[13]。针对循环式呼吸器潜水死亡事故的调查显示,使用循环式呼吸器潜水的死亡发生率约为开放式呼吸器潜水的4～10 倍;报道的死亡事件中,三分之二的事故原因与潜水员的高风险行为有关[14]。

由于大多数国家的民法对潜水事故报告未有具体规定,休闲潜水也没有专门的管理机构,其事故的调查处理缺乏明确的程序,研究机构收集的事故数据信息往往不完整,受数据来源和样本量的限制,其事故发生率和死亡率的统计分析结果缺乏权威性。军事潜水不同,其行动是以纪律严明的方式进行的,对事故的处理有明确的程序,其调查结果和统计数据可认为是相当准确的。

美国海军2003～2013 年潜水活动统计数据(见表2)显示[10],纯氧闭式潜水呼吸器(MK-25)的事故发生率为每10 000 次潜水2.2 次,混合气闭式潜水呼吸器(MK-16 Mod1)的事故发生率为每10 000 次潜水9.0 次。

表2 2003～2013 年美国海军潜水活动一览表Table 2 U.S.Navy diving activity from 2003 to 2013

美国海军试验潜水部队(Navy Experimental Diving Unit,NEDU)负责美国军方的潜水事故调查,其1978～2013 年潜水事故调查记录(见表3)表明[15],使用循环式呼吸器造成的潜水事故占整个潜水事故的35%。由于潜水事故调查无法回到事故现场收集更多的证据,在确定事故的实际原因时,调查人员往往只能从事故原因中排除可能的因素。在139 个有足够数据供审查的事故中,仅有一个案例可以排除人为错误的原因。

表3 美国海军实验潜水部队潜水事故统计表Table 3 Statistical table of diving accidents of NEDU

法国军队在1979～2009 年的30 年中,使用循环式呼吸器的潜水事故共发生153 例[16](见表4),其中3 例死亡,9 例事故由设备故障引起,76 例发生在潜水员的资格培训过程中。按其每年使用呼吸器的潜水次数估算,半闭式潜水呼吸器的事故发生率约为每10 000 次潜水2.5 次,纯氧闭式潜水呼吸器的事故发生率约为每10 000 次潜水3.1 次。

表4 1979～2009 年法国海军潜水事故统计表Table 4 French army diving accidents from 1979 to 2009

不论是军事潜水还是休闲潜水,在潜水事故的调查结论中,绝大多数潜水事故的原因都可以追溯到技能、经验和纪律这3 个人为因素[17]。参考美国海军和法国海军的潜水事故统计数据可知,得益于严格的培训、训练和纪律,在军事潜水活动中,循环式呼吸器潜水的风险相比开放式呼吸器潜水虽有增加,但事故发生率和死亡率仍远低于休闲潜水。考虑到循环式呼吸器潜水事故中有将近50%发生在潜水员培训期间[16],在进行严格的设备维护和培训的基础上,按规定的潜水程序操作,使用循环式潜水呼吸器进行军事潜水的风险是可控的。

4 结束语

循环式呼吸器可以为蛙人提供更长的潜水时间和更高的隐蔽性,是蛙人执行水下侦查、水下爆炸物处置以及水下秘密潜入等军事潜水任务的必备器材,可以保障海军完成特定任务。通过标准化的训练,可以将其相比开放式潜水增加的风险控制在较低的水平。在可预见的未来,循环式呼吸器将是海军潜水装备的重要组成部分,在军事潜水中将得到更加广泛的应用。