快速上浮脫險充氣系統(tǒng)供氣流量控制范圍理論計(jì)算及其應(yīng)用

顧靖華，陳銳勇，柳初萌，許驥

快速上浮脫險是國際通用的水下逃生方法。20世紀(jì)50年代初英國開創(chuàng)了快速上浮脫險技術(shù)后，最終進(jìn)行了海上183 m快速上浮脫險試驗(yàn)驗(yàn)證[1]。隨后，快速上浮脫險技術(shù)以其調(diào)壓快、高壓暴露時間短、上浮速度快、脫險深度大和操作簡單的特點(diǎn)，被世界各國采用[2-3]?？焖偕细∶撾U技術(shù)的關(guān)鍵是快速加壓和減壓，使高氣壓暴露時間盡可能限制在不減壓潛水范圍內(nèi)[4-5]。單人脫險艙、脫險抗浸服及其充氣系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的核心裝備。脫險抗浸服頭罩的充盈不僅能保證快速加壓過程不窒息，也可提供其上浮過程中自由呼吸的空間和上浮的浮力。因此，充氣系統(tǒng)的性能需適應(yīng)快速上浮脫險快速加壓過程，頭罩充盈是關(guān)鍵因素，其性能的技術(shù)核心問題是供氣流量的控制。供氣流量過大會導(dǎo)致脫險抗浸服破裂[6-7]，過小會導(dǎo)致脫險抗浸服頭罩不充盈，脫險人員窒息。英國從MK7脫險抗浸服直至發(fā)展到現(xiàn)在的MK10、MK11脫險抗浸服，其基本供氣原理和結(jié)構(gòu)不斷完善和對其原理結(jié)構(gòu)以及供氣需求的把握，是實(shí)現(xiàn)快速上浮脫險技術(shù)的關(guān)鍵。本研究基于潛水醫(yī)學(xué)不減壓潛水原理，依據(jù)快速上浮脫險加壓程序和脫險抗浸服的基本結(jié)構(gòu)和供氣原理，推導(dǎo)了快速上浮脫險充氣系統(tǒng)供氣流量的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，為快速上浮脫險裝備的建設(shè)和技術(shù)訓(xùn)練提供依據(jù)。

1 理論計(jì)算依據(jù)

1.1 快速上浮脫險的生理學(xué)基礎(chǔ) 快速上浮脫險是基于不減壓潛水原理，需要最大限度壓縮高壓下的暴露時間。經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)研究，指數(shù)倍增的加壓速率得到國際公認(rèn)，表示為：

(1)

式中Pt——加壓過程中瞬時絕對壓[ATA(1 ATA=0.1 MPa)]；

P0——初始壓力，為1 ATA；

t——加壓時間(s)；

T——加壓時間常數(shù)(s)。

依據(jù)不減壓潛水原理，脫險深度增加，高壓下的停留時間遞減。單人脫險艙壓力增加速率按照不同的脫險深度，采用不同的加壓時間常數(shù)(T)。不同脫險深度T的上限值[8]見表1。

表1 不同脫險深度加壓時間常數(shù)上限

1.2 脫險抗浸服的供氣原理 實(shí)施快速上浮脫險時，脫險人員著脫險抗浸服進(jìn)入單人脫險艙，單人脫險艙內(nèi)的充氣系統(tǒng)為脫險抗浸服氣囊充氣，當(dāng)氣囊內(nèi)壓力達(dá)到一定值時，安裝于氣囊上的排氣安全閥打開，氣體進(jìn)入脫險抗浸服頭罩，供脫險人員呼吸，其基本原理見圖1。

圖1 脫險抗浸服供氣原理圖

1.3 充氣系統(tǒng)供氣流量計(jì)算模型 加壓過程中脫險抗浸服頭罩需要為脫險人員提供正常呼吸的空間，因此不能塌陷。頭罩內(nèi)的氣體壓力取決于氣囊為頭罩的供氣能力，而氣囊的供氣能力取決于充氣系統(tǒng)的供氣流量。如圖1兩個虛線箭頭所示，脫險抗浸服頭罩內(nèi)壓力必須保持與艙壓同步增加[9-10]。因此，充氣系統(tǒng)的供氣流量與單人脫險艙的加壓速率及脫險抗浸服頭罩和氣囊的容積相關(guān)。

根據(jù)式(1)，單位時間內(nèi)單人脫險艙內(nèi)的瞬時壓力變化可用(2)式表示：

(2)

式中P′——單位時間內(nèi)單人脫險艙內(nèi)壓力變化(ATA/s)。

快速加壓期間，頭罩內(nèi)氣體瞬時壓力變化要求與單人脫險艙內(nèi)瞬時壓力變化相同，也為P′。初始狀態(tài)(開始加壓時)，脫險抗浸服氣囊和頭罩處于無壓力狀態(tài)，為便于計(jì)算，設(shè)定氣囊和頭罩內(nèi)氣體容積為0，且快速加壓期間頭罩底部開口不排氣；氣囊上排氣安全閥開啟壓力和關(guān)閉壓力的相對值較小，計(jì)算時，不考慮其對氣囊壓力變化的影響，則充氣系統(tǒng)的供氣流量為：

(3)

式中Q——充氣系統(tǒng)供氣流量 (L/s)；

V——脫險抗浸服氣囊和頭罩有效容積之和(L)。

將式(1)代入式(3)，得

(4)

1.4 充氣系統(tǒng)供氣流量計(jì)算結(jié)果 以英國MK10脫險抗浸服為例，其氣囊的容積為12 L，頭罩容積為26 L，脫險人員著裝佩戴頭罩后，其凈容積約為20.66 L，頭罩和氣囊的有效容積V=12+20.66=32.66 L。

將V=32.66代入式(4)，得：

(5)

快速加壓期間，為保證脫險人員正常呼吸，頭罩內(nèi)水位的最高值不應(yīng)超過氣囊上排氣安全閥下沿，此時頭罩的剩余有效容積為14.66 L，則頭罩和氣囊的有效容積V=12+14.66=26.66 L，將V=26.66 L代入公式(4)，可得出在設(shè)定脫險深度，設(shè)定加壓速率加壓時的最小供氣流量，見式(6)。

(6)

由此得出脫險深度Pt和加壓時間常數(shù)T確定時，充氣系統(tǒng)的供氣流量范圍為：

(7)

當(dāng)脫險深度確定時，充氣系統(tǒng)的最低供氣流量為加壓速率最慢，即T最大時；最大供氣流量為加壓速率最大，即T最小時。依據(jù)動物實(shí)驗(yàn)和人體實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，采用最大加壓速率為4 s增加1倍壓力的方式，即T值最小取4 s，將該值代入式(5)，計(jì)算得出充氣系統(tǒng)的最大供氣流量；根據(jù)表1，分別將脫險深度Pt和對應(yīng)的最大允許T值代入式(6)，計(jì)算得出充氣系統(tǒng)的最低供氣流量，見圖2。典型深度充氣系統(tǒng)供氣流量下限與加壓時間常數(shù)T的關(guān)系見圖3。當(dāng)T=4 s時，充氣系統(tǒng)的供氣流量范圍見圖4陰影部分。

圖2 不同深度充氣系統(tǒng)最大供氣流量和最低供氣流量

圖3 典型深度充氣系統(tǒng)供氣流量下限隨加壓速率常數(shù)T變化曲線

圖4 T=4 s時充氣系統(tǒng)供氣流量(Q)范圍

2 討論

快速上浮脫險是一項(xiàng)逃生技術(shù)，技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程稍有差池，都將導(dǎo)致脫險失敗或危及人員健康[11]。關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)具體表現(xiàn)在加壓速率、高壓停留時間和減壓速率[12-13]。為盡可能減少逃生條件下的高度應(yīng)激導(dǎo)致的人因失誤，技術(shù)實(shí)現(xiàn)主要依賴于脫險裝備的性能。高壓停留時間取決于單人脫險艙上蓋開啟裝置的開啟時間；減壓過程取決于脫險抗浸服的浮力；加壓過程作為快速上浮脫險的關(guān)鍵過程，以T為時間常數(shù)倍增的快速加壓對人體耐受能力是極大的考驗(yàn)，同時還需要保持脫險抗浸服的完好狀態(tài)，以提供上浮過程的浮力和脫險人員呼吸的空間和氣體[14-15]，因此，充氣系統(tǒng)的供氣流量控制直接影響脫險能否成功。

如圖1所示，單人脫險艙內(nèi)的氣體存在兩部分加壓，一是單人脫險艙以壓力倍增的方式加壓，由單人脫險艙加壓系統(tǒng)控制；另一部分是脫險抗浸服頭罩內(nèi)的氣體加壓，由充氣系統(tǒng)控制。如加壓過程中頭罩內(nèi)壓力低于單人脫險艙內(nèi)壓力，頭罩內(nèi)水位將會上升，嚴(yán)重時會塌陷，導(dǎo)致窒息等后果；如頭罩內(nèi)壓力高于單人脫險艙壓力，過多的氣體將會從頭罩底部開口排入單人脫險艙，當(dāng)大深度加壓速率較快時，會導(dǎo)致單人脫險艙壓力震蕩。根據(jù)公式(4)，充氣系統(tǒng)的流量與脫險抗浸服頭罩和氣囊的有效容積呈正相關(guān)，提示充氣系統(tǒng)的供氣流量需要與脫險服抗浸服頭罩和氣囊的容積相適應(yīng)，不同的脫險抗浸服一旦存在頭罩和氣囊容積的差別，就需要對充氣系統(tǒng)的供氣流量進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。對于MK10脫險抗浸服，根據(jù)計(jì)算結(jié)果(圖4)，滿足200 m深度的脫險，充氣系統(tǒng)的供氣流量應(yīng)當(dāng)在5 821～7 132 L/min范圍內(nèi)。超出這個范圍，過低或過高就有可能引起頭罩供氣不足或單人脫險艙壓力震蕩。深度越小，這個范圍越小，提示充氣系統(tǒng)的供氣流量控制精度在淺深度要求更高。然而，這并不意味著供氣流量與深度無關(guān)，如圖2所示，充氣系統(tǒng)供氣流量隨著脫險深度增加而增加，即采用現(xiàn)有的快速上浮脫險方式，深度越大，充氣系統(tǒng)需要提供更大的供氣流量。提示研制更大深度的脫險裝備時，需要更大的氣源壓力和流量。

充氣系統(tǒng)的供氣流量與加壓速率T值呈負(fù)相關(guān)。如圖3所示，150 m脫險，T值為4 s時，供氣流量至少需要達(dá)到4 435 L/min，而采用7 s的T值，供氣流量下限僅為2 534 L/min。根據(jù)GJB 7137《潛艇艇員快速上浮脫險醫(yī)學(xué)保障規(guī)程》，淺深度采用更大的T值，可以降低快速加壓過程壓力變化帶來的人體調(diào)節(jié)負(fù)荷，但根據(jù)不減壓潛水原理，T值越小，減壓負(fù)荷就越小。研究表明，4 s壓力翻倍的加壓速率逼近人體耐受的極限[15]，而4 s的T值適用于各個深度的脫險。因此，在設(shè)計(jì)充氣系統(tǒng)時，需要以最小T值為設(shè)計(jì)輸入，即以T等于4 s為設(shè)計(jì)輸入。如150 m脫險，采用7 s的T值，最小的供氣流量需求是2 534 L/min，但充氣系統(tǒng)的供氣能力至少要達(dá)到4 435 L/min。充氣系統(tǒng)的供氣流量與充氣系統(tǒng)的輸入壓力密切相關(guān)，為適應(yīng)不同脫險深度不同T值時的安全供氣流量需求，在實(shí)施快速上浮脫險時，可根據(jù)脫險深度和選用的T值，調(diào)節(jié)充氣系統(tǒng)的輸入壓力。另一方面，充氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)為可根據(jù)脫險抗浸服頭罩內(nèi)氣體壓力大小自動調(diào)整供氣流量，防止供氣流量過大或過小導(dǎo)致的風(fēng)險。T值變化對充氣系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)要求和減壓負(fù)荷的關(guān)系值得進(jìn)一步探討。

雖然脫險抗浸服及充氣系統(tǒng)相對獨(dú)立，但需要整合進(jìn)整個脫險裝備系統(tǒng)，需要脫險裝備系統(tǒng)的氣源能力滿足充氣系統(tǒng)的供氣流量要求。根據(jù)氣體動力學(xué)，滿足充氣系統(tǒng)的供氣流量不僅取決于氣源壓力，也取決于供氣管路的通徑。本研究對充氣系統(tǒng)供氣流量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，不僅為我國脫險抗浸服充氣系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，也為其與整個脫險裝備系統(tǒng)的銜接設(shè)計(jì)提供了輸入?yún)?shù)，對提高我國快速上浮脫險裝備的自主維護(hù)和訓(xùn)練安全具有較高的實(shí)際意義。