潛水員水下作業(yè)裝備體系研究

紀永強，張 超，石宇豪，謝 嵐，徐高正

(1. 中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100190；2. 海軍裝備部裝備項目管理中心，北京 100071)

0 引 言

海洋覆蓋了地球表面積的71%，蘊含著豐富的礦產(chǎn)、生物等重要資源，隨著全球人口的增長、陸地資源的消耗和海洋工程裝備的發(fā)展，許多國家都將注意力轉(zhuǎn)向海洋。其中，潛水員潛水活動是人類駕馭海洋的重要形式，海洋資源開發(fā)、水中工程建設(shè)、援潛救生打撈、科學研究探索、水下活動競技等活動均需要潛水技術(shù)的支持。潛水技術(shù)主要是指人類等陸生生物，采取某種方式主動從陸地空氣環(huán)境穿過氣-水界面進入水下，在一定深度停留一段時間并完成一定活動后，按一定程序上升出水的過程[1-2]。

裝備體系是指為完成一定使命任務(wù)而有不同類型的裝備系統(tǒng)組成具有整體功能的系統(tǒng)集合[3]。裝備體系是“需求牽引”和“技術(shù)推動”的共同產(chǎn)物，“需求牽引”解決有效性的問題，重在從“需求端”明確裝備使用需求，“技術(shù)推動”針對特定需求從“供給端”的具體實現(xiàn)[4]。潛水活動發(fā)生在不同于空氣的水下環(huán)境，水下作業(yè)裝備為潛水員在水下高壓環(huán)境開展作業(yè)活動提供適宜生存的微小環(huán)境，解決潛水員水下作業(yè)的呼吸、抗寒等生理活動和實施水下作業(yè)。本文分析了潛水員實施潛水活動的作業(yè)剖面，進一步結(jié)合水下環(huán)境特點從“需求端”明確了對潛水員水下裝備的功能需求，進而根據(jù)功能需求建立了潛水作業(yè)裝備體系，并從“供給端”探討潛水員水下作業(yè)裝備體系的發(fā)展趨勢。

1 潛水員水下作業(yè)裝備需求分析

1.1 水下作業(yè)環(huán)境分析

水下環(huán)境作為潛水作業(yè)的環(huán)境介質(zhì)，與空氣環(huán)境具有截然不同的特點。水的溫度、阻力、靜水壓、水流、光聲傳播特性等因素，與地表正常大氣環(huán)境迥然不同，都將對潛水員水下作業(yè)的生存和作業(yè)活動產(chǎn)生影響。

1）水溫

多數(shù)情況下，海水溫度要低于人體溫度，且潛水多在一定深度下完成，因此潛水作業(yè)的水下環(huán)境多為低溫環(huán)境。因此，潛水員水下作業(yè)應采取必要措施降低人體在水下環(huán)境的熱量散失問題。

2）阻力

潛水員水下移動時會受到水的阻力。阻力對潛水員水下作業(yè)的影響主要包括妨礙潛水員水下活動，影響作業(yè)效率，同時還消耗潛水員體力；延遲了潛水員到達現(xiàn)場的時間。

3）光聲傳播特性

由于無線電波和光波在海水中傳播會產(chǎn)生嚴重的衰減，造成潛水員的水下作業(yè)環(huán)境能見度較差，無法單獨借助視覺手段進行信息互通。

4）水下作業(yè)活動

潛水員可在水下焊接、水下應急救援、反水雷作戰(zhàn)等水下作業(yè)中發(fā)揮獨特作用。因此，針對不同的作業(yè)活動需要，潛水員要攜帶特定的水下作業(yè)工具實施水下作業(yè)。

祝國寺和駐祝國寺的東川區(qū)佛協(xié)，是政府對佛教進行有效管理的重要力量。祝國寺對東川大小佛寺的影響，不單單是一個先進模范那樣的榜樣作用，而且是有效的管理者。按照《宗教事務(wù)條例》規(guī)定，根據(jù)東川實際情況，區(qū)民族宗教局、區(qū)佛協(xié)、祝國寺共同制定了《小寺小廟管理辦法》。對區(qū)屬17所小寺小廟的登記、組織建設(shè)、僧人管理、監(jiān)督等進行了具體規(guī)定。特別重要的一點是，祝國寺與17所小寺小廟簽訂了《托管承諾書》，經(jīng)區(qū)民族宗教局批準建立的寺廟納入“承諾書”規(guī)定的范圍進行管理。

1.2 水下作業(yè)過程分析

潛水員水下作業(yè)過程一般可分為航渡階段、潛航階段、作業(yè)階段和返航階段。為提高作業(yè)效率，一般情況下潛水員乘水面快艇等快速抵達作業(yè)水域；隨后，潛水員在作業(yè)水域入水潛航接近作業(yè)現(xiàn)場，抵達預定位置；抵達作業(yè)現(xiàn)場后，在指揮信息設(shè)備的支持下，潛水員在水下開展救援打撈、工程建設(shè)等水下作業(yè)活動；水下作業(yè)結(jié)束后，潛水員采用安全方式緩慢上升至水面，并根據(jù)潛水員身體狀況實施進行醫(yī)療干預[4]。受人體生理條件的限制結(jié)合水下作業(yè)實際情況，可根據(jù)需要增派潛水員通過接力方式協(xié)同完成水下作業(yè)活動。潛水員水下作業(yè)的主要流程如圖1所示。

圖1 潛水員水下作業(yè)流程圖Fig. 1 The flow chart of underwater operation process for frogman

1.3 水下作業(yè)裝備體系

根據(jù)潛水員水下作業(yè)環(huán)境等因素及水下作業(yè)環(huán)境的分析，明確了對潛水員水下作業(yè)過程的功能需求，按功能這里將潛水員水下作業(yè)裝備劃分為生命支持設(shè)備、運輸投送設(shè)備、指揮信息設(shè)備、作業(yè)工具設(shè)備。

1.3.1 生命支持設(shè)備

生命支持設(shè)備為處于水下環(huán)境作業(yè)的潛水員提供安全、可控環(huán)境。潛水員生命支持設(shè)備主要為水下作業(yè)的潛水員正常生理活動提供氧氣，同時去除人體新陳代謝產(chǎn)生的二氧化碳等并保證潛水員身體處于相對舒適的溫濕度微環(huán)境空間。生命支持設(shè)備是潛水員開展水下作業(yè)的基礎(chǔ)保障類設(shè)備[5]。生命支持設(shè)備主要包括呼吸支持設(shè)備、環(huán)境檢測控制設(shè)備和水下保暖設(shè)備。

呼吸支持設(shè)備作為生命支持設(shè)備的核心設(shè)備，支持潛水員長時間內(nèi)在水體中完成呼吸，保障水下作業(yè)活動的順利開展。按照呼吸氣體回路不同，呼吸支持設(shè)備可以分為開放式呼吸器、閉式呼吸器和半閉式呼吸器。開放式呼吸器只需要考慮人的呼吸對氣體供應質(zhì)量流量的生理要求，但因向水體中排放呼出氣泡，隱蔽性不足；閉式呼吸器可確保所有氣體在封閉回路中循環(huán)，消除了呼吸過程向水體排出的氣泡，可提高潛水員水下作業(yè)的隱蔽性[6]。

環(huán)境檢測控制設(shè)備用于監(jiān)測和控制潛水作業(yè)過程潛水員局部微環(huán)境的相關(guān)信息，防止呼吸氣體中氧氣、二氧化碳和氦氣的分層，保障二氧化碳被二氧化碳吸收劑的充分吸收。同時，通過溫度濕度的控制檢測，使得潛水員處于舒適良好的溫度濕度局部工作環(huán)境。

水下保暖設(shè)備主要為潛水服，將潛水員與外界水環(huán)境隔離開來，不僅可防止?jié)撍畣T體溫散失過快、造成失溫，起到保暖作用，還可避免潛水員受到傷害。

1.3.2 運輸投送設(shè)備

“干式”運載器類似于微型潛艇，里面充滿空氣，潛水員可在內(nèi)部空間活動，可載十幾名潛水員，并可通過水下感知裝置自動規(guī)避水下障礙物[7]。

“濕式”運載器主要包括小型推進裝置DPV（1～2人）和大型推進裝置SDV（4～8人）。DPV是輔助潛水員潛行的裝備，能夠提供推力，降低體能消耗；SDV可搭載于潛艇，達到作業(yè)地點后再行釋放[7]。

此外，為提高潛水員投送效率，也可通過水面輸送設(shè)備完成潛水員的遠距離運輸。

1.3.3 指揮信息設(shè)備

潛水員指揮信息設(shè)備主要為潛水員在持續(xù)的水下作業(yè)過程提供指揮通信、引導定位、水下導航和水下探測等信息保障，主要包括指揮通信設(shè)備、信標定位設(shè)備、水下導航設(shè)備和水聲探測設(shè)備等[8]。

指揮通信設(shè)備用于潛水員與岸上或水面平臺指揮員之間的通信?；谒颅h(huán)境特點，指揮通信設(shè)備一般采用水聲通信技術(shù)，在不同介質(zhì)間傳輸通過換能器設(shè)備完成電信號和水聲信號的轉(zhuǎn)換[8]。

信標定位設(shè)備可為指揮員提供水下作業(yè)潛水員的位置信息，一般有信標和信標定位裝置組成，潛水員通過隨身佩戴的信標可向信標定位裝置發(fā)送聲信號，通過信息處理等過程可掌握潛水員的水下活動動態(tài)[8]。

水下導航設(shè)備基于方向、位置等導航類信息，為潛水員水下活動提供導引服務(wù)，主要可分為潛水指北針、電磁羅盤導航儀、水聲多普勒導航儀和GPS導航儀[8]。導航設(shè)備通過對水下潛水員航向、俯仰、搖擺等信息的累計，實現(xiàn)對潛水員運動過程的跟蹤，并進一步基于需到達位置的信息，解算得到潛水員相對于目標點位置的相對信息，從而為潛水員在能見度很低的水下環(huán)境的作業(yè)活動提供導引能力。

水下探測設(shè)備主要用于潛水員實時獲取水下一定范圍內(nèi)的環(huán)境信息，完成水下作業(yè)目標的探測，主要包括水下燈光設(shè)備和聲吶設(shè)備，其中水下強光燈可完成潛水員在近距離范圍內(nèi)的信息感知，聲吶設(shè)備基于聲波在水下環(huán)境的遠距離傳播特性，實現(xiàn)較大范圍內(nèi)水下目標的探測[8]。

1.3.4 作業(yè)支撐設(shè)備

作業(yè)工具設(shè)備為潛水員完成水下特定作業(yè)過程的重要手段。根據(jù)水下作業(yè)類型的不同，作業(yè)工具設(shè)備也不同。例如，特種兵水下行動所需要的水下槍械、水下爆炸裝備、水下非致命武器和水下刀箭等兵器裝備。工程作業(yè)人員所需的水下焊接設(shè)備、水下風動鉆孔緊固工具、水下測量工具等，潛水愛好者所需的水下攝像機等。

綜合上述，潛水員水下作業(yè)裝備體系如圖2所示。

1.4 裝備體系運用及指標體系

依據(jù)潛水員裝備體系組成設(shè)備的基本功能及潛水員水下作業(yè)過程，潛水員水下作業(yè)對裝備體系的運用過程如圖3所示。圖中，虛線表示該階段不使用對應的設(shè)備，實線表示作業(yè)過程使用相應的設(shè)備。

指標體系是反映能力各個要素指標所構(gòu)成的有機整體和集合。構(gòu)建指標體系是正確評估裝備能力的基礎(chǔ)和先決條件[9,10]?；凇盎顒?能力”匹配的思想，建立潛水員水下作業(yè)裝備的指標體系，如表1所示。

表1 潛水員水下作業(yè)裝備指標體系Tab. 1 The index system of frogman underwater operation equipment

2 裝備發(fā)展展望

2.1 生命支持設(shè)備系列化

隨著潛水員在水下作業(yè)技術(shù)的不斷進步，潛水員將越來越多地在不同水域承擔多樣化水下作業(yè)任務(wù)。針對不同的水下環(huán)境，根據(jù)人機結(jié)合的基本原則，發(fā)展成成體系系列化的潛水員生命支持設(shè)備，涵蓋多種類型的作戰(zhàn)任務(wù)，并匹配水面艦船、潛艇乃至航空平臺等相應的潛水員搭載平臺。

2.2 運輸投送設(shè)備隱身化

隱身能力的優(yōu)劣直接關(guān)系潛水員開展秘密滲透行動的成敗。當前，反潛水員聲吶對潛水員運載器投送構(gòu)成巨大挑戰(zhàn)。英國奎奈蒂克公司（QinetiQ）研發(fā)的“冥府守門狗”便攜式潛水員探測器，已經(jīng)裝備北約部隊。當潛水員、游泳者、自主無人潛航器或潛水員運載裝備出現(xiàn)時，該探測器將向作戰(zhàn)人員發(fā)出告警信號。潛水員運載裝備的動力噪聲、通信信號都容易暴露自身位置，而潛水員水下進出艙時系統(tǒng)最不穩(wěn)定，很容易被探測到。改進運載器的隱身性能、降低可探測性和采取更安全隱蔽的出艙方式，是亟待解決的問題。

2.3 指揮信息裝備集成化

指揮信息設(shè)備涵蓋了潛水員水下作業(yè)活動所需要的水下通信、引導、導航和探測設(shè)備，設(shè)備種類繁雜。為進一步減少潛水員佩戴設(shè)備種類和質(zhì)量、改善潛水員水下活動的便捷性和信息感知能力、提升設(shè)備的兼容工作能力，需提升信息設(shè)備的集成優(yōu)化水平，研制通用的潛水員水下信息處理器，根據(jù)作業(yè)任務(wù)的不同，配備不同的任務(wù)終端。基于信息基礎(chǔ)的快速發(fā)展，未來其信息處理器將向著更加通用、綜合、可靠的方向發(fā)展，終端設(shè)備將趨向模塊化、標準化和系列化。

2.4 作業(yè)工具設(shè)備便攜化

因水下環(huán)境作業(yè)的特殊性，潛水員水下作業(yè)需要攜帶作業(yè)工具設(shè)備以保障水下作業(yè)活動的有效實施。基于降低潛水員水下作業(yè)載荷，應將作業(yè)工具設(shè)備便攜化處理，保障潛水員能夠快捷攜帶作業(yè)工具設(shè)備，高效完成水下作業(yè)活動。水下作業(yè)工具設(shè)備設(shè)計過程應通過體積小、質(zhì)量輕及多功能等途徑實現(xiàn)設(shè)備的便攜化。

3 結(jié) 語

潛水員水下作業(yè)是海事救援、海洋工程等領(lǐng)域的重要手段，本文在分析潛水員水下作業(yè)環(huán)境及潛水員水下作業(yè)過程的基礎(chǔ)上，建立潛水員水下作業(yè)裝備體系，將潛水員水下作業(yè)裝備體系劃分為生命支持設(shè)備、運輸投送設(shè)備、指揮信息設(shè)備和作業(yè)支撐設(shè)備；進一步研究了裝備的運用過程及指標體系，并展望了未來作業(yè)裝備的發(fā)展趨勢。本文的分析主要是針對潛水員在民事水下作業(yè)領(lǐng)域的分析為基礎(chǔ)的，對于軍事領(lǐng)域的水下作業(yè)，還需要針對特定的作業(yè)形式，增配適合不同水下任務(wù)特點的裝備。