徐新宏，江璐，方晶晶，陳宏，任小孟，許林軍

（1.海軍特色醫(yī)學(xué)中心，上海 200433，2.92370部隊(duì)參謀部，海南 三亞 572016）

潛艇艙室是一個(gè)人員眾多、設(shè)備復(fù)雜的密閉環(huán)境，空氣組分復(fù)雜，有害氣體和污染物種類繁多，嚴(yán)重威脅著艇員的身心健康和潛艇的運(yùn)行安全。武器裝備發(fā)展的進(jìn)步，極大地推動(dòng)了水下潛航的時(shí)間，但水下人員自持力時(shí)間的決定因素不但取決于武器裝備的潛航性能，更重要的是取決于密閉艙室整體環(huán)境的特點(diǎn)。潛艇水下巡航能力及待命時(shí)間越長(zhǎng)，空氣污染物積累越難達(dá)到凈化要求，潛艇艙室大氣環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到潛艇戰(zhàn)斗力的發(fā)揮。世界各國(guó)海軍對(duì)潛艇大氣質(zhì)量與控制都非常重視，并開(kāi)展廣泛和深入的研究。美國(guó)海軍已將潛艇大氣環(huán)境質(zhì)量的重要性列為僅次于武備的第二重要位置，足見(jiàn)其對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量的重視程度。文中旨在對(duì)潛艇大氣環(huán)境研究現(xiàn)狀做簡(jiǎn)要介紹，為了解國(guó)內(nèi)外海軍潛艇相關(guān)技術(shù)發(fā)展和裝備情況提供一定參考。

1 潛艇艙室主要?dú)鈶B(tài)污染物

潛艇艙室空間狹窄局促，水下航行期間，對(duì)外沒(méi)有氣體交換。隨著水下航行時(shí)間的增加，污染物主要依靠?jī)?nèi)部處理消除，未有效消除的污染不斷累積，濃度升高，大氣環(huán)境質(zhì)量逐漸惡化。潛艇大氣污染物呈現(xiàn)高復(fù)合型和低劑量特點(diǎn)[1]。高復(fù)合型指的是污染種類繁多，除了常見(jiàn)的揮發(fā)性有機(jī)化合物、化學(xué)氣溶膠、微生物氣溶膠外，部分型號(hào)潛艇中還有放射性氣溶膠。

1.1 氣態(tài)污染物的主要來(lái)源

潛艇艙室內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，氣態(tài)污染物和有害氣體來(lái)源廣泛，動(dòng)力機(jī)械電子設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)、艇內(nèi)烹飪、艇員呼吸與新陳代謝、武器發(fā)射和非金屬材料釋放都會(huì)產(chǎn)生有害氣體。

柴油內(nèi)燃機(jī)在啟動(dòng)或剎車時(shí)，瞬間可產(chǎn)生一氧化碳、二氧化碳、三氧化氮、二氧化硫、硫化氫、甲烷及其他烴類氣體等。潛艇用蓄電池鉛板含有微量的砷和銻，當(dāng)蓄電池充、放電及電池溫度過(guò)高時(shí)，電極發(fā)生水解，會(huì)產(chǎn)生氫。銻和砷與新生氫接觸，會(huì)產(chǎn)生毒性很強(qiáng)的銻化氫與砷化氫。艇上攜帶的一溴三氟甲烷、氯溴甲烷、三氯溴甲烷、二氟二溴甲烷或干碳酸鈉等滅火劑可分解成氯化氫、氫、光氣、溴、溴化氫及溴化碳酰等。制冷劑氟利昂-11、氟利昂-12、氟利昂-22泄漏后，可分解出氫、氯、氯化氫、氟化氫、光氣等。電子儀器設(shè)備可以產(chǎn)生臭氧和一氧化碳[2]。

除了裝有大量設(shè)備、儀器、儀表外，潛艇建造時(shí)還采用了大量的非金屬材料。潛艇使用的涂料、油漆、潤(rùn)滑油和保溫材料等均會(huì)因受熱蒸發(fā)而釋放出有害氣體[3-4]。涂料與油漆中的溶劑會(huì)釋放甲苯、二甲苯、乙苯，酚甲醛樹(shù)脂會(huì)釋放其中的游離甲醛，潤(rùn)滑劑的燃油分解會(huì)產(chǎn)生甲醛、乙醛、丙烯醛等。高分子保溫材料（如聚氨酯、聚酰亞胺）受熱會(huì)釋放大量甲醛、乙醛、丙酮和甲醇。

人體代謝是污染物的主要來(lái)源[5]。人體代謝產(chǎn)物多達(dá) 400種以上，僅人體呼出氣中就含有百余種氣體，其中包括二氧化碳、一氧化碳、氨、丙酮、苯、胺、氯化物、醛等。尿中有229種化合物，包括l03種氯化物，30種電介質(zhì)，38種分泌物，10種酶，還有維生素、脂肪烴和有機(jī)酸。人體經(jīng)皮膚經(jīng)常排泄汗液與皮脂腺分泌物。皮脂腺分泌物的主要成分包括：游離脂肪酸、蛋白質(zhì)、無(wú)機(jī)酸、甘油、棕櫚脂、鹽和其他物質(zhì)。人體皮膚表面進(jìn)行呼吸時(shí)，也會(huì)排出少量污染性氣體。

除了氣態(tài)污染物，潛艇中還存在大量的顆粒物氣溶膠?；瘜W(xué)氣溶膠顆粒物主要來(lái)源于餐廚烹飪、機(jī)械裝置磨損、氧燭及二氧化碳吸收裝置的開(kāi)啟和運(yùn)轉(zhuǎn)、艙壁材料機(jī)械振動(dòng)脫落、核裂變產(chǎn)物等。艇內(nèi)烹飪除了產(chǎn)生大量的氣態(tài)污染物外，也會(huì)產(chǎn)生大量顆粒物氣溶膠和油煙，艙室油煙是油脂和有機(jī)質(zhì)分解裂解的產(chǎn)物。這種烹飪油煙包含了大量的硝基芳烴、雜環(huán)胺、巴豆醛和多環(huán)芳烴等強(qiáng)致癌物。微生物氣溶膠主要來(lái)源于食物的分解及腐爛、艙室廢棄物處理、人員新陳代謝、呼吸排氣、排泄物等，如細(xì)菌、放線菌、真菌、病毒、類病毒、立克次氏體、衣原體、支原體等。放射性物質(zhì)主要存在于核動(dòng)力潛艇，來(lái)源于反應(yīng)堆釋放出的放射性物質(zhì)，當(dāng)其擴(kuò)散至艙室時(shí)，空氣中的穩(wěn)定同位素在放射線作用下會(huì)被活化，夜光儀表也是放射性物質(zhì)來(lái)源之一。

歷次的實(shí)艇檢測(cè)分析測(cè)試發(fā)現(xiàn)，揮發(fā)性有機(jī)化合物第一大類為脂肪烴，主要來(lái)源為潤(rùn)滑油和燃油，大約占檢測(cè)總量的50%；第二大類為芳香烴（如甲苯、乙苯、二甲苯），主要來(lái)源為裝飾材料，約占 25%；第三大類為含氧化合物（如醇醛酮），主要來(lái)源為裝飾材料，約占10%；第四大類為鹵代烴，來(lái)源為制冷劑或者滅火劑，約占5%；最后含硫、氮化合物（如硫化氫、氨氣）約占5%，主要來(lái)源為裝飾材料和人體代謝釋放[6-8]。

1.2 氣態(tài)污染物毒性作用

幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)常規(guī)潛艇及核潛艇艙室空氣污染物的分析開(kāi)展了大量的研究。由于潛艇空氣中的污染物極其復(fù)雜，對(duì)污染空氣組分進(jìn)行全面分析，在技術(shù)上還有較大的困難。據(jù)20世紀(jì)70年代中期以來(lái)的文獻(xiàn)初步統(tǒng)計(jì)，定性檢測(cè)出六百多種空氣組分，定量檢測(cè)出一百多個(gè)空氣組分。根據(jù)潛艇艙室空氣中組分的危害程度，我國(guó)先后制訂了GJB 11B—2012《常規(guī)動(dòng)力潛艇空氣組分容許濃度》和GJB 11A—1998《核潛艇艙室空氣組分容許濃度》，分別對(duì)常規(guī)潛艇空氣中35種組分和核潛艇空氣中60種組分制定了容許濃度[9-10]。標(biāo)準(zhǔn)的制訂保護(hù)了艇員的安全，為開(kāi)展艙室空氣中污染物組分的治理提供了依據(jù)。

目前潛艇上的氣態(tài)化合物毒性作用研究主要集中在四個(gè)方面：中樞神經(jīng)系統(tǒng)毒性作用；呼吸系統(tǒng)毒性作用；眼、鼻、咽喉和呼吸道的刺激性作用；對(duì)人體的致癌作用。明確有致癌作用的化合物如苯和甲醛，對(duì)人體有刺激作用的化合物如氨和硫化氫，對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)有毒性作用的氟利昂類化合物等[11]。造血系統(tǒng)中毒是慢性苯中毒的特征之一，早期以白細(xì)胞計(jì)數(shù)持續(xù)降低為主要表現(xiàn)，常有中性粒細(xì)胞絕對(duì)數(shù)減少，但百分比仍在50%以上。苯對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的慢性效應(yīng)最常見(jiàn)的是神經(jīng)衰弱癥候群，主要表現(xiàn)為頭暈、頭痛、乏力、失眠或多夢(mèng)、性格改變和記憶力減退等，極少數(shù)有四肢末端痛覺(jué)減退和麻木等，一般無(wú)運(yùn)動(dòng)功能障礙。氨對(duì)人體的毒性與環(huán)境中的氨濃度和暴露時(shí)間有關(guān)，低濃度氨對(duì)黏膜、皮膚有刺激作用，引起結(jié)膜、上呼吸道黏膜充血、水腫和分泌物增加。甲醛屬中等毒性物質(zhì)，對(duì)眼與呼吸道產(chǎn)生明顯的刺激作用。甲醛能凝固蛋白質(zhì)，甲醛暴露后，即產(chǎn)生對(duì)皮膚和黏膜強(qiáng)烈的刺激作用。吸入高濃度甲醛蒸氣，對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)有毒性作用，并刺激肺部，引起中毒性肺水腫。硫化氫屬劇毒類化合物，是一種細(xì)胞內(nèi)毒素，由血液進(jìn)入機(jī)體細(xì)胞后，硫化氫分子與細(xì)胞色素氧化酶緊密結(jié)合，并因此阻斷細(xì)胞內(nèi)呼吸，使中樞神經(jīng)細(xì)胞及其敏感的呼吸中樞細(xì)胞受損，并出現(xiàn)顯著障礙（如呼吸頻率增加），接著會(huì)導(dǎo)致呼吸中樞細(xì)胞損害和麻痹，呼吸功能減弱而使全身缺氧。硫化氫中毒癥狀本質(zhì)上與缺氧時(shí)出現(xiàn)的癥狀一致，發(fā)紺、痙攣、死亡都是因硫化氫引起的缺氧所致。氟利昂-1301、氟利昂-22、氟利昂-11、氟利昂-12等鹵代烴屬低毒類化合物，主要作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)及心血管系統(tǒng)。

急性中毒主要是黏膜刺激、中樞神經(jīng)抑制、心律失常和呼吸系統(tǒng)損害。密閉環(huán)境里有些污染物之間還具有協(xié)同效應(yīng)，多種低濃度污染物的聯(lián)合毒害作用和單一高濃度污染物毒性效應(yīng)不一樣，目前研究較少。有些有害氣體有時(shí)還會(huì)發(fā)生變化，如碳氟氯化物自身毒性不大，但經(jīng)催化氧化后，分解成具有刺激性和腐蝕性的氟化氫、氯化氫，危害更大。

2 潛艇大氣控制技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 潛艇大氣控制系統(tǒng)

潛艇環(huán)境封閉、人員密度大、水下航行通風(fēng)不良，如不對(duì)環(huán)境進(jìn)行控制，艙內(nèi)二氧化碳濃度每小時(shí)可升高0.3%（體積分?jǐn)?shù)），氧濃度每小時(shí)可降低約0.4%。作為保持潛艇戰(zhàn)斗力的大氣環(huán)境控制系統(tǒng)，受到各國(guó)海軍的重視，技術(shù)手段層出不窮，為滿足潛艇大氣環(huán)境需求，提供了更多選擇[12]。潛艇艙室空氣控制主要通過(guò)潛艇綜合空調(diào)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行控制，這些系統(tǒng)包括空氣再生與凈化、氣體監(jiān)測(cè)分析、空氣調(diào)節(jié)通風(fēng)等分系統(tǒng)。由通風(fēng)分系統(tǒng)的通風(fēng)機(jī)，將艙室內(nèi)高熱或低溫的污染空氣，通過(guò)管路中的靜電濾塵器、有害氣體燃燒器、微粒過(guò)濾器、活性炭吸附器等凈化設(shè)施處理后，又經(jīng)過(guò)中央空氣調(diào)節(jié)裝置對(duì)空氣進(jìn)行冷卻去濕或加熱升溫，再經(jīng)通風(fēng)管路，將溫濕度適宜、再生凈化的空氣送至艙室，以改善艇員生活與工作的空氣環(huán)境以及儀器、設(shè)備的運(yùn)行條件。其中核潛艇系統(tǒng)中串入了水電解制氧裝置、再生式二氧化碳吸收裝置[13]。

常規(guī)潛艇依靠單個(gè)設(shè)備來(lái)消除二氧化碳產(chǎn)生氧氣。潛艇采用多種空氣過(guò)濾器、靜電除塵器、有害氣體燃燒裝置等，以凈化空氣。氣體監(jiān)測(cè)分析分系統(tǒng)由分布在各艙室的氣體分析儀器構(gòu)成，對(duì)空氣中的主要組成（如氧氣、氫氣、二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物、乙醇胺、氟利昂、總烴、水蒸氣等）隨時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析、顯示與報(bào)警[14]。核動(dòng)力潛艇還設(shè)有核輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)放射性污染物質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析。聯(lián)成一體的空氣調(diào)節(jié)、通風(fēng)分系統(tǒng)，通常主要包括制冷裝置、加熱設(shè)備、空氣調(diào)節(jié)裝置、通風(fēng)機(jī)、管路和閥件等，對(duì)潛艇艙室內(nèi)空氣溫度、濕度，實(shí)施調(diào)節(jié)、通風(fēng)，以創(chuàng)造符合衛(wèi)生要求的溫濕度環(huán)境。

2.2 供氧系統(tǒng)

常規(guī)潛艇主要采用氧燭來(lái)進(jìn)行供氧。氧燭的成分為過(guò)（超）氧化鉀和過(guò)（超）氧化鈉，供氧原理是利用其強(qiáng)氧化特性，在熱分解時(shí)釋放氧氣，或與水蒸氣、CO2等反應(yīng)生成氧氣。這種方式供氧存在著藥劑吸濕膨脹后效率降低，以及產(chǎn)生粉塵造成二次污染等問(wèn)題。俄羅斯等國(guó)常規(guī)潛艇以其作為主要供氧設(shè)備，核潛艇則以其作為備用的空氣再生裝置[15]。

液氧罐供氧廣泛應(yīng)用于常規(guī)潛艇，從液氧罐中出來(lái)的液氧經(jīng)過(guò)汽化后，減壓、混合，然后送入各艙室，供艇員呼吸。液氧罐供氧和超氧化物供氧方式屬于一次性供氧，受到攜帶量的限制，在使用時(shí)難以滿足潛艇長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)潛航的需求[16]。

國(guó)外海軍供潛艇艇員的氧氣大多是采用電離產(chǎn)氧裝置（Electrolytic Oxygen Generator，EOG）電解海水獲取的。美英等國(guó)潛艇一般都裝備有電解水產(chǎn)氧裝置，該裝置利用潛艇儲(chǔ)存的電能進(jìn)行電解水，在潛艇水下航行期間，可持續(xù)向潛艇供應(yīng)充足的氧氣。這種方式是當(dāng)前核潛艇常用的供氧方式，但由于會(huì)產(chǎn)生氫氣，有一定危險(xiǎn)性。盡管存在著腐蝕性堿液存放難、設(shè)備體積大、工作效率低等問(wèn)題，但它能夠滿足水下長(zhǎng)期供氧的需求。為提高產(chǎn)氧的安全性和可靠性，國(guó)外海軍研制了新一代產(chǎn)氧機(jī)，該裝置應(yīng)用固體聚合物電解質(zhì)電解水技術(shù)（SPE）來(lái)生產(chǎn)呼吸用氧。其優(yōu)點(diǎn)在于：由微處理器控制，產(chǎn)氧工作效率高；不使用腐蝕性電解質(zhì)，可在低壓下運(yùn)行，安全可靠；產(chǎn)氧量大，且降低了易燃H2氣體的含量[17]。通過(guò)3種供氧方式的比較，SPE水電解技術(shù)克服了堿性電解液的腐蝕問(wèn)題，是潛艇水下長(zhǎng)期供氧技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，但由于能耗較高，目前還無(wú)法在常規(guī)潛艇實(shí)施。

2.3 二氧化碳清除裝置

乙醇胺 CO2清除裝置是一種再生式 CO2清除裝置，含高濃度 CO2的空氣流經(jīng)裝有一乙醇胺的交換塔，一次處理即可清除空氣中 70%~90%的 CO2。一乙醇胺加熱后，釋放出CO2，可循環(huán)使用，基本滿足了潛艇CO2清除的要求。但其裝置體積大，能耗高，且存在著一乙醇胺泄漏造成二次污染等固有缺點(diǎn)。

氫氧化鋰吸收裝置是一種非再生式 CO2清除裝置，其吸收效率優(yōu)于堿石灰和超氧化物。當(dāng)氣流通過(guò)氫氧化鋰過(guò)濾罐時(shí)，CO2便被清除。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，該裝置在常壓下可使大氣中的CO2濃度控制在2%以下，即使不使用風(fēng)扇，也可正常工作。

德國(guó)海軍潛艇使用的是一種既可吸附CO2，又可解析CO2的“再生式污染控制裝置”（RSBG），其吸附和解析過(guò)程可根據(jù)大氣中的CO2濃度進(jìn)行自動(dòng)控制，裝置通過(guò)溫度和壓力的轉(zhuǎn)換過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)再生，可將CO2濃度安全地控制在 0.5%以內(nèi)，連續(xù)工作而不必更換吸收罐[18]。通過(guò)溫度和壓力轉(zhuǎn)換的 CO2脫除技術(shù)因?yàn)椴挥酶鼡Q濾料，代表了未來(lái)的發(fā)展方向，但存在體積龐大、后期運(yùn)行效率下降的問(wèn)題，需要進(jìn)一步小型化和改良研究。

2.4 空氣凈化裝置

針對(duì)艙室有害氣體的凈化，核潛艇采用以有害氣體燃燒裝置為主、空氣濾器為輔的方法；常規(guī)潛艇受到能量和空間的限制，對(duì)于除 CO、CO2、H2外的有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物，利用綜合濾器和凈化裝置集中清除。美國(guó)在二戰(zhàn)前就正式用氫進(jìn)行催化凈化，后研制出用霍加拉特作催化燃燒劑的 CO-H2燃燒裝置。此外，還正在探討采用碳酸鋰洗滌器清除 HCI、HF等酸性氣體。英國(guó)除在霍加拉特劑上加了氫氧化鋰吸收鹵代烴分解產(chǎn)生的酸性氣體外，還采用溫度交變分子篩吸附裝置。

催化氧化燃燒法采用燃燒來(lái)清除潛艇艙室大氣中的CO、氫、烴類和其他污染物，其燃燒產(chǎn)物為CO2和水。吸附法主要依靠活性炭或者浸漬改性的活性炭作為吸附載體清除潛艇大氣中的有機(jī)化合物，常用于消除住艙、蓄電池艙、浴室、廁所、冷藏庫(kù)等處的異味。根據(jù)艙室部位的不同，活性炭的粒徑和尺寸都不一樣[19]。

目前沒(méi)有可以現(xiàn)場(chǎng)判斷空氣濾器是否失效的裝置和技術(shù)，且活性炭床吸附飽和后容易著火。有害氣體燃燒裝置溫度達(dá)315 ℃，且鹵代化合物不能燃燒，分解產(chǎn)生毒性和腐蝕性極強(qiáng)的氣體。因此，凈化有害氣體的最佳方法是把催化燃燒和吸附、吸收相結(jié)合，加強(qiáng)針對(duì)性，研究低溫催化燃燒劑和高性能的吸附、吸收劑是未來(lái)方向，解決空氣濾器失效和著火問(wèn)題是當(dāng)務(wù)之急。

2.5 通風(fēng)系統(tǒng)

潛艇通風(fēng)系統(tǒng)主要是在潛艇上浮下潛時(shí)進(jìn)行艇內(nèi)外空氣交換和艇內(nèi)空氣攪拌的系統(tǒng)。通風(fēng)系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)，可迅速降低艙室空氣污染物濃度，也可以調(diào)節(jié)空氣溫濕度?；馂?zāi)等緊急狀態(tài)下，通風(fēng)系統(tǒng)是處置空氣質(zhì)量的有效措施之一。通風(fēng)系統(tǒng)并不是單一的換氣和交換，它和空氣再生、空氣凈化等系統(tǒng)串聯(lián)。內(nèi)循環(huán)通風(fēng)和艇內(nèi)外空氣交換通風(fēng)是潛艇通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行的兩種方式[20]。艇內(nèi)循環(huán)通風(fēng)是艇下潛時(shí)的一種通風(fēng)方式，在水下?tīng)顟B(tài)時(shí)采用。該通風(fēng)參數(shù)較小，將各艙室的空氣攪拌起來(lái)混合均勻，確保每個(gè)艙室的空氣組分和參數(shù)大體保持一致。在特殊狀態(tài)下，如通過(guò)敏感區(qū)域，可能關(guān)閉該系統(tǒng)。艇在水上航行時(shí)，采用艇內(nèi)外空氣交換通風(fēng)模式。該模式通風(fēng)量較大，每個(gè)部位和艙室的風(fēng)壓也不一樣，主要是通過(guò)一根通氣管和外面大氣連接，將艇外部新鮮的空氣抽入艙室內(nèi)，并通過(guò)排氣管將艇內(nèi)污濁的空氣排到海面，以達(dá)到空氣凈化的目的。通風(fēng)系統(tǒng)要考慮全艇的氣流組織形式，需要對(duì)艙室不同部位的通風(fēng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分配，直接關(guān)系到全艇能耗和大氣環(huán)境控制效能，是潛艇環(huán)控生保技術(shù)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

2.6 應(yīng)急供氧

艇上的應(yīng)急供氧包括應(yīng)急空氣呼吸系統(tǒng)、化學(xué)生氧呼吸器、斯科特呼吸包和氧燭產(chǎn)氧爐。固定式壓縮空氣呼吸系統(tǒng)主要供潛艇發(fā)生火災(zāi)時(shí)或者當(dāng)艇內(nèi)檢測(cè)出有毒性物質(zhì)時(shí)使用[21]，由潛艇攜帶壓縮氧氣瓶氣源供氣，可滿足艇員較長(zhǎng)時(shí)間使用。美軍潛艇配有這些固定式壓縮空氣呼吸系統(tǒng)，氣源是醫(yī)用氧氣和壓縮空氣，必要時(shí)進(jìn)行切換使用。該應(yīng)急系統(tǒng)配有應(yīng)急呼吸面罩，在潛艇的前半部，呼吸器接頭較多，后半部較少，艇員將全面罩呼吸器直接接到艇上高壓空氣呼吸氣源即可供其呼吸。

化學(xué)生氧呼吸器是一種自攜式氧呼吸器，在緊急情況時(shí)單人使用。目前日本消防研究所、美國(guó)礦業(yè)安全器械公司（MSA），歐洲的 Fenzy公司、德國(guó)的Drager公司和俄羅斯也相繼開(kāi)發(fā)出了各自的氧氣呼吸器。美軍裝備了OCENCO-M20.2個(gè)人逃生應(yīng)急呼吸器，號(hào)稱是全世界最小的應(yīng)急呼吸器，3 s內(nèi)即可快速穿戴。該呼吸器采用小型壓縮氧氣瓶以及特氟龍全透明頭套設(shè)計(jì)，大大減輕了質(zhì)量和縮短了穿戴時(shí)間，而且可以讓使用者清晰看到周圍環(huán)境。我軍也采用超氧化鉀生氧的隔絕式化學(xué)生氧器，其原理是通過(guò)分解過(guò)氧化鉀供氧，由佩戴者呼出的水蒸氣啟動(dòng)反應(yīng)，可供艇員吸氧，同時(shí)清除呼出的二氧化碳。

斯科特呼吸包是國(guó)外海軍常見(jiàn)的滅火和消防用的自攜再充氣式呼吸裝置，其實(shí)質(zhì)與斯科巴水中呼吸器類似，只是設(shè)計(jì)成在空氣中運(yùn)行?？捎闷涮娲瘜W(xué)生氧呼吸器，整個(gè)隔絕式呼吸器的外表都要進(jìn)行隔熱防火技術(shù)處理，保證佩戴者靠近火源時(shí)呼吸器能夠耐受高溫。

氧燭產(chǎn)氧爐也叫燃燒氯酸鹽氧燭，是一種較新穎的艇內(nèi)補(bǔ)氧法，其產(chǎn)氧過(guò)程是氯酸鹽的熱分解。

2.7 潛艇大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

潛艇艙室中的大氣組分監(jiān)測(cè)一直是大氣環(huán)境控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。有些關(guān)鍵組分（如生命支持氣體中的氧氣、二氧化碳）必須進(jìn)行不間斷監(jiān)測(cè)，同時(shí)需要分析艙室威脅人員生命的關(guān)鍵有害氣體的變化趨勢(shì)，能夠讓指揮員及時(shí)采取有效的預(yù)防和處置措施，保障艇員的生命安全。

目前，各國(guó)海軍大力發(fā)展?jié)撏ПO(jiān)測(cè)技術(shù)和設(shè)備。潛艇上采用的監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境的技術(shù)和裝備主要有CO和CO2紅外分光光度法、氫熱導(dǎo)率法、總烴光離子化測(cè)定法、O2順磁檢測(cè)法、質(zhì)譜檢測(cè)法、光纖傳感器矩陣法、化學(xué)物質(zhì)顯色劑芯片檢測(cè)系統(tǒng)、電化學(xué)和固態(tài)電解質(zhì)化學(xué)傳感技術(shù)等[22]。紅外分光光度法運(yùn)用比較廣泛，也比較成熟，比電化學(xué)方法抗干擾能力強(qiáng)，已經(jīng)在潛艇上大量運(yùn)用，可以用來(lái)監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境中的CO、CO2含量。其主要原理是：在紅外線區(qū)域，氣體分子以特定的頻率振動(dòng)，只要測(cè)量在該頻率范圍內(nèi)CO、CO2的紅外吸收效應(yīng)，便可得知這些氣體的濃度。氫熱導(dǎo)率法主要用來(lái)檢測(cè)氫氣，主要原理是：氫氣分子量小，具有很高的熱導(dǎo)率和熱傳導(dǎo)能力，只要測(cè)量出潛艇大氣中熱導(dǎo)率的變化，就可以推算出氫氣的含量。光離子化測(cè)定法的原理是：采用高能光子束照射轟擊艙室氣體，帶有碳?xì)滏I的化合物很容易被打碎，并丟失電子，產(chǎn)生一定強(qiáng)度的離子流。該離子流強(qiáng)度和碳?xì)浠衔锏目偭砍烧?，因而可以?jì)算出化合物總量，即為總烴的含量，但這個(gè)技術(shù)對(duì)氧氣、氮?dú)夂蜌錃獠话l(fā)生電離作用。順磁檢常用來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境中微量 O2，原理是 O2雜化后，電子能量的改變使 O2有孤對(duì)電子，導(dǎo)致了它具有順磁性，O2被吸入磁場(chǎng)后，改變磁力，場(chǎng)內(nèi)傳感元件的力矩便發(fā)生變化，根據(jù)傳感元件的運(yùn)動(dòng)變化，可檢測(cè)出此類物質(zhì)在空氣中的含量。

質(zhì)譜檢測(cè)法在潛艇上廣泛運(yùn)用，國(guó)內(nèi)外海軍潛艇基本都裝備有質(zhì)譜分析儀。運(yùn)用該技術(shù)可以檢測(cè)和涵蓋大部分常見(jiàn)氣體，如氫氣、氧氣、二氧化碳、脂肪烴、鹵代烴、芳香烴及含氧物。多元光纖傳感器也是潛艇大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，美海軍正在探索激光和多元光纖傳感技術(shù)。激光技術(shù)可以避免諧振腔的干涉效應(yīng)，使光程延長(zhǎng)至數(shù)千米，能夠?qū)哿繗怏w進(jìn)行精確檢測(cè)[23]。德國(guó)海軍引入了多種氣體檢測(cè)儀，將電化學(xué)傳感器、紅外傳感器和監(jiān)測(cè)易燃?xì)怏w催化傳感器整合在一個(gè)系統(tǒng)中，每個(gè)模塊采用即插即用的方式，可監(jiān)測(cè)大氣中的有害氣體、易燃?xì)怏w及氧氣濃度?；瘜W(xué)顯色檢測(cè)技術(shù)比較有代表性的是德?tīng)柛裥酒瑱z測(cè)系統(tǒng)，是一種傳統(tǒng)的化學(xué)傳感技術(shù)，指示劑和相應(yīng)的目標(biāo)氣體發(fā)生反應(yīng)后，導(dǎo)致其顏色發(fā)生變化，可用于檢測(cè)丙酮、氨、CO、CO2、Cl、HCl、NO2、SO2、O3等多種化合物。我軍也發(fā)展了芯片式鑒定管測(cè)量艙室中的微量污染氣體，將顯色劑復(fù)合在一張芯片上，依靠傳感和電子技術(shù)將顏色變化讀取出來(lái)[24-25]。潛艇大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的發(fā)展方向是智能化監(jiān)測(cè)、分析和處理，減少艇員工作量，提高系統(tǒng)處置的時(shí)效性和可靠性。目前各類檢測(cè)新技術(shù)也在不斷探索和研發(fā)，主要目標(biāo)是小型化、快速化、集成化和自動(dòng)化。

3 潛艇大氣凈化新技術(shù)動(dòng)態(tài)

世界各國(guó)都非常重視潛艇大氣污染物的凈化技術(shù)研究。目前，潛艇大氣環(huán)境凈化的常規(guī)技術(shù)主要有液體吸收、固體吸附、催化分解等[26]。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了一系列的新技術(shù)新方法，尋求技術(shù)更可靠、環(huán)境友好、使用方便的綜合凈化治理技術(shù)，是各國(guó)科研人員努力研究的方向。

3.1 低溫冷凍技術(shù)

低溫冷凍技術(shù)是一項(xiàng)前景比較好的凈化技術(shù)。該技術(shù)的原理是根據(jù)不同氣體的液化溫度不同，通過(guò)低溫液化冷凝成液體或固體并收集的方式來(lái)捕集痕量揮發(fā)性有害氣體，而 O2、N2等液化溫度較低，不受捕集影響[27]。氣體通過(guò)一個(gè)深冷裝置，部分液化溫度高的氣體變成液體或固體被截留下來(lái)，送入一個(gè)存儲(chǔ)裝置。該技術(shù)的能耗較大，后面氣體液化，會(huì)產(chǎn)生一定的冷凝液。該技術(shù)的最大特點(diǎn)在于具有能夠凈化的有害氣體種類多，而系統(tǒng)本身不產(chǎn)生有害氣體，還具有輔助艙室降溫的優(yōu)點(diǎn)[10]。由于該技術(shù)需要足夠的低溫，只適用于 AIP潛艇和核潛艇艙室的空氣凈化。AIP潛艇本身攜帶液氧，液氧在釋放過(guò)程中具備低溫環(huán)境，無(wú)需再消耗能源。核潛艇由于本身能夠提供足夠動(dòng)力，能源不缺乏，可以通過(guò)制冷機(jī)提供有害氣體冷凝所需的能量，所以低溫冷凍技術(shù)在核潛艇上具有較強(qiáng)運(yùn)用價(jià)值。

3.2 光催化凈化技術(shù)

光催化材料，尤其是二氧化鈦光催化材料近些年已成為各類污染防治、病菌殺滅抑制的熱門研究對(duì)象。因其具有清潔無(wú)污染、無(wú)消耗、有效期長(zhǎng)、無(wú)二次污染、效果徹底、安全無(wú)毒、無(wú)刺激等優(yōu)異特點(diǎn)，而成為一個(gè)活躍的研究方向，這項(xiàng)技術(shù)可用于辦公建筑、工廠、居室、轎車和空間站的空氣凈化。許多種氣相有機(jī)物可通過(guò)光催化氧化過(guò)程快速分解，如脂肪烴、醇、醛、酮、鹵代烴、芳烴、硫醇及雜原子有機(jī)物等。根據(jù)美國(guó)環(huán)保局的數(shù)據(jù)，共有九大類一百多種有機(jī)物被證實(shí)可通過(guò)光催化氧化處理。目前光催化的研發(fā)和應(yīng)用多以納米二氧化鈦活性材料為基礎(chǔ)，采用納米溶膠合成技術(shù)，結(jié)合表面負(fù)載吸附技術(shù)、多相分散技術(shù)、金屬與非金屬離子摻雜技術(shù)、表面修飾技術(shù)等諸多手段，研發(fā)具有一定光敏性、自清潔、耐酸堿的光催化劑涂料或制劑[28]。很多產(chǎn)品可以附著于各類軟硬材料的表面，具有長(zhǎng)效的抗菌、凈化空氣、釋放負(fù)氧離子等功能。但光催化劑的誘導(dǎo)反應(yīng)過(guò)分依賴于紫外光，在潛艇艙室的密閉環(huán)境中，紫外光照射對(duì)人體的危害較大，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生附加產(chǎn)物臭氧。臭氧氧化性極強(qiáng)，在潛艇上的容許濃度有嚴(yán)格限制，因而限制了它在潛艇艙室空氣凈化領(lǐng)域的應(yīng)用。

3.3 等離子體催化凈化技術(shù)

等離子體是由部分電子被剝奪后的原子及原子團(tuán)被電離后產(chǎn)生的正負(fù)離子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，尺度大于德拜長(zhǎng)度的宏觀電中性電離氣體，其運(yùn)動(dòng)主要受電磁力支配，并表現(xiàn)出顯著的集體行為。等離子體是不同于固體、液體和氣體的物質(zhì)第四態(tài)。電子離開(kāi)原子核，這個(gè)過(guò)程叫作電離，這時(shí)物質(zhì)就變成了由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成的一團(tuán)均勻的離子漿，這些離子漿中，正負(fù)電荷總量相等，因此它是近似電中性的，所以就叫等離子體[29]?？諝庠诘入x子體的作用下，產(chǎn)生大量定向運(yùn)動(dòng)的高能離子、電子和自由基，其中羥基自由基的氧化電位（2.8 eV）比臭氧的氧化電位（2.07 eV）高出 35%，因此羥基自由基與有機(jī)物的反應(yīng)速度比臭氧高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，而且羥基自由基與氧化污染物的反應(yīng)無(wú)選擇性，可引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

等離子體工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高能量、高濃度的離子群，在增強(qiáng)氧化、強(qiáng)化分子離解和產(chǎn)生自由基促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)等方面是非常有效的。近十多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的研究已經(jīng)證明，等離子體對(duì)空氣中低濃度揮發(fā)性有機(jī)物的去除效果要優(yōu)于常規(guī)的吸附和催化燃燒方法。由于等離子體會(huì)產(chǎn)生紫外線，因此該方法凈化會(huì)產(chǎn)生一定濃度的臭氧。常規(guī)的等離子體氣體溫度高達(dá) 200~350 ℃，能耗相當(dāng)大，在常規(guī)潛艇上推廣運(yùn)用難度大。目前市面上出現(xiàn)了常壓、低溫、低臭氧釋放的等離子體技術(shù)，很多與催化劑復(fù)合，不但能夠凈化有害氣體，而且可以用于殺滅空氣中的微生物，大大降低了能耗，節(jié)省成本。

3.4 活性炭纖維吸附技術(shù)

活性炭纖維（Activated Carbon Fiber）是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的新型、高效、多功能吸附材料，是繼粉狀和粒狀活性炭之后的第三代產(chǎn)品。活性炭纖維是用天然纖維或人造有機(jī)化學(xué)纖維經(jīng)過(guò)碳化制成，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是孔基本呈分散狀態(tài)，且孔口直接開(kāi)在纖維表面，其吸附質(zhì)到達(dá)吸附位的擴(kuò)散路徑短，纖維直徑細(xì)，故而增大了與被吸附物質(zhì)的接觸面積[30]。

活性炭纖維具有較高的比表面積和豐富的微孔徑，比表面積一般為1000~3000 m2/g。活性炭?jī)?nèi)部有微孔、過(guò)渡孔和大孔之分，而活性炭纖維等結(jié)構(gòu)只有微孔和少量的過(guò)渡孔，沒(méi)有大孔。纖維微孔體積占總孔體積的90%以上，因此活性炭纖維具備了比粒狀和粉狀活性炭更好的選擇性、更大的吸附容量和更優(yōu)越的吸附動(dòng)力學(xué)性能?；钚蕴坷w維對(duì)揮發(fā)性有機(jī)氣體和惡臭物質(zhì)的吸附量是普通粒狀或粉狀活性炭的20~30倍，對(duì)低濃度氣體仍能保持較高的吸附能力?；钚蕴坷w維制品的濾阻小，不易粉化，可根據(jù)需要支撐氈、布、紙等形態(tài)，有利于吸附裝置的小型化和吸附層薄層化。

4 結(jié)語(yǔ)

潛艇大氣環(huán)境質(zhì)量已經(jīng)越來(lái)越受到各國(guó)海軍的重視，大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制裝備的發(fā)展已由單裝備向通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化裝備發(fā)展。美國(guó)海軍在潛艇大氣控制技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)上采取了一條比較合理的途徑，加大基礎(chǔ)研究和重視技術(shù)儲(chǔ)備，注重引用或移植其他領(lǐng)域（如航天、工業(yè)）的先進(jìn)研究成果。同時(shí)我國(guó)在潛艇大氣環(huán)境領(lǐng)域的研究發(fā)展與國(guó)外先進(jìn)水平還存在較大差距，在及時(shí)跟蹤引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，也應(yīng)注重該領(lǐng)域的基礎(chǔ)性研究，不斷提升我國(guó)潛艇艙室空氣質(zhì)量水平，使其更好適應(yīng)未來(lái)潛艇技術(shù)發(fā)展和使命任務(wù)的變化。