顾靖华，陈锐勇，柳初萌，许骥

快速上浮脱险是国际通用的水下逃生方法。20世纪50年代初英国开创了快速上浮脱险技术后，最终进行了海上183 m快速上浮脱险试验验证[1]。随后，快速上浮脱险技术以其调压快、高压暴露时间短、上浮速度快、脱险深度大和操作简单的特点，被世界各国采用[2-3]。快速上浮脱险技术的关键是快速加压和减压，使高气压暴露时间尽可能限制在不减压潜水范围内[4-5]。单人脱险舱、脱险抗浸服及其充气系统是实现该技术的核心装备。脱险抗浸服头罩的充盈不仅能保证快速加压过程不窒息，也可提供其上浮过程中自由呼吸的空间和上浮的浮力。因此，充气系统的性能需适应快速上浮脱险快速加压过程，头罩充盈是关键因素，其性能的技术核心问题是供气流量的控制。供气流量过大会导致脱险抗浸服破裂[6-7]，过小会导致脱险抗浸服头罩不充盈，脱险人员窒息。英国从MK7脱险抗浸服直至发展到现在的MK10、MK11脱险抗浸服，其基本供气原理和结构不断完善和对其原理结构以及供气需求的把握，是实现快速上浮脱险技术的关键。本研究基于潜水医学不减压潜水原理，依据快速上浮脱险加压程序和脱险抗浸服的基本结构和供气原理，推导了快速上浮脱险充气系统供气流量的数学计算模型，为快速上浮脱险装备的建设和技术训练提供依据。

1 理论计算依据

1.1 快速上浮脱险的生理学基础 快速上浮脱险是基于不减压潜水原理，需要最大限度压缩高压下的暴露时间。经大量实验研究，指数倍增的加压速率得到国际公认，表示为：

(1)

式中Pt——加压过程中瞬时绝对压[ATA(1 ATA=0.1 MPa)]；

P0——初始压力，为1 ATA；

t——加压时间(s)；

T——加压时间常数(s)。

依据不减压潜水原理，脱险深度增加，高压下的停留时间递减。单人脱险舱压力增加速率按照不同的脱险深度，采用不同的加压时间常数(T)。不同脱险深度T的上限值[8]见表1。

表1 不同脱险深度加压时间常数上限

1.2 脱险抗浸服的供气原理 实施快速上浮脱险时，脱险人员着脱险抗浸服进入单人脱险舱，单人脱险舱内的充气系统为脱险抗浸服气囊充气，当气囊内压力达到一定值时，安装于气囊上的排气安全阀打开，气体进入脱险抗浸服头罩，供脱险人员呼吸，其基本原理见图1。

图1 脱险抗浸服供气原理图

1.3 充气系统供气流量计算模型 加压过程中脱险抗浸服头罩需要为脱险人员提供正常呼吸的空间，因此不能塌陷。头罩内的气体压力取决于气囊为头罩的供气能力，而气囊的供气能力取决于充气系统的供气流量。如图1两个虚线箭头所示，脱险抗浸服头罩内压力必须保持与舱压同步增加[9-10]。因此，充气系统的供气流量与单人脱险舱的加压速率及脱险抗浸服头罩和气囊的容积相关。

根据式(1)，单位时间内单人脱险舱内的瞬时压力变化可用(2)式表示：

(2)

式中P′——单位时间内单人脱险舱内压力变化(ATA/s)。

快速加压期间，头罩内气体瞬时压力变化要求与单人脱险舱内瞬时压力变化相同，也为P′。初始状态(开始加压时)，脱险抗浸服气囊和头罩处于无压力状态，为便于计算，设定气囊和头罩内气体容积为0，且快速加压期间头罩底部开口不排气；气囊上排气安全阀开启压力和关闭压力的相对值较小，计算时，不考虑其对气囊压力变化的影响，则充气系统的供气流量为：

(3)

式中Q——充气系统供气流量 (L/s)；

V——脱险抗浸服气囊和头罩有效容积之和(L)。

将式(1)代入式(3)，得

(4)

1.4 充气系统供气流量计算结果 以英国MK10脱险抗浸服为例，其气囊的容积为12 L，头罩容积为26 L，脱险人员着装佩戴头罩后，其净容积约为20.66 L，头罩和气囊的有效容积V=12+20.66=32.66 L。

将V=32.66代入式(4)，得：

(5)

快速加压期间，为保证脱险人员正常呼吸，头罩内水位的最高值不应超过气囊上排气安全阀下沿，此时头罩的剩余有效容积为14.66 L，则头罩和气囊的有效容积V=12+14.66=26.66 L，将V=26.66 L代入公式(4)，可得出在设定脱险深度，设定加压速率加压时的最小供气流量，见式(6)。

(6)

由此得出脱险深度Pt和加压时间常数T确定时，充气系统的供气流量范围为：

(7)

当脱险深度确定时，充气系统的最低供气流量为加压速率最慢，即T最大时；最大供气流量为加压速率最大，即T最小时。依据动物实验和人体实验的经验总结，采用最大加压速率为4 s增加1倍压力的方式，即T值最小取4 s，将该值代入式(5)，计算得出充气系统的最大供气流量；根据表1，分别将脱险深度Pt和对应的最大允许T值代入式(6)，计算得出充气系统的最低供气流量，见图2。典型深度充气系统供气流量下限与加压时间常数T的关系见图3。当T=4 s时，充气系统的供气流量范围见图4阴影部分。

图2 不同深度充气系统最大供气流量和最低供气流量

图3 典型深度充气系统供气流量下限随加压速率常数T变化曲线

图4 T=4 s时充气系统供气流量(Q)范围

2 讨论

快速上浮脱险是一项逃生技术，技术实现过程稍有差池，都将导致脱险失败或危及人员健康[11]。关键技术参数具体表现在加压速率、高压停留时间和减压速率[12-13]。为尽可能减少逃生条件下的高度应激导致的人因失误，技术实现主要依赖于脱险装备的性能。高压停留时间取决于单人脱险舱上盖开启装置的开启时间；减压过程取决于脱险抗浸服的浮力；加压过程作为快速上浮脱险的关键过程，以T为时间常数倍增的快速加压对人体耐受能力是极大的考验，同时还需要保持脱险抗浸服的完好状态，以提供上浮过程的浮力和脱险人员呼吸的空间和气体[14-15]，因此，充气系统的供气流量控制直接影响脱险能否成功。

如图1所示，单人脱险舱内的气体存在两部分加压，一是单人脱险舱以压力倍增的方式加压，由单人脱险舱加压系统控制；另一部分是脱险抗浸服头罩内的气体加压，由充气系统控制。如加压过程中头罩内压力低于单人脱险舱内压力，头罩内水位将会上升，严重时会塌陷，导致窒息等后果；如头罩内压力高于单人脱险舱压力，过多的气体将会从头罩底部开口排入单人脱险舱，当大深度加压速率较快时，会导致单人脱险舱压力震荡。根据公式(4)，充气系统的流量与脱险抗浸服头罩和气囊的有效容积呈正相关，提示充气系统的供气流量需要与脱险服抗浸服头罩和气囊的容积相适应，不同的脱险抗浸服一旦存在头罩和气囊容积的差别，就需要对充气系统的供气流量进行相应的调整。对于MK10脱险抗浸服，根据计算结果(图4)，满足200 m深度的脱险，充气系统的供气流量应当在5 821～7 132 L/min范围内。超出这个范围，过低或过高就有可能引起头罩供气不足或单人脱险舱压力震荡。深度越小，这个范围越小，提示充气系统的供气流量控制精度在浅深度要求更高。然而，这并不意味着供气流量与深度无关，如图2所示，充气系统供气流量随着脱险深度增加而增加，即采用现有的快速上浮脱险方式，深度越大，充气系统需要提供更大的供气流量。提示研制更大深度的脱险装备时，需要更大的气源压力和流量。

充气系统的供气流量与加压速率T值呈负相关。如图3所示，150 m脱险，T值为4 s时，供气流量至少需要达到4 435 L/min，而采用7 s的T值，供气流量下限仅为2 534 L/min。根据GJB 7137《潜艇艇员快速上浮脱险医学保障规程》，浅深度采用更大的T值，可以降低快速加压过程压力变化带来的人体调节负荷，但根据不减压潜水原理，T值越小，减压负荷就越小。研究表明，4 s压力翻倍的加压速率逼近人体耐受的极限[15]，而4 s的T值适用于各个深度的脱险。因此，在设计充气系统时，需要以最小T值为设计输入，即以T等于4 s为设计输入。如150 m脱险，采用7 s的T值，最小的供气流量需求是2 534 L/min，但充气系统的供气能力至少要达到4 435 L/min。充气系统的供气流量与充气系统的输入压力密切相关，为适应不同脱险深度不同T值时的安全供气流量需求，在实施快速上浮脱险时，可根据脱险深度和选用的T值，调节充气系统的输入压力。另一方面，充气系统设计为可根据脱险抗浸服头罩内气体压力大小自动调整供气流量，防止供气流量过大或过小导致的风险。T值变化对充气系统的伺服系统反馈调节要求和减压负荷的关系值得进一步探讨。

虽然脱险抗浸服及充气系统相对独立，但需要整合进整个脱险装备系统，需要脱险装备系统的气源能力满足充气系统的供气流量要求。根据气体动力学，满足充气系统的供气流量不仅取决于气源压力，也取决于供气管路的通径。本研究对充气系统供气流量的数学推导，不仅为我国脱险抗浸服充气系统本身的设计提供了依据，也为其与整个脱险装备系统的衔接设计提供了输入参数，对提高我国快速上浮脱险装备的自主维护和训练安全具有较高的实际意义。