姜 磊，金鳳來(lái)，侯德永，劉 帥

(1.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無(wú)錫214082;2.海軍駐天津地區(qū)軍事代表室，天津300000)

0 引 言

近年來(lái)，隨著能源危機(jī)的愈演愈烈，世界各國(guó)爭(zhēng)相將探索能源的目光投向了深海領(lǐng)域。深海作為一塊人類開(kāi)發(fā)不多的領(lǐng)域，由于其中蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源，世界各國(guó)紛紛加大了對(duì)深海探測(cè)領(lǐng)域的投入，載人深潛器的研制應(yīng)運(yùn)而生［1-2］。載人潛水器(簡(jiǎn)稱HOV)可以攜帶海洋科學(xué)家進(jìn)入海洋深處，在海底現(xiàn)場(chǎng)直接觀察、分析和評(píng)估，還可操作機(jī)械手實(shí)現(xiàn)高效作業(yè)［3］。美國(guó)正在研制的“新埃爾文”號(hào)、日本的“深海6500”號(hào)和我國(guó)成功完成7000 米級(jí)海試的“蛟龍”號(hào)載人深潛器，均是這種類型的潛水器，也都是在這種大背景下展開(kāi)研發(fā)的。對(duì)于“蛟龍”號(hào)這種類型的載人潛水器而言，由于其乘員均處于載人艙內(nèi)，載人艙內(nèi)的大氣環(huán)境直接作用于乘員的身體，其運(yùn)行好壞直接關(guān)系到乘員的生命安全，因此必須對(duì)乘員的生存環(huán)境進(jìn)行研究分析并加以控制。本文將針對(duì)一些常見(jiàn)的環(huán)控方式進(jìn)行探討，分析它們運(yùn)用于“蛟龍”號(hào)的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 大氣環(huán)境控制技術(shù)的內(nèi)容及要求

大氣環(huán)境控制技術(shù)多見(jiàn)于潛艇、潛水器、載人航天器等運(yùn)載器的載人密閉艙室內(nèi)。由于這些運(yùn)載器的工作環(huán)境均處于水或真空等人類無(wú)法直接呼吸生存的場(chǎng)所，因此運(yùn)載器的乘員或駕駛員無(wú)法從外界獲得新鮮空氣，必須由運(yùn)載器提供一套自循環(huán)式呼吸生存環(huán)境。在這種情況下，大氣環(huán)境控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

大氣環(huán)境控制技術(shù)大致可以分空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)、呼吸供氧系統(tǒng)、二氧化碳清除系統(tǒng)、空氣凈化系統(tǒng)及大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等［4］。上述5 個(gè)方面中，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)主要針對(duì)環(huán)境的溫濕度進(jìn)行改善，以提高乘員的舒適度，人體舒適溫度一般在15℃～27℃之間，濕度一般在30% ～70%之間(50%最佳);供氧及二氧化碳清除系統(tǒng)直接針對(duì)乘員的生存，氧濃度過(guò)高或過(guò)低均會(huì)威脅乘員生命安全，而二氧化碳?xì)怏w濃度過(guò)高也會(huì)對(duì)乘員產(chǎn)生不良影響，因此各類運(yùn)載器對(duì)這2 種氣體濃度均有明確的指標(biāo)要求(見(jiàn)表1);大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)針對(duì)艙室內(nèi)的各種有毒有害氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)報(bào)警，由空氣凈化系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行清除。

必須指出的是，隨著運(yùn)載器的工作任務(wù)、工作時(shí)間、安裝設(shè)備及乘員人數(shù)等的不同，密閉艙內(nèi)的有毒有害氣體的種類及濃度均會(huì)不同。以潛艇為例，英國(guó)海軍用GC- MS 技術(shù)定性分析出有機(jī)污染物195 種，其中芳香族化合物42 種，脂肪烴77 種，含鹵化合物20 種，含氧化合物l8 種，其他元素化合物4 種［5-7］。針對(duì)種類繁多的氣體，每種氣體均加以檢測(cè)及清除是不現(xiàn)實(shí)的，因此，國(guó)際上較多采用的是根據(jù)運(yùn)載器的任務(wù)需求，除H2，CO，CO2等氣體必須清除的氣體外，對(duì)大量有機(jī)污染物和不確定氣體根據(jù)相應(yīng)的衛(wèi)生規(guī)范采取有選擇的檢測(cè)及集中清除。

表1 不同環(huán)境下對(duì)氧氣、二氧化碳的容許范圍［8-9］Tab.1 The permissible range of oxygen and carbon dioxide in different environment［8-9］

2 “蛟龍”號(hào)對(duì)環(huán)控技術(shù)的特殊要求及取舍

2.1 “蛟龍”號(hào)對(duì)環(huán)控技術(shù)的特殊要求

“蛟龍”號(hào)作為一種深海作業(yè)類深潛器，其性能和外形與一般的水下運(yùn)載器有很大的區(qū)別。首先，其載人艙的內(nèi)部空間較小，大約在4 ～5 m3;第二，其乘員為3 人，乘員人數(shù)較少;第三，由于其下潛深度最深達(dá)到7 000 m，所以其動(dòng)力無(wú)法由母船或其他岸基設(shè)備供電，只能采用蓄電池組作為動(dòng)力源;第四，“蛟龍”號(hào)水下正常作業(yè)時(shí)間較短，為不大于12 h。

載人深潛器的這些客觀條件對(duì)其大氣環(huán)境控制技術(shù)的應(yīng)用有很大的約束。首先，載人艙的體積小決定了其環(huán)控裝置的體積應(yīng)盡可能小;第二，由于采用蓄電池組供電，環(huán)控裝置的能耗應(yīng)盡可能小;第三，由于內(nèi)部空間小，其對(duì)各類有害氣體的容許濃度也較小，拿二氧化碳?xì)怏w濃度來(lái)說(shuō)，從表1 可以看出，載人深潛器載人艙內(nèi)的二氧化碳濃度指標(biāo)只有潛艇的一半，因此，載人深潛器的環(huán)控裝置的效率應(yīng)很高;第四，同樣由于內(nèi)部空間小，對(duì)有害氣體的容許濃度很小，因此，在對(duì)有害氣體的處理過(guò)程中，不允許出現(xiàn)另外的有毒有害物質(zhì);第五，同樣由于內(nèi)部空間小，供氧應(yīng)盡可能的平穩(wěn)、連續(xù)，艙室內(nèi)氧氣的濃度不能有大幅度的變化［8-9］。

2.2 “蛟龍”號(hào)對(duì)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的取舍

“蛟龍”號(hào)的載人艙內(nèi)徑只有2.1 m，其內(nèi)部除3 名乘員外，還安裝有大量執(zhí)行任務(wù)必備的儀器儀表。因此，其內(nèi)部空間非常緊張，而深海的工作環(huán)境及電池作為動(dòng)力源也進(jìn)一步限制了常規(guī)的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)在“蛟龍”號(hào)上的應(yīng)用。因此，設(shè)計(jì)過(guò)程中，“蛟龍”號(hào)在載人艙內(nèi)沒(méi)有設(shè)置空調(diào)降溫系統(tǒng)，取而代之為2 套小型空氣循環(huán)風(fēng)機(jī)，起到促進(jìn)載人艙內(nèi)空氣對(duì)流及改善乘員主觀感受的作用。圖1所示為“蛟龍”號(hào)的環(huán)境通風(fēng)風(fēng)機(jī)。另外，當(dāng)“蛟龍”號(hào)結(jié)束下潛任務(wù)，進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)或日常檢修時(shí)，在母船上為其設(shè)置了一套降溫空調(diào)，以避免陽(yáng)光直射或環(huán)境溫度高導(dǎo)致的載人艙內(nèi)溫濕度過(guò)高。

圖1 “蛟龍”號(hào)環(huán)境通風(fēng)風(fēng)機(jī)Fig.1 The ventilator in Jiaolong

事實(shí)上，“蛟龍”號(hào)在執(zhí)行下潛任務(wù)時(shí)，除去下潛前的甲板準(zhǔn)備和上浮至水面等待回收這兩段較短的時(shí)間以外，其載人艙均處于水下。而海水的溫度隨著下潛深度的增加逐漸降低，7 000 m 時(shí)海水溫度只有大約1℃左右，圖2和圖3 為7 000 m 海試中蛟龍?zhí)枬撝帘敬魏Ｔ囎畲笊疃? 062 m 時(shí)的深度和海水溫度曲線截圖(截圖橫坐標(biāo)為時(shí)間歷程，按計(jì)時(shí)方式hour:minute:second 順序排列，縱坐標(biāo)分別為深度和溫度，以米和攝氏度為單位)。

圖2 “蛟龍”號(hào)下潛深度曲線Fig.2 The diving-depth graph of Jiaolong

圖3 海水溫度曲線Fig.3 The temperature graph of seawater

從圖2 可以看出，本次下潛大約從7:50 開(kāi)始，大約在10:30 達(dá)到最深值。而隨著潛水器的入水，海水的溫度開(kāi)始顯著變化:從圖3 中可以清晰地看出，海水溫度隨深度的增加而急劇下降，其下降趨勢(shì)近乎為一條垂直的直線，從大約300 m 開(kāi)始，海水溫度的下降趨勢(shì)開(kāi)始放緩，在2 000 m 左右的深度，海水溫度達(dá)到最低點(diǎn)，之后一直維持在大約1℃左右。而上浮過(guò)程中海水溫度曲線近乎與下潛時(shí)對(duì)稱。

海水溫度的這一變化特性直接影響到載人艙內(nèi)的溫度和濕度。由于“蛟龍”號(hào)的載人艙采用鈦合金制作，載人艙外也沒(méi)有鋪設(shè)隔熱設(shè)備，因此，“蛟龍”號(hào)下潛過(guò)程中，隨著載人艙金屬外殼的熱傳導(dǎo)，載人艙內(nèi)的溫度也逐漸降低，最終將維持在一個(gè)較低的水平。圖4 為此潛次載人艙內(nèi)的溫度曲線截圖(截圖橫坐標(biāo)為時(shí)間歷程，按計(jì)時(shí)方式hour:minute:second 順序排列，縱坐標(biāo)分別為艙內(nèi)溫度，以米和攝氏度為單位)。

圖4 載人艙內(nèi)溫度曲線Fig.4 The temperature graph in the manned hull

從圖4 中曲線可以看出，在7:50 左右潛水器開(kāi)始下潛之前，隨著陽(yáng)光直射和載人艙艙口蓋的關(guān)閉，載人艙的溫度呈上升趨勢(shì)，而隨著潛水器入水，艙內(nèi)溫度開(kāi)始明顯遞減。隨著時(shí)間的流逝，當(dāng)熱量傳遞趨于平穩(wěn)后，溫度下降的趨勢(shì)開(kāi)始趨于平緩，17:57 左右，潛水器開(kāi)始上浮，此時(shí)艙內(nèi)溫度達(dá)到最低，約為13℃左右。之后，隨著潛器的上浮，載人艙的溫度開(kāi)始上升。

艙內(nèi)溫度的變化將直接導(dǎo)致載人艙內(nèi)濕度發(fā)生變化:艙內(nèi)溫度高時(shí)，環(huán)境相對(duì)濕度偏大，而艙內(nèi)溫度低時(shí)，相對(duì)濕度也會(huì)降低。圖5 為本潛次載人艙內(nèi)相對(duì)濕度的曲線截圖。從圖中曲線可以清楚看出:載人艙內(nèi)的最大相對(duì)濕度大約為92%，最低時(shí)只有40%，整個(gè)下潛期間，載人艙內(nèi)都維持在較低的相對(duì)濕度。

圖5 載人艙內(nèi)相對(duì)濕度曲線Fig.5 The relative humidity graph in the manned hull

低溫和低濕會(huì)帶來(lái)2 個(gè)問(wèn)題:潛航員會(huì)感到寒冷和空氣干燥易起火。對(duì)于這2 個(gè)問(wèn)題，“蛟龍”號(hào)采取了增設(shè)乘員保溫衣物和所有艙內(nèi)設(shè)備材料均使用阻燃材料來(lái)加以解決。

綜上所述，對(duì)于“蛟龍”號(hào)這類大潛深、作業(yè)時(shí)間短且能源、內(nèi)部空間有限的載人潛水器來(lái)說(shuō)，在載人艙內(nèi)安裝常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)比較困難，因此可以采取一些簡(jiǎn)化措施，但是必須做好相關(guān)的載人艙內(nèi)通風(fēng)、潛航員防寒和艙內(nèi)設(shè)備的阻燃工作。

2.3 “蛟龍”號(hào)對(duì)空氣凈化及大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的取舍

由于有害氣體的種類繁多，無(wú)法做到對(duì)每種氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)及凈化，而“蛟龍”號(hào)受自身?xiàng)l件所限，無(wú)法使用潛艇等水下潛器常用的燃燒法來(lái)去除有害氣體。因此，“蛟龍”號(hào)的空氣凈化措施及大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)做了一定程度的簡(jiǎn)化:執(zhí)行下潛任務(wù)時(shí)，使用Draeger accuro 手泵及配套的有害氣體檢測(cè)管選擇對(duì)部分有害氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，該型手泵在德國(guó)海軍潛艇上得到過(guò)廣泛應(yīng)用，曾在潛艇上進(jìn)行列裝，下潛任務(wù)結(jié)束后對(duì)載人艙進(jìn)行持續(xù)通風(fēng)來(lái)進(jìn)行空氣凈化。同時(shí)，對(duì)于艙室內(nèi)因濕度大而可能產(chǎn)生的微生物或有害菌，“蛟龍”號(hào)使用紫外線消毒燈進(jìn)行消毒。

另外，在“蛟龍”號(hào)的設(shè)計(jì)建造過(guò)程中，載人艙內(nèi)禁止使用產(chǎn)生揮發(fā)性氣體或有毒有害氣體的材料和設(shè)備，這一點(diǎn)對(duì)于艙內(nèi)空氣凈化起到了非常關(guān)鍵的作用。表2 為某潛次載人艙內(nèi)有害氣體種類檢測(cè)表?！膀札垺碧?hào)只選擇了9 種較為常見(jiàn)的有毒有害氣體進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于其余的有害氣體，由于其產(chǎn)生環(huán)境在“蛟龍”號(hào)上難以出現(xiàn)，予以忽略。從表中可以看出，對(duì)于選定的這幾種“蛟龍”號(hào)載人艙內(nèi)的有害氣體，其濃度完全能夠滿足相關(guān)衛(wèi)生規(guī)范的要求。

表2 某潛次載人艙內(nèi)有害氣體濃度檢測(cè)表Tab.2 The consistence of poison gas in the manned hull during a certain diving

2.4 “蛟龍”號(hào)對(duì)供氧系統(tǒng)的取舍

目前，比較常見(jiàn)的封閉空間供氧技術(shù)有超氧化物供氧(空氣再生藥板)、物理供氧、電解水供氧、氧燭等。這些供氧方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)，為了選擇一種適合于“蛟龍”號(hào)的供氧系統(tǒng)，從體積、耗能、產(chǎn)氧速度等方面對(duì)這些供氧技術(shù)進(jìn)行比較分析，詳見(jiàn)表3。

表3 幾種供氧技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)分析表［8］Tab.3 The contrast of some supplying methods of oxygen［8］

經(jīng)比較分析，根據(jù)“蛟龍”號(hào)自身的特點(diǎn)，最終選擇使用高壓氣態(tài)供氧技術(shù)作為供氧系統(tǒng)。設(shè)置3 套供氧裝置，分別作為正常開(kāi)放式供氧裝置，應(yīng)急開(kāi)放式供氧裝置和應(yīng)急閉式供氧裝置并加工樣機(jī)，供氧裝置如圖6所示。

2.5 “蛟龍”號(hào)對(duì)二氧化碳清除系統(tǒng)的取舍

比較常見(jiàn)的二氧化碳清除方式一乙醇胺堿(MEA)吸收、固態(tài)胺吸收、分子篩吸收、超氧化物吸收、堿石灰吸收、氫氧化鋰吸收等。這些清除方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)，為了選擇一種適合于“蛟龍”號(hào)的二氧化碳清除系統(tǒng)，從體積、耗能、吸收效果、對(duì)環(huán)境的要求等方面對(duì)這些清除方式進(jìn)行比較分析，詳見(jiàn)表4。

圖6 供氧裝置樣機(jī)Fig.6 The sample model for oxygen supply

表4 幾種二氧化碳清除方式優(yōu)缺點(diǎn)分析表［9］Tab.4 The contrast of some absorption methods of carbon dioxide［9］

經(jīng)比較分析，“蛟龍”號(hào)最終選擇使用化學(xué)吸收的方式進(jìn)行二氧化碳清除。使用氫氧化鋰作為吸收劑，另外設(shè)計(jì)了一套結(jié)構(gòu)形式為軸向流通形式的吸收裝置作為氫氧化鋰的反應(yīng)床。使用時(shí)，二氧化碳從吸收裝置底部進(jìn)入，經(jīng)吸收劑吸收后沿軸線方向從裝置頂部流出。圖7 為吸收裝置樣機(jī)的原理圖及照片。

圖7 吸收裝置原理圖及照片F(xiàn)ig.7 The sample model for absorption of carbon dioxide

3 大氣環(huán)境控制裝置的實(shí)際使用情況

大氣環(huán)境控制裝置樣機(jī)加工完成后，隨“蛟龍”號(hào)潛水器參加了1 000，3 000，5 000和7 000米級(jí)海試。4 次海試中，系統(tǒng)總運(yùn)行時(shí)間約為260 h，運(yùn)行期間，載人艙內(nèi)的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，完全滿足相關(guān)規(guī)范要求。同時(shí)，尤為重要的是，整個(gè)海試期間，大氣環(huán)境控制裝置運(yùn)行良好，未出現(xiàn)過(guò)一次故障。這進(jìn)一步證明了這套大氣環(huán)境控制技術(shù)的可靠性。

受篇幅所限，以系統(tǒng)單次運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的7 000 米級(jí)海試加以說(shuō)明。該次海試中，系統(tǒng)單次運(yùn)行時(shí)間每次均達(dá)到10 h 以上，最長(zhǎng)的一個(gè)潛次運(yùn)行時(shí)間達(dá)到12 h。圖2 ～圖5 即為此潛次中潛深、海水溫度、艙內(nèi)溫濕度的數(shù)據(jù)曲線截圖，此處不再另加說(shuō)明，而是主要對(duì)供氧及二氧化碳清除系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 供氧裝置的運(yùn)行情況

圖8 為上述潛次中載人艙內(nèi)氧氣濃度的數(shù)據(jù)曲線截圖。從圖中曲線可以看出，下潛過(guò)程中，載人艙內(nèi)的氧濃度基本在19% ～22%間波動(dòng)，完全符合任務(wù)書(shū)的要求。

同時(shí)，從圖中曲線可以看出，氧濃度在開(kāi)始下潛和潛至規(guī)定深度準(zhǔn)備作業(yè)時(shí)，有2 個(gè)比較明顯的拐點(diǎn)。出現(xiàn)這種情況的原因是:由于開(kāi)始下潛時(shí)，潛航員要在艙內(nèi)執(zhí)行一系列的規(guī)定操作，此時(shí)潛航員的生理狀態(tài)處于比較興奮的狀態(tài)，此時(shí)耗氧量將大大增加，從而造成艙內(nèi)氧濃度降低;而潛至規(guī)定深度準(zhǔn)備作業(yè)時(shí)，潛航員將會(huì)處于操縱機(jī)械手等一系列精神高度集中的工作狀態(tài)，這種情況下也造成其耗氧量大量增加。2 種情況均超過(guò)了中等勞動(dòng)強(qiáng)度25 L/h 的標(biāo)準(zhǔn)人均耗氧量。這時(shí)供氧系統(tǒng)將改變動(dòng)作，自動(dòng)增加氧氣流量以適應(yīng)潛航員耗氧量的改變。曲線上緊隨其后的上升也證實(shí)了這一點(diǎn)。曲線的上升和下降充分說(shuō)明了供氧系統(tǒng)完全能夠滿足實(shí)際下潛的要求。

圖8 載人艙內(nèi)氧氣濃度曲線Fig.8 The oxygen consistence graph in the manned hull

3.2 二氧化碳清除裝置的運(yùn)行情況

圖9 載人艙內(nèi)二氧化碳濃度曲線Fig.9 The carbon dioxide consistence graph in the manned hull

圖9 為上述潛次中載人艙內(nèi)二氧化碳濃度的數(shù)據(jù)曲線截圖。從圖中曲線可以看出，下潛過(guò)程中，載人艙內(nèi)二氧化碳濃度曲線均能維持在0.5%以下，達(dá)到了設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求。同時(shí)也進(jìn)一步說(shuō)明二氧化碳清除裝置采用無(wú)水氫氧化鋰作為二氧化碳吸收劑的可行性。

4 結(jié) 語(yǔ)

載人潛水器是人類開(kāi)發(fā)利用海洋資源，實(shí)現(xiàn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的必不可少的手段［11］。隨著我國(guó)逐漸加大對(duì)海洋裝備領(lǐng)域的研究力度，各種類型的載人潛水器將會(huì)逐步出現(xiàn)，各種新技術(shù)、新設(shè)備也將會(huì)不斷研究，進(jìn)一步完善現(xiàn)有裝備的不足之處。

本文介紹了“蛟龍”號(hào)的特點(diǎn)及其載人艙對(duì)大氣環(huán)境控制技術(shù)的特殊要求，論述了“蛟龍”號(hào)使用區(qū)別于其他類型載人艙室的大氣環(huán)境控制技術(shù)的原因，通過(guò)分析其裝置在海試中的運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)一步證實(shí)了該技術(shù)的有效性和工程應(yīng)用的可行性。這對(duì)從事相關(guān)領(lǐng)域研究的人員有很高的參考價(jià)值。

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