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  • 饱和潜水

    饱和潜水是一种适用于大深度条件下,开展长时间作业的潜水方式。按照国际惯例,当潜水作业深度超过120米、时间超过1小时,一般都是采用饱和潜水。

    编辑摘要
    • 下自成奚据了解,英、美、瑞士、挪威、法、德、日本、俄罗斯等8国已先后突破400米深度;海上实际深潜实验,法国、日本已分别达到534米和450米。

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    产生背景/饱和潜水 编辑

    上世纪50年代开始,核潜艇、海上石油开发等军事和民用技术的推进,海上航运业也随着大战后的经济复苏而勃兴。但问题也同时出现:战略意义的潜艇一旦在海中失事、水面船舶一旦失事打捞等情况,这些都离不开一批人——具备深水作业能力的潜水员。从人体结构来讲,具备承受一定水下压力的能力,经过训练的潜水员承压能力更强。但人类在潜水时也发现了一个死敌——减压病。

    简单来说,在几十米的水下,人呼吸压缩后的普通空气就行。但随着深度增大,水下呼吸普通空气,其中的氮气在高压下易引发“氮麻醉”,而且呼吸阻力也随水压增大。这时只能呼吸氦等惰性气体和氧的混合气体来进行更深的潜水作业。而惰性气体吸入后会融进人体血液,这就决定潜水员在水下作业时间越长,上浮减压的过程就越长,潜水作业效率将大大降低。如果不按规程进行减压,溶解在体内的惰性气体将在潜水员的关节或身体组织中形成气泡,会造成严重的减压病,甚至会危及生命。

    40年前,美国的一位乡村医生经过和同事们反复试验,获得了一个惊人的发现。人如果在高压下逗留到一定时间,其血液组织里渗入的气体就会达到饱和程度。从这一程度起,只要压力不变,即使再增加停留的时间,血液和组织里的气体含量也不会改变。这就像一只盛满了水的杯子,它的含量达到了极限,再加一滴也是不行的,无论把水龙头再开多长时间,效果总是一样的。当潜水员在某一压力下连续停留24小时后,身体组织中溶解的惰性气体量也就达到了最大限度。严格地说,这时吸入的惰性气体与呼出的量相等,处于动态平衡。机体被惰性气体饱和得愈多,其安全减压时间也愈长。如果溶解量达到一定极限,不再增加,其减压时间也可始终保持不变。根据这一发现,潜水员在海洋的某个深度工作一段时间后,不必匆忙回到海面上来减压,他可以继续在海中呆下去,直到工作干完后再返回海面,进行一次减压就行了。这种潜水方法,就叫做“饱和潜水”。饱和潜水使潜水作业时间大大增加了,潜水工作效率也得到了很大提高。

    历史沿革/饱和潜水 编辑

    1957年,美海军专家BOND第一次提出“饱和潜水”概念。

    1962年,美军组织代号“人在海中”系列试验,这是世界第一次海上饱和潜水试验。

    1988年,法国进行了一次饱和-巡回潜水实潜试验,潜水员在地中海水下534米海底完成有效作业任务,这是人类真正到达的最深水下深度。

    1989年,中国海军医学研究所在500米饱和潜水系统进行了模拟350米氦氧饱和-376米巡回潜水人体实验,创造当时亚洲纪录。

    1992年,法国又进行了人体氢氦氧混合气模拟饱和潜水实验,深度达到了701米,压力为71.1个绝对大气压。这是当前人类承受的最高压力世界记录。

    1994年,俄罗斯进行动物饱和潜水试验,发现生物可以承受120~190个绝对大气压。也就是说,人类有通过饱和潜水下潜到近水下2000米的可能性。

    2008年,日本海上自卫队完成450米饱和-巡回潜水实潜试验,潜水员巡潜深度达450米,为当时亚洲第一。

    应用领域/饱和潜水 编辑

    饱和潜水是人类对于潜水技术的又一个突破。在饱和潜水发现之前,人们虽然掌握了足够的潜水技术,却仍然只是海底的匆匆过客。每个潜水员进行一次潜水后,要花费大量的时间进行减压,这大大影响了工作效率。

    作为唯一一种可使潜水员直接暴露于高压环境开展水下作业的潜水方式,饱和潜水已广泛应用于失事潜艇救援、海底施工作业、水下资源勘探、海洋科学考察等军事和民用领域。世界各国都十分重视饱和潜水技术研究,据了解,英、美、瑞士、挪威、法、德、日本、俄罗斯等8国已先后突破400米深度;海上实际深潜实验,法国、日本已分别达到534米和450米。中国2008年以后有海军医学研究所实现了480m循环潜水实验,成为第9个掌握400m以上深度饱和潜水技术的国家。

    系统组成/饱和潜水 编辑

    饱和潜水的作业系统主要有三种类型:甲板加压舱系统、水下居住舱系统和出入式深潜器系统,它们都可以把潜水员送到海中进行长时间的工作。

    甲板加压舱系统主要由潜水工作船、甲板加压舱、潜水钟等组成。潜水员在甲板加压舱内加压或等候,工作时用潜水钟送到水下,再出钟作业。

    水下居住舱系统由潜水工作船和水下居住舱等组成。

    出入式深潜器系统由潜水工作船、出入式深潜器及大吊等组成。

    潜水效率/饱和潜水 编辑

    无论是潜艇救援还是水下打捞,总需要时间越短越好。然而为了避免潜水减压病,反倒限制了潜水员的工作效率。实际上,人类能在水下待多长时间,能潜入多深,不仅取决于高气压对机体的作用,也决定于潜水效率。能不能创造一种环境和条件,避免潜水员每次水下作业后繁琐的减压程序,使减压时间并不随着水下作业的延长而增加,就成了大深度潜水的核心问题。

    衡量潜水作业效率一般都用公式:

    潜水作业效率= 水下作业时间/(水下作业时间+减压时间)×100%

    由公式可以看出,在一定的作业期内,减压时间越长,潜水作业效率越低。

    实现过程/饱和潜水 编辑

    由于水下工作时间越长,减压时间也越长,因此潜水员如果在几百米下工作2-3个小时,而整个作业长达几天,则减压的时间将严重影响潜水作业的效率。

    1957年,美国海军潜水生理学家Bond于提出“饱和潜水”的观点,就是创造出一种环境和条件,使潜水员在高气压下长时间暴露,体内各组织体液中所溶解的惰性气体达到完全饱和的程度,使潜水员可以长期停留在高气压下几天乃至几十天,待预定作业任务完成后,一次减压出水。以中国500米饱和潜水系统为例,在实际使用中潜水员可在舱内通过加压使体内惰性气体完全饱和,舱体则可以设置在救援舰上,食物通过专用递物筒提供,潜水员则可以乘坐潜水钟下至水下500米进行作业,完成后返回舱内即可。由于压力没有变化,水下作业可以分批分组连续进行,最后在舱内一次减压,效率极大提高。

    实践发展/饱和潜水 编辑

    中国成功刷新亚洲模拟饱和潜水实验深度纪录的消息引发了各界对大深度潜水和神秘海洋的浓厚兴趣。大深度潜水往往意味着水深超过120米,时间超过两小时,而一些发达国家更具备了400-500米深度的作业能力。物理常识告诉我们,大深度潜水意味着高压的环境,饱和潜水如何适应这种严酷要求,都涉及到哪些技术。

    从饱和潜水的实践中,科学家逐渐发现,从饱和潜水深度继续向更大深度下潜,在一定深度时程范围内返回原深度,可不经过减压的程序,这就是巡回潜水的概念。以中国模拟饱和潜水实验为例,480米为模拟饱和潜水深度,493.00米则是巡回潜水的深度,由于概念的接近,两个数字很容易混淆。值得特别注意的是,随着饱和潜水深度增大,巡回潜水的时间和深度增加的越多。也就是700米饱和后的巡回潜水范围远超过400米饱和后的巡回潜水范围。

    各国发展/饱和潜水 编辑

    国际

    (一)美国。1957年,美国海军潜水生理学家Bond提出了使潜水员在水下长期停留生活工作,以提高潜水作业效率的饱和潜水新概念并根据美国海军的深潜系统进行了一系列实验。1962年,美国的Link在海上现场进行了代号为“人在海中—I”系列海上饱和潜水实验,取得了成功,再次通过实践验证了饱和潜水的原理,成为开拓海洋内层空间的先驱者。1981年,美国完成了一次命名为“ATLANTIS Ⅲ”的模拟实验,3名潜水员呼吸氦氮氧三元混合气,潜达最大深度为686米,在此深度停留了24h。在该次实验中,潜水员在大于650米的深度下共生活工作了7个昼夜。实验证明:采用饱和潜水技术,人类可以进行大深度潜水,甚至可以达到以前难以想像的深度。

    (二)法国。1962年,法国的Cousteau利用水下居住舱,在海上现场进行了代号为 “大陆架—I”的系列海上饱和潜水实验,取得了成功。1988年,法国COMEX公司在地中海成功的进行了一次命名为“HYDRA-8”的现场氢氦氧混合气的饱和-巡回潜水实潜实验,潜水员在534米海底有效完成了规定的作业任务。这是目前人类真正到达的最深海底。1992年,该公司又进行了一次命名为“HYDRA—10”的人体氢氦氧混合气模拟饱和潜水实验,深度达到了701米,压力为71.1个绝对大气压。这是当前人类承受的最高压力世界记录。

    (三)俄罗斯。1994年,俄罗斯的潜水医学机构曾进行了大深度的动物实验研究,呼吸氦氧混合气的饱和潜水最大深度达101个绝对大气压;大鼠呼吸氢氦氧混合气的饱和潜水最大深度达120~190个绝对大气压(12—19米Pa),证明生物可以承受压力的研究空间还是很大的。

    (四)亚洲国家。日本、印度等国也具备饱和潜水能力。2000年以来,日本几乎每年都进行饱和潜水训练,多次深度超过400米。2008年日本海上自卫队在海上完成了440米饱和潜水实际作业训练,巡潜深度达到450米。

    中国

    中国创模拟饱和潜水载人实验 中国创模拟饱和潜水载人实验

    我国饱和潜水起步较晚,但是进展比较迅速。1975年,我国中国人民解放军海军医学研究所开始进行饱和潜水动物实验研究,开辟了我国饱和潜水的领域。经过动物实验研究,在1976年,在海军医学研究所建立了我国第一座饱和潜水实验舱,并在国内首次将饱和潜水实验研究过渡到人,进行了模拟空气饱和潜水实验,实验深度20~30米,共进行七次实验26人次,实验获得成功,培养了我国第一批饱和潜水潜水员、生命支持系统技术人员和医学保障人员。随后,上海海难救助局打捞、第二军医大学海医系、中国科学院上海生理研究所共同进行了1次2人次10米模拟空气饱和潜水实验,在实验中进行了30人次的40米空气巡回潜水。

    1977年,由海军医学研究所和上海海难救助打捞局共同负责,第二军医大学海医系、中国科学院上海生理研究所、烟台打捞局、广州打捞局、上海海员医院和上海市杨浦区中心医院等单位参加,在海军医学研究所饱和潜水舱和上海打捞救助局(1次)的加压舱首次进行了饱和深度为20米、30.5米、36.5米的6次共计36人次的氮氧饱和潜水实验,实验中进行了181人次50~70米的空气巡回潜水。

    1979年和1981年,在“南海二号”3X饱和潜水设备系统又开展了国内首次模拟氦氧饱和潜水人体实验。实验由交通部海上救捞科研院和石油部南海石油指挥部联合主办,海军医学研究所、第二军医大学海医系、上海海难救助打捞局共同参加。实验深度为120米模拟氦氧饱和-165米模拟氦氧巡回潜水和302米模拟氦氧饱和,参加饱和潜水实验人员均为3人。1982年,海军医学研究所、海军某试验区和原海军411医院在S米-358深潜器-饱和潜水设备进行了模拟4人次200米氦氧饱和模拟人体实验,实验获得成功。

    1987年,在海军某潜水母船上,海军医学研究所和海军东海舰队共同主持,第二军医大学海医系参加,应用英国进口的200米饱和潜水设备系统进行了我国首次的氦氧饱和潜水海上人体实验,8名潜水员进行了80米氦氧饱和-100米巡回潜水的人体实验,巡回潜水18人次。

    1989年,海军医学研究所在500米饱和潜水系统进行了模拟350米氦氧饱和-376米巡回潜水人体实验,高压下暴露20天。随后,第二军医大学海医系和海军东海舰队,应用英国进口的200米饱和潜水设备系统进行了海上100米氦氧饱和-112米巡回潜水的人体实验,4名潜水员参加实验,进行了4次巡回潜水。海军医学研究所与南海舰队在某海域共同进行了8名潜水员的120米氦氧饱和-150米巡回潜水训练,进行了20人次巡回潜水。

    2001年,第二军医大学和海军医学研究所分别进行了海上140米氦氧饱和-166米巡回潜水训练和150米氦氧饱和-182米巡回潜水训练,各进行了12人次和9人次的巡回潜水。

    2006年底,交通部上海打捞局在南海番禺油田完成了我国首次海上商业饱和潜水作业(96米饱和-105米巡回潜水),12名潜水员在深海高压中生活了390个小时,出潜28人次,工作时间长达126个小时,完成油田油管更换,实现了我国饱和潜水从模拟试验转化为商业作业的跨越。

    2010年9月6日15时30分,在海军医学研究所500m饱和模拟潜水舱,随着4名潜水员走出饱和潜水高压实验舱,一项亚洲模拟饱和潜水实验深度新纪录由此诞生——493米模拟巡潜深度、480米氦氧饱和模拟潜水实验的成功,使我国成为世界上第9个掌握突破400米深度、潜水员直接暴露在高压环境下作业技术的国家。

    2012年8月6日,中国首艘300米饱和潜水母船“深潜号”在青岛建造竣工并交付交通运输部使用。“深潜号”总长125.7米,型宽25米,型深10.6米,满载排水量15864吨。“深潜号”的最大亮点是配置了一套300米饱和潜水系统,最大工作深度可达水下300米。

    2014年1月12日,北纬20度18分、东经115度09分的南中国海海域。5时零9分,搭载着交通运输部上海打捞局胡建、管猛、董猛3名潜水员的潜水钟,从300米水深的海底回到工作母船的甲板上,完成与生活舱的对接,3名潜水员返回到生活舱里休息。现场总指挥郭杰宣布,3名潜水员圆满完成我国首次300米饱和潜水海底出潜探摸作业,巡回深度达到313.5米。这是300米深的海底首次迎来了中国人的身姿,中国由此具备了人工潜入300米深的海底“龙宫”探宝的能力。

    2015年1月6日凌晨,北海舰队某防救支队的潜水员徐晓、高杰、张恒银,在某海域成功完成饱和潜水系统320米饱和潜水和330.2米巡潜试验,再创全国新纪录,获取了一大批宝贵数据,为将来进行大深度饱和潜水作业打下了坚实基础。“300多米的深海终于有了我海军潜水员的身影。”支队领导自豪地说,这次试验无论是饱和潜水各系统、各模块的“硬件”,还是减压方案、潜水员训练方法的“软件”,都是清一色的中国设计、中国制造,而本次下潜的主要任务就是考核饱和潜水系统最大深度技术性能指标。  

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