艦船集體防護系統(tǒng)體系及防護等級劃分

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(中國船舶重工集團公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

水面艦艇是海軍主要作戰(zhàn)力量之一，也是受核生化因素影響最嚴重的裝備之一。因為艦艇是一個獨立的戰(zhàn)斗集體，活動范圍廣，而艦上人員集中、密度大、活動范圍小，當遭受核化武器襲擊或核化污染時，無法迅速地撤離出沾染區(qū)。為保障海軍艦艇能夠在核生化沾染區(qū)連續(xù)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)，就必須對核生化防護系統(tǒng)展開更深層次的研究。

1 國外集體防護設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

從20世紀80年代起，美軍就已經(jīng)在水面艦艇上配備了集體防護系統(tǒng)(collective protection system, CPS)[1-2]。目前美國的水面艦艇上配備了全艦范圍多區(qū)域CPS，對現(xiàn)役未安裝CPS的艦艇進行補裝、加裝區(qū)域集體防護系統(tǒng)SACPS。DDG51級是美國海軍首次采用集體防護系統(tǒng)的艦艇，如DDG51級全艦防護區(qū)按船長分布設(shè)為4個，機艙區(qū)列為局部防護區(qū)，全艦防護區(qū)內(nèi)增壓范圍為490～610 Pa，外部空氣通過三級濾器進入艙內(nèi)，以消除外部空氣的污染。

而集防系統(tǒng)的防護效果好壞、持續(xù)防護時間長短等關(guān)鍵性能指標取決與CPS的過濾器的壽命和防護性能。目前在艦船CPS中使用的核心過濾器都是利用浸漬活性炭材料的吸附性能脫除化學(xué)毒劑，為集體防護艙室提供連續(xù)性的潔凈空氣。但是使用這種技術(shù)的濾器在維修和更換時存在壽命失效，后勤維護成本高等問題。

由此催生了集體防護設(shè)備目前的三個發(fā)展方向[3]：制氧除二氧化碳和有毒氣溶膠的膜分離技術(shù)；等離子體催化技術(shù)；可再生變壓/變溫吸附技術(shù)。而可再生變壓/變溫吸附技術(shù)最具發(fā)展前景，其技術(shù)的基礎(chǔ)是：利用分子篩和活性炭等材料的吸附性能，在高壓或低溫條件下吸附化學(xué)毒劑，吸附飽和后在低壓或高溫條件下脫除化學(xué)毒劑，兩支吸附塔交替進行吸附和脫附，從染毒空氣中分離出化學(xué)毒劑，為集體防護艙室提供連續(xù)性的潔凈空氣。

根據(jù)操作條件的不同，將吸附技術(shù)分為變壓吸附技術(shù)和變溫吸附技術(shù)。它們在化學(xué)工業(yè)氣體分離中屬于成熟技術(shù)，廣泛用于氣體干燥、空氣凈化、氣體提純和空分分離等領(lǐng)域。根據(jù)這一特性，英國Domnick Hunter公司和美國Pall公司分別研制開發(fā)了基于變壓吸附技術(shù)的可再生濾毒裝置，由Chemical and Biological Defense Agency，TNO Prins Maurits Lab和Battelle Memorial Institute等機構(gòu)對它們進行了實毒測試，化學(xué)毒劑或模擬劑包括：DMMP、2-CEES、GD、HD、PS、AC、CK、異丁烯、全氟異丁烯、R134a、R23、辛烷和乙醇等。長達6個月的實毒測試表明這些裝置能夠連續(xù)運轉(zhuǎn)500 h，出口空氣中沒有檢測到化學(xué)毒劑。

可再生變壓吸附濾毒裝置需要較高的工作壓力(>0.3 MPa)，若為其單獨提供高壓空氣，勢必增加裝置體積、重量和功率，這限制了它的使用。為此，美軍提出了解決方案：將濾毒通風(fēng)裝置集成到艦船的艙室環(huán)境控制系統(tǒng)中，共用空氣壓縮機、換熱器和過濾器等設(shè)備，達到大幅度降低裝置的功率、體積和重量的目的，使其可以在大型水面艦艇中應(yīng)用。

2 艦船集體防護體系的構(gòu)成

集防系統(tǒng)[4-6]由集體防護和個人防護兩部分組成。集體防護系統(tǒng)按防護機制不同又分為：隔離式防護和過濾式防護；個體防護包括呼吸器官防護、皮膚防護和防疫服。

1)隔離式防護。前蘇聯(lián)早期采用隔離式防護方案，將傳統(tǒng)水密性的門、窗和口蓋改造成氣密性的，利用艙室的空氣隔絕進行防護。由于建立隔絕防護時要關(guān)閉集防區(qū)的門、窗和口蓋，禁止通風(fēng)和人員進出。但是，由于密閉艙室內(nèi)氧氣、二氧化碳和水蒸氣等濃度對艦員有很大影響，不宜長時間采用隔離式防護，因此，目前已很少采用隔離式防護。

2)過濾式防護。由于艦船在核生化條件下采用隔絕式防護有許多不確定性，所以，現(xiàn)代大型水面艦船必須采用過濾式防護。過濾式防護按照防護等級高低又可劃分為全防護區(qū)和有限防護區(qū)。

圖1為典型的過濾式防護區(qū)的體系構(gòu)成，外界染毒空氣首先通過預(yù)濾芯(第一級)，除去染毒空氣中大顆粒及纖維狀沾染物后，進入高效顆粒濾芯(第二級)，濾除0.3 μm及其以上的放射性沾染物、毒煙、毒霧和生物戰(zhàn)劑后，再進入氣體吸附催化濾器(第三級)去除氣態(tài)化學(xué)戰(zhàn)劑。這樣，艙外受沾染的空氣經(jīng)三級過濾吸附后，變?yōu)榍鍧嵖諝饨?jīng)風(fēng)機送入空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，再由送風(fēng)管道分送至各密閉艙室。

圖1 典型集體防護系統(tǒng)防護區(qū)體系結(jié)構(gòu)

為了保持艙室良好的防護效果，需要保證密閉艙內(nèi)造成的凈超壓值至少要與外界氣流形成的動態(tài)超壓值相等，在相對風(fēng)速57 kn/h仍具有防護作用，超壓應(yīng)維持在500 Pa。艙室內(nèi)的廢氣通過超壓閥門、廚房或衛(wèi)生間等處直接排出，大型艦船可由主機艙排出大部分廢氣，從而保證艙室內(nèi)空氣清潔，避免受外界染毒空氣的沾染。

全防護區(qū)的進出通道要設(shè)計得可以維持防護區(qū)正的壓力。鎖壓室和鎖氣室都是小的隔離室，有2個門，一個通向全防護區(qū)，另一個通向露天甲板或通向艦的非加壓區(qū)。某一時間只開啟或關(guān)閉一個門，避免全防護區(qū)內(nèi)正壓力的損失。鎖氣室還有吹氣式空氣清潔裝置(air sweep風(fēng)浴)，用來先從鎖氣室內(nèi)吹除氣態(tài)和微粒污染物，之后才打開通向全防護區(qū)的門。

過濾式防護系統(tǒng)(參考圖1)由集體防護系統(tǒng)密閉區(qū)、濾毒通風(fēng)裝置、密閉區(qū)超壓自動控制裝置、超壓泄放設(shè)備、密閉區(qū)報警裝置等設(shè)備組成，表1為核生化防護裝備的主要組成。

表1 核生化集體防護系統(tǒng)的主要設(shè)備組成

3)個人防護。個人防護是為避免艦員暴露在核生化戰(zhàn)劑濃度已達到有害或致命程度的環(huán)境中，應(yīng)當穿用化學(xué)防護服和戴防護裝置。根據(jù)戰(zhàn)場作戰(zhàn)任務(wù)的防護要求，針對威脅或危害的性質(zhì)及其嚴重程度，搭配合適的防護服和防護面具。

3 集防區(qū)防護等級劃分

集體防護系統(tǒng)提供兩級防護[7-9]：全防護和有限防護。

全防護區(qū)的防護等級要求較高，要保證對其可以過濾任何物理狀態(tài)的核生化污染物，并且保持(500±50)Pa超壓，阻止空氣中的污染物通過其它路徑進入。全防護區(qū)包括作戰(zhàn)指揮所、起降指揮所、駕駛控制室、電子海圖室、動力損管部位、核化監(jiān)測戰(zhàn)位、醫(yī)療處所、餐廳和住艙等。根據(jù)總體設(shè)計可分為若干個相互獨立的全防護分區(qū)，每個分區(qū)安裝一套濾毒通風(fēng)裝置，集防區(qū)部分指標如下。

1)全防護區(qū)超壓范圍：(400～650)Pa；連續(xù)運行超壓：(500±50)Pa。

2)全防護區(qū)超壓報警：大于650 Pa過度超壓報警；小于100 Pa事故情況。

3)選擇防護區(qū)超壓范圍：(150～400)Pa；連續(xù)運行超壓：(350±50)Pa。

4)選擇防護區(qū)超壓報警：大于400 Pa過度超壓報警；小于120 Pa事故情況。

5)防護區(qū)超壓建立時間：(60～120)s。

6)濾毒通風(fēng)裝置通風(fēng)量：根據(jù)防護區(qū)容積設(shè)定，閉環(huán)控制誤差不大于設(shè)定通風(fēng)量的5%。

有限防護區(qū)的防護等級要求較低。在有限防護區(qū)內(nèi)無法建立超壓環(huán)境。通常只能利用高效顆粒空氣過濾器從進入有限防護區(qū)的空氣中清除放射性、化學(xué)和生物氣溶膠。但是其無法過濾化學(xué)戰(zhàn)劑蒸汽。這就需要根據(jù)核生化戰(zhàn)劑探測信息和報警狀態(tài)戴防護面具防御化學(xué)戰(zhàn)劑蒸汽，必要時應(yīng)當穿著防護服。

有限防護區(qū)主要包括輪機艙室、機爐艙等。全防護區(qū)和有限防護區(qū)的作戰(zhàn)任務(wù)和功能不同，采用不同的防護等級；根據(jù)GJB11.3-1991、GJB4000-2000，防護區(qū)空氣成分控制指標參考常規(guī)潛艇指標，指標見表2。

表2 防護區(qū)空氣成分的控制指標

三級防護的艦艇，設(shè)計的典型防護范圍及防護區(qū)劃分見圖2。

對新造軍艦已經(jīng)規(guī)定了集體防護系統(tǒng)的3個防護等級(等級I、II、III)。

1)等級I。掩蔽區(qū)，全防護區(qū)的分區(qū)，對40%艦員的住艙、餐室、衛(wèi)生間和作戰(zhàn)防護區(qū)的設(shè)備提供防護，這種設(shè)計有時稱為安全港。

圖2 三級防護的艦艇典型設(shè)計的防護范圍及防護區(qū)的劃分

2)等級II。小作戰(zhàn)區(qū)，有限防護區(qū)，包括等級I的掩蔽區(qū)和一些關(guān)鍵的作戰(zhàn)功能，可以經(jīng)濟地綜合到艦艇的設(shè)計中，重點是突然襲擊的生存。

3)等級III。大作戰(zhàn)區(qū)，除了飛行甲板和凹形甲板作戰(zhàn)以外，包括等級I的掩蔽區(qū)、等級II小作戰(zhàn)區(qū)，有足以滿足作戰(zhàn)任務(wù)要求的全防護區(qū)域。

4 集防系統(tǒng)設(shè)備配置原則

1)探測與評估。探測的作用是判斷核生化戰(zhàn)劑襲擊是否已經(jīng)發(fā)生，而評估的目的則是對襲擊所造成危害的嚴重程度以及預(yù)計的危害持續(xù)時間進行評價。根據(jù)探測與評估結(jié)果制定具體的防御策略并準確控制相應(yīng)防護設(shè)備，以及通過計算確定防護的時間。

2)全防護區(qū)設(shè)備配置原則

(1)根據(jù)密閉區(qū)大小和容納人員數(shù)量確定濾毒通風(fēng)裝置的裝配數(shù)量，對重要艙室進行CO2、O2及氟利昂濃度監(jiān)測。另外，在濾毒通風(fēng)裝置進風(fēng)圍井入口應(yīng)設(shè)計溫度監(jiān)測傳感器，量程：(-40～400)℃，此點溫度控制與濾毒通風(fēng)裝置連鎖。

(2)在全防護區(qū)內(nèi)配置壓力控制閥[10]，用來防止全防護區(qū)的過度超壓。根據(jù)防護區(qū)大小，安裝相應(yīng)數(shù)量的壓力控制閥。當防護區(qū)的壓力升至(500±50)Pa之前，壓力控制閥均是關(guān)閉的。當防護區(qū)內(nèi)的壓力繼續(xù)增加時，它們會打開，直至全打開為止。當壓力開始下降時，壓力控制閥就開始關(guān)閉。

(3)集防區(qū)內(nèi)密閉區(qū)都要配置密閉門、密閉艙口蓋、手動和自動泄壓閥、穿過防護區(qū)的通艙電纜密封設(shè)施等防護區(qū)正壓保持設(shè)備；設(shè)計超壓控制箱，對全防護區(qū)的艙室壓力進行監(jiān)控、以及對流量泄放閥開關(guān)進行控制。

(4)為確定密閉艙室內(nèi)超壓值保持穩(wěn)定，應(yīng)在防護區(qū)內(nèi)配置一定數(shù)量的差壓表來指示超壓值。由于風(fēng)向風(fēng)速的差別，在同一防護區(qū)內(nèi)的不同差壓表讀數(shù)會有很大的變化。因此，防護區(qū)內(nèi)的差壓表在高壓進氣口處應(yīng)設(shè)計緩沖器。

3)有限防護區(qū)設(shè)備配置。有限防護區(qū)只能提供較低程度的有限防護[11]。在有限防護區(qū)內(nèi)只配置濾塵器等設(shè)備，只能對大顆粒污染物進行過濾，無法消除毒劑云團等化學(xué)戰(zhàn)劑。因此，在有限防護區(qū)內(nèi)一定要安裝核生化戰(zhàn)劑探測器，一旦探測到有核生化沾染就要合理的穿戴防護面具、防護服等。

4)防護區(qū)邊界確定。為防止煙霧和火焰通過通風(fēng)管道傳遍全艦，艦上的通風(fēng)系統(tǒng)只能用于一個火災(zāi)防護區(qū)。因為通風(fēng)系統(tǒng)為火災(zāi)和煙霧提供了從一個密閉區(qū)擴散到另一個密閉區(qū)的途徑，而核生化污染物也能通過這些通風(fēng)管道傳播。因此使用防火區(qū)的艙壁作為防護區(qū)的邊界是選擇全防護區(qū)位置的主要考慮。

因此，防護區(qū)的邊界設(shè)計應(yīng)盡量與防火區(qū)邊界設(shè)計相一致。

5)防護區(qū)污染控制。對污染控制技術(shù)的正確應(yīng)用可以有效防止艦員暴露在核生化危險之中，限制有害環(huán)境對于作戰(zhàn)能力的影響，并能減少對一次性使用的化生防護器材的需要用量，污染控制包括如下幾項。

(1)預(yù)防或者減少沉積在艦艇上的核生化污染的數(shù)量措施。

(2)限制艦員暴露在已查明或懷疑遭受污染的艇上區(qū)域的方法。

(3)盡可能減少污染向干凈區(qū)域傳播的方法。

(4)清除或降低艦艇表面、設(shè)備、艦員以及服裝上的污染強度的方法。

6)防護區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)道設(shè)計。防護區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)道設(shè)計應(yīng)有回風(fēng)凈化路徑。回風(fēng)凈化路徑主要提供防護區(qū)內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)循環(huán)，對防護區(qū)內(nèi)空氣循環(huán)凈化。另外，在防護區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)流程上設(shè)計輔助路徑，在防護區(qū)發(fā)生火災(zāi)時，利用防護區(qū)回風(fēng)凈化路徑由控制單元轉(zhuǎn)換為防護區(qū)排煙路徑(避開碳濾器和高效顆粒濾器)，風(fēng)機采用專用或共享濾器風(fēng)機，如果采用共享風(fēng)機，系統(tǒng)設(shè)計時共享風(fēng)機必須設(shè)計正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)控制。

7)全防護區(qū)排水彎管的設(shè)計。在壓力區(qū)內(nèi)的排水彎管都是4 ft的彎管，排水彎管設(shè)置在壓力區(qū)以外。全防護區(qū)內(nèi)的正壓力與大氣壓有差別，必須使用這種較大尺寸的彎管。而標準尺寸彎管中的水會被迫壓出來，會致使空氣從壓力區(qū)通過污水管泄漏出去減小防護區(qū)內(nèi)的正壓力。當防護區(qū)不加壓時，污水管的氣體會漏入裝有排水管的艙室。若4 ft彎管失去了水封，全防護超壓就無法建立。

5 結(jié)束語

構(gòu)建大型水面艦船集體防護體系是一個復(fù)雜、綜合的系統(tǒng)，需要艦船設(shè)計、建造、監(jiān)制和防化等多個部門相互配合，通力合作，才能建立一個完善、有效的集體防護體系，以滿足大型水面艦船參與核生化條件下作戰(zhàn)的需要。

[1] 劉書子.美國海軍艦艇集體防護系統(tǒng)(CPS)的發(fā)展研究[J].艦船防化，2001，27(3)：1-10.

[2] 孫海峰，孫玉鎖.納米技術(shù)/材料與核生化防護[J].國外防化科技動態(tài)，2003，42(2)：21-24.

[3] U S DOD. Joint Service Chemical and Biological Defense Program FY00-02 Overview[R].U.S：DOD，2001：28-29.

[4] U S DOD. 2010 Annual Report to Congress.Department of Defense Chemical and Biological Defense Program[R].U.S：DOD，2010：11-12.

[5] 陳讓林.法國新型集防裝備[J].國外防化科技動態(tài)，2001，40(11)：5-11.

[6] 張 南.核生化集體防護再生式過濾新技術(shù)[J].國外防化科技動態(tài)，2004，43(3)：29-31.

[7] U S DOD. Joint Service Chemical and Biological Defense Program FY08-09 Overview[R]. U.S：DOD，2008：33.

[8] U S DOD.2009 Annual Report to Congress.Department of Defense Chemical and Biological Defense Program[R].U.S：DOD，2010：7.

[9] 王曼琳.美國核輻射探測技術(shù)取得新突破[J].國外防化科技動態(tài)，2006，45(1)：1-10.

[10] U S DOD. Joint Service Chemical and Biological Defense Program FY00-02 Overview[R]. U.S：DOD，2001：26.

[11] ANDREW WEBER.2011_CBDP_ARC_V26_FINAL [R].U.S：DOD，2011：10.