壓力暴露后潛艇艇員快速上浮脫險可行性的初步理論推算

廖昌波，付國舉，劉平小，孫永軍，牛 振，林 潔，陳銳勇

潛艇自二戰誕生以來，已經成為各軍事強國的主戰裝備，但潛艇失事是不可完全避免和預計的意外事件。1956年，英國海軍首先提出自由上浮脫險方法，自此以后，快速上浮脫險已被各潛艇強國列為潛艇艇員自救脫險的首選方法。根據以往的潛艇失事經驗和對可能發生的失事潛艇內情況估計，艇內出現一定壓力暴露的可能性是非常大的。如俄羅斯“庫爾斯克”號潛艇失事就發生了固殼破損，導致118名艇員全部死亡，因此暴露于高壓下的救援方法也是國內外研究的重點。雖然目前世界上已經有深潛救生艇、救生鐘等集體援救裝備, 美國并于1989年成立了深潛中隊，援潛救生裝備可以全天候到達失事地點，但是援救設備需要一定的時間才能到達失事潛艇海區。如1979年英美兩國海軍運用深潛救生艇組織援救失事潛艇艇員的聯合實兵演習，運用深潛救生艇對演習中的模擬122 m水深的失事潛艇英國潛艇“Oain”(“奧丁”)號潛艇進行援救，整個援救時間為41 h，其中航渡、運輸所用時間為37 h[1]。因此，潛艇失事后，潛艇艇員需要在艇內等待援救，艇員常常長時間暴露于高壓環境下，此時艇員體內的惰性氣體已經完全飽和。所以英美等國于80年代開始進行高壓暴露后潛艇艇員救援的研究，如瑞典軍隊正在研究高壓暴露后失事艇員快速上浮脫險的技術，提出了減輕減壓病發病率及嚴重程度的技術。我國也于20世紀90年代開展了空氣飽和暴露后潛艇艇員救援方法相關方面研究，并取得了一系列的成果[2]。

本研究旨在說明減壓病是潛艇脫險的主要致命問題。從潛水減壓原理可知，減壓病(DCS)發生概率理論上與出水瞬間的余氮張力直接相關。后者與壓力下溶解到機體內的惰性氣體-氮氣的運動規律有關。筆者前期對潛艇脫險方法的絕對安全極限進行了推算和驗證[3]。本文試圖采用經典減壓理論，通過余氮張力的變化，進一步推測壓力暴露后潛艇脫險的安全性。

1 理論依據

減壓病的主要病因是機體內惰性氣體溢出產生氣泡導致的一系列病理生理問題。惰性氣體動力學提示，氣泡形成的主要原因是，惰性氣體在組織內的張力超過了限制氣泡形成的驅動力[4]。因此，經典減壓理論中的余氮張力概念，可以對減壓病發病概論提供一個粗略但相對正確的估計。

在潛艇固殼破損直至艇員快速上浮脫險出水這一過程中，快速上浮脫險的潛水程序可以簡述為快速加壓、短暫停留、上浮減壓3個階段，艇員暴露在高壓空氣中，體內氮張力一直是處于增加的狀態，所以DCS的危險性可以用快組織內惰性氣體氮張力值來評價。前期研究表明，最快的理論組織可以選取80 s組織。1969年，英國皇家海軍生理研究所根據862羊次的實驗結果推測，在脫險深度為91～289 m時，80 s、5 min、10 min理論組織的氮張力依次不超過10、5、4.25 ATA(1 ATA=0.1 MPa)是相對安全的[5]。而在GJB7137-2011中規定，失事潛艇艙室內壓增加，應在內壓高于0.07 MPa前組織實施脫險[6]。這里就提示：出于安全原因，在快速上浮脫險過程中，考慮更多的應該是半飽和時間在10 min以內的快組織；而在高壓下長時間暴露停留，則考慮半飽和時間更長的慢組織更多。

2 推算方法

由氮張力累計公式[4]可得，固殼破損后艇員在高壓暴露中體內累計的氮張力值N2(t0)為：

(1)

現有的快速上浮脫險程序包括指數倍增的加壓、短暫停留和勻速減壓[1]。其中，停留時間為4 s，減壓速率為2.7～3.0 m/s(本文取3.0 m/s)。加壓的壓力變化速率為每隔4 s壓力翻倍，可以表示為：

PT=P0×2(t/4)

(2)

由此，可以得出對不同深度快速上浮脫險，出水時氮張力的計算。

加壓階段，體內增加的氮張力(N1)為：

(3)

停留階段，4 s后體內增加的氮張力(N2)為：

(4)

減壓階段，增加的氮張力(N3)為：

(5)

到達水面(0 m)后體內的余氮張力(N2總)為四者的和：

N2總=N2(t0)+N2(t1)+N2(t2)+N2(t3)+0.79

(6)

再將N2總反算，其值等同于在某一深度完全飽和時體內氮張力值，筆者稱這一深度D同為“相對飽和深度”，其計算公式為：

(7)

上述(1)～(6)公式中：

a：艇內壓力，單位m；

b：潛艇坐沉深度，即快速上浮脫險深度，單位m；

PT：加壓過程中瞬時絕對壓強，單位ATA；

P0：初始壓力，為1 ATA；

t：加壓時間，單位s；

T：理論半飽和組織時間，單位s；

t0：高壓暴露時間，單位s；

t2：快速上浮脫險停留階段時間，默認為4 s；

t3：快速上浮脫險上升階段時間，單位s，值為b/3 s。

3 推算示例

3.1 快速上浮脫險出水時的氮張力值

由上述推算方法可知，潛艇艇員在快速上浮脫險出水時的氮張力值受潛艇坐沉深度、潛艇內部壓力和高壓下暴露時間3個因素決定。假設潛艇坐沉在某一深度，固殼破損后其內壓逐漸升高，經損害管制后，艇內壓穩定在某一值，其脫險設備能按4 s鐘翻一倍的加壓速率進行加壓，艇員上升出水為3 m/s。在此前提下，筆者將上述3個因素中的2個進行固定，剩余的1個作為變量，來分析不同情況下潛艇艇員出水時的氮張力值,如圖1、圖2、圖3所示。

注：1 ATA=0.1 MPa圖1 潛艇坐沉100 m，內部壓力為8 m時，快速上浮脫險出水時艇員不同組織內的氮張力與暴露時間的關系曲線圖

注：1 ATA=0.1 MPa圖2 潛艇坐沉100 m，暴露時間30 min時快速上浮脫險出水時艇員不同組織內的氮張力與暴露深度的關系曲線圖

注：1 ATA=0.1 MPa圖3 潛艇內壓為8 m，暴露時間30 min時，快速上浮脫險出水時艇員不同組織內的氮張力與潛艇坐沉深度的關系曲線圖

3.2 理論上快速上浮脫險最大安全暴露時間

由圖1可見，在潛艇固殼破損時，組織抗沉堵漏等損害管制以及快速上浮脫險前期準備工作需要一定長的時間，在經過30 min高壓暴露以后80 s、5 min、10 min理論組織基本已完全飽和[7]。如要討論后續快速上浮脫險，筆者認為用半飽和時間較長的慢理論組織來評價艇員體內氮張力水平為宜。故以下以80 min組織為對象進行推算。

國際推薦在7 m飽和后采用快速上浮脫險的方法出水，減壓病發病率在10%以內，這針對以逃生為目的的脫險，還是相對安全并可以接受的[8-9]。因此可以推測在高壓下，暴露一定時間(非飽和)依然可以采用快速上浮脫險方法逃生，快速上浮脫險出水時體內氮張力最大的安全值可由公式(7)推算在7 m深度完全飽和后的氮張力值。當潛艇坐沉在30、100、200 m深度，內部壓力為不同值時，其安全快速上浮脫險的最大暴露時間，可由公式(2)～(6)進行反推，結果如圖4所示。

圖4 坐沉深度為30、100、200 m時，不同內部壓力下推算的允許安全暴露時間

4 討論

筆者采用組織半飽和理論來估算體內氮張力值的推算結果顯示(圖4)：隨著潛艇坐沉深度的增加以及艇內壓力環境的升高，可供組織快速上浮脫險的時間也越來越短。如潛艇坐沉在100 m，艇內壓升至8 m，就要在205 min高壓暴露時間內完成快速上浮脫險。但限于前期的損害管制時間以及脫險一次的設備操作時間，此時間內不足以完成全部人員的單人快速上浮脫險。在其以后實施的快速上浮脫險可以說是已經超過了國軍標允許的安全范圍，此時的減壓病發病率會隨著時間的延長而大大增加。而且內部壓力越高，其安全暴露時間在不同坐沉深度上的差別就越小，最后都趨于一致。

1970年，英國皇家海軍生理研究所Donala提出了SPdt的概念[5]，用來大略估計脫險者從不同深度脫險的安全程度，即在整個高壓暴露時間內，脫險深度(ft)和時間(s)乘積倍數的總和。但筆者發現SPdt值不適合用來估計已經高壓暴露一段時間的情況，故本文未采用該方法進行討論。

筆者認為，在評價高壓暴露后的快速上浮脫險危險性時，高壓下暴露時間因素比坐沉脫險深度因素更為重要，所以，一旦潛艇發生固殼破損導致內部壓力升高，要盡快盡可能地先組織損害管制，避免內部壓力超過7 m。如果潛艇內部壓力超過7 m并持續升高，那么選擇盡快的組織快速上浮脫險，對于艇員生命安全具有積極意義。

最后，本文限于理論工具的缺乏和筆者能力水平，用80 min組織來評價高壓暴露后的快速上浮脫險是否準確？是否還有其他的更好評價方法，期待在以后的工作中進行更深入、細致的研究，予以證實。