一種適用于緊急棄船情形的特種救生衣

余青峰 馬會芳 汪育民 陶喻婧 焦 津

（1、重慶交通大學，重慶400074 2、重慶工商大學，重慶400020）

1 項目背景

由于天氣、設備和人為各種因素造成的海上突發事件也隨之不斷增加，據統計沉船事故發生的比例呈逐年上升的趨勢，進入21 世紀以來，沉船事故的比例已高達42.60%。僅僅在2018 年一年，中國籍船舶就發生了176 起事故，沉船83 艘，死亡失蹤237 人，同比上升24.7%。有實驗數據證明，當人在0℃的海水里只能耐受幾分鐘；2℃可以承受15 分鐘；25℃海水，可以承受24 小時。實際上，由于水中的溫度過低、心里恐懼、肢體麻木失去活動能力致使遇險落水者在生命極限時間前就會死亡。在突發狀況下，船上人員根本來不及放救生艇筏，遇險人員這時穿上特種救生衣跳入水中求生無疑是最好的選擇。

2 作品意義

2.1 作品的創作意義

本作品設計的特種救生衣主要適用于緊急棄船、來不及施放船載救生艇筏情形的跳水求生。

（1）本救生衣可以避免落水者入水過深、實現快速起浮，避免人員被船體附屬物（槳葉、舵葉等）所傷。

（2）可以使落水人員快速移動，盡快離開難船影響水域。

（3）提供臨時避難處所，并且具有保暖、易被救助人員識別和雷達搜尋的功能。

2.2 本作品的特點

（1）適用功能特殊：本作品設計的特種救生衣適用于因特殊情況需要緊急棄船跳水求生的情形。

（2）功能強大：集逃生和求生功能于一體。

（3）經濟適用：初步估計成本約320 元左右。

3 創新點

3.1 實現快速起浮

（1）主要創新點。在救生衣下端兩側加設兩個浮力氣囊可以增加救生衣的浮力，從而避免落水者入水過深、實現快速起浮，避免落水者被船體附屬物（槳葉、舵葉等）所傷。

（2）主要功能與設計。浮力氣囊氣脹前，將氣囊折疊裝在包里面，用尼龍帶和插扣連接系在腰間。人員落水時自動閥浸水彈簧伸張打開充氣閥，2 秒鐘迅速充氣，氣囊自動繃出包外將人體浮上水面。給落水者增加更大的浮力。

將HS-YZ 型腰包式自動充氣“氣脹救生衣”進行改裝。自動充氣氣囊，氣脹后從腰包內崩出一個圓形氣囊，后傾45 度面部朝上浮于水面。浮力氣囊很輕便，像一個小腰包用尼龍帶和插扣聯接系在腰間，人員落水時自動閥浸水，讓彈簧伸張打開充氣閥，2 秒鐘迅速充氣，人體可以快速浮上水面實現救生。浮力氣囊采用氣密性面料制成封閉囊后充氣形成。制作氣囊的氣密性材料選用聚氨酯錦綸復合氣密性面料。聚氨酯- 錦綸氣密性有良好的氣密性功能、經緯強力、熱合強力、色牢度等機械物理和化學性能。該物質在生產時不需要硫化，膠膜含量低，采用高頻或超聲波熱封，工藝簡單。增大救生衣浮力，讓落水者可以快速起浮。

3.2 實現快速游離難船影響水域

（1）主要創新點。安裝兩個壓縮鋼瓶助推器提供動力，并可以控制移動方向，幫助落水人員快速駛離難船影響水域。在壓縮鋼瓶助推器動力耗盡時，也可以用兩個塑膠小槳葉劃動，增加落水人員移動的距離。

（2）主要功能與設計。

a.壓縮鋼瓶助推器獲得動力。救生衣放置2 個左右對稱的壓縮鋼瓶，使用兩根牽引繩的裝置，左右手各一根，來控制氣閥開關。使用牽引繩拉開閥門，壓縮鋼瓶內的氣體快速噴出，提供動力；在松開牽引繩時，氣瓶的閥門關閉。通過左右協調拉牽引繩從而實現移動方向的控制。人在水面上也可以通過手腳的劃動來控制前進方向。

選用0.2L 的壓縮鋼瓶，它高壓可達30mpa，瓶口半徑為0.0075m，假設我們的壓縮鋼瓶閥門完全打開的情況下，一個壓縮鋼瓶可提供的初始推力為：

F=P×S=5.3×103N

兩個壓縮鋼瓶可以提供的推力為F'=1.06×104N

根據調查分析得到人體在不同的傾斜角度的阻力。選取人體傾斜18 度時的阻力為19.2 千克，救生衣裝備為4 千克，選取人的體重為60 千克，重力加速度約為10N/kg。

（F'-f）=（m+Δm）a

a≈163m/s2

所以人體所獲得的初始加速度為163m/s2

落水人員在落入水中之后手動拉牽引繩，拉開氣瓶的閥門，氣體迅速噴出，此時噴出的氣體給落水者一個快速向氣體噴出反方向的推力，讓落水人員遠離難船影響水域。

b.配備兩個小槳葉

在救生衣的兩側配備兩個小槳葉，當壓縮鋼瓶助推器無法使用時，可以用小槳葉劃動，方便落水人員移動。小槳葉使用塑料材質，防水且輕便，不會使救生衣的重量增加太多。

3.3 生成氣脹式避難筏，以供落水人員臨時避難、使其易被救助人員識別和搜尋

（1）主要創新點。落水后救生衣背部氣囊展開生成氣脹式避難筏，以供落水人員臨時避難。在氣脹式避難筏上安裝有標識的反光帶、發光帶、簡易雷達反射器等，使其具有易被救助人員識別和雷達搜尋的功能。

（2）主要功能與設計

a.反光帶的特征材料。為了讓救援人員更快的搜救到遇險人員，選取了反光效果優良且價格相對低廉的反光材料，它由有機樹脂、反光顏料等材料合成，研磨制成的單組份反光型標志材料，抗腐蝕性高，顏色鮮明，這能便于被搜救人員識別，也能便于更換，如果時間久了，反光帶的效果降低了，可以選擇更換反光帶。

b.發光帶的特征設計。發光帶由夜光材料和橙黃色的塑料表層構成，夜光材料的主要成份是稀土。

c.多角度雷達反射器設計。為了讓救援人員更加快速的找到落水者，救生衣以及背后的充氣筏上還安裝了多角度反射的雷達波反射裝置。利用雷達截面積的依存關系，選擇合適的尺寸，克服了現有反射器散射方向圖比較窄的缺點，運用現有無源反射器進行有效的組合或合理配置反射器的位置，實現寬角度要求，考慮了目標RCS 隨觀察角度變的實際情況，保證寬角無源反射器的RCS 變化波動較小，滿足雷達的最可檢測功率，改良了雷達反射器的構造。使得以更小的尺寸和重量，獲得盡可能大的有效雷達散射截面，并且有足夠寬的散射方向圖。

在救生衣上的不同方位、同角度的入射雷達波進行反射，使用的反射體個數少，整體反射面積和強度大，易于在船舶觀測雷達上成像，且不易被干擾，也不需要天線和電源支持該裝置的反射體持續工作。

該雷達反射器性能符合國際海事組織IMOA384（x）、海安會MSC.164（78）決議的規定和國際標準化組合ISO 8729 的技術要求?？紤]到緊急情況下，沒有時間放下救生艇或者是救生筏。以此來加快救援速度，增加獲救幾率。

4 系統設計原理

4.1 浮力氣囊的設計原理

浮力氣囊加裝了水敏感元件和彈簧。落水時閥體浸水，水敏感元件迅速融化彈簧伸張，頂針刺破鋼瓶，高壓氣體迅速充脹，形成浮力氣囊。

4.2 壓縮鋼瓶獲得動力的方法

在緊急情況，不能及時的放下救生艇筏；并且沉船時，會產生漩渦。落水人員只穿救生衣的情況下，沒有游離遇險船只，很容易被漩渦吸入，喪失生還機會。為了避免這一情況的產生，我們設計了可以提供動力的救生衣。讓落水人員落水后打開壓縮鋼瓶閥門，把鋼瓶內的壓縮氣體充當動力，來讓落水者遠離遇難船舶。

氣體是流體的一種表現形式，我們的鋼瓶選用的是低能耗，低污染的二氧化碳氣體，同樣遵循流體力學規律。

5 應用前景

5.1 行業前景

本作品設計的特種救生衣適用于因特殊情況需要緊急棄船跳水求生的情形，集逃生和求生功能于一體，經濟適用。

我們調查市場發現船用專業救生衣市場價約為100 元，強浮力救生衣市場價約200 元，保溫救生衣約520 元，氣脹式救生筏約10000 元。

而本作品設計的特種救生衣初步估價約320 元，其中雷達反射器約50 元、壓縮鋼瓶約100 元、浮力氣囊約20 元、氣脹式避難筏約100 元、反光帶、小槳葉、海水電池燈、口哨等所有物件加起來不超過50 元。

表1 傳統救生衣和本作品設計的救生衣價格對比

此特種救生衣可以避免落水者入水過深、實現快速起浮，避免人員被船體附屬物（槳葉、舵葉等）所傷；可以使落水人員快速移動，盡快離開難船影響水域；提供臨時避難處所，并且具有保暖、易被識別和搜尋的功能。

因此，本作品設計的特種救生衣具有較高的性價比。

5.2 可行性分析

本作品設計的特種救生衣，其浮力氣囊可以避免落水人員入水過深、實現快速起浮，救生衣背部的充氣模塊遇水后會自動彈出，展開形成一個氣脹式避難筏，遇險者可以躺入其中，延長遇險者的生命周期，等待救援隊伍的救援。因此本作品設計的救生衣對浮力要求較高。

表2 特種救生衣和傳統救生衣的重量以及浮力的對比

特種救生衣總重量3.7kg，浮力氣囊能提供的浮力是傳統救生衣的8 倍，充氣船能提供的浮力是傳統救生衣的16 倍。其浮力設計能滿足要求。

6 對后續工作意見建議

由于本作品設計的救生衣沒有在真實的遇險情景中使用，還存在需要完善的地方。

（1）壓縮鋼瓶助推器是否能夠產生理想的推力。

（2）救生衣適應惡劣海況條件的能力。