大气环境控制技术在“蛟龙”号载人潜水器上的应用

姜 磊，金凤来，侯德永，刘 帅

(1.中国船舶科学研究中心，江苏 无锡214082;2.海军驻天津地区军事代表室，天津300000)

0 引 言

近年来，随着能源危机的愈演愈烈，世界各国争相将探索能源的目光投向了深海领域。深海作为一块人类开发不多的领域，由于其中蕴藏着丰富的矿产资源，世界各国纷纷加大了对深海探测领域的投入，载人深潜器的研制应运而生［1-2］。载人潜水器(简称HOV)可以携带海洋科学家进入海洋深处，在海底现场直接观察、分析和评估，还可操作机械手实现高效作业［3］。美国正在研制的“新埃尔文”号、日本的“深海6500”号和我国成功完成7000 米级海试的“蛟龙”号载人深潜器，均是这种类型的潜水器，也都是在这种大背景下展开研发的。对于“蛟龙”号这种类型的载人潜水器而言，由于其乘员均处于载人舱内，载人舱内的大气环境直接作用于乘员的身体，其运行好坏直接关系到乘员的生命安全，因此必须对乘员的生存环境进行研究分析并加以控制。本文将针对一些常见的环控方式进行探讨，分析它们运用于“蛟龙”号的优缺点。

1 大气环境控制技术的内容及要求

大气环境控制技术多见于潜艇、潜水器、载人航天器等运载器的载人密闭舱室内。由于这些运载器的工作环境均处于水或真空等人类无法直接呼吸生存的场所，因此运载器的乘员或驾驶员无法从外界获得新鲜空气，必须由运载器提供一套自循环式呼吸生存环境。在这种情况下，大气环境控制技术应运而生。

大气环境控制技术大致可以分空调通风系统、呼吸供氧系统、二氧化碳清除系统、空气净化系统及大气环境监测系统等［4］。上述5 个方面中，空调通风系统主要针对环境的温湿度进行改善，以提高乘员的舒适度，人体舒适温度一般在15℃～27℃之间，湿度一般在30% ～70%之间(50%最佳);供氧及二氧化碳清除系统直接针对乘员的生存，氧浓度过高或过低均会威胁乘员生命安全，而二氧化碳气体浓度过高也会对乘员产生不良影响，因此各类运载器对这2 种气体浓度均有明确的指标要求(见表1);大气环境监测系统针对舱室内的各种有毒有害气体浓度进行监测报警，由空气净化系统对其进行清除。

必须指出的是，随着运载器的工作任务、工作时间、安装设备及乘员人数等的不同，密闭舱内的有毒有害气体的种类及浓度均会不同。以潜艇为例，英国海军用GC- MS 技术定性分析出有机污染物195 种，其中芳香族化合物42 种，脂肪烃77 种，含卤化合物20 种，含氧化合物l8 种，其他元素化合物4 种［5-7］。针对种类繁多的气体，每种气体均加以检测及清除是不现实的，因此，国际上较多采用的是根据运载器的任务需求，除H2，CO，CO2等气体必须清除的气体外，对大量有机污染物和不确定气体根据相应的卫生规范采取有选择的检测及集中清除。

表1 不同环境下对氧气、二氧化碳的容许范围［8-9］Tab.1 The permissible range of oxygen and carbon dioxide in different environment［8-9］

2 “蛟龙”号对环控技术的特殊要求及取舍

2.1 “蛟龙”号对环控技术的特殊要求

“蛟龙”号作为一种深海作业类深潜器，其性能和外形与一般的水下运载器有很大的区别。首先，其载人舱的内部空间较小，大约在4 ～5 m3;第二，其乘员为3 人，乘员人数较少;第三，由于其下潜深度最深达到7 000 m，所以其动力无法由母船或其他岸基设备供电，只能采用蓄电池组作为动力源;第四，“蛟龙”号水下正常作业时间较短，为不大于12 h。

载人深潜器的这些客观条件对其大气环境控制技术的应用有很大的约束。首先，载人舱的体积小决定了其环控装置的体积应尽可能小;第二，由于采用蓄电池组供电，环控装置的能耗应尽可能小;第三，由于内部空间小，其对各类有害气体的容许浓度也较小，拿二氧化碳气体浓度来说，从表1 可以看出，载人深潜器载人舱内的二氧化碳浓度指标只有潜艇的一半，因此，载人深潜器的环控装置的效率应很高;第四，同样由于内部空间小，对有害气体的容许浓度很小，因此，在对有害气体的处理过程中，不允许出现另外的有毒有害物质;第五，同样由于内部空间小，供氧应尽可能的平稳、连续，舱室内氧气的浓度不能有大幅度的变化［8-9］。

2.2 “蛟龙”号对空调通风系统的取舍

“蛟龙”号的载人舱内径只有2.1 m，其内部除3 名乘员外，还安装有大量执行任务必备的仪器仪表。因此，其内部空间非常紧张，而深海的工作环境及电池作为动力源也进一步限制了常规的空调通风系统在“蛟龙”号上的应用。因此，设计过程中，“蛟龙”号在载人舱内没有设置空调降温系统，取而代之为2 套小型空气循环风机，起到促进载人舱内空气对流及改善乘员主观感受的作用。图1所示为“蛟龙”号的环境通风风机。另外，当“蛟龙”号结束下潜任务，进行维护保养或日常检修时，在母船上为其设置了一套降温空调，以避免阳光直射或环境温度高导致的载人舱内温湿度过高。

图1 “蛟龙”号环境通风风机Fig.1 The ventilator in Jiaolong

事实上，“蛟龙”号在执行下潜任务时，除去下潜前的甲板准备和上浮至水面等待回收这两段较短的时间以外，其载人舱均处于水下。而海水的温度随着下潜深度的增加逐渐降低，7 000 m 时海水温度只有大约1℃左右，图2和图3 为7 000 m 海试中蛟龙号潜至本次海试最大深度7 062 m 时的深度和海水温度曲线截图(截图横坐标为时间历程，按计时方式hour:minute:second 顺序排列，纵坐标分别为深度和温度，以米和摄氏度为单位)。

图2 “蛟龙”号下潜深度曲线Fig.2 The diving-depth graph of Jiaolong

图3 海水温度曲线Fig.3 The temperature graph of seawater

从图2 可以看出，本次下潜大约从7:50 开始，大约在10:30 达到最深值。而随着潜水器的入水，海水的温度开始显著变化:从图3 中可以清晰地看出，海水温度随深度的增加而急剧下降，其下降趋势近乎为一条垂直的直线，从大约300 m 开始，海水温度的下降趋势开始放缓，在2 000 m 左右的深度，海水温度达到最低点，之后一直维持在大约1℃左右。而上浮过程中海水温度曲线近乎与下潜时对称。

海水温度的这一变化特性直接影响到载人舱内的温度和湿度。由于“蛟龙”号的载人舱采用钛合金制作，载人舱外也没有铺设隔热设备，因此，“蛟龙”号下潜过程中，随着载人舱金属外壳的热传导，载人舱内的温度也逐渐降低，最终将维持在一个较低的水平。图4 为此潜次载人舱内的温度曲线截图(截图横坐标为时间历程，按计时方式hour:minute:second 顺序排列，纵坐标分别为舱内温度，以米和摄氏度为单位)。

图4 载人舱内温度曲线Fig.4 The temperature graph in the manned hull

从图4 中曲线可以看出，在7:50 左右潜水器开始下潜之前，随着阳光直射和载人舱舱口盖的关闭，载人舱的温度呈上升趋势，而随着潜水器入水，舱内温度开始明显递减。随着时间的流逝，当热量传递趋于平稳后，温度下降的趋势开始趋于平缓，17:57 左右，潜水器开始上浮，此时舱内温度达到最低，约为13℃左右。之后，随着潜器的上浮，载人舱的温度开始上升。

舱内温度的变化将直接导致载人舱内湿度发生变化:舱内温度高时，环境相对湿度偏大，而舱内温度低时，相对湿度也会降低。图5 为本潜次载人舱内相对湿度的曲线截图。从图中曲线可以清楚看出:载人舱内的最大相对湿度大约为92%，最低时只有40%，整个下潜期间，载人舱内都维持在较低的相对湿度。

图5 载人舱内相对湿度曲线Fig.5 The relative humidity graph in the manned hull

低温和低湿会带来2 个问题:潜航员会感到寒冷和空气干燥易起火。对于这2 个问题，“蛟龙”号采取了增设乘员保温衣物和所有舱内设备材料均使用阻燃材料来加以解决。

综上所述，对于“蛟龙”号这类大潜深、作业时间短且能源、内部空间有限的载人潜水器来说，在载人舱内安装常规的空调系统比较困难，因此可以采取一些简化措施，但是必须做好相关的载人舱内通风、潜航员防寒和舱内设备的阻燃工作。

2.3 “蛟龙”号对空气净化及大气环境监测系统的取舍

由于有害气体的种类繁多，无法做到对每种气体进行监测及净化，而“蛟龙”号受自身条件所限，无法使用潜艇等水下潜器常用的燃烧法来去除有害气体。因此，“蛟龙”号的空气净化措施及大气环境监测系统做了一定程度的简化:执行下潜任务时，使用Draeger accuro 手泵及配套的有害气体检测管选择对部分有害气体进行监测，该型手泵在德国海军潜艇上得到过广泛应用，曾在潜艇上进行列装，下潜任务结束后对载人舱进行持续通风来进行空气净化。同时，对于舱室内因湿度大而可能产生的微生物或有害菌，“蛟龙”号使用紫外线消毒灯进行消毒。

另外，在“蛟龙”号的设计建造过程中，载人舱内禁止使用产生挥发性气体或有毒有害气体的材料和设备，这一点对于舱内空气净化起到了非常关键的作用。表2 为某潜次载人舱内有害气体种类检测表。“蛟龙”号只选择了9 种较为常见的有毒有害气体进行检测，对于其余的有害气体，由于其产生环境在“蛟龙”号上难以出现，予以忽略。从表中可以看出，对于选定的这几种“蛟龙”号载人舱内的有害气体，其浓度完全能够满足相关卫生规范的要求。

表2 某潜次载人舱内有害气体浓度检测表Tab.2 The consistence of poison gas in the manned hull during a certain diving

2.4 “蛟龙”号对供氧系统的取舍

目前，比较常见的封闭空间供氧技术有超氧化物供氧(空气再生药板)、物理供氧、电解水供氧、氧烛等。这些供氧方式各有其优缺点，为了选择一种适合于“蛟龙”号的供氧系统，从体积、耗能、产氧速度等方面对这些供氧技术进行比较分析，详见表3。

表3 几种供氧技术优缺点分析表［8］Tab.3 The contrast of some supplying methods of oxygen［8］

经比较分析，根据“蛟龙”号自身的特点，最终选择使用高压气态供氧技术作为供氧系统。设置3 套供氧装置，分别作为正常开放式供氧装置，应急开放式供氧装置和应急闭式供氧装置并加工样机，供氧装置如图6所示。

2.5 “蛟龙”号对二氧化碳清除系统的取舍

比较常见的二氧化碳清除方式一乙醇胺碱(MEA)吸收、固态胺吸收、分子筛吸收、超氧化物吸收、碱石灰吸收、氢氧化锂吸收等。这些清除方式各有其优缺点，为了选择一种适合于“蛟龙”号的二氧化碳清除系统，从体积、耗能、吸收效果、对环境的要求等方面对这些清除方式进行比较分析，详见表4。

图6 供氧装置样机Fig.6 The sample model for oxygen supply

表4 几种二氧化碳清除方式优缺点分析表［9］Tab.4 The contrast of some absorption methods of carbon dioxide［9］

经比较分析，“蛟龙”号最终选择使用化学吸收的方式进行二氧化碳清除。使用氢氧化锂作为吸收剂，另外设计了一套结构形式为轴向流通形式的吸收装置作为氢氧化锂的反应床。使用时，二氧化碳从吸收装置底部进入，经吸收剂吸收后沿轴线方向从装置顶部流出。图7 为吸收装置样机的原理图及照片。

图7 吸收装置原理图及照片Fig.7 The sample model for absorption of carbon dioxide

3 大气环境控制装置的实际使用情况

大气环境控制装置样机加工完成后，随“蛟龙”号潜水器参加了1 000，3 000，5 000和7 000米级海试。4 次海试中，系统总运行时间约为260 h，运行期间，载人舱内的各项指标均达到了设计要求，完全满足相关规范要求。同时，尤为重要的是，整个海试期间，大气环境控制装置运行良好，未出现过一次故障。这进一步证明了这套大气环境控制技术的可靠性。

受篇幅所限，以系统单次运行时间最长的7 000 米级海试加以说明。该次海试中，系统单次运行时间每次均达到10 h 以上，最长的一个潜次运行时间达到12 h。图2 ～图5 即为此潜次中潜深、海水温度、舱内温湿度的数据曲线截图，此处不再另加说明，而是主要对供氧及二氧化碳清除系统的运行情况进行说明。

3.1 供氧装置的运行情况

图8 为上述潜次中载人舱内氧气浓度的数据曲线截图。从图中曲线可以看出，下潜过程中，载人舱内的氧浓度基本在19% ～22%间波动，完全符合任务书的要求。

同时，从图中曲线可以看出，氧浓度在开始下潜和潜至规定深度准备作业时，有2 个比较明显的拐点。出现这种情况的原因是:由于开始下潜时，潜航员要在舱内执行一系列的规定操作，此时潜航员的生理状态处于比较兴奋的状态，此时耗氧量将大大增加，从而造成舱内氧浓度降低;而潜至规定深度准备作业时，潜航员将会处于操纵机械手等一系列精神高度集中的工作状态，这种情况下也造成其耗氧量大量增加。2 种情况均超过了中等劳动强度25 L/h 的标准人均耗氧量。这时供氧系统将改变动作，自动增加氧气流量以适应潜航员耗氧量的改变。曲线上紧随其后的上升也证实了这一点。曲线的上升和下降充分说明了供氧系统完全能够满足实际下潜的要求。

图8 载人舱内氧气浓度曲线Fig.8 The oxygen consistence graph in the manned hull

3.2 二氧化碳清除装置的运行情况

图9 载人舱内二氧化碳浓度曲线Fig.9 The carbon dioxide consistence graph in the manned hull

图9 为上述潜次中载人舱内二氧化碳浓度的数据曲线截图。从图中曲线可以看出，下潜过程中，载人舱内二氧化碳浓度曲线均能维持在0.5%以下，达到了设计任务书的要求。同时也进一步说明二氧化碳清除装置采用无水氢氧化锂作为二氧化碳吸收剂的可行性。

4 结 语

载人潜水器是人类开发利用海洋资源，实现国民经济可持续发展的必不可少的手段［11］。随着我国逐渐加大对海洋装备领域的研究力度，各种类型的载人潜水器将会逐步出现，各种新技术、新设备也将会不断研究，进一步完善现有装备的不足之处。

本文介绍了“蛟龙”号的特点及其载人舱对大气环境控制技术的特殊要求，论述了“蛟龙”号使用区别于其他类型载人舱室的大气环境控制技术的原因，通过分析其装置在海试中的运行数据，进一步证实了该技术的有效性和工程应用的可行性。这对从事相关领域研究的人员有很高的参考价值。

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