海军舰艇核生化集体防护发展概况

周　平，张忠良，康　健，王　磊，游俊琴（防化研究院，北京 100191）

海军舰艇核生化集体防护发展概况

周平，张忠良，康健，王磊，游俊琴
（防化研究院，北京 100191）

为保障水面舰艇在平战中都能在海上核生化环境中完成相应的任务，从防护核生化事故、次生核化灾害以及防护核生化战争等角度深入阐述研究水面舰艇的集体防护系统。详细分析国内外现有的集体防护系统技术要素以及核生化集体防护装备中滤毒通风系统核心元件滤毒器性能，对比分析国内外水面舰艇集体防护能力的差别，为我国今后集体防护技术要素改善提供参考和思路。

舰艇；核生化；集体防护；滤毒器

0　引　言

核武器、生物武器以及化学武器统称为大规模杀伤性武器［1］。随着科学技术的发展，核生化武器和运载工具的改进，拥有和可使用核生化武器的国家不断增多。虽然大国之间直接核战争的可能性已大大减少，但在未来的局部冲突、海战和恐怖极端分子中使用核生化武器的可能性却极大提高。核生化武器对海上的打击目标主要是大型舰艇（如航空母舰、巡洋舰、驱逐舰、核潜艇等）。其次，攻击目标是海军基地、港口、运输补给船只和沿海重要目标，以切断敌方海上交通线和后勤支援，最终使敌方瘫痪，以便支援登陆作战。此外即使是在非战时执行各项军事行动时也可能会遭遇核生化危险［2-3］。

海军舰艇受到核生化武器攻击时的环境称为核生化环境，舰艇是海军主要的战斗装备之一，其很容易受到核生化杀伤性武器的威胁［5］。当水面舰艇被核生化武器袭击或遭遇核生化污染时，由于舰艇上人员密而集中、活动范围小，此时工作人员无法立即撤出沾染区。深入开展对核生化集体防护系统的思考与研究，是为了保障海军舰艇官兵在遭受到核生化威胁时仍然有效遂行军事任务，而且十分必要。因而，采取更加积极有效的防护措施对处于海上沾染区的舰艇是现代集体防护亟待解决的问题。

1　国内外海上舰艇集体防护系统发展概况

随着高新技术的发展，国内外先后出现了新型全封闭、信息化的大型舰船，舱面逐步实现了全封闭化，舱室的气密性有了新的提高，舰船防护系统已经发生重大转变，由注重个人防护转向注重舰船集体防护体系的构建，水面舰船集体防护体系就是舰船在核生化条件下保障舰船及其人员免受或减轻核生化武器袭击后产生的放射性灰尘、生物战剂、毒剂和作战兵器伤害的各种装备及其技术。海上舰艇集体防护系统是指在舰艇内划设集防区，包含对已受到核生化污染伤害的舰员进行救护，对暴露在核生化污染环境下工作的舰员实施个人防护［4］；防护船体和武器设备在核生化污染期间最大程度减少核生化污染物沾染，并且当舰艇离开核生化污染海区后对舰艇和相关设备进行洗消。

集体防护技术研究［6］始于一战期间，那时整个防护系统简单，到了二战时，更高毒性的化学战剂相继出现在战场上，为了增强集防系统中滤毒单元的防护性能，研究人员在活性炭上浸渍铬、铜、银，用以提高对放射性灰尘和高毒战剂的防护。直到二战结束以后，世界各国先后对集体防护系统开展深入研究并设计出各种集体防护系统。

1.1德国

20世纪60年代初，原联邦德国最早开发并设计成功第一代水面舰艇集体防护系统 DSK 系统［7］。那时，德海军已开发研制了滤毒增压通风并辅以空调通风结合设计的全舰集体防护转换系统，并将该系统列装在“汉堡”级驱逐舰。德军 2002年服役的F-123、F-124级护卫舰具备在核化生环境下的全时防护能力，其列装的正是全舰集防系统。德国水面舰艇用核辐射和化学战剂探测系统（SNCDS）由多组核辐射探测器和化学战剂探测单元等组成，基于数字化接口构成独立完整的全舰核生化监控系统。核辐射探测配置γ剂量和剂量率探头、γ和中子总剂量探头、α/β-β/γ 沾染探头；化学战剂探测配置红外远程遥测探头和遥控单元；并且系统由 24个滤毒组合而成，战时每小时可为全舰提供总量高达 18 900m3的洁净空气。这些装备都极大地提高了德军舰的核生化预警和防护能力。

1.2俄罗斯

俄罗斯海军航母及各型舰艇均列装了集体防护系统。参照“库兹涅佐夫”级和“现代”级驱逐舰航母的设计可发现，俄海军舰艇的集体防护系统设计思路与德海军有所不同，俄舰艇安装的集防系统增压通风与空调通风相互独立，采取分区分级和区域内单元舱室为中心的独立滤毒增压通风集体防护方式；同时，俄罗斯海军具有较完备的舰用核化监控系统，作战指挥室设有核化监控中心。核辐射监测配备了γ 射线照射剂量强度计、β 放射性气溶胶浓度计等。例如，“现代”级驱逐舰实现全舰集体防护［1］，该套集防系统通过设置 9个集防区而实现；“库兹涅佐夫”航母集防系统覆盖舱室达到 400 多个，最大区域高达 20 000 ～30 000m3。

1.3美国

美国海军由于早期对海上生物和化学战争的认识不足，因而对集体防护系统研究的发展较晚和较慢。1965年，美国海军在 USS Thomas 驱逐舰上安装了仿造德海军的操作系统。直到 70年代末，美海军自行开发设计出了水面舰艇有限规模的集体防护系统，如LHA-2，LSD-41“惠德贝岛”号两栖船坞登陆舰列装的集防系统，主要仅针对舰艇上重点部位［8-9］，防护区域较小。1980年以后，美海军逐步在各级驱逐舰以及航母上全面配备集体防护系统［10-11］。据文献报道，美国为驱逐舰设计的集体防护系统每小时总供气量达50 000m3，染毒空气通过三级滤器，得到清洁空气并送入舱内，该系统可维持全舰各密闭区内的超压达500 Pa。

此后，美海军更加注重水面舰艇核生化集体防护能力的建设，开始研制第一套完整的自行设计的舰载集体防护系统，要求各型舰艇必须构建规定等级的集体防护系统，且防护面积越来越大，如 LHD-1“黄蜂”级舰艇［9］，可以防护全舰约 1/3的区域。此后，美海军集防系统发展更迅速，其 1991年服役的DDG-51型导弹驱逐舰配备了大区域的集体防护系统。同时，舰艇对核化生污染的集体防护能力与抗饱和攻击、模块设计等并列作为美军舰艇的先进性考核指标［13］。由此可见美海军对集体防护能力建设的重视程度。

海湾战争以后，美军对在用的集防操作系统进行了改装。如 LHD-1～LHD-7，LHAl-I，HA 等舰经过改装，设立了2个全防护等级的集体防护区；在其他新型舰艇上，如LHDI，ADE-6和 LSD-44 舰的生活区和工作区都装有集体防护系统。最近，美国福托尼克斯公司研制成功采用红外激光多普勒系统，探测距离为 15 km的核生化监测系统，系统实时探测（日夜）、分辨率高、体积小，可对战剂范围定位、风速测定综合处理等。其对水面舰艇集体防护装备的投入非常大，如 T-AOE-6补给船和 LPD-17“圣安东尼奥”级两栖运输舰实现了全舰一半以上的区域防护［14-17］。图1为 LPD-17 舰集防区示意图，阴影部分代表实现集防的区域。

1.4其他欧洲国家

欧洲其他海军强国，比如英国、挪威、法国、西班牙也一直在增强各自水面舰艇的集体防护能力。2009年服役的英海军 45 型驱逐舰、挪威“南森”级护卫艇装备有先进的集防系统；法国护卫舰“拉斐特”装备的是全舰集防模式；西班牙 F-100 型护卫舰已实现在核生化环境下舰艇全区域集体防护能力，该套系统对染毒空气的处理能力很强，通风量达到 12 000m3/h。

图1　LDP-17集体防护区域图Fig.1　The LDP-17 collective protection area

1.5韩国和日本

韩国海军列装的KDX-1 级驱逐舰，舰艇上总共设计有 4个核化生集防区［18］。KDX-3 级驱逐舰现在列装的核生化集防系统更加完备，防护能力更加完善［19］。日本 2007年服役的“爱宕”级驱逐舰对其集防系统进行了改进，吸收了美国海军“阿利·伯克” ⅡA舰的布局，该集防系统安装了过滤通风、超压系统，添加了监控系统［20］

1.6中国

中国集体防护系统主要针对战时开发设计，兼顾非战时核生化威胁，防护效能高，费用低。海军舰艇的门、窗、口盖全封闭，建筑材料性能好，水密门被气密门取代，保证密闭舱超压维持在 500 Pa 左右［3-4］，使在相对风速 57kn （一般战场上核生化战剂释放的相对风速不会超过该风速）时仍具有防护作用。此外为有效抵御核冲击导致的超压，建筑结构必须十分牢固。

2　水面舰艇集体防护体系的构成

水面舰艇集体防护系统构成复杂，是由很多设备组合而成，其中主要包括集防区空气污染监控设备、气密和超压控制设备、滤毒通风设备及其他辅助设备组成［21-24］。空气监测设备可以实时有效监控集防区环境，包括对空气中烟雾、气溶胶、放射性粒子以及生化毒剂的监测，以达到掌控处于核生化条件下密闭舱室空气的质量，保证人员正常呼吸；气密和超压控制设备首先要使水面舰艇船体绝对密闭，然后适当建立超压条件保证集防区中的污染物不能渗入舱室；滤毒通风设备是整个集防系统的核心装置，染毒空气进入该设备后，化学毒剂可以完全被滤除，实现在核生化环境下供给舰员清洁的空气呼吸，保证舰员生命安全。集体防护系统按防护机制不同又分为隔离式防护和过滤式防护。

2.1隔离式防护

最早苏联设计使用过隔离式防护系统，该系统的工作原理是对舱室密闭，与周围环境相隔离。长时间在这种密闭舱室内工作，会对舰员产生很大的生理影响，因为当列装隔绝防护系统的舰艇处于核生化环境下，必须紧闭门窗，关闭通风，人员不得出入，这必然导致舱室内氧气、水蒸气和二氧化碳等浓度变化，影响人员正常生理特征。

2.2过滤式防护

如上所述，隔离式防护系统在安全方面有很多弊端，一直以来该系统不被其他国家采用，现代大型水面舰船都采用过滤式防护。过滤式防护又可划分为有限防护区和全防护区。二者过滤原理完全一样，只是根据防护需要对水面舰艇的防护区域分级划分。整个防护过程可以简述为3个步骤：首先污染空气通过预滤芯后可以将其中的大颗粒物质去除；再次进入高效颗粒滤芯，将含毒烟雾、放射性微粒和生物战剂滤除；最后气体进入滤毒器将气态化学战剂滤除。经过这3个程序之后，空气被完全过滤净化，输出洁净空气，由通风管道输入各密闭舱室。

在大型舰船上，为了保证各密闭舱室优良的防护效能，需要维持舱室内的静超压值最低与外界的动态超压值相等，此时要求超压值达到 500 Pa，舱室内大部分废气可由主机舱排出，避免受染毒空气沾染，保持舱室内空气清洁。表1列出了过滤式防护系统的主要构成设备。

表1　核化生防护装备的组成Tab.1 The composition of NBC protective equipment

3　集体防护系统核心装置滤毒单元的改进

集体防护装备的关键材料是活性炭或者在活性炭上浸渍催化剂的炭吸附材料。目前各国海军在舰船集体防护系统中使用的都是利用活性炭材料浸渍过催化剂的过滤器，这种滤毒单元性能较好，能在规定时间内有效滤除核生化毒剂，为舰艇密闭舱室提供洁净空气供舰员呼吸，表2列出了防护区主要空气成分的控制要求。

表2　防护区空气成分的控制指标Tab.2 Protection zone of air composition control indicators

利用浸渍活性炭作为核心装置滤毒单元器的材料，通常会遇到滤毒器使用寿命的问题，这就造成了滤毒器在使用一定时间后必须更换的问题，很明显会造成后勤维修更换的负担，所以该材料在使用上有所限制。正因为活性炭材料在这个方面的不足，催生了集体防护核心设备目前的3个发展方向［3］：等离子体催化技术；制氧除二氧化碳技术；可再生变压/变温吸附技术。其中发展前景最好的技术当属可再生变温/变压吸附技术，其技术原理是：在设备内设有低温或高压吸附塔，在该条件下，分子筛活性炭材料具有更好的吸附性能，可以更高效吸附空气中所含有的气体毒剂，直至吸附达到饱和后，在高温或低压脱附塔，即在高温或低压状态下脱附掉之前吸附的化学毒剂，这样染毒空气就被滤除干净，为舰艇输出清洁空气供人员呼吸。该技术开发应用成熟，广泛用于气体干燥、提纯、和空气分离、净化等领域。美国和英国率先取得突破，新系统采用一对过滤器轮流过滤和清洗，即当一个过滤器在对进入空气进行过滤时，另一个则在用高温高压排除污染物。这种高温高压轮换系统被称为可再生过滤（REGEN）。REGEN 系统运行成本低。美国 Pall 公司和英国 Domnick Hunter 公司利用这一特性，分别研制开发了基于变压吸附技术的可再生滤毒装置，由 Battelle Memorial Institute和 Chemical and Biological Defense Agency等机构对它们进行了实毒测试，化学毒剂或模拟剂包括：2-CEES，PS，GD，DMMP，DMMP，DMMP，AC，CK，全氟异丁烯，异丁烯，R23，R134a，辛烷和乙醇等。经过多次反复试验，测试变压吸附滤毒装置的工作时间和效能，发现其可以连续工作长达 500h，并且检测经过该套装置后输出的空气，没有任何化学毒剂，输出即可正常供人员呼吸。但是该滤毒装置正常工作需要维持在很高的压力条件下，如果为此单独加压，一定会引起装置功率、体积和重量超标的问题，以至于影响到该套设备的使用范围。而美军有一套专门的方案解决此难题：在舰船的舱室环境控制系统中添加滤毒通风装置，共用空气压缩机和过滤器等设备，这样布局可以有效地减小装置功率、体积和重量，使其广泛运用于海军舰艇中，提高水面舰艇的核生化防护性能。

国内学者对处于核生化环境下染毒气体净化处理进行了研究［25-28］，张重杰［29］系统研究了可移动烟雾快速净化装置。设备主要包含风机、粗滤器、滤毒单元等。染毒空气进入装置后首先经过风机，此时已将大颗粒粉尘滤除；然后空气再进入粗滤器，这时可以将颗粒直径在 10 μm以上粒子滤除；接着再进入滤毒单元，将空气中的化学毒剂气体滤除，输出洁净空气。依照不同使用要求，某些部件需要配置一些备用配件，这样既可以节约材料和费用，又可以充分保证对染毒空气过滤净化的需要。图2为烟雾快速空气净化装置结构示意图，染毒空气进入装置后被多次过滤后即输出洁净空气。

图2　烟雾快速空气净化装置结构示意图Fig.2　Rapid contaminated air purifying device

集体防护系统是集采暖通风、空调系统、核生化监控防护为一体的永久性综合防护系统，是核生化防护的最佳选择，因此在设计建造新舰艇特别是大型舰艇时，应将集体防护系统考虑在内，以适应战争的需要。

4　总结与展望

虽然现有的舰艇集体防护技术自使用以来，十几年内技术上没有大的更新和换代，但未来战争复杂多变，各国海军都十分重视为海军舰艇配备核生化防护装备，加强舰艇核生化集体防护系统建设。从世界各国研究发展水面舰艇集体防护能力趋势可看出：

1）舰艇上区域性防护转向全舰性防护发展、战时防护转向全时防护发展等集体防护能力有所改进，未来将会更加注重并提高全舰全时防护的能力。

2）当前应集中解决潜艇，尤其是核潜艇以及水面舰船密封舱室的环境对舰艇人员的综合影响，密闭舱室有害污染物的消除，改善并提高滤毒通风系统核心装置滤毒器的滤毒性能和防护时间。

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Overview of the development of naval ship NBC collective protection

ZHOU Ping，ZHANG Zhong-liang，KANG Jian，WANG Lei，YOU Jun-qin
（Research Institute of Chemical Defense，Beijing 100191，China）

To protect surface ships in peacetime and wartime can finish the corresponding task under the nuclear and biological environment，describing in depth the collective protection system of surface warship from the protective chemical accident，secondary nucleation disasters and protective nuclear and biological war.The characteristics of the key components of the system and the core component of the NBC collective protection system are analyzed in detail，analysis of the difference of the surface ships' collective protection at home and abroad，which would provide reference and ideas for the improvement of China's collective protection technology in the future.

naval ships；NBC；collective protection；canister

R852.7

A

1672-7619（2016）07-0001-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.07.001

2016-01-28；

2016-02-29

周平（1991-），男，硕士研究生，研究方向为化学防护。