蛙人循环式潜水呼吸器的特点及发展趋势

顾靖华，方以群，柳初萌，刘平小

随着各国对海洋资源的不断深入开发，蛙人作为水下执行任务的特殊群体，以其隐蔽性好、机动性强、独立、灵活的特点，越来越受到人们的重视，除应用于水下侦查、排雷布雷、破袭作战和反恐等军事用途外，在海底打捞、设备维护、海洋考古、海洋探测等民用和科研领域的应用也愈见广泛。基于水下环境的特殊性，蛙人在执行任务时，必须佩带潜水呼吸器以维持正常呼吸[1]。潜水呼吸器按照供给呼吸气体的回路不同，分为开放式和循环式两类[2]。开放式潜水呼吸器是将蛙人呼出的气体直接排入水中，无法循环利用，因而水下工作时间较短，隐蔽性较差，主要用于娱乐潜水。循环式呼吸器将蛙人呼出的气体大部分或全部保留在系统内，经净化处理后再利用，极大地提高了气体的利用率，不仅可延长水下工作时间，而且能提高水下潜行的隐蔽性，主要用于军事潜水和水下摄像、采集标本等科研潜水[3]。基于循环式潜水呼吸器的特定用途和显而易见的优点，各国均比较重视研发，但其结构复杂，维护保养和操作技能要求较高。因此，对循环式呼吸器的类型、特点进行深入分析，进而根据特定潜水用途，合理选择、研制和安全使用循环式呼吸器，具有较高的军事意义和社会意义。

1 循环式潜水呼吸器的类型及特点

循环式呼吸器的基本工作原理是将蛙人呼出的气体循环再利用，其关键问题是需要将蛙人吸入气中的氧分压和二氧化碳分压控制在人体能接受的安全范围内，防止发生氧中毒、缺氧和二氧化碳中毒[4-6]。各类循环式呼吸器控制氧分压的方式不尽相同，而控制二氧化碳分压的方式基本一致，即将蛙人呼出的气体通过二氧化碳吸收装置净化吸收二氧化碳后，再次进入呼吸回路供蛙人呼吸[7]。根据控制氧分压方式和供气方式的不同，循环式呼吸器分为3种基本类型[1]：纯氧闭式潜水呼吸器(oxygen rebeather)、半闭式潜水呼吸器(semi-closed circuit rebreather)和密闭式潜水呼吸器(closed circuit rebreather)。

1.1 纯氧闭式潜水呼吸器 纯氧闭式潜水呼吸器采用纯氧气源，以0.7～1.0 L/min的速率通过定量阀不断供入呼吸袋，蛙人吸取呼吸袋内的气体，呼出的气体进入二氧化碳吸收装置净化后，返回呼吸袋再次供蛙人呼吸[8]。纯氧闭式潜水呼吸器的特点是以较低的质量流量将纯氧气体供入呼吸袋，供气不足时，可按需手动或自动补气，因此排出呼吸器的气体较少，基本上不产生气泡。为将吸入气中的氧分压控制在安全范围内，使用纯氧闭式潜水呼吸器时，必须严格限制潜水深度以防氧中毒，一般限制在7 m以浅[9]；在下水之前，蛙人必须进行换气，充分置换出呼吸回路中的氮气，保证纯氧呼吸。纯氧闭式潜水呼吸器气体利用率较高，噪声小，隐蔽性高，由于其结构简单、水下机动性好、操作方便，适用于狭窄、弯曲水域、隧道作业以及军事作业[10]。

美国的MK25是较常见的纯氧闭式潜水呼吸器，其工作深度为25 fsw以浅，工作时间4 h；法国AQUALUNG公司的FROGS纯氧闭式呼吸器工作深度7 m以浅，持续工作时间4 h；英国的SHADOW纯氧闭式呼吸器的显著特点是连续工作时间较长，可达6 h(见图1)。此外，法国的OXYGENS 57、德国的LAR等也是较常见的纯氧闭式呼吸器。

图1 纯氧闭式潜水呼吸器

1.2 半闭式潜水呼吸器 半闭式潜水呼吸器采用氧质量恒定的供气方式，一定氧配比的混合气经流量控制装置后，以一定的质量流量供入吸气袋，人体吸取吸气袋内的气体，呼出的气体进入呼气袋，然后经二氧化碳吸收装置除去二氧化碳后，返回吸气袋中供蛙人呼吸[11]。半闭式潜水呼吸器的气源是一定含氧量的混合气，不同深度下，供入呼吸袋的气体的氧浓度和质量流量是固定的，在定量供氧的同时也定量供入了惰性气体。为避免惰性气体在呼吸回路中积累太多，必须通过呼吸袋上的排气阀定量排放。因此，半闭式潜水呼吸器消耗的气体虽然仅为开放式潜水呼吸器的1/3，但其气体利用率与纯氧闭式潜水呼吸器和混合气密闭式潜水呼吸器相比还有一定差距。

使用半闭式潜水呼吸器，吸入气中的氧分压在潜水过程中是动态变化的，与水下工作负荷和潜水深度相关。相同潜水深度下，工作负荷越大，蛙人吸入气中的氧分压越低，当工作负荷超过呼吸器的设定工作负荷，可能发生缺氧症；当潜水深度超过设定深度，则存在氧中毒的风险[12]。从减压安全考虑，一般采用最大摄氧量条件下的氧分压计算减压方案[13]，这样减压时间就会相应增加。

基于半闭式潜水呼吸器的上述特点，为规范使用，保证潜水安全，首先应根据作业任务，选择合适的半闭式潜水呼吸器。国际上半闭式潜水呼吸器型号较多，不同型号设定的最大耗氧量也不同，如英国海军采用3 L/min作为最大耗氧量，而德国的Dolphin设定的最大耗氧量为2.5 L/min，因此应选择设定最大耗氧量大于预计潜水负荷的半闭式潜水呼吸器[14]；其次，选拔蛙人时应限制体质量，避免由于个体质量过大导致耗氧量超出设定的最大值[15]；半闭式潜水呼吸器多用于确定潜水深度、确定工作负荷以及易控制深度的计划潜水，水下作业期间，应严格按照设定的计划潜水深度和计划工作负荷作业，防止由于超过计划潜水深度发生氧中毒或工作负荷过大导致缺氧症，下水前、水下工作一定时间和上升前，都应进行换气，减压时应减缓上升速度，必要时进行补气，防止缺氧。

德国drager公司的DOLPHIN型呼吸器是典型的半闭式潜水呼吸器，其特点是可事先根据最大下潜深度选择不同的气源配比和不同的定量孔。最大下潜深度17、22、30、40 m时，可分别选用含氧量60%、50%、40%、32%的氮氧混合气，平均使用时间分别为120、98、69、46 min；法国的CRABS55型呼吸器在最大下潜深度25、45 m时，分别选择含氧量60%、40%的氮氧混合气，使用时间分别为180、 20 min。此外，常见的半闭式潜水呼吸器还有法国的MIX55、Oxmix97、德国的LARII(见图2)、意大利的AZIMUTH以及我国的SCNR等。

图2 半闭式潜水呼吸器

1.3 密闭式潜水呼吸器 区别于纯氧闭式潜水呼吸器，密闭式潜水呼吸器通常是特指混合气密闭式潜水呼吸器(closed circuit mixed-gas rebreather)。这类呼吸器采用纯氧和稀释气体(通常是压缩空气、氮氧混合气、氦氧混合气或氦氮氧三元混合气)作为气源，通过氧传感器和电磁阀的控制，保持蛙人吸入气中的氧分压恒定：如呼吸袋内氧分压低于设定值，电磁阀打开，纯氧气体通过控氧阀进入呼吸袋；如呼吸袋内氧分压超过设定值，电磁阀关闭，纯氧气体不再进入呼吸袋[16-17]。下潜过程中，呼吸回路气体受压缩时，稀释气通过按需供气阀供入呼吸袋，从而维持呼吸回路的体积。稀释气还可在系统出现故障时，作为应急开放式备用气源使用。

密闭式潜水呼吸器除了在下潜过程中需要补充稀释气体外，到达一定深度后，只需要根据需求补充氧气，以维持潜水员的代谢消耗，整个潜水过程中，氧分压自动控制在预设水平，除了意外情况或上升时，一般不会排出气体，因此气体的利用率非常高，噪声非常小。同时，由于密闭式潜水呼吸器能使呼吸回路中的氧分压保持基本恒定，在减压过程中，使用了最大可能的氧分压，可以加速减压过程，减压效益远远优于半闭式潜水呼吸器[18]。密闭式潜水呼吸器在各部件稳定工作的情况下，一般不会发生缺氧症或氧中毒，加上其水下工作时间长，隐蔽性好的优点，非常适合军事潜水。但是这类呼吸器结构比较复杂，价格昂贵，对维护保养和操作技能要求比较高，在水下存在氧传感器和控制阀失灵导致供氧障碍等问题[19-21]。因此，使用密闭式潜水呼吸器时，潜水员必须经过充分的培训，下水前必须按照要求仔细检查电子元器件的工作状态，并严格按照操作程序开展水下活动[22-25]。

英国的Inspiration(图3)是典型的密闭式潜水呼吸器，使用空气作为稀释气时，极限深度为40 m，使用氦氧混合气作稀释气时，可潜至100 m。美国海军使用的密闭式潜水呼吸器为MK16(图3)，该呼吸器使用氮氧混合气作为稀释气时，最大下潜深度为45 m，使用氦氧混合气作稀释气时，最大下潜深度91 m[26-27]。丹麦的JJ-CCR、美国的CCR2000、德国的SF2-eCCR等均属于密闭式潜水呼吸器。

图3 混合气密闭式潜水呼吸器

2 发展趋势

2.1 优化二氧化碳吸收装置 循环式呼吸器与开放式呼吸器相比，一个最显著的特点是节约了呼吸气体，延长了水下工作时间。影响水下工作时间的因素除了气源的使用时间外，二氧化碳吸收装置的使用时间是另一个决定因素[28]。研制体积小、吸收效率高的二氧化碳吸收装置是今后循环式呼吸器发展的一个重点。一方面可从二氧化碳吸收剂的成分、颗粒形状和颗粒大小等方面开展深入研究，研制高效的二氧化碳吸收剂[29]；另一方面，研究二氧化碳吸收剂罐形状、材料、内部结构等对吸收反应的影响，从而优化二氧化碳吸收剂罐，提高吸收能力，延长使用时间[30-32]。

2.2 提高氧分压和二氧化碳分压监测能力 有效的氧分压和安全的二氧化碳分压控制是保证循环式呼吸器使用安全的关键，国外资料统计，使用循环式呼吸器导致的事故中，由于吸入不当气体导致的事故约占55%[33]。半闭式潜水呼吸器通过控制蛙人的水下工作负荷和工作深度达到控制氧分压的目的，但是蛙人在水下工作时情况复杂，极有可能发生工作负荷超过设定量和工作深度超过设定深度的问题。为此，在半闭式潜水呼吸器中配置氧分压监测系统是今后的发展趋势。循环式呼吸器通过二氧化碳吸收装置控制二氧化碳分压，但迄今未见有呼吸器用的二氧化碳传感器的报道，因而蛙人在潜水过程中无法获知二氧化碳分压，如果发生未按规定填装二氧化碳吸收剂、使用了用过的吸收剂、吸收剂罐进水、水温较低吸收效率不好等问题，蛙人将在无预警情况下发生二氧化碳中毒，因此很有必要研制用于水下呼吸器的二氧化碳监测系统。

2.3 提高人机工效 蛙人呼吸器是蛙人进行水下活动的必需装备，既要确保蛙人在水下的安全，又要方便使用[34-35]。蛙人呼吸器的人机工效直接关系到作业效率，甚至影响到水下的安全性。通过人机工效设计，减少呼吸阻力、缩小呼吸死腔、减小体积重量，提高佩戴和操作的舒适性和灵活性，并保证易装配、易维修、易储存是蛙人循环式呼吸器始终追求的目标。

2.4 开发特定用途的呼吸器 根据特定的潜水用途，研究开发特定用途的循环式呼吸器是现代循环式呼吸器的趋势。如针对水下布雷、排雷等特殊作业任务，研制无磁或低磁呼吸器；针对远距离破袭作战，研制与蛙人输送艇配套使用的长时间循环式呼吸器；针对大深度科考潜水，优化氦氧循环式呼吸器等等。为满足多样化潜水任务，研制纯氧闭式和混合气半闭式相结合的呼吸器也是今后的发展方向。这类呼吸器在浅深度采用纯氧呼吸，相当于纯氧闭式呼吸器，在深度较大时，采用定量供混合气的呼吸方式，相当于半闭式潜水呼吸器，气体的转换由蛙人在水下完成。这样设计的优点是浅深度纯氧闭式呼吸的隐蔽性好，且有利于缩短减压时间，可改变纯粹的半闭式呼吸器减压时间较长、浅深度隐蔽性不足的缺点。

3 结语

循环式呼吸器是蛙人进行水下侦查、清障布障、破坏敌方港口设施等特种任务，以及执行海上反恐作战、收复岛礁、破袭作战、执行保卫港口和水下警戒以及科考潜水时的必备器材，发达国家基本都自主研制各种类型用途的循环式呼吸器。我国近年来也开展了相关研究[36-38]，研制了定量供氧的半闭式呼吸器，但尚未开展恒氧分压密闭式潜水呼吸器的研究。借鉴国外技术方法，深入开展自主知识产权的多种类型的蛙人循环式呼吸器研制，规范循环式呼吸器的使用是下一步工作的重点。