一种新型水上救援抛投弹的设计*

熊林林，刘士林，李冬清，杨晓琳，李雨航

（佳木斯大学机械工程学院，黑龙江佳木斯 154000）

0 引言

根据世卫组织公布的数据，全球每年死于溺水者达37.2万人，而中国这样的问题更加严重。中国疆域广阔，水域面积较大，且部分地区多洪涝灾害，每年溺水伤亡比比皆是。据中国卫生部发布的数据显示，中国溺水死亡的人数占非正常死亡人数的8.77%，每年有57 000 人溺水死亡，仅在2007年全国溺水死亡的就高达11.7万人[1]。大家都知道落水救援分秒必争，在一般情况下，落水者溺水5 min内被打捞上岸，有90%的可能性被抢救过来，若是溺水5～10 min，则有10%的可能性被抢救过来，而若溺水时间超过10 min，除非有奇迹，溺水者几乎无生还可能。快速高效的救援可以挽救许多落水者的生命，中国虽然有庞大的需求市场，但水上救援市场存在救援设备简陋，大多需要施救人员下水救援，下水救援有潜在危险性，因此需要一款无需人员下水的高效水上救援的人性化设备，来提高水上救援效率[2]。抛投器将救援抛投弹抛出去后，救援弹就不受救援人员控制了，其准确落点无法确定，无法满足快速精确救援的目的，且现有救生抛投器抛投精度不足，入水后救援抛投弹无法移动修正方位，针对这些问题，本文对现有水上救生抛投器的抛投救援弹进行理论设计，旨在提高救援抛投器的救援效率，使其胜任大部分水上救援任务，挽救更多落水者的生命以及避免下水施救的潜在危险性。

1 新型水上救援抛投弹结构设计

1.1 基本整体结构

如图1 所示，新型水上救援抛投弹由供能控制模块、气囊释放及充气模块和喷水推进及转向模块组成。通过PTC Creo 软件采用TOP-DOWN 自顶向下的设计方法，设计出救援抛投弹的各个功能模块，并将各个功能模块进行拆分出来[3-4]；抛投救援弹外形采用拉长的水滴型，便于救援弹在水中的移动，壳体采用高强度ABS 材料制成，坚固耐用，抗一定的冲击力，且救援抛投弹外壳由多个壳体以螺纹连接而成以及连接处有密封橡胶环来保证连接处的密封性，这样设计，便于更换电池和气瓶以及便于维修和更换模块。当壳体全部连接好后，抛投弹内部的空腔可以保证抛投弹能浮在水面上，并且抛投弹内部设备都位于一侧，可使抛投弹抛入水中永远都是另一侧朝上。

图1 新型水上救援抛投弹

1.2 气囊释放及充气模块设计

气囊释放及充气模块设计如图2 所示，气囊材料采用高强度TPU 尼龙材料，拥有足够的强度，使用救援抛投弹前，将撞击杆拉到指定的距离后，通过释放杆与撞击杆底部凹槽相互配合锁定，储备撞击撞针的能量。当抛投救援弹入水后，并接收到相应遥控信号后，舵机带动螺纹杆转动，释放杆随着螺纹杆转动而下降，解除与撞击杆的锁定状态，拉簧的弹力转化为撞击杆的撞击撞针的动力，撞针受到撞击刺破气瓶瓶口，二氧化碳气瓶内的液体二氧化碳迅速汽化，汽化后的二氧化碳高压气体快速为气囊充气[5]，气囊膨胀并将抛弃壳顶开，以此实现气囊释放及充气的功能，为落水者提供浮力，保证落水者在等待下一步救援时能在水面上正常呼吸。

图2 气囊释放及充气模块

1.3 喷水推进及转向模块设计

如图3 所示，喷水推进及转向模块由推进部分和转向部分构成。电机采用40 A无刷电机，功率为300 W，电机KV值为3 500 kV，转向舵机采用9 g全金属舵机，扭矩为4.6 kg/cm，速度为0.09 s/60°，工作电压为4.8～6 V；通过无刷电机带动桨叶高速运转将水从船底孔吸入，经舷部管子把水锥形的直流喷口高速喷出，靠水的反作用力来推进抛投救援弹，以此为救援抛投弹在水中前进提供所需的动力。通过转向舵机、转向导杆、直齿圆锥齿轮的相互配合控制高速喷出的水流喷出方向，从而改变救援弹的移动方向。推进部分与转向部分相互配合，可将救援抛投弹准确无误地送达到落水者身前，极大提高了落水救援的成功率[6-7]。

图3 喷水推进及转向模块结构示意图

1.4 供能控制模块设计

救援抛投弹的控制系统如图4所示。控制模块采用PWM/SBUS双信号、6通道2.4 G无线设备作为无线控制的核心，可保证无线遥控拥有抗干扰能力，该遥控设备有效遥控距离在800 m以内，可以满足大部分水上救援任务。救援抛投弹的所有功能模块均受无线遥控设备的控制，通过2.4 G无线遥控设备可以控制抛投弹在水中的前进和转向、以及气囊的充气释放，通过各个功能模块的相互配合来救援落水者；电源模块采用一块2 300 mAh_3S_11.1V_25.5 Wh 的聚合物锂电池供电，为系统各个部分供电，可满足绝大部分距离下的救援任务[8]。

图4 救援抛投弹的控制系统框图

2 新型救援抛投弹工作流程

新型救援抛投弹的工作流程如图5 所示，根据落水者离岸边的远近，选择抛投方式。救援近岸落水者，采用手抛的形式将救援弹抛到落水者附近，通过救援弹上电机和舵机的配合将救援弹送到落水者面前，该模式下不用打开气囊，救援弹外壳上挂有救援绳，落水者抓住救援绳，被岸边的救援人员拉上岸。若距离较远且在安全绳的长度范围之内，可以通过气动抛投器进行远距离抛投救援弹，当救援抛投弹入水后，岸上的施救者在通过无线遥控装置，利用救援抛投弹的推进及转向模块进行方位修正，将救援抛投弹遥控到落水者面前，再远程遥控打开气囊释放及充气装置，为气囊充气，落水者抓住气囊可使落水者浮在水面上，保持落水者的有效呼吸，然后通过救援抛投弹外挂的救援绳，将落水者拉回岸边，以此达到快速精准救援目的，也避免了施救者下水救援的危险性。

图5 救援流程图

3 结束语

中国疆域广阔，水域面积较大，且南方地区多降雨，易引发洪涝灾害，导致溺水事件频繁发生，而落水救援却十分困难且具有一定的危险性，为了解决此问题，结合现有救援设备的缺点，进行改进设计。本文针对现有救生抛投弹抛投到水后无法进行方位修正，可靠性不高、救援难度大等问题，对现有救援抛投弹进行重新设计改进，从而研发一款新型救生设备，该设备适用于不同距离下的水上救援任务。该款救生设备是在现有救生抛投器的基础上，对原有救援抛投弹进行设计改进，使救援抛投弹在抛射到水中后，仍然具有方位修正的能力，以此提高救援的效率以及成功率，使落水者能够得到及时的救援，挽救落水者生命安全，避免了施救人员不必要伤亡，能够胜任绝大部分水上救援任务。该设计具有较强的应用价值，且制作成本较为低廉，原理简单，容易上手，可大规模推广，有很好的应用前景。