多功能恒温救生衣设计

陈嘉龙

（重庆交通大学，重庆 400074）

0 引言

近年来，船舶失事时有发生，而救生衣就成为了失事人员求生的依靠，但传统救生衣存在些许不足，例如保温性能差，缺乏救援系统等。受此启发，研究设计了一款多功能恒温救生衣，它将搭载发电模块、供热模块、集成电路模块和求救模块，希望能够提高失事人员的获救概率。未来的适用性广阔，发展前景好。

1 研究背景

我国是一个航海大国，在乘船航行中，人们最害怕也最不愿意遇见的，莫过于船舶失事。穿好救生衣，等待救援是落水者唯一能做的，但十分不幸的是，有许多人等不到救援人员前来解救。除去极端的因素，低温是威胁落水者生存的重要因素。大多数遇难人员不是在海水中溺水而死，而是在冰冷的水中冻死的，尤其是在夜晚，低温会对人们产生不可逆的影响。据研究表明，一般人体在低温水域中的生存极限如下：穿着普通的衣服并保持静止，在海水中的存活时间为：0 ℃以下海水，只能耐受几分钟；1 ℃海水，7 min；2 ℃海水，15 min；2.5 ℃海水，30 min；5 ℃海水，60 min；10 ℃海水，3 h；10～15 ℃，少于6 h；15-20 ℃，少于12 h；超过20 ℃，不定（视疲劳程度而定），能在0～4 ℃冰水混合物中坚持30 min 的人是少数中的少数。这是因为人体温度一般不低于35 ℃，长期处于低温中，体细胞受不了就会发生紊乱，血液也流动不畅，造成缺氧，人会进入昏迷状态。“泰坦尼克”号船上千人落入海水中，当时海水中有很多被撞碎的冰山冰块，大部分人在10 min 内被冻死[1]。传统的水上救生衣一般是由外部面料、内里浮力材料和配件组成，并不具备保温性能，因而当落水人员浸泡在冰冷的海水中，长时间处于寒冷的状态时，最终会导致能量耗尽而亡。恒温救生衣的保温功能就能解决这一问题。

2 设计方案

设计的救生衣主要由四个模块组成，分别是太阳能发电储电模块、供电发热模块、集成式控制模块、求救模块[2]。太阳能发电储电模块是由薄膜式太阳能板和微型铅蓄电池组成，实现太阳能的发电及储存的功能，为后续的供热模块以及集成电路等模块提供能源支持；集成式控制模块由微控制器和外围电路组成，实现保护电路及防止过充等功能；求救模块由北斗导航全球定位、声波发射器和高亮LED 灯组成，实现精准定位及无线求救，也提高了夜间救援获救的概率[3]。这种新能源的恒温救生衣主要是以太阳能为能量，帮助解决海上救生衣不能及时发出求救信号的困境。太阳能光伏发电可以有效的将太阳的辐射能量转化为电能，通过太阳能电池组件、控制器、蓄电池组、直流-交流逆变器、直流负载和交流负载等部分，将光伏发电制造和储蓄的能量，作为发热模块提供能源支持，从而减少人体体温的流失。

关于恒温救生衣的发热，恒温救生衣的发热不能只靠太阳能，这是很难做到的。这款恒温救生衣还采用了原电池原理，在救生衣内部加入化学试剂，在救生衣上通过手拉动充气阀上的拉索使救生衣内部的化学试剂和外部空气接触，空气透过救生衣表面与填充物接触发生原电池化学反应放热，利用原电池来加快氧化反应速度，将化学能转变为热能。为了使保温效果更好，产品将采用矿物材料蛭石来保温，受热膨胀的蛭石有细小的空气隔层，有很好的保温效果。使用后的保暖层的反应废料产物为少许黑褐色固体，几乎没有重量，不影响整体使用[4]。方程式如下所示。

不仅如此，这款恒温救生衣还与现代先进的通讯技术相结合，将一部分太阳能发电产生的电能来为相关的求救设备提供能量，在独自遇难时可以向相关部门发出求救信号，在尽可能短的时间内得到相关部门的救援。救生衣的定位系统是我国研制的北斗卫星导航系统，是继美国GPS、俄罗斯格洛纳斯之后第三个已经投入实际运行的卫星导航系统。我国的北斗三号全球卫星导航系统于2020 年7 月31 日正式开通，可为全球的客户提供基本导航、定位、测速、授时、全球短报文通信和国际搜救等服务。地面指挥中心、北斗卫星、指挥型用户机、救生型用户机构成了我国北斗搜救体系。其中救生型用户机是一种可以方便携带的终端设备，它具有小型化、工作待机时间长、方便被救人员携带等特点；指挥型用户机一般被装备在搜救直升机、搜救车辆或者搜救船只上。终端设备可依靠RNSS 实现精准定位，通过短报文将自己的位置快速发送到北斗卫星和指挥型用户机上[5]，如图1 所示。通过这一方式，使被困人员及时发出求救信号，避免错过黄金救援期。

图1 北斗搜救系统示意图

助划蛙类手套可以帮助落水者离开危险的海域，以寻求救援。有调查显示在海上求生的时候寻常的游泳方式都可能对人造成很大的危害，如自由泳或蛙泳当头在水下时看不清海上的风浪很容易受伤，也看不清前进的方向，最安全的就是狗刨式游泳，而助划蛙类手套可以减少落水者游泳时的体力消耗，增加前行的距离，尽快逃离事故发生地，以免造成二次受伤。

一键穿戴按钮。在海难事故发生时，如果落水人员能将救生衣穿戴规范，那他们至少有生存下来的可能，但现实情况是，由于事发突然，人们很难冷静下来的，在这种情况下常常有人因为救生衣穿戴不规范、不及时而导致死亡。例如穿救生衣安全绳没系紧或者没系，跳入海中的瞬间，救生衣很容易顺着水压从人的颈部脱落；或者由于救生衣迅速浮起后，顺着身体向上卡在人的颈部，这时人的身体还在下沉，这一上一下，容易造成遇难者呼吸困难，进而溺水[6]。现有的救生衣都是需要人员自行系带或者扣安全扣，在危急情况下，存在穿戴不规范的问题，至此救生衣的保护功能并不能发挥作用。因此，此款新型救生衣增加了一键穿戴按钮，帮助落水人员在危急情况下也能规范快速穿好救生衣。这款救生衣的一键穿戴按钮与橡皮带相结合，只要按下一键穿戴按钮，按钮带动的外部的橡皮带缩紧，根据人员的体形自动穿好救生衣。

这款新型救生衣还配备了便携式可折叠海水淡化袋。这种可折叠式的海水淡化袋采用吸嘴袋设计，整体包括连接式旋盖、袋体、吸嘴过滤器及进水口。旋盖用于开合淡化袋，同时采用连接式设计，用将旋盖和袋子连接在一起，防止盖子在海水流动中遗失；袋体内设有容置腔，用于装置需要淡化的海水；吸嘴过滤器设有与容置腔连通的出液腔，同时有类似针筒的小管与之连接，小管通过高选择性的反渗透膜进行溶质和溶剂的分离，即将海水中的盐和杂质胶体等分离出去，得到可以饮用的淡水；进水口位于海水淡化袋的底部，用于灌入海水。这种简单的操作方式，使被困人员能很好的掌握这种可折叠海水淡化袋。在海上的暴晒会使人体水分快速流失，所以这种海水淡化装置是必不可少的。

多功能恒温救生衣除了以上功能和配件，还对传统救生衣的浮力材料进行了改进，来提高穿戴救生衣时的舒适度。市面上现有救生衣的浮力材料主要是聚乙烯泡沫塑料，通过将裁剪或切割好的泡沫块填充到包覆面料中，但是由于泡沫多采用裁剪或切割方式，边角各处厚度一致，和人体的贴合性能差适体性差，不便于人体弯腰、下蹲或进行其他活动[7]。穿戴救生衣时间过长，舒适度、灵活的也会有所降低，这就对于被困人员来说又是一种肉体和精神的双重折磨，良好的体验感可以给被困人员提供一种鼓励与安慰，通过良好的设计体验，提升人员的穿戴意愿，从而减少海上遇难的发生，这也是设计这款多功能恒温救生衣时着重考虑的。这款多功能恒温救生衣上采用了NBR/PVC 软质闭孔泡沫塑料，这是一款回弹性好、手感柔软、吸水性小的NBR/PVC 共混泡沫塑料，这种材料就非常适合应用于救生衣中。良好的回弹性可以提升穿戴人员的舒适性和灵活性，较小的吸水性就可以尽可能的提高救生衣的浮力，提高救生衣的使用时长。针对传统救生衣各边角厚度一致、贴合性差的情况，这款多功能恒温救生衣采用人体结构设计、其厚度从中间到边角是逐渐过渡由厚变薄，穿用后和人体贴合为一体，整体结构简单、美观大方，适合水上作业使用也适合落水人员的自救。

在此基础上，救生衣的两面贴了多条反光条，在救生衣的侧边配备了爆闪灯，这有利于夜晚救援人员的施救，也能引起过往船只和人员的注意，提高获救的可能性。

3 创新点

（1）在传统救生衣与太阳能板相结合，采用原电池原理为恒温救生衣，提供一定的热源。

（2）海上的光照十分充足，可以很好利用太阳能，为恒温救生衣提供一定的能量，绿色环保，符合我国现阶段的发展理念。

（3）采用原电池原理的恒温救生衣安全，环保，高效。

（4）采取了先进的北斗导航定位系统，可以避免将来的技术垄断。

（5）提出助划蛙类脚蹼手套与新型救生衣相结合，提高落水人员的获救概率和存活率。

（6）将新型救生衣和可折叠海水淡化水瓶相结合，为遇难人员提供了一定的淡水有效维持着遇难人员的生命，提高他们的存活概率。

（7）采用了NBR/PVC 软质闭孔泡沫塑料，使穿戴人员的灵活度和舒适度得到了全面的提高，它吸水性小的特点使救生衣的效用时间更长、更安全。

（8）与目前市面上已有的多功能救生衣相比，这款救生衣功能更多，更齐全。

4 产品前景

（1）中国是一个海洋大国，船舶业十分发达。船舶业的日益蓬勃发展，使远洋船舶的事故发生率会不断增加，因此，这款新型的救生衣可以有很好的市场和应用前景。除了可以应用在远洋船舶中，也可以将它应用到现阶段的体育运动当中，也可以运用到江河流域，适用性非常广阔。

（2）目前市面上的恒温类救生衣品种少，价格昂贵，供暖保暖性能一般，国内市场存在很大的空缺。本产品价格相对较低，原料安全易于推广，易于批量化生产具有非常大的应用前景。

（3）本产品绿色，安全，环保，符合我国的绿色生态发展理念。

（4）在往后本产品还可以增加很多附属的性能在不同的场合发挥着不同的作用。

5 结语

文章设计的恒温救生衣结合了太阳能发电技术，海水原电池技术，北斗导航定位系统技术，蛙类手蹼手套，可折叠海水淡化水瓶，NBR/PVC 软质闭孔泡沫塑料，和现在的传统救生衣相比，不仅提高了海难存活率和获救成功率，还可以应用到海上和生活的抗洪救灾当中，甚至可将其应用于军事方面，为未来的海上安全提供保障。由于其使用范围非常广泛，市场前景十分广泛，在救援当中更加高效便捷安全。