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饱和潜水:潜水员与深海高压的较量

来源:安博竞技    发布时间:2024-10-23 03:19:27

  在只有一件宇航服的保护下,人类已经将足迹留在了38万公里以外的月球。但在只有一件潜水服的保护下,人类只到过大海深处几百米。可谓上天易,入海难。

  1月20日9时,经过饱和潜水试验和13天的减压,参加饱和潜水专项试验的海军北海舰队某防救生支队4名潜水员依序出舱,创造了330.2米的全国饱和潜水新纪录。这330.2米意义巨大:它将人体直接暴露于34个大气压的深海高压环境下,每平方厘米的身体承受的压力为34公斤力。堪称一场潜水员与深海高压的战争。

  深潜面临的是高强度的海底压强,以肉体之躯对抗这种压力绝非易事,潜水员必须与氮麻醉、减压病等一个个难题作斗争

  在清澈的海水中潜游是大多数人梦寐以求的事情,但是,如果面临的是高强度的海底压强,这件事情就与享受没有一点关系了,挑战甚至是危险都相伴左右。参与此次饱和潜水专项试验的人员形容自己当时胸口像是压了一块大石头,实际上,在330米的深度,潜水员所要承受的压强是地面生活的30多倍,身体每平方厘米所要承受的压力约为34公斤力。

  在已知的生物中,不乏生活在深海的一些抗压高手,它们生活在数百米甚至上千米的海底,以柔弱之躯挑战高压。这些鱼类的生存之道就是借助压差流通机制,让体内的压力与外界的海水压力之间形成平衡。同样,它们的身体结构特殊:骨骼变薄,易弯曲;肌肉组织特别柔韧,纤维组织变得出奇细密;鱼皮组织仅仅是一层非常薄的层膜;生理组织充满水分。

  鱼类的生存之道给人类深潜一些启示:通过吸入气体在人体内形成分压,与体外的压强之间形成一种平衡,就能够尽可能的防止被“压坏”。

  一个训练有素的潜水员直接潜入水下几十米深,可以呼吸压缩后的普通空气。但随着下潜深度增大,人所承受的海水压力越大。每下潜10米,人体承受的压力便增加1个大气压。如果在更高压力下,依然呼吸由氮气与氧气组成的普通压缩空气,极易引发“氮麻醉”,这足以致命。

  想要安全深潜,含有氮气的普通空气已经不能够满足需求,取而代之的是氦气等惰性气体与氧气的混合空气。与氮气在高压下较容易溶解于人体的脂肪与神经组织不同,氦气的溶解率只有氮气的40%。氦分子的体积也非常小,其在人体内扩散速率是氮气的2.5倍。所以使用氦氧混合气体不仅能减少麻痹现象,也可利用它迅速扩散的特性,缩短减压时间。

  解决了潜水员赖以生存的空气问题,另一个挑战又来了——“减压病”。就算那些抗压高手深海鱼,也同样面临这样的一个问题:把它们迁移至浅海时,它们将会爆炸、死亡。

  这不仅使得潜水作业的时间受到很大限制,也增加了一定的危险性:使用氦氧混合气的直接潜水深度能到达100米左右,当潜水员作业完成以后,需要漫长的水下减压时间,即让身体内溶解的氦气等惰性气体随着压力的减小而释放出去。如果减压正常,溶解于血液以及组织内的氦气将会汇集到肺泡中被呼出,对人体无害;但如果减压过快,溶解的氦气等将会在几秒内形成气泡,对人体组织造成极大的损伤。

  在300米的深海里,潜水员要承受31个大气压,相当于人体每平方厘米要承受的压力约为31公斤力,“感觉骨头都贴在了一起”

  为了解决以上问题,1957年,美国海军潜水生理学家Bond提出了“饱和潜水”的概念,将人类的潜水深度增加了数百米。在此之前,美国的一位乡村医生经过和同事们反复试验,发现人如果在高压下逗留一段时间,其血液及组织里溶解的气体就会达到饱和程度。

  “饱和潜水”指的是创造出地面上的高压环境和条件,使潜水员体内各组织体液中所溶解的惰性气体达到完全饱和的程度。保持压力不变的情况下,潜水员体内溶解的气体不会再跟着时间的增加而增加。呼入的气体与呼出的气体数量也是相等的,从而让人体与外部的压力环境形成一种平衡。

  以本次330.2米饱和潜水试验为例,潜水员在符合330.2米水深压力的环境下进行加压,一段时间后,体内组织溶解的惰性气体达到饱和。此时就可通过潜水钟这一运送装置将潜水员送达作业水深。在工作的时间内,潜水员体内的压强从始至终保持不变,与外部平衡。最重要的是,减压时间不会随着作业时间长度而改变,大幅度的提升了潜水的效率和安全性。

  按照潜水深度的不同,潜水员加压至体内溶解气体饱和的时间和减压的时间也各不相同。潜水的深度越大,加压时间越长,减压时间也会越长。而且,随着深度的增加,配给给潜水员水下呼吸的空气组成比例也会不同。一般而言,深度越大,含氧量将慢慢地减少。如果氧气含量过高,在高压环境中会造成氧中毒。据悉,饱和潜水100米以内呼吸的气体,氧气含量在6%左右;300米水下呼吸的气体,含氧量只有1%左右。

  “为保证试验万无一失,支队专门成立了指挥所、装备保障组、潜水组、医疗保障组等各领域骨干组成的专家团队,并先后制定了10余份方案预案和详尽完备的安全风险评估报告。”饱和潜水试验指挥员王鹤鹏副支队长说。

  1月4日13时26分,经过层层挑选,4名潜水员进入甲板居住舱。在从1个标准大气压情况下加压到相当于水下300多米的31个大气压期间,指挥组不断调节加压阀门,控制加压进度,并在此间采用心理、医疗、营养等干预措施,帮助加压舱内潜水员调整状态。约18个小时后加压完成。下一步即准备将生活舱、过渡舱、潜水钟进行对接,并进行硬密封。这一过程在工作母船甲板上完成,三舱的压力一样。

  5日22时38分,徐晓、张恒银、李勇3名潜水员从生活舱经由过渡舱进入运载设备潜水钟,前往目标深度。高杰作为替补,留在生活舱待命。

  到达目的地之后,潜水员出舱开始作业。在300米的深海里,潜水员要承受31个大气压,比在陆地上多30个大气压,相当于人体每平方厘米要承受约30公斤力的压力。据饱和潜水员介绍,“在这种压力下,人感觉就像被挤压住了一样,骨头与骨头贴得很紧,抬下手、动动脚都很费力。”

  3名潜水员完成一系列规定动作后,最终在深海330.2米的地方返回潜水钟。6日8时,完成海底巡潜任务的3名潜水员,乘着潜水钟返回了“海洋岛”号,并进入生活舱开始减压,从31个大气压减到正常1个大气压状态,需要近14天的时间。

  中国在饱和潜水技术上发展十分迅速。此次试验成功摸索出一套科学、实用的大深度潜水程序,为深海作业奠定基础

  按照国际惯例,当潜水作业深度超过120米、时间超过1小时,一般就采用饱和潜水。这也是唯一一种可使潜水员直接暴露于高压环境中开展水下作业的潜水方式,已大范围的应用于失事潜艇救援、海底施工作业、水下资源勘探、海洋科学考察等军事和民用领域。

  “此次试验是中国海军首次将具有完全自主知识产权的饱和潜水技术应用于实际潜水作业,300米深海终于有了中国海军潜水员的身影。”在接受各个媒体采访时,王鹤鹏如是说。

  支队长刘杰表示,300米是世界大多数潜艇的极限深度,能否在这个深度进行高效的潜水作业,关系到打通高效精准进行援潜救生“最后一公里”的核心问题。同时,它对提高沉船打捞、水下施工、海洋资源勘探开发等作业能力,推动潜水医学进步,都具备极其重大意义。

  “这个设备是我们自行设计,中国制造,能够安全达成目标,就证明了我们设备的技术指标和性能达到了安全的要求。在该领域我们也就有了自己的话语权和能力,没有这项技术你就受制于人。”海军军事学术研究所研究员李杰说。

  “在饱和潜水技术上中国起步比较晚,但发展确实比较快。2014年的首次300米饱和潜水到今年的海军330米,虽然只是多了几十米,但这是一个突破。”李杰说。2014年1月12日5时09分,3名潜水员圆满完成中国首次300米饱和潜水海底出潜探摸作业,巡回深度达到313.5米。

  中国海军医学研究所早在1975年就开始做饱和潜水动物实验研究,这也开辟了中国饱和潜水的研究进程。1976年,海军医学研究所建立了中国第一座饱和潜水实验舱。

  此次试验的成功,不仅成功摸索出一套科学、实用、安全的大深度潜水程序,还创新了一套先进、完善、有效的深潜医学监护和干预手段,掌握了一批深潜环境、深潜技术、深潜程序的技术参数,为今后大深度饱和潜水的实战化运用奠定了坚实的基础。

  “随着人类海洋行动的增加,相关海域的活动会大幅度增加,人类在海底进行更多的矿产资源如天然气、可燃冰等的开采,大深度饱和潜水可以使勘探中出现的一些问题得到及时发现和解决。”李杰说。

  试验开始之前的潜水员选拔工作很重要。李杰对南方日报记者表示,大深度饱和潜水员的选拔和航天员一样有特殊的标准,要检查牙齿咬合度、心肺功能、高气压下硬骨管通气功能等,对整体体质的要求特别高,“毕竟要在海底出舱作业,某一些程度上比太空还要可怕。还要具备相应的知识储备和技术掌握等,是一个综合的指标。”

  潜水员在参加试验之前,要先进行5个月的深潜医学、高气压心理学、防救打捞技术等专业理论学习,同时还会邀请潜水专家、医学教授等专业技术人员进行有关专业相关知识的授课。而且还要从码头训练、30米潜水训练、60米邦司潜水训练到最终的300米饱和潜水试验,分阶段、分层次对潜水员进行加压、体能、心理等专项训练,让潜水员们从身体上和心理上战胜超高压环境带来的恐惧情绪。

  这次试验配备了具有完全自主知识产权的饱和潜水技术,以及中国自行设计和中国制造的饱和潜水系统设备。包括甲板居住舱、过渡舱、潜水钟、潜水钟吊放系统、生命支持系统和中央控制室,以及潜水员热水供应、气体供应、氦气回收系统和观察通信、供电等设备。

  甲板居住舱是供潜水员加压、饱和深度停留和减压使用的主要舱室。舱内有卧室和起居室,设有供氧、二氧化碳吸收、温湿度控制等装置。在这里,潜水员的一些活动都被严格控制。

  生活舱长11米、宽3.8米、高3.5米。舱里有6个上下设置的床铺,中间过道不到50厘米宽,床宽90厘米。没有白天黑夜的感觉,睡觉不能关灯。由于容易疲劳,一天睡12个小时以上。

  潜水员有专门的厨师做饭,饭菜通过生活舱上一个圆柱一样的洞送进来。潜水员不能吃硬的,会损伤牙齿;不能吃黄豆等容易放屁的食物;不能吃萝卜、韭菜等味道重的食物,以免污染狭小的环境;米饭、馒头被挤压粘在牙上,很难受,需要使劲咀嚼才能吃下去;高压让味觉变迟钝,饭菜也吃不出咸味。