海洋技術 第二章課件

第二章潛水技術第一節(jié)深海探險史第二節(jié)有人潛水系統(tǒng)第三節(jié)無人潛水系統(tǒng)

潛水技術是進行水下作業(yè)如海洋開發(fā)利用以及打撈、救助、觀測的一項重要手段,是指供人員和機具潛入水下環(huán)境的專門裝備和操作方法。第一節(jié)深海探險史四千年前，屏氣潛水采集珍珠貝類。公元前323年古希臘學者亞里士多德和馬其頓王亞歷山大發(fā)明－－潛水鐘。1911年工程師岡斯.加爾曼乘坐自己設計的潛水箱，達458m。1929年威廉.比勃與奧梯斯.巴頓（美）設計了進步世紀“潛水球”，1934年潛深達923m。1949年巴頓在新研制的潛水球中，深潛達1375m。1948年奧古斯.皮卡爾（瑞士）設計了能自動行走的深潛球，下潛到1375米。1953年皮卡爾設計的深潛器“的里雅斯特”號，潛深3700m。1954年法國格.胡奧與皮.維利姆，乘坐“弗恩斯－3”號，潛深4050m。1960年代已突破1萬米70年代以前，主要用于探險和科考70年代以后，主要用于海洋開發(fā)和科學研究，以及近年來的海洋環(huán)境的研究?！暗睦镅潘固亍碧枬撍姖撍撍驖撍撍鳂I(yè)系統(tǒng)有人潛水無人潛水高壓潛水常壓潛水常規(guī)潛水飽和潛水抗壓潛水服有人潛水器有纜潛水器無纜潛水器（一）屏氣潛水和早期的潛水鐘1．屏氣潛水吸一口氣，停住呼吸動作，潛入水下，在耐受極限時間到達之前又急速上升出水，通大氣恢復呼吸動作。這種潛水方式稱為屏氣潛水(breath-holddiving)。

特點:屏氣潛水最明顯的限制是潛水者可用的氣體太少，故潛水的時間不可能長；有利的一面是很簡便，人在水下的可動性相對地好。因此在一定條件下仍不失為一種有用的潛水方式。在西班牙的戰(zhàn)艦上，很長時期都設有不使用潛水呼吸裝置的潛水-游泳專職人員。日本等地的潛水采珠女（海女，Ama），現仍借屏氣潛水（戴護目鏡或面罩）采拾珠貝，約可達40m深度。曾有人屏氣潛水創(chuàng)造了96.3m深度的記錄，當然不可能進行作業(yè)。

屏氣潛水一般都是裸潛(skindiving)，不著保暖服裝，故不可能在水溫低的情況下進行。3．潛水鐘潛水鐘(divingbell)為由倒扣桶發(fā)展而來的"罩器"狀大型潛水裝備。鐘內的空氣供潛水者呼吸。潛水者在鐘內，隨鐘沉到水底，在鐘所覆蓋的范圍內工作。

最早記載潛水鐘，約在公元前300多年（希臘Aristotle）。使用潛水鐘，則在16世紀30年代。那些都是原始的潛水鐘，下潛愈深，鐘內水面愈高，而且鐘內氣體難以更新，直到17世紀末（1690，Halley）至18世紀，才實現了潛水鐘的改進和用壓氣機械與之配套，注壓縮空氣入鐘內，迫使鐘內水面下降與鐘口齊平，鐘內的氣體亦可更新。

潛水鐘，現在有時被稱開（放）式潛水鐘，鐘內壓與所在深處的壓強必相等）現已不常用。但潛水鐘的原理卻被直接或間接地用于沉箱、水底隧道、各型可潛艙（例如水下觀察箱、下潛式加壓艙或人員運載艙等）以及潛水頭盔等?，F在，有些場合，廣義地把某些立式的可潛艙（有底門、艙內壓與所在深度處的壓強可相等亦可不相等）叫做"潛水鐘"，甚至簡稱為"鐘"(bell)。（二）高壓潛水的分類1.常規(guī)潛水——指潛入水下進行短時間作業(yè)后立即減壓回到水面的潛水。又稱“非飽和潛水”。重潛式——由水面供氣，配備重潛服輕潛式——自攜式供氣，通過潛水呼吸器向面罩供氣呼出氣的處理方式①直接排放；②全部回收，經凈化補充氧后使用；③少量排除，大部分回收減壓病發(fā)生的原因：中性氣體溶解在體液中的量隨潛深和時間增加而增加。潛水回到水面時，氣體會從體液釋放出來，血液中出現大量的氣泡，這些中性氣體常為氮氣，所有使人渾身發(fā)癢、肩、肘關節(jié)疼痛、頭痛、呼吸困難、癱瘓甚至死亡。方式：須經減壓過程，慢慢地浮上來。如水深200m，時間20分鐘，需減壓4小時。減壓病依癥狀可分成減壓病一型與減壓病二型，與慢性型減壓病等三種類型。減壓病一型,主要是因為惰性氣體形成氣泡后堵塞于皮下組織、關節(jié)或肌肉之間造成關節(jié)劇烈疼痛，影響行為能力，其主要癥狀有：皮膚發(fā)癢、刺痛、紅疹、關節(jié)肌肉疼痛。

減壓病二型,主要是因為氣體氣泡充塞于人體的呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)或神經系統(tǒng)造成身體機能的嚴重障礙引發(fā)休克與死亡，其主要癥狀有：頭昏、眼花、惡心、嘔吐、耳鳴、暈眩、言語障礙、視覺模糊、四肢麻木、協調困難、胸悶胸痛、失明、休克、死亡。

臨床表現絕大多數患者癥狀發(fā)生在減壓后1～2小時內。在減壓過程中發(fā)病者占總發(fā)病數9.1％，減壓結束后30分鐘內占50％，1小時占85％，3小時占95％，6小時占99％，6小時到36小時僅占1％。減壓愈快，癥狀出現愈早，病情也愈重。（一）皮膚瘙癢及皮膚灼熱最多見。瘙癢可發(fā)生在局部或累及全身，以皮下脂肪較多處為重，主要由于氣泡刺激皮下末梢神經所致。由于皮膚血管被氣泡栓塞，可見缺血（蒼白色）與靜脈淤血（青紫色）共存，而呈大理石樣斑紋。大量氣體在皮下組織聚積時，也可形成皮下氣腫。

（二）肌肉骨骼系統(tǒng)約90％的病例出現肢體疼痛。輕者有勞累后酸痛，重者可呈搏動、針刺或撕裂樣難以忍受的劇痛?；贾３謴澢?，以求減輕疼痛，又稱屈肢癥或彎痛（bends）。疼痛部位在潛水作業(yè)者以上肢為多，沉箱作業(yè)則以下肢為多，主要由于深度較大，時間較長且勞動強度較大之故。局部檢查并無紅腫和明顯壓痛。引起疼痛原因可由于神經受累、血管與肌肉痙攣、局部缺氧、肌腱及骨關節(jié)損傷等。

（三）神經系統(tǒng)大多損害在脊髓，因該處血流灌注較差，特別是在供血較少的胸段?？砂l(fā)生截癱，四肢感覺及運動機能障礙，以至尿潴留或大小便失禁等。如不及時進行有效治療，病變可長期存在。

由于腦部血液供應豐富，腦部病變較少。如腦部血管被氣泡栓塞，可產生頭痛、眩暈、嘔吐、運動失調、偏癱，重者昏迷甚至死亡。特殊感官受累可產生內耳眩暈綜合征、神經性耳聾、復視、視野縮小、視力減退等。

（四）循環(huán)、呼吸系統(tǒng)血循環(huán)中有多量氣體栓塞時，可引起心血管功能障礙，如脈搏增快、粘膜發(fā)紺等，嚴重者并發(fā)低血容量休克。淋巴管受侵，可產生局部浮腫。如大量氣體在肺小動脈及毛細血管內栓塞時，可引起肺梗塞或肺水腫等。

治療（一）特殊治療及時送入高壓艙中再加壓治療減壓病是唯一有效的方法，可使90％以上的急性減壓病獲得治愈。近年來，我國用加壓治療，使有的慢性減壓病患者癥狀明顯減輕。加壓治療愈早愈好，以免時間過久招致組織嚴重損害而產生持久的后遺癥。

（二）藥物治療對嚴重病例，加壓治療只能排除氣泡的栓塞作用，有時難以解決繼發(fā)的生化變化及機能障礙。藥物作為輔助療法，一般應在減壓病剛發(fā)病時就給藥，效果較好。常用藥物有血液擴容劑如低分子右旋糖酐、血漿和生理鹽水，除了使血液擴容外，尚可抑制血小板粘附和聚集，減少血小板因子的活性，從而阻止血凝，改善癥狀和體征。近年來上海市楊浦區(qū)中心醫(yī)院調查440名潛水員，見潛水后飲酒者急性減壓病的發(fā)病率26.0％，明顯低于潛水后不飲酒者74.0％.用兔作實驗，也見乙醇對急性減壓病有直接治療作用，主要由于乙醇不但是一有效的消泡劑，還能抑制血小板粘附到氣泡壁上，且使血小板從氣泡壁上解離下來，因而血小板數明顯上升。提出潛水員出水后迅速飲50度白酒75～150g治療急性減壓病為適宜劑量，此療法簡便，在無加壓艙的邊遠地區(qū)更有實際意義。此外，小劑量阿司匹林可抑制血小板的聚集和釋放作用。腎上腺皮質激素類藥物可恢復血管的正常通透性，減少血漿滲出，緩解腦和脊髓水腫。根據病情可用多巴胺、氨茶堿、地西泮（安定）等對癥處理。

（三）其他治療如有肌肉關節(jié)痛，在再加壓后，可進行全身熱水浴，并可用按摩及理療等。有氣急者，除再加壓外，須保持安靜，適量給氧吸入等。

2.飽和潛水——潛水員在呼吸過程中，一部分中性氣體逐步溶解在人體內，并隨時間的延長而增加，但當潛水一定時間后（理論64小時，實際24小時），當溶于體內的中性氣體與人體釋放出的相等時，溶解量就不再增加，這種狀態(tài)稱為飽和狀態(tài)。一旦達到飽和之后，無論潛水員在此高壓環(huán)境下停留多長時間，減壓時間將不隨停留時間的延長而增加。這一原理稱為飽和潛水(saturationdiving).在飽和潛水條件下，潛水員離開居住艙到水中某一深度進行潛水作業(yè)，然后返回居住艙，這種方式的潛水稱為巡回潛水（excursiondiving）（簡稱"巡潛"）。

巡回潛水分為三種類型：從飽和深度出發(fā)向較淺深度的巡回潛水稱向上巡潛，與飽和潛水深度相等的巡回潛水稱水平巡潛；從飽和深度出發(fā)向較大深度的巡回潛水稱向下巡潛。向上巡潛實質上是在一定深度內的減壓，所以絕對不能超過規(guī)定的界限，否則將有發(fā)生減壓病的危險。水平巡潛，壓力無變化。向下巡潛，是增加潛水作業(yè)深度，意義較大。

抗壓潛水服看上去像個笨重的機器人，最早問世于20世紀初期。為了消除水底高壓環(huán)境對人體的直接影響，這種潛水服采用了全密封金屬外殼。潛水員穿上它，就像鉆進了保護殼，外面可以抗住上百個大氣壓力，里面卻是在常壓狀態(tài)下生活，完全不受水壓的影響。但是，由于它體積龐大，有450千克重，并且機械手只有2個手指，像把鉗子，只能做簡單的水下取樣工作，因此，沒有得到廣泛的應用。

(二)潛水器潛水器——為具有水下觀察和作業(yè)的各種水下運行器具的統(tǒng)稱（深潛器、可潛器、調查潛艇）載人潛水器——在水下有人操縱，并能攜帶乘員的潛水器。結構：耐壓殼、減阻殼、電能設備、推進裝置、氧氣供給系統(tǒng)、二氧化碳吸收裝置、羅經、深度計、聲納、水聲通訊設備、作業(yè)用機械手、水下照明設備。

潛水器設計是一項綜合性的復雜工程，它涉及到流體、結構、材料、生命支持、液壓、水聲、光學、計算機控制等多門學科。潛水器研制水平，往往體現了一個國家的綜合技術力量，典型的如6000m深潛器，目前僅美、法、日、俄、中等國家才能研制。二十一世紀是海洋的世紀，作為一個海洋大國，理應在深潛器研制、應用方面占據一席之地。人類從二十年代開始現代潛水器研制，一直到六十年代，主要是向深度挑戰(zhàn)。1934年，美國潛水器潛入914m深度，開始了人類第一次在深海對生物進行觀察。1960年，人類終于下潛到海洋最深處10913m，即太平洋馬里亞納海溝。這段時期研制的潛水器一般僅限于觀察，無運動、作業(yè)能力，發(fā)展也較為緩慢。

六十年代，以美國“阿爾文”號為代表的第二代潛水器得到發(fā)展。這類潛水器帶有動力，還配置了水下TV、機械手等，不僅可以觀察，還可以進行一些簡單作業(yè)和海洋資源調查等任務?！鞍栁摹碧栆糟U酸電池作為動力，下潛深度3658m，1966年，“阿爾文”號和另一潛水器配合，在西班牙海域打撈出一顆失落的氫彈，其影響不可估量。1963年，美國長尾鯊號核潛艇失事，造成艇上官兵全部遇難的惡性事故。前蘇聯共青團號核潛艇失事，艇上官兵也有幾十人遇難。這促使了美、蘇等國研究深潛遇難潛艇的營救問題。1970年，美國深潛救生艇DSRV下水，最大下潛深度1069m，一次可營救24名人員，并配有7自由度機械手。1979年，美、英聯合進行DSRV救援演習獲得成功，這是人類歷史上第一次在水下由救生艇向另一潛艇進行人員干轉移。同時，也把載人潛水器技術推向了頂峰。我國潛水器技術發(fā)展狀況我國從七十年代開始較大規(guī)模地開展?jié)撍餮兄乒ぷ鳎?0多年來，廣大科技工作者付出辛勤汗水，緊跟世界先進水平，先后研制成功以援潛救生為主的7103艇(有纜有人)、Ⅰ型救生鐘(有纜有人)、QSZ單人常壓潛水器(有纜有人)、8A4水下機器人ROV(有纜無人)和軍民兩用的HR-01ROV，RECONIVROV及CR-01A6000m水下機器人AUV(無人無纜)等，使我國潛水器研制達到國際先進水平。我國潛水器研制也有幾個顯著階段特征：七十年代，主要研制載人援潛救生潛器。典型代表是Ⅰ型救生鐘和7103艇。Ⅰ型救生鐘是我國第一代潛水鐘，它以濕救為主，兼顧干救，下潛深度130m，一次可救助艇員6-8人。在良好海況下，失事艇座沉海底傾角不大時，也可以與失事艇救生平臺對口干救。7103深潛救生艇主要是吸取美、蘇潛艇失事的慘痛教訓而研制的，它下潛深度達300m，一次可救助22名艇員。7103艇和失事艇對接成功后，可以實現艇與艇人員的干轉移。它的研制成功，使我國援潛救生水平躍居世界先進水平行列。深潛器

打撈氫彈深海2000和深海6500（三）水下試驗室underwaterlaboratory根據飽和潛水原理制成。設于海底供科學工作者、潛水員休息、居住和工作的活動基地。又稱水下居住艙。水下實驗室的設想是20世紀20年代提出的。1963年，庫斯特等7人進入一個名為“海星屋”的水下居室。它們在10米-30米水深的海底生活了30天。它們靠海面支援船供應的和氦氧混合氣體呼吸?！昂Ｐ俏荨蓖庀盗糁凰倚⌒蜐撏?供屋內人員外出工作。庫斯托等人非常滿意他們的水下生活，以至失去了重返海面的興趣。不過，他們在氦氧空氣中生活也遇到相互交談方面的困難。由于氦氧混合氣體傳播聲音的性能與正?？諝獠煌?，他們互相講話時，聽起來像一群鵝在吵架。

美國的海中人-1號和法國的大陸架-1號水下實驗室率先在地中海試驗，到了1977年1月，前蘇聯的底棲生物-300號水下實驗室，作業(yè)深度已達300米，自恃力14天，可容納12名乘員。當代水下實驗室的下潛深度可超過300米，在沒有補給的情況下，作業(yè)期限通常為兩周，最長可達59天。

水下實驗室系統(tǒng)通常由水面補給系統(tǒng)、人員運載艙和水下實驗室三部分組成。水下實驗室有工作室、寢室和出入口室(閘室)，并帶有廚房、廁所、浴室等生活設施。內部氣壓與設置深度水壓相等。氣體成分根據水下生活要求一般配制為氮、氧或氦、氮、氧混合氣體。實驗室內外壓力平衡時，海水不會進入室內，人員可以通過閘室自由出入。實驗室內壓力、溫度、濕度和氣體成分由儀表自動監(jiān)控。

外部一般附有高壓氣瓶、壓載水艙和固體壓載等，通過壓載水艙注、排水使實驗室下潛、上浮。實驗室的電力、呼吸氣體、淡水和食物由陸上、補給船或補給浮標等補給站，通過電纜、水管、氣管組合的“臍帶”供應。潛水人員作業(yè)完畢返回正常環(huán)境之前，通過減壓艙進行減壓。目前水下實驗室工作深度已可達300米以上，在沒有補給的情況下，作業(yè)期限通常為兩周，最長可達59天。水下實驗室殼體一般為耐壓高強度鋼制成，也有采用橡膠、塑料以及丙烯玻璃等材料的。第三節(jié)無人潛水系統(tǒng)無人潛水系統(tǒng)—為依靠水面遙控而進行的潛水系統(tǒng)。主要特征—能在潛水員不能到達的深度與不安全的環(huán)境下進行遙控作業(yè)。有系纜無系纜上世紀七八十年代以來，適應海上油氣工業(yè)潛水作業(yè)的需要，無人遙控潛水器得到飛速發(fā)展。80年代初全世界無人遙控潛水器有400余艘，其中90％以上用于海洋石油工業(yè)，到80年代末其數量猛增到958艘，其中800艘以上為有纜遙控潛水器，并且有一半以上是直接用于海上油氣開采用的。目前無人遙控潛水器全世界約有1000多艘，其中6000m級10多艘，現已發(fā)展到第三代智能深潛器。

另外，載人和無人混合潛水器也得到發(fā)展，已經研制出32艘，其中28艘用于工業(yè)服務。此外，90年代以來，隨著微電子、高速數字計算機、人工智能技術、小型導航技術、指揮與控制硬件等技術的發(fā)展，無人自主式潛水器得到快速發(fā)展，據不完全統(tǒng)計，各國研制與使用的無人自主式潛水器有30多艘，其中供工業(yè)實用的有10多艘，其他的均用于軍事和科學研究。一、無人有纜潛水器電纜的作用—與水面工作船保持聯系；為潛水器供電與傳播遙控信號。電纜、水下電視系統(tǒng)、機械手推進裝置水面工作船上的遙控工作臺形式：①設置耐壓殼體，內放儀器設備②不設耐壓殼體，各種設備都能承受壓力。固定在框架上。缺點：受纜索長度限制，易糾纏。無人有纜潛水器的發(fā)展趨勢有以下特點：一是水深普遍在6000米；二是操縱控制系統(tǒng)多采用大容量計算機，實施處理資料和進行數字控制；三是潛水器上的機械手采用多功能反饋監(jiān)控系統(tǒng)：四是增加推進器的數量與功率，以提高其頂流作業(yè)的能力和操縱性能。此外，還特別注意潛水器的小型化和提高其觀察能力。無人有纜潛水器的功能：采集樣品；拍照和錄像；聲納探測海底。美國—軍用水下機器人日本—深海礦物資源采集機器人水底推土機型機器人水中爆破機器人搜索救助機器人“漁民”機器人我國—從20世紀80年代開始研制先后開發(fā)了“海人一號”“STT-10”“STTU-40”型“金魚3號”和“recon－IV”計劃研制的“6000m”自動洋底探測系統(tǒng)“已實驗成功。

二、無人無纜潛水器由水面工作船通過聲信號發(fā)出遙控指令，對潛水器的工作實現遙控。聲控自控混合式研制與發(fā)展20世紀50年代末期，美國華盛頓大學開始建造第一艘無纜水下機器人——“SPURV”，這艘AUV主要用于水文調查。從60年代中期起，人們開始對無纜水下機器人產生興趣。但是，由于技術上的原因，致使AUV的發(fā)展徘徊多年。隨著電子、計算機等新技術的飛速發(fā)展及海洋工程和軍事方面的需要，AUV再次引起國外產業(yè)界和軍方的關注。進入90年代，AUV技術開始逐步走向成熟。

1980年法國國家海洋開發(fā)中心建造的“逆戟鯨”號無人無纜潛水器投入使用，最大潛深為6000米，主要用于深海海床和深海礦物資源勘探、平臺設置所需要的環(huán)境調查、管道鋪設的監(jiān)測工作以及在海底布設固定聲納陣、進行海底觀察、監(jiān)護打撈人員的安全等?！澳骊L”號潛水器先后進行過130多次深潛作業(yè)，完成了太平洋海底錳結核調查、海底峽谷調查、太平洋和地中海海底電纜事故調查、洋中脊調查等重大課題任務。1987年，法國國家海洋開發(fā)中心又與一家公司合作，共同建造了“埃里特”聲學遙控潛水器，用于水下鉆井機檢查、海底油井設備安裝、油管輔設、錨纜加固等復雜作業(yè)。這種聲學