【建院45周年科研成果巡礼(2)】潜水生理医学研究与技术应用
发布时间:2023年02月11日   点击数:833

1977年,国务院、中央军委批准对日本二战沉船——万吨巨轮“阿波丸”号的打捞方案,该项目对当时国内的潜水技术提出了极限挑战。1978年,交通部在组织技术攻关的同时,酝酿筹建一所专门从事救捞与水下技术的科研机构,海科院在此背景下应运而生,推动潜水生理医学及其技术应用的研究和发展也成为海科院建院时的主要任务。45年来,海科院坚持科技创新,在饱和潜水技术、高海拔潜水技术、氦氧深潜技术、空气常规潜水技术、潜水装备技术方面取得了丰硕成果,相关研究与技术应用总体水平国内领先、国际先进,部分成果国际领先,在国内外具有较大的影响力。

(一)饱和潜水技术

饱和潜水是为加大潜水深度和增加水下工作时间而发展起来的一种潜水新技术。它是根据“潜水员在高于常压的环境压力下长时间停留,其体内各组织和体液中所含呼吸气体中的惰性气体成分(也称中性气体,如氦、氮等)达到完全饱和状态,即使在该深度下再延长暴露时间,饱和度也不再增加,减压时间与初饱和时所需要的时间相同”的原理,能使潜水员在水底长期停留和工作的潜水方法。其特点是在饱和深度下,潜水员在理论上不受水下作业时间的限制。

海科院建院伊始,就将饱和潜水技术列为重点研究方向,借助原石油部南海石油勘探指挥部从挪威引进的南海二号钻井平台上的3X饱和潜水设备,与海军医学研究所、第二军医大学海军医学系、交通部上海救助打捞局等多家单位合作,多次进行开创我国潜水历史的科学实验。完成了我国首次海上饱和潜水实验、首次海底出水实验、首次氦氧饱和潜水实验、首次大深度饱和潜水实验,使我国的饱和潜水技术跨入世界先进行列。

海科院科研技术人员利用我国自行设计、生产的300m饱和潜水科学实验舱成功地进行了300m多学科综合性的氦氮氧饱和潜水科学实验,完成了8个科研项目的试验,获得了多项科技进步奖。多次与美国科学家在海科院的饱和舱群内联合进行饱和潜水科学实验,研究成果达到国际先进水平。

3MPa潜水高压舱群

(二)高海拔潜水技术

潜水员要在高原地区进行潜水活动,完成水下作业,遇到的首要问题就是由于大气压力差变大而带来的加、减压问题,因此,高海拔潜水最大的问题还是减压程序的不同。同时这种潜水方式会使潜水员遭受到瞬息变化的低压(高原)-高压(水下)-再低压(返回高原)和缺氧(高原)-高氧(水下)-再缺氧(返回高原)的影响,这对人体的生理、心理负荷的影响是非常显著的。为保障潜水员健康和水下施工安全,海科院进行了深入研究。

1983年我国计划在西藏的羊卓雍湖建设大型水电站,对潜水技术及水下施工提出了迫切的需求,国家指定海科院研究高原潜水的潜水作业程序、加减压方案、医学保障等问题。1984年,为验证高海拔潜水的减压方案,海科院联合海军总医院及江苏海洋工程公司,在海军总医院的高、低压舱开展了海拔4500-5000m不同深度的潜水科学实验,该实验为国内首次。次年,在海拔4442m的西藏高原进行了大规模的实际潜水训练,用自己研制的高原潜水减压表进行了80人次的潜水训练,未发生减压病。该项研究形成的成果——《潜水技术在高海拔水下施工中的应用》获2003年的上海科技进步三等奖。

羊卓雍湖水电站——高海拔空气潜水技术研究

2011年5月,在海军总医院高低压实验舱内,完成了海拔高度为3000m、4000m、5200m模拟高海拔氦氧常规潜水人体实验,高压暴露深度为30m、50m。整个实验历时6天,期间对受试潜水员进行了一系列的生理指标及心理功能测试。实验为高海拔地区的经济开发、水利水电等基础设施建设中所需要的水下施工作业提供了科学依据。

海军总医院高低压实验舱——高海拔氦氧混合气潜水实验研究

2015年3月至5月,海科院参与合作在西藏雅鲁藏布江藏木水电站进行世界首次高海拔大深度高原氦氧潜水科学实验,最大潜水深度115m(折算),开展了45m、55m、65m、75m氦氧混合气潜水实验,累积空气潜水次数12次,氦氧混合气潜水班次22次。实验中生理医学测定的项目包括:中枢神经、自主神经、心血管功能、呼吸功能等基础生理指标,心理指标及血常规、应激反应、免疫功能、自由基和抗氧化作用等生化指标。

通过本次实验验证了高海拔大深度减压方案的正确性、验证了自行研制高海拔大深度潜水设备的可靠性,同时积累了高海拔大深度潜水作业经验,为下一步西藏高原及内陆大坝高坝开展大深度水下施工作业打下了坚实基础。

西藏雅鲁藏布江藏木水电站——高海拔大深度高原氦氧潜水科学实验

(三)氦氧深潜技术

氦氧混合气常规潜水技术,是在空气潜水技术的基础上发展形成的,潜水员通过呼吸用氦气与氧气按一定比例人工配制的混合气体作为呼吸介质进行潜水作业,这样既可以加大潜水作业深度同时又可以避免空气潜水中的氧中毒和氮麻醉。

海科院从八十年开始在研究饱和潜水的同时,也同时进行氦氧混合气潜水技术研究,后期又开始培训氦氧混合气潜水员、混合气潜水装备的研制。

2010年海科院通过科技部专项基金项目成功研制氦氧混合气潜水用甲板减压舱。舱室最大工作压力1.0MPa,主舱可容纳3人,副舱可容纳1人,可在主舱内进行氦氧混合气潜水模拟实验,通常减压舱控制箱内设有氦氧混合气供气面板,可进行混合气潜水作业。

氦氧混合气潜水用甲板减压舱

2014年海科院成功研制氦氧混合气潜水用开式钟系统,可容纳3人,最大潜水深度120m。该开式钟在2017年瀑布沟电站混合气潜水打捞作业、2019年观音岩水电站混合气潜水修复坝体裂缝的项目中发挥了巨大作用。2021年海科院开发并交付了气源及动力方舱系统。

瀑布沟水电站水下作业

观音岩水电站——水面工作平台

(四)空气常规潜水技术

常规空气潜水是国内外水下工程技术领域应用最广泛的潜水技术,实践中90%以上的潜水作业是采用空气潜水技术实施的。潜水员以压缩空气作为呼吸介质进行潜水作业,气源取之广泛,使用方便,而且经济低廉。

海科院制定了《GB 12521-2008 空气潜水减压技术要求》《GB 18985-2021潜水员供气量》等多个空气潜水方面的国家标准,以此来规范空气潜水作业过程。大大减少了潜水减压病的发生,保障了潜水员的健康安全。

船舶水下检验检测