潛水自救氣囊的設計研究

毛理想 柏健 潘澤

摘 要：為了提高潛水的安全性，潛水自救氣囊作為實用型安全裝置，通過理論知識對比，發(fā)現(xiàn)裝置采用GPS模塊、壓力傳感器、單片機等硬件后確實可以提高裝置的安全性能。其使用方法是，當潛水人員在水下發(fā)生危險時，通過按下觸動開關來接通裝置內部電路，電流通過電爆管發(fā)生爆炸引燃火藥粉，引發(fā)氣體反應劑發(fā)生反應，產生的大量氣體使伸縮氣囊急速膨脹，在極短時間內形成一個浮力球，產生巨大浮力，拖動潛水人員浮出水面，實現(xiàn)自救。裝置優(yōu)點就是可以實現(xiàn)快速自救和GPS定點救援，這也是裝置最終需實現(xiàn)的兩項功能。

關鍵詞：氣囊;自救;GPS定位救援

中圖分類號：TB472 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）20-39-04

Abstract： In order to improve the safety of diving， diving self-help airbag as a practical safety device， through the comparison of theoretical knowledge， it can be found that the device using GPS module， pressure sensor， SCM and other hardware can indeed improve the safety performance of the device. Its usage is， when divers danger underwater， by pressing the touch switch to switch the internal circuit， current through electric detonator explosion fire ignition powder， cause gas reactant， the large amount of gas is used to make telescopic airbags rapidly expand， in a very short time to form a buoyancy ball， a huge buoyancy， drag the divers surfaced， healing itself. The advantage of the device is that it can achieve rapid self-rescue and GPS fixed-point rescue， and it is also the final need to realize the two functions of the device.

Keywords： Airbag; Self-rescue; GPS positioning rescue

CLC NO.： TB472 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）20-39-04

引言

21世紀被譽為海洋世界，海洋的世界有著許多奇特的海洋生物及豐富的礦物資源，具有很高的研學研究和開發(fā)利用價值，所以人們不得不潛入水下，進行科研及開采等工作，同時也吸引了越來越多的人們體驗潛水。隨著對海洋資源的深入開發(fā)，越來越多的人們要在水下進行工作。在這樣的背景下，我國科研人員不曾間斷對潛水裝置的研究。

目前，我國潛水氣囊的技術相對比較成熟，潛水安全氣囊裝置發(fā)展也較完善，各種各樣的潛水氣囊應運而生，各自展現(xiàn)出自己的風采。我國最先進的潛水設備一般用于水下科研或軍事潛艇，但出于實用經濟性方面的等考慮，其設備普遍存在于結構較為復雜、生產成本高等缺點。除此之外，民用潛水設備的發(fā)展也較完善，技術相對比較成熟，就迷你救生氣囊而言，其設備技術成熟，但因其設備結構過于簡單，設計的氣囊撐開體積較小，所以存在著因產生的浮力有限而不足以在深水領域使用等問題。

在這多元化的社會，潛水活動將成為未來一種常見的工作和娛樂方式，但往往水下存在許多不確定的安全隱患，可見對一種潛水安全設備的研究與研發(fā)是非常有必要的。該潛水自救氣囊通過對比總結現(xiàn)有潛水設備存在的不足，并在此基礎上進行改進和創(chuàng)新。裝置的創(chuàng)新在于裝置使用了更加安全、更加便捷、更好操作的硬件設施，并配備GPS定位系統(tǒng)增加裝置的安全性。我們研究的潛水自救氣囊致力于研發(fā)一種可靠、使用方便、造價低、功能強大的實用型安全設備，彌補了類似于迷你自救氣囊等類似設備普遍存在的潛水范圍局限、潛水設備結構易氧化等不足。

1 概述

1.1 潛水自救氣囊的介紹

本款潛水自救氣囊是基于水下潛水遇到緊急情況時用于安全自救的一款實用型設備。潛水自救氣囊的設計理念不同以往潛水安全工具，它是一款新型的“安全氣囊”，基于汽車安全氣囊的基本工作原理，對此進行設計改進，使其更加適用水下環(huán)境。裝置配有壓力傳感器，可隨時監(jiān)測不同水深的水壓并配合指示燈工作，GPS定位模塊隨時定位，在單片機顯示屏上將隨時更新顯示水下的壓強，位置坐標等參數(shù)，潛水人員可隨時查看，確保潛水人員可以掌握自救的黃金時間。當潛水人員所處水域壓強變化波動較大時，潛水人員可以根據(jù)裝置的指示燈的顏色，選擇打開氣囊的數(shù)量，并通過GPS裝置自動向外界發(fā)送位置求救信號，提示外界救援人員及時展開救援工作。

1.2 潛水自救氣囊的應用及研究意義

1.2.1 潛水氣囊的應用

適用對象：潛水愛好者、從事水下科研、水下攝像、清理水下垃圾、打撈海產品、安裝拆除水下設備、水下安裝鋼結構的潛水工作者。

適用環(huán)境：各種湖泊、流域以及海水等一般潛水環(huán)境。

1.2.2 潛水氣囊的研究意義

潛水自救氣囊將在未來潛水安全用具的獨具優(yōu)勢。潛水活動在未來將成為新的一種工作和娛樂方式，考慮的水中存在許多安全隱患及不確定因素，尤其是在未知深水領域中，潛水人員很可能會出現(xiàn)肢體抽力不支或者氧氣不足等突發(fā)狀況，這是非常危險的。所以，裝備一套保護人員安全裝置是非常必要的，綜合潛水自救氣囊的安全便捷的特點，將在未來擁有廣闊的市場前景。

潛水自救氣囊符合目前安全設備研究方向技術領域的要求。目前，我國潛水安全設備各式各樣，目前市場所出現(xiàn)的設備各有各自的優(yōu)勢，但也存在部分缺點，仍需要不斷進行改進和創(chuàng)新。國家也正需求一項技術成熟、安全可靠、使用便捷的潛水安全設備的研究。潛水自救氣囊裝置通過結合計算機技術，利用其準確性高、實用性強的特點，采用網絡技術來實現(xiàn)裝置自救和GPS定點救援的功能，使得裝置較以往的潛水設備工作更加可靠，提高裝置的安全性能。

潛水自救氣囊相比較其他潛水安全用具的特點。例如：帶氣囊的潛水艇模型、迷你救生充氣囊等。由于迷你自救氣囊存在浮力有限而不能在深水域潛水的問題，我們在該裝置的特點上進行了優(yōu)化改進，通過使用兩個相互獨立的伸縮氣囊來滿足在10米以下深水域需要自救時所需的最小浮力。鑒于類似手腕式簡易氣囊結構設計的潛水設備，因設備大部分結構采用塑料制作，所以針對其設備水下極易發(fā)生氧化，安全系數(shù)不高的問題，該裝置也進行了改進，通過采用不銹鋼金屬做外殼來保護裝置內部結構，避免裝置在水下發(fā)生氧化的問題出現(xiàn)。對于帶求救標志來向外界發(fā)送求救信號的潛水設備而言，因其設備采用的是帶求救標志的氣球來向外界發(fā)出求救信號，所以存在因在遠距離而不能及時發(fā)現(xiàn)的問題，基本失去了氣球的意義，為此，該裝置也進行了改進，通過GPS定位和發(fā)短信的方式代替求救氣球來向外界求救，更好的保障了潛水人員的安全。對于類似于氧氣瓶的水下潛水設備，因其設備體積較大，攜帶不便，給潛水人員增加負擔的問題，該裝置也進行了改進，通過采用腰帶式結構（附圖1），使用時系在腹部，不僅攜帶方便、輕量化，并且不會妨礙潛水人員做其它動作。

為了讓人們在潛水時可以更加的安全，所以設計一款工作可靠、攜帶方便、操作簡單、可控的潛水自救氣囊意義重大，它可以在潛水時作為潛水人員的生命助手，在不影響潛水工作者的正常工作的同時，給人員提供可靠的安全保障，讓他們能夠在水下更加安心的工作和娛樂。

2 潛水自救氣囊的設計

2.1 潛水自救氣囊的原理

（1）組成：電控開關、氣體產生裝置、防水外殼、氣囊、腰帶、GPS定位模塊、信號發(fā)射模塊、單片機等。

（2）工作原理：本裝置引用安全氣囊原理。當潛水人員發(fā)生危險時，潛水人員按下觸動開關，裝置內部的電路被接通，電流通過電爆管，電爆管發(fā)生爆炸引燃火藥粉，從而引發(fā)氣體反應劑發(fā)生反應，產生大量氣體，隨后氣體充入伸縮氣囊中，氣囊急劇發(fā)生膨脹，在極短時間內形成一個浮力球，產生巨大浮力，拖動潛水人員浮出水面。同時GPS裝置自動定位，并配合信號發(fā)射模塊向外界發(fā)射使用者的位置求救信號，方便救援人員展開救援工作。

如附圖1所示，裝置為腰帶式，使用時系在腹部，不會妨礙潛水人員做其它動作。

特點：裝置小巧，便于攜帶;操作簡單，沒有復雜的使用流程，氣囊彈出迅速，能夠把潛水人員第一時間拖出水面。

2.2 潛水自救氣囊的材質選擇

（1）材料選擇要求

①為了保證本產品具有良好的抗壓、防水能力，能夠很好的適應在水下的工作環(huán)境。裝置采用不銹鋼金屬做外殼，內表面涂有耐高溫、防水的玻璃纖維，并且開有小孔，氣囊連接于小孔處，且密封連接處附著保護外膜，能夠有效防止水進入。

②考慮到裝置使用時要與潛水人員身體直接接觸，所以本裝置的外殼采用鎂鋁合金，硅酸鋁纖維做外殼涂抹料，為裝置提供了很好的抗壓和隔熱性能。在此基礎上，與人體直接接觸的部分，裝有采用玻璃纖維和塑料制成一個緩沖板，能夠有效的減小因爆炸產生的沖擊力，避免了裝置對人體的二次傷害。

（2）氣囊設計所需配件

①安全腰帶：采用高強度纖維材質棉綸、滌綸、芳綸組成。

②電爆管：引爆電壓只需要5V，也就是一節(jié)普通5V紐扣電池就可以提供裝置所運行需要的電壓。

③電源：啟動按鈕和裝置內部的線路均采用防水材料及結構，防止水滲進裝置中，從而保護裝置能夠在深水下正常運行。

④氣體發(fā)生劑：硝酸銨（NH4NO3）、疊氮化鈉（NaN3）、硝酸鉀（KNO3）、二氧化硅（SiO2）。

氣囊裝置基本原理簡圖：

2.3 潛水氣囊的潛水深度設計

為保證裝置氣囊打開時能提供足夠的浮力，需要合理計算出化學反應劑的使用量。通過計算數(shù)據(jù)利用相關仿真軟件（Matlab、Adams等）完成潛水自救氣囊在不同水域下時的性能分析，并建立潛水氣囊三維模型圖。

裝置為了能夠更好的適應不同水域壓強的變化，使得裝置具有可調性，所以裝置采用了兩個安全氣囊，并各自配備開關，并且裝置上還加了壓力傳感器和指示燈，兩者相互配合工作，根據(jù)壓力傳感器測定的水壓和氣囊能夠正常工作的壓力范圍顯示不同的顏色，潛水人員可以根據(jù)指示燈的顏色自動選擇打開氣囊的數(shù)量。以此來克服因深水域水壓過大而造成氣囊正常打開的問題。

2.4 潛水氣囊的防誤爆設計

為提升裝置防水能力，需解決裝置在水下可能出現(xiàn)滲水、誤爆的問題。裝置外加了一層特殊橡膠制成的保護外膜，以保證裝置內部的設備可以在水下正常工作。為解決潛水人員在水下因誤觸開關，或者裝置出現(xiàn)故障而導致誤爆的問題，所以氣囊打開按鈕上裝有可按壓式彈簧保護外殼。使用時按下保護外殼，使其自動彈開，之后按下自救開關，氣囊正常打開。

氣囊部分為本裝置的核心部分，其材質采用的是特殊的織物尼龍材料，該材質具有很好的抗壓能力，保證了裝置在急劇膨脹的情況下不會發(fā)生炸裂。氣囊具有耐高溫的性能和一定的可塑性，既保證了在爆炸反應的瞬間，氣囊不會因溫度上升過快而發(fā)生粘連，又避免了上浮時水壓下降過快而膨脹破裂。

3 潛水氣囊的結構

（1）氣囊部分：裝置采用兩個獨立的氣囊，可分別獨立打開，外層設有獨立的氣囊保護外殼，起到保護氣囊的作用。

（2）外殼部分：裝置外加一層特殊橡膠制成的保護外膜，內部安有防誤爆保護電路，傳感器。

（3）開關部分：氣囊開關位于裝置底端，方便使用者及時打開氣囊，開關外部裝有可按壓式彈簧保護外殼，起到防止誤觸打開氣囊。

（4）電路部分：內部電路設備位于裝置底部空間中，電路設備上部分為兩個單獨的氣囊供給氣體反應室，分別給兩個氣囊提供氣體。

（5）氣囊底殼部分：氣囊底部采用鋁合金材料，外界部分裝有一層隔熱墊片，防止氣體反應過熱燙傷使用者。

（6）腰帶部分：腰帶位于裝置底端兩側，分別設有腰帶卡扣，方便固定穿戴本裝備。

（7）裝置設計平面圖（見圖3）。

4 結論

（1）通過Matlab、Adams等仿真軟件對氣囊結構材料的拉伸和剪切力學性能進行測定實驗，仿真結果表明潛水自救氣囊確實比一般的潛水安全裝置性能更加穩(wěn)定，可以更好滿足潛水人員的潛水。

（2）通過裝置壓力傳感器和預警提示的作用，使得非專業(yè)潛水人員可以更好的掌握水下壓強可能對人們造成不良影響，更好的保障了人們的安全。

（3）裝置通過GPS模塊的作用，提高了裝置的安全性，為救援工作提供更加準確的位置信息，如果該款潛水自救氣囊投放市場使用，未來將會對人員的潛水帶來積極影響。

參考文獻

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