多功能恒溫救生衣設(shè)計(jì)

陳嘉龍

（重慶交通大學(xué)，重慶 400074）

0 引言

近年來，船舶失事時(shí)有發(fā)生，而救生衣就成為了失事人員求生的依靠，但傳統(tǒng)救生衣存在些許不足，例如保溫性能差，缺乏救援系統(tǒng)等。受此啟發(fā)，研究設(shè)計(jì)了一款多功能恒溫救生衣，它將搭載發(fā)電模塊、供熱模塊、集成電路模塊和求救模塊，希望能夠提高失事人員的獲救概率。未來的適用性廣闊，發(fā)展前景好。

1 研究背景

我國是一個(gè)航海大國，在乘船航行中，人們最害怕也最不愿意遇見的，莫過于船舶失事。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，有許多人等不到救援人員前來解救。除去極端的因素，低溫是威脅落水者生存的重要因素。大多數(shù)遇難人員不是在海水中溺水而死，而是在冰冷的水中凍死的，尤其是在夜晚，低溫會(huì)對人們產(chǎn)生不可逆的影響。據(jù)研究表明，一般人體在低溫水域中的生存極限如下：穿著普通的衣服并保持靜止，在海水中的存活時(shí)間為：0 ℃以下海水，只能耐受幾分鐘；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；超過20 ℃，不定（視疲勞程度而定），能在0～4 ℃冰水混合物中堅(jiān)持30 min 的人是少數(shù)中的少數(shù)。這是因?yàn)槿梭w溫度一般不低于35 ℃，長期處于低溫中，體細(xì)胞受不了就會(huì)發(fā)生紊亂，血液也流動(dòng)不暢，造成缺氧，人會(huì)進(jìn)入昏迷狀態(tài)?！疤┨鼓峥恕碧?hào)船上千人落入海水中，當(dāng)時(shí)海水中有很多被撞碎的冰山冰塊，大部分人在10 min 內(nèi)被凍死[1]。傳統(tǒng)的水上救生衣一般是由外部面料、內(nèi)里浮力材料和配件組成，并不具備保溫性能，因而當(dāng)落水人員浸泡在冰冷的海水中，長時(shí)間處于寒冷的狀態(tài)時(shí)，最終會(huì)導(dǎo)致能量耗盡而亡。恒溫救生衣的保溫功能就能解決這一問題。

2 設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)的救生衣主要由四個(gè)模塊組成，分別是太陽能發(fā)電儲(chǔ)電模塊、供電發(fā)熱模塊、集成式控制模塊、求救模塊[2]。太陽能發(fā)電儲(chǔ)電模塊是由薄膜式太陽能板和微型鉛蓄電池組成，實(shí)現(xiàn)太陽能的發(fā)電及儲(chǔ)存的功能，為后續(xù)的供熱模塊以及集成電路等模塊提供能源支持；集成式控制模塊由微控制器和外圍電路組成，實(shí)現(xiàn)保護(hù)電路及防止過充等功能；求救模塊由北斗導(dǎo)航全球定位、聲波發(fā)射器和高亮LED 燈組成，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位及無線求救，也提高了夜間救援獲救的概率[3]。這種新能源的恒溫救生衣主要是以太陽能為能量，幫助解決海上救生衣不能及時(shí)發(fā)出求救信號(hào)的困境。太陽能光伏發(fā)電可以有效的將太陽的輻射能量轉(zhuǎn)化為電能，通過太陽能電池組件、控制器、蓄電池組、直流-交流逆變器、直流負(fù)載和交流負(fù)載等部分，將光伏發(fā)電制造和儲(chǔ)蓄的能量，作為發(fā)熱模塊提供能源支持，從而減少人體體溫的流失。

關(guān)于恒溫救生衣的發(fā)熱，恒溫救生衣的發(fā)熱不能只靠太陽能，這是很難做到的。這款恒溫救生衣還采用了原電池原理，在救生衣內(nèi)部加入化學(xué)試劑，在救生衣上通過手拉動(dòng)充氣閥上的拉索使救生衣內(nèi)部的化學(xué)試劑和外部空氣接觸，空氣透過救生衣表面與填充物接觸發(fā)生原電池化學(xué)反應(yīng)放熱，利用原電池來加快氧化反應(yīng)速度，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。為了使保溫效果更好，產(chǎn)品將采用礦物材料蛭石來保溫，受熱膨脹的蛭石有細(xì)小的空氣隔層，有很好的保溫效果。使用后的保暖層的反應(yīng)廢料產(chǎn)物為少許黑褐色固體，幾乎沒有重量，不影響整體使用[4]。方程式如下所示。

不僅如此，這款恒溫救生衣還與現(xiàn)代先進(jìn)的通訊技術(shù)相結(jié)合，將一部分太陽能發(fā)電產(chǎn)生的電能來為相關(guān)的求救設(shè)備提供能量，在獨(dú)自遇難時(shí)可以向相關(guān)部門發(fā)出求救信號(hào)，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)得到相關(guān)部門的救援。救生衣的定位系統(tǒng)是我國研制的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是繼美國GPS、俄羅斯格洛納斯之后第三個(gè)已經(jīng)投入實(shí)際運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。我國的北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)于2020 年7 月31 日正式開通，可為全球的客戶提供基本導(dǎo)航、定位、測速、授時(shí)、全球短報(bào)文通信和國際搜救等服務(wù)。地面指揮中心、北斗衛(wèi)星、指揮型用戶機(jī)、救生型用戶機(jī)構(gòu)成了我國北斗搜救體系。其中救生型用戶機(jī)是一種可以方便攜帶的終端設(shè)備，它具有小型化、工作待機(jī)時(shí)間長、方便被救人員攜帶等特點(diǎn)；指揮型用戶機(jī)一般被裝備在搜救直升機(jī)、搜救車輛或者搜救船只上。終端設(shè)備可依靠RNSS 實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，通過短報(bào)文將自己的位置快速發(fā)送到北斗衛(wèi)星和指揮型用戶機(jī)上[5]，如圖1 所示。通過這一方式，使被困人員及時(shí)發(fā)出求救信號(hào)，避免錯(cuò)過黃金救援期。

圖1 北斗搜救系統(tǒng)示意圖

助劃蛙類手套可以幫助落水者離開危險(xiǎn)的海域，以尋求救援。有調(diào)查顯示在海上求生的時(shí)候?qū)こ５挠斡痉绞蕉伎赡軐θ嗽斐珊艽蟮奈：?，如自由泳或蛙泳?dāng)頭在水下時(shí)看不清海上的風(fēng)浪很容易受傷，也看不清前進(jìn)的方向，最安全的就是狗刨式游泳，而助劃蛙類手套可以減少落水者游泳時(shí)的體力消耗，增加前行的距離，盡快逃離事故發(fā)生地，以免造成二次受傷。

一鍵穿戴按鈕。在海難事故發(fā)生時(shí)，如果落水人員能將救生衣穿戴規(guī)范，那他們至少有生存下來的可能，但現(xiàn)實(shí)情況是，由于事發(fā)突然，人們很難冷靜下來的，在這種情況下常常有人因?yàn)榫壬麓┐鞑灰?guī)范、不及時(shí)而導(dǎo)致死亡。例如穿救生衣安全繩沒系緊或者沒系，跳入海中的瞬間，救生衣很容易順著水壓從人的頸部脫落；或者由于救生衣迅速浮起后，順著身體向上卡在人的頸部，這時(shí)人的身體還在下沉，這一上一下，容易造成遇難者呼吸困難，進(jìn)而溺水[6]?，F(xiàn)有的救生衣都是需要人員自行系帶或者扣安全扣，在危急情況下，存在穿戴不規(guī)范的問題，至此救生衣的保護(hù)功能并不能發(fā)揮作用。因此，此款新型救生衣增加了一鍵穿戴按鈕，幫助落水人員在危急情況下也能規(guī)范快速穿好救生衣。這款救生衣的一鍵穿戴按鈕與橡皮帶相結(jié)合，只要按下一鍵穿戴按鈕，按鈕帶動(dòng)的外部的橡皮帶縮緊，根據(jù)人員的體形自動(dòng)穿好救生衣。

這款新型救生衣還配備了便攜式可折疊海水淡化袋。這種可折疊式的海水淡化袋采用吸嘴袋設(shè)計(jì)，整體包括連接式旋蓋、袋體、吸嘴過濾器及進(jìn)水口。旋蓋用于開合淡化袋，同時(shí)采用連接式設(shè)計(jì)，用將旋蓋和袋子連接在一起，防止蓋子在海水流動(dòng)中遺失；袋體內(nèi)設(shè)有容置腔，用于裝置需要淡化的海水；吸嘴過濾器設(shè)有與容置腔連通的出液腔，同時(shí)有類似針筒的小管與之連接，小管通過高選擇性的反滲透膜進(jìn)行溶質(zhì)和溶劑的分離，即將海水中的鹽和雜質(zhì)膠體等分離出去，得到可以飲用的淡水；進(jìn)水口位于海水淡化袋的底部，用于灌入海水。這種簡單的操作方式，使被困人員能很好的掌握這種可折疊海水淡化袋。在海上的暴曬會(huì)使人體水分快速流失，所以這種海水淡化裝置是必不可少的。

多功能恒溫救生衣除了以上功能和配件，還對傳統(tǒng)救生衣的浮力材料進(jìn)行了改進(jìn)，來提高穿戴救生衣時(shí)的舒適度。市面上現(xiàn)有救生衣的浮力材料主要是聚乙烯泡沫塑料，通過將裁剪或切割好的泡沫塊填充到包覆面料中，但是由于泡沫多采用裁剪或切割方式，邊角各處厚度一致，和人體的貼合性能差適體性差，不便于人體彎腰、下蹲或進(jìn)行其他活動(dòng)[7]。穿戴救生衣時(shí)間過長，舒適度、靈活的也會(huì)有所降低，這就對于被困人員來說又是一種肉體和精神的雙重折磨，良好的體驗(yàn)感可以給被困人員提供一種鼓勵(lì)與安慰，通過良好的設(shè)計(jì)體驗(yàn)，提升人員的穿戴意愿，從而減少海上遇難的發(fā)生，這也是設(shè)計(jì)這款多功能恒溫救生衣時(shí)著重考慮的。這款多功能恒溫救生衣上采用了NBR/PVC 軟質(zhì)閉孔泡沫塑料，這是一款回彈性好、手感柔軟、吸水性小的NBR/PVC 共混泡沫塑料，這種材料就非常適合應(yīng)用于救生衣中。良好的回彈性可以提升穿戴人員的舒適性和靈活性，較小的吸水性就可以盡可能的提高救生衣的浮力，提高救生衣的使用時(shí)長。針對傳統(tǒng)救生衣各邊角厚度一致、貼合性差的情況，這款多功能恒溫救生衣采用人體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、其厚度從中間到邊角是逐漸過渡由厚變薄，穿用后和人體貼合為一體，整體結(jié)構(gòu)簡單、美觀大方，適合水上作業(yè)使用也適合落水人員的自救。

在此基礎(chǔ)上，救生衣的兩面貼了多條反光條，在救生衣的側(cè)邊配備了爆閃燈，這有利于夜晚救援人員的施救，也能引起過往船只和人員的注意，提高獲救的可能性。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）在傳統(tǒng)救生衣與太陽能板相結(jié)合，采用原電池原理為恒溫救生衣，提供一定的熱源。

（2）海上的光照十分充足，可以很好利用太陽能，為恒溫救生衣提供一定的能量，綠色環(huán)保，符合我國現(xiàn)階段的發(fā)展理念。

（3）采用原電池原理的恒溫救生衣安全，環(huán)保，高效。

（4）采取了先進(jìn)的北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)，可以避免將來的技術(shù)壟斷。

（5）提出助劃蛙類腳蹼手套與新型救生衣相結(jié)合，提高落水人員的獲救概率和存活率。

（6）將新型救生衣和可折疊海水淡化水瓶相結(jié)合，為遇難人員提供了一定的淡水有效維持著遇難人員的生命，提高他們的存活概率。

（7）采用了NBR/PVC 軟質(zhì)閉孔泡沫塑料，使穿戴人員的靈活度和舒適度得到了全面的提高，它吸水性小的特點(diǎn)使救生衣的效用時(shí)間更長、更安全。

（8）與目前市面上已有的多功能救生衣相比，這款救生衣功能更多，更齊全。

4 產(chǎn)品前景

（1）中國是一個(gè)海洋大國，船舶業(yè)十分發(fā)達(dá)。船舶業(yè)的日益蓬勃發(fā)展，使遠(yuǎn)洋船舶的事故發(fā)生率會(huì)不斷增加，因此，這款新型的救生衣可以有很好的市場和應(yīng)用前景。除了可以應(yīng)用在遠(yuǎn)洋船舶中，也可以將它應(yīng)用到現(xiàn)階段的體育運(yùn)動(dòng)當(dāng)中，也可以運(yùn)用到江河流域，適用性非常廣闊。

（2）目前市面上的恒溫類救生衣品種少，價(jià)格昂貴，供暖保暖性能一般，國內(nèi)市場存在很大的空缺。本產(chǎn)品價(jià)格相對較低，原料安全易于推廣，易于批量化生產(chǎn)具有非常大的應(yīng)用前景。

（3）本產(chǎn)品綠色，安全，環(huán)保，符合我國的綠色生態(tài)發(fā)展理念。

（4）在往后本產(chǎn)品還可以增加很多附屬的性能在不同的場合發(fā)揮著不同的作用。

5 結(jié)語

文章設(shè)計(jì)的恒溫救生衣結(jié)合了太陽能發(fā)電技術(shù)，海水原電池技術(shù)，北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)技術(shù)，蛙類手蹼手套，可折疊海水淡化水瓶，NBR/PVC 軟質(zhì)閉孔泡沫塑料，和現(xiàn)在的傳統(tǒng)救生衣相比，不僅提高了海難存活率和獲救成功率，還可以應(yīng)用到海上和生活的抗洪救災(zāi)當(dāng)中，甚至可將其應(yīng)用于軍事方面，為未來的海上安全提供保障。由于其使用范圍非常廣泛，市場前景十分廣泛，在救援當(dāng)中更加高效便捷安全。