深潜器救生钟脐带电缆若干问题的讨论

王子纯， 王春江

(1.江苏东强股份有限公司，江苏东台224247;2.上海电缆研究所，上海200093)

0 引言

众所周知，舰船在大海航行中有时会发生意外事故，例如，建国初期，我海军在我国东海地区进行军事演习，因某种原因某艘常规潜艇从海底浮出水时，与水面上某舰艇发生碰撞后沉没。由于我海军刚建立不久，缺乏应急救生打捞船及相应装备，除一个战士从鱼雷发射口逃生之外全部遇难。上世纪90年代，俄罗斯在欧洲北海军事演习时，一艘核潜艇因内部气体泄漏并发生爆炸后沉没。因限于该国救生打捞船只及相应装备落后，经多次抢救均告失败。

通常，潜艇发生事故并下沉海底时，会立刻发出求救信号，并连续不断地呼叫。救生船只及直升机将迅速赶到出事海域，并及时探测遇难潜艇的具体位置，然后派出潜水员潜入海底进行抢险和救生。可是，众所周知，在海水里每增加10 m深度就要增加一个大气压。因此，即使是经过长期训练的高级潜水员，尽管装备了专用潜水服及装置，通常每深潜10 m就需要停留数分钟或更长时间，以调节潜水员体内各器官适应海水水压和环境，否则将危及生命。由此可见，即使在浅海(50～100 m)，一次深潜也要花费很长时间。另外，潜水员深潜到高水压恶劣环境下，其工作时间不宜太长，必须按规定时间上浮，否则同样会危及生命。可是，上浮程序和方式与下潜一样，必须逐步停留，同样需花费很多时间。而且，这种陈旧的救生方式只能用于浅海。因为潜水深度通常不超过50 m，否则水压太高会危及潜水员的安全。

针对上述问题，欧美各国开发了一种深潜救生钟及其配套用的脐带电缆，以满足深水(数百米)中快速、安全，以及能长时间潜水救生的需要。

1 工作原理和过程的简介

正如文献［1］所述，特种用途电线电缆是应用于特殊环境或特殊用途的专用电线电缆，因此其材料选择和结构设计非同一般。在设计前应了解与线缆产品配套的装置或设备基本情况和工作原理;其次，要根据配套运用时，线缆使用环境、使用条件、使用方式，以及运行中实际情况，进行全面综合分析;然后才能提出合理和正确的技术路线、技术方案、技术要求和试验方法，并进行产品材料选择和结构设计，最后还须进行计算和验证。因此，首先应深入了解救生钟下潜救生的工作原理和过程。

通常，当打捞救生船——工作母船到达潜艇(或舰船)出事海域并探测到具体位置的同时，数名潜水员进入救生钟并关闭密封窗，然后启动起吊装置，通过悬挂救生钟上端的钢索缆绳起吊并渐渐地放入海水中。与此同时，与救生钟上方相连的脐带电缆也随之入海，而其另一端始终与工作母船相关设备连接。

脐带电缆必须由以下几部分组成:

(1)通气管。主要用于氧气的输送，供潜水员呼吸。但是，所提供的氧气其压力将随着救生钟下潜入海的深度而逐渐升高，一方面为了使潜水员能逐渐适应相应的水下压力，以便一旦走出救生钟进入高水压海水中不会危及人身安全;另一方面，一旦救生钟到达水下潜艇出事地点，可打开救生钟的密封窗，因钟内气压与钟外海下水压相同，所以海水不会涌入，潜水员可自由潜出密封窗进行救生工作。工作一段时间后仍可返回救生钟，进行调养和休息，这样解决了长时间在水下进行抢救作业的问题，也可高速潜入海中进行救生工作。反之，救生完毕后，救生钟逐渐上吊出水，钟内气压逐渐减小，直至与钟外常规气压相同，潜水员走出密封窗也不会发生意外，保障了潜水员的安全。

(2)电力电缆和控制电缆。救生钟脐带电缆通常有多根电力电缆和控制电缆，供机械操作、照明等供电，以及对某些救生用具和装置的调控。

(3)通信电缆或通信光缆。主要用于潜水员与工作母船工作人员通话和图像传输，便于信息交流和现场指挥，早期曾采用通信电缆，目前已被通信光缆所替代。

从上述可知，脐带电缆实际上是一种新型综合缆，它是潜水员的生命线，因此，必须保证绝对安全可靠，否则将危及潜水员的生命。由于其另一端始终与工作母船——救生打捞工作船相连，所以犹如怀孕的母体与胎盘中的婴儿之间连接的生命线——脐带。同样，我们把航天飞船航天员出舱时所穿着的航天服背后相连的电缆也称为脐带电缆，其道理是一样的。

2 脐带电缆设计若干问题的讨论

2.1 受力构件的选择

应该说，救生钟起吊入海和出海主要依靠高强度钢索缆绳。由于救生钟重达数吨或数十吨，再加上海水深度数十米或上百米，钢索本身自重也不低，更主要是，由于潮水起落，即使无风所产生的海浪和海涌也决不可低估，更不要说天气恶化引起大风浪，因此该缆绳要求强度极高，这不是本文讨论的主题。

同理，脐带电缆尽管本身不参与救生钟起吊，但其所受到推拉力同样是巨大的，因此要求具有极高抗拉强度、较小外径和自重，这是首要的设计条件。由于芳纶纤维柔软、重量轻(密度低)，并具有比高强钢丝更高的抗拉强度［2］(见表1)，目前已广泛用于电线电缆或光缆中，所以应选用芳纶纤维作为脐带电缆的受力构件。据文献［3］报道，一种牌号为Zylon的PBO纤维(含有芳香杂环的聚苯唑聚合物)其密度与芳纶纤维相近，但抗拉强度更高(见表2)，若采用其作为受力构件则更佳。

表1 芳纶纤维种类和性能

2.2 输气管的选择

由于输气管用于输送氧气，是潜水员的生命线，所以要求绝对安全可靠，一定要连续挤出，不允许有任何缺陷(气孔)或接头，其次必须能承受一定的气压，要求无色、无味、无毒、密度小，其次硬度适中，既柔软，便于弯曲，又有一定刚度，弯曲时不易变形。通常可选用聚乙烯、聚丙烯或乙丙橡胶之类弹性体。

2.3 电力、控制电缆和光缆的选择

脐带电缆导线通常采用正规绞合的镀锡铜线，为了增加电缆的柔软性和耐弯曲性，导线的绞合节径比要小，绝缘线芯的成缆节径比也要小。为了尽可能减小电缆外径和重量，宜选择密度小、电性能优良、机械强度高(可减薄绝缘厚度)的绝缘材料，通常可选用辐照交联聚乙烯。由于通信光缆与通信电缆相比，重量轻、外径小、容量大，是脐带电缆的最佳选择，具体技术要求与上述相同。

表2 Zylon纤维与其它纤维性能的对比

2.4 护套材料的选择

正确选择护套材料是本产品关键之一。表3为几种典型的特软电缆护套料及性能比较。新型热塑弹性体聚氨酯具有硫化橡胶和一般热塑料的综合性能。其突出优点是密度小(重量轻)、强度高、弹性大、耐磨、耐气候、耐辐照、耐油、柔软(特别是低温下柔软)、高伸长率、高模量、易着色和易加工(不需要硫化，可用普通挤塑机挤出)。这些综合性能是目前任何商品橡胶和塑料不全具备的［4］。因此，根据脐带电缆使用环境、条件及要求可以认为它是唯一的选择。

表3 几种典型的特软电线电缆护套料及性能的比较

经对国外生产的军品(实物)进行化验和分析，并参阅了相关资料，发现在上世纪70年代前，欧美各国军用电缆护套较多采用低温硫化的氯丁橡胶，因为护套内的绝缘材料大多采用耐温较低的聚乙烯或聚氯乙烯。自70年代起，国外已采用了新型热塑弹性体聚氨酯材料，逐渐代替了氯丁橡胶［5，6］。从表3可知，聚氨酯的电性能和机械物理性能略高于氯丁橡胶，除了不需硫化之外，最突出优点是强度高、耐磨、耐低温(低温柔软性及低温动态弯曲特性优)。上海电缆研究所某项目研究小组曾对用这两种不同护套材料制成的同规格、同类型野外通信电缆进行对比试验，已证实了这一结论(见表4)。

使用聚氨酯时还须注意以下两点:(1)聚氨酯分为聚酯型和聚醚型两种。前者遇到水分或在湿度大的环境下，很容易发生水解，将大分子量的弹性体裂解为若干小分子，导致产品老化。因此电缆护套必须采用不会发生水解的聚醚型聚氯酯。(2)通常，聚氨酯材料不阻燃，而作为军用特种用途电线电缆无论是陆上和海上均要求具有阻燃特性。因此，必须采用经改性的阻燃型聚氨酯。实验证明，其与氯丁橡胶一样可满足阻燃特性的要求(见表4)。

表4 国内外同类型产品机械物理性能的比较

3 结束语

地球是人类生存和养育的母亲，它有着辽阔的大陆和无边的海洋，海域占有的面积非常巨大，而且海底尤其深海蕴藏着大量已发现和未发现的矿藏，以及无数的动植物。这些都有待于人们探索、开发和利用，可以说，其技术难度和风险并不亚于人类对太空宇宙的探索。随着人类科学技术不断地进步，为了可持续发展，人们必然会对大海进行深入开发和利用。这就需要开发各种类型水下机器人、水下探测器和深潜器，以及调研用的微型潜水艇等，与其配套的特种用途的电线电缆也将获得发展，其应用的前景是广阔的。本文仅对救生钟脐带电缆救生工作原理和过程，以及产品结构设计、材料选择作简要介绍。通过一些基础知识和基本设计思想方法的讨论，或许能对电缆技术人员有所启示和帮助。

［1］王春江，范洪欣.特种用途电线电缆的设计和研究及其指导思想［J］.电线电缆，2007(1):7-11.

［2］徐应麟主编.电线电缆手册(第2册)［M］.北京:机械工业出版社，2001.

［3］李光，周学军，魏巍.PBO纤维应用于高强度微型光缆的可行性研究［J］.电线电缆，2007(4):7-9.

［4］王春江.阻燃、聚醚型聚氨酯热塑弹性体在野外特种用途通信电缆中应用［J］.电线电缆，2007(5):1-5.

［5］王佩琪.氨基甲酸乙酯电缆外护套［J］.通信电缆，1977(2):56-58.

［6］秦大甲.国外海洋军用光缆发展动态［J］.光纤与电缆及其应用技术，1997(2):3-10.