潜水自救气囊的设计研究

毛理想 柏健 潘泽

摘 要：为了提高潜水的安全性，潜水自救气囊作为实用型安全装置，通过理论知识对比，发现装置采用GPS模塊、压力传感器、单片机等硬件后确实可以提高装置的安全性能。其使用方法是，当潜水人员在水下发生危险时，通过按下触动开关来接通装置内部电路，电流通过电爆管发生爆炸引燃火药粉，引发气体反应剂发生反应，产生的大量气体使伸缩气囊急速膨胀，在极短时间内形成一个浮力球，产生巨大浮力，拖动潜水人员浮出水面，实现自救。装置优点就是可以实现快速自救和GPS定点救援，这也是装置最终需实现的两项功能。

关键词：气囊;自救;GPS定位救援

中图分类号：TB472  文献标识码：A  文章编号：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世纪被誉为海洋世界，海洋的世界有着许多奇特的海洋生物及丰富的矿物资源，具有很高的研学研究和开发利用价值，所以人们不得不潜入水下，进行科研及开采等工作，同时也吸引了越来越多的人们体验潜水。随着对海洋资源的深入开发，越来越多的人们要在水下进行工作。在这样的背景下，我国科研人员不曾间断对潜水装置的研究。

目前，我国潜水气囊的技术相对比较成熟，潜水安全气囊装置发展也较完善，各种各样的潜水气囊应运而生，各自展现出自己的风采。我国最先进的潜水设备一般用于水下科研或军事潜艇，但出于实用经济性方面的等考虑，其设备普遍存在于结构较为复杂、生产成本高等缺点。除此之外，民用潜水设备的发展也较完善，技术相对比较成熟，就迷你救生气囊而言，其设备技术成熟，但因其设备结构过于简单，设计的气囊撑开体积较小，所以存在着因产生的浮力有限而不足以在深水领域使用等问题。

在这多元化的社会，潜水活动将成为未来一种常见的工作和娱乐方式，但往往水下存在许多不确定的安全隐患，可见对一种潜水安全设备的研究与研发是非常有必要的。该潜水自救气囊通过对比总结现有潜水设备存在的不足，并在此基础上进行改进和创新。装置的创新在于装置使用了更加安全、更加便捷、更好操作的硬件设施，并配备GPS定位系统增加装置的安全性。我们研究的潜水自救气囊致力于研发一种可靠、使用方便、造价低、功能强大的实用型安全设备，弥补了类似于迷你自救气囊等类似设备普遍存在的潜水范围局限、潜水设备结构易氧化等不足。

1 概述

1.1 潜水自救气囊的介绍

本款潜水自救气囊是基于水下潜水遇到紧急情况时用于安全自救的一款实用型设备。潜水自救气囊的设计理念不同以往潜水安全工具，它是一款新型的“安全气囊”，基于汽车安全气囊的基本工作原理，对此进行设计改进，使其更加适用水下环境。装置配有压力传感器，可随时监测不同水深的水压并配合指示灯工作，GPS定位模块随时定位，在单片机显示屏上将随时更新显示水下的压强，位置坐标等参数，潜水人员可随时查看，确保潜水人员可以掌握自救的黄金时间。当潜水人员所处水域压强变化波动较大时，潜水人员可以根据装置的指示灯的颜色，选择打开气囊的数量，并通过GPS装置自动向外界发送位置求救信号，提示外界救援人员及时展开救援工作。

1.2 潜水自救气囊的应用及研究意义

1.2.1 潜水气囊的应用

适用对象：潜水爱好者、从事水下科研、水下摄像、清理水下垃圾、打捞海产品、安装拆除水下设备、水下安装钢结构的潜水工作者。

适用环境：各种湖泊、流域以及海水等一般潜水环境。

1.2.2 潜水气囊的研究意义

潜水自救气囊将在未来潜水安全用具的独具优势。潜水活动在未来将成为新的一种工作和娱乐方式，考虑的水中存在许多安全隐患及不确定因素，尤其是在未知深水領域中，潜水人员很可能会出现肢体抽力不支或者氧气不足等突发状况，这是非常危险的。所以，装备一套保护人员安全装置是非常必要的，综合潜水自救气囊的安全便捷的特点，将在未来拥有广阔的市场前景。

潜水自救气囊符合目前安全设备研究方向技术领域的要求。目前，我国潜水安全设备各式各样，目前市场所出现的设备各有各自的优势，但也存在部分缺点，仍需要不断进行改进和创新。国家也正需求一项技术成熟、安全可靠、使用便捷的潜水安全设备的研究。潜水自救气囊装置通过结合计算机技术，利用其准确性高、实用性强的特点，采用网络技术来实现装置自救和GPS定点救援的功能，使得装置较以往的潜水设备工作更加可靠，提高装置的安全性能。

潜水自救气囊相比较其他潜水安全用具的特点。例如：带气囊的潜水艇模型、迷你救生充气囊等。由于迷你自救气囊存在浮力有限而不能在深水域潜水的问题，我们在该装置的特点上进行了优化改进，通过使用两个相互独立的伸缩气囊来满足在10米以下深水域需要自救时所需的最小浮力。鉴于类似手腕式简易气囊结构设计的潜水设备，因设备大部分结构采用塑料制作，所以针对其设备水下极易发生氧化，安全系数不高的问题，该装置也进行了改进，通过采用不锈钢金属做外壳来保护装置内部结构，避免装置在水下发生氧化的问题出现。对于带求救标志来向外界发送求救信号的潜水设备而言，因其设备采用的是带求救标志的气球来向外界发出求救信号，所以存在因在远距离而不能及时发现的问题，基本失去了气球的意义，为此，该装置也进行了改进，通过GPS定位和发短信的方式代替求救气球来向外界求救，更好的保障了潜水人员的安全。对于类似于氧气瓶的水下潜水设备，因其设备体积较大，携带不便，给潜水人员增加负担的问题，该装置也进行了改进，通过采用腰带式结构（附图1），使用时系在腹部，不仅携带方便、轻量化，并且不会妨碍潜水人员做其它动作。

为了让人们在潜水时可以更加的安全，所以设计一款工作可靠、携带方便、操作简单、可控的潜水自救气囊意义重大，它可以在潜水时作为潜水人员的生命助手，在不影响潜水工作者的正常工作的同时，给人员提供可靠的安全保障，让他们能够在水下更加安心的工作和娱乐。

2 潜水自救气囊的设计

2.1 潜水自救气囊的原理

（1）组成：电控开关、气体产生装置、防水外壳、气囊、腰带、GPS定位模块、信号发射模块、单片机等。

（2）工作原理：本装置引用安全气囊原理。当潜水人员发生危险时，潜水人员按下触动开关，装置内部的电路被接通，电流通过电爆管，电爆管发生爆炸引燃火药粉，从而引发气体反应剂发生反应，产生大量气体，随后气体充入伸缩气囊中，气囊急剧发生膨胀，在极短时间内形成一个浮力球，产生巨大浮力，拖动潜水人员浮出水面。同时GPS装置自动定位，并配合信号发射模块向外界发射使用者的位置求救信号，方便救援人员展开救援工作。

如附图1所示，装置为腰带式，使用时系在腹部，不会妨碍潜水人员做其它动作。

特点：装置小巧，便于携带;操作简单，没有复杂的使用流程，气囊弹出迅速，能够把潜水人员第一时间拖出水面。

2.2 潜水自救气囊的材质选择

（1）材料选择要求

①为了保证本产品具有良好的抗压、防水能力，能够很好的适应在水下的工作环境。装置采用不锈钢金属做外壳，内表面涂有耐高温、防水的玻璃纤维，并且开有小孔，气囊连接于小孔处，且密封连接处附着保护外膜，能够有效防止水进入。

②考虑到装置使用时要与潜水人员身体直接接触，所以本装置的外壳采用镁铝合金，硅酸铝纤维做外壳涂抹料，为装置提供了很好的抗压和隔热性能。在此基础上，与人体直接接触的部分，装有采用玻璃纤维和塑料制成一个缓冲板，能够有效的减小因爆炸产生的冲击力，避免了装置对人体的二次伤害。

（2）气囊设计所需配件

①安全腰带：采用高强度纤维材质棉纶、涤纶、芳纶组成。

②电爆管：引爆电压只需要5V，也就是一节普通5V纽扣电池就可以提供装置所运行需要的电压。

③电源：启动按钮和装置内部的线路均采用防水材料及结构，防止水渗进装置中，从而保护装置能够在深水下正常运行。

④气体发生剂：硝酸铵（NH4NO3）、叠氮化钠（NaN3）、硝酸钾（KNO3）、二氧化硅（SiO2）。

气囊装置基本原理简图：

2.3 潜水气囊的潜水深度设计

为保证装置气囊打开时能提供足够的浮力，需要合理计算出化学反应剂的使用量。通过计算数据利用相关仿真软件（Matlab、Adams等）完成潜水自救气囊在不同水域下时的性能分析，并建立潜水气囊三维模型图。

装置为了能够更好的适应不同水域压强的变化，使得装置具有可调性，所以装置采用了两个安全气囊，并各自配备开关，并且装置上还加了压力传感器和指示灯，两者相互配合工作，根据压力传感器测定的水压和气囊能够正常工作的压力范围显示不同的颜色，潜水人员可以根据指示灯的颜色自动选择打开气囊的数量。以此来克服因深水域水压过大而造成气囊正常打开的问题。

2.4 潜水气囊的防误爆设计

为提升装置防水能力，需解决装置在水下可能出现渗水、误爆的问题。装置外加了一层特殊橡胶制成的保护外膜，以保证装置内部的设备可以在水下正常工作。为解决潜水人员在水下因误触开关，或者装置出现故障而导致误爆的问题，所以气囊打开按钮上装有可按压式弹簧保护外壳。使用时按下保护外壳，使其自动弹开，之后按下自救开关，气囊正常打开。

气囊部分为本装置的核心部分，其材质采用的是特殊的织物尼龙材料，该材质具有很好的抗压能力，保证了装置在急剧膨胀的情况下不会发生炸裂。气囊具有耐高温的性能和一定的可塑性，既保证了在爆炸反应的瞬间，气囊不会因温度上升过快而发生粘连，又避免了上浮时水压下降过快而膨胀破裂。

3 潜水气囊的结构

（1）气囊部分：装置采用两个独立的气囊，可分别独立打开，外层设有独立的气囊保护外壳，起到保护气囊的作用。

（2）外壳部分：装置外加一层特殊橡胶制成的保护外膜，内部安有防误爆保护电路，传感器。

（3）开关部分：气囊开关位于装置底端，方便使用者及时打开气囊，开关外部装有可按压式弹簧保护外壳，起到防止误触打开气囊。

（4）电路部分：内部电路设备位于装置底部空间中，电路设备上部分为两个单独的气囊供给气体反应室，分别给两个气囊提供气体。

（5）气囊底壳部分：气囊底部采用铝合金材料，外界部分装有一层隔热垫片，防止气体反应过热烫伤使用者。

（6）腰带部分：腰带位于装置底端两侧，分别设有腰带卡扣，方便固定穿戴本装备。

（7）装置设计平面图（见图3）。

4 结论

（1）通过Matlab、Adams等仿真软件对气囊结构材料的拉伸和剪切力学性能进行测定实验，仿真结果表明潜水自救气囊确实比一般的潜水安全装置性能更加稳定，可以更好满足潜水人员的潜水。

（2）通过装置压力传感器和预警提示的作用，使得非专业潜水人员可以更好的掌握水下压强可能对人们造成不良影响，更好的保障了人们的安全。

（3）装置通过GPS模块的作用，提高了装置的安全性，为救援工作提供更加准确的位置信息，如果该款潜水自救气囊投放市场使用，未来将会对人员的潜水带来积极影响。

参考文献

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