自1956年英国海军Lambert提出“浮力助推自由上浮”脱险技术后，经过数十年的努力，最终在1970年实现了海上183m的脱险训练，快速上浮脱险技术趋向成熟。该技术以其调压快、高压暴露时间短、上浮速度快、脱险深度大和操作简单的特点，被世界采纳［1］。目前国际上有潜艇国家均以此方法作为失事潜艇艇员脱险的主要手段。自上世纪60年代以来，脱险训练成为潜艇艇员基本技能训练之一。英国皇家海军成立了专门训练机构SETT，目前确定的快速上浮脱险训练深度为30m［2］。其他各个国家的训练深度基本以此为参照，个别国家甚至训练深度降至18～20m。脱险训练不仅普及，也是潜艇艇员职业强制培训内容，并且形成了一套包括医学保障内容在内的固化的安全训练程序。脱险训练以程序训练和操作训练为主要目的，并不是检验脱险程序的安全性。30m的限制来源于肺的最大可压缩程度。虽然训练时不可避免还是存在操作熟练和是否紧张等其他因素的干扰，会不时发生减压病或肺气压伤等问题，但的确基本避免了必然发生的可能。

我国在潜艇脱险装备不断发展的过程中，对于装备性能的载人试验提出了特殊的需求，甚至提出极限深度200m验证的意向。然而，脱险是以生命保存为目标的行动，快速上浮脱险作为一种特殊的潜水模式，不仅跟其他潜水模式如空气潜水一样存在各种特殊环境因素的致伤作用，而且由于极快速的加压和减压，存在特殊的致伤作用机制。作为试验，而不是实际的逃生。目标不再是生命保存，只是验证装备性能。因此，是否存在健康损害成为评价的判断方向。为此，本文拟基于现有数据，从减压安全角度，采用理论计算的方式，探讨采用快速上浮脱险方法进行潜艇脱险装备性能载人验证试验的深度限制。

1、理论推算方法

1.1 快速上浮脱险程序

现有的快速上浮脱险程序包括指数倍增的加压、短暂停留和匀速减压［1］。其中，停留时间为4s，减压速率为2.7～3.0m／s。加压的压力变化速率为每4s压力翻倍，可以表示为：

PT=P0×2（T／4）

（1）式中：PT：加压过程中瞬时绝对压强，单位为ATA（1ATA=0.1MPa）；P0：初始压力，为1ATA；T：加压时间，单位为s。

1.2 减压负荷评估参数

潜水减压过程是溶解于体内的惰性气体脱出机体的过程。就快速上浮脱险这样一个特殊的潜水程序，拟从三个角度考虑其减压风险。但任何单独一种评估均未能达到足够满意的程度，尤其是减压负荷大小的量化估计存在一定的困难，需要实验构建减压负荷量化评价的生理模型，以对计算结果进行实验评估。

1.2.1 SPdt1970年，Donala提出了SPdt的概念，用来估计脱险者从不同深度脱险的安全程度［1］。计算公式（采用英制单位）如下：

SPdt=（Ct/2＋Bt＋Dt/2）×Pmax

（2）式中：SPdt：时间（s）与深度（ft）的乘积，单位为百英尺·秒（Hf·s）；Ct／2：二分之一加压时间，单位为s；Bt：着底停留时间，单位为s；Dt／2：二分之一减压时间，单位为s；Pmax：最大深度，单位为ft。

从SPdt的计算公式可见，快速上浮脱险的减压安全性主要体现在高压暴露时间和深度2个参数上。由于快速上浮脱险暴露时间短、深度大，往往离开最大深度后的初始上浮阶段，体内大多数组织还继续处在惰性气体饱和过程。而且为了尽可能不高估危险性，采用各一半的加减压时间与着底时间的和作为估计危险性的高压暴露时间。

1.2.2 不减压潜水时间极限美国海军潜水手册［3］对不减压潜水提供了明确的时间极限要求（见表1）。不减压潜水一般用于常规空气潜水，所以给出的最大深度为60m。美海军就快速上浮脱险技术，在1970年也给出了一个人体高压安全暴露总时间表（见表2）［1］。

姚健等［4］出于计算水下特种作战减压程序的目的，进行了不减压潜水极限时间的动物验证实验。该实验共进行了10个减压方案，合计40只次的动物实验。安全减压的判定标准为动物出舱后即刻及6h行为状态均无异常，多普勒气泡音检测零级，减压病发病率为零，肺脑组织病理未见异常。实验最终确定了常规空气潜水对应的不减压潜水时间极限与美国海军潜水手册比较（见表1）。

表1  美国海军和中国海军不减压潜水时间比较表（min）

表2  人体快速上浮脱险深度高压安全暴露总时间表

1.2.3 氮张力

出水氮张力用来描述采用氮气为氧气稀释剂的高气压暴露后，组织内未完成脱饱和的惰性气体张力。参考文献［5］，对不同深度失事理论组织出水氮张力的计算如下所述。加压时体内增加的氮张力（N1）为：N1=0.05×d×（1－0.5T）×0.79停留时体内增加的氮张力（N2）为：N2=0.1×d×（1－0.5T）×0.79减压到常压过程中，增加的氮张力（N3）为：N3=0.05×d×（1－0.5t）×0.79到达水面（0m）后体内的余氮张力（N）为3者的和：N=N1＋N2＋N3＋0.79（3）上述公式中：d为压力平衡深度；T为潜水时间；t为减压时间。

2、理论推算结果

2.1 根据美海军不减压潜水时间极限的推算结果

美海军潜水手册的不减压潜水时间因用于常规空气潜水，最大深度为190ft。根据190ft以浅的数据进行不减压极限时间的回归分析，获得指数曲线（r2＝0.985，P＝0.000）（见图1）。计算得出随深度增加，不减压潜水时间极限表。见表3。

图1  美海军不减压潜水时间极限的回归分析

表3  不减压潜水时间极限及快速上浮脱险理论时间（s）

按常规空气潜水的不减压潜水概念，不减压潜水时间为着底时间。但一般的不减压潜水，上浮过程规定为30fsw／min。在采用水面减压法时，从水下快速减压出水的速度也不能超过40fsw／min。从减压理论及其计算过程可知，这个上浮速率也是一定程度的减压脱饱和。而快速上浮脱险的减压上浮速率为2.7～3.0msw／s，可以视为完全不减压。为此，快速上浮脱险的高压暴露时间笔者按总时间和SPdt时间（加压和减压时间的一半与高压暴露时间之和）2种方法计算水下工作时间。对比曲线推导的极限时间和快速上浮脱险总时间，相对安全的脱险深度为110～120m。如果将SPdt时间作为对照参数，相对安全的脱险深度为130～140m。显然SPdt时间由于只取加压减压过程的一半时间，显然存在不够充分的可能。

2.2 按照快速上浮脱险高压暴露极限时间经验计算结果

笔者计算中采用了美国海军的数据作为参照（见表4），预测安全快速上浮脱险深度应在120～140m。

表4  高压暴露时间极限及快速上浮脱险理论时间（s）

2.3 以余氮张力为依据的计算结果

采用相等空气暴露概念，可以认为出水余氮张力是界定减压安全的一个重要指标。笔者计算了HJB189－1998《空气常规潜水医学保障规程》中附录《12～60m空气潜水水下阶段减压表》的氮过饱和安全系数。选取最大过饱和安全系数2.40作为安全过饱和极限。对不同深度采用快速上浮脱险方法出水时的氮张力按照前述公式3计算出水时的最大氮张力（见表5）。结果表明，110m的出水氮张力为2.390。安全脱险极限深度应不大于120m。

表5  快速上浮脱险理论余氮张力

2.4 动物实验研究的推算结果

根据姚健等［4］的验证实验结果，采用曲线模拟分析，极限时间亦为随深度增加的指数降低趋势最为明显（见图2）（r2=0.976，P=0.000）。采用指数曲线推导了大于60m的不减压潜水时间极限（见表6）。结果表明，快速上浮脱险方法理论安全深度应为90～100m。

表6  减压潜水时间及快速上浮脱险安全深度预测

3、讨论

潜艇脱险装备的性能参数来自医学的需求，是确定性的。潜艇脱险的潜水程序经过了大量长期的实验研究和试验／训练的验证，也是确定下来了的。但由于潜艇脱险是以保存生命为目标，与一般的潜水作业在程序的设计上存在明显的区别。因此，装备性能试验不是用来验证潜艇脱险的潜水程序可靠性，主要目的应该是从人机交互角度验证装备的操作性能。

快速上浮脱险的潜水程序可以简述为快速加压、短暂停留、快速减压。除减压病之外，还需要顾及的潜水疾病有气压伤、氮麻醉、缺氧与氧中毒、二氧化碳中毒等。中耳气压伤多发生在开始加压的瞬间。肺气压伤的病因主要是肺内气体体积变化的幅度和速度。越是浅深度，体积变化幅度越大。即使一般的脱险训练深度，也无法完全避免气压伤的发生。英国SETT的数据表明，30m以浅的脱险训练肺气压伤的发生概率为0.05％。有研究表明，7～8s倍增调压速率发病概率为1.15％，20s倍增调压速率发病概率为0.98％。笔者认为，在一个条件可控的试验过程中，气压伤可以通过合理的体格选拔和训练避免［6］，并且偶发的气压伤及时治疗没有严重影响，对于挽救生命的技术训练是可以接受的［7］。因此气压伤不作为考量装备性能试验深度的限定指标。

二氧化碳中毒问题上，美国海军医学研究所的数据表明，183m以1.7m／s上浮时，体内二氧化碳水平保持正常。以3m／s上浮时反而减低，以慢于0.6m／s的速率上浮时可引起缺氧和二氧化碳潴留。笔者前期研究表明，50m脱险后存在显著的终末潮气二氧化碳含量增加，但出舱后很短时间就恢复正常，且未见危及脱险艇员安全的二氧化碳中毒问题［8］。二氧化碳潴留问题也不作为装备性能试验深度的限定指标。

为探讨快速上浮脱险适宜的加压速率、上浮速度、高压下安全暴露时间及可能发生的减压病问题，英美等国海军进行了大量动物实验研究［1］。虽然Haldane在空气常规潜水中的确定的过饱和安全系数为1.6或1.8，但1969年，英国皇家海军生理研究所根据862只山羊的实验结果推测，80s、5min、10min理论组织的氮张力依次不超过10、5和4.25ATA是相对安全的。英国上世纪六七十年代的人体实验中，152m的模拟实验发生1例重症（II型）减压病，患者出现明显的下肢瘫痪等神经症状和体征。海上脱险训练时也在153m出现1例重症减压病，有视觉障碍和平衡功能障碍。随后1970年，Donala提出了SPdt的概念，用来估计脱险者从不同深度脱险的安全程度。通过数百只的山羊实验数据，提示SPdt小于500Hfs是安全的，大于990Hfs会发生严重致命减压病，940Hfs至870Hfs之间的减压病需要加压治疗，841Hfs和706Hfs时发生的减压病可以不经治疗自愈。但后来有人体实验中低于500Hfs发生减压病的个别案例报道。此后，很多研究集中于高压暴露时间的限制，例如，英美海军认为200m脱险的安全暴露时间极限为小于30s，我国中国人民解放军海军特色医学中心（原海军医学研究所）的研究认为小于1min。这些研究均是从脱险技术的“安全性”出发的。发生疾病与否的概率是判断方法可行性的关键指标。一般认为10％以下的发病概率是可以接受的。美海军推荐的潜艇脱险发病概率亦为10％，并且认为20％也可接受。实践证明，哪怕在训练深度，快速上浮脱险过程仍有发生个别减压病的可能［9－10］。

研究表明，只要有高气压暴露，就存在不同程度的减压损伤。减压病是减压损伤表现出明确的临床症状的状态。一般的潜水实践均提示，低于减压病的减压损伤在机体代偿范围内是可以接受的。由于快速上浮脱险是以逃生为目的，减压损伤允许的程度远高于一般的潜水作业。减压负荷的大小决定了减压损伤的程度。在一个固定成分的呼吸介质条件下，减压负荷的大小可以描述为暴露压力和时间的函数，如SPdt采用了加减压时间的一半与着底时间的和作为暴露时间，来预测快速上浮脱险这种潜水模式的危险性。基于一个固定的潜水程序，如快速上浮脱险，暴露时间与暴露深度相关，减压负荷的大小可以简化为暴露深度的对应函数关系。本文基于现有的减压理论认知，试图用一般潜水的减压负荷限制，来推导界定非逃生目的的装备性能验证试验深度，将快速上浮脱险的减压负荷控制在一般安全潜水范围内。

快速上浮脱险是基于不减压潜水理论的特殊潜水过程，与一般的不减压潜水存在明显的不同。后者的“不减压”是指不设停留站，对上浮（减压）速率有明确的限制，如美国海军潜水手册要求不能快于30～40fsw／min（10～12m／min），理论上类似于匀速减压的过程。而快速上浮脱险的上浮速率是180m／min，更为接近于真正意义上的不减压潜水。在以美国海军潜水手册推荐的不减压潜水极限时间为依据的推算中，采用SPdt时间进行估计快速上浮脱险极限深度为130～140m，较采用高气压暴露时间估计的110～120m存在一定的风险。如果以体内氮张力的变化考虑，快速上浮脱险的高气压暴露全过程，体内很多组织均还在饱和过程中，只有出水后，才开始进入有意义的脱饱和过程。因此，采用高气压暴露总时间估计，更符合惰性气体在体内的运动规律。这与采用氮张力以常规空气潜水减压表作为参照的推算结果是一致的。

基于何尔顿减压理论的减压模型将减压病发病与否作为分界线，认为1∶2的压差比是安全的。随后的减压理论发展延续了以减压病发病为分界线的概念，但融合了更多的经验数据，采用了更为复杂的数学模型，也更为保守和安全。后期的大量研究表明，只要有减压，减压损伤就必然存在。比如，有研究表明高气压暴露前后有氧化损伤、细胞因子的显著改变［11－13］。这些生理学上的探索尚未应用于减压理论模型的构建。本文的推算只是基于现有的减压理论和实践，未对推算的结果进行生理学实验验证，亦属于经验性的推导。近年来，出于更为安全的考虑，不减压潜水极限时间也有更多的研究探索［14］。笔者采用前期实验验证的数据作为参照，推测的极限深度也降低到90～100m。对于完全可控的装备性能试验，笔者推荐这个深度更为安全可靠。

参考文献：

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陈锐勇,廖昌波,姚健,等.快速上浮脱险装备性能试验极限安全深度的理论推算[J].海军医学杂志,2019,40(6):501-505,516.

基金项目:海军装备部型号预研项目(101030205)