技术潜水 和循环呼吸器

海洋包罗万象!海洋占据地球面积的71%,它的气息纯洁而健康。在这片辽阔浩瀚的海洋里,人类永远不会孤独,因为他们能感受到周围涌动着的生命的力量。海是一种超自然而又非凡的生命载体,它是恒动,是纯爱,是无垠的生命。

任何追随《海底两万里》中尼摩船长的人,都会很容易理解为什么海洋和潜水腕表密不可分。在水下世界,空间和时间合二为一,成为尼摩所谓的生命之永恒,这就是为什么当代爱好运动的技术人士总是想在水下多待一会儿。

人们常说,潜水是微型的太空旅行,但自从海洋生物学家劳伦·巴列斯塔(Laurent Ballesta)通过各种媒体渠道分享他的水下探索经历以来,人们发现,即便是这种微型的太空旅行也离不开高科技设备的加持。至少在想要达到可行性极限,或者是在这位法国人的基础上还想超越极限的情况下,高科技设备必不可少。

正值首款现代潜水腕表五十噚诞生70周年之际,我们很高兴为您带来最新的尖端潜水技术介绍。顶尖而严谨的技术能使像劳伦·巴列斯塔这样的潜水员比以往任何人下潜的时间更长、距离更深。

我们能从尼摩的预言中得到启示:我发现了它,并冒险进入它,不久之后,先生,你也将进入我的水下世界。有什么理由说他的预言是不对的呢?

全民潜水

1943年,雅克-伊夫·库斯托(Jacques-Yves Cousteau)和埃米尔·加尼昂(Émile Gagnan)共同发明了水肺装备,这是一种由环境压力控制的压力调节器,它通常与一个压缩气瓶相结合。水肺潜水由此普及开来,从而也使冒险下潜到约60米深的地方成为可能,代价只是返程途中的那一点儿减压停留。然而,管理这种减压操作需要计时,因此,由让-雅克·费希特(Jean-Jacques Fiechter)设计的潜水腕表便成为了新探险家们潜水途中不可或缺的工具。

一些人早已梦想着去更远的地方,然而前往深海探索的路上依然困难重重。

“深渊狂喜”

这是一种由于在压强下呼吸氮气(空气中的含氮量为79%!)而产生的麻醉症,潜水员下潜得越深,这种深度中毒的感觉就越强烈;下潜深度超过60米后就会变得非常危险,会导致潜水员运动协调性不足、注意力无法集中以及判断力缺失,产生一种欢欣感。雅克-伊夫·库斯托的船员莫里斯·法格斯(Maurice Fargues)在尝试使用空气潜水创造120米的深度记录时,就遭遇了这种不幸——1947年9月,他成为了第一个死于使用新型水肺装备的潜水员。

而阿尔伯特·本克(Albert Benhke)早在1935年就描述过这种现象,并解释了其产生的原因,进而提出了解决方案。

要想下潜得更深,就必须用另外一种麻醉作用较小的“中性”气体,即氦气,来代替氮气。这项技术由美国人在前期奠定基础,因为截止到20世纪60年代早期,他们都是这种气体的唯一拥有人。直到20世纪80年代初,某些休闲潜水员才得以使用。

氧气配量的难题:不能太多,也不能太少。

呼吸混合物中的氧气含量是一个更难解决的问题。

使用纯氧循环呼吸器的潜水(如亨利·弗洛斯Henry Fleuss 1879年及其后的尝试)已经证实,纯氧呼吸超过几米深度时,潜水员就会发生危险(高氧血症)。

汉斯·哈斯(Hans Hass)曾经使用这种类型的循环呼吸器摄取了很多壮观的水下图像,而且他经常利用它下潜到大概20米深的地方。这其实是极具风险的行为,其他人就没有这么幸运了。

我们还知道,最低氧气含量至关重要。也就是说,氧气既不能太多,也不能太少。

另一方面,在深潜过程中,除了少量的氧气外,呼吸混合物需要包含相当比例的,比如氮气或其他像氦气一样的“中性”气体。正是这些中性气体的吸收和保持决定了减压停留的必要性,这意味着氧气含量越多,中性气体含量就越少,因此减压时间就越短。理想情况下,为了减少减压时间,潜水员应该呼吸含有尽可能多含氧的混合气体,同时要始终保持在纯氧毒性极限以下。

自动化

在水下使用压缩气瓶呼吸时,气体消耗速度会随着深度的加深而增加。下潜到50米处时,潜水员一口呼吸所消耗的气体量是水面的六倍。深海潜水员必须使用更大的气瓶(15、18或20升)或非常高的压强,这意味着需要数个气瓶和/或高压等级的气瓶(300巴)。

开放式技术潜水

混合气体深潜是指从水面开始到水下20米左右的地方使用高氧气体进行潜水。再往深处走,则意味着使用另一种低氧高氦的气体。在返回的途中,潜水员要更换数次气瓶,呼吸氧气越来越丰富而氦气越来越少的混合气体。

因此,我们更容易理解,为什么这种新型潜水运动被称为“技术潜水”。

测量水下的逗留时长逐渐变得比以往任何时候都更加重要,但是,这也意味着,要突破最初设计用于计时一小时的旋转表圈的极限。

随着混合气体潜水的出现,一些潜水员开始探索如何潜入更深的水域。其中,有些人成功到达了200米深的水域——1983年9月,约亨·哈森迈尔(Jochen Hasenmayer)在法国方丹德沃克吕兹(Fontain-de-Vaucluse)就到达了这一深度;也有另外一些人在尝试潜入300米深度时不幸丧生,比如1994年4月谢克·埃克斯利(Sheck Exley)就死于墨西哥的曼特洞穴。

进入简化模式

随着开放式技术潜水的发展,气瓶的数量和惊人的气体浪费明显成为了严重的问题,正因如此,循环呼吸器重新回到了人们的视野。

一方面,气体节能器(半封闭式循环呼吸器,或SCR)被设计出来了;另一方面,完全回收呼出气体的装置(密闭式循环呼吸器,或CCR)也得到了开发。虽然半封闭式循环呼吸器由于功能较少只取得了有限的成功,但曾有一段时间,除了它们再没有 其 他 可 用 的 设 备 了(如 法 国 海 军 的DC55)。

1968年,沃尔特·斯塔克(Walter Stark)和约翰·堪维什尔(John Kanwisher)研发了第一个具有氧气电子管理功能的密闭式循环呼吸器。这种电子循环呼吸器(eCCR)是同类功能系列产品中的首款。

电子循环呼吸器包含了一个呼吸循环回路和一个二氧化碳清洁系统,同时配备了两个小气体供应瓶:一个是纯氧,另一个是稀释气体(空气或氦氧氮混合气体)。

通过一个小型传感器可以测量呼吸循环回路中的氧气含量,随后将结果同步至潜水电脑,由此决定何时打开氧气电磁阀,使氧分压恢复到合适的数值。如此一来,该系统便能使氧气含量维持在最佳状态,而潜水员也能通过显示器明确了解他们正在呼吸的气体。

开放式潜水系统需要大量的气瓶,然而密闭式循环呼吸器只需要两个2升的小瓶子和一点碱石灰,潜水员便可以实现同样的潜水效果。事实上,在密闭式循环呼吸器中,唯一消耗的气体是氧气,一个潜水员在休息时每分钟需要大约0.7升氧气。因此,在200巴的水压下,理论上两升的小气罐便可以保证几个小时的自动供氧。

第二个气瓶中的气体(稀释气体)用于补充呼吸循环回路中的氧气。随着深度的增加,水压会压缩呼吸袋,这便有必要通过添加稀释气体来对此进行补偿,以便潜水员能再次呼吸舒畅。

2014年,劳伦·巴列斯塔在法属波利尼西亚法卡拉瓦环礁的2 0米深处进行了长达24小时的潜水。在这次不同寻常的潜水中,他使用了由英国公司AP Diving制造的“Inspiration”全自动密闭循环呼吸器。这款循环呼吸器的高自动化令潜水员只要每六小时给小气瓶充一次气即可。此外,这次潜水还创下了另一佳绩:由于在水里的每个关键时刻使用了不同比例的氦氧氮混合气体,上升到水面只用了两个小时。如果没有这些气体变化,减压至少需要8个小时!

循环呼吸器潜水的相对轻便性

然而,循环呼吸器也会发生故障。因此,作为一项安全措施,潜水员必须要有备用解决方案。相比他们起初的最简装备,这大大增加了装备数量,包括增加一个传统的气瓶(有些人也会选择再增加一个循环呼吸器)。考虑到还需要大量的辅助工具,如照明、摄像设备,有时还需要水下推进器以及潜水服中的防水电加热衣,显然,即使是循环呼吸器潜水也具有极高的技术性。

洞穴和水面闭封潜水

所谓“水面封闭潜水”,指的是:直接垂直上升后无法出水呼吸空气的环境,比如在冰面下潜水,或者沉船潜,或者距离出口非常远的洞潜。

虽然海洋或湖泊是比较主流的潜水场所,但还有另一个更独具特色的实践领域:洞穴潜水。洞穴潜水使用的也是循环呼吸器和基于氦气的混合气体,从而可以进一步突破探索的极限。在这种非常独特的环境中,潜水员并会不选择具体的潜水方案,而是去即时适应他们希望探索的实际地形概况。虽然洞穴中几乎没有什么动物或植物的存在,但其水下地貌丝毫不逊色于海洋之美。

在洞穴潜水的世界里,人们更倾向于使用密闭式循环呼吸器,其氧气管理不依赖于电子装置,而是依靠持续的微量氧气泄漏,潜水员可不时将氧气含量手动调整到最佳值。这种循环呼吸器用机械注射器的间歇性运动功能来取代电子装置,但仍保留传感器和氧分压显示,以确保潜水员始终知晓他们正在呼吸的气体成分比例。

新的难题

有了氦气,潜水员已经能够突破空气使用状况下的极限。然而,在水深超过250米以后,氦气会导致一种新型的“麻醉”表现——高压神经综合症(HPNS);而气体的密度也会导致潜水员呼吸困难,进而造成窒息。这进一步增加了潜水员所遭遇的像“寒冷”这种生理上的限制。

想要在水下呆得更久,或许可以从饱和潜水中找到解决方案。不过,那就是另外一个故事了......