多功能水下逃生实训模拟器的设计.pdf

432023,61(11)总第7 11期机械制造研发多功能水下逃生实训模拟器的设计*高薇薇杨立军口宋杰口苗红凯孙宗宏王恒中海油安全技术服务有限公司天津300452摘要：分析了国内外水下逃生实训模拟器的发展情况和海洋石油培训中心水下逃生实训现状，结合各种类型直升机和汽车的结构及落水状态，设计了多功能水下逃生实训模拟器。介绍了这一模拟器的结构，分析了制动系统，并给出了预设功能。这一模拟器可以实现翻转、下沉、上浮、倾斜等场景的逼真模拟，能够用于遇险水下逃生训练，实用性强。关键词：水下逃生训练模拟器设计中图分类号：TH122文献标志码：A文章编号：10 0 0-49 9 8（2 0 2 3)0 11-0 0 43-0 7Abstract:After analyzing the development of underwater escape training simulators both domestically andinternationally,as well as the current situation of underwater escape training at Offshore Oil Training Centre,amultifunctional underwater escape training simulator was designed by combining the structures and drowningstates of various types of helicopters and cars together.The structure of this simulator was introduced,thebraking system was analyzed,and the preset function was given.This simulator can realize the realisticsimulation of overturning,sinking,floating,tilting and so on,and can be employed for underwater escapetraining in distress,thus with high practicability.Keywords:Underwater EscapeTrainingSimulatorDesign1设计背景直升机结构复杂，操作要求高，运行环境多变，事故突发性强。直升机用于海上交通运输时，面对复杂多变的海洋环境，事故率会明显上升。直升机突发事故落水后，机内人员在逃生过程中，需要克服心理因素、水力冲击、失重悬浮状态、溺水等困难，逃生风险大，难度高(1-3)。国外发达国家相关数据显示，在37 起直升机落水遇险事故中，飞行员预警时间短于1min。其中，2 9 起事故的预警时间甚至短于15s41。2 0 0 0 年至2 0 12 年，全世界共发生9 8 起直升机遇险事故，导致159人死亡，机内人员遇险生还率只有6 7%。根据理论分析，直升机落水之后，有50%的概率会在12min内下沉、浸水、翻转、沉没6 。在这一过程中，机内人员逃生困难重重。根据调查，没有接受过直升机遇险水下逃生培训的人员，在直升机落水事故中的死亡率高达2 7%。而接受过直升机遇险水下逃生培训的人员，在直升机落水事故中的死亡率仅为8%左右7-8 。由此可以看出，接受直升机遇险水下逃生实训，可以显著提高机内人员在事故状态下的逃生自救技能，从而降低直升机落水事故的人员死亡率。另一方面，发生汽车意外落水事故时，车内人员面临与直升机落水事故机内人员类似的险境。根据相关统计，国内每年平均发生汽车意外落水事故30 0 余起，车内人员获救概率不足10%，幸存人员主要借助外部救援力量。面对直升机或汽车落水事故中的人员逃生问题，为提高遇险后人员生存率，笔者分析水下逃生实训模拟器的研究现状，设计出多功能水下逃生实训模拟器，能够满足多种类型交通工具落水事故的水下逃生实训需求。2水下逃生实训模拟器研究现状2.1国外1912年，美国海军的直升机在执行任务时紧急迫降，由此美国海军开始研究解决直升机落水遇险后的人员逃生与自救问题。为了满足美国海军训练需求，1944年，全世界第一个直升机遇险水下逃生实训模拟器DilbertDunker被设计出，这是目前已知的最早水下*中海油安全技术服务有限公司科研项目（编号：HFKJA H-ST S2 0 2 115）442023,61(11)总第7 11期机械制造发逃生实训模拟器，如图1所示。DilbertDunker模拟器仅针对单人训练，并且无法模拟直升机落水后的横向转动。八图1DilbertDunker模拟器为更好地模拟直升机落水后的状态，美国海军于1974年研制出六座Burtech9D5训练舱，如图2 所示。Burtech9D5训练舱舱内被简单划分为驾驶舱和客舱两部分。继Burtech9D5训练舱之后，MacleanGibson训练舱于19 8 5年被研制出，如图3所示9 。MacleanGibson训练舱是对Burtech9D5训练舱的改进，为机内人员逃生实训设计，能够实现落水后翻转状态的模拟。除客舱区域外，在MacleanGibson训练舱的前端和后端设置有模拟驾驶舱，可以同时允许四名飞行员进行训练。MacleanGibson训练舱原始设计没有出口，并且采用的圆形结构与直升机结构相比差别较大。人图2Burtech9D5训练舱八图3MacleanGibson训练舱20世纪8 0 年代中期，直升机被越来越普遍应用于军事和民用领域，包括石油和天然气工业。直升机水下逃生实训同样被越来越重视，业内对先进模拟训练设备的需求则越来越大。19 8 6 年，SurvivalSystems公司建造了一个全新系列的模块化出口训练模拟器METS。第一个METS模拟器于19 8 7 年投人使用，用于培训加拿大军事机组人员和海上油气工人，如图4所示。METS模拟器一直在发展，目前能够复制数十种直升机，以及两栖车辆、战斗机、固定翼飞机、硬壳充气式船等。尽管有许多其它组织设计了水下逃生实训模拟器，但是METS模拟器目前仍然被认为是业内的世界标准。A图4METS模拟器LamborSubsea公司于2 0 0 0 年推出全方位训练模拟器MWH-6,如图5所示。MWH-6模拟器的球形设计可以完成水平和竖直方向的翻转操作，并且可以通过位于吊点位置的易断阀，模拟直升机自由降落和撞击水面的过程，由此提升训练效果。Seftec公司于2019年为卡塔尔部队制造出先进的直升机水下逃生实训模拟舱XO-139，如图6 所示。XO-139模拟舱参照AW139直升机布置，精准复制AW139直升机的座位、出口位置，从而提高模拟的逼真度。MW+A图5MWH-6模拟器2.2国内相较于国外，国内对直升机水下逃生实训模拟器的研究起步较晚。19 9 1年，张庆明在直升机水上迫降的安全性一文中指出在直升机落水遇险机上人员逃生过程中专用装备和逃生方法的重要性。19 9 7 年，452023,61(11)总第7 11期机械制造发A图6XO-139模拟舱海军成功研制出海上救生装备，并且制定了水下逃生方案案10-。2 0 0 1年，国家编制了直升机乘员水下逃生规范12-13。2 0 13年，总参陆航研究所团队深人分析直升机水上事故的特点，提出直升机水下逃生实训模拟器的设计方案。大连海事大学船舶与海洋工程学院进行直升机救助与水下逃生虚拟方法教学项目建设与实践研究，将直升机水下逃生实训虚拟化14。1978年，直升机开始服务于中海油的海上石油作业，主要用于人员换班、物料运输、紧急救援等。在直升机服役过程中，曾发生过几起落水遇险事故，甚至出现人员遇难的情况。为了避免类似情况再次发生，帮助机内人员遇险后顺利逃生，同时为了满足国内海洋石油和天然气开采的需求，19 9 6 年海洋石油培训中心增设直升机遇险水下逃生培训科目。直升机遇险水下逃生属于海上石油作业安全救生的必修课程之一，所有出海作业的人员必须参加海上石油作业安全救生培训，理论和实际操作考核全部合格，并且取得相应证书后，方可出海作业15。为了在实际操作训练中最大限度模拟真实场景，海洋石油培训中心深人分析所使用的直升机结构，参考国外水下逃生实训模拟器结构，以直升机实体为原型，改造设计了直升机水下逃生实训模拟器，如图7 所示。这一模拟器采用圆筒形结构，内部设置六个座椅，舱体外壳左侧设置两个窗口，右侧设置一个舱门，作为逃生通道。这一模拟器使用至今，已形成了成熟的直升机水下逃生实训流程。图7海洋石油培训中心直升机水下逃生实训模拟器2017年，为满足海洋石油工业培训组织的培训需求，海洋石油培训中心前往爱尔兰SEFtec NMCI培训中心调研学习，参加海上基本安全简介和应急培训，并针对直升机水下逃生训练设备及培训流程进行重点跟踪学习。海洋石油培训中心还购人SEFtec公司生产制造的HUET模拟器，服务于海洋石油工业培训组织的培训，如图8 所示。HUET模拟器于2 0 19 年正式投人使用。SEFteR图8HUET模拟器虽然目前海洋石油培训中心已经拥有成熟的直升机水下逃生培训流程，熟练掌握实操培训重点和难点，确保学员能够掌握基本的直升机落水遇险逃生技能，但是服役的水下逃生实训模拟器较为老旧，部分装置依赖于国外技术，未能掌握水下逃生实训模拟器的核心技术，后期维护保养也具有较大的难度。3海洋石油培训中心水下逃生实训现状海洋石油培训中心平均每年接受1.2 万人次海上安全救生培训，以确保出海作业人员掌握最基本的海上求生技能和直升机遇险逃生能力。直升机遇险水下逃生实际操作训练包括憋气、水面逃生，以及直升机水下不翻转和翻转训练。3.1水面逃生部分直升机配备的安全救生设备包含浮筒和救生筱，当直升机在海上飞行突发故障时，可以打开浮筒漂浮在水面上，机内人员可以转移到救生筏上等待救援。水面逃生训练过程如下：（1）学员穿戴个人防护装备，游人模拟器；（2）学员在模拟器机舱内坐好，并系紧安全带；（3）吊机操作教员启动吊机，将直升机吊至水面以上高度3 m;（4）模拟器内部教员下达指令开始迫降，学员做好迫降保护；（5）当模拟器接触水面时，吊机停机，确保直升机停在水面上；（6）学员解开安全带，转移到救生筱内，划桨集体返回池边。462023,61(11)总第7 11期机械制造研究开发顺利完成以上训练过程，方可视为逃生成功。3.2直升机水下不翻转训练在进行直升机水下不翻转训练时，先将模拟器通过吊机和大钩放人水中，主要训练过程如下：（1）学员穿戴个人防护装备，游人模拟器；（2）学员在模拟器机舱内坐好，并系紧安全带；（3）吊机操作教员启动吊机，将直升机吊至水面以上高度3m；（4）模拟器内部教员下达指令开始迫降，学员做好迫降保护；（5）当模拟器接触到水面时，学员由迫降保护动作变为逃生定位手势，一手紧握安全带，另一手紧握门或窗；（6）模拟器下降至指定位置，教员下达逃生指令，学员解开安全带，离开模拟器机舱；（7）逃出模拟器机舱的学员需游回池边，方可视为逃生成功。3.3直升机水下翻转训练在进行直升机水下翻转训练时，先将模拟器通过吊机和大钩放入水中，并且启动压缩机，主要训练过程如下：（1）学员穿戴个人防护装备，游人模拟器；（2）学员在模拟器机舱内坐好，并系紧安全带；（3）吊机操作教员启动吊机，将模拟器吊至水面，此时学员需做好定位逃生手势，一手紧握安全带，另一手紧握门或窗；（4）模拟器内部教员下达指令直升机翻转训练，模拟器下降，保证学员头部完全没过水面；（5）按下压缩机按钮，气压顶开刹车片，模拟器在惯性作用下开始转动，完成旋转18 0 操作；（6）当模拟器停稳后，学员解开安全带，离开模拟器机舱；（7）逃出模拟器机舱的学员需游回池边，方可视为逃生成功。在直升机遇险水下逃生实际操作训练过程中，所有学员需要独立完成直升机水下不翻转和翻转训练，教员会观察学员的反应和在不同时间节点的动作，作为考核指标。在整个训练过程中，模拟器、吊机、大钩、压缩机、操作控制台共同作用，实现模拟器落水后的翻转和不翻转状态4多功能水下逃生实训模拟器目前，虽然海洋石油培训中心已拥有两个水下逃生实训模拟器，但是其中一个服役时间长，结构老化，另一个维护保养技术完全依赖于第三方公司，并且两个模拟器主要用于机内乘客的水下逃生训练，无法训练飞行员的水下逃生，实训功能较为单一。另外，汽车落水与直升机落水情况相似，增加车辆落水逃生训练项目，可以提升学员应对突发意外的能力。由此，为更好地满足培训需求，扩展培训业务，设计了多功能水下逃生实训模拟器4.1结构综合分析多种类型直升机和汽车的内部结构、座椅布置、门窗布置、逃生出口打开方式等，设计高度相似的仿真场景，将多功能水下逃生实训模拟器前后分为汽车模拟舱和直升机模拟舱。汽车前挡风玻璃与水平面的倾角一般为30 45,因此汽车模拟舱前部挡风玻璃与水平倾角设计为30。设置两个驾驶座椅，每个座椅都配有两点式斜跨安全带。驾驶座椅的形状、尺寸也与实际汽车的驾驶座椅相同,以有效模拟汽车狭窄的驾驶座和副驾驶座逃生情况。汽车多为俯冲人水，车身与水面保持一定倾角，为实现这一状态，采用可调式专用吊具，调整落水角度，以实现多功能水下逃生实训模拟器与水面不同角度的接触状态。直升机落水后，受到风浪、海流、浮力、自身质心，以及其它不可控外力的作用，将发生翻转。直升机翻转主要受横稳心高度影响，因此沿多功能水下逃生实训模拟器质心做竖直切面，切面的最大半径圆为环梁翻转轨道中轴线。环梁为T型材结构，顶部及底部各有两道纵桁，形成一个整体加强结构。直升机内部机舱包含驾驶舱和客舱，多功能水下逃生实训模拟器前部的汽车模拟舱可以作为直升机驾驶舱模拟区，后部的直升机模拟舱可以作为客舱模拟区，布置三排两列共六个座椅。考虑到部分直升机座椅背多靠舱壁，座椅配置36 0 旋转可调节功能，可使学员面向前方或背向而坐，由此模拟不同直升机机型的座位布置，更好地贴近于实际。多功能水下逃生实训模拟器座椅设置如图9 所示。直升机和汽车的门窗形状、尺寸存在差别，综合考虑两者的相似点和不同点，在直升机模拟舱左侧前后各设置一个门，两个门之间设置一个方形窗，在直升机模拟舱右侧设置两个方形窗和一个椭圆形窗。门窗具有多种打开模式，并且具有外部紧急打开功能。直升机和汽车落水时，由于底部为非全密封结构，水将慢慢进人舱内，因此直升机和汽车在落水时会承受水的浮力，进而出现不同倾角的下沉或翻转。为更好地模拟直升机和汽车的落水状态，多功能水下逃生实训模拟器上顶和地板选用格栅板，底部设置四个可浮箱体，提供人水初期所需的浮力及翻转时所需的不平衡扭矩。多功能水下逃生实训模拟器结构如图10所示。472023,61(11)总第7 11期机械制造研究发图9多功能水下逃生实训模拟器座椅设置可浮箱体A图10多功能水下逃生实训模拟器结构4.2制动系统多功能水下逃生实训模拟器模拟汽车落水时，通过吊机上的可调式专用吊具实现不同的落水状态，通过吊机控制实现上下运动及停止。模拟翻转过程中，多功能水下逃生实训模拟器沿环梁翻转轨道转动，需要在轨道位置设置制动系统。制动系统在不翻转时处于抱死状态，刹车片与环梁外表面摩擦，实现制动。需要翻转时，刹车片与环梁依靠气压分离，刹车片抬起，模拟惯性和偏心状态下的翻转。刹车片与环梁之间联结，称为制动小车。解除刹车的气压需要外接压缩机，刹车和解除刹车的操作不可在多功能水下逃生实训模拟器内完成，需要设置专用的遥控面板。制动系统如图11所示。(a）制动小车(b)压缩机(c)遥控面板图11制动系统4.3预设功能多功能水下逃生实训模拟器在模拟直升机或汽车落水时，需要实现下沉、翻转、上浮、倾斜等动作，其中最重要的是翻转和倾斜。482023,61(11)总第7 11期机械制造下转第59 页）研究发多功能水下逃生实训模拟器翻转运动原理如图12所示。(a)初始位置(b)翻转9 0(c)翻转18 0 图12多功能水下逃生实训模拟器翻转运动原理利用底部四个圆柱形可浮箱体的浮力来实现翻转运行，翻转角度为18 0。翻转运行具体过程如下：多功能水下逃生实训模拟器下沉之前，上方制动小车设置为关闭，为夹紧轨道状态，下方可浮箱体会产生多余的浮力，同时多功能水下逃生实训模拟器落水时会产生横向偏移；打开制动小车，多功能水下逃生实训模拟器在偏移和浮力的共同作用下沿环梁旋转，直至旋转180，此时学员在多功能水下逃生实训模拟器内处于倒立状态。学员出舱后，吊起多功能水下逃生实训模拟器，多功能水下逃生实训模拟器在重力作用下产生逆时针力矩，进而逆时针旋转，回到初始位置。关闭制动小车，制动小车恢复为夹紧轨道状态。对于下沉和上浮运动，在多功能水下逃生实训模拟器下沉之前，上方制动小车设置为关闭，为夹紧轨道状态，此时多功能水下逃生实训模拟器处于重力作用，通过不断释放吊机缆绳，便可以将多功能水下逃生实训模拟器下沉到水下。需要上浮时，不断收回吊机缆绳，便可以将多功能水下逃生实训模拟器提出水面。对于倾斜运动，在多功能水下逃生实训模拟器下沉之前，对多功能水下逃生实训模拟器的前两个可浮箱体充水，处于满载状态，后两个仍为空载状态，通过可调式专用吊具悬吊多功能水下逃生实训模拟器，以模拟不同角度的倾斜运动。5结束语所设计的多功能水下逃生实训模拟器实用性强，可以实现多种类型直升机和汽车落水的下沉、翻转、上浮动作，具有更高的模拟性，能够对学员进行遇险水下逃生训练，进而提高脱险逃生的成功率。参考文献1陈义年.直升机水下逃生培训教育规范化探析J.现代商贸工业，2 0 19,40(36)：145-146.2CHEUNG B,HOFER K,BROOKS C J,et al.UnderwaterDisorientation as Induced by Two Helicopter DitchingDevices J.Aviation Space and Environmental Medicine,2000,71(9):879-888.3刘伟，崔嘉，张毅.直升机水下逃生训练装置研究进展J.医疗卫生装备,2 0 2 1,42（11）：9 2-9 7.4孙喜庆，肖海峰.陆军航空医学M.西安：第四军医大学出版社,2 0 12.5TABER M J.Simulation Fidelity and Contextual Interferencein Helicopter Underwater Egress Training:An 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andEngineering:A,1998,241(1-2):48-59.收稿时间：2 0 2 3-0 5收橋时间：2 0 2 5作者简介：任豪（1996 一），男，硕士研究生，主要研究方向为材料及结构动态力学响应；董新龙（196 4一），男，教授，主要研究方向为材料和结构动态响应、爆炸力学。140(2):30-32,37.9刘子阳，叶乐志，王磊，等.IC芯片顶拾工艺影响因素分析 J.电子工业专用设备，2 0 15,44（1）：2 1-2 4,47.10马豪，张鸿海，陈良锋，等.高精度三极管全自动粘片机及其关键技术 J.机械与电子，2 0 0 7,2 5（3）：2 6-2 9.11 吴超，曾义，蒋星.力控式取放焊头机构：2 0 2 0 2 18 50 191.8P.2021-04-13.收稿时间：2 0 2 3-0 4作者简介：郑嘉瑞（198 6 一），男，工程师，主要研究方向为机器视觉、半导体封装测试装备。14熊伟，潘涛，王海涛.直升机救助与水下逃生虚拟仿真实验教学项目建设与实践J.实验技术与管理，2 0 19,36(3):136-139,198.15杨立军.海上基本安全知识与应急培训M.北京：气象出版社,2 0 18.收稿时间：2 0 2 3-0 7作者简介：高薇薇（198 8 一），女，工程师，主要研究方向为安全培训。園绕产业新赛道打造前沿硬核科技