Ребризер для дайвинга — это подводный дыхательный аппарат , который поглощает углекислый газ из выдыхаемого дайвером воздуха , чтобы обеспечить повторное дыхание (рециркуляцию) существенно неиспользованного содержания кислорода и неиспользованного инертного содержимого, если оно присутствует, при каждом вдохе. Кислород добавляется для восполнения количества, усвоенного дайвером. Это отличается от дыхательного аппарата открытого цикла, где выдыхаемый газ выбрасывается непосредственно в окружающую среду. Цель состоит в том, чтобы продлить выносливость дыхания ограниченного запаса газа, а для скрытого военного использования водолазами или наблюдения за подводной жизнью — устранить пузырьки, производимые системой открытого цикла. Ребризер для дайвинга обычно понимается как портативное устройство, переносимое пользователем, и, следовательно, является типом автономного подводного дыхательного аппарата (акваланга). Полузакрытый ребризер, переносимый дайвером, может также называться газовым расширителем . Та же технология на подводной или надводной установке, скорее всего, будет называться системой жизнеобеспечения .
Технология подводного ребризера может использоваться там, где ограничен запас дыхательного газа или где дыхательный газ специально обогащен или содержит дорогостоящие компоненты, такие как разбавитель гелия . Водолазные ребризеры применяются для первичной и аварийной подачи газа. Подобная технология используется в системах жизнеобеспечения на подводных лодках, подводных аппаратах, подводных и поверхностных средах насыщения, а также в системах рекуперации газа, используемых для извлечения больших объемов гелия, используемого при погружении с насыщением .
Переработка дыхательного газа осуществляется за счет технологической сложности и дополнительных опасностей, которые зависят от конкретного применения и типа используемого ребризера. Масса и объем могут быть больше или меньше, чем у эквивалентного открытого цикла подводного плавания в зависимости от обстоятельств. Ребризеры для дайвинга с электронным управлением могут автоматически поддерживать парциальное давление кислорода между программируемыми верхними и нижними пределами или заданными значениями и быть интегрированы с декомпрессионными компьютерами для контроля декомпрессионного состояния дайвера и записи профиля погружения .
Ребризеры для дайвинга обычно используются для подводного плавания с аквалангом , где количество дыхательного газа, переносимого водолазом, ограничено, но также иногда используются в качестве расширителей газа для погружений с подачей с поверхности и в качестве систем спасения для подводного плавания с аквалангом или погружений с подачей с поверхности. [1] Системы возврата газа, используемые для глубоких погружений с гелиоксом, используют технологию, похожую на технологию ребризеров, как и системы жизнеобеспечения для насыщенного погружения , но в этих применениях оборудование для рециркуляции газа водолазом не переносится. [2] Атмосферные водолазные костюмы также оснащены технологией ребризера для рециркуляции дыхательного газа как части системы жизнеобеспечения. [3]
Ребризеры обычно сложнее в использовании, чем акваланги открытого цикла, и имеют больше потенциальных точек отказа , поэтому приемлемо безопасное использование требует более высокого уровня мастерства, внимания и ситуационной осведомленности, что обычно достигается путем понимания систем, тщательного обслуживания и дополнительного изучения практических навыков эксплуатации и устранения неисправностей . Конструкция, устойчивая к отказам, может сделать ребризер менее вероятным для отказа, который немедленно подвергает пользователя опасности, и снижает нагрузку на дайвера, что, в свою очередь, может снизить риск ошибки оператора. [4] [5]
Технология полузакрытого ребризера также используется в переносимых водолазами расширителях газа с поверхностной подачей, в основном для сокращения использования гелия. Некоторые устройства также функционируют в качестве аварийного источника газа с использованием бортовых баллонов для аварийного отключения: ребризер ВМС США MK29 может увеличить продолжительность водолазных операций Flyaway Mixed Gas System в пять раз, сохраняя при этом исходный объем хранения смешанного газа на вспомогательном судне. [6] Советский полузакрытый ребризер IDA-72 имеет срок службы скруббера 4 часа при поверхностной подаче и срок службы аварийного отключения на глубине 200 м 40 минут при использовании бортового газа . [7] Гелиоксовый шлем ВМС США Mark V Mod 1 имеет канистру скруббера, установленную на задней части шлема, и систему впрыска впускного газа, которая рециркулирует дыхательный газ через скруббер для удаления углекислого газа и, таким образом, экономии гелия. [8] Сопло инжектора будет продувать в 11 раз больше объема впрыскиваемого газа через скруббер. [9]
Первые попытки создания практических ребризеров были простыми кислородными ребризерами, когда достижения в промышленной металлообработке сделали возможными баллоны для хранения газа высокого давления. С 1878 года они использовались для работы в непригодной для дыхания атмосфере в промышленности и пожаротушениях, на большой высоте, для эвакуации с подводных лодок; и иногда для плавания под водой; но обычным способом работы под водой было ношение стандартного водолазного костюма , дыхание открытым циклом, подаваемым с поверхности.
(шлем Draeger и Mark V Helium)
Итальянская Decima Flottiglia MAS , первое подразделение боевых пловцов, была основана в 1938 году и вступила в бой в 1940 году. Вторая мировая война ознаменовалась значительным расширением военного использования ребризеров для дайвинга. Во время и после Второй мировой войны в вооруженных силах возникла необходимость погружаться глубже, чем позволял чистый кислород. Это побудило, по крайней мере в Британии, разработать простые варианты «смесевых ребризеров» с постоянным расходом некоторых из их кислородных ребризеров для дайвинга (= то, что сейчас называется « нитрокс »): SCMBA от SCBA ( Swimmer Canoeist's Breathing Apparatus ) и CDMBA от Siebe Gorman CDBA , путем добавления дополнительного баллона с газом. Перед погружением с таким набором дайвер должен был знать максимальную или рабочую глубину своего погружения и то, как быстро его организм использует запас кислорода, и на основании этого рассчитать, какой установить расход газа в своем ребризере. [ необходима цитата ]
В течение этого длительного периода, предшествовавшего современной эпохе автоматических спортивных ребризеров на нитроксе, существовало несколько спортивных дайвинг-клубов с кислородом, в основном в США. [ необходимо разъяснение ] [ необходима цитата ]
В конце концов Холодная война закончилась, и в 1989 году коммунистический блок распался , в результате чего предполагаемый риск диверсионных атак со стороны боевых водолазов снизился, и у западных вооруженных сил стало меньше причин реквизировать гражданские патенты на ребризеры , а также начали появляться автоматические и полуавтоматические ребризеры для любительского дайвинга с датчиками ppO2 . [ необходима цитата ]
Когда человек дышит, организм потребляет кислород и вырабатывает углекислый газ . Базовый метаболизм требует около 0,25 л/мин кислорода при частоте дыхания около 6 л/мин, а физически подготовленный человек, работающий усердно, может вентилировать легкие со скоростью 95 л/мин, но будет метаболизировать только около 4 л/мин кислорода [10] Метаболизируемый кислород обычно составляет около 4% - 5% вдыхаемого объема при нормальном атмосферном давлении или около 20% имеющегося кислорода в воздухе на уровне моря . Выдыхаемый воздух на уровне моря содержит примерно 13,5% - 16% кислорода. [11]
Ситуация становится еще более расточительной, когда доля кислорода в дыхательном газе выше, а при подводном погружении сжатие дыхательного газа из-за глубины делает рециркуляцию выдыхаемого газа еще более желательной, поскольку еще большая часть газа открытого цикла тратится впустую. Продолжение повторного дыхания тем же газом истощит кислород до уровня, который больше не будет поддерживать сознание и, в конечном счете, жизнь, поэтому газ, содержащий кислород, должен быть добавлен к рециркулированному дыхательному газу для поддержания необходимой концентрации кислорода. [12] [13]
Однако, если это сделать без удаления углекислого газа, он быстро накопится в рециркулированном газе, что почти немедленно приведет к легкому респираторному дистрессу и быстро перерастет в дальнейшие стадии гиперкапнии или отравления углекислым газом. Высокая скорость вентиляции обычно необходима для устранения продукта метаболизма углекислого газа (CO 2 ). Дыхательный рефлекс запускается концентрацией углекислого газа в крови, а не концентрацией кислорода, поэтому даже небольшое накопление углекислого газа во вдыхаемом газе быстро становится невыносимым; если человек попытается напрямую повторно вдыхать свой выдыхаемый дыхательный газ, он вскоре почувствует острое чувство удушья , поэтому ребризеры должны химически удалять углекислый газ в компоненте, известном как очиститель углекислого газа . [12] [13]
Добавляя достаточно кислорода для компенсации метаболического использования, удаляя углекислый газ и повторно вдыхая газ, большая часть объема сохраняется. Все еще будут небольшие потери, когда газ должен быть выпущен, поскольку он расширяется во время подъема, и дополнительный газ будет необходим для восполнения объема, поскольку газ сжимается во время спуска. [12]
Самый широкий спектр типов ребризеров используется в дайвинге, поскольку физические и физиологические последствия дыхания под давлением усложняют требования, и доступен большой спектр инженерных опций в зависимости от конкретного применения и доступного бюджета. Ребризер для дайвинга является критически важным для безопасности оборудованием жизнеобеспечения — некоторые режимы отказа могут убить дайвера без предупреждения, другие могут потребовать немедленного соответствующего реагирования для выживания.
Общие эксплуатационные требования включают в себя:
Для специальных применений также может потребоваться:
Поскольку чистый кислород токсичен при вдыхании под давлением, агентства по сертификации дайверов-любителей ограничивают кислородную декомпрессию максимальной глубиной 6 метров (20 футов), и это ограничение было распространено на кислородные ребризеры; [ требуется цитата ] В прошлом они использовались на большей глубине (до 20 метров (66 футов)) [ требуется цитата ] но такие погружения были более рискованными, чем то, что сейчас считается приемлемым. Кислородные ребризеры также иногда используются при декомпрессии после глубокого погружения с открытым циклом, [ требуется цитата ] поскольку вдыхание чистого кислорода помогает азоту быстрее выходить из тканей организма, и использование ребризера может быть более удобным для длительных декомпрессионных остановок.
Ограничения ВМС США на использование кислородных ребризеров: [15]
Кислородные ребризеры больше не используются в любительском дайвинге из-за ограничений по глубине, налагаемых токсичностью кислорода, но широко применяются военными пловцами, когда большая глубина не требуется, благодаря своей простоте, малому весу и компактным размерам.
Полузамкнутые дыхательные аппараты (SCR), используемые для дайвинга, могут использовать активное или пассивное добавление газа, а системы добавления газа могут быть компенсированы глубиной. Они используют смешанный газ с более высокой долей кислорода, чем газовая смесь стационарного контура. Обычно используется только одна газовая смесь, но во время погружения можно переключать газовые смеси, чтобы расширить доступный диапазон глубины некоторых SCR. [13]
Область применения и ограничения SCR:
Ребризеры для дайвинга замкнутого цикла могут управляться вручную или с помощью электроники и использовать как чистый кислород, так и пригодный для дыхания смешанный газовый разбавитель. [16]
Эксплуатационная область и ограничения CCR: Ребризеры замкнутого цикла в основном ограничены физиологическими ограничениями для дайвера, такими как максимальная рабочая глубина смеси разбавителя при сохранении возможности дыхания вплоть до поверхности, хотя это можно обойти, заменив разбавитель. Работа дыхания на глубине может быть ограничением, так как есть точка, в которой дыхательное усилие, необходимое для противодействия скорости выработки метаболического углекислого газа, превышает работоспособность дайвера, после чего гиперкапния увеличивается, а дистресс, за которым следует потеря сознания и смерть, неизбежны. Работа дыхания зависит от плотности газа, поэтому использование разбавителя с низкой плотностью, богатого гелием, может увеличить диапазон глубины при приемлемой работе дыхания для данной конфигурации. WoB также увеличивается турбулентным потоком , на который влияет скорость потока ( число Рейнольдса ). В некоторой степени работа дыхания может быть уменьшена или ограничена конструкцией дыхательного контура, но существуют также физиологические ограничения, и работа циркуляции газа через дыхательный контур и скруббер может составлять большую часть общей работы дыхания. [17] [18]
Некоторые агентства по сертификации дайверов-любителей выделяют класс ребризеров, которые они считают подходящими для любительского дайвинга. Эти ребризеры не подходят для декомпрессионного дайвинга, а при электронном управлении не позволят дайверу совершать погружения с обязательной декомпрессией, тем самым позволяя немедленно всплыть в любой точке запланированного погружения без неоправданного риска развития симптоматической декомпрессионной болезни. Это ограничение снижает необходимость брать с собой аварийный газ и потребность в навыках аварийного выхода с поэтапной декомпрессионной обязанностью. Этот класс погружений с ребризером дает возможность продавать обучение и сертификацию, которые исключают большую часть более сложных и трудных навыков, и уменьшают количество оборудования, которое необходимо нести дайверу. Критерии PADI для ребризеров класса «R» включают электронные подсказки для проверок перед погружением, автоматическое управление заданными значениями, предупреждения о состоянии, дисплей на лобовом стекле для предупреждений, аварийный клапан, предварительно упакованные канистры скруббера и систему оценки продолжительности скруббера. [19] [20] [21] Хотя эти ограничения и делают рекреационный класс ребризеров по своей сути менее опасным, они не снижают риск до того же уровня, что и оборудование открытого цикла для того же профиля погружения. [22]
Атмосферный водолазный костюм представляет собой небольшой одноместный сочлененный подводный аппарат примерно антропоморфной формы с суставами конечностей, которые позволяют сочленяться под внешним давлением, поддерживая внутреннее давление в одну атмосферу. Подача дыхательного газа может осуществляться на поверхность по шлангокабелю, но затем его придется выпускать обратно на поверхность, чтобы поддерживать внутреннее давление ниже внешнего давления окружающей среды, что возможно, но представляет опасность прорыва герметичного корпуса, если шланги шлангокабеля повреждены, или из системы ребризера, встроенной в костюм. Поскольку существует аналогичная проблема с выпуском избыточного газа, простым и эффективным решением является восполнение кислорода по мере его потребления и вымывание углекислого газа без изменения компонента инертного газа, который просто рециркулирует. По сути, простая схема кислородного ребризера замкнутого цикла, используемая в качестве системы жизнеобеспечения . Поскольку обычно имеется достаточный источник питания для других служб, циркуляция с электроприводом через скруббер обычно не должна быть проблемой для нормальной работы и более удобна для оператора, поскольку она сохраняет область лица чистой и облегчает голосовую связь. Поскольку внутреннее давление поддерживается на уровне одной атмосферы, нет риска острого отравления кислородом. Выносливость зависит от мощности скруббера и подачи кислорода. Циркуляция через скруббер может осуществляться за счет дыхания водолаза, и это является опцией для аварийного резервного ребризера, который также может быть установлен на костюме. Система с дыхательным приводом требует сокращения механического мертвого пространства за счет использования загубника и дыхательного мешка для формирования замкнутого контура.
Хотя существует несколько вариантов конструкции ребризера для дайвинга, все типы имеют газонепроницаемый резервуар для хранения дыхательного газа при давлении окружающей среды, из которого дайвер вдыхает и в который выдыхает. Резервуар для дыхательного газа состоит из нескольких компонентов, соединенных между собой герметичными соединениями. Дайвер дышит через загубник или полнолицевую маску для дайвинга с запорным клапаном, клапаном погружения/всплытия, который закрыт, когда дайвер не дышит из устройства, чтобы предотвратить затопление, если комплект находится в воде. Он соединен с одним или двумя дыхательными шлангами, проводящими вдыхаемый и выдыхаемый газ между дайвером и дыхательным мешком или дыхательным мешком, который расширяется для вмещения газа, когда его нет в легких дайвера. Резервуар также включает в себя скруббер, содержащий абсорбирующий материал для удаления углекислого газа, выдыхаемого дайвером. Также будет как минимум один клапан, позволяющий добавлять газ, такой как кислород, и часто газ-разбавитель, из контейнера для хранения газа в резервуар. [16]
Могут быть клапаны, позволяющие выпускать газ, датчики для измерения парциального давления кислорода и, возможно, углекислого газа, а также система мониторинга и управления. Критические компоненты могут быть дублированы для инженерной избыточности. [16]
Существуют две основные конфигурации газовых каналов: петля и маятник.
Конфигурация петли использует однонаправленную циркуляцию дыхательного газа, который при выдохе покидает загубник, проходит через обратный клапан в шланг выдоха, а затем через дыхательное кольцо и скруббер, чтобы вернуться в загубник через шланг вдоха и еще один обратный клапан, когда дайвер вдыхает. [16]
Маятниковая конфигурация использует двунаправленный поток. Выдыхаемый газ течет из мундштука через один шланг в скруббер, в дыхательное пространство, а при вдохе газ втягивается обратно через скруббер и тот же шланг обратно в мундштук. Маятниковая система структурно проще, но по своей сути содержит большее мертвое пространство неочищенного газа в объединенной трубке выдоха и вдоха, который повторно вдыхается. Существуют противоречивые требования к минимизации объема мертвого пространства при минимизации сопротивления потоку дыхательных путей.
Маятниковый ребризер имеет только одно дыхательное отверстие, на дальней стороне скруббера от единственного дыхательного шланга. Дайвер продувает выдыхаемый газ через скруббер, а затем всасывает его обратно во время вдоха. Скорость потока газа через скруббер принудительно определяется частотой дыхания дайвера.
Одиночный дыхательный мешочек в петлевом ребризере может быть дыхательным мешочком выдоха или вдоха или устанавливаться между разделенными скрубберами. [23] Если это дыхательный мешочек выдоха, он надувается при выдохе, но газ не проходит через скруббер до тех пор, пока не начнется вдох, после чего дайвер всасывает газ со скоростью, обусловленной скоростью вдоха. Если это дыхательный мешочек вдоха, дайвер должен продувать газ через скруббер во время выдоха, но вдыхать из полного дыхательного мешочка вдоха, без дальнейшего потока через скруббер. Если он находится между разделенными скрубберами, дайвер должен продувать газ через скруббер выдоха во время выдоха и всасывать его через скруббер вдоха. Во всех этих случаях буфер отсутствует, а пиковые скорости потока относительно высоки, что означает, что сопротивление пиковому потоку относительно высокое и может находиться в одной половине цикла дыхания или быть разделенным между обеими половинами, аналогично конфигурации маятника, но без большого мертвого пространства. [23]
Двойной дыхательный аппарат имеет два дыхательных мешка, поэтому выдыхаемый газ надувает дыхательный аппарат выдоха, одновременно проходя через скруббер и надувая дыхательный аппарат вдоха. К тому времени, когда дайвер начинает вдыхать, дыхательный аппарат вдоха уже создал объемный буфер, поэтому сопротивление потоку меньше, поскольку газ продолжает проходить через скруббер во время вдоха с меньшей скоростью, чем если бы был только один дыхательный аппарат. Это уменьшает работу дыхания, а также увеличивает время пребывания газа в скруббере, поскольку он проходит через скруббер как во время выдоха, так и во время вдоха. Большинство дыхательных аппаратов для смешанного газа используют эту компоновку. [20]
Многие ребризеры имеют свои основные компоненты в жестком корпусе для поддержки, защиты и/или обтекаемости. Этот корпус должен быть достаточно вентилируемым и дренированным, чтобы свободно впускать и выводить окружающую воду или воздух, чтобы обеспечить изменения объема при надувании и сдувании дыхательного мешка и предотвратить захват больших объемов плавучего воздуха при погружении дайвера и воды при выходе дайвера на воздух. [16]
Компоненты могут быть установлены на раме или внутри корпуса, чтобы удерживать их вместе. Иногда структура канистры скруббера образует часть рамы, особенно в конфигурации с боковым креплением. Положение большинства частей не имеет решающего значения для функционирования, но дыхательные мешки должны быть расположены так, чтобы их центр тяжести объема находился на той же глубине, что и центр тяжести легких водолаза в большинстве случаев под водой, а дыхательные трубки к загубнику не должны стеснять водолаза больше, чем необходимо, и обеспечивать свободное движение головы, насколько это возможно. [16]
Первые кислородные ребризеры часто изготавливались без рамы или корпуса и зависели от ремней безопасности и прочного дыхательного мешка, удерживающих компоненты вместе.
Детали дыхательного аппарата для дайвинга (дыхательный мешочек, абсорбирующий баллон, газовый баллон(ы), трубки и шланги, соединяющие их) могут быть расположены на теле пользователя четырьмя основными способами, при этом положение дыхательного мешочка оказывает основное влияние на работу дыхания.
Крепление сзади распространено на более громоздких и тяжелых устройствах. Это хорошо для поддержки веса вне воды и оставляет переднюю часть водолаза свободной для работы под водой. Крепление сзади обычно использует задние или плечевые дыхательные мешки, которые имеют центроид над легким в наиболее распространенных ориентациях водолаза, что приводит к небольшому отрицательному давлению при дыхании .
Крепление на груди довольно распространено для военных кислородных ребризеров, которые обычно относительно компактны и легки. Оно обеспечивает легкий доступ к компонентам под водой и оставляет спину свободной для другого оборудования для амфибийных операций. Ребризер можно отстегнуть от обычной подвесной системы, не нарушая нагрузку на спину. Передние дыхательные мешки имеют центроид, который обычно находится немного ниже центроида легких, и обеспечивают небольшое положительное давление дыхания для большинства обычных ориентаций водолаза.
Sidemount позволяет низкопрофильному устройству проникать в тесные ограничения при погружениях в пещеры и на затонувшие объекты, а также удобен для переноски спасательного ребризера. Ребризер Sidemount в качестве основного дыхательного аппарата может быть установлен с одной стороны тела дайвера и может быть сбалансирован по весу и гидродинамически с помощью большого спасательного баллона, установленного с другой стороны. Ребризеры Sidemount чувствительны к ориентации дайвера, что может изменить гидростатическую работу дыхания в большем диапазоне, чем при креплении на спине или груди, а резистивная работа дыхания также относительно велика из-за длинных дыхательных шлангов и нескольких изгибов, необходимых для размещения компонентов в длинном узком формате. По состоянию на 2019 год ни один ребризер Sidemount не прошел тест CE на работу дыхания. Ребризеры Sidemount также могут быть более восприимчивы к затоплению контура из-за отсутствия удобного положения дыхательного мешка выдоха для образования водной ловушки. [18]
Ребризеры с сайдмаунтом обычно используют форм-фактор, эквивалентный одному цилиндру с сайдмаунтом открытого контура, который имитирует обтекаемость цилиндра с сайдмаунтом, но имеет гидростатическую работу проблем с изменчивостью дыхания, если устройство не идеально установлено и установлено. Работа дыхания оптимизируется только тогда, когда дайвер правильно подстроен. [23]
KISS Sidewinder — это MCCR с боковым креплением, который уменьшает эту проблему, устанавливая две относительно небольшие канистры скруббера по обеим сторонам водолаза, соединенные одним 8-литровым дыхательным мешком, на спине водолаза, и надевается с обычной подвеской с боковым креплением. Утверждается, что эта конфигурация обеспечивает хорошую работу дыхания в большинстве ориентаций водолаза. Несутся небольшой поперечный кислородный баллон с креплением на заднице и стандартные баллоны с разбавителем/спасательным устройством с боковым креплением (обычно два). [23]
Ребризеры можно в первую очередь разделить на водолазные ребризеры, предназначенные для гипербарического использования, и другие ребризеры, используемые при давлениях от немного выше нормального атмосферного давления на уровне моря до значительно более низкого давления окружающей среды на больших высотах и в космосе. Водолазным ребризерам часто приходится сталкиваться с трудностями, связанными с предотвращением гипербарической токсичности кислорода, в то время как нормобарические и гипобарические приложения могут использовать относительно тривиально простую технологию кислородного ребризера, где нет необходимости контролировать парциальное давление кислорода во время использования, если давление окружающей среды достаточно.
Все ребризеры, кроме кислородных ребризеров, можно считать ребризерами смешанного газа. Их можно разделить на полузамкнутые контуры, где подаваемый газ представляет собой пригодную для дыхания смесь, содержащую кислород и инертные разбавители, обычно азот и гелий, и которая пополняется путем добавления большего количества смеси по мере расходования кислорода, достаточного для поддержания пригодного для дыхания парциального давления кислорода в контуре, и ребризеры замкнутого контура, где используются две параллельные подачи газа: разбавитель, обеспечивающий большую часть газа и рециркулируемый, и кислород, который метаболически расходуется. [13]
Они используются почти исключительно для подводного плавания, так как они громоздкие, тяжелые и более сложные, чем кислородные ребризеры замкнутого цикла. Военные и любительские водолазы используют их, потому что они обеспечивают большую продолжительность пребывания под водой, чем открытый цикл, имеют большую максимальную рабочую глубину , чем кислородные ребризеры, и могут быть довольно простыми и дешевыми. Они не полагаются на электронику для контроля состава газа, но могут использовать электронный мониторинг для повышения безопасности и более эффективной декомпрессии. Альтернативный термин для этой технологии - «газовый расширитель».
Оборудование полузакрытого цикла обычно подает один дыхательный газ, такой как воздух, нитрокс или тримикс за раз. Газ вводится в цикл с постоянной скоростью для восполнения кислорода, потребляемого из цикла водолазом. Избыточный газ должен постоянно выпускаться из цикла небольшими объемами, чтобы освободить место для свежего, богатого кислородом газа. Поскольку кислород в выпускаемом газе нельзя отделить от инертного газа, полузакрытый цикл является расточительным как по кислороду, так и по инертным компонентам. [24]
Необходимо использовать газовую смесь, которая имеет максимальную рабочую глубину, безопасную для глубины планируемого погружения, и которая обеспечит пригодную для дыхания смесь на поверхности, или необходимо будет менять смеси во время погружения. [16]
Поскольку количество кислорода, необходимое водолазу, увеличивается с ростом производительности труда, скорость подачи газа должна тщательно выбираться и контролироваться, чтобы не допустить потери сознания водолазом из-за гипоксии . [25] Более высокая скорость подачи газа снижает вероятность гипоксии, но приводит к большему расходу газа.
Этот тип ребризера работает по принципу добавления свежего газа для компенсации уменьшенного объема в дыхательном контуре. Часть вдыхаемого газа выпускается, что некоторым образом пропорционально потреблению кислорода. Обычно это фиксированная объемная доля дыхательного потока, но были разработаны более сложные системы, которые выдыхают близкое приближение к отношению к поверхностному расходу дыхательного потока. Они описываются как системы с компенсацией глубины или частичной компенсацией глубины. Добавление газа инициируется малым объемом дыхательного мешка, который активирует клапан спроса.
Простой случай сброса с фиксированным соотношением может быть достигнут с помощью концентрических сильфонных дыхательных мешков, где выдыхаемый газ расширяет оба дыхательных мешка, и в то время как больший объем внешних сильфонов сбрасывается обратно в контур, когда дайвер вдыхает следующий вдох, внутренние сильфоны сбрасывают свое содержимое в окружающую среду, используя обратные клапаны для обеспечения однонаправленного потока. Количество, обрабатываемое во время каждого вдоха, зависит от дыхательного объема этого вдоха.
Ближе к концу вдоха мехи опускаются и активируют дополнительный клапан, во многом так же, как диафрагма регулятора активирует клапан потребности , чтобы восполнить газ, выпущенный внутренними мехами. Поэтому этот тип ребризера имеет тенденцию работать на минимальном объеме.
Системы с фиксированным соотношением обычно сбрасывают за борт от 10% (1/10) до 25% (1/4) объема каждого вдоха. В результате выносливость газа в 10-4 раза больше, чем у открытого цикла, и зависит от частоты дыхания и глубины так же, как и для открытого цикла. Доля кислорода в контуре зависит от соотношения разряда и в меньшей степени от частоты дыхания и скорости работы дайвера. Поскольку часть газа рециркулируется после дыхания, доля кислорода всегда будет ниже, чем у подпиточного газа, но может близко приближаться к подпиточному газу после промывки контура, поэтому газ обычно выбирается таким, чтобы он был пригоден для дыхания на максимальной глубине, что позволяет использовать его для спасения в открытом цикле. Доля кислорода в контурном газе будет увеличиваться с глубиной, так как массовая скорость использования метаболического кислорода остается почти постоянной при изменении глубины. Это противоположная тенденция того, что делается в ребризере замкнутого цикла, где парциальное давление кислорода контролируется так, чтобы быть более или менее одинаковым в определенных пределах на протяжении всего погружения. Система с фиксированным соотношением использовалась в ребризерах DC55 и Halcyon RB80 . Пассивные дополнительные ребризеры с малыми соотношениями разряда могут стать гипоксическими вблизи поверхности, когда используется газ с умеренной или низкой долей кислорода, что приводит к необходимости переключения газов между глубоким и неглубоким погружением. [26]
Системы компенсации глубины сбрасывают часть дыхательного объема дайвера, которая изменяется обратно пропорционально абсолютному давлению. На поверхности они обычно сбрасывают от 20% (1/5) до 33% (1/3) каждого вдоха, но это уменьшается с глубиной, чтобы поддерживать долю кислорода в контуре приблизительно постоянной и снижать потребление газа. Полностью компенсированная по глубине система будет сбрасывать объем газа, обратно пропорциональный давлению, так что объем, сбрасываемый на глубине 90 м (абсолютное давление 10 бар), будет составлять 10% от поверхностного сброса. Эта система будет обеспечивать приблизительно фиксированную долю кислорода независимо от глубины при использовании с тем же подпитывающим газом, поскольку эффективный массовый сброс остается постоянным.
Системы с частичной компенсацией глубины находятся на полпути между системами с фиксированным соотношением и системами с компенсацией глубины. Они обеспечивают высокий коэффициент разряда вблизи поверхности, но коэффициент разряда не фиксирован ни как доля вдыхаемого объема, ни как масса. Доля кислорода в газе рассчитать сложнее, но она будет где-то между предельными значениями для систем с фиксированным соотношением и полностью компенсированными системами. Halcyon PVR-BASC использует внутреннюю сильфонную систему переменного объема для компенсации глубины.
Активная система добавления добавляет питательный газ в дыхательный контур, а избыток газа сбрасывается в окружающую среду. Эти ребризеры, как правило, работают на близком к максимальному объему.
Наиболее распространенной системой активного добавления подпиточного газа в полузакрытых ребризерах является использование инжектора постоянного массового расхода, также известного как дросселируемый поток . Это легко достигается с помощью звукового отверстия, поскольку при условии, что перепад давления на отверстии достаточен для обеспечения звукового потока, массовый поток для конкретного газа будет независим от давления на выходе. [27] Массовый поток через звуковое отверстие является функцией давления на входе и газовой смеси, поэтому давление на входе должно оставаться постоянным для рабочего диапазона глубины ребризера, чтобы обеспечить надежно предсказуемую смесь в дыхательном контуре, и используется модифицированный регулятор, на который не влияют изменения давления окружающей среды. Добавление газа не зависит от использования кислорода, а газовая фракция в контуре сильно зависит от усилий дайвера — чрезмерное физическое усилие может привести к опасному истощению кислорода.
На рынке представлена только одна модель, использующая этот принцип управления газовой смесью. Это Interspiro DCSC . Принцип работы заключается в добавлении массы кислорода, пропорциональной объему каждого вдоха. Этот подход основан на предположении, что объемная скорость дыхания дайвера прямо пропорциональна метаболическому потреблению кислорода, что, как показывают экспериментальные данные, достаточно близко к работе. [28]
Добавление свежего газа осуществляется путем регулирования давления в дозировочной камере, пропорционального объему сильфона контрлегкого. Дозирующая камера заполняется свежим газом до давления, пропорционального объему сильфона, с самым высоким давлением, когда сильфон находится в пустом положении. Когда сильфон заполняется во время выдоха, газ выпускается из дозировочной камеры в дыхательный контур, пропорционально объему в сильфоне во время выдоха, и полностью выпускается, когда сильфон заполнен. Избыточный газ сбрасывается в окружающую среду через клапан избыточного давления после того, как сильфон заполнен. [28]
Результатом является добавление массы газа, пропорциональной объему вентиляции, а фракция кислорода остается стабильной в пределах нормального диапазона нагрузки.
Объем дозировочной камеры соответствует конкретной смеси подаваемого газа и изменяется при смене газа. DCSC использует две стандартные смеси нитрокса: 28% и 46%. [28]
Это самый ранний тип ребризера, который широко использовался военно-морскими силами и для спасения шахтеров с начала двадцатого века. Кислородные ребризеры могут быть удивительно простыми по конструкции, и они были изобретены до открытого цикла подводного плавания. Они только подают кислород, поэтому нет необходимости контролировать газовую смесь, кроме продувки перед использованием и удаления углекислого газа. [29]
В некоторых ребризерах, например, Siebe Gorman Salvus , кислородный баллон имеет два механизма подачи кислорода параллельно. Один — постоянный поток , а другой — ручной двухпозиционный клапан, называемый перепускным клапаном. Оба подают кислород в дыхательный пузырек . [30] Нет необходимости во второй ступени, и газ можно включать и выключать на клапане баллона.
Другие, такие как USN Mk25 UBA, поставляются автоматически через клапан-расходомер на дыхательном мешке, который будет добавлять газ в любое время, когда дыхательный мешок опорожнен, а дайвер продолжает вдыхать. Кислород также можно добавлять вручную с помощью кнопки, которая активирует клапан-расходомер, что эквивалентно кнопке продувки на клапане-расходомере открытого цикла. [15]
Некоторые простые кислородные ребризеры не имели автоматической системы подачи, только ручной клапан подачи, и водолазу приходилось время от времени нажимать на клапан, чтобы пополнить дыхательный мешок, когда объем кислорода опускался ниже комфортного уровня. Это нагрузка, но водолаз не может не знать о необходимости пополнения. Контроль объема в контуре также будет контролировать плавучесть.
Военные, фотографы и любители дайвинга используют ребризеры замкнутого цикла, поскольку они позволяют совершать длительные погружения и не производят пузырьков. [31] Ребризеры замкнутого цикла подают в контур два дыхательных газа: один — чистый кислород, а другой — разбавитель или разбавляющий газ, такой как воздух, нитрокс, гелиокс или тримикс. [32]
Основная функция замкнутого контура ребризера заключается в контроле парциального давления кислорода в контуре и предупреждении дайвера, если оно становится опасно низким или высоким. Слишком низкая концентрация кислорода приводит к гипоксии, ведущей к потере сознания и в конечном итоге к смерти. Слишком высокая концентрация кислорода приводит к гипероксии, что приводит к кислородной интоксикации , состоянию, вызывающему судороги, которые могут заставить дайвера потерять загубник, когда они происходят под водой, и могут привести к утоплению . Система мониторинга использует чувствительные к кислороду электрогальванические топливные элементы для измерения парциального давления кислорода в контуре. Парциальное давление кислорода в контуре, как правило, можно контролировать в пределах разумного допуска фиксированного значения. Эта заданная точка выбирается для обеспечения приемлемого риска как долгосрочной, так и острой кислородной интоксикации, при этом минимизируя требования к декомпрессии для запланированного профиля погружения. [32]
Газовая смесь контролируется водолазом в ручных ребризёрах замкнутого цикла. Водолаз может вручную контролировать смесь, добавляя разбавитель или кислород. Добавление разбавителя может предотвратить перенасыщение газовой смеси контура кислородом, а добавление кислорода делается для повышения концентрации кислорода.
В полностью автоматических системах замкнутого контура электромагнитный клапан с электронным управлением впрыскивает кислород в контур, когда система управления обнаруживает, что парциальное давление кислорода в контуре упало ниже требуемого уровня. Управляемые электроникой CCR могут быть переключены на ручное управление в случае некоторых сбоев системы управления. [32]
Добавление газа для компенсации сжатия во время спуска обычно осуществляется с помощью автоматического клапана разбавления. [16]
В 1912 году немецкая фирма Drägerwerk из Любека представила версию стандартного водолазного костюма, использующего подачу газа от кислородного ребризера и без поверхностного питания. Система использовала медный водолазный шлем и стандартный тяжелый водолазный костюм с установленным на спине набором баллонов и скруббером. Дыхательный газ циркулировал с помощью инжекторной системы в контуре, питаемом добавленным газом. Это было далее развито с помощью шлема Modell 1915 "Bubikopf" и кислородной ребризером DM20 для глубин до 20 м, а также ребризером смешанного газа DM40, который использовал кислородный баллон и воздушный баллон для подачи газа, производя смесь нитрокс, для глубин до 40 м. [33]
ВМС США разработали вариант системы Mark V для гелиокс-дайвинга. Они были успешно использованы во время спасения экипажа и подъема USS Squalus в 1939 году. Шлем с гелиокс-смешанным газом ВМС США Mark V Mod 1 основан на стандартном шлеме Mark V с канистрой скруббера, установленной на задней части шлема, и системой впрыска впускного газа, которая рециркулирует дыхательный газ через скруббер для удаления углекислого газа и, таким образом, сохранения гелия. Гелиевый шлем использует тот же нагрудник, что и стандартный Mark V, за исключением того, что запирающий механизм перемещен вперед, отсутствует кран, есть дополнительное электрическое соединение для подогреваемого нижнего белья, а на более поздних версиях был установлен двух- или трехступенчатый выпускной клапан для снижения риска затопления скруббера. [8] Подача газа у водолаза контролировалась двумя клапанами. «Клапан Хоука» контролировал поток через инжектор к «аспиратору», который циркулировал газ из шлема через скруббер, и главный регулирующий клапан, используемый для аварийного отключения для открытия контура, промывки шлема и для дополнительного газа при тяжелой работе или спуске. Расход сопла инжектора был номинально 0,5 кубических футов в минуту при давлении на 100 фунтов на квадратный дюйм выше давления окружающей среды, что позволяло бы продуть в 11 раз больше объема впрыскиваемого газа через скруббер. [9]
Обе эти системы были полузакрытыми и не контролировали парциальное давление кислорода. Они обе использовали инжекторную систему для рециркуляции дыхательного газа и не увеличивали работу дыхания.
Было несколько конструкций ребризеров (например, Oxylite), которые имели абсорбирующий баллон, заполненный супероксидом калия , который выделяет кислород при поглощении углекислого газа: 4KO2 + 2CO2 = 2K2CO3 + 3O2 ; у него был очень маленький баллон с кислородом для заполнения контура в начале погружения. [34] Эта система опасна из - за взрывоопасной горячей реакции, которая происходит , если вода попадает на супероксид калия. Российский военный и военно-морской ребризер IDA71 был разработан для работы в этом режиме или как обычный ребризер.
Испытания IDA71 в Экспериментальном водолазном подразделении ВМС США в Панама-Сити, штат Флорида, показали, что IDA71 может обеспечить значительно более длительное время погружения с супероксидом в одной из канистр, чем без него. [34]
Эту технологию можно применять как в кислородных, так и в газовых ребризерах, а также использовать для дайвинга и других целей.
Подача жидкого кислорода может использоваться для кислородных или смешанных газовых ребризеров. При использовании под водой контейнер с жидким кислородом должен быть хорошо изолирован от передачи тепла от воды. Промышленные комплекты этого типа могут не подходить для дайвинга, а комплекты для дайвинга этого типа могут не подходить для использования вне воды из-за противоречивых требований к передаче тепла. Бак с жидким кислородом комплекта должен быть заполнен непосредственно перед использованием.
Криогенный ребризер удаляет углекислый газ, замораживая его в «снежном ящике» за счет низкой температуры, возникающей при испарении жидкого кислорода для замены использованного кислорода.
Прототип криогенного ребризера под названием S-1000 был построен корпорацией Sub-Marine Systems. Он имел продолжительность 6 часов и максимальную глубину погружения 200 метров (660 футов). Его ppO 2 можно было установить на уровне от 0,2 до 2 бар (от 3 до 30 фунтов на квадратный дюйм) без электроники, путем управления температурой жидкого кислорода, таким образом управляя равновесным давлением газообразного кислорода над жидкостью. Разбавителем мог быть либо азот, либо гелий в зависимости от глубины погружения. Парциальное давление кислорода контролировалось температурой, которая контролировалась путем управления давлением, при котором жидкий азот мог закипать, что контролировалось регулируемым клапаном сброса давления. Никаких регулирующих клапанов, кроме клапана сброса давления азота, не требовалось. Низкая температура также использовалась для вымораживания до 230 граммов углекислого газа в час из контура, что соответствует потреблению кислорода 2 литра в минуту, поскольку углекислый газ замерзает из газообразного состояния при температуре -43,3 °C или ниже. Если кислород потреблялся быстрее из-за высокой рабочей нагрузки, требовался обычный скруббер. Электроника не требовалась, поскольку все следовало за установкой давления выпуска азота из охлаждающего устройства, а охлаждение путем испарения жидкого азота поддерживало постоянную температуру до тех пор, пока жидкий азот не был исчерпан. Поток газа контура проходил через противоточный теплообменник, который повторно нагревал газ, возвращающийся к водолазу, охлаждая газ, направлявшийся в снежный ящик (криогенный скруббер). Первый прототип, S-600G, был завершен и испытан на мелководье в октябре 1967 года. S1000 был анонсирован в 1969 году, [35] [36], но системы так и не были выпущены на рынок. [37]
Криогенные ребризеры широко применялись в советской океанографии в период с 1980 по 1990 год. [37] [38] [39]
Дайвер дышит из контура ребризера через загубник с укусом или через оро-назальную маску , которая может быть частью полнолицевой маски или водолазного шлема . Загубник соединен с остальной частью ребризера гибкими дыхательными шлангами. Загубник водолазного ребризера обычно включает в себя запорный клапан и может включать в себя клапан погружения/всплытия или аварийный клапан или оба. В ребризерах с петлевой конфигурацией загубник обычно является местом, где установлены обратные клапаны для петли. [16]
Клапан погружения/вверх (DSV) — это клапан на загубнике, который может переключаться между контуром и окружающей средой. Он используется для закрытия контура на поверхности, чтобы дайвер мог дышать атмосферным воздухом, а также может использоваться под водой для изоляции контура, чтобы он не затопился, если загубник вынут изо рта. [16]
Клапан погружения/всплытия, который можно переключить на закрытие контура и одновременно открыть соединение с клапаном-расходником открытого контура, известен как аварийный клапан (BOV), поскольку его функция заключается в переключении на аварийный клапан открытого контура без необходимости снятия загубника. Важное устройство безопасности при отравлении углекислым газом . [40]
Ремень для фиксации загубника (MRS) — это элемент защитного оборудования, который является обязательной конструкционной особенностью для ребризеров, продаваемых в ЕС и Великобритании, в соответствии с европейским стандартом ребризеров EN14143:2013. Ремни для фиксации загубника, как показал многолетний опыт ВМС, эффективны для защиты дыхательных путей у водолаза с ребризером, находящегося без сознания, в качестве альтернативы полнолицевой маске. Конструкция должна быть регулируемой или саморегулирующейся, чтобы надежно и удобно удерживать загубник во рту пользователя и обеспечивать герметичность. MRS также снижает нагрузку на челюсть во время погружения. [41]
Гибкие гофрированные синтетические резиновые шланги используются для соединения загубника с остальной частью дыхательного контура, так как они обеспечивают свободное движение головы водолаза. Эти шланги гофрированы, чтобы обеспечить большую гибкость, сохраняя при этом высокую устойчивость к смятию. Шланги разработаны для обеспечения низкого сопротивления потоку дыхательного газа. Один дыхательный шланг используется для маятниковой (тяни-толкай) конфигурации, а два шланга — для конфигурации односторонней петли. [16] Для снижения чрезмерной плавучести могут использоваться грузы для шлангов.
Противолегкое — это часть петли, которая разработана для изменения объема на ту же величину, что и дыхательный объем пользователя при дыхании. Это позволяет петле расширяться и сжиматься, когда пользователь дышит, позволяя общему объему газа в легких и петле оставаться постоянным на протяжении всего цикла дыхания. Объем противолегкого должен обеспечивать максимально возможный объем дыхания пользователя, но, как правило, не должен соответствовать жизненной емкости всех возможных пользователей. [42] [16]
Под водой положение дыхательного мешка – на груди, на плечах или на спине – влияет на гидростатическую работу дыхания . Это происходит из-за разницы давления между дыхательным мешком и легкими водолаза, вызванной вертикальным расстоянием между ними. [42]
Рекреационные, технические и многие профессиональные дайверы проводят большую часть времени под водой, плавая лицом вниз и в горизонтальном положении. Контрлегкие должны хорошо функционировать при низкой работе дыхания в этом положении и при вертикальном положении дайвера.
Конструкция дыхательных мешков также может влиять на обтекаемость тела ныряльщика из-за расположения и формы дыхательных мешков, если они не находятся в кожухе.
Ребризер, в котором используются резиновые дыхательные мешки, не находящиеся в закрытом корпусе, следует защищать от солнечного света , когда он не используется, чтобы предотвратить разрушение резины под воздействием ультрафиолетового излучения .
Большинство пассивных дополнительных полузакрытых дыхательных аппаратов для дайвинга контролируют газовую смесь, удаляя фиксированную объемную долю выдыхаемого газа и заменяя ее свежим подаваемым газом из клапана подачи, который срабатывает при низком объеме дыхательного мешка.
Это делается с помощью концентрических сильфонных контрлегких – контрлегкое сконфигурировано как сильфон с жестким верхом и низом и имеет гибкую гофрированную мембрану, образующую боковые стенки. Внутри находится второй, меньший сильфон, также соединенный с жесткими верхней и нижней поверхностями контрлегкого, так что по мере того, как жесткие поверхности движутся друг к другу и друг от друга, объемы внутреннего и внешнего сильфонов изменяются в той же пропорции.
Выдыхаемый газ расширяет дыхательные мешки, и часть его поступает во внутренние меха. При вдохе дайвер дышит только из внешнего дыхательного мешка — обратный поток из внутренних мехов блокируется обратным клапаном. Внутренние мехи также соединяются с другим обратным клапаном, открывающимся во внешнюю среду, и, таким образом, газ из внутренних мехов сбрасывается из контура в фиксированной пропорции объема вдыхаемого дыхания. Если объем дыхательных мешков достаточно уменьшен для того, чтобы жесткая крышка активировала клапан подачи газа, газ будет добавляться до тех пор, пока дайвер не закончит этот вдох.
Выдыхаемые газы направляются через химический скруббер — канистру, заполненную подходящим поглотителем углекислого газа, например, разновидностью натронной извести , которая удаляет углекислый газ из газовой смеси и оставляет кислород и другие газы доступными для повторного дыхания. [43]
Некоторые из абсорбирующих химикатов производятся в гранулированном формате для применения в дайвинге, например, Atrasorb Dive, Sofnolime , Dragersorb или Sodasorb. Другие системы используют предварительно упакованный картридж на основе Reactive Plastic Curtain (RPC): [44] Термин Reactive Plastic Curtain изначально использовался для описания абсорбирующих занавесей Micropore для аварийного использования на подводных лодках ВМС США, а в последнее время RPC использовался для обозначения их Reactive Plastic Cartridges, которые, как утверждается, обеспечивают лучшую и более надежную работу, чем тот же объем гранулированного абсорбирующего материала. [45]
Углекислый газ, проходящий через абсорбент скруббера, удаляется, когда он реагирует с абсорбентом в канистре; эта химическая реакция является экзотермической . Большая часть этой реакции происходит вдоль «фронта», который представляет собой область поперек потока газа через натронную известь в канистре. Этот фронт движется через канистру скруббера от конца входа газа к концу выхода газа, поскольку реакция потребляет активные ингредиенты. Этот фронт будет зоной с толщиной, зависящей от размера зерна, реакционной способности и скорости потока газа, поскольку углекислому газу в газе, проходящем через канистру, нужно время, чтобы достичь поверхности зерна абсорбента, а затем время, чтобы проникнуть внутрь каждого зерна абсорбента, поскольку внешняя часть зерна истощается. В конце концов газ с оставшимся углекислым газом достигнет дальнего конца канистры, и произойдет «прорыв». После этого содержание углекислого газа в очищенном газе будет иметь тенденцию к росту по мере того, как эффективность скруббера падает, пока оно не станет заметным для пользователя, а затем непригодным для дыхания. [16]
При погружениях с ребризером типичная эффективная продолжительность работы скруббера составляет от получаса до нескольких часов дыхания в зависимости от гранулометрического состава и состава абсорбента, температуры окружающей среды, размера баллона, времени пребывания газа в абсорбирующем материале и выработки углекислого газа водолазом.
Конструкция и размер скруббера — это компромисс между объемом, стоимостью расходных материалов и работой дыхания. Объем влияет на размер устройства и количество необходимого балластного груза, что влияет на логистику погружения. Работа дыхания может быть критически важна для безопасности на больших глубинах, где она может стать значительной частью доступной аэробной работоспособности дайвера, и может быть непосильной, когда она превышает предел дайвера.
Обычно используется один скруббер, но использовались конфигурации с двумя скрубберами, например, IDA71 , в котором скрубберы установлены параллельно (для некоторых применений один из них может быть заполнен абсорбентом типа супероксида, который генерирует кислород для замены углекислого газа) и KISS Sidewinder, в котором скрубберы установлены последовательно, с одним задним дыхательным мешком между скрубберами, так что поперечные смещения плавучести не происходят во время цикла дыхания. [46]
Путь потока газа в скруббере может быть осевым, когда газ поступает с одного конца и выходит с другого, или радиальным, когда газ течет из центра скруббера к периферии (обычно) или наоборот. [47] Путь потока должен иметь постоянную длину, чтобы свести к минимуму ранний прорыв некоторых частей скруббера, что ограничивает радиальные конструкции круглыми цилиндрами с переменным отношением длины к диаметру, а осевые скрубберы — приблизительно постоянной формой сечения вдоль оси потока (длины).
Распределение размеров зерен сорба влияет на пористость упакованного контейнера. Более широкое распределение размеров зерен дает низкую пористость. Пористость колеблется от примерно 32% для однородного размера (хорошо отсортированных) приблизительно сферических зерен до менее 12% для плохо отсортированных размеров зерен с большим стандартным отклонением, где более мелкие гранулы занимают большую часть пространства между более крупными гранулами. Низкая пористость требует более высокой скорости потока для того же объемного расхода в том же контейнере скруббера. Высокая скорость потока создает высокое сопротивление трения и малое время пребывания (время выдержки). Высокое сопротивление вызывает большую работу дыхания, а малое время пребывания заставляет прорыв углекислого газа с дальней стороны сорба происходить раньше, т. е.; более короткая продолжительность контейнера. [47]
Скорость реакции абсорбента (сорбента) скруббера снижается при более низких температурах из-за более низкой кинетической энергии молекул газа, что сокращает среднее время до контакта с реактивным материалом ( уравнение Аррениуса ). Реакция сорбции выделяет тепло, а холодная водная среда поглощает тепло через стенки канистры, поэтому фронт реакции перемещается от входного конца к выходному концу, нагревая сорбент, а тепло теряется через стенки, которые находятся по бокам в канистрах с осевым потоком. Углекислый газ проникает дальше через более холодные части сорбента, прежде чем он будет поглощен, поэтому сначала имеет тенденцию прорываться вдоль стенок. Прорыв происходит на практике примерно при 50% теоретической выносливости канистры в воде с температурой 1,7 °C. Этот эффект можно уменьшить, изолировав стенки канистры там, где они контактируют с абсорбирующим материалом [47]
Во время подъема газ в дыхательном контуре будет расширяться и должен иметь какой-то выход, прежде чем разница давлений нанесет травму водолазу или повредит контур. Самый простой способ сделать это — позволить водолазу выпустить избыток газа через загубник или через нос, но простой клапан избыточного давления надежен и может быть отрегулирован для контроля допустимого избыточного давления. Клапан избыточного давления обычно устанавливается на дыхательном мешке, а в военных водолазных ребризерах он может быть оснащен диффузором, который помогает скрыть присутствие водолаза, маскируя выпуск пузырьков, разбивая их до размеров, которые труднее обнаружить. Диффузор также снижает шум пузырьков. [48] [42]
Во многих ребризере есть «водяные ловушки» в дыхательных мешках или корпусе скруббера, чтобы не допустить попадания больших объемов воды в скруббер, если дайвер снимает загубник под водой, не закрыв клапан, или если губы дайвера ослабевают и пропускают воду. [42] В некоторых ребризере есть ручные насосы для удаления воды из дыхательных мешков, а несколько пассивных дополнительных SCR автоматически откачивают воду вместе с газом во время такта выпуска сильфонного дыхательного мешка. [28] [49] В других используется внутреннее давление для вытеснения воды через вручную управляемый клапан сброса, когда он находится в нижнем положении. [50]
Ребризер должен иметь источник кислорода для восполнения того, что потребляет дайвер. В зависимости от варианта конструкции ребризера источником кислорода будет либо чистый кислород, либо дыхательная газовая смесь, которая почти всегда хранится в газовом баллоне . В некоторых случаях кислород поставляется в виде жидкого кислорода или из химической реакции. [16]
Чистый кислород не считается безопасным для любительского дайвинга на глубину более 6 метров, поэтому ребризеры замкнутого цикла для более глубокого использования также имеют баллон с разбавляющим газом. Этот баллон с разбавляющим газом может быть заполнен сжатым воздухом или другой газовой смесью для дайвинга, такой как нитрокс , тримикс или гелиокс . Разбавитель снижает процент вдыхаемого кислорода и увеличивает максимальную рабочую глубину ребризера. Разбавитель обычно не является газом без кислорода, таким как чистый азот или гелий, и является пригодным для дыхания, поэтому его можно использовать в чрезвычайной ситуации либо для промывки контура пригодным для дыхания газом известного состава, либо в качестве аварийного газа. Разбавитель обычно называют разбавителем, разбавителем или просто «dil» дайверы. [16] Состав разбавителя также влияет на плотность газа и, следовательно, на работу дыхания на глубине. [17]
Газ необходимо добавлять в дыхательный контур, если объем становится слишком маленьким или если необходимо изменить состав газа. [16]
Он имеет функцию, похожую на клапан-распределитель открытого контура, и во многих случаях использует механизм из общедоступного клапана-распределителя открытого контура. Он добавляет газ в контур, если объем в контуре слишком мал. Механизм либо управляется специальной диафрагмой, как во второй ступени акваланга, либо может управляться верхней частью дыхательного мешка сильфонного типа, достигающей нижней точки своего хода. [42]
Ребризеры замкнутого цикла обычно позволяют дайверу добавлять газ вручную. В кислородных ребризерах это просто кислород, но ребризеры смешанного газа обычно имеют отдельный ручной клапан добавления для кислорода и разбавителя, так как любой из них может потребоваться для коррекции состава смеси контура , либо как стандартный метод работы для ручных CCR, либо как резервная система для электронно-управляемых CCR. [42] Ручное добавление разбавителя иногда осуществляется кнопкой продувки на ADV.
Постоянный массовый расход газа используется в полузакрытых ребризёрах с активным добавлением, где это обычный метод добавления на постоянной глубине, и во многих ребризерах замкнутого цикла, где это основной метод добавления кислорода со скоростью, меньшей, чем метаболически требуется дайверу в состоянии покоя, а остальное доставляется системой управления через соленоидный клапан или вручную дайвером.
Постоянный массовый расход достигается за счет звукового потока через отверстие. Поток сжимаемой жидкости через отверстие ограничен потоком со звуковой скоростью в отверстии. Это можно контролировать с помощью давления на входе, а также размера и формы отверстия, но как только поток достигает скорости звука в отверстии, любое дальнейшее снижение давления на выходе не оказывает влияния на скорость потока. Для этого требуется источник газа с фиксированным давлением, и это работает только на глубинах, где давление окружающей среды достаточно низкое, чтобы обеспечить звуковой поток в отверстии.
Регуляторы, элементы управления которых изолированы от давления окружающей среды, используются для подачи газа под давлением, независимым от глубины.
В пассивных дополнительных полузакрытых ребризёрах газ обычно добавляется клапаном по требованию, который активируется дыхательным мешком сильфона, когда сильфон пуст. Это то же самое условие срабатывания, что и автоматический клапан разбавителя любого ребризера, но фактический механизм срабатывания немного отличается. Пассивный дополнительный ребризер этого типа не нуждается в отдельном ADV, поскольку пассивный дополнительный клапан уже выполняет эту функцию, хотя для инженерной избыточности могут быть установлены два таких клапана по требованию, которые работают одновременно. [51] [52]
Электронно-управляемые ребризеры смешанного газа замкнутого цикла могут иметь часть подачи кислорода, обеспечиваемую постоянным отверстием массового расхода, но точный контроль парциального давления осуществляется электромагнитными клапанами, приводимыми в действие цепями управления. Синхронизированное открытие электромагнитного клапана будет срабатывать, когда парциальное давление кислорода в смеси контура падает ниже нижнего заданного значения.
Если постоянное массовое расходное отверстие нарушено и не обеспечивает правильный расход, схема управления компенсирует это, чаще срабатывая электромагнитный клапан.
На некоторых технических дайвинговых ребризерах можно подключить альтернативный источник газа к ребризу, обычно с помощью мокрой быстроразъемной системы. Это обычно особенность спасательных ребризеров и других боковых ребризеров, где блок ребризера намеренно сделан максимально компактным, а источник газа может быть подвешен с другой стороны водолаза для удобства и баланса. Эта возможность также позволяет потенциально подавать весь газ, переносимый водолазом, через ребризер. [53]
Аварийный газ и процедура аварийного выхода тесно связаны. Процедура должна соответствовать конфигурации подачи газа. Первоначальный аварийный выход в открытый контур часто является первым шагом, даже если имеется аварийный ребризер, поскольку он прост и надежен, и требуется некоторое время, чтобы подготовить аварийный ребризер к использованию. [54] Запас аварийного газа должен быть достаточным для безопасного возвращения на поверхность из любой точки запланированного погружения, включая любую необходимую декомпрессию, поэтому нередки случаи, когда необходимо нести два аварийных баллона, а баллон с разбавителем использовать в качестве первого аварийного выхода, чтобы достичь глубины, где можно использовать другой газ. При глубоком погружении или длительном проникновении аварийный выход в открытом контуре может легко оказаться тяжелее и громоздче, чем ребризер, и для некоторых погружений аварийный ребризер является более практичным вариантом. [55]
Основные требования к контролю газовой смеси в дыхательном контуре для любого применения ребризера заключаются в том, что углекислый газ удаляется и поддерживается на допустимом уровне, а парциальное давление кислорода поддерживается в безопасных пределах. Для ребризеров, которые используются при нормобарическом или гипобарическом давлении, требуется только достаточное количество кислорода, что легко достигается в кислородном ребризере. Гипербарические применения, такие как дайвинг, также требуют ограничения максимального парциального давления кислорода, чтобы избежать кислородной токсичности , что технически является более сложным процессом и может потребовать разбавления кислорода метаболически инертным газом.
Если кислорода недостаточно, концентрация кислорода в контуре может быть слишком низкой для поддержания жизни. У людей потребность в дыхании обычно вызвана накоплением углекислого газа в крови, а не недостатком кислорода. Гипоксия может вызвать потерю сознания без предупреждения или с небольшим его отсутствием, за которым следует смерть. [16]
Метод, используемый для регулирования диапазона парциального давления кислорода в дыхательном контуре, зависит от типа ребризера.
Объем в контуре обычно контролируется автоматическим клапаном разбавителя, срабатывающим под давлением или объемом, и клапаном сброса избыточного давления. Автоматический клапан разбавителя работает по тому же принципу, что и клапан по требованию, чтобы добавлять разбавитель, когда давление в контуре падает ниже давления окружающей среды, например, во время спуска или если газ теряется из контура. В комплекте также может быть ручной клапан добавления, иногда называемый байпасом. В некоторых ранних кислородных ребризерах пользователю приходилось вручную открывать и закрывать клапан кислородного баллона, чтобы пополнить дыхательное пространство каждый раз, когда объем становился низким. [16]
Приборы могут варьироваться от минимальной глубины, времени и остаточного давления газа, необходимых для кислородного ребризера замкнутого цикла или ребризера полузамкнутого цикла на основе нитрокса, до резервных электронных контроллеров с несколькими датчиками кислорода, резервных встроенных декомпрессионных компьютеров, датчиков контроля углекислого газа и индикатора на лобовом стекле с предупреждающими и аварийными лампами со звуковым и вибрационным сигналом.
Сигнализации могут быть предусмотрены для нескольких неисправностей. Сигнализации управляются электроникой и могут полагаться на входные данные от датчика и обработку схемой управления. Они могут включать: [16]
Отображение будильника: [16]
Если срабатывает сигнализация ребризера, существует высокая вероятность того, что газовая смесь отклоняется от заданной смеси. Существует высокий риск того, что газ в контуре ребризера вскоре станет непригодным для поддержания сознания. Хорошим общим ответом является добавление в контур разбавляющего газа, поскольку известно, что он пригоден для дыхания. Это также снизит концентрацию углекислого газа, если она высока. [16]
Работа дыхания — это усилие, необходимое для дыхания. Часть работы дыхания обусловлена присущими физиологическими факторами, часть — механикой внешнего дыхательного аппарата, а часть — характеристиками дыхательного газа. Высокая работа дыхания может привести к накоплению углекислого газа в организме водолаза и снизить способность водолаза производить полезные физические усилия. В экстремальных случаях работа дыхания может превысить аэробную работоспособность водолаза, что может привести к фатальным последствиям. [17]
Работа дыхания ребризера состоит из двух основных компонентов: Резистивная работа дыхания возникает из-за ограничения потока газовых каналов, вызывающего сопротивление потоку дыхательного газа, и существует во всех приложениях, где нет внешней вентиляции. Гидростатическая работа дыхания применима только к приложениям для дайвинга и возникает из-за разницы в давлении между легкими дайвера и дыхательными мешками ребризера. Эта разница в давлении обычно возникает из-за разницы в гидростатическом давлении, вызванной разницей в глубине между легким и дыхательным мешком, но может быть изменена путем балластировки подвижной стороны сильфонного дыхательного мешка. [28]
Резистивная работа дыхания представляет собой сумму всех ограничений потока из-за изгибов, гофр, изменений направления потока, давления открытия клапанов, потока через скрубберную среду и т. д., а также сопротивления потоку газа из-за инерции и вязкости, на которые влияет плотность, которая является функцией молекулярного веса и давления. Конструкция ребризера может ограничивать механические аспекты сопротивления потоку, в частности, конструкцией скруббера, дыхательных мешков и дыхательных шлангов. На ребризеры для дайвинга влияют изменения работы дыхания из-за выбора газовой смеси и глубины. Содержание гелия снижает работу дыхания, а увеличение глубины увеличивает работу дыхания. Работа дыхания также может быть увеличена из-за чрезмерной влажности скрубберной среды, обычно вследствие утечки в дыхательном контуре, или из-за использования слишком маленького размера зерна абсорбента. [17]
Полузакрытые системы ребризеров, разработанные компанией Drägerwerk в начале 20-го века в качестве источника газа для подводного плавания для стандартного водолазного костюма , использующего кислород или нитрокс, и шлем ВМС США Mark V Heliox, разработанный в 1930-х годах для глубоких погружений, обеспечивали циркуляцию дыхательного газа через шлем и скруббер с помощью инжекторной системы, в которой добавленный газ увлекал за собой петлевой газ и создавал поток очищенного газа мимо водолаза внутри шлема, что исключало внешнее мертвое пространство и резистивную работу дыхания, но не подходило для высокой частоты дыхания. [57]
Существуют проблемы безопасности, характерные для оборудования для ребризеров, и они, как правило, более серьезны в водолазных ребризерах. Методы решения этих проблем можно отнести к инженерным и эксплуатационным подходам. Разработка инженерных решений этих проблем продолжается и была относительно быстрой, но зависит от доступности подходящей технологии, и некоторые из инженерных проблем, такие как надежность измерения парциального давления кислорода, были относительно неразрешимыми. [58] Другие проблемы, такие как мониторинг прорыва скруббера и автоматизированный контроль газовой смеси, значительно продвинулись в 21 веке, но остаются относительно дорогими. Работа дыхания — еще одна проблема, которая требует улучшения и является серьезным ограничением на допустимую максимальную глубину работы, поскольку циркуляция газа через скруббер почти всегда обеспечивается легкими дайвера. Отказоустойчивая конструкция может помочь сделать отказы выживаемыми. [5]
Некоторые опасности обусловлены принципом работы оборудования, в то время как другие связаны со средой, в которой оно используется.
Гипоксия может возникнуть в любом ребризере, содержащем достаточно инертного газа, чтобы обеспечить дыхание без срабатывания автоматической подачи газа.
В кислородном ребризере это может произойти, если контур недостаточно продулся в начале использования. Продувку следует проводить во время дыхания из устройства, чтобы инертный газ из легких пользователя также был удален из системы.
Опасно высокое парциальное давление кислорода может возникнуть в дыхательном контуре по нескольким причинам:
Накопление углекислого газа произойдет, если среда скруббера отсутствует, плохо упакована, неадекватна или истощена. Нормальный человеческий организм довольно чувствителен к парциальному давлению углекислого газа, и пользователь заметит накопление. Однако зачастую не так много можно сделать, чтобы исправить проблему, кроме как перейти на другой источник дыхательного газа, пока скруббер не будет переупакован. Продолжение использования ребризера с неэффективным скруббером невозможно в течение очень долгого времени, так как уровни станут токсичными, и пользователь испытает экстремальный респираторный дистресс, за которым последует потеря сознания и смерть. Скорость развития этих проблем зависит от объема контура и скорости метаболизма пользователя.
Накопление углекислого газа может также происходить, когда сочетание усилий и работы дыхания превышает возможности пользователя. Если это происходит, когда пользователь не может в достаточной степени снизить усилия, исправить это может быть невозможно. В этом случае не скруббер не удаляет углекислый газ, а неспособность дайвера эффективно циркулировать газ через скруббер, преодолевая сопротивление трения контура, что вызывает проблему. Это чаще происходит с водолазными ребризерами на глубинах, где плотность дыхательного газа значительно повышена, или когда вода в скруббере препятствует потоку газа. [17]
Высокое парциальное давление кислорода значительно увеличивает опасность возгорания, и многие материалы, которые являются самозатухающими в атмосферном воздухе, будут гореть непрерывно при высокой концентрации кислорода. Это более рискованно для наземных применений, таких как спасательные работы и пожаротушение, чем для дайвинга, где риск возгорания относительно низок.
Затопление контура, достигающее скруббера, может вызвать «едкий коктейль», когда щелочные компоненты абсорбирующих материалов углекислого газа смешиваются с водой. Эта смесь едкая и может вызвать химические ожоги слизистой оболочки и кожи. Смесь обычно представляет собой жидкую или водянистую суспензию с меловым и горьким вкусом, что должно побудить дайвера переключиться на альтернативный источник дыхательного газа и немедленно хорошо прополоскать рот водой. Некоторые современные абсорбирующие материалы для дайвинга-ребризера разработаны так, чтобы не создавать «едкий коктейль» при намокании. [ требуется цитата ]
Ребризеры для дайвинга подвержены некоторым видам неисправностей, которые не могут возникнуть в других дыхательных аппаратах.
Термин «прорыв» означает неспособность скруббера продолжать удалять достаточное количество углекислого газа из циркулирующего в контуре газа. Это неизбежно произойдет, если скруббер используется слишком долго, но может произойти преждевременно в некоторых обстоятельствах. Существует несколько способов, при которых скруббер может выйти из строя или стать менее эффективным:
Затопление дыхательного контура может произойти из-за утечки в нижней точке контура, где внутреннее давление газа меньше внешнего давления воды. Одним из наиболее распространенных способов, при которых это может произойти, является смещение или извлечение загубника изо рта дайвера без предварительного закрытия клапана погружения/всплытия или переключения на аварийное спасение. Это может произойти из-за случайного удара или из-за кратковременной невнимательности. В зависимости от компоновки контура и положения ребризера в воде количество поступающей воды может варьироваться, как и расстояние, которое она проходит в дыхательные пути дыхательного контура. В некоторых моделях ребризеров умеренное количество воды будет задерживаться в нижней точке в дыхательном мешке или корпусе скруббера и не сможет достичь абсорбента в скруббере. Некоторые ребризеры оснащены системой для удаления воды, скопившейся таким образом, либо автоматически через выпускной клапан, как в Halcyon RB80 и Interspiro DCSC [28] , либо вручную с помощью небольшого насоса.
На ребризере есть несколько мест, где утечка газа может вызвать проблемы. Утечка может произойти из компонентов высокого и среднего давления, а также из контура при давлении немного выше окружающего. Влияние на целостность системы зависит от серьезности утечки. Если теряется только небольшой объем газа, утечка может быть терпимой для остальной части погружения, но утечка может стать более серьезной, в зависимости от причины, и в некоторых случаях может ухудшиться катастрофически.
Неисправность мониторинга кислорода может привести к неправильному парциальному давлению кислорода в дыхательном газе. Последствия могут включать гипоксию, гипероксию и неправильную информацию о декомпрессии, все три из которых потенциально опасны для жизни.
Методы, доступные для мониторинга состояния скруббера, а также прогнозирования и выявления неминуемого прорыва, включают:
Отказоустойчивость — это свойство, которое позволяет системе продолжать работать должным образом в случае отказа некоторых ее компонентов. Если ее качество работы вообще ухудшается, то это снижение пропорционально серьезности отказа по сравнению с наивно спроектированной системой, в которой даже небольшой отказ может привести к полному отказу. Отказоустойчивость особенно важна в системах с высокой доступностью или критически важных для безопасности . Способность сохранять функциональность, когда части системы выходят из строя, называется постепенной деградацией. [62]
Базовый кислородный ребризер замкнутого цикла — очень простое и механически надежное устройство, но у него есть серьезные эксплуатационные ограничения из-за токсичности кислорода. Подходы к безопасному расширению диапазона глубин требуют переменной дыхательной газовой смеси. Полузакрытые ребризеры, как правило, неэффективны для декомпрессии и не полностью предсказуемы для газового состава по сравнению с точно контролируемым ребризером замкнутого цикла. Мониторинг газового состава в дыхательном контуре может осуществляться только с помощью электрических датчиков, что переводит подводную надежность электронной сенсорной системы в категорию критически важных для безопасности компонентов. [5]
Официальной статистики по показателям отказов подводной электроники нет, но вполне вероятно, что человеческая ошибка встречается чаще, чем частота ошибок электронных подводных компьютеров, которые являются основным компонентом электроники управления ребризером, обрабатывающей информацию из нескольких источников и имеющей алгоритм управления соленоидом впрыска кислорода. Герметичный корпус подводного компьютера существует уже достаточно долго, чтобы более качественные модели стали надежными и прочными в плане конструкции и дизайна. [5]
Ребризер с электронным управлением представляет собой сложную систему. Блок управления получает входные данные от нескольких датчиков, оценивает данные, вычисляет соответствующее следующее действие или действия, обновляет состояние системы и отображает их, а также выполняет действия, в некоторых случаях используя обратную связь в реальном времени для адаптации сигнала управления. [5] Входные данные включают сигналы от одного или нескольких датчиков давления, кислорода и температуры, часов и, возможно, датчиков гелия и углекислого газа. Также имеется источник питания от батареи и пользовательский интерфейс в виде визуального дисплея, интерфейс пользовательского ввода в виде кнопочных переключателей и, возможно, звуковых и вибрационных сигналов тревоги. [5]
В минимальном eCCR система очень уязвима. Один критический отказ может потребовать ручных процедур для устранения неисправности или необходимости перехода на альтернативный источник дыхательного газа. Некоторые отказы могут иметь фатальные последствия, если их не заметить и не устранить очень быстро. К критическим отказам относятся источник питания, нерезервный датчик кислорода, электромагнитные клапаны или блок управления. [5]
Чисто механические компоненты относительно прочны и надежны и имеют тенденцию к некатастрофическому износу, а также являются громоздкими и тяжелыми, поэтому электронные датчики и системы управления были компонентами, в которых обычно стремились к повышению отказоустойчивости. Отказы кислородных ячеек были особой проблемой с предсказуемо серьезными последствиями, поэтому использование множественного резервирования в мониторинге парциального давления кислорода стало важной областью разработки для повышения надежности. В этом отношении проблемой является стоимость и относительно короткий срок службы кислородных датчиков, а также их относительно непредсказуемое время до отказа и чувствительность к окружающей среде. [5]
Для автоматического обнаружения и идентификации неисправности датчика кислорода необходимо либо откалибровать датчики с помощью известного газа, что очень неудобно в большинстве случаев во время погружения, но возможно в качестве случайного теста при подозрении на неисправность, либо можно сравнить несколько ячеек и сделать предположение, что ячейки с почти идентичным выходом функционируют правильно. Для этой логики голосования требуется минимум три ячейки, и надежность увеличивается с их количеством. [5] Чтобы объединить избыточность ячеек с избыточностью схемы мониторинга, схемы управления и отображения, все сигналы ячеек должны быть доступны для всех схем мониторинга и управления в нормальных условиях. Это можно сделать путем совместного использования сигналов на аналоговом или цифровом этапе — выходное напряжение ячейки может подаваться на вход всех блоков мониторинга, или напряжения некоторых ячеек могут подаваться на каждый монитор, а обработанные цифровые сигналы совместно использоваться. Совместное использование цифровых сигналов может облегчить изоляцию неисправных компонентов в случае возникновения коротких замыканий. Минимальное количество ячеек в этой архитектуре составляет две на блок мониторинга с двумя блоками мониторинга для резервирования, что больше, чем минимальные три для базовой логики голосования. [5]
Три аспекта отказоустойчивого ребризера — это аппаратное резервирование, надежное программное обеспечение и система обнаружения неисправностей. Программное обеспечение является сложным и состоит из нескольких модулей со своими собственными задачами, такими как измерение парциального давления кислорода, измерение давления окружающей среды, управление впрыском кислорода, расчет состояния декомпрессии и пользовательский интерфейс отображения состояния и информации и пользовательских входов. Можно отделить аппаратное обеспечение пользовательского интерфейса от блока управления и мониторинга таким образом, чтобы система управления продолжала работать, если относительно уязвимый пользовательский интерфейс будет скомпрометирован. [5]
Характеристики, которые могли бы повысить безопасность, включают: [4]
Ребризеры сложнее в использовании, чем акваланг открытого цикла, и имеют больше потенциальных точек отказа , поэтому приемлемо безопасное использование требует более высокого уровня мастерства, внимания и ситуационной осведомленности, что обычно достигается путем понимания систем, тщательного обслуживания и дополнительного изучения практических навыков эксплуатации и устранения неисправностей . Отказоустойчивая конструкция может снизить вероятность отказа ребризера таким образом, что это немедленно подвергнет пользователя опасности, и снижает нагрузку на дайвера, что, в свою очередь, может снизить риск ошибки оператора.
Технология ребризеров значительно продвинулась вперед, часто под влиянием растущего рынка оборудования для любительского дайвинга, особенно в области исследования подводных пещер. Инновации включают:
Точное и надежное измерение парциального давления кислорода является одним из наиболее проблемных факторов безопасности погружений с ребризером. Системы управления, использующие эти данные, были разработаны до такой степени, что они стали прочными и надежными, а использование независимого резервного копирования повышает надежность примерно до такой же хорошей, как и для любого другого компонента. Самым слабым местом являются датчики, которые подвержены нескольким режимам отказа, некоторые из которых относительно коварны, поскольку ячейка может пройти нормобарическую калибровку и выйти из строя, когда парциальное давление находится вблизи верхнего предела приемлемого рабочего диапазона, который также является диапазоном, в котором погружение с постоянным парциальным давлением имеет максимальную выгоду. Когда удалось установить причину, основной причиной смертельных случаев с ребризером является гипоксия, примерно в 17%, а гипероксия предполагается еще в 4% случаев. Если эти тенденции распространяются на диапазон неопределенных случаев, возможно, что ненадлежащее содержание кислорода связано с 30% смертельных случаев с ребризером. [63]
Стандартным методом повышения надежности мониторинга кислорода было многократное резервирование — использование 3 или более датчиков — и использование множественных входов данных с системой логики голосования для попытки вовремя определить отказ датчика, чтобы сделать контролируемое и безопасное завершение погружения. Логика голосования обычно предполагает, что если один датчик выдает показания, значительно отличающиеся от двух или более других при воздействии той же среды, выброс является неисправным, а входные данные других считаются точными. К сожалению, это не всегда так, и были случаи, когда датчик выброса был наиболее правильным. Было показано, что надежность этой системы ниже, чем первоначально ожидалось, из-за отсутствия достаточной статистической независимости трех датчиков, и что результаты не являются симметричными — эффекты неисправных показаний низкого или высокого парциального давления также зависят от глубины. [63]
Если датчик дает относительно статический выходной сигнал с небольшой реакцией на изменения глубины и температуры, а также изменения состава газа из-за использования, добавления газа, неполного смешивания или турбулентности контура, то, скорее всего, датчик может реагировать неправильно, а когда два датчика следуют схожей схеме реагирования, это является предупреждением о том, что оба могут быть неисправны. Алгоритмы, которые отслеживают выходной сигнал датчика относительно ожидаемого выходного сигнала с учетом известных изменений, могут указывать на надежность датчиков. Этот метод мониторинга датчиков известен как пассивная проверка датчиков (PSV), может использоваться для повышения надежности оценки целостности датчиков и может использоваться в системе управления для принятия более надежных решений о том, какие датчики, скорее всего, будут давать заслуживающий доверия выходной сигнал по сравнению с логикой голосования, основанной только на значениях калибровки для датчиков. PSV является улучшением простой логики голосования, но все еще подвержен ошибкам, связанным со статистической независимостью компонентов. [63]
Ранняя работа по проектированию автоматической системы проверки датчиков, в которой система управления ребризером периодически впрыскивала бы газ известного состава на кислородные датчики во время погружения и использовала бы выход для определения жизнеспособности реакции датчика с большей точностью и достоверностью, чем у водолаза-человека, была начата в 2002 году и далее доработана для использования на ребризере Poseidon/Cis-Lunar MK-VI. Эта система «Активной проверки датчиков» (ASV) была усовершенствована в течение тысяч часов полевых испытаний погружений в различных условиях [63]
Система ASV стала более сложной, чем ручная реализация в Cis-Lunar MK-5P. Она включает в себя больше, чем сравнение измеренного значения PO2 от датчика с рассчитанным PO2 дилюента на текущей глубине. В реализации в ребризере Poseidon компьютер автоматически вводит либо дилюент, либо кислород непосредственно в один первичный датчик кислорода каждые пять минут во время погружения. Алгоритм учитывает текущую глубину, FO2 впрыскиваемого газа, температуру окружающей среды, продолжительность впрыскивания газа и значения калибровки для датчика для этого погружения, чтобы предсказать, как датчик должен реагировать в течение следующих нескольких секунд после каждого впрыскивания газа, и сравнивает это с измеренными результатами, чтобы выработать уровень достоверности для правильной работы датчика. [63]
Этот тип проверки датчика может идентифицировать несколько режимов отказа по тому, как измеренные значения отклоняются от ожидаемых значений при изменениях расчетного парциального давления тестового газа, и способен обнаруживать отказы из-за неправильных показаний температуры, неправильного ввода FO 2 конденсации разбавителя на датчике кислорода, неисправного датчика кислорода, отказа подачи проверочного газа и других причин, которые не были бы обнаружены логикой голосования. [63]
Датчики кислорода для большинства ребризеров калибруются на поверхности перед погружением с использованием воздуха или 100% кислорода при нормальном атмосферном давлении. Это надежные точки калибровки, но диапазон рабочих парциальных давлений может выходить за пределы этих точек калибровки, и если датчики калибруются для линейного отклика между этими условиями, а отклик экстраполируется для заданных значений выше 1 бара, что является стандартной практикой, система управления должна работать за пределами диапазона, для которого отклик, как известно, является линейным. Одним из наиболее распространенных режимов отказа является то, что ячейка становится ограниченной по току по мере ее старения. Внутреннее сопротивление изменяется, поскольку анод потребляется реакцией, которая производит выходной ток, и отклик становится нелинейным при более высоких парциальных давлениях кислорода. Сигнал может указывать на более низкое парциальное давление и не увеличивается пропорционально по мере добавления кислорода, что приводит к парциальному давлению кислорода в контуре, которое может увеличиться до опасных уровней без предупреждения. Способ проверки датчиков при высоких парциальных давлениях заключается в том, чтобы подвергнуть датчик более высокому PO2 , чем верхняя заданная точка, подвергая его воздействию чистого кислорода на глубине 6 м, для PO2 1,6 бар во время погружения или при 1,6 бар или более в калибровочном баллоне давления. Оба эти метода громоздки, а метод в воде может вызвать скачок PO2 во время спуска. Разновидность системы ASV, использующая кислород, называемая гипероксическим тестом линейности (HLT), использует кислород в качестве промывочного газа на глубине 6 м, который может проверить, что датчик линеен до 1,6 бар PO2 , и в случае неудачи заданная точка может быть автоматически снижена до линейного диапазона, установленного во время калибровки. Было показано, что один датчик с PSV и ASV более надежен, чем три датчика с обычной логикой голосования. Ожидается, что эффективность алгоритмов проверки ячеек улучшится с получением большего количества полевых данных, собранных системами управления ребризером. [63]
Гиперкапния была определена как один из наиболее распространенных факторов гибели людей при погружениях с ребризером. Это, как правило, является следствием неспособности скруббера удалять углекислый газ так же быстро, как он производится, что может быть вызвано любой из следующих причин: отработанный, влажный или недостаточно упакованный абсорбирующий материал, неправильно спроектированные или собранные баллоны, несоответствие абсорбента и конструкции баллона или абсорбент, используемый за пределами его рабочего диапазона. Более высокое парциальное давление углекислого газа в контуре приводит к более высокому уровню углекислого газа в крови и тканях, что может иметь ряд симптомов, включая респираторный дистресс, повышенную восприимчивость к кислородной интоксикации ЦНС, дезориентацию и потерю сознания. [63]
Большинство конструкций ребризеров опирались на очень консервативные временные ограничения для продолжительности абсорбции, основанные на экспериментальном тестировании, с использованием холодных условий, высоких рабочих нагрузок и высокого давления на глубине. Обычно неоправданно высокий консерватизм побуждает дайверов растягивать продолжительность абсорбции, которая работает достаточно хорошо, пока не перестает, часто без предупреждения, что может иметь серьезные последствия. Более сложный метод заключается в том, чтобы основывать пределы продолжительности абсорбции на метаболическом потреблении кислорода, как на посреднике для метаболического производства углекислого газа, который достаточно стабилен для большинства людей большую часть времени и может довольно хорошо компенсировать изменения в нагрузке и базовом метаболизме, но не компенсирует надежно влияние глубины и давления на функцию абсорбции. [63]
Более прямой и эмпирический подход заключается в использовании преимуществ производства тепла и повышения температуры активной зоны абсорбента в скруббере. Больше углекислого газа поглощается первой зоной относительно неиспользованного абсорбента, которого он достигает, когда дыхательный газ проходит через скруббер, и эта относительно активная зона продвигается через канистру, поскольку зона, первой достигнутая газом, истощается, и дальше происходит больше реакций. Этот фронт реакции имеет более высокую температуру, чем отработанный абсорбент, и абсорбент еще не подвергся воздействию высоких уровней углекислого газа, и фронт продвигается вдоль скруббера, пока часть его не достигнет конца абсорбента, и неочищенный газ прорывается на другую сторону петли, после чего происходит довольно постоянное и необратимое увеличение вдыхаемого углекислого газа. [63] Некоторые производители ребризеров разработали линейные температурные датчики, которые определяют положение реактивного фронта, позволяя пользователю оценить оставшуюся продолжительность действия канистры.
Ни один из этих методов не может обнаружить обход канистры, и они имеют мало возможностей для определения полностью израсходованного абсорбирующего материала, образования каналов, плохо упакованного или несоответствующего абсорбирующего материала, но это можно сделать путем прямого измерения парциального давления углекислого газа на вдыхаемой стороне петли. [63]
Исследования и разработки датчиков углекислого газа восходят, по крайней мере, к началу 1990-х годов, когда Teledyne Analytical Instruments и Cis-Lunar Development Laboratories работали над датчиком для ребризера Cis-Lunar MK-III, который был точен в лабораторных условиях, но в полевых условиях был подвержен высокой влажности и конденсации, что приводило к ненадежным показаниям, что было повторяющейся проблемой при измерении углекислого газа в реальном времени. Высокое давление также вызывало проблемы с компенсацией глубины. В 2009 году VR Technologies выпустила коммерческий датчик CO2, использующий гидрофобные мембраны, чтобы поддерживать датчики сухими без чрезмерного снижения потока газа к датчикам. [63]
С тех пор другие производители представили свои продукты на рынке, но они не получили широкого распространения. Они относительно дороги, дают ненадежные показания в некоторых обстоятельствах, могут только обнаружить отказ скруббера и не предсказать оставшуюся продолжительность. Сочетание измерения температуры и измерения CO 2 после скруббера может дать как прогноз, так и предупреждение о сбое, что увеличивает стоимость и сложность. [63]
Размещение датчика в контуре может повлиять на чувствительность к фактическому содержанию CO2 вдыхаемого газа. Измерение газа в мундштуке имеет проблемы из-за мертвого пространства, а монтаж в ингаляционном шланге около мундштука делает датчик чувствительным к небольшим утечкам в обратном клапане вдоха, в то же время позволяя обнаруживать высокий уровень CO2 из -за крупных утечек обратного клапана, что может привести к значительному увеличению мертвого пространства, которое не будет обнаружено, если датчик будет находиться дальше по потоку в контуре. [63]
Более того, повышенный уровень CO 2 во вдыхаемом газе является лишь одной из причин гиперкапнии. На него также влияют работа дыхания, физическая подготовка дайвера, модели респираторной вентиляции и другие поведенческие, физиологические и механические факторы. Лучшим вариантом было бы измерение как вдыхаемого, так и выдыхаемого уровня CO 2 , и для этого потребуются датчики, которые будут работать быстро и надежно во влажных условиях, а также будут достаточно недорогими [63]
После решительного одобрения Rebreather Forum 3 использования письменных контрольных списков для повышения безопасности, Cis-Lunar Development Laboratories запрограммировали электронный контрольный список перед погружением в свою операционную систему ребризера MK-5P, как способ предотвратить пренебрежение пользователем выполнением рекомендуемых проверок перед использованием. Это было признано успешным и реализовано в более поздних поколениях ребризеров Poseidon MK-VI и SE7EN, и было разработано для включения надежной внутренней диагностики основных электронных компонентов и программного обеспечения, а также автоматической калибровки ячеек кислородного датчика при нормобарическом давлении. Невыполнение полного контрольного списка приводит к ряду сигналов тревоги, если пользователь пытается нырнуть с устройством. Хотя это и не полностью надежно — кислородные ячейки не калибруются при гипербарическом рабочем давлении — ряд критических для безопасности ошибок будет обнаружен, и дайвер будет знать о них. Программное обеспечение также регистрирует шаги и данные проверки перед погружением, и это было ценно для анализа несчастных случаев. Проверки перед погружением также занимают меньше времени и не требуют никаких усилий по регистрации на бумаге или пользователя. Эта система показала снижение риска и была принята несколькими производителями. [63]
Пользовательский интерфейс системы управления ребризером — это место, где происходит обмен информацией между водолазом и электронной системой управления, и это область с несколькими возможностями для ошибок, как пользовательского ввода, так и интерпретации данных, некоторые из которых могут иметь серьезные или фатальные последствия. По сути, более высокий риск механического отказа из-за высокой сложности может быть компенсирован инженерной избыточностью, как системы управления, так и подачи аварийного газа, и соответствующим обучением. Конструкция интерфейса человек-машина (HMI) может быть улучшена для снижения риска недопонимания и ошибок, а обучение может быть сосредоточено на правильной интерпретации информации и соответствующей реакции. HMI обычно имеет два основных компонента: дисплеи и сигналы тревоги, и многие сигналы тревоги связаны с определенной визуальной информацией. [63]
Проблема разработки эффективных сигналов тревоги заключается в том, чтобы гарантировать, что дайвер не отвлекается на ненужную информацию и что они не срабатывают слишком легко, что приучает дайвера уделять меньше внимания, и, хотя это, возможно, соответствует требованиям законодательства в отношении предупреждений и сигналов тревоги, это может сделать оборудование функционально менее безопасным для использования. Одна из стратегий, позволяющих избежать этой проблемы, заключается в том, чтобы нацеливаться на различные чувства — слуховые, визуальные и тактильные — иногда на основе вибрационного выхода на загубник. [63]
Эффективный дисплей гарантирует, что пользователь получает необходимую информацию, когда она ему нужна, и желаемую информацию, когда он этого хочет, в форме, которая немедленно распознается и однозначно понимается. Когда слишком много информации представлено во время стресса, пользователь может быть сбит с толку или неспособен вовремя выделить полезную информацию, чтобы эффективно ее использовать. В других случаях более подробная информация может быть полезна или необходима для принятия правильного решения. Несколько дисплеев или несколько представлений на одном дисплее могут помочь в этом. [63]
Тенденция в дисплеях ребризеров, которая, как прогнозируется, станет более распространенной [63], заключается в использовании усовершенствованных дисплеев на лобовом стекле, которые могут предоставлять более широкий спектр информации с помощью массива цветных огней или более сложных графических или буквенно-цифровых дисплеев, которые остаются периферийно видимыми для дайвера в любое время и требуют только движения глаз, чтобы стать полностью читаемыми. [63]
Основной логистической проблемой для длительных и глубоких погружений с ребризером является объем спасательного оборудования, которое необходимо нести, чтобы обеспечить безопасное возвращение на поверхность из любой точки погружения после необратимого отказа основной системы. Вариант открытого цикла может стать чрезвычайно громоздким и неудобным в управлении, и хотя вариант с ребризером более компактен и эффективен, у него есть свой собственный набор логистических проблем. [63]
Одной из основных проблем проектирования при разработке замкнутой системы аварийного отключения для ребризеров является поддержание аварийного отключения в состоянии, готовом к использованию на всех глубинах. Это подразумевает наличие дыхательного газа для глубины, хотя и не обязательно оптимизированного, поскольку смесь может быть доведена до заданного значения довольно быстро после аварийного отключения, и объем газа, который не будет чрезмерно меняться, так что управление плавучестью не будет чрезмерно сложным. Основная часть системы должна быть управляемой, а загубник аварийного отключения должен быть легкодоступным, но надежным. Поскольку аварийные ребризеры, скорее всего, будут использоваться при погружениях с большими обязательствами по декомпрессии, переключение на аварийное отключение должно быть предусмотрено системой управления декомпрессией. Если мониторинг парциального давления кислорода в реальном времени включен в расчет декомпрессии, должна быть возможность переносить эту возможность между устройствами, не ставя под угрозу их независимость. Нагрузка на водолаза при управлении двумя контурами не должна быть чрезмерной, поскольку водолаз признан наименее надежным участником операции и может испытывать значительный стресс, когда возникает необходимость в катапультировании. [63]
Данные, зарегистрированные при погружениях с ребризером, полезны для анализа несчастных случаев, тестирования и разработки ребризеров, а также для образовательных целей для дайверов. Регистрация профиля погружения с помощью интегрированных декомпрессионных компьютеров также имеет ценность для исследования эффективности графиков декомпрессии. Агрегация таких данных может дать представление о моделях погружения среди популяции пользователей и помочь в анализе риска. [63]
Системы управления электронными ребризерами продолжали увеличивать производительность обработки и хранения, и параллельно увеличивалась их способность собирать данные с большей детализацией и точностью. В 1994 году система регистрации данных Cis-Lunar Mk-IV регистрировала данные в нескольких сотнях точек в час времени погружения, а к 1997 году Cis-Lunar Mk-5P регистрировала более тысячи точек в час. К 2007 году Poseidon MK-VI Discovery регистрировал от 15 000 до 25 000 точек в час, а в 2016 году Poseidon SE7EN записал более чем вдвое большее количество, в соответствии с рекомендациями Rebreather Forum 3, в которых говорится: [63]
Форум рекомендует, чтобы все ребризеры включали системы регистрации данных, которые регистрируют функциональные параметры, относящиеся к конкретному устройству и данным погружения, и которые позволяют загружать эти данные. Диагностическая реконструкция погружений с максимально возможным количеством соответствующих параметров является целью этой инициативы. Идеальной целью было бы включение избыточности в системы регистрации данных и, насколько это практично, стандартизация собираемых данных [63]
Некоторые из зарегистрированных данных относятся только к модели ребризера и не подходят для общего анализа, но некоторые данные полезны для внешнего анализа популяции пользователей и практики дайвинга, что может улучшить понимание поведения и анализ безопасности. [63]
Кислородные ребризеры
Ребризеры со смешанным газом
Медиа, связанные с ребризеры для дайвинга на Wikimedia Commons