水面供气式空气潜水

潜水起源紧密根植于人类进行的海上贸易、救助和军事行动，以及对海洋奥秘渴求了解而引起对海洋的探索、研究活动。

职业潜水可追溯于大约5000年前。早期潜水者潜水深度不超过30 m，主要从事打捞与获取食物、海绵、珊瑚和珍珠。据希腊历史学家希罗多德记载，公元前五世纪，曾有一个叫西里尔斯的潜水员，受雇于波斯国王薛西斯，专门给国王寻找沉船贵重物品。

在历史上，潜水员一出现，就开始在军事行动中使用。早期军事潜水员的使命包括切断敌船锚链，船底凿洞，建造本国港口防御工事，破坏敌方港口防御工事。公元前332年，亚历山大大帝领军围攻提尔（古腓尼基著名港口，现属黎巴嫩）时，曾派潜水员去排除该市港口的障碍。

以东地中海主要海港为中心的早期潜水作业相对比较发达，并已形成了打捞产业。公元前1世纪，一些地区的打捞作业者逐渐形成组织，而且出现潜水支付标准的相关立法，法律认可随着潜水深度增加其风险与付出的努力也相应增加。潜水深度24 ft，潜水员可分享收获的二分之一；深度12 ft分享三分之一，水下3 ft分享十分之一。

 

【呼吸管】

提高潜水员潜水能力最有效、最关键的措施是水面供应呼吸气，以延长水下停留时间。通过伸到水面的中空芦苇杆或管子使潜水员在水下呼吸空气，能使人在水下停留时间延长，但对完成复杂作业意义不大。军事行动中，使用呼吸管潜水提供了一种接近敌方要塞而不易被察觉的方法。

 

似乎只要延长呼吸管就可增加潜水深度和扩大活动范围。一些早期的潜水器材常由皮革头罩和一个柔韧长管组成，柔韧长管借助漂浮物浮在水面。然而，没有发现任何关于这些装置制造检测方面的真实记录。实际上如果真有人使用这样的装置潜水，可能会被淹溺。水下3 ft静水压相当于200磅重力压于潜水员胸部，靠人体自身呼吸能力几乎不可能通过呼吸管呼吸空气，随潜水深度增加静水压继续增大，通过呼吸管呼吸更加不可能。成功实施潜水必须克服或消除静水压作用。历史上，人们设计了许多富有想象力的设备来解决这个问题。最初，因为不理解水下压力的问题，所以设计都是不切实际的。

 

【呼吸袋】

基于潜水员携带呼吸袋潜水的基础出现了一系列设计。公元前九世纪亚述人的壁雕显示潜水员用充气动物皮囊作为空气储存袋进行潜水。然而，壁雕上的这些人可能仅是用动物皮囊作为漂浮工具的游泳者。因为携带这样的附属品潜入水下是不可能的。

 

中世纪后期，出现了一种可行的潜水工具。1240年，罗吉尔培根提及这种工具可协助人在海底或河床行走而不伤害使用者。

 

【潜水钟】

潜水钟是钟状大型潜水设备，底部开口于海底。潜水钟是在1500到1800年间发展起来的，它能使潜水员在水底维持几小时。

历史上第一个潜水钟是个大浴缸，它以垂直位置沉入海底，储存足够的空气，一名潜水员水下呼吸几小时。后来，出现用水面绳索悬吊的潜水钟，潜水钟本身没有动力，只能在水面支持船协助下移动。当潜水钟位于水下工作地点正上方，潜水员只需留在钟内作业，如果位于工作地点附近，需要潜水员短期屏气出钟作业。

据文献记载，潜水钟的实际应用最早见于1531年。此后数百年过程中，人类开始逐步有规律地使用潜水钟。1680年，美国马萨诸塞洲冒险家菲普斯（William Phipps）将潜水钟技术进行改进，在进行一次打捞价值约20万美元的水下珠宝时，他用一系列重的倒置的桶给潜水员提供空气，取得成功。

1690年，英国著名天文学家哈雷（Edmund Halley）将潜水钟进一步发展，钟内空气被水面吊下的重空气桶连续不断补充（图3）。在这个系统的早期实验阶段，他曾经和四名伙伴在泰晤士河60 ft水下停留了约1.5 h。26年后，哈雷使用进一步改进的潜水钟在水下66 ft持续停留了4 h。

 

【潜水装具】

18世纪初，随着英国海岸军民失事船只数量的增多，对提高救捞效率提出了更高要求，对潜水装具的需要大大提高，有力地推动了潜水装具快速发展。

【莱斯布里奇潜水服】

1715年，英国人莱斯布里奇（John Lethbridge）发明了单人全封闭潜水服（图4）。莱斯布里奇潜水服是一个用毛皮覆盖加固的空气桶，装备一个能观察周围环境玻璃窗，两个可伸出手臂的洞，并配有水密袖套。穿上这套衣服，潜水员可有效完成一些作业任务。这套装具由水面船只放入水中，可以象潜水钟一样移动。

 

莱斯布里奇的发明非常成功，他的设备参加了多次欧洲海难的潜水打捞作业。在给一封写给一个时尚杂志主编的信中，莱斯布里奇谈到该装置的正常操作深度是60 ft，最深可达到72 ft，水下停留时间可达34 min。

随后，出现了几个与莱斯布里奇潜水服相似的设计。因为无法解决持续供应空气的技术难关，所有这些潜水服和当时潜水钟一样，存在潜水员无法持续作业的限制。直到19世纪初，人工操作空气泵的出现才终于实现了持续供应空气的真正技术突破。

 

【迪恩潜水装具】

潜水装具是由多人同一时期共同发明的潜水器材。1823年，两个打捞员，约翰和查尔斯迪恩兄弟共同设计了一种消防头盔，使用这种装具，消防员能在燃烧的房内走动。1828年，他们把此装具改装成潜水装具，并申请了专利，该潜水装具包括重的防寒服，有视窗的头盔和连接头盔的水面供气软管。头盔靠其自身重量放置在潜水员肩部并通过腰带捆绑在潜水员身体上。耗竭或剩余的空气从头盔下缘排出，它要求潜水员必须保持直立体位才不会出问题。如果潜水员跌到，头盔内会很快进水。1836年，迪恩还发行了潜水员手册，这可能是第一本潜水方面的出版物。

 

【希比潜水装具】

第一个实用性潜水装具的发明人应该是德国铜匠希比（Augustus Siebe）。希比对潜水装具的最主要贡献是对迪恩潜水装具进行改进。希比将头盔与防水服在衣领处密封连接起来，并安装了一个排气阀（图5）。希比潜水装具是美国马克V标准深海潜水装具的直接鼻祖。

 

【英国海军皇家乔治号战列舰的打捞】

1840年，在英国朴次茅斯港外一个重要军用锚地，一只英国皇家工程部队负责打捞英国海军战列舰皇家乔治号的残骸。当时，已经有数种潜水装具可供潜水作业选用。工程指挥官是帕斯里（William Pasley）上校，帕斯里决定利用这次绝好机会正式检验评估各型潜水装具。考虑到迪恩潜水装具头盔有溢流问题，他建议采用希比潜水装具。

当帕斯里上校的打捞工程结束后，一官方历史学家曾记录有这样的内容：“所有经验丰富的潜水员总受到风湿病与感冒一次又一次的侵袭。”这些潜水员一天工作6到7 h，大多数作业深度是60到70 ft。帕斯里与其他人都没有认识到这些症状的真正意义。这些所谓的风湿病症状实际上代表一系列严重生理学问题。

 

【沉箱】

在发明潜水装具的同一历史时期，一些法国发明家对潜水钟进行了改进。增加了潜水钟体积，并使用大容量空气泵，使之能够有足够压力将水完全排出钟外。此后随着空气泵性能的提高，可以保障数人同时在钟内作业。这些特点使之可满足桥基挖掘或隧道断面建造等长期高压工作的需要。这些干舱被称为沉箱，法语意思为大箱子。

 

沉箱传递舱的发明，使人员更易于从水面进出沉箱。通过传递舱，在保持箱内压力的条件下，人和物体自由进出。沉箱的发明是工程技术领域的一大进步，很快得到推广。

 

【生理学问题】

【沉箱病】（减压病）

随着沉箱使用的增多，一种新的无法解释的疾病开始影响沉箱作业人员。沉箱作业者返回水面后，经常感到头晕、呼吸困难、关节或腹部剧痛。这些症状大部分可完全消失，有些不能完全消失。沉箱作业者经常注意到，这些患者在工作过程中却比较正常，但他们常错误地将这些表现归因于换班过程休息过多。

随着沉箱工作向更多工程的延伸，深度（压力）越来越大，作业者遇到生理问题的数量和严重程度都迅速增加，死亡个例也频繁出现。从逻辑上，这种病可称为沉箱病。然而，参加纽约布鲁克林大桥工程的工人给该病起了个更形象逼真的名字叫“屈肢症”。

今天已众所周知，减压病是潜水活动最主要的危险因素。尽管人类从事潜水活动已有数千年历史，但沉箱发明前，很少有人在水下较大气压下长时间工作。帕斯里等虽然发现有人得了这些疾病，但没有考虑潜水本身的原因，而是考虑消化不良、风湿或关节炎等其他原因。

 

【减压病的原因】

减压病的病因最早由法国生理学家Paul Bert在1878年首次描述的。在探讨压力对人体生理作用时，Bert认为，呼吸高压空气促使氮气进入人体血液和组织内。只要外界压力存在，气体就持续溶于溶液中。当外界压力快速下降时，就像工人离开沉箱时一样，氮立刻恢复气态以至于不能以正常的方式离开人体。在人体全身形成气泡，引起与气泡相关的全身症状。如果气泡阻断了重要器官的血流，就可能发生瘫痪甚至死亡。

 

【减压病的防治】

按照Paul Bert的建议，为预防减压病，沉箱工人应缓慢减压回到水面。他的建议使沉箱工人患病情况立即得到改善，他还发现，当症状一出现就恢复沉箱压力，患者的症状就会减轻。

后来，逐渐有人专门设计了加压舱放在沉箱作业地点，为减压病的处理提供了更方便的处理工具。加压舱的压力根据个人需要升高或降低。1879年，在赫德森河下修建纽约和新泽西间地铁隧道的工地上，使用加压舱大大减少了减压病的发病率和死亡率，这是第一个成功应用加压舱预防减压病的例子。

然而，Bert推荐沉箱工人逐渐减压并缓慢回到水面的建议并不是非常成功，仍有少数沉箱工人无法避免减压病，有时，超过120 ft潜水作业的潜水员甚至会失去知觉。当时的流行看法是，120 ft是人类潜水的深度极限，只要超过这个深度，减压病就会反复出现，潜水员就不能有效工作。

 

【通风不足】

在1905到1907年间，英国生理学家Haldane对皇家海军潜水员进行了系列实验。他发现，出现上述问题的部分原因是潜水员没有给头盔适当通风，引起头盔内CO2高度积聚。为解决这个问题，他提出标准流动供给率的概念（每分钟1.5立方 ft空气，潜水压力下）。他推荐使用一种能维持一定流量给头盔通风的气泵。

Haldane还制定了一套潜水减压表，建立了阶段减压法。尽管仍有后人不断进行这方面的研究和改进，Haldane的减压理论仍是指导潜水员减压出水方法的理论基础。

由于Haldane的贡献，空气潜水的实际作业深度已达200 ft以深。而且此限制并不是来自生理因素，而是来自人工泵的空气供应能力。

 

【氮麻醉】

当潜水员开始进行更大深度的潜水作业时，另一种不明原因的疾病开始出现。潜水员会有喝醉酒样的感觉，有时感到欣快，经常忘记潜水作业的目的。20世纪30年代，发现这种“深水欣快”是由高压下呼吸气中的氮分压引起，所以叫氮麻醉。因为氮具有麻醉作用，并随压力的增加而越来越强烈，为了避免氮麻醉，一些特殊的呼吸混合气，如氦氧混合气逐渐发展起来用于大深度潜水。

 

【盔甲潜水服】

盔甲潜水服是由一些几乎无任何潜水经验的人发明的，它可使潜水员免受压力影响（图7）。在这种潜水服中，潜水员能呼吸常压空气，下潜很深也没有任何不良影响。前面提到的莱斯布里奇1715年设计的桶状潜水服，本质上就属于盔甲潜水服，只是潜水深度较小。

 

大多数盔甲潜水服都存在实际操作上的问题。如太笨重、操作太复杂、不能应对额外压力等，所以潜水员不容易完成太多的工作量。在20世纪30年代，这些潜水服设计最大潜水深度是700 ft，但实际使用中从未实现过。最近在盔甲潜水服领域的进展比较迅速，现在一般被称为常压潜水服，已证实能够完成水下2000 ft的潜水任务。

 

【马克-5潜水装具】

1905年，美国海军装备建设维修局设计制造了马克-5潜水头盔，它解决了潜水中遇到的多种问题。这套潜水装具的设计适用于进行广泛的，恶劣环境的潜水作业，并尽最大可能给潜水员提供身体的防护和灵活性。

当时（1905年）的马克-5潜水服在肘部安装一个单向阀的进口，它允许空气进入头盔中，并能避免因空气供应中断空气返回供气软管。在头盔右部，观察窗口下有一个排气阀，它可排除头盔中的空气。排气阀开口位于头盔后部，所以，排出气泡不会干扰潜水员视野。

1916年，又对马克-5潜水头盔进行了一些改进，增加了一个通过电话线进行的电话通讯系统和一个控制阀，控制阀使潜水员能根据需要调节供气压力。头盔左边增加了一个辅助减压阀，叫做spitcock，增加一个定位销使头盔与胸盘固定相连。1927年，排气阀与通讯系统进一步改进，并减轻了头盔重量，使潜水员舒适度进一步得到提高。

1927年后，马克-5潜水装具没再有更大改进。现在它基本保持了20世纪20年代中期S-51和S-4潜艇打捞工程中使用的头盔式样。加上深海衣与脐带，马克-5潜水装具用于和平时期失事潜艇的救助打捞作业，二战时期几乎所有打捞作业都要使用它。马克-5潜水头盔曾是美国海军的标准潜水装具，直到1980年2月马克-12水面供气式潜水系统（SSDS）出现后，才停止使用。1993年12月马克-12又被马克-21取代。