0 引　言

载人潜水器是运载科学家、工程技术人员以及各种电子装置、特种设备快速精确地到达各种深海复杂环境，进行高效勘探、科学考察和海底作业的装备^[1]。“奋斗者”号作为我国最新研制的下潜深度能够覆盖100%海洋面积的科考作业型载人潜水器，集中体现了我国近30年来深海装备发展所取得的许多新技术、新应用。在这些新技术、新应用在正式应用于“奋斗者”号之前，对涉及到乘员生存安全保障的技术投入了极大关注。氧烛就是一个较为典型的新应用，它作为一种化学供氧手段，在反应过程中，有可能会产生微量的一氧化碳^[2]，而根据资料显示，人体在密闭环境中，会有少量的一氧化碳伴随新陈代谢排出^[3]。受能源以及空间的限制^[4]，“奋斗者”号无法像潜艇、空间站等大型装备一样设置一氧化碳清除设备。因此，“奋斗者”号对氧烛长时间供氧后载人舱室内的一氧化碳浓度进行了试验评估以确认安全性。

1 各类标准对一氧化碳浓度要求

一氧化碳是一种毒性较强的有毒有害气体，人体长时间接触一定浓度的一氧化碳后存在死亡的风险。因此，各类标准对环境中的一氧化碳气体有着明确的浓度要求，详见表1。

根据对应标准释义，表1中PC-TWA指时间加权平均容许浓度，具体为8小时每工作日、40小时每工作周的时间内一氧化碳平均容许接触浓度。PC-STEL指遵守PC-TWA条件下，容许短时间（最大15 min）内一氧化碳的接触浓度。

上面4项标准从具体数值来看，GB3095的浓度限值最小，要求最高，GBZ230的PC-STEL浓度限值最大，要求最低，2种潜艇的浓度限值居中。需要指出的是，4种标准针对的场所以及对应的人体暴露时间不同：GBZ230针对室内工作场所，而且限定了人员和一氧化碳气体的最大接触时间，因此其浓度限值较高；GB3095针对的是室外环境，属于空气质量范畴，因此其浓度限值最低非常易于理解；而国军标的2项标准均为封闭空间中长时间内的平均浓度，该时间内载具内人员将一直暴露在环境中，不存在暴露间隔时间的情况。

2 “奋斗者”号一氧化碳浓度限值的确定

“奋斗者”号载人舱内一氧化碳浓度限值的确定需在国家级标准的基础上，根据自身的特点进行明确：

1） 潜水器的空间和能源限值较大，因此，国内外目前常用的深冷、CoSorb 和PSA ( 变压吸附法)^[9-10]等一些体积和能耗较大的一氧化碳清除技术的使用受到限制，仅可以考虑高性能吸附剂吸附和常温催化净化^[11]等体积耗能均较小的方法。

2） 潜水器的载人舱为封闭空间，且下潜时长一般超过12 h^[12]，整个下潜过程中乘员均处于载人舱的大气环境内，无法实现间断性暴露。

3） 潜水器执行的是科考任务，而非军事任务，其搭载的乘员一般为科学家、工程技术人员等，其人员自身抵抗有毒有害物质的能力一般低于军事人员。

根据上述分析，GBZ 230-2010这一规定了间断性接触一氧化碳的标准无法适用于“奋斗者”号，GB3095-2012这一用于表征室外大气环境质量的标准更无法应用于“奋斗者”号。两项国军标中，GJB11.3-91的浓度限值明显大于GJB 11B-2012，因此，从安全性的角度出发，“奋斗者”号考虑按照GJB 11B-2012的要求设定载人舱内一氧化碳的浓度限值，即载人舱内一氧化碳浓度不得超过10 ppm。

但是，需要指出的是，即使“奋斗者”号选择GJB 11B-2012中的一氧化碳浓度限值作为载人舱内一氧化碳的浓度限值，其安全性要求也是高于该国军标的要求。理由如下：

1） 核潜艇中一般会设置空气净化装置，该装置能够有效清除各类有毒有害气体，其存在将大大降低环境中一氧化碳的含量，确保其浓度不会超过限制。但“奋斗者”号在设计时并未考虑一氧化碳的清除功能，载人舱内的一氧化碳气体将持续累积。

2） GJB 11B-2012中一氧化碳浓度限值为90 d内的平均值，而时间线的拉长，有利于降低有毒有害气体浓度的平均值。但“奋斗者”号的整个生存周期远远小于该天数^[13-15]，在浓度限值不变的前提下，取样周期缩短将进一步限值浓度突变的情况，提高了潜水器对一氧化碳浓度平稳性的要求。

“奋斗者”号全海深载人潜水器使用氧烛作为应急情况下的供氧手段，期间3名乘员在载人舱内生存。因此，需要对氧烛反应时一氧化碳的释放量以及人体的一氧化碳排放量进行探讨。

3 氧烛的一氧化碳释放量及人体的一氧化碳排放量 3.1 氧烛的一氧化碳释放量

氧烛是一种化学产氧装置，经击发启动或电启动后，利用富含氧的氯酸盐固体化学物质进行化学反应可以释放氧气，其反应过程如下：

$\rm NaCl{O}_{3}{\to }^{}NaCl+3/2{O}_{2}+热量 ^{[16]} ，$

(1)

$ xM+y/2{\rm O}_{2}\to {M}_{x}{O}_{y}+热量 ^{[16]}，$

(2)

$ \rm 2C+{O}_{2}\to 2CO，$

(3)

$\rm 2CO+{O}_{2}\stackrel{\text{cat}.}{\to }2C{O}_{2} 。$

(4)

上述公式大致反映了一氧化碳的产生过程：氧烛中的氯酸盐分解（见式（1））以及热量发生剂（见式（2））的燃烧产生大量热量，而氧烛在生产制造的过程中，其组成元器件不可避免地接触到环境中的碳基物质如人体的油脂、机器中的润滑剂等等，碳基物质在高温情况下与氧气不完全反应时将生成一氧化碳（见式（3）），虽然氧烛内部添加了催化剂等物质进行一氧化碳的催化吸收（见式（4）），但仍会有部分一氧化碳未来得及处理并从氧烛中释放。

“奋斗者”号对所使用氧烛的反应产物进行检测。试验中，启动了一根氧烛，使用采样装置对其反应生成物进行采样，共采集到5份样品。之后使用非分散式红外气体分析仪^[17]对样品中的一氧化碳浓度进行测量。5份样品中，3份样品未检出一氧化碳，2份样品检出一氧化碳浓度分别为1.8 ppm和0.6 ppm。5份样品一氧化碳浓度平均值为0.48 ppm。从数值来看，该数值远小于“奋斗者”号设定的一氧化碳浓度限值，且反应产生的一氧化碳在载人舱内扩散后浓度将进一步降低。但考虑到潜水器将使用多根氧烛作为应急保障，因此需要考虑多根氧烛反应后一氧化碳气体的累计问题。此外，人体在密闭环境中自身的一氧化碳排放情况也需进行明确，因此，需进一步开展长时间的载人密闭试验以确认长时间使用氧烛供氧时载人舱内一氧化碳的浓度情况。

3.2 人体的一氧化碳排放量

考虑到载人密闭试验的安全性以及一氧化碳的毒性，目前关于密闭空间内人体一氧化碳排放量的研究不多。姜磊等^[18]曾在“蛟龙”号载人潜水器的载人舱中进行了有毒有害气体的检测，详见表2。

从表2可以看出，“蛟龙”号载人潜水器在关舱6 h后，一氧化碳浓度达到3 ppm，考虑到“蛟龙”号载人潜水器载人舱内不存在产生一氧化碳的设备，因此，可以近似认为该数值为人体自身代谢释放的一氧化碳气体扩散至载人舱后的浓度。

栗婧^[19]、何正杰^[20]等分别开展了矿用救生舱和载人航天模拟试验舱等密闭舱室内人体自身代谢一氧化碳的分析与研究，并分别给出了具体的数值，其研究表明：

1）矿用救生舱内每人一昼夜产生一氧化碳15 mg左右^[19]；

2）密闭空间内人体呼出气体中一氧化碳浓度为3.66±1.54 mg/m³，皮肤中挥发性成分中一氧化碳排出率为18.752±9.008 mg/man/d^[20]。

上述两项试验明确给出了人体在密闭空间时一氧化碳的排放数据。同时，根据其试验具体内容的描述，这两项试验中人员的活动量模拟了矿用救生舱和载人航天舱室内人员的活动量，该活动量远远大于载人潜水器中乘员的活动量^[19-21]，而人员一氧化碳排放量的多寡，与人员活动量的大小是直接相关的。因此，可以认为载人潜水器中人体的一氧化碳排放量将小于上述2个数值。

单根氧烛反应产物中一氧化碳含量以及人体的一氧化碳排放量的明确，分别从2个方面明确了氧烛长时间供氧时影响密闭舱室内一氧化碳浓度的因素，这为设计氧烛长时间供氧时密闭载人舱内一氧化碳浓度测量试验的试验方案提供了数据支持，也为安全开展该试验提供了理论依据。

4 氧烛长时间供氧密闭载人舱内一氧化碳浓度测量试验

设置一个可实现完全密封的试验舱，其内部空间大小与“奋斗者”号载人舱内部体积大小相同。试验期间，3名试验员进入试验舱，按照氧烛的使用规定启动氧烛进行供氧并开启二氧化碳吸收装置以保证人员生存，使用非扩散式红外气体分析仪每隔一段时间记录一次载人舱内的一氧化碳浓度。

出于安全因素考虑，试验设置了2种形式：单根氧烛载人密闭试验和多根氧烛长时间载人密闭试验。

4.1 单根氧烛供氧载人密闭试验

设置单根氧烛载人密闭试验主要是从安全性的角度考虑。由于单根氧烛的供氧时间有限，试验周期不长，因此即使试验过程中一氧化碳浓度异常升高，也不会对人体产生过大的危害。通过该试验可以确认单根氧烛供氧时间内载人舱内的一氧化碳浓度并判断其后续变化趋势，从而为评估多根氧烛长时间载人密闭试验的安全性打下基础。

本次试验中，3名试验员进入试验舱并关闭舱门视为试验开始，之后每2 mm记录一次一氧化碳浓度。当舱室内氧气浓度降至规定的氧烛启动浓度后启动氧烛，之后氧浓度开始上升，待氧气浓度再次下降至规定浓度时试验结束。

该试验共持续了4 h 42 min，在第96 min时启动氧烛。图1为试验期间载人舱内一氧化碳浓度曲线。

可以看出，整个试验期间试验舱内的一氧化碳浓度整体呈上升趋势，峰值约2.8ppm，小于“奋斗者”号规定的10ppm的浓度限值，满足安全性要求。

通过对比前文“蛟龙”号的试验数据，本试验中试验舱内的一氧化碳浓度与 “蛟龙”号载人舱内3ppm的一氧化碳浓度相差无几。考虑到“蛟龙”号6 h的试验时长大于本试验时长以及本试验的试验舱体积小于“蛟龙”号载人舱的体积，应该说2次试验的数据吻合度较高，即试验的重复性较好。

进一步分析浓度曲线可以看出，第96 min氧烛启动前，试验舱内一氧化碳浓度的快速上升，可以明确为人体排放所致。而氧烛启动后，试验舱内的一氧化碳浓度上升速度并未产生明显的变化，其原因在于氧烛反应产物中虽然可能存在一定的一氧化碳，但由于其产量非常少，再加上气体在舱室的扩散，从而使得其浓度并未产生明显的变化。

进一步分析浓度曲线可以看出，以一氧化碳浓度的上升速度为参考值，整个试验可近似以第165 min为节点划分为2个阶段：前165 min一氧化碳浓度上升速度较快，165 min后，浓度增速放缓并在试验最终阶段达到了浓度峰值。该现象产生的原因与试验人员在舱内的活动量有关，试验开始后，试验人员生理上处于一个较为兴奋的状态，再加上需要操作一系列设备，从而导致其活动量较大^[21]，进而使得人体一氧化碳排放量较大。但随着试验的开展，试验人员逐渐渡过了刚刚开始的兴奋期，活动量减小，一氧化碳排放速度开始放缓，反映在浓度曲线上则是在第165 min浓度曲线开始趋于平缓。

最后，结合前文中人体15 mg的一氧化碳排放量数据，可以认为本次试验中，试验舱内一氧化碳绝大部分是由人体排放所致。

单根氧烛供氧载人密闭试验的试验数据证实了试验舱内一氧化碳气体大部分来源于人体代谢，证明了试验方案的安全性。但由于试验持续时间较短，一氧化碳浓度的峰值出现在试验末期，因此虽然试验后期一氧化碳浓度增长放缓，但无法证明长时间试验后试验舱内一氧化碳浓度的变化趋势。因此，“奋斗者”号继续开展了多根氧烛供氧长时间载人密闭试验。

4.2 多根氧烛供氧长时间载人密闭试验

设置多根氧烛供氧长时间载人密闭试验可以尽可能地模拟“奋斗者”号的实际工作情况。

潜水器的实际工况中，存在水下应急生存72 h的可能，在此期间潜水器将使用多根氧烛进行供氧。本试验希望通过长时间的载人密闭试验，获取载人舱内一氧化碳的浓度数据，并利用所获得的数据，对更长时间下载人舱内一氧化碳浓度进行预估，从而对载人潜水器一氧化碳浓度限值的合理性做出判断。

本次试验同样以3名试验员进入试验舱并关闭舱门视为试验开始，试验中每5 min记录一次一氧化碳浓度，当舱室内氧气浓度降至规定的氧烛启动浓度后启动氧烛，待氧气浓度再次下降至规定浓度时启动下一根氧烛。

试验共持续了13 h 55 min（835 min），分别在第115，280，400，545，715 min启动1根氧烛。图2为舱内一氧化碳浓度随时间变化的曲线。

从图2可以看出，试验期间试验舱内的一氧化碳浓度峰值为5 ppm，小于“奋斗者”号规定的10 ppm的浓度限值，满足安全性要求。

进一步分析浓度曲线可以看出，本次试验与单根氧烛供氧载人密闭试验存在类似之处：本次试验虽然启动了5根氧烛，但氧烛的反应产物并未对试验舱内的一氧化碳浓度产生明显的影响，即5根氧烛启动后生成的一氧化碳并未使试验舱内一氧化碳浓度曲线产生明显的波动。

进一步分析浓度曲线可以看出，图2表现出了与单根氧烛供氧载人密闭试验一氧化碳浓度曲线不同的特征：试验前期，试验舱内一氧化碳浓度上升较快，但到达一定程度后，浓度值保持在一定数值范围内波动，趋于稳定。具体来说，从试验开始至第430 min，试验舱内一氧化碳浓度一直呈上升趋势，峰值为4.8 ppm，而第430 min之后，一氧化碳浓度基本保持在4.7±0.3 ppm之间，直至试验结束。

进一步分析浓度曲线可以看出，本次试验中，试验前半段一氧化碳浓度的迅速上升的现象与前文栗婧、何正杰等的研究结果吻合，但试验后期一氧化碳浓度的趋于稳定则与其研究结果有所不同。其根本原因还是在于试验人员本身活动量的不同以及试验场所空间大小的不同。与单根氧烛供氧载人密闭试验类似，试验前期人员的兴奋度较高，人体代谢速度较快，使得一氧化碳出现较大的释放，浓度曲线表现出了较快的上升趋势。但随着试验的进行，试验员兴奋度下降，活动量减少，人体一氧化碳排放量趋于平缓，而试验舱体积的狭小使得空间内的一氧化碳与人体一氧化碳的交换趋于平衡，从一氧化碳浓度曲线表现出来就是浓度曲线趋于平缓，不再有较大的变化。

多根氧烛供氧长时间载人密闭试验的试验数据，对评估“奋斗者”号更长时间的作业安全性提供了有力依据。但是需要指出的是，本试验的时长毕竟只有约14 h，与矿用救生舱和载人航天的5昼夜试验时长相比有较大差距。因此，从安全性的角度考虑，如潜水器需更长的水下作业时间，在载人舱内设置一氧化碳吸附装置，如贵金属催化剂等以提高安全性是有必要的。

5 结　语

氧烛是一种化学供氧手段，受其固有反应原理所限，其反应产物中可能存在一定量的一氧化碳。本文通过试验和数据分析，对载人潜水器使用氧烛供氧时影响载人舱内一氧化碳浓度的因素进行分析研究，得到以下结论：

1）“奋斗者”号使用氧烛供氧时舱室内一氧化碳浓度限值设为10 ppm是安全的；

2）现有的技术手段能够满足“奋斗者”号舱内一氧化碳浓度不超过10 ppm的要求；

3）“奋斗者”号使用的氧烛产生的一氧化碳不会使载人舱内一氧化碳浓度有明显升高，舱室内一氧化碳主要来源于人体的自身代谢；

4）不使用一氧化碳吸附装置的前提下，4.7 h内“奋斗者”号载人舱中一氧化碳浓度未超过2.8 ppm，14 h之内未超过5 ppm，据此可以预估19 h甚至更长的24 h内，一氧化碳浓度不会超过浓度限值。但当时间更长时，出于安全的角度考虑，可以在舱内设置一氧化碳吸附装置以处理人体代谢的一氧化碳气体，从而确保其浓度不超过限值。