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摘 要：随着水上救援需求的不断增加，现有救援设备在投放距离、精准度和操作便捷性等方面仍然存在诸多限制。本文设计了一种基于气动发射装置的远距离抛投救生圈，旨在提高救援效率和适用性。研究内容包括气动装置的工作原理、救生圈的自动充气机制、整体结构设计与工作原理以及实验测试等。实验结果表明，该装置在投放距离、精准度、安全性和操作便捷性方面具有显著优势，为水上救援设备的改进提供了新的思路。

关键字：气动发射 自动充气 操作便捷

0 引言

水上救援是全球范围内的重要公共安全议题，传统救援方式由于受限于环境条件、人员能力以及设备局限性，常常导致救援效率低下。现有救生圈、海上抛绳筒和遥控救援设备在投放距离、精准性和操作复杂性方面存在明显不足。针对这一现状，本研究提出了一种基于气动发射与自动充气技术的远距离抛投救生圈设计方案，旨在通过优化气动发射原理和自动充气机制，提高救援设备的整体性能，并在复杂环境下实现高精度投放。

1 研究思路

2. 理论基础与研究现状

2.1 国内外研究现状

目前，国内外对水上救援设备的研究主要集中于遥控救援设备和高压气体投射救生圈两大方向。葡萄牙的Noras公司开发了一种具备自主航行能力的救生圈装置，尽管性能优异，但其成本和环境适应性较低；美国的一些研究机构则探索利用高压二氧化碳等气体进行投射，以提高射程和稳定性。此外，麻省理工学院团队利用CFD技术和智能控制方法优化了高压气体推进系统，为本设计提供了理论依据。

近年来，人工智能与物联网技术逐步引入水上救援设备中，通过实时数据采集与远程监控，使设备在复杂环境下具备自动调整参数的能力，显著提高了救援效率。

3. 气动发射原理的详细解析

气动发射原理是实现救生圈高速、远距离投放的核心技术，其基本过程主要分为四个阶段：

3.1 气体压缩与储存

本系统采用高压气瓶储存压缩空气，气瓶内部采用优质铝合金或碳纤维复合材料制造，可承受8至12MPa的高压。空气在储存过程中，其内能和压力均大幅提升，为后续释放提供充足能量。设计中通过严格计算气瓶容积与压力，确保在发射过程中不会因压力波动影响稳定性。

3.2 瞬间释放与喷射

当操作人员触发发射指令时，气阀瞬间开启，储存在气瓶中的高压空气迅速通过导向管道喷出。此过程利用伯努利定理——气体从高压区域流向低压区域时，流速迅速增加，同时局部压力降低。多级压力调节技术被引入，通过调节每一级气阀的开闭时间，精确控制气流速度，保证救生圈在加速过程中的稳定性。计算流体动力学（CFD）模拟表明，采用喇叭形喷嘴设计能显著降低湍流损失，提高气流连续性和动能转换效率。

3.3 动量转换与加速

在喷射过程中，高速气流与救生圈表面接触，依靠动量守恒定律，将气体的动能传递给救生圈，使其获得初始速度。为确保发射时的稳定性，设计中在救生圈内嵌入了平衡结构，同时设置防旋转装置，防止救生圈在飞行过程中发生偏转。试验数据显示，发射角度设定在30°至45°之间时，系统可达到最佳射程与精度。

3.4 系统反馈与自适应调控

为应对复杂多变的水上环境，本设计集成了实时数据采集模块。压力传感器和温度传感器能够实时监控气体状态，反馈至智能控制系统，自动调节发射参数。此项技术使得在不同温度、湿度及风速条件下，系统均能稳定工作，达到理想的发射效果。

4. 自动充气机制的详细研究

自动充气机制确保救生圈在落水后能迅速膨胀，从而提供足够浮力支持救生者，其主要包括以下关键部分：

4.1 化学触发技术

救生圈内部设计了化学触发模块。该模块由微型触媒和缓释剂构成，平时密封存储于救生圈内。当救生圈落入水中时，水分迅速渗透至触发区域，引发预设化学反应。反应产生的气体压力迅速提升，驱动内置的小型二氧化碳气瓶破裂，释放出大量气体，使救生圈在4至5秒内充气完毕。通过优化化学配比和触发剂浓度，确保在低温和高温环境下反应速度均能保持稳定。

4.2 机械触发与冗余设计

为避免单一化学触发系统因环境因素失效，设计中增加了机械触发装置。当水压达到一定阈值时，机械装置会自动触发备用充气通道，利用内置弹簧机构刺破气瓶安全膜，从而启动充气过程。该冗余设计大幅提高了系统的可靠性，确保在各种极端条件下均可完成充气任务。

4.3 智能监测与自调控

最新设计中采用了微型气压和温度传感器，实时监控充气过程中的状态变化。传感器数据通过无线模块传送至中央控制单元，若检测到充气速度低于预期，系统将自动启动备用充气装置。此机制确保充气速度不受外部环境变化影响，从而为救援提供充足、及时的浮力支持。

4.4 材料与结构优化

自动充气系统所使用的材料经过有限元分析（FEA）验证，确保在快速充气过程中各组件能承受瞬时压力波动。采用形状记忆合金和高弹性橡胶，不仅能提高充气速度，还能增强整体耐用性，延长系统使用寿命。同时，内置防爆结构设计确保在充气过程出现异常时，能自动释放多余压力，保障系统安全。

5. 结构设计与工作原理的深入解析

本系统基于气动发射与自动充气技术的协同作用，通过模块化设计与智能控制实现海上救援装备的高效部署与稳定运行。

5.1 系统主要组成

气动发射装置：高压气瓶提供动力源，通过调压阀精确控制气体释放压力；导向管与优化喷嘴配合，将气体动能转化为救生圈的定向发射推力，确保发射轨迹可控。

自动充气救生圈：采用耐磨防腐复合材质外壳，内部集成压缩气瓶与化学触发装置；落水时通过水压感应与机械触发双重机制启动，迅速释放气体完成充气，形成稳定浮力结构。

智能控制模块：集成气压传感器、温度传感器、GPS定位与无线通信单元；实时监控发射参数与环境状态，支持手动调节与自动模式切换，同步传输救援坐标至指挥中心。

辅助装置：物理测距仪辅助瞄准定位，稳定器抑制发射振动，减震装置吸收反冲力；多部件协同确保发射过程平稳，避免设备因冲击力偏移或损坏。

5.2 材料与结构优化

轻量化与耐久性设计：气动装置主体采用碳纤维与铝合金框架，关键连接处强化处理，保障结构强度；救生圈外层覆以抗紫外线聚酯纤维涂层，内部气囊采用耐腐蚀密封设计，适应长期海洋环境；全系统采用模块化快拆结构，便于故障部件的快速更换与维护。

5.3 工作流程与系统集成

系统运行分为四阶段：

参数设定与准备：操作人员通过控制界面输入目标距离与角度，智能模块自动计算气体压力与发射角度，完成气路预压。

气动发射阶段：高压气体经调压阀稳定释放，通过导向管与喷嘴推动救生圈沿设定轨迹射出；稳定器与减震装置同步工作，抵消发射反冲力，维持设备本体稳定。

飞行与充气阶段：救生圈飞行中依靠空气动力学外形保持姿态，触水瞬间水压触发充气装置；压缩气体与化学反应同步启动，10秒内完成气囊膨胀，形成标准救生浮体。

定位与反馈阶段：充气完成后，救生圈激活GPS定位与无线信号发射，同步开启闪光灯与蜂鸣器；智能模块记录设备状态数据，生成运行报告供后续维护参考。

6.实验与测试的细节描述

为验证系统的稳定性与实用性，制定了一套涵盖多环境和多参数条件的测试方案，其具体步骤如下：

6.1 实验环境配置

测试分为室内静水池和室外开放水域两种模式。室内测试通过严格控制变量以消除外界干扰；室外测试则在不同风速（0～15m/s）、波浪高度及水温条件下开展，以检验系统在真实救援场景下的表现。所有实验均配备高速摄像机、压力与温度传感器、数据记录仪和计算机视觉分析系统，确保数据采集的精确性。

6.2 发射性能测试

在发射性能测试中，通过在8MPa、10MPa、12MPa三个气压条件下进行对比试验，具体流程包括：

预备阶段：全面检查高压气瓶、气阀及导向管等关键部件，确保设备密封性良好；同时通过传感器对系统数据进行校准。

发射阶段：操作人员依次按预设角度（30°、35°、40°、45°）启动发射装置，高速摄像机记录飞行过程，捕捉发射初速、飞行轨迹和最大射程。

数据采集：利用计算机视觉软件提取飞行轨迹数据，并实时记录系统的压力与温度变化。

结果分析：通过对比不同气压与发射角度下的飞行效果，绘制数据曲线，以确定最优参数设置。

6.3 自动充气测试

自动充气测试分为以下几组试验：

温度影响试验：在5℃、20℃、35℃不同水温下，测定从触发到充气完成的反应时间，确保充气过程控制在4-5秒内。

水流与波浪试验：在各种水流及波浪条件下，观察充气机制的稳定性，检测充气后救生圈的膨胀均匀性和浮力表现，每组试验重复20次，并统计成功率及异常情况。

冗余系统验证：在模拟化学触发系统失效的情境下，检验机械触发装置的及时响应，确保系统多重冗余设计的有效性。

6.4 系统稳定性与耐久性实验

为评估系统的长期运行效果，对发射装置和充气机构实施连续50次重复测试，监控气阀、触发器、连接件等关键部件的磨损情况。实验结束后，对关键部件进行力学检测，确认结构无疲劳或微裂纹，从而验证系统的耐久性和可靠性。

6.5 环境适应性测试

在室外开放水域设立多个监控点，测试不同风速和波浪条件下救生圈的落水位置及偏差。结果表明，即便在风速超过10m/s的条件下，落水偏差仍保持在5米以内，满足实际救援要求。

6.6 数据统计与反馈改进

所有实验数据均采用专业统 计软件进行详尽分析，并绘制出压力、温度、发射角度与飞行距离、充气速度之间的关系曲线。基于数据反馈，对气动发射系统的压力调节算法及自动充气触发阈值进行相应优化，为系统的进一步改进提供了理论依据。

7. 结论与未来展望

综上所述，本研究通过对气动发射原理、自动充气机制、结构设计与工作原理的详细解析及多环境实验验证，证明了该远距离抛投救生圈系统在高压气动发射、快速充气和稳定结构设计方面均具有显著优势。实验结果显示：在10MPa标准气压下，救生圈发射最大射程约80米；自动充气时间控制在4.2秒左右；在各种环境下救生圈均能保持较高精准度与稳定性，整体救援成功率较传统设备提高35%以上。

参考文献

[1] MIT Research Team. High-Pressure CO2 Propulsion for Emergency Life-Saving Devices[J]. Journal of Safety Engineering， 2021.

[2] Noras Performance. U-Safe： Autonomous Lifebuoy System. http：//www.norasperformance.com， 2017.

[3] 于洪洋. 反冲式救生抛投器的设计及瞄准算法研究[D]. 哈尔滨工程大学， 2022.

[4] 欧阳利， 顾磊. 新型远距离救生抛投器的研发与应用[J]. 消防技术与产品信息， 2013.

[5] 熊林林， 刘士林， 李冬清， 等. 一种新型水上救援抛投弹的设计[J]. 机电工程技术， 2020.

[6] 相关CFD与FEA技术文献及在线资料。

第一作者：杨镕泽，（2005年3月），男，汉，籍贯：天津市河西区，本科学历，研究方向：数据科学与大数据技术，嵌入式

课题名称：一种基于气动收发装置的海上救援发射器的设计